基于改進修正因子的保護層分析在油氣站場中的應用

黃曉卉

中國石油天然氣管道工程有限公司

1 點火概率

OPG 在報告中提供了28 種泄漏場景下的點火概率，其中15 種為陸上點火場景，13 種為海上點火場景，在此僅考慮陸上點火場景，按照泄漏物質的相態進行分類，分為可燃液體和可燃氣體（天然氣、LPG等）。

可燃液體泄漏場景分別為場景1（管道泄漏，從城區穿過）、場景2（管道泄漏，從農村穿過）、場景3（小型廠區泄漏，無防護堤或其余防護措施）、場景4（小型廠區泄漏，有合適防護堤或其余防護措施）、場景5（大型露天廠區泄漏，無防護堤或其余防護措施）、場景6（大型露天廠區泄漏，有合適防護堤或其余防護措施）、場景7（大型油庫泄漏）、場景8（小型油庫泄漏）。可燃氣體（天然氣、LPG）泄漏場景分別為場景1（管道泄漏，從城區穿過）、場景2（管道泄漏，從農村穿過）、場景3（小型廠區泄漏，通風良好）、場景4（大型廠區泄漏，通風良好）、場景5（大型廠區泄漏，通風較差）、場景6（油庫泄漏，泄漏點靠近城區）、場景7（油庫泄漏，泄漏點靠近農村）。泄漏場景下的點火概率見表1、表2，表中數值為立即點火概率和延遲點火概率的總和。

點火概率與泄漏點位置、有無防護堤、廠區面積、通風條件、泄漏速率等因素相關。對于表1和表2中未給出的點火概率，OPG推薦將其單一場景的點火概率曲線分為2 段到3 段，然后利用公式（1）～（4）計算點火概率：

表1 不同泄漏場景下的可燃液體點火概率Tab.1 Ignition probability of combustible liquid in different leakage scenarios

表2 不同泄漏場景下的可燃氣體點火概率Tab.2 Ignition probability of combustible gas in different leakage scenarios

式中：lgPign為點火概率；Q為當量泄漏速率，kg/s；Qlower、Qupper分別對應分段區間的下限和上限泄漏速率，kg/s；lgPign_lower、lgPign_upper分別對應Qlower和Qupper下的點火概率。

采用式（1）進行計算時，對于分段點的選取較為困難，選取不當則插值計算結果與實際值誤差較大。為避免曲線在連接點處斜率過大、不夠光滑，導致函數的一階導數不連續，對表1 和表2 中的未知數據采用樣條插值的方法計算。其中，三次樣條插值在靈活性和計算效率上進行了折中，較二次樣條插值方法相比，在處理任意形狀時，尤其在首末兩端的分段區間上顯得更為合理。設數據集{xi}有n+1 個點，則可劃分為n個區間，并在每個區間內構建一個三次樣條，用S(xi)表示函數f(x)的樣條插值函數，需滿足插值特性、連續特性和節點可導特性：

每個區間內需確定4個未知數，n個區間共需要確定4n個未知數，需要構造4n個方程。通過區間內部節點處的函數值相等確定2(n-1)個方程，根據節點處一階導數和二階導數相等確定2(n-1)個方程，根據第一個點和最后一個點確定2 個方程，由此可確定4n-2 個方程，最后2 個方程根據實際情況確定（可選取端點處的二階導數為0的方程），對點火概率的散點進行插值計算（圖1）。插值處理后，點火概率的曲線較為平滑，未出現離群點。以可燃液體泄漏場景1為例，在泄漏速率超過100 kg/s 后，點火概率保持不變，為0.07，經三次樣條插值后，點火概率先出現一個小幅上升，而后回落至0.07，其變化規律與實際情況相符。

圖1 三次樣條插值預測點火概率Fig.1 Prediction of ignition probability by cubic spline interpolation

此外，對于環境溫度高于自燃溫度的物質，點火概率直接取1；對于在油氣處理中含有氫、乙炔、環氧乙烷和二硫化碳等活潑性物質時，應適當增大點火概率，最大為1；對氣中含液或液中含氣的點火概率，應根據各自的體積分數分別計算點火概率，取其中的最大值為混合物的點火概率。

將滾子從動件的滾子中心視為尖底從動件的尖底，則滾子從動件的凸輪機構即成為尖底從動件的凸輪機構，因此文中僅研究后者。

2 人員暴露概率

人員暴露概率指在泄漏、火災或爆炸事故發生時，可能出現在場景中的人員，包括日常操作人員、維護人員和巡檢人員。在LOPA分析中，需識別獨立保護層，獨立保護層具有獨立性、有效性和可審查性，當使用關鍵報警與人員干預作為獨立保護層時，人員暴露概率可根據事故場景的不同分為三種：

（1）人員干預中包括操作人員前往報警現場檢查或確認的過程，此時操作人員肯定暴露在危險區域中，一旦發生火災或爆炸事故，危險區域內人員暴露概率為100%。

（2）人員干預中不包括操作人員前往報警現場檢查或確認的過程，此時操作人員未暴露在危險區域中，應考慮用人員暴露概率去修正初始事件發生頻率。

（3）人員干預中包括操作人員前往報警現場檢查或確認的過程，但前往的區域不是危險場景，距離危險場景較遠，此時操作人員不會發生危險事件，應考慮用人員暴露概率去修正初始事件發生頻率。

對于（2）和（3）情況下的人員暴露概率中，雖然操作人員不會發生危險事件，但日常巡檢人員在特定的時間有可能經過危險區域，根據日常巡檢頻率，暴露概率應為巡檢人員在影響范圍內的時間與設備運行時間的比值。

3 人員傷亡概率

人員傷亡概率指人員暴露在危險區域內的傷亡概率，傷亡概率不能獨立于暴露概率。危險源的距離、原料的泄漏時間和現場人員是否經過培訓等均會對傷亡概率的取值造成影響。對于可燃物質，其池火災、噴射火、閃火等產生的熱輻射通量可通過適當的防護措施消減，但爆炸沖擊波對人體產生的傷害具有隨機性和不確定性，故在此只考慮爆炸超壓對人體的傷害。根據人體對傷害的可接受程度，參照《人體損傷程度鑒定標準》，根據超壓準則將傷亡區域分為死亡區、重傷區、輕傷區和安全區，其中事故的傷害效應具有各向同性，傷亡區域是以單元中心為圓心，以傷亡半徑為區域的同心圓，且不考慮事故引發的間接傷害，超壓傷亡模型見圖2。

圖2 超壓傷亡模型Fig.2 Overpressure casualty model

死亡區：該區域內的人員由于距離危險源較近，生命大致處于重大傷害或死亡狀態，死亡半徑定義為R0.5，此時外徑處因沖擊波造成的個人傷亡概率為0.5：

式中：WTNT為蒸汽云的TNT當量值。

重傷區：該區域內的人員身體機能受到重大損傷，生命處于重傷狀態，其內徑為死亡半徑R0.5，外徑為重傷半徑R0.15，此時外徑處因沖擊波造成的個人傷亡概率為0.15，外徑處能承受的超壓值為44 kPa。超壓計算公式如下：

式中：Δp為超壓值，Pa；rd為比例距離，m；W為可燃物消耗質量，kg。

輕傷區：該區域內的人員距離爆炸區域較遠，生命處于輕傷狀態，其內徑為重傷半徑R0.15，外徑為輕傷半徑R0.05，此時外徑處因沖擊波造成的個人傷亡概率為0.05，外徑處能承受的超壓值為17 kPa，參照公式（7）計算超壓值。

安全區：該區域內人員無任何傷亡，人員傷亡概率為0。根據不同傷亡半徑的計算結果，可采用三次樣條插值的方式求取任意距離下的人員傷亡概率。

4 實例分析

以某集氣站為例，該站屬于小型廠區，廠區位置遠離城區，站內場地呈塊分布，按功能劃分為進站區、過濾分離區、壓縮區、脫水區和輔助生產區，主要處理單井來的濕氣，進站壓力0.09 MPa，日處理氣量3.3×104m3/d，處理完的干氣外輸至中央處理廠進行深度處理。假設壓縮機出口壓力突然降低，站內SCADA 系統接到壓力傳感器的報警信號，操作人員前往現場查驗實際情況，確認泄漏發生在壓縮機后的出口管線上，管線壓力3 MPa，溫度34 ℃，管道直徑D219 mm×6 mm，泄漏孔徑20 mm。

將該泄漏場景進行LOPA 分析，結果見表3。泄漏后造成天然氣擴散，在遇到火源后發生蒸汽云爆炸，其后果嚴重性等級定為5。管線泄漏的氣體速率并不恒定，在初始時刻泄漏速率較大，但隨著時間延長，管線壓力逐漸降低，泄漏速率逐漸趨于穩定狀態，曲線整體呈拋物線形態，故在此計算當量泄漏量，公式如下：

式中：Q為當量泄漏速率，kg/s；λ為衰減系數，取0.35；Qmax為最大泄漏速率，kg/s；Cd為泄漏系數，默認泄漏口為圓形，取1；d為泄漏孔徑，m；p為管道壓力，Pa；φ為流動因子；a0為氣體聲速，m/s；γ為氣體絕熱指數，J/(kg·K)，取1.3；R為氣體常數，J/(mol·K)，取8.31 J/(mol·K)；T為氣體溫度，K；m為氣體相對分子質量，kg/mol，取0.016 04 kg/mol。

將泄漏場景中的情況代入公式（8）～（11）：

泄漏場景雖為管道泄漏，但泄漏點尚未出站，應按小型廠區的泄漏場景（可燃氣體場景3）確定點火概率，采用三次樣條插值法計算當量泄漏速率1.099 kg/s 時的點火概率為0.029 3。采用了關鍵報警與人員干預作為獨立保護層，操作人員需要前往報警現場檢查或確認，故人員暴露概率為1。將泄漏時長定為300 s，此時根據公式（6）～（7）計算死亡、重傷、輕傷下的半徑，結果見圖3。壓縮機與管道泄漏點之間的直線距離約為20 m，采用三次樣條插值法計算當前位置處的人員傷亡概率為0.184 8。綜上所述，后果發生頻率為5.414×10-6，大于后果可接受頻率10-6，但與可接受頻率在同一數量級上（表3）；而采用傳統算法中設置點火概率、人員暴露概率和人員傷亡概率分別為0.3（延遲點火）、0.5、0.5，則后果發生頻率為7.5×10-5，此時與后果可接受頻率相比差一個數量級，意味著需要增加更多的獨立保護層才能使風險減緩至可接受頻率，造成儀表和設備的浪費。

表3 LOPA分析記錄Tab.3 LOPA analysis record

圖3 傷亡半徑與傷亡概率的關系Fig.3 Relationship between casualty radius and casualty probability

在LOPA 分析中，獨立保護層分為過程控制、事故預防和事故減緩等三類。該案例中出口壓力僅有報警功能，應增加滿足DCS（分布式控制系統）系統的控制、報警、聯鎖功能，此時可將基本過程控制系統（BPCS）視為獨立保護層，其PFD（失效概率）可再降低10-1；同時，設置SIL1的安全儀表回路，在出口壓力低的情況，可通過邏輯控制器的處理，將關斷命令下發至進出站的氣液聯動閥，并進行站內放空處理，以降低泄漏速率和泄漏量，從而降低點火概率。此時可將SIS（安全儀表系統）系統視為獨立保護層，其PFD 可再降低10-2～10-1。案例中計算的泄漏孔徑為20 mm，當泄漏孔徑較大或爆管時，通過增加BPCS 和SIS 系統，可將后果發生頻率降低至可接受的范圍內。此外，通過對比圖1 中可燃氣體場景3 和場景5 發現，在泄漏速率較大時，通風情況對點火概率的影響也較大，故應對站內的設備進行總體布局規劃，改善站內壓力容器和壓氣管道的通風情況，使用本質安全型或防靜電設備，降低點火概率。

5 結論

（1）針對OPG 給出的點火概率進行分類和篩選，共得到8 類可燃液體和7 類可燃氣體的點火概率，并用三次樣條插值方法求取給定泄漏速率下的點火概率。

（2）針對人員暴露情況與保護層的關系修正暴露概率，采用爆炸超壓準則修正人員傷亡概率，經實例驗證，后果發生頻率較傳統算法降低了一個數量級，避免了傳統算法過于保守的評價結果，提高了LOPA分析的準確性。

（3）該OPG 中的點火概率是在特定場景下測試而得，未考慮點火源數量，也未根據可燃氣體的爆炸極限、可燃液體的沸點等因素進行進一步細分，在模型應用上仍存在一定的局限性，今后還應綜合考慮相關影響因素，進一步細化點火概率的取值。