沼氣工程火災爆炸定量風險分析方法研究

白永強研究員 呂良海研究員

(1.北京市科學技術研究院城市安全與環境科學研究所 安全生產技術中心，北京 100054；2.城市有毒有害易燃易爆危險源控制技術北京市重點實驗室，北京 100054)

0 引言

隨著經濟發展和環境治理要求的提高，我國對清潔能源的需求量越來越大，新能源的開發和利用成為一個十分迫切的問題。在此背景下，沼氣資源作為一項極具應用前景的新能源，其開發利用是解決能源緊張形勢下農村能源供應問題的有效措施，其發展日益受到國家重視。合理開發和利用農村生物質資源，發展沼氣產業能夠大大緩解我國能源供應缺口，有效減少環境污染，這也是我國實現可持續發展的重要內容之一。然而由于目前農村沼氣工程的建設、運行和管理不當等因素，導致沼氣利用過程中存在大量隱患，給農村安全造成了不可忽視的影響。

沼氣是一種具有易燃易爆特性的混合氣體，其主要成分是CH，含量一般為50%～70%，此外還有CO和少量的N、H和HS等。CH是一種火災危險性為甲類的易燃易爆氣體，與空氣混合達到爆炸極限后，遇熱源或明火會發生爆炸。近年來，隨著沼氣工程的快速發展，在沼氣生產、運行過程中引發的火災爆炸事故時有發生，造成大量的人員傷亡和財產損失。2009年印度埃爾納古勒縣一處大型沼氣站在試車過程中發生爆炸事故，造成4死3傷。2011年北京某養殖場沼氣工程項目已經建成并投入試運行，在試運行的過程中沼氣壓縮機間發生可燃氣泄漏爆燃傷人事件。2015年湖北省鄂州市鄂城區路口收費站旁一沼氣罐施工現場發生燃爆事故，造成2人受傷。因此建立沼氣站火災爆炸定量風險評估方法，開展風險評估與控制，對預防沼氣工程火災爆炸事故的發生具有重大意義。

1 沼氣工程風險評估方法

1.1 定量風險評估方法

風險評估方法有很多，根據評估結果可將現有的方法分為定性、定量和半定量方法。定性評估方法不對風險結果進行量化處理，只做定性比較，使用系統工程方法，將系統進行分解，依靠人的觀察分析能力，借助有關法規、標準、規范、經驗和判斷能力進行評估，如頭腦風暴法、風險矩陣等。定量風險評估(Quantitative Risk Assessment，QRA)，將風險可能性和后果進行量化后給出風險大小，根據歷史事故統計分析、火災爆炸分析模型等，建立數學分析模型計算精確的失效概率和事故后果分析方法，精確描述風險，如概率評估法、數學模型計算評估等。半定量方法是介于定性和定量之間的評估方法。由于沼氣站發生火災爆炸事故極有可能造成嚴重的人員傷亡和財產損失，因此計算沼氣站固有風險采用定量風險評估方法(QRA)比較合適。

QRA方法應用于事故風險評估的具體步驟，如圖1。評估步驟主要包括事故概率分析、事故后果分析、風險值計算、判別是否可接受等步驟。

圖1 定量風險評估方法總體框架Fig.1 The general framework of the quantitative risk assessment method

1.2 事故概率分析

沼氣泄漏是引發火災、爆炸等重大危險的根源，可通過對設備設施基礎泄漏概率進行分析得到沼氣泄漏概率的大小，一般通過歷史事故統計或事故樹分析得到。目前，國外一些研究機構公布了一部分數據可供參考，如1982年荷蘭的研究小組在COVO研究報告中公布了部分設備的基礎泄漏概率，2005年挪威船級社(Det Norske Veritas,DNV)也公布了其研究的統計數據。此外，英國健康和安全局(Health and Safety Executive，HSE)、美國化工過程安全中心(Center for Chemical Process Safety，CCPS)等都有類似的數據庫，可直接獲得各類設備的泄漏概率。國內研究人員根據國外數據，結合定量風險評估實例，歸納推薦給出我國相關設備、設施定量風險評估的基礎泄漏概率，見表1。

表1 用于危險源定量風險評估的泄漏概率表Tab.1 Leakage probability used in quantitative risk assessment of hazards

1.3 事故后果分析

如果沼氣在泄漏的一開始就被點燃，則會發生穩態燃燒，即為擴散燃燒。而若沼氣開始泄漏時未被點燃，泄漏的沼氣在空氣中不斷擴散，在相當大的空間范圍內形成云狀氣團，遇到火源時，可能被點燃。但由于外在環境不同，產生的火災爆炸形式也不同：開放空間，遇火源后沒有加速及躍升效應，則發生閃火；局限空間，遇火源后沒有加速及躍升效應，發生氣云爆炸；泄漏即遇到火源發生穩態燃燒，產生噴射火焰。

為便于分析，可采用事件樹方法分析，如圖2。由圖2分析可以發現，沼氣泄漏后，受點火源和外部環境影響，可能發生的火災爆炸形式包括：閃火、氣云爆炸、穩態燃燒(噴射火焰)。

圖2 沼氣工程火災爆炸事件樹Fig.2 Event tree for fire and explosion of the biogas engineering

由圖2可以看出，沼氣泄漏事故主要有閃火、氣云爆炸、穩態燃燒(噴射火焰)和中毒窒息4種可能的類型。表2給出的是美國石油學會(American Petroleum Institute，API)提供的燃氣泄漏后表現形式和發生概率，沼氣泄漏后的各種表現形式可參照執行。

表2 燃氣泄漏后的表現形式和發生概率Tab.2 The performance form and occuence probability of gas leakage

(1)噴射火焰熱輻射。人員在噴射火焰熱輻射影響下的死亡概率可表示為：

(1)

式中：

t

—暴露時間，s；

s

—熱輻射傷害面積，m

P

—死亡概率；

P

—傷害概率。

進一步推導式(1)可得熱輻射引起的人員傷害概率可得：

(2)

式中：

I

—輻射熱流量，J/(m·s)。

根據API RP521，火源產生的輻射熱流量可表示為：

(3)

式中：

η

—輻射熱占總釋放熱的比例，對于CH可取0.2；

τ

—大氣的透射率，一般可取1；

Q

—可燃氣體泄漏流量，kg/s；

H

—可燃氣體的燃燒熱，對于CH可取5×10J/kg；

R

—目標離火焰的距離，m。

將式(3)帶入式(2)可得：

(4)

(2)閃火和爆炸。閃火和爆炸可參考我國行業標準《化工企業定量風險評價導則》(AQ/T 3046-2013)分析：閃火的火焰區域等于點燃時可燃云團燃燒下限(Lower Flammable Limit，LFL)的范圍。閃火火焰區域內，人員的死亡概率值為100%；閃火火焰區域外，人員的死亡概率值為0。

對于蒸氣云爆炸，在0.03 MPa超壓影響區域內，人員的死亡概率為100%；在0.01 MPa超壓影響區域外，人員的死亡概率為0。

(3)中毒窒息。除CH外，沼氣還含有HS和CO，具有毒性。毒性介質泄漏后果分析時，應首先確定介質的毒性影響準則。在API 581中，推薦使用50%的致死率確定毒性影響，毒性后果面積即中毒致死面積用致死率不小于50%的區域面積表示，使得致死面積求解過程大大簡化。

1.4 風險分析

風險可用個人風險(全稱Individual Risk,IR)和社會風險(Societial Risk,SR)2個指標來衡量。個人風險是指事故發生時造成設施附近任意給定地點上人員死亡的可能性(概率)。個人風險主要取決于危險點的地理位置，與人員是否存在于該點無關。社會風險用于描述人受到傷害的可能性。

(1)個人風險值計算。設施附近的個人風險可表示為：

(5)

式中：

i

—不同事故場景編號；

φ

—第

i

個事故場景概率；

P

—各種事故場景的人員死亡概率。

(2)社會風險。一般用某一給定地區發生事故時造成的死亡人數和累積事故率之間的關系表示社會風險。死亡人數用下式計算：

(6)

式中：

N

—事故

i

導致的死亡人數；

A

—事故

i

對應的危險區域面積，m；

ρ

—人口密度，人/m。對于人員死亡數

N

≥

N

的累積事故率為：

F

=∑

φ

u

(

N

≥

N

)

(7)

其中，

u

(

N

≥

N

)為單位函數，若

N

≥

N

，則

u

=1；若

N

<

N

，則

u

=0。

(3)風險可接受水平判別。到目前為止，我國還沒有制訂風險可接受水平標準，而國外已經建立比較完備的個人風險可接受標準和社會風險可接受標準，國際上通常采用國家人口分年齡段死亡率最低值乘以一定的風險可允許增加系數，作為個人可接受風險的標準值。如：荷蘭、英國等不同國家均頒布了個人可接受風險標準。表3給出了一些國家和地區制定的個人可接受風險標準。

表3 部分國家、地區和機構制定的個人可接受風險標準Tab.3 Individual risk criteria issued by some countries and organizations

2014年，國家安監總局公布的《危險化學品生產、儲存裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險標準(試行)》，發布了我國的個人可接受風險標準，見表4。

表4 我國制定的個人風險可接受標準Tab.4 Individual risk criteria issued by China

2 結論

本文結合國內外石油化工行業風險分析模型，建立沼氣站定量風險評估分析方法，可為沼氣工程在風險管理、應急救援、土地使用、安全規劃等方面提供分析工具，為控制重大危害事故、減少人員傷亡、財產損失和環境保護提供重要手段。

沼氣工程實際情況十分復雜，本文建立的定量模型還存在一定不足，主要表現在：

(1)國內缺乏事故統計數據，本文的事故概率采用國外數據，而現實中國內事故率往往高于國外事故率，故計算結果會存在一定偏差。因此，我國急需建立相關事故統計分析機制，得到符合我國實際的事故基礎概率數據。

(2)實際中，事故的發生受企業安全管理狀況、操作及管理人員水平、設備設施維護與管理水平、應急管理等多種因素影響，事故發生概率和可能后果都是動態變化，因此實際風險評估中應綜合考慮多種因素，關注動態風險變化，實施有效控制。