天然气泄漏事故的定量风险评价

天然气泄漏事故的定量风险评价

一、天然气连续泄漏事件树根据燃料消耗的分类，天然气火灾的风险类别为i类，是一种易于分解的危险物质。当天然气和空气混合浓度达到5%-14%时，它们在水源中会发生燃烧和爆炸。天然气连续泄漏,可能导致的后果包括喷射火、闪火、蒸气云爆炸(VCE)和安全扩散。图1为天然气连续泄漏事件树。泄漏的天然气如果被立即点燃,主要形成喷射火;泄漏的天然气如果延迟点燃,形成的云团可能导致闪火和蒸气云爆炸,其结果取决于云团的范围和受限空间;如果泄漏的天然气浓度很低,未被点燃,也可能安全扩散。立即点燃的发生概率由物质的反应活性所决定。天然气属低反应活性物质,不同泄漏情况下立即点燃的概率见表1。延迟点燃的概率取决于点火源的强度、位置、运行系数以及蒸气云团在点火源位置所持续的时间。点火源可能是点源(火炬)、线源(公路、铁路、高压线等)及面源(点火源不确定的工业区等)。二、风险评估的例子分析1、定量风险评价采用挪威船级社(DNV)开发的定量风险评价软件包LEAK、PHASTRISK和PHAST进行定量风险评价,其中,LEAK是用于计算各种石油化工装置事故发生频率的计算软件,PHASTRISK是用于定量风险分析和危险性评价的计算软件,PHAST则是分析PHASTRISK的计算后果与影响评价因素的综合模块。2、项目描述(1)班2人,工艺体验某天然气分输站站内有站长3人,每班2人,工作时间不固定,24h在站内;有调度18人,每班6人,每天工作12h,日夜班每周轮换;有维修工6人,每班2人,每天工作12h;保安2人,每班1人。站长、调度和维修工每工作60天,休息30天,每年在现场的时间比例为0.67;保安每工作180天,休息15天,每年在现场的时间比例为0.92。站内设有3个汇管区,A汇管设计压力5.5MPa,连通5条支路(A1、A2、A3、A4、A5)和B汇管;B汇管设计压力7.5MPa,连通3条支路(B1、B2、B3)、A汇管和C汇管;C汇管设计压力10.0MPa,连通2条支路(C1、C2)和B汇管,见图2。(2)不同气候、风向对大气稳定度的影响根据大气稳定度等级及扩散参数的规定,大气稳定度等级采用修订的帕斯奎尔(Pasquill)稳定度分级(简记P·S),分为A(强不稳定)、B(不稳定)、C(弱不稳定)、D(中性)、E(较稳定)和F(稳定)六级,不同气候下大气稳定度等级见表2。在不同风向条件下,不同风速和大气稳定度的发生频率见表3。1A表示风速为1m/s,大气稳定度为A。(3)自动计算点火源点火源的点火概率见表4。由于评价软件可自动将区域内的人员作为点火源进行计算,因此表中点火源未列出“人员”一项。设食堂的操作白天为6h,晚上为2h。3、失败模型(1)单元划分见表1根据分输站场的操作工艺流程,对探测和切断系统分级,将其划分为12个单元,分别为01(A1单元)、02(A2单元)、03(A3单元)、04(A4单元)、05(A5单元)、06(AB联通线)、07(B1单元)、08(B2单元)、09(B3单元)、10(BC联通线)、11(C1单元)和12(C2单元)。(2)离散泄漏在进行后果分析时,由于计算所有泄漏尺寸所对应的后果的计算量大,因此在实际风险计算中,往往采用一组离散的泄漏尺寸代表可能的泄漏情况。定义的泄漏孔径类型见表5。(3)不同泄漏孔径时,有泄漏时间不同结合设计文件,确定各工艺单元不同泄漏孔径对应的泄漏时间,当泄漏孔径为5mm时,泄漏时间为60min;当泄漏孔径为25mm时,泄漏时间为40min;当泄漏孔径为100mm时,泄漏时间为20min;当泄漏孔径为400mm(站内工艺设施或管道发生破裂)时,气液联动阀门自动切断,将此时的泄漏时间设为2min。(4)泄漏点的阻力式泄漏工艺设施或管道内高压天然气的泄漏可能有水平、垂直向上、垂直向下三种泄漏方向。对于横截面为圆形的管道或容器,泄漏位置大致可分为4个区域(见图3)。对于地上工艺设施的泄漏,当泄漏点位于1区域时,会形成垂直向上的无阻挡式泄漏,所占比例为20%。当泄漏点位于2、4区域时,会形成水平方向的泄漏,所占比例各为30%。根据周边设施的阻挡情况,又可分为无阻挡式泄漏和水平撞击式泄漏,其中水平无阻挡式泄漏占25%,水平撞击式泄漏占75%。当泄漏点位于3区域时,会形成垂直向下的泄漏,初始的泄漏由于和地面发生碰撞,被地面削弱形成被动式泄漏,所占比例为20%。过滤器多为竖向结构,其泄漏主要为水平泄漏,其中水平无阻挡式泄漏占25%,水平撞击式泄漏占75%。对于埋地管道的泄漏方向,中、小孔径为水平撞击式泄漏;大孔径和破裂泄漏水平撞击占75%,动力45°方向占25%。计算模拟时,设地上设施的泄漏点高度距离地面1m,埋地管道的泄漏点高度距离地面0m。4、结果模拟(1)不同高度破裂导致的水平泄漏利用PHAST软件计算泄漏后果,10、11和12单元破裂导致的水平泄漏在6D的气象条件下,形成喷射火的影响范围最大,4.0、12.5、37.5kW/m2热辐射值的影响范围分别达到583、417和313m。(2)下泄漏在8d的气象条件下,下泄漏在天然气中闪火的浓度利用PHAST软件计算泄漏后果,10、11和12单元破裂导致的向下泄漏在8D的气象条件下,形成闪火的影响范围最大,三个单元的LEL(爆炸下限,指天然气与空气组成的混合物遇火源发生爆炸的最低浓度)和0.5LEL的影响范围分别达到920m和1490m。(3)蒸气云的影响发生蒸气云爆炸必须满足两个条件,一是从燃料开始泄漏至点燃蒸气云应该有一段延迟时间,以形成达到爆炸极限的预混蒸气;二是必须存在强的点火源或某些火焰加速机理,才能形成强的爆炸波。根据国外的泄漏事件统计和试验结果,少量蒸气云不足以形成VCE,只会形成闪火;在受限空间和蒸气云发生扰流时才会发生破坏性超压。蒸气云必须达到一定的质量,才会发生破坏性超压。蒸气云的量由其组分而定,某些具有高燃烧速率、活性比较高的物质,例如氢气、乙炔可能产生破坏性爆炸。大的化工装置或建构筑物可提供部分受限环境并增加扰流的机会,闪火转变成蒸气云爆炸的可能性大。根据PHAST软件的模拟结果,工艺设施或管道泄漏形成的蒸汽云云团的质量很低,且站场周边无大型的建构筑物,天然气泄漏后形成受限空间的可能性较小,一般不会发生蒸气云爆炸。5、可忽略风险传播个人年度风险(IRPA)是指站场各作业岗位正常工作人员的平均死亡风险,在计算过程中考虑了个体在白天和夜晚暴露于不同场所的时间系数。参考国外的风险标准,结合国内的实际情况,认为IRPA>10-3/a为不可接受风险,而IRPA<10-5/a为可忽略风险。如果个人年度风险高于10-3/a,意味着员工承受的风险较高,需立即采取措施;如果个人年度风险低于10-5/a,意味着员工承受的风险较低,无需采取进一步的风险降低措施;如果个人年度风险介于10-3~10-5/a之间,则意味着员工承受的风险水平处于最低合理可行区域(ALARP区域),站场可根据自身的实际情况确定是否采取特定措施。该准则可用于指导定量评价分输站员工的个人年度风险值。根据站场作业岗位的设置和各岗位工作人员的换班情况和工作流程,计算得出各岗位的个人年度风险值,见表6。相对而言,个人年度风险值偏高的岗位是维修工,其风险值为8.55×10-4/a,这主要是因为维修工接触工艺设备区时间较长。站场内各作业岗位的个人年度风险值均在ALARP区域内。三、主要系统的研究(1)采用定量风险评价软件可对石油化工装置事故进行定量风险模拟与评价,但需结合工程实际,对气象条件、人