石化企業(yè)多米諾事故場景下的區(qū)域環(huán)境風險評價技術(shù)

張俊明，袁鵬，許偉寧，韓璐，宋永會* ，郭繼香

1.中國環(huán)境科學研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012

2.中國石油工程建設(shè)公司，北京 100120

3.中國石油大學(北京)提高采收率研究院，北京 102249

隨著國家以園區(qū)經(jīng)濟發(fā)展為代表的區(qū)域性開發(fā)的推進，我國的區(qū)域環(huán)境風險問題日益顯現(xiàn)。區(qū)域環(huán)境風險發(fā)生過程復(fù)雜，一般具有多種環(huán)境風險類型，并伴生多種環(huán)境風險因素，這些因素能夠相互作用、相互影響［1］。區(qū)域環(huán)境風險評價是對較大的地理區(qū)域內(nèi)多個風險因素進行定量的、系統(tǒng)的評價過程，該過程涉及對多種風險源和風險受體的評價，在此基礎(chǔ)上得到區(qū)域環(huán)境風險綜合指數(shù)(風險度)，以該綜合指數(shù)為依據(jù)編制的區(qū)域風險分布圖是一個包含社會、環(huán)境和經(jīng)濟等諸多因素的巨系統(tǒng)，為區(qū)域開發(fā)建設(shè)和制訂風險管理政策提供科學依據(jù)［2-3］。國內(nèi)外學者對區(qū)域環(huán)境風險系統(tǒng)的框架和總體風險分析做了相關(guān)研究，在針對特定行業(yè)潛在環(huán)境風險的研究中，更多著眼于對單一的、具體的環(huán)境風險源的分析，而對風險因素間相互影響導(dǎo)致的復(fù)合風險效應(yīng)鮮見深入研究［4-6］。

近年來，作為高風險行業(yè)的石化行業(yè)逐漸向裝置大型化、工藝復(fù)雜化、企業(yè)園區(qū)化方向發(fā)展，該發(fā)展趨勢直接導(dǎo)致了風險工藝裝置間多米諾事故的發(fā)生頻率增加［7-8］。石化企業(yè)的多米諾事故指的是由初始事件引發(fā)的單個或更多二級事故，二級事故的發(fā)生對周圍生態(tài)環(huán)境和人員受體造成了更加嚴重的影響并且使初級事故的影響得以傳播［9］。基于石化企業(yè)歷史多米諾事故的分析，在所有多米諾事故涉及化學物質(zhì)中占有最高比率的是液化石油氣(liquefied petroleum gas，LPG)，達26.7%。表1 列出了B.Abodolhamidzadeh 等［10］總結(jié)的近60年來涉及LPG的多米諾事故的發(fā)生時間、地點及傷亡情況。

表1 部分涉及LPG(丙烷/丁烷)的歷史多米諾事故［10］Table 1 Some Domino accident examples involving LPG(propane/butane)

對石化企業(yè)裝置進行多米諾事故分析是對該類企業(yè)風險研究的一個重要方面，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對區(qū)域環(huán)境風險的評價，目的在于客觀地揭示區(qū)域內(nèi)及區(qū)域之間多米諾事故風險的相似性和差異性，并據(jù)此得出區(qū)域環(huán)境風險的分布規(guī)律。將整個評價區(qū)域劃分為不同等級的環(huán)境風險區(qū)，確定環(huán)境風險管理資源的優(yōu)先配置順序，以期為區(qū)域環(huán)境風險管理者和決策者提供充分的科學依據(jù)。

1 多米諾事故風險分析與區(qū)域環(huán)境風險評價

1.1 多米諾事故風險分析

石化企業(yè)中的任一工藝設(shè)備都會因為反應(yīng)過程的失效(如失控反應(yīng)、反應(yīng)中生成巨大壓力等)，或者設(shè)備本身的缺陷(如腐蝕、金屬疲勞)導(dǎo)致設(shè)備的失效。當設(shè)備的失效是由于接觸到了周邊設(shè)備事故而產(chǎn)生的事故升級因素(熱負荷、爆炸超壓或者拋射物)時，該類設(shè)備的事故發(fā)生概率為:

式中:fi為設(shè)備事故概率;為單個設(shè)備的損壞概率，可以根據(jù)同類設(shè)備歷史事故數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算得到為單個設(shè)備在多米諾事故中的失效概率。

多米諾事故使周圍設(shè)備失效事件可以用下述邏輯關(guān)系式表達:

根據(jù)式(1)～(3)，可計算出評價區(qū)域內(nèi)設(shè)備間相互影響的多米諾事故發(fā)生概率，如果不考慮事故后果嚴重度的差別，將事故后果的嚴重度設(shè)定為1，根據(jù)風險的定義，多米諾事故風險值(r)在數(shù)值上與多米諾事故發(fā)生概率是相等的。在計算出每個工藝設(shè)備的多米諾事故風險值后，再對所有設(shè)備的多米諾事故風險值求和便可得出所評價企業(yè)的多米諾事故風險值。

在幾種類型的初始事故中，爆炸最容易引發(fā)多米諾事故，因此，主要考慮爆炸波超壓這一升級因素對周圍設(shè)備的影響。在明確了泄漏出的易燃易爆物TNT 當量值(WTNT)后，設(shè)定與爆炸源的距離(x)，即可得到與爆炸源特定距離的爆炸波超壓值

在得出具體的超壓值后，應(yīng)用概率元模型［12-13］計算對應(yīng)超壓值的不同設(shè)備類型的多米諾損害概率元(Y):

式中:Y 為要計算得到的設(shè)備損壞概率元;△p 為根據(jù)式(4)計算出的超壓值，Pa;k1、k2為對應(yīng)不同種類設(shè)備的概率元系數(shù)，具體數(shù)值見表2。

表2 4 種設(shè)備的概率元系數(shù)Table 2 The coefficient of 4 types of equipment in the probit model

1)立式長設(shè)備指蒸餾塔、吸收塔等塔設(shè)備和儲罐等;2)小型設(shè)備指換熱器、過濾器和洗滌器等。

得到不同種類設(shè)備在不同超壓值下的Y 后，可計算出某一設(shè)備在受到爆炸沖擊波超壓影響時的損害概率［12］:

針對蒸餾裝置發(fā)生泄漏后的蒸氣云爆炸事故對周圍裝置的破壞情況，結(jié)合之前的研究成果［14］，對其進行模擬計算，計算結(jié)果見表3。

表3 超壓對周圍設(shè)備損害的概率Table 3 The damage probability caused by blast wave overpressure

1.2 區(qū)域環(huán)境風險評價方法

信息擴散是可以對單一樣本點進行集值化處理的模糊數(shù)學處理方法。通過擴散函數(shù)來建立2 個變量之間的二元關(guān)系，對不完備信息進行適當?shù)男畔⑴蛎?，以彌補小樣本信息不足的缺點。筆者引入信息擴散原理，從宏觀角度對區(qū)域環(huán)境風險進行評估和分析。

應(yīng)用信息擴散法進行區(qū)域環(huán)境風險評價分為5個步驟:區(qū)域網(wǎng)格化，風險信息矩陣的構(gòu)建，數(shù)值修正，風險值迭加及環(huán)境風險分區(qū)。在構(gòu)建風險信息矩陣時應(yīng)用的擴散模型主要是HJ/T 169—2004《建設(shè)項目環(huán)境風險評價技術(shù)導(dǎo)則》推薦的3 個氣體擴散模式:多煙團模式、分段煙羽模式和重氣體擴散模式［15］。有毒有害氣體擴散受當?shù)貧庀髼l件和地形因素影響最大，尤其是在有風條件下的擴散，擴散距離與地形、風速及泄漏總量有關(guān)，因此，要根據(jù)現(xiàn)實情況對風險信息矩陣進行數(shù)值修正，才能得到更符合實際的風險值矩陣。在信息擴散法中，為方便風險值在風險信息矩陣中顯示，對指數(shù)形式的風險值用式(7)進行處理，將其轉(zhuǎn)換為整數(shù)形式(R)［16］。

根據(jù)R 的取值范圍，將區(qū)域環(huán)境風險劃分為5個等級，見表4。

表4 風險等級劃分及其危險性Table 4 The multiple risk levels and their dangerous degree

為了對評價區(qū)域應(yīng)用信息擴散法，需明確區(qū)域內(nèi)每個單一樣本點的風險值，本研究主要考察風險企業(yè)在多米諾事故場景下的風險值。

2 案例研究

以某沿海城市為例，根據(jù)對該市主要企業(yè)調(diào)查和環(huán)境風險水平分析結(jié)果，篩選出高風險企業(yè)18家，主要為石化類企業(yè)。

2.1 多米諾事故風險值的計算

按照1.1節(jié)給出的多米諾事故風險值計算方法，對評價區(qū)域內(nèi)某石化企業(yè)的儲存單元進行風險值計算。該儲存單元中4 個儲罐的類型、儲存的危險物質(zhì)、存量以及事故失效概率如表5 所示。4 個儲罐的平面布置如圖1 所示。

表5 某石化企業(yè)模擬多米諾事故相關(guān)數(shù)據(jù)Table 5 The relevant data in Domino accident simulation

圖1 儲存區(qū)域儲罐平面布置示意Fig.1 The layout chart of tanks in storage area

在當?shù)刂鲗?dǎo)氣象條件下，池火和蒸氣云爆炸是該儲存區(qū)域發(fā)生事故時最有可能造成的初級事故。儲罐中的危險物質(zhì)在發(fā)生事故泄漏后會在事故地面形成液池，如果形成的液池被周圍環(huán)境的靜電或火源立即點燃則池火形成。如果液池未被立即點燃，在設(shè)定的氣象條件下，液池內(nèi)的危險物質(zhì)會逐漸蒸發(fā)形成可燃蒸氣云。蒸氣云會隨風向下風向漂移，當在漂移過程中遇到靜電或火源時則蒸氣云爆炸事故形成。

在受到周邊設(shè)備影響的情況下，對升級因素的致傷概率(熱負荷和爆炸超壓)進行了分析。采用V. Cozzani 等［12］提出的方法計算TK-1 的失效概率時，要將設(shè)備間的相互影響考慮在內(nèi)，結(jié)合式(2)～(4)，得到TK-1 的多米諾失效概率為4.4 ×10-6。對比表5 可知，當考慮設(shè)備間的多米諾效應(yīng)時，設(shè)備的失效概率是原來的4.4 倍。其他3 個儲罐的多米諾失效概率可用相同方法得出，結(jié)果見表6。

表6 儲罐的多米諾失效概率Table 6 The damage probability of storage tanks in Domino accidents

如果不考慮4 個儲罐發(fā)生事故后的嚴重度差別，將嚴重度均設(shè)為1，根據(jù)1.1 節(jié)可得出該儲罐區(qū)域的多米諾事故風險值為3.79 ×10-5。

同理，企業(yè)的多米諾事故風險值可以用企業(yè)涉及的所有風險工藝的多米諾事故風險值進行疊加求和。根據(jù)該計算方法，最終求得的研究區(qū)域內(nèi)的18家企業(yè)的多米諾事故風險值見表7。

表7 18 家企業(yè)的多米諾事故風險值Table 7 The Domino risk value of 18 plants

2.2 區(qū)域風險信息可視化

在數(shù)字化的地圖上標注出該市行政轄區(qū)內(nèi)的高風險企業(yè)及敏感風險受體，結(jié)果見圖2。

圖2 某市主要風險企業(yè)與敏感風險受體分布Fig.2 The position of environmental risk sources and susceptible targets in the city

該市的評價區(qū)域面積為45 km×90 km(包括海域面積)，取步長間隔為3 km 對評價區(qū)域網(wǎng)格化，形成15 行×30 列的評價網(wǎng)格，據(jù)此建立1 個15 ×30 的風險信息矩陣，起始位置為圖2 左上角。18 家風險企業(yè)在矩陣中的相對位置及多米諾事故風險值見表8。

表8 主要環(huán)境風險源信息、相對位置及多米諾事故風險值Table 8 The relevant information，relative coordinates，risk value of risk sources

根據(jù)表8 中的數(shù)據(jù)作出該市風險企業(yè)多米諾事故風險值矩陣(Q1)(未被標記數(shù)值的區(qū)域風險值為0):

根據(jù)信息擴散法的風險值擴散原理，對以上每家企業(yè)的液態(tài)風險和氣態(tài)風險進行擴散、數(shù)值修正、有效疊加后，得到修正后的多米諾事故風險值矩陣(Q2):

應(yīng)用ArcGIS 軟件將Q2導(dǎo)入到該市的數(shù)字化地圖中，再利用克里格插值對其他網(wǎng)格區(qū)域的風險值進行插值估算，可視化后得到了最終的風險等級區(qū)劃圖，如圖3 所示。

圖3 某市環(huán)境風險評價結(jié)果Fig.3 The result of environmental risk assessment in the city

從圖3 可以看出，該市絕大部分地區(qū)屬于中度等級的風險區(qū)，有2 個獨立區(qū)域?qū)儆诟唢L險區(qū)(R 為4.5)，在2 個高風險區(qū)內(nèi)，進一步確定了3 個獨立的較小區(qū)域?qū)儆跇O高風險區(qū)(R 為5.0)。對于極高風險區(qū)，環(huán)境管理部門的決策者應(yīng)給予高度的重視，必須對該區(qū)域采取有效的環(huán)境風險防控措施，優(yōu)先分配風險管理資源，編制區(qū)域環(huán)境風險應(yīng)急預(yù)案，做好敏感受體的防護，以降低3 個區(qū)域的多米諾事故風險值，最大限度地避免事故的發(fā)生;對于高風險區(qū)，管理部門應(yīng)密切關(guān)注該區(qū)域的風險變化情況，采取必要的措施防止該區(qū)域的風險水平升高;針對位于中度及以下風險等級的區(qū)域，管理部門只需定期評估該區(qū)域的風險情況，做好日常的防范工作，無需占用過多的風險管理資源。

3 結(jié)論

對石化企業(yè)裝置的多米諾事故進行了數(shù)學邏輯分析，整合了裝置在多米諾事故下失效的邏輯表達式和事故發(fā)生概率計算方法。結(jié)果表明，設(shè)備的事故發(fā)生概率是設(shè)備自身失效概率與該設(shè)備的多米諾事故失效概率之和。整合爆炸波超壓模型、概率元分析法和信息擴散法后得到了區(qū)域尺度上石化類企業(yè)環(huán)境風險評價方法。案例研究結(jié)果表明，風險管理部門應(yīng)重點關(guān)注該市的3 個極高風險區(qū)域，優(yōu)先配置管理資源的同時還應(yīng)采取強制措施降低該類區(qū)域的風險。

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