低溫液化烴碼頭集液池容量計算

郭新杰 陳 偉

中交第二航務工程勘察設計院有限公司

1 引言

新版JTS 158-2019《油氣化工碼頭設計防火規范》(簡稱《碼頭防火規范》)已于2020年1月1日起實施，由于舊版《碼頭防火規范》未對低溫液化烴的泄漏收集做出要求，因此現有運營的低溫液化烴碼頭均未設置泄漏收集池。目前，雖然新版規范提出低溫液化烴碼頭裝卸區應設置防止液體流淌的緊急泄漏收集池，但未對集液池的容量計算、平面布置、消防環保等做出明確要求，因此在規范執行過程中存在一定的爭議和問題[1-2]。通過查閱國內外相關規范和文獻，結合某低溫液化烴裝卸碼頭工程設計實例，采用不同的計算方法進行對比分析，選取適合工程實際的計算方法。

2 工程項目概況

擬建工程選址位于茂名港吉達港區位于茂名雞打港附近，東與陽西縣沙扒港為鄰，西與博賀港區相接，建設2個5萬Gt液體散貨泊位以及相應的配套設施，設計吞吐量為425萬t/年，碼頭設計通過能力450萬t/年，主要進行低溫丙烷、低溫丁烷、低溫乙烯等物料的裝卸業務。

針對低溫液化烴特殊的物性要求，碼頭裝卸平臺至后方庫區設計分界線范圍內工藝管道系統設有1根液相裝卸管道和相應長度的1根保冷循環管道，同時設置1根火炬管道兼顧超壓泄放功能，其中低溫乙烯為1根DN400主液相管的獨立裝卸工藝系統，低溫丙烷2根DN600主液相管和低溫丁烷1根DN600主液相管通過匯管聯通。

卸船工況為：低溫液化烴運輸船到達碼頭后，低溫液化烴經船上卸料泵通過碼頭上液動裝卸臂輸送低溫液化烴至后方廠區的儲罐內。為了避免低溫液化烴初始卸船時進入處于常溫工況工藝管道系統產生大量BOG(Boil off Gas，閃蒸氣)，在卸船操作前進行管道預冷循環，通過保冷循環管道預冷裝卸臂和前端常溫主工藝管道。

5萬Gt低溫液化烴碼頭裝卸區工藝管道平面布置見圖1。

1.低溫丁烷裝卸臂 2.低溫丙烷裝卸臂 3.低溫丙烷裝卸臂 4.低溫乙烯裝卸臂 5.低溫丁烷主液相管 6.低溫丙烷主液相管 7.低溫丙烷主液相管 8.低溫乙烯主液相管圖1 低溫液化烴碼頭裝卸區工藝管道平面布置圖

3 低溫液化烴泄漏單元的劃分

為了分析方便，需要對低溫液化烴碼頭裝卸區進行泄漏單元劃分，系統單元劃分時以工藝流程關系及物理平面位置布局為主要依據，泄漏單元的劃分通常依據ESD閥門或具有切斷功能的閥門位置以及設備布置進行劃分，泄漏單元劃分的主要原則是：

(1)以發生泄漏時能夠起到切斷泄漏源的閥門位置為主要依據，從而使得各泄漏單元在發生泄漏時相對獨立于其他單元。

(2)泄漏單元通常僅僅針對主工藝物料回路。

本工程低溫液化烴碼頭裝卸區有低溫丙烷、低溫丁烷和低溫乙烯3套裝卸工藝系統，其中低溫乙烯為完全獨立的系統單元，低溫丙烷和低溫丁烷雖然通過匯管聯通，但是通過匯管設置切斷閥形成隔離系統單元。考慮實際裝卸過程為單一工藝系統單元運行，因此把可能產生低溫液化烴泄漏的具有2根DN600主液相管最大容積的低溫丙烷工藝系統作為研究對象，將其劃分為裝卸臂至支路自動切斷閥單元和支路切斷閥至主管緊急切斷閥單元。其中支路切斷閥至主管緊急切斷閥單元雖然僅局部工藝管線在本工程設計范圍，但考慮工藝管道系統的不可割裂性，物料存量按整體工藝管路系統計算考慮。

泄漏單元劃分見表1。

表1 泄漏單元劃分

4 低溫液化烴泄漏事故場景

泄漏事故場景根據對低溫液化烴碼頭裝卸區危險工藝管線和設備分析，根據《化工企業定量風險評價導則》(AQ/T3046-2013)對事故場景的分類，泄漏場景可根據泄漏孔徑大小分為完全破裂以及孔泄漏兩大類。由于目前國內根據NFPA59A翻譯轉化國內現行規范為《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝運》(GB/T 20368-2012)尚未針對國外更新2019版本更新轉化，因此未對工藝管道泄漏孔徑進行規定，如果單純按照《化工企業定量風險評價導則》(AQ/T3046-2013)對工藝管道事故泄漏場景的分類，泄漏孔徑偏大造成集液池容積計算結果偏大[3-5]。結合國外最新規范《Standard for the Production,Storage,and Handing of Liquefied Natrural GAS(LNG)》(NFPA59A-2019)要求“Great than or equal to 6 in.Diameter,a hole size of 2 in.Diarmeter is applied at any location along the piping aegement.”，即口徑大于DN150的工藝管道泄漏口徑取為50 mm。

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綜合國內外規范要求，有代表性的泄漏孔徑見表2。

表2 泄漏孔徑綜合表

5 低溫液化烴泄漏概率分析

失效單元泄漏的頻率分析是確定單元泄漏可能發生的頻率，通過泄漏頻率分析，可以預測現在或將來設備設施發生泄漏的頻率，并作為起始頻率供設備設施泄漏事故頻率分析所用。

對于工藝設備失效概率分析，國外通行的做法是依據前期數據積累形成的數據庫進行分析。由于我國尚未建立低溫液化烴相關的工藝設備失效分析數據庫，因此一方面參考《化工企業定量風險評價導則》(AQ/T 3046-2013)、《基于風險檢驗的基礎方法》(SY/T6714-2008)和《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》(GB/T37243-2019)等國內規范[6]，另一方面基礎國際認可的數據庫每個聯邦能源管理委員會(Federal Energy Regulatory Commission，縮寫FERC)和英國安全與健康執行局(Health and Safe Executive，縮寫HSE)確定與本項目失效單元泄漏場景有關的頻率，各失效單元的泄漏頻率見表3。

表3 失效單元泄漏頻率表

注：括號內為考慮NFPA59A-2019泄漏孔徑要求。

當前，低溫裝卸臂的設計和安全性能已經得到了極大的提高，低溫裝卸臂全通徑破裂的可能性極小，并且本項目低溫液化烴裝卸臂均采用ERC系統進行有效保護，概率失效可能性系數將降低10%，因此，低溫裝卸臂全通徑的失效頻率將降低至10-8/a，屬于小概率事件。考慮項目實際地理位置處于空曠的海邊，已經遠離高密度人群區域，按照《化工企業定量風險評價導則》(AQ/T 3046-2013)中8.2.4節“當泄漏場景發生的概率小于10-8/a或事故場景造成的死亡概率小于1%時，在定量風險評估時可不考慮這種場景。”另外低溫液化烴運輸船建造規范亦要求船上緊急切斷閥應在30 s內快速關閉，可以避免持續大量的低溫液化烴泄漏，綜合考慮各方面因素，本項目定量風險評估時不考慮低溫液化烴碼頭裝卸區低溫裝卸臂全通徑破裂的失效泄漏場景。

6 定量泄漏計算與分析

6.1 定量計算說明

本計算分析只考慮人員合規操作和按照規章制度良好保護下的風險，不考慮人員的違規操作。同時，假設泄漏發生后，ESD閥門、自動控制閥門和ERC等設施能有效隔離管道和設施中可燃介質的流動。

6.2 泄漏計算

(1)泄漏時間

國內《基于風險檢驗的基礎方法》(SY/T6714-2008)規范描述“補足破裂泄放量的預計時間大約是1～5 min”，并推薦選擇3 min作為泄漏時間。參考國外PurpleBook-CPR18E-Guidelines for QuantitativeRiskAssessment(CPR18E量化風險導則)，3種隔離切斷系統：全自動切斷系統、半自動切斷系統和手動切斷系統，其中全自動切斷系統的關閉隔離時間為2 min。綜合考慮本工程具備完善的全自動探測連鎖切斷隔離系統，當低溫液化烴碼頭裝卸區上的工藝管道發生泄漏時，緊急切斷閥自動響應發生動作，泄漏時間即為緊急切斷閥關閉時間，通常1 in的閥門關閉時間為2～4 s，考慮取中間值。后方管廊設計范圍主管DN800的閥門響應關閉時間96 s，綜合考慮國內外規范要求和行業經驗，假設F&G探測系統及切斷系統完全成功，對于5、25、50&100 mm和完全破裂孔徑的泄漏、探測和切斷時間均為120 s。

(2)泄漏速率

根據《化工企業定量風險評價導則》(AQ/T 3046-2013)液體經管道孔流出質量流率計算泄漏速率：

式中，Qm為泄漏速率，kg/s；A為泄漏孔面積，；C0為液體泄漏系數，管道失效工況下無法確定液體泄漏系數時，取1.0；ρ為泄漏液體密度，kg/m3；p為管道內液體壓力，Pa；p0為環境壓力，Pa。

計算分析所模擬的各種泄漏事故一旦發生，都會有危險物料泄漏，根據計算泄漏速率結合120 s泄漏、探測和切斷時間，其泄漏量計算結果見表4。

表4 泄漏量計算表

6.3 集液池收集容量分析

根據《化工企業定量風險評價導則》(AQ/T3046-2013)9.2.5要求，最大可能泄漏量取可能泄漏流體存量的上限和工藝管道設備截斷前可流入量的較小值，綜合考慮裝卸臂至支路自動切斷閥單元和支路切斷閥至主管緊急切斷閥單元存量和泄漏計算量兩方面因素，因此本項目低溫液化烴泄漏量不小于13.21 m3。

低溫液化烴碼頭裝卸區集液池應具有完善的排水系統，在泄漏工況下不考慮雨水和消防水的積水容積，其容量設計應按照本區域內最大單一設備失效泄漏量基礎上增加0.6 m泡沫覆蓋容量考慮，因此本項目集液池容量設計為18 m3，其中長寬高為3 m×3 m×2 m。

7 結語

隨著新版《碼頭防火規范》的實施，為了目前運營的低溫液化烴碼頭和新建低溫液化烴碼頭的集液池容量計算操作性更強，重點分析介紹了低溫液化烴泄漏量的計算方法和原則，并通過對比國內外規范不同要求，結合工程項目實例和相關工程經驗分析，形成如下結論：

(1)口徑大于DN150的低溫液化烴工藝管道泄漏口徑取為50 mm，不考慮工藝設備管道全通徑破裂失效工況。

(2)具備全自動探測連鎖切斷的低溫液化烴工藝系統失效相應時間，根據各工程項目實際閥門規格參數確定。

(3)集液池容量在泄漏工況下不考慮疊加雨水和消防水的積水容積。