定量風險評估方法在LNG項目的應用現狀

張志鵬 鄭建國 劉 凱 吳 堯 張宗武 趙凱杰 杜旭紅 曹江遠 趙懷璞

1. 中國輻射防護研究院, 山西 太原 030006;2. 中核四〇四有限公司, 甘肅 嘉峪關 735100;3. 中石油昆侖燃氣有限公司, 甘肅 嘉峪關 735100

0 前言

近幾年,隨著中國能源結構的改革,與液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)有關的產業也得到了快速發展,LNG站場、海上生產設施、運輸設施建設速度迅猛提升[1]。值得注意的是,LNG是易燃易爆物質,一旦失去控制,可能產生火災、爆炸等事故[2],造成人員傷亡或財產損失。2020年11月2日,某公司在實施二期工程項目裝車時發生著火事故,造成7人死亡,2人重傷,直接經濟損失 2 029.30 萬元。因此,有必要對LNG設備設施的風險進行研究,預防事故發生。

定量風險評估方法可以識別潛在危險,計算事故發生概率,評估事故后果的嚴重程度,通過量化的概率風險值對系統的危險性進行描述,根據風險的可接受程度進行評價,并在此基礎上提出相關安全措施建議,可對天然氣設備設施的設計、制造、安裝、操作、維護和退役等過程進行指導[3]。主要步驟有危險辨識、事故場景頻率計算、事故后果計算、風險計算和風險分析等。

為了解定量風險評估方法在LNG項目中的應用現狀及發展趨勢,且考慮到事故場景頻率計算及事故后果計算的準確性決定了定量風險評估結果的可靠性[4],本文詳細闡述場景頻率計算及事故后果計算在LNG項目中的實施現狀,可為LNG項目定量風險評估的決策提供參考。

1 LNG項目事故場景頻率計算現狀

LNG項目事故場景與泄漏量、點火源位置等因素有關,主要表現為噴射火、閃火、蒸氣云爆炸、池火災等現象。LNG設備設施泄漏后,LNG蒸發擴散產生大量天然氣蒸汽,當天然氣蒸汽濃度達到爆炸極限時,遇到點火源會造成火災爆炸事故;當蒸氣云濃度較低時,遇到點火源會造成閃火或蒸氣云爆炸;當LNG泄漏量大于蒸發量時,會形成液池,遇到點火源會導致池火事故;當LNG泄漏口直接遇到點火源,會造成噴射火事故[5]。

LNG項目事故場景頻率的計算是通過設備設施特性、點火源特性、LNG特性、人因失誤等因素來計算危險可能發生的頻率,是定量風險評估方法中的重要步驟。在計算場景頻率前,首先要確定設備設施泄漏頻率、點火概率、人因失誤概率等,再使用有關工具如事件樹、故障樹、保護層分析等進行場景頻率計算。

1.1 設備設施泄漏頻率的確定

設備設施泄漏頻率通常利用相應的歷史數據進行確定,為了做出準確的風險評估,通常需要高質量數據。

2007年,青島安全工程研究院在《石化裝置定量風險評估指南》中,推薦在定量風險評估過程中使用挪威船級社(Det Norske Veritas,DNV)提供的泄漏頻率數據。2019年,GB/T 37243—2019《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》(以下簡稱GB/T 37243—2019)給出了設備設施典型泄漏場景頻率的參考值,可在確定危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離時使用,參考值中部分數據與美國石油協會(American Petroleum Institute,API)的數據一致。2021年,GB/T 20368—2021《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝運》(以下簡稱GB/T 20368—2021)給出了LNG站場部分泄漏場景頻率推薦值,指出LNG站場各種設備設施發生LNG和其他有害物料的泄漏頻率應基于其推薦值確定。中國目前還沒有完整的化工設備設施失效頻率數據庫,在進行LNG項目風險評價時,除了參考上述標準指南,還會利用國外的有關數據庫。

目前,國外很多國家都建立了適用于本國化工行業的數據庫,在LNG項目定量風險評估中常用的有荷蘭應用科學研究組織(The Netherlands Organization,TNO)的《定量風險評估指南》、API的API Publ 581:2000Risk based inspection methodology(以下簡稱API Publ 581:2000)、英國健康安全局(Health Survey for England,HSE)的碳氫化合物泄漏數據庫、DNV的《故障頻率指南》、HSE的管道和立管安全殼損失數據庫。其中DNV整合碳氫化合物泄漏數據庫2008年前的統計數據,得到不同設備設施、不同泄漏場景頻率,覆蓋面廣,具有較高的可靠性[6]。

Gerbec M等人[7]討論了LNG燃料船安全故障系統的故障概率數據源使用問題,指出有學者已經應用了9種不同的故障概率數據,這些數據之間存在跨越4個數量級的不確定性。何雄元等人[6]指出,考慮到國家或地區間工業水平的差異,把國外的設備設施泄漏頻率數據直接應用到中國是否合適,值得進一步思考。

為了減少故障數據的不確定性,很多學者在數據庫的基礎上對設備設施泄漏失效的概率計算方法進行了研究。DNV針對泄漏失效的問題,開發了泄漏頻率計算軟件LEAK,軟件內包含大量的石油化工裝置、設備設施、管道事故的數據庫,可以根據設備設施的類型及同類設備設施的歷史失效數據,計算出符合設備設施自身條件的泄漏頻率,應用在LNG項目的定量風險評估中[8]。除此之外,何雄元等人[6]對比國外現有數據庫,以DNV公布的數據庫為參考數據,通過建立對該數據庫的修正模型,獲得了適用于中國化工企業設備設施泄漏頻率預測的參考數據庫;付曉君[9]對全容式LNG儲罐內外罐的失效可能性進行了修正,內罐失效可能性的分析計算使用了API Publ 581:2000的修正模型,按照歷史統計數據獲得同類設備設施的失效頻率,使用損傷因子、管理系統修正因子以及剩余壽命修正因子進行修正。

除了對泄漏數據進行修正外,為了彌補特定設備設施泄漏頻率在現有數據庫中的缺失,學者們經常使用專家判斷及模糊數學的方法進行泄漏頻率的計算。如李平[10]使用專家判斷和模糊數學理論相結合的方法計算了LNG加氣站卸車流程中初始事件的發生頻率;Fan Hongjun等人[11]采用模糊集理論和碳氫化合物泄漏數據庫計算了加注船加注過程中初始事件發生的頻率;付曉君[9]對全容式LNG儲罐外罐泄漏頻率使用專家判斷和模糊數學理論相結合的辦法進行計算。利用專家判斷及模糊數學理論確認的泄漏概率與專家的經驗水平有關,也受個人主觀意識影響,具有不確定性。

在中國尚未建立完整數據庫、國外數據庫存在數量級差別的現狀下,建議國內學者在開展LNG站場定量風險評估時,根據GB/T 37243—2019和GB/T 20368—2021確定泄漏場景及泄漏頻率。當有關泄漏頻率數據缺失時,可利用國外數據進行修正或使用專家判斷及模糊數學理論相結合進行確定。

1.2 點火概率的確定

點火概率是指可燃物泄漏后發生點火的概率,分為立即點火概率和延遲點火概率,取值方式主要有參考統計數據取值和使用模型計算取值兩種。

在進行LNG項目的定量風險評估時,多數學者利用數據庫直接取值。常用數據有API Publ 581:2000中點火概率推薦表、AQ/T 3046—2013《化工企業定量風險評價導則》(以下簡稱AQ/T 3046—2013)中點火概率推薦值、《石化裝置定量風險評估指南》、國際石油和天然氣生產商協會(International Association of Oil and Gas Producers,OGP)統計數據等。

API Publ 581:2000根據物質的組分、泄漏后的物理最終形態、環境溫度與物質自燃溫度的關系,以及泄漏形式的不同,給出了點火概率取值推薦表;AQ/T 3046—2013中點火概率的取值需按照立即點火概率及延遲點火概率分別考慮,其對立即點火概率按照介質類別、釋放形式進行分類并給出了推薦值,對延遲點火概率按照周邊點火源的形式不同給出了延遲點火的推薦值;《石化裝置定量風險評估指南》根據泄漏量、點火源數量及泄漏源類型總結了點火概率取值;OGP通過實驗和數據統計,提供了28種不同泄漏場景、4種泄漏速率的點火概率取值,并且給出了其他泄漏速率下點火概率計算方法,是目前較為可靠的取值方法[12],被很多學者應用在風險分析中[13-17]。郝郁等人[18]建議將OGP的推薦值作為點火概率取值的首選取值。

2011年,Moosemiller M[19]對點火概率進行分析,考慮到物質特性和點火能特性,提出了立即點火概率的計算模型,是目前計算立即點火概率的常用模型。《石化裝置定量風險評估指南》指出點火概率僅與泄漏質量有關,提出了可燃氣體泄放后的立即點火概率計算模型及延遲點火概率的計算模型。

計算模型一般通過有限的現場數據結合相關的分析方法得到。在工業現場,只有在缺乏數據且廠區條件與模型計算的泄漏環境十分相似時才會使用計算模型進行點火,局限性較大,經驗取值大部分來自統計數據,可靠性較高[12]。在確定LNG場景中點火概率時,推薦使用AQ/T 3046—2013及OGP給出的點火概率值,其中AQ/T 3046—2013給出了不同條件下立即點火概率及延遲點火概率的推薦值,適用于中國化工企業的定量風險評估,OGP數據不區分立即點火和延遲點火,考慮了不同泄漏場景和泄漏速率下的點火概率,可根據風險評估需要,選擇合適的數據庫。

1.3 人因失誤概率的確定

人因失誤是造成事故的重要原因,其概率主要通過統計數據或文獻研究確定,具有不確定性大、分析過程耗時長等特點。在進行定量風險評估研究時,學者通常將人為因素作為導致場景發生的基本事件之一或導致安全屏障失效的因素之一,如Fan Hongjun等人[11]在分析LNG加注過程風險時,將人為因素作為安全屏障的基本失效原因,并根據相關文獻確定了人因失誤概率;廖蘇亮等人[20]在LNG加注船火災事故中考慮到人員誤操作,并參考國際海事組織對LNG加注船裝卸貨事故的統計,給出了發生概率。

人因失誤概率除了可以使用相關數據確定外,還可以使用人因可靠性分析(Human Reliability Analysis,HRA)的方法計算。王好一[21]在對石化企業進行定量風險評估時,從領結模型的結構和特點出發,根據人因失誤特點,結合基于技能—規則—知識的行為模型和標準化工廠分析風險—人因可靠性分析理論,提出結構化的人因失誤可靠性計算模型,并根據最大熵理論,提出人因可靠性不確定性的計算方法;Zhou Tuqiang等人[22]建立了LNG運輸船處理過程中LNG泄漏故障樹的修正模型,在故障樹中引入了人為因素分析,以預測LNG運輸船搬運操作中的人為誤差,將故障樹分析和HRA的結果結合,利用蒙特卡羅模擬對風險進行評估。

在分析LNG項目中人因失誤時,分析人員可結合HRA理論,通過辨識人因失誤對關鍵事件的貢獻度,建立結構化的人因可靠性計算方法和置信區間,全面地計算人因可靠性,從而提高定量風險評估的準確性。

1.4 場景頻率的計算

場景頻率的計算即通過設備設施泄漏頻率、點火概率、人因失誤概率等信息,計算事故場景頻率。

在計算LNG項目的場景頻率時,通常會使用一些計算工具如事件樹、故障樹、保護層分析等。為了克服單個工具的局限性并提高其性能,一些研究整合了2個或2個以上的風險評估工具,如Yun G等人[23]開發了貝葉斯網絡—保護層分析方法來克服LNG設備設施泄漏數據的短缺;陶冶等人[24]指出將故障樹與保護層分析集成的分析方法所得事故場景頻率與傳統保護層分析方法所得事故場景頻率相比降低了近10倍,可以有效解決保護層分析在保護層篩選方面過于保守的局限性。

雖然以上的方法已經應用廣泛,但只適合靜態計算場景頻率,來考慮復雜系統的動態性,無法考慮新信息對場景頻率的影響。為解決該問題,學者們提出了動態定量風險評估方法。

動態定量風險評估方法是一種連續、實時的風險評估方法。2008年,Meel A等人[25]首先提出了完整的工藝設備設施動態風險評估方法,該方法使用實時的設備設施狀態來估算實時事故場景發生的動態頻率;Khakzad N等人[26]基于Meel A等人提出的方法結合貝葉斯理論及事件樹進行實時頻率的計算,還提出通過實時監測參數、工藝設備檢查及物理模型等來更新數據,應用領結模型來更新頻率的方法[27]。

目前動態定量風險評估方法在LNG項目中的應用較少。Fan Hongjun等人[11]利用事件樹、故障樹、貝葉斯網絡、領結模型、模糊數學等技術,建立了動態定量風險評估方法,并通過LNG加氣案例研究,對該方法進行了驗證和評估。

動態定量風險評估方法可以處理快速變化的環境、設備設施數據等信息,得到不斷變化的風險水平,并集成到整體風險中。在進行場景頻率的計算時,建議采用動態定量風險評估方法,得到動態的風險信息,更全面地對LNG項目的風險進行評估分析。

2 LNG設備設施泄漏事故后果計算現狀

LNG設備設施泄漏事故后果計算包括泄漏量、泄漏擴散、火災輻射、爆炸等計算。針對這些計算,已有學者建立了相關的理論模型,有很多包含這些模型的后果模擬軟件,目前應用于LNG設備設施泄漏事故后果計算的軟件主要有ALOHA、PHAST、FLACS等。

ALOHA軟件可以用來計算危險化學品泄漏后的毒氣擴散、火災、爆炸等產生的毒性、熱輻射和沖擊波等。Fan Hongjun等人[11]、Budiarta K G W等人[28]在研究LNG設備設施風險時,使用ALOHA軟件進行了事故后果的計算。ALOHA軟件的優點是能夠根據危險化學品的泄漏和氣象條件對事故進行模擬,并用圖像、文字的方式描述不同程度危害的范圍;缺點是只能描述非常穩定的天氣條件下的事故后果,不能處理風向變化和復雜地形的問題,在低風速情況下計算結果精度較低,且不能計算三維問題。

PHAST軟件由DNV開發,系統采用統一擴散模型來描述氣云的擴散,采用池蒸發模型來計算液池的形成、擴散和汽化,采用基于Chamberlai、JFSH-Johnson模型或API Publ 581:2000中的模型計算噴射火影響范圍,使用荷蘭組織多能法進行蒸氣云爆炸計算。Gyeong E等人[29]、巫志鵬等人[30]使用PHAST軟件對LNG設備設施的泄漏事故后果進行了模擬。PHAST軟件有經過了不斷驗證的模型、全面的報告和圖表,可以建立各種釋放類型的泄漏情景,輕松直觀地顯示結果,具有很好的軟件用戶體驗,但費用較高,計算結果相比其他軟件偏保守。

FLACS軟件是挪威GexCon公司開發的基于計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)技術的三維CFD軟件,主要用于復雜區域氣體擴散、氣體爆炸及沖擊波的模擬。它采用有限體積法來求解連續性方程,用k-ε湍流模型解決湍流問題,操作較其他CFD軟件簡單,在LNG項目中應用廣泛,在燃燒爆炸方面得到了很好的驗證,Jiang Shengyu等人[31]、賈巧嬌[16]使用FLACS軟件對LNG擴散爆炸進行了模擬。FLACS軟件的缺點是計算過程較復雜,耗時較大,對需要的計算機要求高。

在計算LNG項目泄漏事故后果時,可根據需要及軟件特點,選取合適的軟件進行計算。

3 結論

定量風險評估方法可以識別潛在危險,計算事故概率,評估后果嚴重程度,對風險進行定量分析,在LNG項目中應用廣泛。

在計算設備設施的泄漏概率時,常用方法是直接使用國外歷史數據庫中的數據。在中國未建立完整數據庫、國外數據庫存在數量級差別的現狀下,建議中國學者在開展LNG站場定量風險評估時,根據GB/T 37243—2019及GB/T 20368—2021確定泄漏場景及泄漏頻率。當有關泄漏頻率數據缺失時,可利用國外數據進行修正后使用或通過專家判斷及模糊數學理論相結合進行確定。此外,亟需建立適合中國LNG項目的完整的設備設施失效數據庫。

在計算點火概率時,推薦使用AQ/T 3046—2013及OGP給出的點火概率值,可根據風險評估方法需要,選擇合適的數據庫。

在分析LNG項目的人因失誤時,可利用HRA理論,全面計算人因可靠性,提高定量風險評估的準確性。

在進行場景頻率的計算時,可采用動態定量風險評估方法,得到動態的風險信息,更全面地對項目風險進行評價。

在計算LNG項目泄漏事故后果時,可根據需要及軟件特點,選取合適的軟件進行計算。