液化天然氣項目安全距離探討

楊曉明　劉順劍　楊顏璐　廖　勇

1. 浙江能源天然氣集團有限公司,　浙江　杭州　310052; 2. 中國石油工程建設有限公司西南分公司,　四川　成都　610041; 3. 山西天然氣有限公司,　山西　太原　030006

0　前言

安全距離計算是液化天然氣(LNG)項目建設的一個重要環節,不僅關系到企業本身安全,而且關系到企業周邊居民公共安全和生態環境安全。近幾年來,LNG工業發展過程中出現了很多事故,造成大量經濟損失和環境污染[1]。1944年10月20日,美國東俄亥俄州燃氣公司LNG設施發生爆炸,爆炸范圍波及了克利夫蘭市將近2.58 km2的地區,共造成136人喪生,200輛轎車完全毀壞[2]。2004年1月19日,阿爾及利亞斯基克達LNG提煉廠爆炸,造成27人死亡、72人受傷[3]。2009年2月6日,中國上海洋山深水港LNG接收站工程在進行中間介質氣化器調試過程中發生爆炸事故,導致1人死亡、16人受傷[4]。2013年12月7日,中國榆林市榆陽區上鹽灣鎮一家LNG加氣站,發生LNG泄漏事故,導致4人死亡、3人受傷[5]。

根據相關機構的統計,截至2017年8月我國已建LNG液化廠(站)172座,接收站13座,此外有近60座LNG液化廠(含調峰站)和20座LNG接收站還處于前期建設準備中[6]。因此,參考國外權威的LNG安全標準及其防護距離計算的理念,展開LNG項目安全距離計算方面的研究,提出適合于我國要求的LNG安全距離計算的理念,為進一步完善LNG建設項目安全距離風險評估提供技術服務與支持。

1　國外現狀

20世紀70年代以來,隨著石油化工行業迅猛發展,相繼發生了意大利塞維索工廠環己烷泄漏、墨西哥的墨西哥城液化石油氣爆炸、印度博帕爾農藥廠異氰酸甲酯泄漏等與危險化學品有關的惡性重特大工業事故,發達國家結合自身情況先后修正或制定了更為嚴格的化學品生產安全距離要求措施[7]。

在美國,危險化學品工廠建設不僅要滿足政府部門的要求,還要滿足保險公司定量風險計算的要求。美國對化工廠的環境安全設計主要考慮以下各方面的影響:火災爆炸危險性、電力設計的防爆等級、建筑結構形式、總體布局及設備布置、通風及管道設置等[8]。

在英國,1974年英國弗里克斯巴勒化工廠發生環己烷蒸氣爆炸事故,29人死亡、109人受傷,直接損失700萬美元。英國衛生與安全委員會設立了重大危險咨詢委員會,負責研究重大危險源的辨識、評價技術和控制措施,主要考慮危害范圍、易燃易爆及毒物事故的后果、危害物質的數量以及危害物質存儲方式等因素,并根據這些因素,計算工業設施風險,再轉化為安全距離[9]。

在歐洲,1977年意大利塞維索工廠環己烷泄漏,造成30多人死亡、20余萬人緊急疏散。這一事故促使歐共體于1982年6月發布《工業活動中重大事故危險法令》(《塞維索指令》)。該法令明確提出:各成員國應根據土地使用規劃的政策預防重大事故,減少事故損失:各成員國應確保土地使用規劃的相關政策滿足實際需要,確保危害設施與居民區、公共活動區和特殊敏感或重要區域之間保持適當的安全距離[10];凡擁有重大危險裝置的企業在向政府提交安全報告時,必須運用定量風險評估技術對其擁有的特種設備進行風險評估[11]。

2　國內現狀

目前,國內相關法規初步借鑒了國外的有關條款要求,公布了針對危險化學品安全距離的確定方法主要有“基于風險的”方法、“基于后果的”方法和“通用的”經驗距離三種方法[12-13]。這三種方法的側重點都不一樣,前兩種方法均考慮了事故發生后對人和環境的影響。其中,第一種方法更加全面地考慮了事故發生的可能性,能更加客觀地表征風險,但是步驟繁瑣,結論更適合宏觀判定;而第二種方法確定是可能發生的最大災害,一般安全距離結論較大,不是客觀地體現風險大小。第三種方法依賴以往的運行經驗和相關資料,是一種實用性較好的方法,被絕大多數規范所采納,但在必要時,應根據當地的具體情況并結合第一種、第二種方法來綜合判定。

我國頒布的《安全生產法》和《危險化學品安全管理條例》已從法律、法規層面規定生產經營單位的建設項目要求科學預測評價突發性事件或事故可能引發的風險,提出風險防范和應急措施,確保與周邊單位、居民區、人員密集場所等重要目標和敏感場所之間應保持適當的安全距離。《中華人民共和國城市規劃法》明確規定,各項建設工程的選址、定點不得妨礙城市的發展、危害城市的安全、污染和破壞城市環境、影響城市各項功能的協調。

原安全監管總局第40號令《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》引入了定量風險評價方法來提高重大危險源安全管理決策科學性。該規定提出在一級、二級等級別較高的重大危險源中危險化學品存量較高時,應采用更為先進、嚴格并與國際接軌的定量風險評價的方法進行安全評估,以更好地掌握重大危險源的現實風險水平,采取有效控制措施。通過定量風險評價確定重大危險源的個人和社會風險值,不得超過其規定的個人和社會可容許風險限值標準,超過個人和社會可容許風險限值標準的,危險化學品單位應當采取相應的措施降低風險[14]。

在GB 50016-2014《建筑設計防火規范》中“防火間距”的定義是“防止著火建筑的輻射熱在一定時間內引燃相鄰建筑,且便于消防撲救的間隔距離[15]?！彼栽谝幏吨型ǔＫ姷摹胺阑痖g距”主要是為了避免火勢蔓延而設置,若用防火間距來衡量中毒、爆炸事故的安全距離,明顯是不夠的[15]。因此在GB 50183-2004《石油天然氣工程設計防火規范》(后簡稱GB 50183-2004)中就提出了對LNG工程需進行熱輻射和蒸氣云擴散的后果計算來校核安全間距,并給出了相關邊際條件和判定結果[16]。在SH/T 3160-2009《石油化工控制室抗爆設計規范》中亦對控制室的抗爆設計做出了規定,而設計的依據就要求進行相關的爆炸后果校核或采用通用值并征得業主同意[17]。

而GB/T 22724-2008《液化天然氣設備與安裝陸上裝置設計》(對標EN 1473-2006)中,主要強調以事故后果為主要依據的危險評價[18]。因此在重大LNG項目中,以事故后果為主要依據進行LNG(含天然氣)泄漏的安全距離計算亦具有充分的合理性[19]。

3　工程案例研究

以國內東南沿海地區某在建LNG接收站為研究對象,總平面布置分為LNG儲罐區、LNG氣化區、LNG碼頭及LNG裝車區等。在LNG儲罐區設置4臺20×104m3全包容式儲罐,外罐為混凝土結構,內罐直徑為84.2 m,外罐直徑為88.6 m,儲罐總高52.8 m,在每臺儲罐內安裝3臺LNG低壓輸送泵(單泵流量為190 t/h,揚程295 m,介質溫度-162℃);在LNG氣化區設置有4臺145 t/h的IFV氣化器;在LNG碼頭配置有4臺DN 400卸載臂,1臺DN 400蒸發氣回流臂;LNG裝車區共配置有20個裝車位。

3.1　主要規范對安全距離的要求

LNG接收站設計主要依據的規范包括GB 51156-2015《液化天然氣接收站工程設計規范》(后簡稱“GB 51156-2015”)、GB 50183-2004。

其中GB 51156-2015明確提出防火間距需符合GB 50183-2004相關規定[20]。

而GB 50183-2004則直接規定LNG儲存總容量大于或等于30 000 m3時接收站與居住區、公共福利設施的間距大于500 m,其數據來源自廣東深圳LNG接收終端大鵬半島西岸稱頭角場址選擇數據,但同時在規范中也明確了應校核熱輻射和蒸氣云。

3.2　采用公式進行熱輻射距離校核計算

GB 50183-2004熱輻射距離校核公式參照美國標準NFPA 59 A 《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝運標準》和49 CFR 193 《LNG設施:聯邦安全標準》編制。關于隔離距離的確定,圍堰為矩形且長寬比不大于2時,可用式(1)決定隔離距離:

(1)

式中:d為到圍堰邊沿的距離,m;A為圍堰的面積,m2;F為熱通量校正系數,對于4 000 W/m2為3.5,對于9 000 W/m2為2,對于3 000 0 W/m2為0.8。

該接收站設置的3臺儲罐均為全包容儲罐,攔蓄區即為混凝土外罐,直徑88.6 m,最大尺寸與最小尺寸比等于1;LNG儲罐區、LNG氣化區分別設置有150 m3集液池;LNG裝車區設置有60 m3集液池;相關不同區域熱輻射影響距離計算結果見表1。

表1不同區域熱輻射影響距離計算結果

區域面積/m2兩類熱輻射量影響半徑/mQ=4 kW/m2Q=9 kW/m2LNG儲罐攔蓄區6 163310177LNG儲罐集液池2517.510LNG氣化區集液池2517.510LNG碼頭集液池16148LNG裝車區集液池16148 注:泄漏工況選擇執行GB 50183-2004。

當我們采用規范推薦的手算公式進行校核時,可以得出假設出的最大可能池火災后果對居民影響范圍為直徑177 m,對50人以上居民聚集區影響范圍為直徑310 m,較規范要求值500 m更小。

3.3　采用軟件進行蒸氣云校核計算

根據GB/T 20368-2012《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝運》的設計溢出條件可知:本項目采用了混凝土全容罐,在頂部充裝儲罐,無低于液面排料口情況下,模擬事故的泄漏量為儲罐排料泵在滿負荷下 10 min 流量;在LNG碼頭、LNG氣化區、LNG裝車區考慮最大單一事故泄漏源的10 min流量。主要假設場景為LNG從破裂主管線泄漏,持續10 min,泄漏后的LNG流入集液池,發生閃蒸氣化,瞬間產生大量蒸氣,形成重氣順風擴散。

本項目主要可能發生的蒸氣云擴散安全距離采用挪威船級社安全軟件PHAST計算，結果見表2。

表2不同區域蒸氣云擴散安全距離

單位：m

當采用PHAST軟件對集液池的蒸氣云擴散進行校核時,可以得出相關擴散后果范圍對居民影響值,計算結果遠低于規范要求。

3.4　控制室抗爆校核

表3不同區域蒸氣云擴散安全距離

單位：m

當采用PHAST軟件對集液池的蒸氣云爆炸進行校核時,可以得出相關擴散計算結果較規范要求值500 m更小。

3.5　采用定量風險評價

GB/T 22724-2008《液化天然氣設備與安裝陸上裝置設計》要求:LNG設備安裝設計應減小罐區內外對財產和生命的風險;在站場設計期間應進行危險評價。

國外不同機構的個人風險標準見表4。

表4國外不同機構所采用的界區內個人風險標準

機構適用范圍每年最大可接受風險值每年可以忽略不計的風險值英國安全衛生部現有危險性設施10-310-6殼牌石油公司陸上和海上設施10-310-6英國石油公司陸上和海上設施10-310-5Norsk Hydro公司陸上設施10-3-ICI公司陸上設施-3.3×10-5挪威石油公司陸上設施-8.8×10-5

本LNG接收站失效頻率采用挪威船級社安全軟件Safeti進行計算,主要計算條件及結果見表5。

LNG接收站主要人員存在場所個人風險見表6。

根據以上分析可知,在LNG接收站內沒有出現10-3級的個人風險值,僅出現10-4級的個體風險等值線,且覆蓋區域較小時,員工個體風險滿足標準要求。

表5LNG接收站失效頻率計算條件及結果

項目包含設施失效模式失效頻率船舶4臺DN 400卸料臂,1臺DN 400氣相臂LNG船舶拉斷卸料臂,泄漏流量:5 304 t/h的LNG24×10-5卸船LNG管線約500 m,DN 1000卸船管卸船管線應力拉斷,泄漏流量:5 304 t/h的LNG0.45×10-7儲存系統4座20×104 m3LNG混凝土全容罐20×104 m3LNG全容罐頂部塌陷,單罐儲存容積約9×104 t的LNG4×10-8LNG高壓泵5臺LNG高壓泵(1臺為備用)、1臺再冷凝器泵的進出口管線拉斷,泄漏流量:145 t/h的LNG3.42×10-5LNG氣化器4臺145 t的IFV氣化器IFV氣化器的進口管線拉斷,泄漏流量:145 t/h的LNG5×10-7天然氣氣體管線約1 000 m,DN 400天然氣管線全口徑破裂,泄漏流量:580 t/h的天然氣1×10-5

表6LNG接收站主要人員存在場所個人風險

序號站內位置個人風險值1接收站綜合樓4.2×10-42碼頭控制室9.7×10-53門衛2.0×10-44維修車間9.5×10-55裝車控制室4.8×10-66主控室8.3×10-47距離LNG儲罐壁500 m處1×10-7

4　結論

1)根據本案例實施情況,在LNG項目設計過程中完全可以執行以事故后果為依據的安全間距校核手段,來校核現有安全間距條款無法涉及的爆炸、中毒、擴散等工況。

2)對LNG儲量巨大的LNG接收站、儲備庫,推薦進一步采用定量風險評價,從量化風險的角度,評價危險化學品危險源對周邊環境造成的事故影響的風險可接受程度,來保障周邊居民生命財產安全。

3)根據帕累托定律,系統的風險往往只由少數單元決定,為避免過大的計算量,需通過一定的篩選方法選擇出對整個系統影響較大、風險較高的核心單元進行風險計算。