長輸管道壓氣站定量風險評價

朱喜平 張來斌 梁偉 中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院

長輸管道壓氣站定量風險評價

朱喜平 張來斌 梁偉 中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院

壓氣站天然氣泄漏導致的常見后果為閃火和蒸汽云爆炸，導致火災、爆炸等事故的根源是設備及輸氣管道的泄漏。蒸汽云爆炸沖擊波超壓模型可以計算出沖擊波造成的死亡區、重傷區、輕傷區的傷害半徑；熱輻射對人體的傷害可通過噴射火熱輻射通量對人體造成的損傷程度來衡量，通過模型可以計算出噴射火焰高度和熱輻射死亡區的面積。通過對天然氣壓氣站的失效頻率和失效后果的計算，可確定爆炸發生時產生的蒸汽云沖擊波超壓或噴射火熱輻射在某一指定位置的發生概率和危害程度。

壓氣站；定量風險評價；蒸汽云爆炸；噴射火；模型

1 危險辨識與分析

危險辨識是進行定量風險評價（QRA）的關鍵步驟，QRA分析首先要辨識出潛在的危險源及其可能導致的后果。

長輸管道壓氣站輸送的介質為天然氣，由于天然氣具有可燃性和易爆炸性，是引發壓氣站火災、爆炸的主要危險物質。天然氣引發火災、爆炸事故的原因有設計缺陷、設備老化、操作失誤、管理不善、自然災害和周邊環境等。但大多數情況火災爆炸事故的直接原因是由于天然氣的泄漏。因此，在對壓氣站進行評價時，應針對系統不同的工藝單元的泄漏發生頻率、泄漏速度對應的危害后果進行分析和計算。

壓氣站天然氣泄漏導致的常見后果為閃火和蒸汽云爆炸（簡稱“VCE”）。如果人員被閃火火焰所吞沒，致死率將很高。發生蒸汽云爆炸時對人員可造成如下傷害：可能被爆炸沖擊波震向地面、墻壁和設備；由于突發性的壓力改變，導致內部傷害；被爆炸沖擊波所產生及震飛的碎片所傷害；被坍塌的建筑物所傷害。

2 事故概率計算

壓氣站導致火災、爆炸等事故的根源是設備及輸氣管道的泄漏。目前，國內外大多數QRA評價中泄漏概率的計算都是部分或完全參考歷史統計數據，這些數據來源于當今世界各大權威機構的統計數據庫。

按照壓氣站設備設施上泄漏孔徑的大小，將泄漏情景分為小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏和全管徑破裂。壓氣站內管道的不同孔徑泄漏的概率可按式（1）計算。

式中Fs為設定設備設施的泄漏概率（次/年）；D為設備或管道的直徑（mm）；d為設定泄漏孔徑的直徑（mm）。

3 失效后果計算

式中A為蒸汽云的TNT當量系數，取值范圍0.02～14.9%，這個范圍的中值是3%～4%，取4%；WTNT為蒸汽云的TNT當量（kg）；Wf為蒸汽云中燃料的總質量（kg）；Qf為燃料的燃燒熱（MJ/kg）；QTNT為TNT的爆熱，4.12～4.69 MJ/kg，取4 520 kJ/kg。

蒸汽云爆炸的死亡半徑按式（3）計算。

根據壓氣站常見事故后果類型，選取以下兩種模型對該站進行分析：蒸汽云爆炸沖擊波超壓模型可以計算出沖擊波造成的死亡區、重傷區、輕傷區的傷害半徑；熱輻射對人體的傷害可通過噴射火熱輻射通量對人體造成的損傷程度來衡量，通過模型可以計算出噴射火焰高度和熱輻射死亡區的面積。

3.1 蒸汽云爆炸的沖擊波超壓計算模型

蒸汽云爆炸的超壓使用TNT當量法進行計算。TNT當量可用式（2）估算。

式中WTNT為爆源的TNT當量（kg）。

按式（4）、（5）、（6）計算沖擊波超壓ΔpS。

式中R為目標到爆源的水平距離（m）；p0為環境壓力（Pa）；E為爆源總能量（J/kg）。

對該壓氣站進行蒸汽云爆炸傷亡后果的計算，計算結果見表1。

表1 主要危險源所在工藝單元事故后果計算m

3.2 噴射火災危害范圍評價模型

3.2.1 噴射火焰高度

出現大孔洞泄漏時，甲烷噴射火與其氣體運動雷諾數存在的量化關系，如式（7）。

式中H為火焰長度（m）；D為噴孔直徑（m）；A′為系數，甲烷取21；v為噴射火焰端部氣體的速度，v（m/s）；g為重力加速度，9.8m/s2。

3.2.2 熱輻射計算

采用噴射擴散模式計算噴射火焰的熱輻射。設噴射火焰為一系列由沿噴射中心線分布且輻射出相等熱量的輻射源組成，則火焰中p點的輻射通量為

式中qp為點源輻射熱通量（W）；η為燃燒效率因子，噴射火取0.35；HC為燃燒熱，天然氣取5×104kJ/kg；Xg為發射率，噴射火取0.2；r1為距火源的水平距離（m）。

假設該站分輸出站區某段管道輸氣壓力為4.0MPa，管徑508mm，溫度20℃，孔口直徑300mm，泄漏時間為60 s，應用上述模型對事故后果危害范圍進行定量分析，噴射火焰高度為198.98 m，熱輻射死亡區面積12156 m2。

4 個人風險值

通過對天然氣壓氣站的失效頻率和失效后果的計算，確定爆炸發生時產生的蒸汽云沖擊波超壓或噴射火熱輻射在某一指定位置的發生概率和危害程度。指定程度的沖擊超壓、熱輻射通量可轉換為導致傷亡可能性的條件概率，將傷害程度和死亡可能性聯系起來，得到個體承受指定程度的沖擊超壓、熱輻射通量的死亡概率，即個人風險值。

重大危險源在網格單元（x，y）處產生的個人風險計算公式見式（10）。

式中R（x,y）為重大危險源在網格單元（x,y）處產生的個人風險總值；Fs為泄漏事件S的年發生頻率，當泄漏頻率很小時（如1×10-3/a），設備失效分布假設適用于指數分布的情況下，一定時間內的泄漏事件概率和泄漏頻率基本相同；Pm為天氣等級出現的概率；Pφ為風向?出現的概率；Pi為點火源i的點火概率；Ps(x,y)為后果在網格單元（x,y）處導致的死亡概率；S為危險源泄漏事件數；M為天氣等級數；?為風向數；I為點火源數。

通過計算每一個地理位置發生死亡事故的頻率，將有相同死亡頻率的點在相應的位置標出并連接成線，即形成個人風險等值線。QRA個人風險值的計算和等值線的繪制部分主要集中在定量分析軟件的開發上，本文個人風險值計算結果也是在軟件計算的基礎上得到的。從該壓氣站的平均個人風險來看，站場主要工藝單元的個人風險值均符合國外主要工作場所最大允許風險值為10-5的規定，屬于可以忽略的風險。壓縮機房、收發球筒、排污池等單元個人風險值偏高，建議作為日常管理的重點。

5 結論

將上述定量風險評價的方法應用于長輸管道壓氣站的風險分析和評價，得出以下結論：

（1）壓氣站涉及主要危險物質是天然氣，站場內主要工藝設備設施天然氣泄漏后可能產生的事故是蒸汽云爆炸和閃火。

（2）現有的成熟事故后果模型種類較多，對于天然氣壓氣站事故后果模型的選擇，要在實踐中進行對比、分析，從而篩選適當的模型進行計算。本文的分析中采用了典型事故后果模型且進行數值計算，得到的定量評價結果受主觀因素影響小，評價結果較接近實際。

（3）計算過程充分考慮了危險設備設施的全管徑破裂、大孔泄漏、中孔泄漏、小孔泄漏等事故泄漏的多種情景模式，給出了不同情景模式下人員傷害的區域半徑的計算方法，從而明確后果影響范圍。

（4）個人風險值通常采用軟件計算再進行等值線的繪制，評價結果比較直觀且有實際意義，便于管理者下一步判定風險的可接受性及制定相應的防范措施。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.5.002