管道水合物抑制劑注入工藝裝置的道化學(xué)安全評(píng)價(jià)

郭　旭,代曉東,賈子麒,梁　月,楊光輝,翟星月,李國(guó)平

(1.中石油管道科技研究中心,河北 廊坊 065000; 2.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院,山東 東營(yíng) 257000;3.中國(guó)石油海外勘探開(kāi)發(fā)公司,北京 100034)

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管道水合物抑制劑注入工藝裝置的道化學(xué)安全評(píng)價(jià)

郭旭1,代曉東2,賈子麒3,梁月2,楊光輝2,翟星月1,李國(guó)平1

(1.中石油管道科技研究中心,河北 廊坊 065000; 2.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院,山東 東營(yíng) 257000;3.中國(guó)石油海外勘探開(kāi)發(fā)公司,北京 100034)

天然氣管道輸送中常因天然氣水合物的生成而造成 “冰堵”事故,目前防“冰堵”事故常用的技術(shù)手段是注入乙二醇等抑制劑,注入工藝裝置的燃爆風(fēng)險(xiǎn)一直是管道站場(chǎng)所重點(diǎn)關(guān)注的安全問(wèn)題。通過(guò)引入道化學(xué)安全評(píng)價(jià)方法,對(duì)危險(xiǎn)單元進(jìn)行識(shí)別,對(duì)危險(xiǎn)物質(zhì)進(jìn)行辨識(shí),選取決定性物質(zhì)乙二醇,計(jì)算注入工藝裝置的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)指數(shù)、危害系數(shù)、危險(xiǎn)等級(jí)、爆炸半徑,提出管道站場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)采取的工藝安全控制、隔離控制及防火消防控制等各種安全措施以及并行運(yùn)行條件,可有效降低抑制劑注入工藝裝置發(fā)生燃燒爆炸的風(fēng)險(xiǎn),為管道站場(chǎng)的安全管理提供技術(shù)指導(dǎo)和安全管理建議。

輸氣站場(chǎng);天然氣水合物;抑制劑注入裝置;道(DOW)化學(xué)安全評(píng)價(jià)法

在天然氣管道輸送過(guò)程中,常因游離水與甲烷分子結(jié)合生成水合物而造成管路堵塞,嚴(yán)重影響天然氣的管輸安全。為了抑制水合物的形成,長(zhǎng)輸天然氣管道系統(tǒng)常采用添加抑制劑的技術(shù)手段進(jìn)行防范。目前常使用的抑制劑為醇類熱力學(xué)抑制劑,熱力學(xué)抑制劑一般注入量為管道游離水的10%～60%,較大的注入量相應(yīng)的帶來(lái)管道站場(chǎng)燃爆風(fēng)險(xiǎn)的大幅提升,因此有必要選取合適的技術(shù)方法對(duì)抑制劑注入工藝裝置的潛在燃爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[1-3]?！暗阑瘜W(xué)安全評(píng)價(jià)”是美國(guó)道化學(xué)公司首創(chuàng)的火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法,目前常用的是1993年提出的第七版評(píng)價(jià)方法,該評(píng)價(jià)法是以物質(zhì)系數(shù)為基礎(chǔ),通過(guò)考慮生產(chǎn)工藝過(guò)程中的操作方式、工藝條件、設(shè)備狀況、消防條件等的影響,來(lái)計(jì)算工藝單元的危險(xiǎn)度數(shù)值并劃分危險(xiǎn)等級(jí)[4]。對(duì)于輸氣站場(chǎng)添加的抑制劑注入設(shè)備,通過(guò)引入道化學(xué)安全評(píng)價(jià)對(duì)乙二醇抑制劑注入工藝裝置及所含物料的實(shí)際潛在火災(zāi)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià),可確定注入工藝裝置火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)指數(shù)、危險(xiǎn)等級(jí)、爆炸半徑等,為管道站場(chǎng)的安全管理提供技術(shù)指導(dǎo)和合理的安全管理建議。

1　站場(chǎng)抑制劑注入裝置的工藝流程

通過(guò)對(duì)中石油管道公司典型輸氣管道站場(chǎng)抑制劑注入裝置的調(diào)研走訪,結(jié)合管道輸送天然氣物性特征和注入裝置設(shè)計(jì)、使用現(xiàn)狀,對(duì)目前常用抑制劑注入裝置的工藝流程進(jìn)行總結(jié)分析,確定管道天然氣水合物抑制劑注入工藝裝置的典型工藝流程如圖1所示。

圖1　管道天然氣水合物抑制劑注入裝置的工藝流程

此注入工藝裝置是一套天然氣水合物動(dòng)力學(xué)抑制劑的霧化注入系統(tǒng),包括儲(chǔ)液罐、動(dòng)力往復(fù)泵、螺旋霧化噴頭等主要部分,用以注入管道防“冰堵”抑制劑。主要工作過(guò)程是利用往復(fù)泵輸送天然氣水合物抑制劑,在高壓環(huán)境下將天然氣水合物動(dòng)力學(xué)抑制劑霧化成微觀液滴進(jìn)而注入天然氣輸送管道。

2　火災(zāi)、爆炸指數(shù)F & EI的計(jì)算

由于抑制劑注入工藝裝置為高度集成的近似密閉系統(tǒng),確定以整套抑制劑注入工藝裝置為評(píng)價(jià)單元進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

2.1火災(zāi)、爆炸指數(shù)F & EI的初始值計(jì)算

初始的火災(zāi)、爆炸指數(shù)F & EI計(jì)算方法為物質(zhì)系數(shù)(FM)、一般工藝危險(xiǎn)系數(shù)(F1)、特殊工藝危險(xiǎn)系數(shù)(F2)三者的乘積。首先確定物質(zhì)系數(shù)(FM),圖1中的抑制劑注入工藝裝置儲(chǔ)液罐中常用注入液為乙二醇,所以選取乙二醇的物質(zhì)系數(shù)作為整個(gè)道化學(xué)評(píng)價(jià)的物質(zhì)系數(shù),查詢《工業(yè)裝置安全衛(wèi)生預(yù)評(píng)價(jià)方法》[4]物質(zhì)系數(shù)與特性表,乙二醇Nh值為0,Nf值為4,Nr值為0,確定乙二醇的MF數(shù)值為4。

一般工藝危險(xiǎn)系數(shù)(F1)的計(jì)算過(guò)程如下:基本系數(shù)規(guī)定為1;由于注入裝置無(wú)任何化學(xué)反應(yīng),所以放熱反應(yīng)危險(xiǎn)系數(shù)和吸熱反應(yīng)危險(xiǎn)系數(shù)均為0;在物料處理與輸送項(xiàng)目中,通過(guò)查詢查詢一般工藝危險(xiǎn)系數(shù)取值表,確定抑制劑注入裝置具有易燃燒、可爆炸的危險(xiǎn)性,所以物料處理與輸送危險(xiǎn)系數(shù)取值0.5;注入裝置由于是露天作業(yè),所以密閉或室內(nèi)工藝單元危險(xiǎn)系數(shù)取值為0;通道符合要求,危險(xiǎn)系數(shù)取值為0;抑制劑注入裝置存在較低的泄漏危險(xiǎn),取危險(xiǎn)系數(shù)值0.35。最后各危險(xiǎn)系數(shù)相加得F1的數(shù)值為1.85。

特殊工藝危險(xiǎn)系數(shù)(F2)的計(jì)算過(guò)程中,基本系數(shù)為1;短期接觸無(wú)生命危險(xiǎn)或人體健康受損風(fēng)險(xiǎn),毒性物質(zhì)危險(xiǎn)系數(shù)取0;抑制劑注入裝置壓力最小為0.1 MPa,大于低壓絕對(duì)壓力要求,負(fù)壓危險(xiǎn)系數(shù)取值為0;抑制劑注入裝置只有在儀器儀表或控制裝置失靈時(shí),裝置才會(huì)處于燃燒范圍內(nèi),爆炸極限范圍內(nèi)或其附近的操作危險(xiǎn)系數(shù)取值為0.3;抑制劑注入裝置工作對(duì)象是管道內(nèi)天然氣氣體,工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生粉塵,故系數(shù)取為0;抑制劑注入裝置壓力0.1 MPa,查表得壓力項(xiàng)目危險(xiǎn)系數(shù)值0.365;整個(gè)抑制劑注入裝置在常溫下進(jìn)行,無(wú)需任何加熱和降溫措施,所以低溫危險(xiǎn)系數(shù)取0;取抑制劑注入裝置10 min處理量的氫氣作為工藝過(guò)程中不穩(wěn)定物料總量,抑制劑注入裝置注入速率為0.014 Nm3/h,乙二醇燃燒熱為1 824.0 kJ/mol,工藝過(guò)程中的總能量計(jì)算方法為工藝過(guò)程可燃物不穩(wěn)定物料總量(kg)與燃燒熱Hc(kJ/kg)的乘機(jī),計(jì)算可得其能量值為190.0 kJ,通過(guò)查詢《安全系統(tǒng)工程》[5]中工藝過(guò)程總能量危險(xiǎn)系數(shù)表,確定其危險(xiǎn)系數(shù)為0.1;裝置貯存中存在乙二醇液體,危險(xiǎn)系數(shù)取值為0.8;裝置貯存的乙二醇液體及少量潤(rùn)滑油的腐蝕與侵蝕較低,取值為0.1;裝置結(jié)構(gòu)中,泵及管路連接處一般正常泄漏,取系數(shù)為0.3;裝置存在真空泵,系數(shù)取為0.5。最后計(jì)算所得F2的數(shù)值為2.965。

工藝單元危險(xiǎn)系數(shù)F3計(jì)算方式為F1和F2的乘積,得值為5.485;火災(zāi)、爆炸指數(shù)F & EI計(jì)算方式為F3和FM的乘積,得值為21.94,根據(jù)《安全系統(tǒng)工程》中F & EI及危險(xiǎn)等級(jí)劃分原則,確定注入裝置火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)等級(jí)為低級(jí)。

2.2安全補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算

抑制劑注入工藝裝置的安全補(bǔ)償系數(shù)C值由工藝控制安全襝補(bǔ)償系數(shù)匯總(C1)、物質(zhì)隔離安全補(bǔ)償系數(shù)匯總(C2)、防火設(shè)施安全補(bǔ)償系數(shù)匯總(C3)三者相乘得到。

工藝控制安全襝補(bǔ)償系數(shù)匯總(C1)計(jì)算過(guò)程中,根據(jù)抑制劑注入工藝裝置的動(dòng)力源系統(tǒng)、冷卻裝置設(shè)置、抑爆裝置、緊急停車系統(tǒng)、操作儀表等特點(diǎn),可確定各補(bǔ)償系數(shù)值為:應(yīng)急電源補(bǔ)償系數(shù)為0.98;冷卻裝置補(bǔ)償系數(shù)為1;抑爆裝置補(bǔ)償系數(shù)為1;緊急停車裝置補(bǔ)償系數(shù)為0.97;計(jì)算機(jī)控制補(bǔ)償系數(shù)為0.96;惰性氣體保護(hù)補(bǔ)償系數(shù)為1;操作規(guī)程補(bǔ)償系數(shù)為0.95;化學(xué)活潑物質(zhì)檢查補(bǔ)償系數(shù)為1;其他工藝危險(xiǎn)分析補(bǔ)償系數(shù)為0.95。以上各補(bǔ)償系數(shù)相乘得C1為0.823 6。

物質(zhì)隔離安全補(bǔ)償系數(shù)匯總(C2)計(jì)算過(guò)程中,根據(jù)抑制劑注入工藝裝置的遠(yuǎn)距離控制、排放排污、聯(lián)鎖裝置等特點(diǎn),可確定:抑制劑注入裝置的儲(chǔ)存裝置補(bǔ)償系數(shù)為0.98;卸料/排空裝置補(bǔ)償系數(shù)為1;排放裝置補(bǔ)償系數(shù)為0.94;控制儀表裝置補(bǔ)償系數(shù)為0.98。以上各補(bǔ)償系數(shù)相乘得C2為0.893 6。

防火設(shè)施安全補(bǔ)償系數(shù)匯總(C3)計(jì)算過(guò)程中,根據(jù)抑制劑注入工藝裝置的泄漏檢測(cè)、消防供應(yīng)系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、電纜防護(hù)等特點(diǎn),可確定:泄漏檢測(cè)裝置補(bǔ)償系數(shù)為0.96;結(jié)構(gòu)鋼補(bǔ)償系數(shù)為0.96;消防水供應(yīng)系統(tǒng)補(bǔ)償系數(shù)為0.94;特殊滅火系統(tǒng)補(bǔ)償系數(shù)為0.91;噴灑滅火系統(tǒng)補(bǔ)償系數(shù)為0.86;水幕補(bǔ)償系數(shù)為0.97;泡沫滅火裝置補(bǔ)償系數(shù)為0.92;手提式滅火器材補(bǔ)償系數(shù)為0.93電纜防護(hù)補(bǔ)償系數(shù)為0.96。以上各補(bǔ)償系數(shù)相乘得C3為0.540 2。

由C1、C2、C3三者相乘即可得到安全補(bǔ)償系數(shù)C為0.40。進(jìn)而得到補(bǔ)償后的火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)指數(shù)(F&EI’)為8.78,查詢可知補(bǔ)償火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)等級(jí)為最輕。

3　危險(xiǎn)性分析

3.1計(jì)算暴露區(qū)域半徑和面積

暴露半徑的意義指當(dāng)抑制劑注入工藝裝置發(fā)生燃燒或爆炸時(shí),涉及到的區(qū)域半徑和面積會(huì)有多大。其安全系數(shù)補(bǔ)償之前的計(jì)算可根據(jù)式(1)和式(2)得出:

R=F&EI×0.84×0.304 8.

(1)

按照公式(1)計(jì)算出涉及區(qū)域的半徑R為5.12 m。

S=πR2=3.141 5×5.622=99.22 m2.

(2)

按照公式2計(jì)算出涉及區(qū)域的面積為99.22 m2。

3.2基本MPPD和實(shí)際MPPD值計(jì)算

為計(jì)算最大可能財(cái)產(chǎn)損失(基本MPPD)和實(shí)際最大可能財(cái)產(chǎn)損失(實(shí)際MPPD),需首先確定暴露區(qū)域內(nèi)財(cái)產(chǎn)更換價(jià)值和危害系數(shù)。原來(lái)成本根據(jù)管道站場(chǎng)生產(chǎn)區(qū)實(shí)際調(diào)研情況,初步按照100萬(wàn)元計(jì)算,則暴露區(qū)域內(nèi)財(cái)產(chǎn)更換價(jià)值可根據(jù)式(3)計(jì)算:

更換價(jià)值=原來(lái)成本×0.82×價(jià)格增長(zhǎng)系數(shù)(1.09).

(3)

按照式(3)計(jì)算出更換價(jià)值為89.38萬(wàn)元。

危害系數(shù)采用查表方式,根據(jù)F3值5.485和MF值4,查《安全系統(tǒng)工程》危害系數(shù)表確定危害系數(shù)為0.14。

基本MPPD的計(jì)算方法為:

基本MPPD=更換價(jià)值×危害系數(shù).

(4)

根據(jù)式(4),計(jì)算出基本MPPD為12.51萬(wàn)元。

實(shí)際MPPD的計(jì)算方法為:

實(shí)際MPPD=基本MPPD×補(bǔ)償系數(shù).

(5)

根據(jù)公式5,計(jì)算出實(shí)際MPPD為5.01萬(wàn)元。

4　評(píng)價(jià)結(jié)果總結(jié)

對(duì)抑制劑注入裝置的道化學(xué)安全評(píng)價(jià)結(jié)果為:生產(chǎn)單元:抑制劑注入工藝裝置;生產(chǎn)單元總替換價(jià)值為89.38萬(wàn)元;工藝生產(chǎn)主要物質(zhì)為乙二醇;物質(zhì)系數(shù)MF為4;火災(zāi)爆炸指數(shù)F & EI為21.94;安全措施補(bǔ)償系數(shù)為0.40;補(bǔ)償火災(zāi)爆炸指數(shù)F&EI’為8.78;最大可能財(cái)產(chǎn)損失(基本MPPD)為12.51萬(wàn)元;實(shí)際最大可能財(cái)產(chǎn)損失(實(shí)際MPPD)為5.01萬(wàn)元。

5　結(jié)　論

(1)初評(píng)計(jì)算結(jié)果表明,在沒(méi)有采取任何安全措施之前,抑制劑注入裝置初期評(píng)價(jià)的火災(zāi)、爆炸指數(shù)等級(jí)最輕(共5個(gè)級(jí)別,依次為最輕、較輕、中等、很大、非常大)。

(2)補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果表明,在合理的安全措施保障下,危險(xiǎn)等級(jí)系數(shù)大幅下降,安全性得到了更大的保障。說(shuō)明所評(píng)單元在生產(chǎn)裝置、管道站場(chǎng)的工藝安全控制、隔離控制及防火消防控制等各種安全措施并行運(yùn)行條件下,危險(xiǎn)系數(shù)更小、安全性能更高。

(3)道化學(xué)危險(xiǎn)指數(shù)分析的總體結(jié)果說(shuō)明，管道天然氣水合物抑制劑注入工藝裝置適用于一般天然氣管道輸送站場(chǎng),能夠在所有天然氣管道輸送站場(chǎng)的現(xiàn)有安全防護(hù)生產(chǎn)條件下安全、平穩(wěn)運(yùn)行,符合國(guó)家和企業(yè)相關(guān)安全生產(chǎn)法律法規(guī)及管理規(guī)定的要求。

[1]趙秀雯,于力,柴建設(shè),等.天然氣管道安全[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013:12-21.

[2]代曉東,蔡榮海,楊和平,等.忠武管道天然氣水合物的形成與抑制[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2012,31(2):158-159.

[3]蔣軍成,郭振龍.工業(yè)裝置安全衛(wèi)生預(yù)評(píng)價(jià)方法[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:23-30.

[4]劉雙躍.安全評(píng)價(jià)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2010:20-52.

[5]張景林.安全系統(tǒng)工程[M].北京:煤炭工程出版社,2002:13-110.

[責(zé)任編輯]辛艷萍

2016-03-16

郭旭(1987—),男,山東單縣人,中石油管道科技研究中心助理工程師,主要從事管道化學(xué)添加劑、管道防腐材料研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2016.02.008

TE83

A

1673-5935(2016)02- 0025- 03