液化天然氣廠區風險量化計算與分級管控

鄧軍 梁天天 程方明

摘 要：以某液化天然氣廠中人員分布較多的公共辦公區域為重點研究對象，應用挪威船級社（DNV）SAFETI軟件中的風險計算方法，定量計算出廠區周邊其余設備設施及壓力管道對它造成的風險大小，并針對事故后果的范圍提出相應的管控措施，最后將該方法的風險分級結果與風險矩陣法的風險分級結果進行對比研究，發現傳統意義上的重大危險源造成的風險不一定是最大的，造成風險最大的設備設施也可能是距離人員分布較近區域但危險性物質儲存量并不大的設備。結果表明，定量風險分析方法得到的風險分級結果比傳統評價方法的分級結果更科學，通過應用該軟件介紹定量分析方法如何在實際當中進行風險分級工作，為提高風險分級準確性提供了一個方法，也為風險分級管控提供了理論基礎和技術參考。

關鍵詞：量化風險分析;管控措施;風險辨識;風險分級;事故后果

中圖分類號：TD 75 ? 文獻標志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0403 ? 文章編號：1672-9315（2019）04-0571-10

Abstract：The accuracy of risk grading results is examined in a public office area with a large number of people in a liquefied natural gas plant by the quantitative risk grading method.A quantitative calculation is made of the risk caused by the rest equipment and facilities as well as the pressure pipelines around the factory area， and corresponding control measures is proposed for the scope of the accident consequences.And a comparative study of the risk grading results by this method with those by the risk matrix method reveals that the risk caused by the significant source of danger in the traditional sense is not necessarily the largest， and the equipment that poses the most risk may also be the one that is located near the area where the personnel are located but the storage of dangerous substances is not large.The results indicate that the risk grading results obtained by the quantitative risk analysis method are more scientific than those by the traditional evaluation methods.Introduce the quantitative analysis method to apply the risk grading work in practice SAFETI is adopted to analyze the application of the quantitative analyze the application of the quantitative analysis method into the risk grading task，Provide a way to improve the accuracy of risk grading，which provides a theoretical basis for and technical reference to risk grading management.

Key words：QRA;control measures;risk identification;risk grading;consequences

0 引 言

風險分級管控主要是以工程、系統、企業等為管理對象，通過應用某種風險評價方法，對管理對象內的人員活動、設備設施或管道進行風險分級并制定相應的管控措施，從而達到控制風險、預防事故、保障安全的目的[1-3]。傳統風險分級方法對風險大多是定性研究，人為因素使評價結果有很強的主觀性，量化風險分析方法是目前風險評價研究的最高階段，它運用軟件模擬結合數據分析的手段，在很大程度上降低了人為因素對評價結果的影響[4-9]。目前，國內外學者對量化風險分析方法在不同方面的應用作了大量的研究。

彭星煜等通過量化風險分析軟件SAFETI研究在大氣條件影響下天然氣泄漏的燃燒影響和毒性影響，最后得出大氣對其濃度分布影響的兩大因素是風速和穩定度[10];Demichela，M等描述了一個安全管理系統（SMS）方面的定量風險評估程序，并將該程序應用于甲醛裝置中[11];吳宗之等建立了基于網格差分的風險計算模型，開發了個人風險的計算軟件，并提出了區域定量風險評價方法[12];徐欣等將HAZAO定性風險評價方法與QRA定量風險評價方法結合起來，認為HAZOP分析方法辨識出的潛在風險，需要進一步采取半定量或定量方法來確定潛在風險是否可以接受[13];羅艾民等介紹并比較了歐盟ARAMIS和挪威Purplebook中推介的2種危險辨識方法，提升了QRA分析的一致性[14];翁永基介紹了油氣管道泄漏事故定量風險評價的基本原則和一般步驟，介紹了泄漏事故后果指標以及泄漏事故概率指標，并且應用危險性指標直觀評價風險等級[15]。

上述研究主要在工程應用、評估模型、評估方法、有效性以及事故后果和概率等方面對量化風險分析方法進行了研究，對于QRA在風險分級中的實際應用研究較少。本次研究以某液化天然氣廠為例，應用挪威DNV公司開發的SAFETI進行定量風險分級，并與LS法分級結果進行比較，為風險分級提供了一個更為科學的方法。

1 量化風險分析方法

量化風險分析方法（簡稱 QRA），通過采用定量化的概率風險值對系統的危險性進行描述，是從量化風險的角度，評價危險源對周邊環境造成的事故影響的風險可接受程度，并在此基礎上提出相關安全措施建議的技術方法[16-19]。風險最常見的表現形式主要分為個人風險以及社會風險，個人風險常用風險等值線表示;社會風險通常用F/N曲線[20-23]（累計頻率/死亡人數曲線表示）。在實際應用中，量化風險分析方法主要包括以下幾個步驟。

1.1 前期準備

首先需要搜集相關資料。搜集的資料主要包括：評估對象的名稱、地址、成立時間、性質、所屬行業、規模等基本資料，以及評估對象所在地的自然條件，周邊道路交通、重要場所、區域、基礎設施、單位分布情況，周邊人口居住和活動分布情況等和總平面布置圖等。

1.2 明確范圍

明確需要進行定量風險評估的的范圍。一般而言，評估范圍可以根據項目內裝置、設施或單元作為劃分，也可以根據是否存在危險性物質來確定分析的范圍，通?？梢愿鶕O備是否存在危險性物質來劃分不同層次的評價范圍。

1.3 風險辨識

對評價區域內存在的風險點進行排查。一般而言，需要排查的風險主要包括生產工藝、設備設施、作業環境、作業活動和管理體系等方面的危險有害因素。

1.4 風險計算

風險計算環節主要包括風險概率計算以及事故后果模擬2大方面。本次計算主要應用SAFETI軟件自帶的風險概率計算模塊LEAK模塊來計算各個設備設施的風險概率;對于事故后果模擬方面采用SAFETI軟件的PHAST模塊進行事故后果模擬。

1.5 風險評估

通過結合計算出的事故發生概率以及事故后果模擬結果最終得出所需要的風險值。最后根據相關標準判定風險是否可接受，如果風險值超出了可接受的范圍，就要考慮增加相應的風險管控措施來降低風險。

2 某化工廠現場調研

2.1 企業概況

該液化天然氣廠位于某高新技術產業示范區，主要基礎設施包括：一套液化處理能力為200萬N·m3/d;儲存能力為60 000 m3（設置2臺30 000 m3儲罐）;汽化處理能力為300萬N·m3/d的工藝裝置（預留）。廠區中部布置為工藝裝置區及LNG儲罐區;中部西側為工藝裝置區，裝置區北面為冷劑儲存區、循環水站、倉庫和維修間;LNG儲罐區布置在廠區中部東側，設有4.5 m高圍堰，內設2座立式30 000 m3LNG儲罐，圍堰內設集液池收集事故情況下泄漏的LNG;工藝裝置區與 LNG儲罐區中間位置由北到南依次布置廢水收集池、雨淋閥室。

2.2 氣象條件及人口分布

該示范區屬大陸性季風型半濕潤氣候，局域春暖多風、夏熱多雨、秋熱涼爽，該示范區年平均氣溫13.3 ℃，年均風速1.7 m/s，年主導風向為WNW，年平均氣壓96.11 kPa.通過現場調研發現，該市大氣穩定度為D類，因此確定該廠區大氣穩定度為D類。根據現場調研發現，該廠區的人口主要分布于公共辦公區、主工藝裝置區、LNG裝卸區以及中控室等其他區域，LNG裝卸區屬于室外作業區，其他區域室外人員包括：廠區保安、安全員以及消防人員，除此之外，其余區域均為室內作業區。具體人員分布情況見表1.

2.3 生產工藝及評價單元

天然氣廠工藝流程包括：原料氣預處理、天然氣液化等過程，原料預處理階段主要包括：酸性氣體脫除、胺再生、氣體脫水、重烴吸附、汞脫除等工藝過程;天然氣液化階段包括：天然氣液化、MR制冷、冷劑補充和儲存、BOG壓縮、LNG氣化等工藝流程。其中，原料預處理階段所涉及的危險性物質較少，而天然氣液化階段涉及的危險性物質較多。因此，本次定量風險評價應著重分析天然氣液化階段涉及的各個設備及壓力管道。通過對天然氣液化工藝流程的分析發現，天然氣液化、MR制冷、冷劑補充和儲存、天然氣儲罐等工藝流程可能會存在天然氣、丙烷、戊烷、異戊烷等可燃性氣體泄漏的現象，這些工藝流程主要分布的區域包括：工藝裝置區、冷劑儲存區以及液化天然氣儲罐區。綜上所述，定量風險計算選擇的評價單元主要有：工藝裝置區、冷劑儲存區、液化天然氣儲罐區。

從表8可知，社會風險排序前十的設備設施中，設備25即丙烷儲罐以及設備23即乙烯儲罐的社會風險超過社會風險標準中的最大容許斜距;通過分別對管道以及設備發生泄漏的概率分析發現，設備發生泄漏的概率要比管道發生泄漏的概率小，但設備發生泄漏所造成的事故后果遠比管道嚴重;管道012（19）即LNG閃蒸罐V-1305到BOG壓縮機入口罐V-1401之間的管道，對公共辦公區域造成的個人風險最大，風險值大小為3567×10-4/年;

從表9可知，個人風險排序前十的設備設施其風險大小都超過了個人風險標準;同一條管道同樣泄漏場景下，分布區域的不同會影響其風險值大小;在同一區域分布的管道在不同的泄漏場景下，泄漏孔徑越小發生的概率越大。

4.4 事故后果范圍

從圖3可知，設備25在完全破裂后擴散延遲點燃造成閃火的擴散范圍在1.7D下擴散濃度44 000 ppm時擴散距離最遠，其中側風向擴散距離最遠處為480 m;順風向擴散距離最遠處為480 m.一般而言，從風險角度考慮，認為閃火范圍內致死率為百分之百。閃火擴散范圍越大，其在作用范圍內的熱輻射傷害越高，對人員以及設備設施所造成的風險就越大。

從圖4可知，沿順風方向在0～28 m內熱輻射量瞬間上升到最大值160 kW/m2，從28 m到236 m范圍內熱輻射量從最高值160 kW/m2逐漸降低，在236 m處熱輻射量達到最低值?？傮w而言，在0～110 m的范圍內熱輻射值較高，在110～236 m范圍內熱輻射值較低，在0～100 m之間熱輻射量超過25 kW/m2，當熱輻射強度超過25 kW/m2時人員生命將受到威脅，因此可判定沿順風方向0～100 m為致死區，110～235 m可作為人員疏散區域。

從圖5可以看出，液池半徑逐漸增大，在250 s處液池半徑增長到最大值63.5 m，250 s后液池半徑由于液池蒸發逐漸降低至最小值。設備25完全破裂后產生的液池半徑最大為63.5 m，液池半徑擴散越大，所引起的噴射火以及池火災的事故后果就越嚴重，其對周邊環境所造成的傷害半徑越大，通過掌握液池半徑的擴散范圍可以為事故的應急處置提供科學的決策依據。

4.5 定量風險分級結果

根據現場調研數據可知，該廠區距離周邊住宅區域較遠，因此不考慮廠區周邊人口對社會風險的影響。本次風險分級以公共辦公區為重點防護區域，通過個人風險以及社會風險計算結果并結合事故后果的范圍，對這些設備設施以及壓力管道進行了風險分級，定量風險分級結果如下

1）根據社會風險計算結果以及事故后果計算結果可知，設備25以及設備23其社會風險計算結果超過社會風險標準值，此外，設備25以及設備23的事故后果范圍均為最大。綜上所述，設備25以及設備23對周邊環境以及人口影響范圍最大，風險級別可定為一級風險。

2）根據社會風險計算結果可知，管道013的風險值相較于設備25以及設備23較低，但其閃火范圍、池火災熱輻射范圍相較于其他管道較大，因此可以認為管道013即V-1305到TK1502之間的管道為較大風險，風險級別可定為二級風險;根據個人風險計算結果以及事故后果計算結果可知，管道012完全破裂的閃火范圍、池火災熱輻射范圍相對而言較小且風險值較低，但是管道012完全破裂的個人風險值最大，因此可以認為管道012即V 1305到V 1401之間的管道為較大風險，風險級別定為二級風險。

5 定性與定量方法結果對比

1）傳統意義上的風險評價方法一般針對設備設施的具體情況進行風險劃分，但是對于設備的后果不能詳細說明，只能表示設備發生事故的大概類型，應用定量風險計算的風險分級結果可以準確地說明該事故發生的類型、范圍、后果嚴重性的具體內容。

2）傳統意義上的風險評價方法對于管道設施的風險分級情況相對較少，該液化天然氣廠在應用風險矩陣法時并未列出管道的風險分級結果，管道泄漏其后果也是比較嚴重的。

3）定量評價方法由于過程比較繁瑣，需要收集的參數資料較多，不建議對所有的設備設施都應用定量方法進行計算。

6 風險管控措施

6.1 設備管控措施

對于設備25以及設備23采取以下措施降低其風險

1）制冷劑區域消防設施必須齊全，在儲罐附近還應設置緊急切斷閥，同時要對儲罐內的液體定期進行在線液位監測。

2）制冷劑廠房應配備有效的通風設備以及可燃氣體報警系統，當儲罐發生泄漏時，能夠及時了解氣體擴散范圍及濃度的情況并及時做出防范措施，除此之外，還應嚴格控制點火源，制冷區域內應嚴禁吸煙并對出入人員是否攜帶火種進行檢查。

3）通過現場調研可知，丙烷儲罐以及乙烯儲罐均位于廠區西北區域且緊挨公共辦公區域，根據定量風險計算結果可知公共辦公區處于致死區域內，因此，可以考慮將制冷劑區域移至遠離西北區域的東南區域，防止儲罐發生泄漏時人員來不及疏散的情況發生。

6.2 壓力管道管控措施

1）定期對各個管線進行全面檢查，主要包括管線是否由于老化或人為的原因而有斷裂或穿孔的現象。

2）對管線012，013以及010應加強管理，在公共區域附近安裝可燃氣體探測器并配備消防設施，確保管線發生泄漏時能夠提前了解情況，及時做出防范措施。

3）管線應盡量遠離公共辦公區域進行布置，因此可以考慮將公共辦公區域附近的012，013以及010管線移至該廠區人口分布較少的東南區域附近。

7 結 論

1）定性風險分析方法僅僅圍繞設備本身存在的危險性大小進行分級，而定量風險評價方法則會考慮設備設施泄漏的不同場景以及分布位置的不同，考慮所有事故發生的可能性以及事故后果，最終得出最科學的風險分級結果。

2）設備25的閃火范圍沿順風方向最遠處為480 m;設備25池火災熱輻射范圍沿順風方向0～100 m為致死區域，沿順風方向110～235 m可作為人員疏散區域;設備25完全破裂后產生的液池半徑最大為63.5m.

3）設備發生泄漏的概率要比管道發生泄漏的概率小，但設備發生泄漏所造成的事故后果遠比管道嚴重;同一條管道同樣泄漏場景下，分布區域的不同會影響其風險值大小;同一條管道同樣泄漏場景下，在不同的分布區域發生事故的概率是一樣的，但其造成的事故后果嚴重性程度不一樣。

4）該液化天然氣廠區布置不合理，制冷劑儲存區距離公共辦公區域較近，其對公共辦公區造成的社會影響較大，建議將制冷劑儲存區移至遠離公共辦公區域的東南區域，并制定相應的風險管控措施來降低其風險。

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