基于LEAK軟件對液氯制取系統中裝置泄漏概率的預測研究

方 枝,郭海林,李超鋒，李 偉

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院,湖北 武漢 430074; 2.中石化江漢油田分公司安全環保處，湖北 潛江 433124)

氯氣是氯堿工業的主要產品,其活性強,泄漏風險高、危害大。氯堿廠儲罐區存放了大量液氯，一旦泄漏,將會造成人員中毒、財產損失和火災爆炸等重大災難性事故，后果不堪設想。如2012年7月2日晚,某化工企業一工人私自拆卸20余天前收購的液氯金屬罐口銅角閥,導致罐體內部殘液意外泄漏,造成27人受傷，事故過后整個公司停產；2011年10月16日,常州市波源化工有限公司發生液氯泄漏事故，造成該公司1名員工死亡、2名員工受傷，附近近百位村民接受相關部門治療。

目前針對氣體泄漏的定量風險評價已有大量的研究，如張杰等[1]運用LEAK軟件模擬了氯堿廠液氯制取系統中裝置的泄漏概率；章博等[2]運用LEAK軟件和歷史氣象數據,對高硫煉油裝置中硫化氫泄漏概率進行了預測研究,使得泄漏監測報警儀的安裝有可靠的參照；王程龍等[3]利用ANSYS軟件對管道法蘭接頭進行模擬,計算了不同應力條件下墊片所受的力,并對其不穩定工作壓力下管道的可靠性進行分析,運用Matlab軟件根據所構建的極限方程式對不同類型的變量進行反復隨機抽樣,從而得出螺栓法蘭的泄漏概率與壓力的關系；馮禹等[4]采用PHAST軟件對丙烯球罐泄漏進行了模擬,定量分析了不同孔徑對丙烯泄漏擴散的影響,并通過云團寬度和下風向距離兩個參數分析爆炸區域,為丙烯球罐風險管理的改善和事故概率的降低提供了理論依據；袁娜[5]采用Hugin軟件對貝葉斯網絡進行敏感性分析、診斷推理以及預測推理,分析出了最有可能導致液氨泄漏的致因要素和泄漏后果,并以液氨儲罐為工程實例,運用Matlab軟件在不同泄漏情境下對其濃度擴散范圍進行了模擬；朱廣萍[6]對液氨鋼瓶的泄漏情況進行了數值模擬分析,開發了模擬液氨泄漏后果的系統；Li等[7]運用貝葉斯網絡對石油天然氣管道的泄漏概率進行了定量風險分析；Shao等[8]對天然氣發電廠的泄漏事故風險進行了定量計算和ALOHA模擬;Huang等[9]對城鎮煤氣管道泄漏火災風險進行了評價,為減少火災的發生以及加強管道的安裝、維護、運營安全性提供了參考依據。

基于上述研究，本文以某氯堿廠為例,對其液氯制取系統進行了研究和設計。該氯堿廠共有4臺液氯儲罐,3臺正常運行,另外1臺為事故應急空罐,對4臺儲罐循環使用,每臺儲量60 t,容積為每次儲量50 m3,總容量為180 t,按照重大危險源識別原則確定為重大危險源。本次研究所模擬的液氯制取系統包括氯氣液化器、螺桿機組、氣液分離器、液氯儲罐、液下泵、液氯中間罐等設備，通過對液氯制取系統中氯氣液化裝置泄漏概率的分析，能夠很好地找到泄漏的位置或零部件,為安裝報警裝置和加強儲罐區域安全防護措施提供理論依據和技術支持。

1 氯氣液化裝置泄漏概率分析方法

1. 1 危險氣體泄漏易發性定量預測方法

為了實現液氯制取系統中，裝置泄漏易發性定量預測,本文結合氣體泄漏危險源辨識和泄漏易發性定量預測方法,提出了一套危險氣體泄漏的定量預測方法，該方法主要包括辨識研究裝置中氣體泄漏危險源、構建裝置泄漏定量預測模型、修正相關系數以及裝置泄漏概率的計算等步驟,詳見圖1。

圖1 研究系統中裝置泄漏概率的預測模型Fig.1 Prediction model for the leakage probability of equi- pment in liquid chlorine preparation system

1. 2 辨識研究裝置中氣體泄漏危險源

該步驟主要是熟悉研究裝置,確定評價區域的邊界及裝置的位置,收集裝置的基本信息、有關技術數據、評價區域以及裝置的布置圖等，并采用安全系統工程[10-11]的方法對研究裝置進行辨識與分析,辨識出具有危險氣體泄漏風險的設備設施。本文根據該廠區實際情況以及企業日常安全檢查表,選取液氯儲罐、氣液分離器、液下泵、螺桿機組幾個重點區域為氣體泄漏源即危險源。

目前,常使用故障樹、事件樹以及泄漏概率預測軟件等定量分析手段[12-13]來確定過程工藝裝置泄漏的失效概率。故障樹和事件樹等定量預測法主要是在對系統泄漏失效主要影響因素進行深入分析的基礎上構建故障樹或事件樹,并計算得到設備的失效概率,但是計算時需要的參數較多,如各部件失效概率等，主要作為求解失效概率的近似方法推薦使用。

1. 3 基于LEAK軟件構建裝置泄漏定量預測模型

1.3.1 單元劃分及建模

研究系統中可能發生泄漏的裝置可以視為一個系統,把該系統解構成區域、單元和設備等多個逐個層級子系統,那么完整的泄漏裝置將劃分為不同的單元,繼續細分,每個單元下還能劃分為不同的工藝段,而每個工藝段則包括不同的設備,再輸入基礎元素(管道、閥門、法蘭、換熱器和容器等)數據建立泄漏概率定量預測分析模型[14-15]。LEAK軟件可以計算出裝置總體的失效概率,也可以計算出各個單元、各個設備對總體失效的貢獻率。

1.3.2 裝置泄漏事件描述

LEAK軟件對泄漏事故的描述主要采用泄漏流速分布和泄漏孔徑尺寸等參數,本研究則是選取泄漏孔徑參數來描述。按照國內外孔徑的分類規則可以把泄漏孔徑分為小、中、大和破裂4類,詳見表1[16]。

表1 常用典型泄漏孔徑分類

1. 4 修正相關系數

設備修正系數的大小主要由4個因子決定,分別為技術模塊因子、通用模塊因子、機械模塊因子和工藝模塊因子，各個因子又都由幾個單元或相關次因子組成,把偏離設備失效頻率進行數學表示、定量化處理,得到每個單元的數值之后相加即得到相應因子的值,最后將4個因子的值相加。設備修正系數的具體取值方法見表2[17]。

表2 設備修正系數取值參考表

管理修正系數的推薦計算方法是：以API 581文件提供的管理系統評估表為基礎,評估者依據企業管理體系及制度情況進行評分,其中評估表滿分為1 000分,共涉及13項評估主題、101個評估指標,根據最后總得分,并參照管理修正系數與管理系統評估分值的關系,通過橫坐標總分數找到曲線上對應縱坐標的值即為管理修正系數[17-18]。

2 氯氣液化裝置泄漏概率分析方法的應用

2. 1 確定分析對象

本文主要對液氯制取系統中裝置液氯或氯氣泄漏的易發性進行定量預測。通過現場調研、流程圖分析及設備數據分析,得出氯氣液化器、氣液分離器、液氯儲罐、液氯中間罐、液下泵、螺桿機組等為氯氣液化系統的裝置,選擇這些裝置為液氯制取系統中泄漏定量預測的研究裝置。氯氣液化流程見圖2。

圖2 氯氣液化流程圖Fig.2 Flow chart of chlorine liquefaction

設備名稱型號或規格數量/個氯氣液化器M1403螺桿機組W?JLYLGF2．0Ⅱ3螺桿機組RWFⅡ1氣液分離器Ф600mm×1900mm3液氯儲罐Ф2600mm×10124mm4液下泵LSY40?12/52液氯中間罐3

2. 2 LEAK分析模型的建立

根據氯氣液化流程和相關技術參數,辨識出可能泄漏的設備設施,將其設置為幾個子系統,并將其單元和設備逐級細化成子系統,再輸入各基礎單元如法蘭、閥門等的技術參數，建立子系統泄漏概率定量預測分析模型即LEAK分析模型,如圖3所示為液氯儲罐泄漏概率定量預測分析模型。

圖3 液氯儲罐泄漏概率定量預測分析模型Fig.3 Quantitative prediction analysis model for leakage probability of liquid chlorine tank

2. 3 修正系數的計算

根據表2對4個模塊因子的各次模塊因子賦值相加,所得之值有正有負,參照表4進行換算,可得到液氯制取系統設備修正系數值，見表5。

表4 設備修正系數[17]的換算

根據管理修正系數的推薦計算方法，得到液氯制取系統評估總得分為890分(百分制為89分)(見表6),并按照API 581中的管理系統評估分值與管理修正系數的關系圖表,得出管理修正系數為0.18。

表5 液氯制取系統設備修正系數表

表6 液氯制取系統管理修正系數評分表

2.4 液氯制取系統中裝置泄漏概率的定量預測

本文利用LEAK軟件通過模擬計算，得出液氯制取系統中氯氣液化裝置的可能泄漏位置和泄漏源概率，詳見表7。

表7 液氯制取系統中氯氣液化裝置的可能泄漏 位置和泄漏概率

由表6可見,氯氣液化裝置中液氯中間罐的泄漏概率最大,分別為小孔徑,泄漏概率為5.673×10-2a-1(推薦孔徑為3.775 mm),中孔徑,泄漏概率為1.291×10-2a-1(推薦孔徑為24.396 mm),大孔徑,泄漏概率為4.010×10-3a-1(推薦孔徑為90.388 mm),可能泄漏的位置均為閥或儀表連接處；液氯儲罐在附件閥、法蘭或閥門處也存在概率為1.746×10-3a-1(推薦孔徑為3.7 mm)的小孔徑泄漏風險；氣液分離器也存在概率為3.210×10-3a-1(推薦孔徑為3.4 mm)的小孔徑泄漏風險；而液下泵的泄漏位置為泵體本身,其泄漏概率為4.064×10-3a-1,這些都是企業在日常管理中需要重點關注并加強防護和安全監測的泄漏源位置。

3 結 論

本文以某氯堿廠液氯制取系統中裝置為研究對

象，基于LEAK軟件定量模擬計算了氯氣液化裝置的泄漏概率，結果表明：辨識研究裝置中氣體泄漏危險源、構建裝置泄漏定量預測模型、修正相關系數等都對裝置最終泄漏概率的模擬結果有著重要影響，因此在模擬過程中應盡可能多地掌握生產裝置實際技術參數如壓強、溫度等,模擬單元也應劃分得更加詳細和精確,這樣模擬的結果將更接近于實際情況,才可為化工企業安全管理提供指導,從而減少企業的損失和人身傷害。

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