天然氣處理站重大突發性事件情景構建研究

蔣濤（中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院）

2006 年開展國家應急規劃情景工作，通過分析、梳理、總結近年來發生在美國和其它國家重大災難性事件，最終確認15 項為重大突發事件情景，并形成完整的重大突發事件情景構建理論和方法并制定出了《國家應急規劃情景》[1-2]。

2013 年針對石油化工行業，國家安全生產應急救援指揮中心牽頭帶領，由中國安全生產科學研究院提供技術支持，集合三大油公司（中石化、中石油、中海油）、天津市安監局開展重大突發事件情景構建工作，逐步提出重大突發事件情景構建理論基礎[3]。近年來，一些重特大生產安全事故頻繁發生（如2013 年青島“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故、2015 年福建漳州“4·6”爆炸著火事故、2015 年天津港“8·12”瑞海公司危險品倉庫特別重大火災爆炸事故），給國家、企業和社會造成了重大影響。在這些事故中，大多暴露出缺乏針對事故情景進行應急準備、現場應急人員缺乏培訓和演練、應急處置不當造成事故后果擴大的問題[4]。

1 情景概要

1.1 情景選擇

選擇重大突發事件情景時，考慮到事故情景要具有一定的代表性和典型性，發生的可能性，后果的嚴重性，以及事故影響的范圍和處置難度等要素。借鑒2017 年6 月5 日發生的金譽石化爆炸事故（其中10 人死亡、9 人受傷）[5]，結合某氣田處理站的現場實際，選擇裝車區液化石油氣槽車泄漏引發事故，槽車起火爆炸引發球罐起火爆炸導致事故擴大來構建情景。

1.2 情景狀況

根據對某氣田脫水脫烴站設定的事故每個場景主要的演化階段進行模擬計算，確定可能影響的范圍和程度，推算可能的環境影響、財產損失、社會影響、業務中斷、人員傷亡等后果。情景簡表見表1。假設條件如下：

表1 情景選擇

1）氣象條件。夏季，南風向，風速8 m/s（較勁風），氣溫30 ℃，當日無降水，大氣中度穩定，天氣陰，多風。

2）作業情況。儲罐區液化石油氣裝車區液化石油氣槽車充裝快速接口密封破損，引起液化石油氣泄漏；事發時僅有一輛槽車進行裝車作業。

2 定量風險分析

該次情景構建分析里，分別假設了液化石油氣槽車火災和爆炸，液化石油氣/輕烴球罐火災和爆炸。這些火災和爆炸的后果，通過定量風險分析（QRA）進行科學定義，以確定各個演化階段之間的合理性。

2.1 輕烴飽和蒸氣壓

本次情景構建的輕烴球罐，輕烴組分見表2。其輕烴沒有經過穩定化處理，在槽車充裝時采用開放式充裝。40 ℃時，輕烴飽和蒸氣壓為126.5 kPa，高于大氣壓101.3 kPa。因此，槽車開放式充裝導致大量輕烴蒸氣外冒，造成火災爆炸風險，并損耗大量輕烴組分。

表2 輕烴組分

根據情景構建分析后，槽車開放式充裝改為密閉充裝，避免了輕烴在充裝時大量揮發到環境的物料損耗，也避免了潛在的火災爆炸風險。

2.2 液化石油氣槽車爆炸沖擊波定量風險計算

采用超壓模型計算爆炸沖擊波造成的死亡區、重傷區、輕傷區等半徑，利用挪威DNV 公司的QRA 軟件PHAST RISK 進行核算[8]。核算基礎如下：

1）計算參數里取情景構建的假設風速8.0 m/s，大氣穩定度為D（中性）。

2）重大危險源發生泄漏時，分別核算小孔（5 mm）、中孔（25 mm）、大孔（100 mm）、設備破裂（大于150 mm）4 種事故工況熱輻射強度半徑。

3）以裝載量為23 t 的丙烷槽車作為爆炸核算參照物。

4）丙烷槽車條件：25 ℃，壓力0.6 MPa，漏點高度2 m；組分按丙烷100%。噴射火焰輻射與距離核算結果見圖1。

液化石油氣槽車發生泄漏和爆炸時，會對周邊設施產生強烈的超壓沖擊波并造成傷亡事故。包括周邊液化石油氣球罐、輕烴球罐、脫水脫烴單元生產設施、配電室、槽車裝車點、裝車區辦公室等設施。具體的死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑見表3。

圖1 泄漏QRA 核算結果（小孔泄漏噴）

表3 液化石油氣槽車爆炸沖擊波超壓半徑 單位：m

2.3 液化石油氣/輕烴球罐熱輻射和爆炸定量風險計算

定量風險分析采用650 m3液化石油氣球罐作為定量核算參照物。組分100%丙烷、溫度40 ℃、壓力1.2 MPa、泄漏點15 m、液化石油氣球罐超壓半徑統計見表4。液化石油氣球罐火災事故熱輻射半徑匯總見表5。

表4 危險源火災爆炸沖擊波超壓半徑統計 單位：m

表5 危險源火災爆炸熱輻射半徑匯總 單位：m

2.4 液化石油氣/輕烴球罐同時破裂QRA 核算

處理站共有4 個球罐（1#/2#液化石油氣球罐、1#/2#輕烴球罐），每個球罐設計容積為650 m3。由于定量風險核算軟件里不能夠建立4 個球罐同時爆炸的模型，因此，本次核算將按照4 個球罐總容積為2 600 m3，充裝容積80%進行核算，即定量風險核算的總容積為約2 000 m3。

由于液化石油氣組分為C3和C4，輕烴組分以C5為主并含有少量C5以上烴類，為簡化定量風險分析的計算，本次核算擬采用C4（丁烷）作為核算物料。以組分100%丁烷、溫度40 ℃、壓力0.6 MPa、泄漏點15 m、體積2 000 m3、風速8.0 m/s 為核算基礎，假設4 個球罐為一個丁烷總容積2 000 m3的球罐發生完全破裂的爆炸事故，在采用DNV 公司的PHAST RISK 軟件進行定量核算后，得出4 個球罐同時爆炸的核算結果見表6。

表6 4 個球罐同時爆炸的QRA 核算結果 單位：m

3 演化過程

依據QRA 計算結果，確定情景演化過程如下：

1）孕育階段。處理站裝車區1#裝車點液化石油氣槽車在進行充裝作業時，快速充裝接頭密封泄漏。

2）發生階段。液化石油氣瞬間氣化和擴散，與空氣形成爆炸性混合氣體，并遇靜電、電氣火花等發生小爆炸引發槽車大火[9]。

3）擴大階段。液化石油氣槽車被自身火災烘烤溫壓上升，槽車罐體罐壁材料承壓應力隨溫度上升而下降，最終槽車發生“沸騰液體擴展為蒸氣云”爆炸；槽車爆炸碎片飛濺，擊中并引燃脫水脫烴單元儲罐區內液化石油氣球罐和輕烴球罐，造成液化石油氣和輕烴泄漏，并引發大火。

4）爆發階段。液化石油氣球罐和輕烴球罐在池火烘烤情況下，球罐內物料溫度壓力上升，同時球罐罐體材料隨溫度上升而承壓能力下降，最終分別發生“沸騰液體擴展為蒸氣云”爆炸；球罐爆炸碎片擊中脫水脫烴單元和增壓單元生產設施，引發處理站內設施損毀和多處火災；特別是導致處理站天然氣進氣管道和輸氣管道破裂，造成管道天然氣泄漏和火災。

5）應急結束階段。上游首站天然氣管道切斷閥關閉，增壓機站外輸天然氣管線在下游閥室關閉成功后，大火逐步熄滅；政府應急指揮中心宣布現場應急結束，開展事故調查工作。

6）恢復階段。消防廢水處置，事故調查和責任認定、開展災后恢復工作；一年后，增壓機站恢復生產，脫水脫烴單元重新進行設計施工。

4 結論

文中得出了基于“情景分析-任務梳理-能力評估”為主線的重大突發事件情景構建技術方法，建立了某氣田脫水脫烴站液化石油氣泄漏、火災爆炸情景，可獲得本場景未來可能發生的最嚴重的威脅的情景，依次設置應急預案和準備工作的最優先目標，既為應急準備規劃的設計提供重要依據，又給應急準備能力的建設提出了具體需求[10]。

1）情景構建有助于應急預案修訂和預案體系優化工作，解決現有預案針對性不強、操作性不夠等問題。

2）為處理站應急演練工作提供了指導和支撐，為桌面推演和實戰演練提供科學可信的背景，也為演練提供了一致性的目標和要求。

3）情景構建有助于完善應急體系建設規劃。通過對液化石油氣泄露、火災爆炸的現狀與發展趨勢進行分析研究；對其應急資源的現狀及需求進行分析研究，確定了處理站應急體系建設規劃的重點建設方向。

4）情景構建工作取代了傳統的通過應急演練完善應急預案的方式，節約了大量的水、電、液化石油氣等能源和人力、財力。