基于PHA-LEC法的LNG冷能梯級利用方案風險分析

李云云 李云飛

1.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司,河北 任丘 062552;2.陜西邦希化工有限公司,陜西 西安 710075

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基于PHA-LEC法的LNG冷能梯級利用方案風險分析

李云云1李云飛2

1.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司,河北 任丘 062552;2.陜西邦希化工有限公司,陜西 西安 710075

隨著液化天然氣產業的蓬勃發展,開發LNG冷能梯級利用技術具有巨大的經濟效益,有利于降低LNG使用成本,開拓天然氣下游市場。但是目前對于LNG冷能梯級利用安全性方面的研究相對較少。在繼承前人研究成果的基礎上,以三級梯級利用為例，設計出LNG冷能梯級利用的18種方案。并以LNG冷能用于液化分離空氣工藝為例,首先采用預先危險性分析法對工藝中涉及設備的潛在風險進行定性分析,然后運用作業條件危險性評價法對潛在風險進行定量計算與評價,確定各設備存在的風險等級,提出合理的防范措施和建議,并根據設備危險性分值,進行權重賦值,通過給定的工藝危險性計算公式,得到工藝危險性分值。采用相同方法,給出LNG冷能梯級利用方案危險性計算公式,為各方案的安全性分析提供指導。PHA-LEC法為LNG冷能梯級利用方案安全性分析提供了一種定性和半定量結合的模式,為方案的優化選擇和防范措施的編制提供了科學依據。

LNG;冷能梯級利用;預先危險性分析;作業條件危險性分析;權重

0 前言

LNG作為新型清潔高效的能源,受到世界各國的青睞,由此也帶來了LNG工業的迅速發展。開發LNG冷能梯級利用技術具有巨大經濟效益,有利于降低LNG使用成本,開拓天然氣下游市場。國內對LNG冷能梯級利用的研究很多,徐文東等人[1]提出冷能梯級利用思想,并建立了冷能利用效率模型;葛軼群等人[2]利用的概念,從能量和能質匹配的角度,討論LNG冷能的梯級利用,達到合理用能;楊紅昌等人[3]給出了高效的梯級利用方案,并對其進行了效率計算;尤海英等人[4]根據能量和溫位匹配,給出了3種典型的梯級利用方案等。但查閱相關文獻,發現對LNG冷能利用過程中安全問題的研究甚少,僅查閱到焦巍等人[5]進行的《LNG冷能利用方案的本質安全性評價》,焦巍等人將本質安全指標法應用到LNG冷能方案中,對方案流程中涉及的化學本質安全指標和過程本質安全指標進行細分,通過打分法給出其值,確定每一種方案的本質安全值,根據本質安全值的大小,判斷是否進行工藝改良。但是本質安全法在評價過程中數學計算量大,花費時間較長,且結果比較單一,無法反映項目本身的復雜性。因此有必要對其安全性予以關注,尋求更適合LNG冷能梯級利用方案的安全評價方法,使系統安全在運行時處于最優狀態。

1 PHA-LEC法簡介

PHA-LEC法是將系統潛在風險具體到各個工序中,辨識出危險因素,分析發生事故的原因及后果,再通過給定影響危險性的三大因素分值,對其危險性進行定量分析,從而得出各工序發生事故的危險等級的一種方法[6]。該方法的實質是將PHA危險性等級定量化,從而能夠更有針對性地提出行之有效的安全防范措施及建議。

本文通過識別冷能梯級利用工藝各種工序中的危險因素,分析發生事故的原因以及后果,給出其定性評價。然后利用作業條件危險性評價法,通過打分形式對其危險性進行定量分析,從而得出方案中各個危險源的危險等級。最后,結合各個危險源的危險等級,對其進行權重賦值,計算工藝的危險等級。

利用同樣方法,對冷能梯級利用方案中各工藝進行權重賦值,評價各個冷能梯級利用方案的危險等級。

2 LNG冷能梯級利用方案風險分析

2.1 LNG冷能梯級利用方案

LNG冷能應用于任何領域,其基本一環都是在溫差作用下實現冷量的傳遞,LNG冷能利用主要根據各個冷能利用工藝的溫位和能量匹配,對LNG的冷能利用工藝進行初步的梯級利用排序。本文僅以三級梯級利用為例,設計出LNG冷能梯級利用方案共18種,方案匯總見表1。

2.2 工藝潛在風險分析

對LNG冷能梯級利用方案進行危險性分析的目的一方面是確定每一種工藝中相關設備元件的危險性;另一方面可為后續整體工藝危險性評價做準備。本評價擬利用預先危險性分析法對工藝中危險因素的危險性做定性分析,確定其危險等級[7],在此基礎上,利用作業條件危險性分析法給出設備的危險性分值,對各種設備利用均數法進行權重賦值,對各種工藝的危險性進行評價。單個工藝危險性計算方法見式(1)。

權重(λ)是指在評價過程中,對評價對象不同側面的重要程度的定量分配,對各評價因子在總體評價中的作用進行區別對待。本次采用算術均數組合賦權法對工藝中各種危險元素進行權重賦值。權重計算公式見式(2)。

(1)

(2)

式中:Fi為工藝i的危險性,i=1,2,…8;fij為工藝i中某個危險因素j的危險性,j=1,2,…n;n為某一工藝中涉及危險源數目;λij為某一工藝中某一危險源的權重;mj為某一工藝中危險源j的個數。

表1 LNG冷能梯級利用方案匯總

第一級第二級第三級冷能發電低溫粉碎和破碎廢棄物制取液化CO2及干冰油田伴生氣凝液回收冷凍倉庫海水淡化冷凍倉庫海水淡化冷凍倉庫海水淡化輕烴回收低溫粉碎和破碎廢棄物制取液化CO2及干冰油田伴生氣凝液回收冷凍倉庫海水淡化冷凍倉庫海水淡化冷凍倉庫海水淡化液化分離空氣低溫粉碎和破碎廢棄物制取液化CO2及干冰油田伴生氣凝液回收冷凍倉庫海水淡化冷凍倉庫海水淡化冷凍倉庫海水淡化

本文以LNG冷能用于液化分離空氣工藝為例,闡述PHA-LEC方法的使用。通過識別工藝中可能存在的危險因素、事故的觸發條件,對各危險因素的危險性進行打分,見表2。

由表2[8-19]可見,在液化分離空氣工藝中,立式儲罐的危險性等級為極其危險;空氣壓縮機、壓縮機、板式換熱器的危險性等級為高度危險;加熱器、空氣凈化器的危險性等級為顯著危險;空氣過濾器、分餾塔的危險性等級為稍有危險。根據其危險性數值,進行權重賦值,利用式(1)對該工藝危險性計算如下:

F=18×0.035+252×0.15×2+150×0.09+

126×0.07+180×0.1+3×0.005+

540×0.4=332.565

利用同種方法,給出其他工藝的危險性分值,見表3。

由此,得到各種LNG冷能利用工藝的危險性排序為:冷凍倉庫與空調系統>液化分離空氣>冷能發電>油田伴生氣凝液回收>制取液化CO2及干冰>海水淡化>輕烴回收>廢舊橡膠低溫粉碎。

表2 LNG用于液化分離空氣工藝的PHA-LEC分析

設備危險因素觸發條件事故后果分數值LECD值危險等級權重(λ)安全防范措施及建議空氣過濾器外殼發生變化空氣過濾器所承受的壓力大于自身所能承受的壓力;過濾器濾芯堵塞過濾芯故障過濾器膨脹或壓扁財產損失36118稍有危險0.035選擇適宜類型的過濾器;做好濾芯的檢測工作更換優質的過濾器空氣壓縮機軸承溫度高油壓高,進油量少;潤滑油進油溫度高;潤滑油質量不好;軸承合金磨損振動值增大機組對中破壞;轉子動平衡破壞;軸承間隙過大;轉子連接件松動;地腳螺栓松動;操作不平穩,造成氣體脈動;聯軸器磨損;葉輪破損;空氣中含水量過高;葉片結垢嚴重;管線附加應力作用;齒輪磨損嚴重出口風量降低密封間隙過大;靜密封點泄漏;進氣管道上的氣體除塵器堵塞;風溫過高;入口過濾網堵塞出口風溫高冷卻水量不足;冷卻管破裂或松動;冷卻管內、外表面積垢異常聲響回轉體與殼體摩擦;機械破損;齒輪嚙合不好;振動過大;氣體脈動,渦流;壓縮機喘振軸承漏油油封、油擋間隙大;齒輪箱內壓力增大財產損失,人員傷亡667252高度危險0.15調節油壓,檢查入口管節流閥是否阻塞;檢查油泵是否損壞;調整或更換潤滑油;調節油冷卻器的冷卻水量或水溫,清洗油冷器;更換軸承重新對中找正;重新校正動平衡;調整軸承間隙;把緊連接件;把緊螺栓;穩定操作到正常工況;更換聯軸器;更換轉子組件;檢查級間冷卻器及干燥器的排水管;消除葉輪灰塵積垢;更換轉子;在適當位置安裝管座或膨脹節調整密封間隙;查出泄漏點并處理;清掃氣體除塵器;更換過濾網;加大冷卻水流量,降低風溫加大冷卻水量;堵塞裂管或緊松管;清洗管束找出摩擦部位進行處理,必要時停機調整間隙;更換破損件;穩定操作工況;重新調整中心距、嚙合間隙及齒面接觸;檢查入口過濾系統、級間冷卻器、操作控制系統調整間隙為規定值;檢查排煙風機、管道及潤滑油箱加熱器加熱溫度達不到設計要求接點電阻過大;儀表失準;電熱元件老化或損壞電加熱器漏氣殼體有裂紋;密封不好漏電接地不良;接地不正確;絕緣不良或損壞加熱器跳閘負荷電纜或控制電纜接地;控制元器件故障加熱器無法起動溫度接點、開關接觸不良;控制電路的有關元器件出現故障財產損失,人員傷亡11015150顯著危險0.09處理或更換接點;調校或更換儀表;更換電熱元件管補焊或更換;旋緊端蓋螺母或更換密封墊重新接地;正確接線;絕緣處理消除電纜接地故障;更換故障的油罐元器件更換開關;檢查、更換出故障的油罐元器件空氣凈化器不產生負離子部件損壞輸出的負離子濃度低電極上可能會積滿塵垢或嚴重氧化;電極片彎曲變形能產生負離子,循環風機不轉空氣凈化器進風口無吸風現象,污濁空氣無法清潔過濾極間打火正、負極片間有塵垢;電極距離太近噪聲大扇葉碰壁,固定螺釘松動,風葉不平衡,風機軸有掃堂現象;風機轉速過快財產損失367126顯著危險0.07更換及時清理灰垢和氧化物;用鑷子對彎曲的極片進行調整,使正、負極極片間距均勻檢查其接線是否良好,如果電機損壞,則應用同規格的電機更換及時清理灰垢和氧化物;用鑷子對彎曲的極片進行調整,使正、負極極片間距均勻檢查扇葉是否碰壁,固定螺釘是否松動,觀察風葉是否平衡,風機軸是否有掃堂現象,并排除;在電源與風機間串接電容降壓

表3 LNG冷能梯級利用工藝危險性分值表

LNG冷能梯級利用工藝危險性分值冷能發電174輕烴回收153.86油田伴生氣凝液回收173.4液化分離空氣183制取液化CO2及干冰170.07冷凍倉庫與空調系統262.8廢舊橡膠低溫粉碎152.28海水淡化156.87

2.3 方案潛在危險分析

根據上面的工藝危險性等級,結合冷能梯級利用方案,對方案中每種工藝按照均數法進行權重賦值[20],得到每種方案的危險性計算公式:

Fi=∑fjλij

(3)

其中:

(4)

式中:Fi為方案i的危險性,i=1,2,…18;fij為方案i中涉及的工藝j的危險性;j為工藝代碼,j=1,2,…8;λij為方案i中j工藝的權重。

同法,利用式(3)、(4)得到LNG冷能梯級利用方案的危險性分值表4。

由此,得到各個冷能梯級利用方案的危險性排序為:

P 11>P 1>P 7>P 9>P 5>P 12>P 6>P 2>P 4>P 3>P 13>P 18>P 10>P 14>P 15>P 8>P 17>P 16

2.4 討論

由上面的計算可得,在8種冷能梯級利用工藝中,LNG用于廢舊橡膠低溫粉碎工藝較其他工藝而言危險性較低,屬于顯著危險[21];用于冷凍倉庫與空調系統工藝危險性最高,屬于高度危險[22]。

在18種冷能梯級利用方案中,風險最小的方案是第一梯級用于輕烴回收,第二梯級用于低溫粉碎,第三梯級用于海水淡化。風險最大的方案是第一梯級用于冷能發電,第二梯級用于低溫粉碎,第三梯級用于冷凍倉庫與空調系統。原因在于在這種梯級利用方案中,對于用于冷凍倉庫和空調系統和用于冷能發電工藝的危險性特別高,因此,進行權重賦值時,占的比重也相對較大,使得總體方案的危險性增高。

表4 LNG冷能梯級利用方案危險性分值表

方案序號方案P權重第一梯級第二梯級第三梯級第一梯級第二梯級第三梯級危險性分值危險程度P1液化分離空氣制取液化CO2及干冰冷凍倉庫0.30.250.45215.67高度危險P2液化分離空氣制取液化CO2及干冰油田伴生氣凝液回收0.40.250.35176.40高度危險P3液化分離空氣低溫粉碎冷凍倉庫0.3540.20.446172.57高度危險P4液化分離空氣低溫粉碎油田伴生氣凝液回收0.4550.210.335173.33高度危險P5輕烴回收制取液化CO2及干冰冷凍倉庫0.250.30.45207.74高度危險P6輕烴回收制取液化CO2及干冰油田伴生氣凝液回收0.340.370.39182.86高度危險P7輕烴回收低溫粉碎冷凍倉庫0.240.210.55213.44高度危險P8輕烴回收低溫粉碎油田伴生氣凝液回收0.30.240.46162.47高度危險P9冷能發電制取液化CO2及干冰冷凍倉庫0.380.190.43211.43高度危險P10冷能發電制取液化CO2及干冰油田伴生氣凝液回收0.460.210.33167.77高度危險P11冷能發電低溫粉碎冷凍倉庫0.390.260.45225.71高度危險P12冷能發電低溫粉碎油田伴生氣凝液回收0.440.290.37184.87高度危險P13液化分離空氣制取液化CO2及干冰海水淡化0.420.320.26172.06高度危險P14液化分離空氣低溫粉碎海水淡化0.450.280.27167.34高度危險P15冷能發電低溫粉碎海水淡化0.430.290.28162.90高度危險P16輕烴回收低溫粉碎海水淡化0.330.310.36160.45顯著危險P17輕烴回收制取液化CO2及干冰海水淡化0.30.380.32160.98高度危險P18冷能發電制取液化CO2及干冰海水淡化0.390.370.24168.43高度危險

3 結論

通過應用PHA-LEC法分別對18種LNG冷能梯級利用方案進行評價,可得出以下結論：

1)LNG冷能梯級利用方案中存在的主要危害有易燃、易爆、高壓、易故障等,幾乎所有方案的危險性值均在160以上,危險性為高度危險,說明LNG冷能梯級利用過程的安全性較低,需針對主要危害進行改良。

2)方案P 16(輕烴回收→低溫粉碎→海水淡化)與其他方案比較,危險性較低,表明方案P 16的安全性最高,主要原因是單個工藝危險性相對均較低,在進行方案選擇時,可優先選取。

3)方案P 11(冷能發電→低溫粉碎→冷凍倉庫與空調系統)與其他方案相比,危險性最高,需慎重選取。主要原因是方案中冷能用于冷凍倉庫和發電的危險性均高,使得整體危險性數值大。

[1] 徐文東,高麗榮,王小伍,等.液化天然氣冷能梯級集成利用技術研究[J].現代化工,2007,27(4):11-13.

Xu Wendong,Gao Lirong,Wang Xiaowu,et al.Cascade Integrated Utilization and Application of LNG Cold Energy [J].Modern Chemical Engineering,2007,27(4):11-13.

[2] 葛軼群,張學來,趙 蘭,等.LNG冷能的梯級利用[J].制冷技術,2006,(3):14-16.

Ge Yiqun,Zhang Xuelai,Zhao Lan,et al.Cascade Utilization of LNG Cold Energy [J].Refrigeration Technology,2006,(3):14-16.

[3] 楊紅昌,鹿院衛,馬重芳,等.LNG冷能梯級利用系統優化研究[J].可再生能源,2011,29(1):72-76.

Yang Hongchang,Lu Yuanwei,Ma Chongfang,et al.Optimization Study on the Cascade Utilization of LNG Cold Energy [J].Renewable Energy,2011,29(1):72-76.

[4] 尤海英,馬國光,黃 孟,等.LNG冷能梯級利用方案[J].天然氣技術,2007,1(4):65-66.

You Haiying,Ma Guoguang,Huang Meng,et al.LNG Cold Energy Cascade Utilization[J].Natural Gas Technology,2007,1(4):65-66.

[5] 焦 巍,夏 力,李忠杰,等.LNG冷能利用方案的本質安全性評價[J].計算機與應用化學,2010,27(1):23-27.

Jiao Wei,Xia Li,Li Zhongjie,et al.Inherent Safety Assessment of Schemes for Recycling LNG Cold Energy [J].Computers and Applied Chemistry,2010,27(1):23-27.

[6] 陳利瓊.油氣儲運安全技術與管理[M].北京:石油工業出版社,2012:8.

Chen Liqiong.Safety Technology and Management of Oil and Gas Storage and Transportation [M].Beijing:Petroleum Industry Press,2012:8.

[7] 邵 輝.系統安全工程[M].北京:石油工業出版社,2008:5.

Shao Hui.System Safety Engineering [M].Beijing:Petroleum Industry Press,2008:5.

[8] 朱以剛.石油化工廠設備運行安全必讀[M].北京:中國石化出版社,2009.

Zhu Yigang.Must-Read of Oil Refinery Equipment Operation Safety [M].Beijing:China Petrochemical Press,2009.

[9] 胡安定.石油化工廠設備常見故障處理手冊[M].北京:中國石化出版社,2005.Hu Anding.Common Troubleshooting Manual of Oil Chemical Plant Equipment[M].Beijing:China Petrochemical Press,2005.

[10] 楊啟明,馬延霞,王維斌,等.石油化工設備安全管理[M].北京:化學工業出版社,2008:2.

Yang Qiming,Ma Yanxia,Wang Weibin,et al.Petrochemical Equipment Safety Management [M].Beijing:Chemical Industry Press,2008:2.

[11] 趙小華.空氣凈化器常見故障的檢修[J].家電檢修技術,2000,(5):34.

Zhao Xiaohua.Maintenance of Common Failures of the Air Purifier[J].Home Appliance Maintenance Technology,2000,(5):34.

[12] 鄭華輝.煉油分餾塔故障分析與排除方法[J].化學工程與裝備,2009,(1):76-78.

Zheng Huahui.Failure Analysis and Elimination Method of the Refinery Fractionating Column [J].Chemical Engineering & Equipment,2009,(1):76-78.

[13] 王竹筠.液化天然氣(LNG)冷能回收及應用研究[D].大慶:大慶石油學院，2010.

Wang Zhujun.Study on Recovery and Application of Cold Energy of Liquefied Natural Gas [D].Daqing:Daqing Petroleum Institute,2010.

[14] 楊東華.熱工問題的分析[J].工程熱物理學報,1981，2(1):1-6.

Yang Donghua.Analysis of Thermal Energy Problems [J].Journal of Engineering Thermophysics,1981， 2(1):1-6.

[15] 張德勝.甲醇精餾主塔再沸器內漏問題探討[J].石油和化工設備，2006，9(4):32-33.

Zhang Desheng.The Discuss on the Leak of the Chief Carbinol Rectify Tower [J].Petro & Chemical Equipment,2006,9(4):32-33.

[16] 王春利.氮氣壓縮機常見故障與排除[J].機電信息，2011,(18):84-85.

Wang Chunli.Common Faults and Faults Removal of Nitrogen Compressor [J].Mechanical and Electrical Information,2011,(18):84-85.

[17] 盧和理,周關榮.配“150”空分設備的預冷器故障與處理[J].杭氧科技，1997,(1):45-46.

Lu Heli,Zhou Guanrong.Malfunction and Treatment of the Air Separation Equipment with “150” [J].Science & Technology in Hangyang,1997,(1):45-46.

[18] 王寶龍,李先庭,呂先志,等.盤管式外融冰槽融冰過程試驗研究(Ⅰ)——取冷特性[J].太陽能學報,2003，24(5):611-614.

Wang Baolong,Li Xianting,Lü Xianzhi,et al.Experimental Study on Discharge Process of External-Melt Ice-on-Coil Tank Part(Ⅰ) Discharge Characteristics [J].ACTA Energiae Solaris Sinica,2003， 24(5):611-614.

[19] 邵予坤.冷凝蒸發器故障分析及處理[J].深冷技術，1994，(3):39-40.

Shao Yukun.Malfunction Analysis and Treatment of Condenser Evaporator [J].Cryogenic Technology,1994,(3):39-40.

[20] 王興畏，伍勁濤，張玉梅.CNG地下儲氣井模糊層次分析法安全評價模型[J].煤氣與熱力，2013,33(1):B01-B04.

Wang Xingwei,Wu Jintao,Zhang Yumei.Safety Assessment Model of CNG Underground Gas Storage Well Based on Fuzzy Analytic Hierarchy Process [J].Gas & Heat,2013,33(1):B01-B04.

[21] 張海波，宋衛東.基于模糊-層次分析理論的復雜采空區危險性分析[J].黃金，2013，34(12):28-31.

Zhang Haibo,Song Weidong.Analysis on the Risk of Mined out Area Based on Fuzzy Evaluation and Analytic Hierarchy Process [J].Gold,2013， 34(12):28-31.

[22] 吳 軍，董 星，方 強,等.基于三角模糊數層次分析法的武器系統效能評估研究[J].中國機械工程，2013,24(11):1442-1446.

Wu Jun,Dong Xing,Fang Qiang,et al.A Novel Effectiveness Assessment Method of Weapon System Based on Triangular Fuzzy Number Analytic Hierarchy Process [J].China Mechanical Engineering,2013,24(11):1442-1446.

2016-04-14

中國石油科技創新基金研究項目(2012 D-5006-0602)

李云云(1989-)，女，陜西渭南人，碩士，主要從事給排水與消防的研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.009