油氣站場多危險源個人風險評價技術研究

李秀剛

中國石油招標中心新疆分中心

油氣站場是油氣資源開發場場所的重要組成部分，承接上游開采和下游銷售。站場與單一線狀管道相比，具有工藝復雜、設備眾多、風險源交叉等特點，一旦發生火災、爆炸或泄漏事故，會對周圍環境和人員造成破壞性損傷，甚至引發多米諾效應[1-2]。因此，考慮油氣站場內多危險源的交互影響，并對其進行綜合風險評價尤為重要。

目前，國內外針對區域內危險源的定量風險評價進行了大量研究。楊克等[3]針對天然氣泄漏引發的蒸氣云爆炸進行了計算，分析了泄漏時間對傷亡半徑的影響；王云慧等[4]分析了火災發生后熱輻射通量與熱源距離之間的關系，并修正了無量綱超壓擬合模型；劉明明等[5]針對橇裝天然氣處理設備，采用Probit 函數計算了二次事故對周圍設備的多米諾影響；CHEN Luwang 等[6]提出了將GIS 系統與層次分析法結合，用于確定區域內的風險等級；ABDOLHAMIDZADEH等[7]采用蒙特卡洛大數模擬的方法對比了多危險源和單一危險源下的個人風險。以上研究大多基于理論假設的定性或半定量研究方法，對于不同危險源在不同位置的疊加效應考慮不足，且未涉及個人風險中關于危險源事故發生概率的計算。綜上所述，考慮到油氣站場區域范圍大、布局非均質性強和部分設備防火間距不夠的特點，采用信息擴散模型計算事故發生概率，并定義了池火災、蒸汽云爆炸和沸騰液體擴展蒸汽爆炸（BLEVE）造成的個體死亡概率，在笛卡爾坐標下利用網格劃分技術確定站場內任意網格單元的個人風險，研究結果可為站場安全選址及應急預案制定提供理論依據。

1 個人風險

個人風險是指在一定區域內固定生活、工作而未采取任何保護措施的人員遭受特定傷害而死亡的概率，是社會風險評價的最小單元[8-9]。油氣站場風險評價的目的是計算區域內任意位置的個人風險，并與個人風險可接受標準對比，量化油氣站場內的區域風險可接受程度，個人風險計算如公式（1）所示：

式中：IR(x,y)為在坐標(x，y)處的個人風險；f為危險源事故發生概率；vs(x，y)為事故發生后在坐標(x，y)處引發的個體死亡概率；M為站場內危險源個數。

2 事故發生概率

根據公式（1），計算個人風險的關鍵是確定事故發生概率和個體死亡概率。對于事故發生概率，采用信息擴散模型求解。信息擴散法可以彌補信息缺失，借助歷史事故數據，利用正態擴散函數計算事故發生概率[10-11]。

定義Y={y1，y2，…，ym} 為觀測樣本值，即在m年內事故發生次數；定義U={u1，u2，…，un} 為指標論域，即事故發生的統計年限為n。將任意一個單值觀測樣本yj的攜帶信息擴散給U中所有點，擴散函數計算如公式（2）所示：

式中：fj(ui)為擴散函數。

擴散系數如公式（3）所示：

式中：h為擴散系數；b、a分別為觀測樣本中的最大值和最小值。

將fj(ui)進行歸一化處理，單值樣本yj的信息分布如公式（4）所示：

式中：p即為站場內某危險源發生事故的概率。

3 個體死亡概率

油氣站場通常分為油處理區、水處理區、氣處理區及儲運區。其中水處理區的危險性較小，油處理區主要以原油泄漏引發的池火災危害為主；氣處理區以天然氣泄漏引發的閃火、噴射火和蒸汽云爆炸等危害為主；儲運區以儲存介質因迅速氣化引發的沸騰液體擴展蒸汽爆炸（BLEVE）危害為主[12-13]。

3.1 池火災

對于池火災，通過輸入基礎參數，采用點源模型計算原油泄漏后的液池半徑、火焰高度、火焰表面的熱輻射通量，并假設全部輻射量均由液池中心的球面提供，距離目標中心某處的熱輻射強度計算公式如式（6）所示：

式中：I為接收到的熱輻射強度，W/m2；Q為火焰表面熱輻射通量，W；tc為熱傳導系數；L為目標距離液池中心的距離，即熱輻射破壞半徑，m。

根據SY/T 10043—2002《泄壓及減壓系統指南》中關于熱輻射強度評價準則的規定，參照事故傷害效應各向同性原則，假設傷害區內的人員全部被傷害，傷害區外的人員均不被傷害，同時不考慮事故預防措施對后果嚴重程度的影響，以危險源為中心將傷害區域劃分為死亡區、重傷區和輕傷區，并定義個體死亡概率確定個體是否受到傷害（表1）。

表1 熱輻射強度評價準則Tab.1 Evaluation criteria of thermal radiation intensity

3.2 蒸汽云爆炸

可燃氣體出現蒸汽擴散，經延遲點火后，火焰加速傳播，形成爆炸沖擊波超壓。對于蒸汽云爆炸事故后果的評價，采用TNT當量法計算，通過計算當量泄漏率、最大泄漏率和泄漏量，以TNT當量衡量蒸汽云爆炸的威力。蒸汽云的TNT 當量如公式（7）所示：

式中：WTNT為蒸汽云的TNT 當量，kg；A為爆炸效率因子，取0.03；Wf為蒸汽云中燃料總質量，kg；Qf為蒸汽爆炸熱，55.5×103kJ/kg；；Qf為TNT爆炸熱，4.52×103kJ/kg。

參照美國機械工程師協會提出的經驗數據，確定無遮蔽場所中人員受到沖擊波超壓的傷害閾值（表2）。

表2 沖擊波超壓評價準則Tab.2 Evaluation criteria of shockwave overpressure

3.3 BLEVE危害

BLEVE 是指儲罐在外部火焰的長時間烘烤下，儲罐強度下降，當強度下降至一定程度后突然破裂，儲罐內壓力平衡被破壞，介質迅速汽化，并伴隨火焰點燃產生火球。火球的特征參數采用國際勞工組織（ILO）推薦的模型計算，火球持續時間如公式（8）所示：

式中：t為火球持續時間，s；W為可燃物消耗質量，kg。

式中：q(r)為在r米處接收到的熱輻射強度，W/m2；q0為火球表面的熱輻射強度，W/m2；R1為火球半徑，m。

同理，可計算發生BLEVE 危害時熱輻射造成的影響，評價準則同表1。

4 實例分析

4.1 基本情況

以某油田的集輸站場為例進行風險分析，該站場處理量100×104a，面積500 m×500 m，具有原油處理、分離、沉降、外輸，天然氣脫酸、脫水、脫烴、液化、增壓、外輸，采出水過濾、沉降、增加、回注等功能，同時配有清管器收發裝置、計量裝置、調壓裝置、加藥裝置等。

該站場內存在多個危險源，以油處理區三相分離器（危險源A）、氣處理區脫水再生塔底部重沸器（危險源B）和儲運區液化石油氣儲罐（危險源C）等三個危險源為例，考察同時發生事故時的疊加風險。

4.2 確定事故發生概率

以危險源A發生火災事故為例，統計該油田自投產以來從1976—2020年的事故案例數量（表3）。

表3 1976—2020年油田三相分離器事故統計Tab.3 Statistics of three-phase separator accidents in the oilfield from 1976 to 2020

根據表3 的樣本數據構造集合Y={0 ，0，1，0，0，…1}，則m=45，樣本中最大值和最小值分別為2 和0，取離散論域U={0，1，2，3，4，5}，采用Matlab 軟件按照公式（2）～（5）計算該危險源的事故發生概率為[0.532 86，0.272 51，0.191 93，0.002 7，0]，則在該油田每年發生1起分離器火災事故的概率為0.272 51。

該油田內共有火災爆炸危險的三相分離器510個，該站場內有4個，忽略分離器尺寸、處理量等差異影響，站場內危險源A發生火災事故的概率為0.272 51×4/510=2.213×10-3。

同理，危險源B 和C 的事故發生概率分別為1.167×10-3、4.578×10-4。

4.3 確定個體死亡概率

利用PHAST 軟件分別對池火災、蒸汽云爆炸和BLEVE 造成的事故現場進行模擬，風速、大氣穩定度和相對濕度等參數根據氣象部門資料取全年平均數，泄漏孔徑取中孔泄漏（50 mm），泄漏時間為300 s，其余運行參數（存儲量、溫度、壓力、泄漏點離地高度、地面粗糙度等）根據現場實際工況輸入。最終，根據表1確定危險源A發生池火災時的死亡半徑為7.5 m，重傷半徑為24.8 m，輕傷半徑為160.2 m（圖1）。

圖1 危險源A發生事故時熱輻射強度與距離關系Fig.1 Relationship between thermal radiation intensity and distance in the accident of hazard resource A

將危險源A的傷亡半徑與死亡概率進行一元方程線性擬合，分段函數計算如公式（10）所示：

同理，得到危險源B的死亡半徑為34.5 m，重傷半徑為90.2 m，輕傷半徑為135.7 m，危險源C的死亡半徑為47.5 m，重傷半徑為105.5 m，輕傷半徑為220.8 m，其分段函數如下：

式中：yA、yB、yC分別為三個危險源的死亡概率；x為目標距離危險源的距離，m。

4.4 單危險源個人風險評價

在笛卡爾坐標下利用網格劃分技術將站場劃分為等步長的正方形網格，步長取50 m，定義11×11 的網格矩陣G，為風險值計算提供相對坐標，每個網格矩陣中的值代表該網格與危險源中心點的距離。以危險源A 為例，A 位于第6 行第6 列，則G(1 1，11) 為：

網格矩陣中第3行第5列的數值為5.28，則該網格內的死亡概率為5.28%。同理，危險源B位于第9行第4列，危險源C位于第3行8列，依次計算不同危險源造成的死亡概率矩陣GB(1 1,11)、GC(1 1,11) ：

根據網格擴散理論確定的事故發生概率，從而計算各危險源的個人風險矩陣，個人風險矩陣計算如公式（13）所示：

式中：GPi為個人風險矩陣，i=A、B、C；Gi為死亡概率矩陣；pi為事故發生概率。

4.5 多危險源個人風險評價

當多個危險源同時存在時，風險之間存在交互效應，為準確衡量油氣站場的個人風險，將上述計算得到的單危險源個人風險矩陣進行疊加，得到總的區域個人風險矩陣GD(11,11)：

由此可見，單一危險源的個人風險矩陣中以危險源處的數值最大，以危險源為中心，個人風險值隨距離增大而減小，呈輻射對稱分布。區域個人風險矩陣GD(11,11)中的數值遠大于單一危險源作用下的個人風險矩陣，且GD(11,11)的數值分布差異較大，風險區域主要集中在站場的中部區域，右下角無風險，此時已無法通過單一危險源的計算結果推測多危險源的計算結果，多危險源的數值分布不規則。

4.6 風險等級劃分

英國焊接研究所（TWI）通過實驗累積了設備風險評估方面的經驗，對API 518 中的風險矩陣進行了調整，將原低風險細化為低風險和較低風險，使風險等級的劃分更加準確。在此，借鑒TWI的劃分方法，將個人風險值劃分為低風險、較低風險、中等風險、較高風險和高風險等5 個等級，定義GD(11,11)矩陣中的最大值為Hmax，最小值為Hmin，劃分標準和計算結果見表4。

根據表4的劃分結果，對照GD(11，11)矩陣中的數值可以判斷矩陣中任意一個單元格的風險等級，將風險等級一致的網格連接形成風險等值線（圖2）。可見風險集中在中部，并隨著風險等級的提高，逐漸向左上方偏移，與之前的區域個人風險矩陣分析結果一致。根據ALARP 原則確定風險可接受準則，將低風險和較低風險定義為可接受風險區，將中等風險定義為可容忍風險區，將較高風險和高風險定義為不可接受風險區。對于可接受風險區，保持現狀即可；對于可容忍風險區，應綜合考慮對成本、效益的影響程度，合理降低個人風險；對于不可接風險區，應立即采取風險轉移、風險減緩及風險規避等一系列措施，以降低個人風險值。

表4 個人風險等級劃分標準和結果Tab.4 Classification standards and results of individual risk grades

圖2 風險等值線圖Fig.2 Risk contour map

5 結論

（1）針對油氣站場內危險源較多的問題，采用信息擴散模型計算事故發生概率，其計算過程基于歷史統計數據，結果具有一定的可信度。

（2）根據危險源泄漏介質和條件的不同，對池火災、蒸汽云爆炸和BLEVE 等不同危害類型造成的死亡概率進行計算，利用網格劃分技術確定死亡概率矩陣，并得到站場內任意網格單元的個人風險，實現了油氣站場個人風險的定量評價。

（3）單一危險源的個人風險矩陣中以危險源處的數值最大，風險值呈對稱分布；區域個人風險矩陣的風險值遠大于單一危險源，且數值分布無規律，差異較大，說明多危險源的疊加效應使個人風險大幅增加。