液化石油气罐区安全评价和紧急防灾系统的开发.docx

液化石油气罐区安全评价和紧急防灾系统的开发王铁民(洛阳石油化工总厂, 洛阳 471012)摘要 分析了液化石油气罐区的特点, 把安全评价、数学模型、流程控制、事故处理专家系统与多媒体技术结合起来, 开发了液化石油气罐区安全评价和紧急防灾系统。将系统模型和仿真结果与 国内外一系列试验数据和一些典型事故分析结果进行比较, 吻合良好。主题词: 罐区 安全 数学模型 系统 开发液化石油气1 前 言液化石油气罐区系统 (包括液化丙烯、乙烯等系 统) 一旦发生事故便极难控制。大量泄漏的危险物质 可弥散至数万乃至数十万平方米, 如遇明火则可使 此区域内的设备、人员受到伤害, 甚至引发二次灾害。 因此, 预防液化石油气罐区事故的发生、降低事 故规模、减小事故恶果是企业家和技安人员奋斗的目标之一。从防御的角度采取措施是防止灾害的最有效的 措施之一。 洛阳石油化工总厂和原化工部职业安全卫生研究院在发明专利“一种智能化炼油化工危险源事故预案和应急处理方法”( 9517237. 4) 与“石油 储罐区事故预案和紧急防灾系统”、“石油储罐区安 全评价方法”两项科技成果的基础上, 进一步分析了液化石油气罐区的特点, 把安全评价、数学模型、流程控制、事故处理专家系统与多媒体技术有机地结 合起来, 开发了“液化气罐区安全评价和紧急防灾系统”。 该项研究 1997 年底通过中国石化总公司科技 成果鉴定, 1998 年获中国石化集团公司科技进步三等奖。2 系统概况在 586 以上的微机、W in dow s 操作环境下, 使 用 Bo r lan d C + + 语言将数据采集、信息处理、图形绘制、智能判断、图象处理和通讯接口融为一体, 开发出一套适用于液化石油气罐区安全评价、生产管 理、事故仿真和紧急防灾的综合系统。系统由信息查询、数据采集、事故仿真、事故预 案和流程管理 5 个子系统组成。 各子系统既有相对 独立性, 又有密切的联系, 构成一个有机的整体。 为便于维护和系统扩充, 采用了组件式结构。系统组成和子系统间的联系见图 1, 硬件连接和功能联系见 图 2。3 安全评价安全评价是综合运用安全系统工程方法对评价 对象 ( 系统) 存在的危险性进行定性和定量分析, 揭示系统在设计、施工、运行和管理上遗留下来的缺陷和隐患, 预测事故发生的可能性及其后果, 提出改善 安全状况的信息, 寻求最佳的安全投资效益的过程。 它是实现系统本质安全的重要基础和现代安全管理的重要内容。目前, 国内外已有数十种安全评价方法, 但还没 有一种适用于液化石油气罐区的方法。 在对液化石 油气罐区事故调查分析和“石油储罐区安全评价方 法”的基础上, 根据液化石油气易燃、易爆、低毒的特性和罐区储量大、机械设备少、工艺简单的特点, 借 鉴国内外先进的评价方法, 开发了单元固有危险度 评级2单元安全检查表评分2单元综合危险度分级和 应急能力分析2罐区固有危险度分级2罐区安全检查 表评分2罐区综合危险度分析及对策分析六步骤综合安全评价程序和方法, 其主体是危险度评价和安 全检查表。 方法设计了 14 个数据采样表, 囊括了液 化石油气罐区的方方面面, 可通过自动采集和人工 输 入 对 它 进 行 评 价, 有 针 对 性 地 提 出 切 实 可 行 的收稿日期: 1999202208。作者简介: 王铁民, 高级工程师, 1963 年哈尔滨石油专科学校毕 业, 河南省石油学会理事, 先后有多项科技成果通过省部级鉴定 并获得奖励, 在省部级以上学术、技术期刊及学术会议上发表论 文 20 篇, 现从事石化企业技术安全开发、管理和评价工作。53第 9 期王铁民. 液化石油气罐区安全评价和紧急防灾系统的开发图 1系统组成框图整改措施和管理对策, 并可为修改设计和安全设施优化提供依据。 评价程序见图 3。4 仿真系统开发系统仿真是该项研究的核心和基础, 是通过对 大量液化石油气罐区事故的分析和归纳找出事故的 基本形态, 形成事故模型, 并根据国内外规范标准、经验教训对事故所需的数学模型进行比较、筛选, 开 发确定事故的仿真数学模型的过程。由事故模型、数 学模型和专家系统构成。4. 1 事故模型液化石油气罐区灾害性事故的主要形态是泄 漏、火灾和爆炸三大类。 事故模型能对事故形态、发展趋势和可能后果进行描述。 开发过程中事故形态考虑了不同事故部位和破坏形式, 其中包括低温撞击、应力腐蚀开裂、超压、机械损坏, 以及热作用酿成的破坏。事故类型中泄漏事故的基本形态考虑了瞬间气体泄漏、瞬间液化气体 泄漏、连续液体泄漏、连续气体泄漏、两相泄漏等; 火 灾事故包括各部位的喷射火灾、闪燃、火球和池火; 爆炸事故包括器外蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气 云爆炸等。可能后果是根据事故可能引起的火灾、爆炸和 毒性伤害来确定。其中, 泄漏事故以可燃气体爆炸下 限的 50% 浓度线划定危险区域, 并以浓度等值线为参考。有毒害物质以 TL V 2C 浓度 (瞬间不得超过的 最高浓度) 等值线划定危险区域, 以自定义浓度等值线为参考。火灾事故以热通量、热强度以及热通量和 热强度复合作用构成对人的伤害准则, 其伤害程度依照 P ie te r sen 1990 年发表的数据1 。 对临近设备 的影响, 考虑了常压和压力储罐两种接受器模型。爆54石油炼制与化工1999 年第 30 卷图 2硬件组成及相互之间的联系炸事故考虑了峰值超压和飞射物体对目标体构成的伤害, 其中对人的伤害选择了致死、重伤和轻伤三个 超压峰值, 对设备的影响依照 Gu gan 在 1979 年发 表的数据2 。4. 2 数学模型系统数学模型是根据事故模型和液化石油气的 物化特性开发的。 其中泄漏、弥散、蒸发过程主要参考美国过程安全中心 (CC P S) 出版的“蒸气云扩散模 型 指南”, 扩散模型还参考了美国空军 (A FA ) 和美国环保局 (E PA ) 的有关规范; 火灾模型主要参考美国气体协会 (A GA ) 和美国防火协会 (N F PA ) 的有 关规范; 接受器模型主要参考英国安全性和可靠性管理局的有关规范, 蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸 气爆炸过程还参考了国家“八五”攻关成果和风洞试验报告。 这些模型包括: 气体泄放速度模型、液体泄放速度模型、液池弥散模型、闪蒸模型、液池蒸发模 型、绝热扩散模型、气体扩散模型、非典型扩散模型、 重气扩散模型、热辐射强度及衰减模型、蒸气云爆炸模型、火球模型、接受器模型等。4. 3 数据库在应用矢量化技术建立可任意缩放的评价对象的企业平面布置图和周围环境详图的基础上, 开发了罐区安全管理数据库系统, 其中包括危险源分布、 火源分布、报警点分布、储罐信息库、罐区信息库、危险品安全数据库、消防力量及设施分布数据库、泡沫 储备和分布数据库、企业供水系统及管网情况数据 库、企业污水及明沟流向和分布数据库、企业防灾组 织职能分工数据库、典型案例多媒体数据库和应急 处理专家系统等在内的一系列数据库系统。数据库系统是事故仿真和事故预案、紧急防灾 的依据和基础, 各种数据库接口和矢量化技术的应 用为防灾系统提供了丰富的人机界面, 可操作性强。4. 4 事故仿真事故仿真是模拟现场事故的过程, 可根据事故 现场或模拟现场情况 (事故形态、物质、设施、地面情况等) 和有关的物质参数及气象参数确定事故模型,选择数学模型, 模拟并输出模拟结果的过程。 事故仿真结果包括事故状态下的液体泄放速度、气体泄放速度、液池蒸发速度、液池弥散速度、液池弥散面积、爆炸危险性气体扩散影响区域、毒害性 气体扩散危害区域、热辐射强度或热通量随距离衰 减 和对人的安全距离、器外蒸气云爆炸峰值超压等55第 9 期王铁民. 液化石油气罐区安全评价和紧急防灾系统的开发预案内容是系统在自动采集或有关信息输入的同时, 根据现场情况, 给出事故发展不同阶段的处理 原则和响应提示, 其执行程序按泄漏、火灾和爆炸三 种模式分别考虑。为便于程序管理, 把事故响应分为五个阶段: ( 1) 事故初起阶段, 以报警、现场第一处 理为主线提出响应内容; ( 2) 事故的初期阶段, 以组 织救援、人员疏散为主线提出各单位的应急响应内 容, 该阶段是确保应急响应过程顺利进行和减少人 员伤亡的重要环节; ( 3) 事故处理准备阶段, 以预测事故影响, 生产和现场准备为主线开展工作, 这是能 否做好事故响应的基础, 也是各单位能否主动工作, 各自为战, 减少事故损失的关键; ( 4) 事故处理、火 灾扑救阶段, 这是事故响应能否成功地处理事故的 关键过程, 也是现场指挥员掌握情况、运筹帷幄、下达决策命令的时刻, 系统以提供相关数据、条件分 析、处理原则、处理方案和禁忌事项为主要内容进行 响应和做出判断; ( 5) 事故的后期处理阶段, 该阶段 主要以预防次生灾害和恢复生产为中心进行响应, 这个阶段是事故处理过程中需格外慎重的一个环节, 在这个阶段中系统将为解除警戒、恢复生产提出 必要的条件, 并自动记录事故过程, 编写和提供事故 报告初稿。6 可靠性分析为了确认系统的可靠性, 收集了包括现场扩散 试验、火灾模拟试验、接受器试验、液化石油气储罐暴露于火中的烧烤试验等在内的国内外一系列试验数据和一些典型事故的分析结果, 与系统模型和仿 真结果进行比较。6. 1 蒸气云扩散把液化气罐区的泄漏形态归纳为射流重气扩 散、液池蒸发扩散、瞬间重气扩散、连续气体扩散、瞬间气体扩散五种扩散模式, 按这五个方面与国外大规模试验的 528 个数据用 H an n a 博士 1992 年推荐 的方法进行比较, 试验数据与模拟数据之比 95% 的 置信区间落于两倍之内。 而后又模拟计算了我国的三起典型事故, 吻合较好。6. 2 热辐射强度随距离的变化搜集 A DL 3 的 13 次试验数据, 并与它进行了 模 拟比较。 模拟数据与试 验 数 据 之 比 为 1. 0321. 671, 预测值高于试验值。 与中国石化集团公司长 岭炼油厂灭火演习中辐射热强度检测数据相比也有类似的结果4 。6. 3 对周围设施的影响图 3石油液化气罐区安全评价程序图值线和对人的影响距离、临近设施 ( 罐) 发生危险的 时间等。5 紧急防灾系统的开发紧急防灾系统是在数据采集和事故仿真的基础 上, 经计算机智能化处理制订出应急响应和救灾方案的过程。5. 1 系统模式在对现有事故预案、模拟事故演习和有关规范 标准以及典型事故案例分析整理后建立事故处理经验、原则和程序的基础上, 开发出推理机制和相关的 支持知识库系统, 最终形成紧急防灾系统模式。该模 式的事故处理原则和程序是不同阶段事故响应的工作纲要, 是根据事故的不同情况、不同阶段进行推理、判断并给出各种相关信息的依据。5. 2 预案内容56石 油 炼制 与 化 工1999 年 第 30 卷对周围设施的影响, 主要以对临近储罐的影响结果进行比较。 系统开发中首先利用新加坡的一起 典型事故案例的升级时间进行比较, EN GU L F 的 模拟数据为 1. 4 h , 该系统的模拟数据为 1. 6 h , 实(3) 系统把罐区生产管理、安全评价、事故应急和反事故演练有机地结合起来, 在国内外具有先进 性。(4) 系统采用了矢量化技术, 事故模拟过程中 的平面图可以任意缩放, 并增加了系统内涵。(5) 根据大量的事故资料、专家经验和现场演 习情况确立的应急响应程序、原则和内容具有合理 性和实用性。参考文献际事故升级时间为 1. 5 h。此外, 还利用 K.M oo d ie等 1988 年发表的液化气储罐试验数据5 进行接受器时间、温度和压力变化情况的比较, 模拟数据与试 验数据之比基本上在两倍的误差范围之内, 吻合良 好。7 结 论(1) 在微机上结合液化石油气罐区实际建立的 安全评价和紧急防灾系统, 集文字、图文图象、视频、 通讯和数据采集为一体, 操作方便、界面友好、形象 生动。(2) 根据液化石油气罐区的特征所深入开发的 事故类型、数学模型、仿真模型合适可用。12P ite r sen C M . J L o ss P reo ce ss Ind, 1990, ( 3) : 1Gugan K. U nco nf ined V apo u r C lo ud E xp lo sio n s, Geo rge Go d2w in L im ited, 1979: 104M udan K S. F ire h aza rd ca lcu la t io n s o f la rge op en h yd ro ca rbo n f ire, in: S F P E h andboo k o f an L P G tank , J H az M a t, 1988. 20张连虎. 石油化工消防监督管理技术, 北京: 群众出版社, 1993.172 173M oo d ie K , Cow ley L. J H aza rdo u s M a te r ia ls, 1998, 20: 5571345R ISK A SSESSM ENT FO R L PG TA NK FA RMA ND D EVELO PM ENT O F EM ERGENCY SY STEM FO R PREVENT ING CAL AM IT IESW an g T iem in(L u oy ang P e t roch em ica l G ene ra l P lan t, L u oy ang 471012)A bstra c tT h ro u gh an a ly sis o f th e fea tu re s o f L P G tan k fa rm , an d in teg ra t io n o f r isk a sse ss2m en t, m a th em a t ica