量化風險評估技術在南海深水氣田開發工程中的應用

胡忠前， 呂松松， 李忠濤， 王紅紅

(中海油研究總院，北京 100028)

量化風險評估技術在南海深水氣田開發工程中的應用

胡忠前， 呂松松， 李忠濤， 王紅紅

(中海油研究總院，北京 100028)

定量風險分析(QRA)、火災爆炸分析(FEA)和煙氣擴散分析可用于識別和評估海上油氣設施火災、爆炸和人員傷亡、電站鍋爐排煙等重大風險?；谶@些風險評估結果，安全工程師和業主可以確定最低、合理可行的安全措施。對QRA、FEA和煙氣擴散分析方法在南海某深水氣田開發工程中的應用目的、應用過程、達到的效果以及存在的問題加以闡述，介紹了性能化消防安全設計的成功經驗。該研究可為今后其他類似項目的安全分析和設計工作提供借鑒。

定量風險評估；火災；爆炸；最低合理可行

0 引 言

海上油氣生產是一個高風險行業，海上設施重大事故的后果將是災難性的，可能會導致人員傷亡、環境污染和整個開發項目的中斷。因其后果之嚴重，如1988年Piper Alpha事故和2010年深水地平線事故，引發了新聞媒體和公眾對海上油田開發安全的關注和擔憂。因此，海上平臺是否足夠安全，重大事故是否可以預防，多大的風險才是可以接受的，海上油氣工業又如何在安全和油氣生產經濟利益間實現平衡等問題引起了廣泛的關注。定量風險評估[1—3]正是一種可以用來幫助實現這種平衡并回答以上問題的技術。許多國家和石油公司對海上設施的安全設計都有自己的規范和標準，然而這些規范和標準都是指令性的，規定需要采取什么樣的安全措施，而沒有考慮實際項目可能引起危險的頻率和后果。一些業已成熟的安全分析方法，如危險源識別(HAZID)、危險與可操作性分析(HAZOP)，以及一些新的技術，如定量風險分析(QRA)、火災爆炸分析(FEA)、煙氣擴散分析可用于識別和評估海上油氣設施火災、爆炸和人員傷亡、電站鍋爐排煙等重大風險，基于這些風險評估結果，安全工程師和業主可以確定最低的、合理可行的安全措施。在英國和挪威，對新建和已建海上設施強制要求進行風險評價，而在許多其他國家也有類似的要求。在業界內，QRA、 FEA、煙氣擴散分析已被設計公司、作業者和咨詢公司廣泛應用，并對海上生產儲運設施的安全設計和安全管理工作具有理論指導意義。本文著重介紹QRA方法及其在南海某深水氣田開發過程中的應用結論，為今后其他類似項目提供借鑒。

1 定量風險評估

1.1 項目概述

某氣田附近建一個中心平臺A，來自深水的井下物流將被輸送到淺水中心平臺A進行處理。處理后的干氣和脫水凝析油混合物通過一根14英寸(1英寸≈2.54cm)、33.1km的海底管線輸送到中心平臺B，最后送至陸上天然氣終端處理廠。

1.2 評價目的

本文將對深水氣田開發中心平臺A進行定量風險分析，其目的主要是基于中心平臺A的設計進行主要事故危害(MAH)辨識，在此基礎上：

(1) 評價主要事故危害對于生活樓的損壞頻率；

(2) 從個人年度風險(IRPA)及潛在生命損失(PLL)方面評價已辨識的主要事故危害對人員造成的風險；

(3) 評估排煙的影響；

(4) 評估火災爆炸風險是否可以接受，并提出建議措施。

1.3 評價流程

圖1是英國安全狀態的標準流程，其中，定量風險評估是其核心內容，主要包括識別重大事故危險的影響，評估風險并與標準比較，識別風險減緩措施以滿足最低合理可行(ALARP)的要求。

圖1 安全狀態Fig.1 Safety case

1.4 危險源辨識

某深水氣田中心平臺QRA分析中識別出的危險源如下： 工藝烴類泄漏、立管/海底管線烴類泄漏、非工藝烴類火災(甲醇、柴油、直升機燃油)、其他火災(住所、主發電機渦輪及應急發電機火災)、船舶碰撞、結構失效(包括極端天氣、地震和結構自身缺陷)、直升機墜落(對平臺及平臺上人員的影響)、運輸事故(直升機乘客的影響)和職業事故。

1.5 風險接受標準

根據已經辨識的危險源，生活樓(LQ)布置是否適合主要是通過LQ的完整性來表示。在本次QRA中，生活樓損害的可接受標準為： LQ在60min內損壞頻率不超過1.0×10-3a-1。

個人年度風險(IRPA)是任何特定工種的個人發生死亡的年度頻率。個人風險標準是為了確保平臺上的人員不暴露于過度的風險水平下。英國采用1.0×10-3a-1作為IRPA的最大可接受標準。這一數值也用作本次QRA分析的個人風險的最大可接受標準。

潛在可能的生命損失(PLL)指的是社會或者特定群體的風險尺度，常用在成本效益分析中，用來評價補救措施，或在項目的設計階段用于方案的比較選擇。PLL沒有特定的可接受標準。

根據英國健康與安全執行局(HSE)于2003年10月發布的《火災和爆炸導則—第1部分： 避免和減緩爆炸》[4]中第5.9.2節規定： 通常認為超壓逾越概率為10-4～10-5a-1是合理、可接受的。對于直接沖擊LQ的爆炸事件，其超壓逾越概率目標值10-5a-1被認為是合理的，當用屏障或防爆墻把LQ和工藝區隔離開的時候，這個屏障或防爆墻能抵抗住爆炸載荷，且其損害概率要小于一個事件(在工藝區的爆炸，逾越概率是10-4數量級)逾越概率目標值的10%。因此在本次研究中，各區域的可接受超壓逾越概率標準如下： 上層甲板的可接受逾越概率是10-5a-1，其他甲板的可接受逾越概率是10-4a-1。對于火災風險，可接受的標準為10-4a-1。

對于煙氣擴散分析，根據CAP 437標準[5]，在直升機起降的飛行區域附近，在3s的時間間隔內，溫度升高不能超過2℃，對于直升機起降受影響的概率值沒有可供參考的接受標準。

1.6 風險評價模型

本次風險評價通過一套完整的Excel表格來進行。這套表格由挪威船級社(DNV)開發，專門用來對海上設施的所有相關危險源進行分析評價。這套軟件名為SOQRATES (Standardised Offshore Quantitative Risk Analysis Total Evaluation System)[6-7]，包含了一系列的Excel 表格，對海上設施各個方面的風險進行計算并整合計算結果，得出該平臺的整體風險結果。支撐這套系統的還包括各種專業技術軟件包，涵蓋了烴類泄漏頻率分析(LEAK)、泄漏分析(PHAST)、氣體擴散分析(PHAST、FLACS)、火災模擬(PHAST)以及爆炸模擬(FLACS和ThorExpressLite)。SOQRATES 軟件可以對設計及操作模式的變更所產生的不同風險進行快速的評價。軟件將數據信息收集到一個單獨的電子數據表格中，并通過Excel內的VB宏來控制運算的執行，生成風險結果匯總。

1.7 風險評價中的不確定性

在風險評價過程中存在一些不確定源。下面列出的是在本次中心平臺A QRA評價中存在的一些不確定性。

(1) 數據源的統計不確定性： 中心平臺的風險計算用的是工業領域內基礎事件泄漏頻率數據庫。該數據庫反映的是很長一個時期里的業內經驗值。然而，海上系統不是為預防災難性失效而設計的，失效數據的樣本通常比較小，因此導致了一定程度的不確定性。

(2) 應用于中心平臺的數據源及模型： 本次評價中所用到的數據源選自北海海洋及海岸經驗。總體上，中心平臺辨識出的危險源與其他提供相似服務的設施一樣，所引用的已有數據庫代表最佳實踐。這些實踐具有很廣的經驗基礎，適合用來評價這些危險源。

(3) 爆炸分析包含了爆炸超壓逾越曲線的生成，并用于隨后對中心平臺設施各個部位的失效概率及死亡率的預測。為了簡化過程，對一給定的工藝區域的每個泄漏模式(工藝或立管)都只生成了代表性的曲線。用于生成這些曲線的代表性泄漏事件的選取是基于該組中最糟泄漏工況的評估而定的，通常是氣體容量最大的事件。這也就意味著許多的事件共享同一套3個(小、中、大)逾越曲線，該曲線為該組中最糟工況的模擬后果。

(4) 爆炸分析預測了生產模塊中的超壓爆炸可能性。這種爆炸沖破生產模塊邊界，延伸至相鄰區域，并導致定義中后果的可能性非常不確定。模擬這些后果的規則都是基于工程判斷。過度保守的假設前提導致很高的LQ損壞頻率。在風險評價模型中，很多其他區域及假設中使用了工程判斷值，存在著很大的不確定性。在出現不確定性的時候，采用了保守方法(即最糟工況)，繼而也將影響計算出來的風險結果。

2 風險評估結果

2.1 生活樓損壞頻率

整體的LQ損壞頻率為4.284×10-4a-1，低于1.0×10-3a-1的可接受標準。詳細結果如表1所示，其中92.83%的頻率來自生產模塊內的火災、爆炸。巨大的模塊容量、相對高的設施密集度及空間受限度是主要的風險貢獻因子。

2.2 死亡風險

(1) 平臺的整體PLL最大約為4.76×10-2死亡每年，相當于每21年發生一例死亡。如表2所示，導致PLL死亡風險的主要因素有： 工藝烴類事件(23.41%)、船舶碰撞(29.25%)、職業事故(32.22%)及其他火災(10.50%)。

表1 生活樓損壞頻率

(2) 個人風險分析結果如表3所示。對于暴露最多的工種(生產操作)，其IRPA值最大為7.36×10-4a-1；而對于暴露最少的工種(管理/行政人員)，IRPA值為3.09×10-4a-1。平臺上所有類別的人員IRPA值均低于最大可接受范圍1.0×10-3a-1。

表2 PLL分布表

表3 不同作業人員的PLL值

(續表)

2.3 煙氣擴散

平臺上排放煙氣的設備有渦輪發電機、濕氣壓縮機、熱介質鍋爐和鉆井發電機，單獨運行工況和組合工況分析結果(見表4)顯示： 排煙對直升機起降的影響概率較小，最大為鉆機模塊與鍋爐同時運行，同時運行時的影響概率約為5.04%(約18天)，可通過調整鉆井作業窗口期消除此影響。

表4 排煙對直升機影響

2.4 火災爆炸分析結論

(1) 爆炸分析結果如表5所示。根據前述參照標準，建議上層甲板、中層甲板、下層甲板、工作甲板的防火/爆墻的抗壓值分別為63.5, 72.0, 26.8, 25.3kPa。

表5 各層甲板不同頻率下的超壓值

(2) 關于被動防火(PFP)。火災分析結果如表6所示，對于頻率超過10-4a-1的噴射火事件，需要考慮被動防火措施，綜合考慮噴射火持續時間，建議受噴射火影響的區域結構，如立柱、梁、設備支撐、立管(包括立管應急關斷閥)、危險區臍帶纜護管采取防噴射火15min的被動防火措施。

表6 火災分析結果

3 結 語

本文通過介紹QRA、 FEA和煙氣擴散分析技術在某深水氣田開發工程中的應用，得出以下結論：

(1) QRA分析結果顯示平臺作業人員風險和生活樓損害風險處在可以接受的區間。

(2) 煙氣擴散分析結果顯示排煙對直升機起降的影響概率較低，可以通過調整鉆井作業窗口，進一步降低影響概率。

(3) FEA分析確定了平臺關鍵設施(如防爆墻、結構立柱、梁等)的被動防火防爆等級要求。

[1] Spouge J.A guide to quantitative risk assessment for offshore installations [M]. Oslo： Centre for Marine Petroleum Technology, 1999.

[2] UK Health and Safety Executive. The offshore installations (safety case) regulations [S]. 2005.

[3] UK Health and Safety Executive. Offshore installations (prevention of fire and explosion, and emergency response) regulations [S]. 1997.

[4] UK Health and Safety Executive. Fire and explosion guidance, part 1： avoidance and mitigation of explosions [S]. 2003.

[5] Safety Regulation Group. CAP 437. Offshore helicopter landing areas-guidance on standards [S]. 2013.

[6] 中海油研究總院,挪威船級社.某氣田定量風險評估[R].2011.

CNOOC Research Institute, Det Norske Veritas. A gas field guantitative risk assessment [R].2011.

[7] 中海油研究總院,挪威船級社.某中心平臺火災爆炸分析[R].2011.

CNOOC Research Institute, Det Norske Veritas. A central platform fire and explosion analysis [R].2011.

ApplicationofQuantifiedRiskAssessmentTechnologyintheDevelopmentofDeepwaterGasFieldintheSouthChinaSea

HU Zhong-qian, Lü Song-song, LI Zhong-tao, WANG Hong-hong

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Quantified risk analysis (QRA), fire and explosion analysis (FEA) and exhaust gas dispersion analysis are gradually widespreadly used to identify and evaluate the leakage, dispersion, fire and explosion risk of oil and gas and fatality risk of personnel on offshore facilities. Based on these studies, the safety engineer and owner can make decision and determine appropriate safety critical elements (SCE) required for the hazard. We review the successful application experience of QRA, FEA and exhaust gas dispersion analysis in the basic design phase of offshore gas field development project. For platform A in the South China Sea, the application objective and status, the effect achieved, and the existing problems are described. Especially, feasible safety solutions such as passive fire protection material and blast wall are introduced. This research can provide reference for other similar projects.

quantified risk assessment; fire; explosion; as low as reasonable practicable (ALARP)

TE58

A

2095-7297(2017)04-0193-06

2017-03-30

胡忠前(1982—)，男，碩士，主要從事油氣田開發安全評價工作。