危險化學品罐區(qū)設計新發(fā)展及趨勢研究

張祎慶

（上海建安化工設計有限公司，上海 200437）

危險化學品罐區(qū)設計新發(fā)展及趨勢研究

張祎慶

（上海建安化工設計有限公司，上海 200437）

罐區(qū)危險介質儲存量大，一旦失控后果十分嚴重，給周圍民用設施、人員造成較高的安全風險，故關注度高、影響面廣。根據(jù)新標準要求，利用定量風險分析軟件，分析罐區(qū)工程設計案例，研究發(fā)展和趨勢，提升罐區(qū)的本質安全設計。

危險化學品儲存；安全設計；風險分析

近年來，我國危險化學品罐區(qū)多次發(fā)生有害介質泄漏，導致火災或爆炸事故。

2010年7月16日，大連中石油國際儲運公司發(fā)生輸油管線火災爆炸事故，罐區(qū)失火并造成大量原油泄漏，導致油罐、管道及其他相關設備燒毀，泄漏的原油流入附近海域造成污染，事故造成1人失蹤、1人死亡，經(jīng)濟損失超2.2億元；

2015年4月6日，福建古雷對二甲苯裝置爆燃事故，致使6人受傷，先后引發(fā)4個儲罐起火，罐區(qū)火災最終在大約56 h后被撲滅，造成重大經(jīng)濟損失和社會影響。

2015年7月16日，山東日照石大科技石化有限公司液化石油氣儲存區(qū)一個1 000 m3液態(tài)烴球罐發(fā)生泄漏爆炸火災。

鑒于罐區(qū)危險介質儲存量大，一旦失控后果十分嚴重，除了對于企業(yè)本身的危害，也給周圍民用設施、人員造成較高的安全風險。因此對于危險化學品罐區(qū)本質安全設計的研究是十分必要和迫切的。

1 社會各界的要求及行業(yè)內(nèi)部的反思

隨著事故的頻發(fā)，國家安監(jiān)總局針對罐區(qū)設計發(fā)布了諸多新規(guī)定和新要求，例如：《危險化學品重大危險源罐區(qū)現(xiàn)場安全監(jiān)控裝置設置規(guī)范AQ 3036—2010》、《危險化學品重大危險源安全監(jiān)控通用技術規(guī)范AQ 3035—2010》、國家安全監(jiān)管總局發(fā)布的《關于進一步加強化學品罐區(qū)安全管理的通知安監(jiān)總管三（2014）68號》等規(guī)范和法令，均對罐區(qū)的安全設計提出了更為嚴格的措施和要求。

同時，《SH/T 3007—2014石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設計規(guī)范》、《GB 50016—2014建筑設計防火規(guī)范》、《GB 50058—2014爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》、《GB 50351—2014儲罐區(qū)防火堤設計規(guī)范》等重要規(guī)范也在近期陸續(xù)更新。

另外，一些地方性法律法規(guī)、部門規(guī)章也紛紛出臺，僅以山東省為例，就有：《關于印發(fā)〈山東省危險化學品建設項目安全監(jiān)督管理辦法實施細則〉的通知》（魯安監(jiān)發(fā)〔2013〕39號）、《關于印發(fā)〈山東省危險化學品輸送管道安全專項整治工作實施方案〉》（魯安監(jiān)發(fā)〔2014〕3號）、《關于加強?；分卮笪ｋU源安全監(jiān)管工作的通知》（荷安監(jiān)字〔2014〕28號）、《山東生產(chǎn)經(jīng)營單位安全生產(chǎn)主體責任規(guī)定》（山東省人民政府令〔2013〕260號）等等。

從宏觀上講，針對罐區(qū)本質安全設計的要求可以說是越來越多，也越來越高。

從行業(yè)內(nèi)部來講，我們也一直在反思，目前的設計中是否存在漏洞或者需要更新的設計理念。

罐區(qū)設計的可靠性和安全性是我們所不斷追求的。但是無論從規(guī)范還是安全設計要求的角度，其執(zhí)行性也爭議不斷，工程設計難度增大，成為目前儲罐設計的難點之一。

隨著越來越多的國外工程公司和海外項目涉足國內(nèi)工程界，風險定量化分析進入了國內(nèi)的工程項目中[1-2]。是否可以應用先進的定量安全風險分析技術于國內(nèi)的罐區(qū)設計之中，如何準確有效的應用，如何合理把握罐區(qū)本質安全設計和工程設計費用之間的“度”，已然成為當下設計行業(yè)的熱門話題。

針對以上論述，本文結合相關規(guī)范，選用液化天然氣（LNG）罐區(qū)的工程設計開展工藝計算，同時利用國外公認度高的軟件進行定量風險分析，針對儲罐安全設計歸納和總結，力求為今后的儲罐本質安全設計帶來啟迪。

2 罐區(qū)風險定量化分析應用實例

在《GB 50183—2004石油天然氣工程設計防火規(guī)范》中，10.3.4、10.3.5已經(jīng)明確提出，針對LNG的擴散和火災熱輻射范圍，需要通過定量風險分析的手段進行計算[3]。具體設計條件、計算和分析如下。

2.1 LNG儲罐設計條件

LNG儲罐設計條件見表1。

2.2 圍堰高度、有效容積計算

按照項目實際條件，并根據(jù)《GB 50183—2004石油天然氣工程設計防火規(guī)范》的10.3.3條第1點：“操作壓力小于或者等于100 kPa的儲罐，當圍堰和儲罐分開設置時，儲罐至圍堰最近邊沿的距離，應為儲罐最高液位高度加上儲罐氣相空間壓力的當量壓頭之和與圍堰高度之差；當罐組內(nèi)的儲罐已經(jīng)采取了防低溫或者火災的影響措施時，圍堰區(qū)內(nèi)的有效容積應不小于罐組內(nèi)一個最大儲罐的容積；當儲罐未采取防低溫和火災的影響措施時，圍堰區(qū)內(nèi)的有效容積應為罐組內(nèi)儲罐的總容積?！?/p>

表1 LNG儲罐設計條件Tab. 1 Design Conditions of LNG storage tank

圖1 儲罐至圍堰最近邊沿的距離Fig. 1 Sketch of distance from nearest side of dike to tank

計算步驟如下：

第一步：按儲罐至圍堰最近邊沿的距離要求列出計算公式，見式（1）。

第二步：按有效容積的要求列出計算公式，見式（2）。

先假設圍堰高度為2.2 m（一般立式儲罐防火堤的最大高度），則由式（1）計算得出：Y=17.565 m，X≥20.065 m，式（2）計算得出：X≥16.88 m。

考慮到以下因素：

（1）LNG易氣化，管線距離應盡量縮?。?/p>

（2）為節(jié)約用地，應適量提高圍堰高度，縮小單罐占地面積；

（3）若圍堰設置太高，管線進出需要穿越防火堤，造成配管不便，且消防難度加大。

綜上，最后定圍堰高度為2.2 m，X取20.3 m，防火堤有效容積計算得6 564 m3，其圍堰面積約為3 600 m2。

2.3 設計泄漏量計算

根據(jù)GB 50183—2004的10.3.5條第3點，設計泄漏量應按下列要求確定：

失效模式1：液化天然氣儲罐圍堰區(qū)內(nèi)，儲罐液位以下有未裝內(nèi)置關閉閥的接管情況，其設計泄漏量應按照假設敞開流動及流通面積等于液位以下接管管口面積，產(chǎn)生以儲罐充滿時流出的最大流量，并連續(xù)流動到0壓差時為止。儲罐成組布置時，按可能產(chǎn)生最大流量的儲罐計算。

失效模式2：管道從罐頂進出的儲罐圍堰區(qū)，設計泄漏量按一條管道連續(xù)輸送10 min的最大流量考慮。

失效模式3：儲罐液位以下配有內(nèi)置關閉閥的圍堰區(qū)，設計泄漏量應按照假設敞開流動及流通面積等于液位以下接管管口面積，儲罐充滿時持續(xù)流出1 h的最大量考慮。

將三種失效模式進行對比，見表2。

表2 工況比較Tab. 2 Comparison list of failure cases

結合工程設計經(jīng)驗，通過比較發(fā)現(xiàn)，失效模式2的設計方案安全風險最低、工程難度及工程安裝費用也較低，最為合理可行。

主要針對有害介質擴散和火災影響，模擬后果，進行定量分析。

3 PHAST（DNV GL）軟件建模計算

根據(jù)GB 50183—2004的10.3.4條第1點：圍堰區(qū)至室外活動場所、建（構）筑物的距離，可按國際公認的液化天然氣燃燒的熱輻射計算模型確定，也可使用管理部門認可的其他方法計算確定。

本文使用國際公認較高的挪威船級社（DNV GL）的PHAST（6.7版）軟件進行建模計算。將安全風險最高的失效模式1和安全風險最低的失效模式2進行比較。

3.1 定義氣象條件

利用DNV公司的PHAST軟件進行計算，首先需要定義氣象條件，氣候參數(shù)根據(jù)GB 50183—2004中10.3.4條第2點的要求，其要求為0級風速，Phast軟件所能設定的最小風速為1 m/s，故本文選用1 m/s作為參數(shù)設定，具體如表3。

具體PHAST氣候參數(shù)軟件輸入如下表4、表5。

3.2 物性輸入

接下來，輸入液化天然氣（LNG）的物料性質，具體如下表6。

表3 氣候參數(shù)Tab. 3 Parameters of climatic

表4 氣象條件1（風速、大氣穩(wěn)定度）Tab. 4 Weather data

表5 氣象條件2（大氣溫度、相對濕度）Tab. 5 Atmospheric parameters

表6 物性輸入Tab. 6 Physical property

3.3 分析模型定義

3.3.1 失效模式1的定義

根據(jù)GB 50183—2004的10.3.5條第3點，對失效模式1的描述，在PHAST模型中選用災難性破裂（Catastrophic Rupture）工況進行建模，見圖2。

圖2 失效模式1的定義Fig. 2 De fi nition of failure case 1

設定泄漏高度為罐底部，泄漏標高約4 m，見表7。失效模式2設定泄漏高度與失效模式1一致。

表7 泄漏位置標高Tab. 7 Elevation of release

圍堰定義為存在，其高度為2.2 m，定義不可能失效，表面為水泥，圍堰面積為3 600 m2，具體輸入見圖8。

表8 圍堰參數(shù)設定Tab. 8 Bund modeling

3.3.2 失效模式2的定義

根據(jù)GB 50183—2004的10.3.5條第3點，對失效模式2的描述：“管道從罐頂進出的儲罐圍堰區(qū)，設計泄漏量按一條管道連續(xù)輸送10 min的最大流量考慮”,針對以上要求，已知此罐輸出管道設計流量為120 m3/h，計算可得其10 min連續(xù)輸送量8 940 kg即為設計泄漏量，約14.9 kg/s;泄漏的瞬間所泄漏介質（Liquid Fraction）為100 %液相，同時結合本文2.1章節(jié)中的儲罐設計條件和描述，在用戶自定義模型（Use De fi ne Source）中定義失效模式2如表9。

3.4 模擬分析結果

完成以上設置后進行計算可得LNG蒸氣云擴散區(qū)域和池火晚期熱輻射（pool fire）區(qū)線。圖3、圖4分別為失效模式1和失效模式2的LNG蒸氣云擴散區(qū)域圖，其中藍色表示為2.5%（2.5×104ppm）LNG（主要為甲烷）擴散曲線，綠色表示為4.5 %（4.5×104ppm）擴散曲線，紅色表示為16.5（1.65×105ppm）擴散曲線。

表9 失效模式2輸入Tab. 9 Input of failure case 2

圖3 失效模式1 LNG蒸氣云擴散區(qū)域Fig. 3 Concentraciton sketch LNG VCE dispersion of failure case 1

圖4 失效模式2 LNG蒸氣云擴散區(qū)域Fig. 4 Concentraciton sketch LNG VCE dispersion of failure case 2

圖5、圖6分別為失效模式1和失效模式2的晚期池火熱輻射圖，其中藍色曲線內(nèi)面積代表4 kW/m2， 綠色曲線內(nèi)面積代表9 kW/m2， 紅色曲線內(nèi)面積代表30 kW/m2。

圖5 失效模式1池火晚期熱輻射Fig. 5 Late Pool fi re Radiation of failure case 1

圖6 失效模式2池火晚期熱輻射Fig. 6 Late Pool fi re Radiation of failure case 2

將建模結果數(shù)據(jù)梳理和比較，模擬擴散和熱輻射半徑對比結果見表10、表11。

表10 擴散模擬對比Tab. 10 Comparison list of dispersion modeling

表11 熱輻射半徑模擬對比Tab. 11 Comparison list of Radiation radius

3.5 確定區(qū)域布置防火間距

根據(jù)《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》（GB 50183—2004）10.2.5條的要求，確定液化天然氣站場區(qū)域布置。本文舉例的LNG罐區(qū)防火間距確定步驟如下：

（1）本罐區(qū)總容量為5 000 m3，先根據(jù)GB 50183中表3.2.2確定其為二級液化天然氣站場，在表4.0.4中查到與周圍居住區(qū)、相鄰廠礦企業(yè)、交通線等的防火間距的最小要求。

（2）本罐區(qū)總容量介于3 000 m3～30 000 m3之間，應根據(jù)對現(xiàn)場條件、設施安全保護程度的評價確定，且不應小于上一條確定的距離。

（3）以上兩條確定的防火間距，再按GB 50183—2004第10.3.4條和第10.3.5條規(guī)定進行定量風險分析校核。分析結果通過本文表10、11可知，可以看出本罐區(qū)無論失效模式1還是失效模式2，其結果均大于規(guī)范表4.0.4中的距離要求，故最終應根據(jù)計算結果調(diào)整或修正區(qū)域布置防火間距，以確保安全性。

同時，根據(jù)表10、11比較可得，失效模式1的防火間距大大地高于失效模式2。說明計算過程中假定的不同失效模式將對安全風險的計算結果產(chǎn)生很大影響。

綜上，利用國際公認的計算軟件，建模定量化分析十分必要，使安全設計更有針對性，避免“一刀切”。

4 結論與建議

4.1 計算和軟件建?？偨Y及建議

通過計算和后果軟件模擬的描述和說明，筆者提出如下問題和建議：

（1）不同的后果模擬軟件所算出的結果，由于其內(nèi)部的經(jīng)驗公式、余量系數(shù)等因素，肯定存在不一致性，有的軟件所計算的結果偏保守，容易造成工程投資費用上升；反之激進的計算結果，可能提高原先的風險程度。因此建議，增強后果模擬模型中關鍵參數(shù)的統(tǒng)一性，或者規(guī)定一種固化計算形式[4-5]。

（2）后果模擬是否可以適當考慮概率時間因素，例如：后果模擬計算的必要條件是保護層失效，儲罐泄漏一般理解為兩類：第一類儲罐本體破裂，其發(fā)生的概率較低；第二類儲罐接連部分管道或者法蘭破裂泄漏，其發(fā)生的概率相對較高。如將失效和點火的概率考慮入定量風險分析中，儲罐破裂泄漏火災的計算結果可以更加合理[6-7]；

4.2 儲罐安全設計結語

從本文第3章節(jié)，我們不難發(fā)現(xiàn)通過定量化計算和軟件后果模擬，可以為LNG儲罐的工程安全設計帶來指導性的建議，其后果模擬結果參數(shù)，除了本身設計規(guī)范要求以外，也能為工程項目安全事故緊急預案的編制提供指向，合理地降低人員傷亡風險，是十分必要的手段。

4.3 總論

綜上所述，在儲罐工程設計過程中，由于其本身的高安全風險性，安全設計的難度較高，然而隨著我國石油化工安全事故進入了高發(fā)期，更為嚴格的安全設計也在加大設計的的難度，且對于法律和標準的執(zhí)行難度也在增大。在此“高難度”的要求下，越來越多的定量化設計手段將會被應用，針對定量化的后果參數(shù)，針對性的給出安全保護措施，降低安全風險，也將會成為未來工程設計的常用手段。

[1]API 752，Management of Hazards Associated with Location of Process Plant Permanent Buildings》，2009.

[2]AQ/T 3056—2013，化工企業(yè)定量風險評價導則，2013.

[3]李一銣．火災、爆炸危險評價方法選擇及介紹. 勞動保護科學技術，2000.

[4]王建波. 談安全評價及其方法. 林業(yè)勞動安全，2004.

[5]何華剛，費先明. 化工安全評價探討. 安全與環(huán)境工程，2003.

[6]樊曉華，吳宗之，宋占兵. 化工過程的本質安全化設計策略初探. 應用基礎與工程科學學報，2008.

[7]GB 50183—2004，石油天然氣工程設計防火規(guī)范，2004.

Current Development and Trend Study of Design Methods for Tanks Storing Hazardous Mediums

Zhang Yiqing
（Shanghai Jian An Chemical Design Co., Ltd, Shanghai 200235）

Since there is large amount of hazardous fl uid stored in tank distributed zone, uncontrolled result which if occurs is quite serious. The results will cause safety risk in civil facilities around and the personals. In this article, based on the new standard for tank distributed zone and using quantitative analysis software, some practical engineering examples were analyzed, and new trends in technology developments were studied, which aims at inherent safety design for tank distributed zone.

hazardous chemical storage; safety design; risk analysis

T

：A

：2095-817X（2017）02-0058-006

2016-11-01

張祎慶（1984—），女，工程師，主要從事石油化工儲運工藝設計工作。