大型浮顶罐区火灾事故风险评估与防范体系研究

大型浮顶罐区火灾事故风险评估与防范体系研究

0浮顶储罐火灾随着世界经济的快速发展和原油行业能源储量的战略需求，我国石油坛单罐体积和数量不断增加，储区和储区规模不断扩大，呈现出大型化和综合化的特点，各种储水池同时存在。目前多数国家采用大型浮顶储罐进行原油的存储,我国石油储备基地(库)多为单罐容量10×104m3的外浮顶罐,其中最大浮顶储罐已达20×104m3,区域总容量已达或超过千万立方米,如大连大孤山地区总库容已达1480万立方米。由于单罐容积和库区规模的不断增大,区域火灾爆炸事故风险呈不断上升趋势,近年来灾难性事故多发,给当地消防部门和石化企业单位的火灾预防和扑救带来新的挑战。如2010年7月大连中石油国际储运有限公司石油库输油管线发生爆炸起火,短时间形成多达6×104m2的地面流淌火,严重威胁相邻多个大型易燃易爆物品储存单位和海港码头的安全。此次火灾辽宁省共调动14个公安消防支队和18个企业专职消防队,出动了348辆消防车、2380余名消防员,共用消防水6×104t,泡沫灭火剂1000t［1］。可见,大型浮顶原油储罐一旦发生火灾事故不易扑救,可能引发区域多米诺连锁事故,后果十分严重,对地区环境及社会影响巨大。由国际资源保护组织(RPI)负责,BP、Shell等16家石油公司组织开展的LASTFIRE项目表明每年发生15-20起大型石化储罐火灾事故［2］。2004年瑞典大型储罐火灾灭火模型预测FOAMSPEX项目组统计1950至2003年9月的480起储罐火灾事故,相对涵盖区域及储罐类型最为全面,但也仅限于英文使用国家的事故资料,表明50年来储罐火灾事故总量呈明显的上升趋势,尤其是大型储罐火灾事故比例增加［3］。据国外的529起油罐火灾事故统计,从起火原因来看,雷击起火约为32.5%;从燃烧介质来看,主要是原油约为32.5%,其次是汽油约为27.3%;从起火油罐类型来看,以浮顶储罐为主(占29.5%),其次是拱顶罐。可见,大型原油浮顶储罐是主要防范对象,起火频率高,灾害后果严重。我国1982年调查统计储罐年火灾几率为0.448‰,但近年来随着储罐容量和数量的剧增,油罐火灾事故相对多发。为此,加强大型石油储罐火灾防控措施建设,提高对我国罐区重特大火灾事故风险防范水平和应急救援能力,是目前石油、石化企业及消防安全管理部门亟待解决的任务。API对1951年至1995年间107起大型储罐火灾事故的统计表明在81起浮顶储罐单罐火灾中浮顶储罐全表面积火灾有22起,占浮顶储罐单罐火灾的27%［4］,若发生沸溢可能引发多罐事故。全液面火灾是大型原油浮顶储罐的主要风险之一,是原油储备库消防工作的重中之重。我国相关规范均按环形密封处的局部火灾设防,依据NFPA、API、BS等国际标准规范配置了固定式或移动式灭火系统,仅是扑救一般规模的火灾,如浮顶储罐的密封圈火灾、小规模防火堤池火等,而缺少扑救大型储罐全面积火灾的消防能力［5］。2012年国家安全生产监督管理总局、国家发展改革委员会、工业和信息化部、住房和城乡建设部等4部委联合发文《关于开展提升危险化学品领域本质安全水平专项行动的通知》(安监总管三87号)指出“推行化工园区一体化安全管理”,按照规划先行、控制容量、统筹协调、一体化管理的要求,严格全面地论证、科学规划化工园区,提高园区的整体风险防范水平。为此,合理规划库区布置,推进大型罐体本质安全化设计,加强大型油库火灾预测预警及固定式消防系统的消防能力,提高移动式消防设备的配置水平和库区消防管理能力,基于火灾场景建立大型浮顶原油储罐全过程风险防范体系具有重要的现实意义。1影响火灾场景和风险的因素1.1局部或全输液火灾对于大型外浮顶原油储罐,依据火灾场景发生的位置和规模可分为密封圈火灾、浮顶溢油火灾、防火堤火灾、浮筒爆炸和局部或全液面火灾［2］,如图1所示。其中,密封圈火灾是最主要的火灾形式,往往先发生闪爆,雷击是其引发的主要原因;局部或全液面火灾是指浮盘发生局部下沉或直接沉盘而形成的液面火灾,是扑救难度最大,损失最严重的火灾事故类型。这些初始火灾场景若不能得到很好的扑救和控制,都有可能发展为全液面火灾或多罐火灾,LASTFIRE项目中一起密封圈火灾升级为全液面火灾,浮顶溢油火灾发展为全液面火灾的概率非常高,而沸溢导致多罐火灾或防火堤火灾的概率高达100%。1.2原油储罐灾害机理大型浮顶罐区火灾事故风险与引火源、储罐故障、储罐布局、消防系统设施及气象条件等因素有关。根据储罐火灾事故统计,引发储罐火灾的典型点火源有闪电、爆炸碎片、静电、储罐上热作业、金属硫化物自燃、火炬溅落物等。其中,闪电是最主要的引火源,LASTFIRE调查报告中62起初始火灾由闪电引起的初始密封圈火约占83.9%;静电是引发储罐火灾的常见诱因,而动火作业引发储罐火灾往往是由于违规操作造成的［4］。储罐故障通常表现为油料溢流到浮盘表面或防火堤内、密封圈损坏以及浮顶沉盘等,引发原因如下表所示,其中浮盘过载下沉往往引发防火堤火灾、浮盘溢流火灾,甚至全液面火灾等,应加强储罐的本质安全化设计和日常维保管理。储罐优化布局主要是为了防止储罐间的火灾蔓延,引发原因包括同时引燃、地面流淌火、着火罐沸溢、火焰热辐射影响以及沸溢、热辐射等因素的综合作用等。其中,地面流淌火危害巨大且难以扑灭,引发邻罐事故概率基本上是100%;沸溢是原油储罐火灾事故中最为严重的事故模式,防火堤火灾、局部或全液面火灾主要是热辐射影响邻罐安全,而多罐火灾往往是热辐射、沸溢和地面流淌火等多因素综合作用的结果。储罐布局主要是基于风险分析合理确定储罐间的防火间距以及与邻近企业单位的安全间距,杨国梁［6］建立了储罐失效风险计算模型,基于风险给出了大型原油储罐防火间距的确定方法。罐区火灾探测预警系统有助于降低初期火灾场景发生频率,针对各种场景的灭火系统设施有助于降低初期火灾场景的升级概率,通常罐区消防系统设施的可靠性可达95%。罐区气象条件,主要是风速、风向对局部或全液面火灾、防火堤内池火灾热辐射距离的影响。同时,较大的外界风力易吹散泡沫,雨水也有稀释作用,从而影响泡沫灭火效果。1.3罐区防火间距和耦合系统设置影响罐区初期火灾场景升级的风险因素主要包括密封圈性能、浮顶类型及配件、储罐间距、储罐运行条件及附件、防火堤及布局、油料性质、消防系统作用及环境影响等。密封圈性能完好可以有效减少形成爆炸性混合气氛的概率,进而降低引发火灾的风险。LASTFIRE事故调查报告也指出,浮盘排水管路故障和大雨后过载是造成沉盘事故的主要原因。正确操作和维护浮顶支架非常必要,可有效降低浮盘下沉事故和由于腐蚀而导致的支架故障风险。合理的储罐防火间距可以防止全液面火灾的火焰与邻罐接触,确保消防和疏散通道通畅,从而有效降低火焰热辐射导致的多罐事故风险。储罐的运行条件和附件状况对预防火灾场景升级具有重要的作用,如储罐泡沫喷口故障导致密封圈火灾升级为全液面火灾的案例。对于沸溢性原油的大型浮顶储罐应单个一个隔堤,且防火堤的设置便于消防力量布置和人员进出。罐区的风向、风速可能影响火焰的蔓延方向和蔓延速度,增加邻罐被引燃的风险,同时对泡沫也有吹散稀释作用,影响罐体灭火效果。储罐油料性质对火灾场景升级的主要影响是其挥发性、沸程和水层。罐区的消防系统对预防和减缓火灾场景升级至关重要,通常罐区固定式泡沫灭火系统可以成功扑灭90%的密封圈火灾,泡沫的流动性、抗燃烧性和析液时间、发泡倍数是有效灭火的关键指标,但过量的泡沫可能使浮盘发生倾斜而引发事故升级。若引发全液面火灾,将油料导出是降低火灾场景升级的有效方法之一,但也可能导致沸溢提前发生。通过罐区多种先进消防技术的综合使用,采用合适的影响火灾场景升级的风险控制措施、良好的火灾事故应急处置机制以及有效的灭火方式,能够将罐区火灾伤亡损失降到最低。1.4事故场景评估基于火灾场景的大型浮顶罐区火灾风险评估,主要是辨识火灾场景及发生频率f、确定不同火灾场景的后果危害程度及影响范围C,进而确定罐区火灾场景的固有风险R1;若可以确定罐区消防系统预防初期火灾事故升级影响因子F,进而评估罐区现实火灾风险R2,评估框架如图2所示。LASTFIRE项目给出了初始密封圈火灾、初始浮顶溢油火灾、初始防火堤火灾和初始全液面火灾的发生频率分别为1.6×10－3/罐年、3.0×10－5/罐年、1.5×10－4/罐年和3.0×10－5/罐年。罐区火灾事故场景后果可以采用经验公式计算或数值模拟,进而确定其伤害、死亡半径及辐射损坏距离,如FDS、SAFETI和AN-SYS［7］等。对于多罐及罐区、库区的区域火灾风险评估可采用个人风险和社会风险计算［8］、火灾风险严重度指数评估等方法。罐区消防系统预防初期火灾事故升级影响因子F由火灾预测预警系统初期火灾发生频率降低因子、初期火灾场景升级条件概率和消防系统发挥作用可靠性因子等因素确定。2基于火灾风险的预防对策2.1以全过程火灾风险防范体系为核心的疫情防控技术鉴于上述大型浮顶罐区火灾场景及发展模式、火灾风险影响因素及区域火灾风险评估,基于火灾风险分析构建了全过程火灾风险防范体系,包括库区评估规划、罐体本质安全化设计、库区火灾预防与扑救、罐区火灾事故管理等5个方面(见图3),形成面向库区全过程的火灾风险防范体系,在各项防控措施效益与实际减缓风险之间保持合理的平衡,持续改进确定最佳的火灾风险防范系统和管理模式。2.2园区消防规则大型浮顶罐库区评估规划是指基于区域性火灾风险评估分析,合理规划库区及园区储罐布局,主要涉及罐体防火间距、防火堤容积、园区消防给排水配置和周邻安全距离等,评估储罐多米诺事故影响,合理确定园区火灾风险容量,优化库区整体布局。园区消防规则内容主要包括防火隔离带和疏散避难设施及防灾缓冲区设置、园区消防给排水、监控预警及消防通信等。常用的消防安全规划方法主要有安全距离法、基于后果的方法、基于风险的方法和半定量方法四类。2.3油罐防火间距设计的必要性大型浮顶罐本质安全化设计是指规范化储罐设计、安装及验收标准,采用先进的浮盘密封和防雷技术措施,降低静电、违规操作等引发火灾的风险,提高罐体及库区本质安全等级。油罐大型化发展导致罐体焊缝越来越长,增大了油罐基础发生不均匀沉降和焊缝破裂的机率。同时,由于含硫原油,特别是高硫原油的增多,油罐腐蚀也越来越严重,存在大型油罐发生大量油品泄漏的隐患。针对这些问题应采取本质安全化设计,而合理的防火间距设计也是减少火灾蔓延的本质安全化体现。油罐一次密封和二次密封部件、油罐搅拌器、浮盘的电气连接和盘梯等附件的可靠性设计对储罐日常安全运行起关键作用。此外,采用耐冲击的防火堤,或提高罐组周围路面的高度,作为油罐组的第二道防线,可降低油料大量泄漏防火堤被冲毁风险。此外,建议对工艺过程和设备设施进行HAZOP分析,杜绝火灾隐患和减少设计缺陷。2.4浮顶罐区内部监控设施库区的火灾预防技术措施主要包括火灾预测预警系统、可燃油气浓度探测、油料泄漏探测、液位温度监测、防雷预警技术和快速切断堵漏技术等。通常油罐上设置火灾自动探测装置,如二次密封圈上面间距不大于3m的光纤感温探测器,主要用于密封圈火灾场景,也可采用热成像仪或视频图像对整个浮盘区进行监控。罐区很少安装油料泄漏探测系统,如密封圈处的红外可燃气体探测器、浮盘表面溢油光纤探测器等,也可在浮盘排放系统、罐底和废液等位置安装泄漏油料探测装置,可降低0.15%-0.25%的浮顶溢油火灾、防火堤火灾和全液面火灾的发生频率。同时,应提高探测预警系统的可靠性和稳定性。大型浮顶罐区消防控制系统通常采用DCS控制,可在消防控制室设置PLC和消防辅助操作台,用以确保在DCS失灵时的后备操作。基于3G信息技术与远程信号动态监测技术,实施实时监测监控与分析罐区工艺设施状态参数,融合监测预警与火灾场景风险预测模拟,实现系统动态优化决策、应急联动等功能,以提高罐区火灾先期征兆预测预警与防范技术能力。2.5火灾场景下的灭火策略罐区火灾扑救主要是针对密封圈火灾、防火堤火灾、流淌火及全液面火灾场景等采取针对性的灭火系统设施和扑救战略战术。国内罐体通常按密封圈火灾设防罐壁式泡沫灭火系统,阿联酋某直径150m原油储库,采用大流量泡沫炮按全液面火灾设防,运行费用较高。LASFTFIRE项目案例分析表明,对于直径80m的大型储罐密封圈火灾、全液面火灾、防火堤火灾等泡沫灭火系统的可靠性达0.95,与一次性密封圈火灾气体灭火系统和水喷淋冷却系统的可靠性相当,而消防炮系统的可靠性为0.75［9］。同时,英国BP石油公司的研究报告也显示,成功扑灭大直径油罐全液面火灾需要依靠大流量喷射设备和经过良好训练的消防队员,且选取优化的扑救策略［2］。大流量、远射程的消防装备是扑救大型浮顶罐区灾难性火灾的必备武器,采用水源泵与大流量远射程拖车炮相结合的远程供水系统和高效能灭火剂,被证明是扑救大型储罐火灾的有效方法。针对大型浮顶罐典型火灾场景采取优化的灭火策略也是成功扑救灾难火灾的关键环节。依据消防资源的充足有效性,消防人员熟悉装备、药剂和灭火程序的程度,可分为主动策略、防御策略和保守策略。其中,密封圈火灾通常采用固定式泡沫灭火系统和便携式移动消防设备,若起火弧度较短可采用灭火器或泡沫喷枪扑灭;防火堤火灾要防止周邻罐被引燃,隔离泄漏源,启动固定式泡沫系统和移动式消防泡沫和便携式喷枪等。全液面火灾的灭火策略如下:(1)停止火灾影响储罐的一切操作;(2)确保储罐能容纳喷射的泡沫量;(3)启动泡沫系统,持续供给泡沫混合液;(4)火势平稳前准备使用消防炮来辅助扑救;(5)尽可能将储罐内的油料降至最低。2.6储罐火灾应急管理系统罐区火灾事故管理主要是火灾事故管理系统FIMS和事故指挥系统ICS［4，10］,也涉及罐体的安装运行维护规程、泄漏检测和淸罐操作要求以及火灾防范指南等。罐区火灾事故管理系统涉及设备设施调查统计、可能火灾事故场景描述、现有消防力量评估、火灾预防及扑救策略、基于火灾场景的扑救预案和制定灭火