LNG加氣站事故HAZOP量化分析方法研究

李 平，蔣宏業(yè)，姚安林，許 萍，徐 惠

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 （四川 成都 610500）

自2002年中國建成首個LNG加氣站以來，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，時隔10余年，中國現(xiàn)已投運(yùn)的LNG加氣站已由2002年的2座增加至2 000座左右，隨著LNG的普及和運(yùn)用，其事故發(fā)生率也隨之增加。以往人們對LNG事故的分析多是根據(jù)LNG的性質(zhì)和危險性，從工藝角度分析事故機(jī)理，從而提出風(fēng)險管理預(yù)防措施，但是這種方法不能量化事故風(fēng)險。對LNG加氣站進(jìn)行系統(tǒng)地危險辨識可以采取多種方法：安全檢查表法（Checklist）、事故樹分析（FTA）、危險與可操作性分析（HAZOP）等。其中，危險與可操作性分析（HAZOP）方法以其分析全面性、系統(tǒng)性、結(jié)構(gòu)性、細(xì)致等突出優(yōu)勢成為目前危險性分析領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的一種系統(tǒng)安全分析方法[1]。通過量化的HAZOP分析人們可以直觀地了解到系統(tǒng)風(fēng)險的大小，有利于提出相應(yīng)的建議措施，故本文采用量化的HAZOP方法，以LNG儲罐“壓力過高”偏差為例來辨識LNG加氣站的風(fēng)險。

1 量化的HAZOP分析方法介紹

傳統(tǒng)的HAZOP分析只能定性分析出系統(tǒng)是否存在風(fēng)險，不能對風(fēng)險發(fā)生的可能性及嚴(yán)重度進(jìn)行量化，其分析結(jié)果以事故報表的形式給出。對相對復(fù)雜的裝置而言，報告給出的偏差多達(dá)成百上千個，人們往往不能抓住評價系統(tǒng)中的主要危險因素，使評價結(jié)果不具有現(xiàn)場指導(dǎo)意義[2]，而量化的HAZOP分析方法可克服HAZOP作為純定性分析過于主觀的缺點(diǎn)。

1.1 HAZOP分析方法概述

HAZOP分析方法由英國帝國化學(xué)公司（ICI）1974年開發(fā)，是一種對生產(chǎn)裝置及工藝過程安全進(jìn)行系統(tǒng)評價的方法。該方法是由有經(jīng)驗(yàn)的跨專業(yè)的專家小組對裝置或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、操作等提出有關(guān)安全上的問題，以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，以工藝參數(shù)偏差為引導(dǎo)，分析偏差原因、后果、已有安全措施以及提出風(fēng)險緩解建議措施和行動[3]，HAZOP分析流程圖詳見參考文獻(xiàn)[4]。目前，HAZOP分析方法已被廣泛應(yīng)用于石油、石化等風(fēng)險評估工作中，有些國家（如英國）已通過立法手段強(qiáng)制其在工程建設(shè)項(xiàng)目中推廣應(yīng)用，在我國該方法的應(yīng)用還處于起步階段[5]。

1.2 HAZOP量化分析

本文通過將道化學(xué)火災(zāi)、爆炸指數(shù)評價法（F&EI）和事故樹分析（FTA）應(yīng)用于 HAZOP 分析方法中，實(shí)現(xiàn)了事故后果嚴(yán)重度和事故發(fā)生概率的定量計(jì)算，再結(jié)合風(fēng)險矩陣將風(fēng)險量化，潛在風(fēng)險便可得到清晰直觀的風(fēng)險等級，可以提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。國內(nèi)目前大約有40%的HAZOP分析項(xiàng)目使用了風(fēng)險矩陣[6]。

典型的 5×5風(fēng)險矩陣，事故發(fā)生概率分為5個等級（表1），事故后果嚴(yán)重度也分為5個等級。每一對事故發(fā)生概率和事故后果嚴(yán)重度對應(yīng)著一個風(fēng)險級別，每個風(fēng)險級別又有對應(yīng)的建議措施（表 2）[7]。

表1 事故發(fā)生概率等級表

表2 風(fēng)險等級及應(yīng)對措施

1.2.1 應(yīng)用 F＆EI計(jì)算事故后果嚴(yán)重度

在進(jìn)行火災(zāi)、爆炸指數(shù)的計(jì)算時，物質(zhì)系數(shù)是最基礎(chǔ)的數(shù)值，它是表述物質(zhì)由燃燒或其他化學(xué)反應(yīng)引起的火災(zāi)、爆炸中釋放能量大小的內(nèi)在特征。物質(zhì)系數(shù)根據(jù)美國消防協(xié)會規(guī)定的物質(zhì)可燃性和化學(xué)活性（或不穩(wěn)定性）獲得。利用F&EI對某一單元進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果可以生成具有半定量信息的后果嚴(yán)重度[8]?！兜乐笖?shù)評價法》給出了按不同的F&EI值劃分危險等級的規(guī)定，見表3[9]。

表3 F&EI值對應(yīng)的危險等級與后果嚴(yán)重度等級

1.2.2 應(yīng)用FTA計(jì)算事故發(fā)生概率

HAZOP分析方法簡單，但往往不夠深入，事故樹分析（FTA）不僅能分析出事故的直接原因，且能深入地揭示事故的潛在原因。參考適當(dāng)?shù)墓收下蕯?shù)據(jù)庫得到各基本事件的概率，便可根據(jù)事故樹計(jì)算頂事件的概率即事故發(fā)生概率。FTA計(jì)算事故概率可使HAZOP分析中的風(fēng)險矩陣數(shù)據(jù)來源更加客觀準(zhǔn)確，還可以進(jìn)行底事件的結(jié)構(gòu)重要度分析，得到的結(jié)果有利于HAZOP分析時提出相關(guān)建議措施。

2 LNG加氣站流程介紹

LNG加氣站站內(nèi)生產(chǎn)過程分為卸車流程、調(diào)壓流程、加氣流程和泄壓流程。①卸車流程：將汽車槽車內(nèi)LNG轉(zhuǎn)移至加氣站LNG儲罐。有以下3種卸車方式：增壓器卸車、低溫泵卸車、增壓器和低溫泵聯(lián)合卸車。②調(diào)壓流程：卸車完畢后，用LNG泵從儲罐內(nèi)抽出部分LNG通過LNG汽化器氣化且調(diào)壓后進(jìn)入儲罐，當(dāng)儲罐內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值時停止氣化。③加氣流程：儲罐中的飽和液體 LNG通過低溫泵加壓后經(jīng)過計(jì)量由加氣機(jī)給汽車加氣，分為單線、雙線加氣。當(dāng)車載儲氣瓶壓力較低時，車載儲氣瓶采用上進(jìn)液噴淋式，加進(jìn)去的 LNG直接吸收車載氣瓶內(nèi)氣體的熱量，使氣瓶內(nèi)壓力降低，減少放空氣體，并提高了加氣速度。當(dāng)車載儲氣瓶壓力較高時，采用雙線加氣，通過回氣管，將車載儲氣瓶內(nèi)的氣體回收至LNG儲罐中。④泄壓流程：當(dāng)儲罐壓力大于設(shè)定值時，通過BOG回收系統(tǒng)或者打開安全閥，釋放儲罐中的氣體，降低壓力，以保證安全[10]。LNG加氣站主要設(shè)備有：LNG儲罐、低溫泵、汽化器、加氣機(jī)等。

3 量化的HAZOP分析方法在LNG加氣站的應(yīng)用

3.1 HAZOP分析節(jié)點(diǎn)劃分

根據(jù)LNG加氣站的工藝流程，可將LNG加氣站分析對象劃分為4大部分：卸車過程、調(diào)壓過程、加氣過程和泄壓過程，對每一大部分再進(jìn)行進(jìn)一步節(jié)點(diǎn)劃分，具體節(jié)點(diǎn)劃分情況見表4。

表4 LNG加氣站HAZOP分析節(jié)點(diǎn)劃分情況

根據(jù)表4所劃分的節(jié)點(diǎn)，對每一個節(jié)點(diǎn)找出其中潛在的偏差，并分析偏差的原因、可能導(dǎo)致的后果及已有安全保護(hù)措施，若安保措施不足，則提出相應(yīng)的建議措施。以LNG儲罐“壓力過高”為偏差，利用F&EI和FTA分別定量計(jì)算偏差的事故后果嚴(yán)重度和事故發(fā)生概率。

3.2 應(yīng)用F＆EI計(jì)算事故后果嚴(yán)重度

1）確定LNG罐的物質(zhì)系數(shù)（MF）。查物質(zhì)系數(shù)表得：LNG的物質(zhì)系數(shù)MF=21[8]。

2）確定LNG儲罐的單元危險系數(shù)F3[8]：①物質(zhì)的處理和輸送。儲存的是NF=4的液化天然氣，危險系數(shù)取0.85。②排放和泄漏控制。液化天然氣的泄漏可能給裝置和人員造成很大的危害，危險系數(shù)取0.5?；鞠禂?shù)為1.00，故一般工藝危險系數(shù)F1=1.00+0.85+0.5=2.35。③毒性物質(zhì)。液化天然氣具有輕微毒性，危險系數(shù)取0.2。④燃燒范圍內(nèi)或附近。液化天然氣一旦泄漏，與空氣形成爆炸性混合物，危險系數(shù)取0.5。⑤低溫。液化天然氣在溫度約為-161℃下儲存，危險系數(shù)取0.3。⑥壓力釋放。儲罐儲存壓力一般約為0.1MPa，危險系數(shù)取0.2。⑦易燃和不穩(wěn)定物質(zhì)數(shù)量。根據(jù)所儲存的液化天然氣總量（約20t）乘以燃燒熱，可得危險系數(shù)為0.81。⑧泄漏（接頭與密封）。儲罐密封處可能有輕微泄漏，危險系數(shù)取0.1。⑨腐蝕。儲罐會有輕微腐蝕現(xiàn)象，危險系數(shù)取0.1?；鞠禂?shù)是1.00，這樣，特殊工藝危險系數(shù)F2=1.00+0.2+0.5+0.3+0.2+0.81+0.1+0.1=3.21。

所以，LNG儲罐的單元危險系數(shù)F3為F3=F1×F2=2.35×3.21=7.54。

3）確定火災(zāi)、爆炸危險指數(shù)。火災(zāi)、爆炸危險指數(shù)是單元危險系數(shù)F3和物質(zhì)系數(shù)MF的乘積，為158。

4）確定安全措施補(bǔ)償系數(shù) （C）：①工藝控制（C1）。因有緊急截斷裝置ESD系統(tǒng)，補(bǔ)償系數(shù)取0.98；設(shè)置了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，補(bǔ)償系數(shù)取0.93；有操作法、工藝技術(shù)規(guī)程等，補(bǔ)償系數(shù)取0.95。故C1=0.98×0.93×0.95≈0.87。②危險物質(zhì)隔離（C2）。設(shè)有安全閥，補(bǔ)償系數(shù)取0.98，故C2=0.98。③防火設(shè)施（C3）。因有泄漏檢測裝置，補(bǔ)償系數(shù)可取0.98；配有消防系統(tǒng)，補(bǔ)償系數(shù)取0.97。故C3=0.98×0.97≈0.95。

所以，C=C1×C2×C3=0.87×0.98×0.95≈0.81。

5）計(jì)算剩余火災(zāi)、爆炸危險指數(shù)F&EI為158×0.81=128。

由表3可以得出結(jié)論：LNG儲罐的危險等級很大，對應(yīng)后果嚴(yán)重度等級為4級。

3.3 應(yīng)用FTA計(jì)算事故發(fā)生概率

LNG儲罐“壓力過高”可能導(dǎo)致儲罐超壓爆炸，建立LNG儲罐超壓爆炸的事故樹如圖1，表5為該事故樹對應(yīng)的各事件代碼的意義。

圖1 LNG儲罐超壓爆炸事故樹

3.3.1 結(jié)構(gòu)重要度分析

利用布爾代數(shù)法化簡得圖1事故樹的最小割集有以下 10 個：｛X6,X7,X8,X1｝、｛X9,X1｝、｛X10,X1｝、｛X3,X1｝、 ｛X11,X1｝、 ｛X12,X1｝、 ｛X13,X1｝、 ｛X2,X1｝、 ｛X4,X1｝、｛X5,X1｝。根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度近似計(jì)算公式

式中：Iφ(i)為第i個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；xi為基本事件，i=1，2，…;nj為第i個基本事件所在xj的基本事件總數(shù)；Kj為最小割集；xi∈Kj為第i個基本事件屬于第j個最小割集。計(jì)算得各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度：

表5 LNG儲罐超壓爆炸事故樹各事件代碼的意義

結(jié)構(gòu)重要度順序?yàn)椋篒φ(1)＞Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(5)=Iφ(9)=Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(12)=Iφ(13)＞Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(8)。

3.3.2 計(jì)算事故發(fā)生概率

由圖1知事故樹中不含有重復(fù)的基本事件，且各基本事件是相互獨(dú)立的，頂事件的發(fā)生概率可由圖1事故樹的結(jié)構(gòu)，參考適當(dāng)?shù)墓收下蕯?shù)據(jù)庫[11]（參考文獻(xiàn)[11]中故障率數(shù)據(jù)來源于OREDA和HSE），用下列公式求得：

由表1可得對應(yīng)的事故發(fā)生概率等級為1級。

事故后果嚴(yán)重度等級為4級，事故發(fā)生概率等級為1級，由典型的5×5風(fēng)險矩陣得對應(yīng)的風(fēng)險等級為Ⅲ，則需要考慮減少風(fēng)險的措施。由此建立表6所示HAZOP分析表。

以同樣的方法分析其他節(jié)點(diǎn)及其余偏差，便可得出LNG加氣站的HAZOP分析記錄表。

4 結(jié)論

1）從LNG儲罐“壓力過高”HAZOP分析結(jié)果可以看出：量化的HAZOP分析方法能夠定量地分析“壓力過高”這一危害，并提出“根據(jù)實(shí)際操作壓力更換定壓較低的安全閥、增加超壓排放聯(lián)鎖裝置、定期進(jìn)行設(shè)備檢修和更換”等建議措施，從而減少危害或減輕危害可能導(dǎo)致的后果。

表6 以LNG儲罐“壓力過高”為偏差進(jìn)行HAZOP分析表

2）通過對LNG加氣站的量化HAZOP分析，不僅可以辨識出LNG加氣站存在的潛在危險，根據(jù)量化的風(fēng)險等級，提出相應(yīng)的保護(hù)措施，還可以使LNG加氣站操作人員更加全面深入地了解工藝裝置的性能，提高安全生產(chǎn)水平。

3）在進(jìn)行LNG儲罐超壓爆炸失效概率計(jì)算中引用了OREDA這一國外數(shù)據(jù)庫的相關(guān)失效概率，可能與國內(nèi)的情況有一定出入，本文僅以此失效概率作為一個參考。

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