LNG加氣站事故HAZOP量化分析方法研究

李 平，蔣宏業，姚安林，許 萍，徐 惠

西南石油大學石油與天然氣工程學院 （四川 成都 610500）

自2002年中國建成首個LNG加氣站以來，據不完全統計，時隔10余年，中國現已投運的LNG加氣站已由2002年的2座增加至2 000座左右，隨著LNG的普及和運用，其事故發生率也隨之增加。以往人們對LNG事故的分析多是根據LNG的性質和危險性，從工藝角度分析事故機理，從而提出風險管理預防措施，但是這種方法不能量化事故風險。對LNG加氣站進行系統地危險辨識可以采取多種方法：安全檢查表法（Checklist）、事故樹分析（FTA）、危險與可操作性分析（HAZOP）等。其中，危險與可操作性分析（HAZOP）方法以其分析全面性、系統性、結構性、細致等突出優勢成為目前危險性分析領域最廣泛應用的一種系統安全分析方法[1]。通過量化的HAZOP分析人們可以直觀地了解到系統風險的大小，有利于提出相應的建議措施，故本文采用量化的HAZOP方法，以LNG儲罐“壓力過高”偏差為例來辨識LNG加氣站的風險。

1 量化的HAZOP分析方法介紹

傳統的HAZOP分析只能定性分析出系統是否存在風險，不能對風險發生的可能性及嚴重度進行量化，其分析結果以事故報表的形式給出。對相對復雜的裝置而言，報告給出的偏差多達成百上千個，人們往往不能抓住評價系統中的主要危險因素，使評價結果不具有現場指導意義[2]，而量化的HAZOP分析方法可克服HAZOP作為純定性分析過于主觀的缺點。

1.1 HAZOP分析方法概述

HAZOP分析方法由英國帝國化學公司（ICI）1974年開發，是一種對生產裝置及工藝過程安全進行系統評價的方法。該方法是由有經驗的跨專業的專家小組對裝置或系統的設計、操作等提出有關安全上的問題，以系統工程為基礎，以工藝參數偏差為引導，分析偏差原因、后果、已有安全措施以及提出風險緩解建議措施和行動[3]，HAZOP分析流程圖詳見參考文獻[4]。目前，HAZOP分析方法已被廣泛應用于石油、石化等風險評估工作中，有些國家（如英國）已通過立法手段強制其在工程建設項目中推廣應用，在我國該方法的應用還處于起步階段[5]。

1.2 HAZOP量化分析

本文通過將道化學火災、爆炸指數評價法（F&EI）和事故樹分析（FTA）應用于 HAZOP 分析方法中，實現了事故后果嚴重度和事故發生概率的定量計算，再結合風險矩陣將風險量化，潛在風險便可得到清晰直觀的風險等級，可以提高分析結果的準確性和可信度。國內目前大約有40%的HAZOP分析項目使用了風險矩陣[6]。

典型的 5×5風險矩陣，事故發生概率分為5個等級（表1），事故后果嚴重度也分為5個等級。每一對事故發生概率和事故后果嚴重度對應著一個風險級別，每個風險級別又有對應的建議措施（表 2）[7]。

表1 事故發生概率等級表

表2 風險等級及應對措施

1.2.1 應用 F＆EI計算事故后果嚴重度

在進行火災、爆炸指數的計算時，物質系數是最基礎的數值，它是表述物質由燃燒或其他化學反應引起的火災、爆炸中釋放能量大小的內在特征。物質系數根據美國消防協會規定的物質可燃性和化學活性（或不穩定性）獲得。利用F&EI對某一單元進行分析，根據分析結果可以生成具有半定量信息的后果嚴重度[8]。《道指數評價法》給出了按不同的F&EI值劃分危險等級的規定，見表3[9]。

表3 F&EI值對應的危險等級與后果嚴重度等級

1.2.2 應用FTA計算事故發生概率

HAZOP分析方法簡單，但往往不夠深入，事故樹分析（FTA）不僅能分析出事故的直接原因，且能深入地揭示事故的潛在原因。參考適當的故障率數據庫得到各基本事件的概率，便可根據事故樹計算頂事件的概率即事故發生概率。FTA計算事故概率可使HAZOP分析中的風險矩陣數據來源更加客觀準確，還可以進行底事件的結構重要度分析，得到的結果有利于HAZOP分析時提出相關建議措施。

2 LNG加氣站流程介紹

LNG加氣站站內生產過程分為卸車流程、調壓流程、加氣流程和泄壓流程。①卸車流程：將汽車槽車內LNG轉移至加氣站LNG儲罐。有以下3種卸車方式：增壓器卸車、低溫泵卸車、增壓器和低溫泵聯合卸車。②調壓流程：卸車完畢后，用LNG泵從儲罐內抽出部分LNG通過LNG汽化器氣化且調壓后進入儲罐，當儲罐內壓力達到設定值時停止氣化。③加氣流程：儲罐中的飽和液體 LNG通過低溫泵加壓后經過計量由加氣機給汽車加氣，分為單線、雙線加氣。當車載儲氣瓶壓力較低時，車載儲氣瓶采用上進液噴淋式，加進去的 LNG直接吸收車載氣瓶內氣體的熱量，使氣瓶內壓力降低，減少放空氣體，并提高了加氣速度。當車載儲氣瓶壓力較高時，采用雙線加氣，通過回氣管，將車載儲氣瓶內的氣體回收至LNG儲罐中。④泄壓流程：當儲罐壓力大于設定值時，通過BOG回收系統或者打開安全閥，釋放儲罐中的氣體，降低壓力，以保證安全[10]。LNG加氣站主要設備有：LNG儲罐、低溫泵、汽化器、加氣機等。

3 量化的HAZOP分析方法在LNG加氣站的應用

3.1 HAZOP分析節點劃分

根據LNG加氣站的工藝流程，可將LNG加氣站分析對象劃分為4大部分：卸車過程、調壓過程、加氣過程和泄壓過程，對每一大部分再進行進一步節點劃分，具體節點劃分情況見表4。

表4 LNG加氣站HAZOP分析節點劃分情況

根據表4所劃分的節點，對每一個節點找出其中潛在的偏差，并分析偏差的原因、可能導致的后果及已有安全保護措施，若安保措施不足，則提出相應的建議措施。以LNG儲罐“壓力過高”為偏差，利用F&EI和FTA分別定量計算偏差的事故后果嚴重度和事故發生概率。

3.2 應用F＆EI計算事故后果嚴重度

1）確定LNG罐的物質系數（MF）。查物質系數表得：LNG的物質系數MF=21[8]。

2）確定LNG儲罐的單元危險系數F3[8]：①物質的處理和輸送。儲存的是NF=4的液化天然氣，危險系數取0.85。②排放和泄漏控制。液化天然氣的泄漏可能給裝置和人員造成很大的危害，危險系數取0.5。基本系數為1.00，故一般工藝危險系數F1=1.00+0.85+0.5=2.35。③毒性物質。液化天然氣具有輕微毒性，危險系數取0.2。④燃燒范圍內或附近。液化天然氣一旦泄漏，與空氣形成爆炸性混合物，危險系數取0.5。⑤低溫。液化天然氣在溫度約為-161℃下儲存，危險系數取0.3。⑥壓力釋放。儲罐儲存壓力一般約為0.1MPa，危險系數取0.2。⑦易燃和不穩定物質數量。根據所儲存的液化天然氣總量（約20t）乘以燃燒熱，可得危險系數為0.81。⑧泄漏（接頭與密封）。儲罐密封處可能有輕微泄漏，危險系數取0.1。⑨腐蝕。儲罐會有輕微腐蝕現象，危險系數取0.1。基本系數是1.00，這樣，特殊工藝危險系數F2=1.00+0.2+0.5+0.3+0.2+0.81+0.1+0.1=3.21。

所以，LNG儲罐的單元危險系數F3為F3=F1×F2=2.35×3.21=7.54。

3）確定火災、爆炸危險指數。火災、爆炸危險指數是單元危險系數F3和物質系數MF的乘積，為158。

4）確定安全措施補償系數 （C）：①工藝控制（C1）。因有緊急截斷裝置ESD系統，補償系數取0.98；設置了計算機控制系統，補償系數取0.93；有操作法、工藝技術規程等，補償系數取0.95。故C1=0.98×0.93×0.95≈0.87。②危險物質隔離（C2）。設有安全閥，補償系數取0.98，故C2=0.98。③防火設施（C3）。因有泄漏檢測裝置，補償系數可取0.98；配有消防系統，補償系數取0.97。故C3=0.98×0.97≈0.95。

所以，C=C1×C2×C3=0.87×0.98×0.95≈0.81。

5）計算剩余火災、爆炸危險指數F&EI為158×0.81=128。

由表3可以得出結論：LNG儲罐的危險等級很大，對應后果嚴重度等級為4級。

3.3 應用FTA計算事故發生概率

LNG儲罐“壓力過高”可能導致儲罐超壓爆炸，建立LNG儲罐超壓爆炸的事故樹如圖1，表5為該事故樹對應的各事件代碼的意義。

圖1 LNG儲罐超壓爆炸事故樹

3.3.1 結構重要度分析

利用布爾代數法化簡得圖1事故樹的最小割集有以下 10 個：｛X6,X7,X8,X1｝、｛X9,X1｝、｛X10,X1｝、｛X3,X1｝、 ｛X11,X1｝、 ｛X12,X1｝、 ｛X13,X1｝、 ｛X2,X1｝、 ｛X4,X1｝、｛X5,X1｝。根據結構重要度近似計算公式

式中：Iφ(i)為第i個基本事件的結構重要度系數；xi為基本事件，i=1，2，…;nj為第i個基本事件所在xj的基本事件總數；Kj為最小割集；xi∈Kj為第i個基本事件屬于第j個最小割集。計算得各基本事件的結構重要度：

表5 LNG儲罐超壓爆炸事故樹各事件代碼的意義

結構重要度順序為：Iφ(1)＞Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(5)=Iφ(9)=Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(12)=Iφ(13)＞Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(8)。

3.3.2 計算事故發生概率

由圖1知事故樹中不含有重復的基本事件，且各基本事件是相互獨立的，頂事件的發生概率可由圖1事故樹的結構，參考適當的故障率數據庫[11]（參考文獻[11]中故障率數據來源于OREDA和HSE），用下列公式求得：

由表1可得對應的事故發生概率等級為1級。

事故后果嚴重度等級為4級，事故發生概率等級為1級，由典型的5×5風險矩陣得對應的風險等級為Ⅲ，則需要考慮減少風險的措施。由此建立表6所示HAZOP分析表。

以同樣的方法分析其他節點及其余偏差，便可得出LNG加氣站的HAZOP分析記錄表。

4 結論

1）從LNG儲罐“壓力過高”HAZOP分析結果可以看出：量化的HAZOP分析方法能夠定量地分析“壓力過高”這一危害，并提出“根據實際操作壓力更換定壓較低的安全閥、增加超壓排放聯鎖裝置、定期進行設備檢修和更換”等建議措施，從而減少危害或減輕危害可能導致的后果。

表6 以LNG儲罐“壓力過高”為偏差進行HAZOP分析表

2）通過對LNG加氣站的量化HAZOP分析，不僅可以辨識出LNG加氣站存在的潛在危險，根據量化的風險等級，提出相應的保護措施，還可以使LNG加氣站操作人員更加全面深入地了解工藝裝置的性能，提高安全生產水平。

3）在進行LNG儲罐超壓爆炸失效概率計算中引用了OREDA這一國外數據庫的相關失效概率，可能與國內的情況有一定出入，本文僅以此失效概率作為一個參考。

[1]F.P.Lees.Loss Prevention in the Process Industries[M].Burlington：Elsevier Butterworth-Heineman,2005.

[2]劉旭紅，周樂平，趙東風，等．HAZOP分析的量化研究——HAZOP分析與過程模擬相結合[J].石油化工安全環保技術，2009,25(2)：19-22.

[3]魏吳晉，林柏泉，翟成.使用HAZOP分析法對重大事故進行調查分析[J].中國安全科學學報，2006,16(3)：119-124.

[4]彭力，李發新．危害識別與風險評價技術[M]．北京：石油工業出版社，2001.

[5]張雪，王峰，高金吉．計算機輔助HAZOP技術的研究[J].中國安全科學學報，2008,18(2)：171-176.

[6]中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院．HAZOP分析指南[M]．北京：中國石化出版社，2008.

[7]楊仕剛，王三明．HAZOP方法的定量改進措施研究[J].中國安全生產科學技術,2012,8(10)：208-211.

[8]陳國華，馬小明．風險工程學[M]．北京：國防工業出版社，2007.

[9]郭新紀，韓均.加油站埋地儲罐的安全性評價[J].石油庫與加油站，2002,11（6）：37-41.

[10]王霞，沈路寧.LNG汽車加氣站工藝流程[J].煤氣與熱力，2011,31（4）：B08-B10.

[11]Dennis Wilfredo Roldan,Gilberto Francisco Martha de Souza.Risk-Based Analysis of LNG Carriers Loading and Unloading Operations[C].The Twenty-second International Offshore and Polar Engineering Conference,June 17-22,2012：716-724.