儲罐油氣VOCs治理氣相連通系統重大風險分級研究

許晶

(中國石化青島安全工程研究院 山東青島 266100)

0 引言

2010年國務院辦公廳首次提出在關注度高的行業及地域重點開展VOCs廢氣(揮發性有機物)的污染治理[1-2]。2014年原國家環保部首次對石化行業VOCs治理作出明確規定[3]，要求3年內基本完成VOCs廢氣治理工作，進一步明確如何對廢氣排放指標進行監測監控，VOCs排放量要大幅度降低并達到規定要求[4]。隨后關于VOCs治理和排放的標準或規定相繼出臺[5-6]，各大石化企業開始關注油氣處理，涉及中間原料與產品、石腦油、成品油、三苯、污油、含油污水等罐組的廢氣治理。然而，VOCs治理系統需將多個儲罐連通進行油氣回收，罐區 VOCs治理工程實施后，儲罐氣相空間通過油氣支管連接相通成為一個整體空間，相連儲罐的風險增大。各儲罐在原有風險如儲罐發生抽癟、超壓、火災爆炸等事故的基礎上，存在若某個儲罐發生火災，火焰會通過相連的管道傳播到鄰近的儲罐或設施[7-8]，發生重大群罐火災甚至爆炸的風險。因此，原國家安全生產監督管理總局要求，實施油氣治理氣相連通工程必須經過安全專項評估，以防止重大事故的發生[9]。

1 儲罐油氣VOCs治理現狀

目前儲罐罐頂油氣VOCs治理氣相連通系統主要采用氣相平衡管、單罐單控(控制儲罐排氣并實現事故下切斷)、單呼閥方案和直接連通切斷閥方案(多個儲罐氣相連通后共用一個氣動開關閥控制該連通罐組向總管排氣)等連通方式，存在將火災危險性不同的儲罐、高含硫與低含硫儲罐、高溫物料與常溫物料儲罐、內浮頂與拱頂儲罐、設置氮封與未設氮封儲罐進行直接連通的現象，儲罐物料特性、油氣濃度、氣相空間氧含量等不同都會增加氣相連通罐組的危險性。連通數量越多，發生火災爆炸的可能性越大，特別是我國石化儲運罐區的氮封設計量大多未考慮異常溫降的影響，存在空氣進入的條件，儲罐氣相空間為爆炸氣體1區，甚至0區。儲罐老化現象嚴重，浮盤密封性能下降，再加上高含硫等特點，直接連通數量過多將導致群罐火災事故升級，安全風險增大。VOCs處理設施主要包括專有處理設施如油氣回收系統(吸附、冷凝等)、TO/CEB等明火燃燒技術、RTO/CO/RCO等低溫燃燒技術、等離子體、生物法系統等和協同處理設施如生產設施(既有硫磺反應爐及焚燒爐、鍋爐、加熱爐、催化裂化裝置再生器等)、全廠性低壓瓦斯系統[10]等。

VOCs氣體普遍存在氣量及濃度波動大、間歇排放等問題。國外在進行VOCs處理設計時，會與后續處理工藝整體考慮安全控制措施，評估危險環境出現的可能性并層層設防，采用的措施主要包括氮封、壓力與氧含量檢測、工藝安全控制聯鎖、阻火、電氣防爆等系統安全控制方案。國內在進行VOCs治理改造項目時，普遍存在監測及聯鎖設施不完善或未與裝置安全聯鎖等情況，若控制不當將影響裝置運行，甚至發生閃爆事故，安全風險較高。

2 儲罐VOCs治理氣相連通重大風險分析

針對罐區VOCs治理氣相連通工藝系統，通過HAZOP分析得出初始風險處于E、F、G等級的場景，利用LOPA(保護層分析)進一步開展半定量評估，將該結果作為保護層分析的初始事件[11]，在此基礎上識別現有安全措施，分析日常生產及維護等操作過程中可能存在的危險事件[12]，識別關鍵安全措施及其需求時失效概率(PFD)。在參考美國消防協會(NFPA)、美國石油協會(API)、德國國家標準TRBF20、國際標準ISO等涉及罐頂氣相連通相關技術標準的研究分析基礎上，提出重大風險分級方法，確定初始原因的頻率及后果的分級[13]，從而計算氣相連通后發生重大風險的可能性。最后將風險分析結果與風險標準進行對比，判定風險大小及是否可接受[14]，為進一步風險決策提供輸入信息，根據風險程度和相關技術要求，提出有效的對策措施，從而保證系統的安全性。詳細評估流程如圖1所示。

圖1 “HAZOP+LOPA+風險標準”風險評估流程

經分析，石化行業儲運罐區油氣VOCs治理氣相連通系統存在以下重大風險：①氣相連通罐組群罐火災風險[15]；②VOCs處理設施閃爆事故；③VOCs送往熱氧化爐(TO)及加熱爐、裂解爐、焚燒爐等裝置處理時控制不當發生火災爆炸事故；④高含氧VOCs氣體進入火炬管網引起火災爆炸事故[16]；⑤裝置發生事故泄放時，火炬氣倒竄入罐區引發儲罐超壓破裂,遇到點火源發生火災爆炸事故。

2.1 氣相連通罐組群罐火災風險

根據氣相連通罐組總罐容，群罐火災事故等級劃分如表1所示。儲存不同火災危險性物料的儲罐發生火災的初始概率[17]如表2所示。直接連通罐組發生火災的初始概率為單一儲罐初始概率×儲罐數目，若VOCs收集系統存在多個連通罐組，則總的初始概率為各罐組初始概率之和。不同頻率對應的可能性分級如表3所示。

表1 罐組群罐火災事故等級

表2 不同火災危險性物料起火的初始概率

表3 發生的可能性分級

為防止群罐火災事故，工程上采用獨立保護層降低風險，關鍵安全措施及其需求時失效概率(PFD)如表4所示(假設設計符合要求，維護和培訓狀況良好，下同)。采用關鍵安全措施后的實際概率[18-19]為

F實=F總·F安

(1)

(2)

表4 關鍵安全措施及其需求時失效概率(PFD)(1)

實際風險可根據如表5所示的風險矩陣標準進行確認。

2.2 VOCs處理設施閃爆事故

根據VOCs處理設施的規模，其發生事故等級為D。VOCs處理設施火災爆炸事故的初始概率為10-3

表5 風險矩陣標準

表6 關鍵安全措施及其需求時失效概率(PFD)(2)

2.3 VOCs送往熱氧化爐(TO)及明火裝置處理時控制不當發生火災爆炸事故

根據熱氧化爐(TO)及加熱爐、裂解爐、焚燒爐等的VOCs處理規模，其發生火災爆炸的事故等級為E，初始概率為10-3

表7 關鍵安全措施及其需求時失效概率(PFD)(3)

2.4 高含氧VOCs氣體進入火炬管網引發火災爆炸事故

高含氧VOCs氣體進入火炬管網引發火災爆炸的事故等級為F，初始概率為10-3

表8 關鍵安全措施及其需求時失效概率(PFD)(4)

2.5 火炬氣倒竄入罐區風險

裝置發生事故泄放時，火炬氣倒竄入罐區引發儲罐超壓破裂,遇到點火源發生火災爆炸的事故等級為E，該類事故約5年發生一次，初始概率為0.20，初始風險為E7，關鍵安全措施及其需求時失效概率如表9所示。

表9 關鍵安全措施及其需求時失效概率(PFD)(5)

綜上所述，針對VOCs治理氣相連通系統存在的主要風險，通過重大風險分級進行風險量化，判斷初始風險及采取關鍵安全措施后的最終風險，與風險標準進行對比從而進行風險決策。

3 結語

VOCs 治理過程中需要嚴格管控環保治理所帶來的安全風險。VOCs處理設施氣相連通項目實施后，多個儲罐氣相空間通過油氣支管連接成一個整體，罐區的整體安全風險增大。采取基于重大風險分級的方法進行風險評估，確保關鍵安全措施滿足要求，提高安全防控級別，杜絕重大事故的發生。通過控制直接連通數量、增加遠程切斷閥、設置高可靠性氮封、分布式氧含量監測、管道有效阻火和配管爆炸防護等技術，提升罐頂氣相連通本質安全。