油氣站場可燃物質(zhì)點(diǎn)火概率取值方式研究

郝郁，劉海濱，笪明強(qiáng)，李德財(cái)，高滿倉，梁昌晶

(1. 中油國際管道有限公司，北京 100029；2. 中國石油華北油田公司 二連分公司，內(nèi)蒙古錫林浩特 026000；3. 中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司 井下作業(yè)分公司，河北 任丘 062552)

保護(hù)層分析(LOPA)方法是美國化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會在1980年提出的半定量風(fēng)險評估方法，其目的是在定性分析的基礎(chǔ)上，對初始事件發(fā)生頻率、后果嚴(yán)重程度及獨(dú)立保護(hù)層的失效概率進(jìn)行定量描述，以實(shí)現(xiàn)固定場景的風(fēng)險評價[1-2]。GB/T 32857—2016《保護(hù)層分析(LOPA)》[3]中描述了LOPA分析的基本程序，明確指出初始事件的描述及頻率計(jì)算中應(yīng)考慮修正因子，而修正因子中最重要的為點(diǎn)火概率的確定。點(diǎn)火概率為可燃物質(zhì)泄漏后的引燃概率，與物質(zhì)特性(閃點(diǎn)、自燃溫度、最小點(diǎn)火能量)、泄漏特性(泄漏孔徑、泄漏量、泄漏速率、泄漏時長)、周邊環(huán)境(大氣溫度、壓力、濕度、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度)等因素有關(guān)[4-5]。因此，點(diǎn)火概率的取值對LOPA分析結(jié)果的準(zhǔn)確性起到至關(guān)重要的作用。基于此，梳理計(jì)算取值、經(jīng)驗(yàn)取值和美國油氣生產(chǎn)協(xié)會(OGP)取值三種方法，采用配對t檢驗(yàn)分析OGP取值中不同泄漏特征對點(diǎn)火概率的影響，并通過實(shí)例驗(yàn)證不同方法的取值結(jié)果，研究結(jié)果可為油氣管道及站場的風(fēng)險評價提供實(shí)際參考。

1 點(diǎn)火概率計(jì)算取值

點(diǎn)火概率包括立即點(diǎn)火概率和延遲點(diǎn)火概率[6]。立即點(diǎn)火為可燃物質(zhì)泄漏后立即出現(xiàn)明火，其泄漏時與管道或容器內(nèi)壁摩擦產(chǎn)生的熱量足以讓可燃物質(zhì)自燃，與物質(zhì)本身的燃燒特性、泄漏處溫度和泄漏初始壓力有關(guān)，計(jì)算公式如式(1)～式(2)所示：

Pimmign=Pai+Psd=[1-exp(t/tAIT)-9.5]+
[0.002 4×(145.04P)1/3/(EMIE)2/3]

(1)

(2)

式中：Pimmign——立即點(diǎn)火概率，最大值不超過1；Pai——自燃特性概率；Psd——點(diǎn)火能特性概率；t——泄漏物質(zhì)溫度，℃；tAIT——自燃溫度，℃；EMIE——泄漏物質(zhì)的最小點(diǎn)火能，mJ；p——泄漏物質(zhì)的初始壓力，MPa。

延遲點(diǎn)火為可燃物質(zhì)泄漏擴(kuò)散后形成足夠濃度的蒸氣云，當(dāng)遇到足夠的點(diǎn)火源或點(diǎn)火能量時，發(fā)生延遲點(diǎn)火。考慮點(diǎn)火源數(shù)量、點(diǎn)火源存在概率和泄漏物質(zhì)特性，忽略泄漏物質(zhì)隨時間擴(kuò)散的不確定性和點(diǎn)火源參數(shù)的空間復(fù)雜性，參照《石化裝置定量風(fēng)險評估指南》，定義液體和氣體的延遲點(diǎn)火概率Pgasdelign，Pliqdelign分別如式(3)～式(4)所示：

(3)

(4)

式中：qm——泄漏速率，kg/s。

2 點(diǎn)火概率經(jīng)驗(yàn)取值

2.1 液體立即點(diǎn)火概率

液體泄漏后形成的池火主要有連續(xù)泄漏、間歇泄漏兩種方式，荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織(TNO)編寫的Guidelinesforquantitativeriskassessment(PurpleBook)，CPR18E[7]、MHIDAS數(shù)據(jù)[8]和Canvey數(shù)據(jù)等根據(jù)泄漏量、點(diǎn)火源數(shù)量及泄漏源類型總結(jié)了點(diǎn)火概率的取值，見表1所列。間歇泄漏因短時泄漏壓力和泄漏流量較大，故點(diǎn)火概率大于連續(xù)泄漏，固定容器的點(diǎn)火概率大于移動容器。泄漏流量越大，液池面積越大，點(diǎn)火源數(shù)量越多，點(diǎn)火概率越大。在Canvey數(shù)據(jù)中當(dāng)泄漏液體擴(kuò)散至百米范圍內(nèi)的點(diǎn)火概率可直接取0.9。

2.2 氣體立即點(diǎn)火概率

氣體泄漏后形成氣液兩相流氣團(tuán)或蒸氣云團(tuán)，當(dāng)連續(xù)泄漏時產(chǎn)生噴射火，當(dāng)間歇泄漏時產(chǎn)生閃火、火球、沸騰液體蒸氣云燃燒，同理根據(jù)泄漏量、可燃物質(zhì)的燃燒特性和泄漏源類型對點(diǎn)火概率進(jìn)行分類取值，見表2所列。文獻(xiàn)[7]按泄漏量細(xì)分了固定容器。

表2 可燃?xì)怏w立即點(diǎn)火概率取值

2.3 氣體延遲點(diǎn)火

氣體延遲點(diǎn)火與大氣條件、泄漏量、泄漏后氣化的量、廠區(qū)防爆情況和點(diǎn)火源分布情況等有關(guān)[9-11]，見表3所列。文獻(xiàn)[7]中未見關(guān)于氣體延遲點(diǎn)火概率的取值，故只統(tǒng)計(jì)了MHIDAS數(shù)據(jù)和Canvey數(shù)據(jù)的取值情況。

表3 可燃?xì)怏w延遲點(diǎn)火概率取值

3 點(diǎn)火概率OGP取值

OGP通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，定義了16種陸上泄漏場景和12種海上泄漏場景，提供了碳?xì)浠衔镆l(fā)爆炸或持續(xù)火災(zāi)的概率，給出的數(shù)值為總的點(diǎn)火概率，即立即點(diǎn)火和延遲點(diǎn)火概率的和，假設(shè)初始點(diǎn)火概率為0.001，則對應(yīng)的qm=0.1 kg/s。本文以陸上可燃物質(zhì)泄漏為研究對象，16種場景下的泄漏特征見表4和表5所列。

表4 陸上可燃液體物質(zhì)泄漏特征

表5 陸上可燃?xì)怏w物質(zhì)泄漏特征

OGP給出了不同場景下泄漏流量與點(diǎn)火概率的曲線如圖1～圖2所示，同時給出了點(diǎn)火概率的計(jì)算公式用于補(bǔ)充曲線中的缺失數(shù)據(jù)，如式(5)所示：

圖1 陸上可燃液體點(diǎn)火概率示意

圖2 陸上可燃?xì)怏w點(diǎn)火概率示意

(5)

式中：Pign——點(diǎn)火概率；Pign_upper，Pign_lower——點(diǎn)火概率的上限和下限；qmupper，qmlower——泄漏速率的上限和下限。

在計(jì)算過程中，式(5)中右邊第一項(xiàng)未對Pign_lower進(jìn)行對數(shù)處理，故計(jì)算結(jié)果存在錯誤，且公式過于繁瑣。由于LOPA分析為半定量評價方法，只需滿足數(shù)量級要求，故在點(diǎn)火概率曲線中選取1～4個點(diǎn)作為邊界點(diǎn)，如圖3所示，設(shè)定點(diǎn)火概率范圍分別為10-3～10-2，10-2～10-1和10-1～1，其余泄漏速率的點(diǎn)火概率采用線性插值的方式獲取，取值情況見表6和表7所列。

圖3 邊界點(diǎn)選取示意

表6 可燃液體泄漏場景下的點(diǎn)火概率取值

表7 可燃?xì)怏w泄漏場景下的點(diǎn)火概率取值

4 結(jié)果與討論

4.1 實(shí)例分析

對某輸氣站場進(jìn)行定量風(fēng)險評價，假設(shè)場景中泄漏點(diǎn)位于儲罐區(qū)，泄漏介質(zhì)為甲烷，泄漏方式為25 mm中孔連續(xù)泄漏。泄漏速率并不恒定，與時間呈負(fù)相關(guān)，初始階段下降較快，之后隨時間的延長基本保持不變，假設(shè)氣體泄漏系數(shù)取1，絕熱指數(shù)為1.307，臨界壓力為0.186 MPa，計(jì)算得到當(dāng)量泄漏流量為2.5 kg/s，泄漏處溫度為25 ℃，壓力為0.2 MPa，甲烷燃點(diǎn)為538 ℃，最小點(diǎn)火能為0.47 mJ，根據(jù)式(1)和式(3)可計(jì)算立即點(diǎn)火概率和延遲點(diǎn)火概率。

參照表2對立即點(diǎn)火概率進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值，但表2中未考慮現(xiàn)場安全防護(hù)的情況，根據(jù)實(shí)際情況，立即點(diǎn)火中的現(xiàn)場安全屏障分為三種： 一是設(shè)備或裝置進(jìn)行了防雷、工作、保護(hù)和屏蔽接地；二是危險源周圍設(shè)置了防火堤、防火涂層等被動型安全屏障；三是設(shè)置了泡沫滅火系統(tǒng)、噴淋水冷卻系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)等主動型安全屏障。如現(xiàn)場未采取上述三種安全屏障，點(diǎn)火概率取表2中的最大值；如現(xiàn)場采取上述安全屏障中的一種，綜合文獻(xiàn)[7]、MHIDAS數(shù)據(jù)和Canvey數(shù)據(jù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)泄漏類型和泄漏速率進(jìn)行取值；如現(xiàn)場完全采取上述三種安全屏障，點(diǎn)火概率取表2中的較小值。參照表3對延遲點(diǎn)火概率進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值，可根據(jù)現(xiàn)場防爆和點(diǎn)火源分布情況進(jìn)行修正，當(dāng)采取防爆電氣設(shè)備劃分防爆區(qū)域時，處理設(shè)備、儲存設(shè)備和裝卸設(shè)備的點(diǎn)火概率可取0.1。

參照表7進(jìn)行OGP取值，該場景屬于可燃?xì)怏w的第7個泄漏場景(泄漏點(diǎn)位于站場內(nèi))，qm處于1～100 kg/s，采用線性插值的方法確定點(diǎn)火概率。三種取值方法的結(jié)果見表8所列。計(jì)算取值主要以液化石油氣(LPG)，液化天然氣(LNG)為樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲得，有特定的適用范圍和假設(shè)條件，同時公式存在一定的不確定性，泄漏場景中介質(zhì)為甲烷，立即點(diǎn)火概率遠(yuǎn)大于延遲點(diǎn)火概率，但在實(shí)際工況中，甲烷需泄漏至爆炸下限的50%才有可能發(fā)生閃火，故延遲點(diǎn)火概率應(yīng)略小于立即點(diǎn)火概率。經(jīng)驗(yàn)取值是由一系列相關(guān)事件統(tǒng)計(jì)得出的數(shù)據(jù)，符合統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，但數(shù)據(jù)庫來源于國外，與國內(nèi)實(shí)際情況存在一定差異，且泄漏速率的范圍過于寬泛，如文獻(xiàn)[7]中關(guān)于固定容器連續(xù)泄漏方式中，當(dāng)qm在10～100 kg/s時，立即點(diǎn)火概率均為0.5，這顯然不符合評估對象的實(shí)際情況。OGP取值中充分考慮了不同泄漏場景和泄漏速率下的點(diǎn)火概率，且不區(qū)分立即點(diǎn)火和延遲點(diǎn)火，在計(jì)算上較為簡便，從結(jié)果上看，取值較前兩種方法小了兩個數(shù)量級，在后續(xù)LOPA分析的過程中可減少初始事件發(fā)生的頻率，減少保護(hù)層設(shè)置。綜上所述，選用OGP取值方法計(jì)算點(diǎn)火概率較為合理。

表8 三種方法點(diǎn)火概率取值結(jié)果

4.2 顯著性分析

從圖1～圖2中可以看出，不同泄漏特征對點(diǎn)火概率的取值存在較大差異，為直觀顯示數(shù)據(jù)差異程度，采用配對t檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性分析，其目的是檢驗(yàn)兩相關(guān)樣本的均數(shù)所代表的未知總體均數(shù)是否存在差異。假設(shè)樣本觀察數(shù)量相同，且總體服從正態(tài)分布，計(jì)算每對樣本的差值，根據(jù)差值序列的均值，檢驗(yàn)均值與零是否存在顯著差異，如存在則認(rèn)為泄漏特征的變化對點(diǎn)火概率的取值存在顯著差異，反之，則認(rèn)為不存在顯著差異，檢驗(yàn)結(jié)果見表9所列。

表9 不同泄漏特征的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

假設(shè)置信區(qū)間為0.95，當(dāng)概率P值小于0.05時，檢驗(yàn)結(jié)果為顯著，反之檢驗(yàn)結(jié)果不顯著，分析結(jié)果如下：

1)泄漏地點(diǎn)。對于長輸管道，液體泄漏中泄漏地點(diǎn)對點(diǎn)火概率的取值有顯著影響，而氣體泄漏中泄漏地點(diǎn)對點(diǎn)火概率的取值影響不大。

2)防護(hù)措施。可燃液體在小型站場中有無防護(hù)措施對點(diǎn)火概率的取值有顯著影響，而在大型站場中有無防護(hù)措施對點(diǎn)火概率的取值影響不大，說明對小型站場設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分考慮防火堤、防火涂層等防護(hù)措施的設(shè)置，對大型站場設(shè)計(jì)時，應(yīng)將可燃液體的泄漏預(yù)防作為重點(diǎn)關(guān)注對象。

3)油庫面積和泄漏位置。對于可燃液體，油庫面積對點(diǎn)火概率的取值有顯著影響，對于可燃?xì)怏w，泄漏位置對點(diǎn)火概率的取值影響不大，因此對大型油庫設(shè)計(jì)時，應(yīng)設(shè)置足夠數(shù)量的可燃?xì)怏w探測裝置，做好預(yù)警、報(bào)警及應(yīng)急管理工作。

4)空氣流通性。對于可燃?xì)怏w，空氣流通性對點(diǎn)火概率的取值有顯著影響，空氣流通性反映了泄漏場景的氣流阻塞情況，當(dāng)站場內(nèi)設(shè)備間距較小時，容易造成可燃?xì)怏w積聚，超過爆炸下限點(diǎn)火概率大幅提高。

5)站場規(guī)模。對于可燃?xì)怏w，站場規(guī)模對點(diǎn)火概率的取值有顯著影響，大型站場因空間有限、設(shè)備眾多，其防火間距往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，點(diǎn)火概率始終高于小型站場，故大型站場的管理難度高于小型站場。

5 結(jié)束語

針對LOPA分析中點(diǎn)火概率取值困難的問題，分別描述了計(jì)算取值、經(jīng)驗(yàn)取值和OGP取值三種方法，并通過實(shí)例分析驗(yàn)證三種方法的優(yōu)劣性，其中OGP取值充分考慮了不同泄漏場景和泄漏速率下的點(diǎn)火概率，且不區(qū)分立即點(diǎn)火和延遲點(diǎn)火，在計(jì)算上較為簡便，綜合考慮，確定OGP取值方法計(jì)算點(diǎn)火概率較為合理。

采用配對t檢驗(yàn)對OGP點(diǎn)火概率的數(shù)據(jù)進(jìn)行了顯著性分析，從泄漏地點(diǎn)、防護(hù)措施、油庫面積、泄漏位置、空氣流通性和站場規(guī)模等方面考慮，并根據(jù)分析結(jié)果給出了站場工藝布局的調(diào)整依據(jù)。