基于QRA技術的油氣田安全管理提升研究

夏維 魏可可

(中海油安全技術服務有限公司，天津 300450)

0 引言

隨著動力能源需求的快速增長，油氣田開發項目持續增多，而油氣田安全管理又是集高風險、多場景于一體的綜合性管理工程，涉及的生產作業板塊眾多，且每部分都涉及高風險作業，一旦發生事故不易控制，危害巨大。因此，加強和完善油氣田安全管理尤其重要。

油氣田的安全管理在定性上的風險往往歸咎于設備不符合安全要求、使用和維護不當、安全管理不到位、員工操作水平低等，但定性問題需要體系化執行，往往無法客觀反映在油氣田管理績效和提升中，因此需要結合風險定量評估技術。風險定量評估的主要目標有：辨識工藝流程中的高風險設備，篩選關鍵設備的典型泄漏場景，模擬計算關鍵設備典型泄漏場景的事故后果及影響范圍，根據模擬計算結果為現場安全管理提供技術支持[1]。因此，可以將油氣田安全管理中的設備風險進行量化，以此推動應急預案的制訂、油氣田可視化距離的設定、管控區域的劃分等。

1 定量風險評估流程

定量風險分析(Quantitative Risk Assessment，QRA)主要是通過建立物理模型，結合數學計算，對設備可能發生的災害后果進行風險評估，對風險進行數值計算，以此完成對設備設施泄漏事故后果及風險的定量化描述，為工廠選址、廠區布置及風險等級劃分提供數據支持[2]。定量風險分析流程如圖1所示。

圖1 定量風險分析流程

1.1 風險分析準備

成立風險分析項目組，編寫項目技術方案，制訂項目實施計劃，準備現場調研所需材料。

1.2 數據資料收集

根據風險分析的目的和深度確定所需收集的資料數據，包括但不限于表1所示的相關資料。

表1 定量風險分析所需收集的一般資料

1.3 危險辨識

首先，完成系統主要風險因素辨識，通過查閱現場的隱患清單與隱患統計分析報告、隱患資料檔案等，找尋涉及典型隱患以及重復隱患的設備、位置信息，包括人員受傷的概率、設備突發性失效概率、對環境造成惡劣影響的事件等；其次，以此為依據確定需要重點防范的關鍵設備風險以及最嚴重的災害后果，總結規律，從而提升現場安全管理水平。

1.4 失效概率分析

失效概率分析主要是結合相關標準規范及設備失效歷史統計數據獲得，確定設備或者管道可能發生泄漏的概率，并作為起始頻率供容器泄漏事故概率分析所用。另外，對危險辨識后的重復性隱患進行統一描述。由于重復性隱患主要集中在物料擺放、設備管理和施工安全方面，多數可以現場立即整改，風險不大且整改難度較小，主要是可以反映未對現場隱患進行系統排查，沒有采取切實有效的措施，缺少對隱患追根溯源的分析，因此針對其進行失效概率的分析，可以參考經驗數值進行設定。

1.5 失效后果分析

失效后果分析主要包括物質泄漏量計算、泄漏擴散計算、火災輻射計算、爆炸超壓計算、事故影響計算等。針對系統物質泄漏后引起的一系列火災、爆炸、毒性等事故，分析造成的人員傷亡、設備及建筑物損壞嚴重程度。

1.6 風險計算

根據海因里希事故三角形致因理論，潛在隱患總量與事故發生的概率和程度有很大的正相關性。底層聚集的潛在隱患越多，發生事故的概率越大，也越容易發生重傷和死亡事故。分析人員與專家根據失效頻率與失效后果的計算結果，計算分析對象的風險(個人風險和社會風險)，并通過與相應的可接受風險標準進行對比，確定分析對象的風險水平。

2 案例分析

本文以某油氣田天然氣處理廠為例。在廠區內的設備裝置調試、開停工、運行、檢修過程中，由于設備內部硫化氫、凝析油、烷烴類物質(以甲烷為主)、有毒有害氣體等意外泄漏，存在嚴重氣體泄漏災害后果。為提升現場安全管理水平，制定更加精確的安全距離和應急措施，選取天然氣處理廠的關鍵設備酸性氣分液罐為泄漏場景，以QRA技術為基礎對泄漏后果進行分析，包括物料泄漏擴散范圍、熱輻射影響范圍、爆炸超壓及硫化氫毒性影響范圍[3-4]。

2.1 設定氣象條件

在不同的氣象條件下，可燃氣體泄漏事故的擴散范圍、影響區域、熱輻射影響范圍等會有所不同，需要選定兩種風況條件：

(1)風速為1.5m/s，大氣穩定度為F級(氣流穩定)。

(2)風速為5m/s，大氣穩定度為D級(氣流較穩定)。

另外，還需要確定所屬地的大氣壓、相對濕度等數據。通過查閱歷史資料，得出如表2所示的數據。

表2 天然氣處理廠氣象統計表

2.2 設置場景模式

參考國內外定量風險分析規范對工藝管線和容器等泄漏場景設置的推薦做法，主要考慮酸性氣分液罐物料泄漏到環境中的情況，以最嚴重的大孔泄漏為主，泄漏事故場景詳細設置中關于泄漏孔徑和泄漏時間的選定依據《化工企業定量風險評價導則》(AQT 3046—2013)附錄F確定，通過模擬最嚴重的泄漏情況確定安全距離。泄漏場景設置見表3。

表3 泄漏場景設置

2.3 模擬結果

2.3.1 可燃氣體擴散

可燃氣體一旦泄漏并達到爆炸濃度數值，會面臨極大的火災、爆炸風險。根據各項初始條件參數設置和事故場景選擇，建模計算不同氣象條件下可燃氣體泄漏后的影響范圍，見表4。

表4 可燃氣體擴散分析匯總表

2.3.2 火災熱輻射

火災危害主要源自熱量和煙氣，其中熱輻射是熱量傳播的主要形式。根據各項初始條件參數設置和事故場景選擇，建模計算不同氣象條件下可燃氣體泄漏遇點火源形成噴射火熱輻射的影響范圍，見表5。其中，噴射火熱輻射影響采取保守計算，假設泄漏方向和風向相同，不同風速條件下噴射火熱輻射影響范圍計算結果相同。

表5 噴射火熱輻射強度分析匯總表(地面)

2.3.3 爆炸超壓

發生爆炸時，爆破能量在向外釋放時以沖擊波、碎片和容器殘余變形能量三種形式表現出來，其中空氣沖擊波占絕大部分，是爆炸的主要危害因素。酸性氣分液罐中天然氣泄漏后與空氣充分混合，遇點火源急速燃燒，發生蒸氣云爆炸，可能產生爆炸超壓，對周圍建筑物造成沖擊破壞，并造成人員傷亡。建模計算不同氣象條件下可燃氣體泄漏遇點火源形成爆炸超壓的影響范圍，見表6。

表6 爆炸超壓分析匯總表

2.3.4 硫化氫毒性影響

H2S的毒性非常高，是一種致命的氣體。根據酸性氣分液罐天然氣泄漏后硫化氫組分泄漏擴散的模擬結果，結合OSHA推薦的硫化氫職業暴露值，計算得到硫化氫毒性影響范圍，見表7。由于酸性氣分液罐泄漏工況中泄漏點位置較高，考慮到硫化氫主要是對人體身體造成毒性影響，因此選擇人類平均高度1.70m為參考點[5]。

表7 硫化氫毒性分析匯總表

所有軟件模擬結果如圖2～圖5所示。由于酸性氣分液罐物料組分中可燃氣體組分很低，根據模擬計算結果，可以根據大孔泄漏工況下產生的熱輻射傷害區域設置安全距離。由于酸性氣分液罐物料組分中硫化氫含量往往很高，根據模擬計算結果，大孔泄漏(100mm)工況在地面區域形成了較大范圍的毒性影響區域，應重點關注?？紤]到硫化氫毒性的影響，后續在制訂應急預案時，應根據廠區實際布置情況和模擬結果確定合理可行的安全距離、疏散路線和緊急集合點等。

圖2 可燃氣體擴散(100mm 5/D)(截圖)

圖3 火災熱輻射(100mm 5/D)(截圖)

圖4 爆炸超壓(100mm 5/D)(截圖)

圖5 硫化氫毒性影響(100mm 5/D)(截圖)

3 結語

本文通過介紹油氣田安全管理過程中現存的主要問題，采用定量分析風險方法，為當前的風險管理提供參考依據，得出如下結論：

(1)實踐了定量分析的可行性，以天然氣處理廠的風險管理為出發點，采用定量風險分析的方式，對關鍵設備泄漏后果進行分析，模擬不同場景下的災害后果，包含可燃氣體擴散、火災熱輻射、爆炸超壓、硫化氫毒性影響4種主要風險的影響范圍，可以依據計算結果，確保各類安全間距符合標準要求，進一步提升安全管理水平。

(2)論述了定量分析的優勢，在于能夠更加清晰、科學地提供風險數值，通過對安全管理中的重點區域進行模擬分析，能夠通過更加清晰的定量數據解決風險管控的重點問題，從而制定更為科學和全面的風險應對措施，為類似油氣田項目安全管理提供實踐經驗。