地下儲(chǔ)氣庫注采氣站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究

王 珂,常大偉，羅金恒，趙新偉，馬衛(wèi)鋒

(1. 中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077；2.中國石油西氣東輸管道公司 上海 200000)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，低碳清潔的天然氣需求急劇增長(zhǎng)，天然氣安全平穩(wěn)供給形勢(shì)日益嚴(yán)峻，儲(chǔ)氣庫建設(shè)速度加快，截至2017年底，中國已建成25座天然氣地下儲(chǔ)氣庫，其中中國石油23座，工作氣量達(dá)100億立方米。地面站場(chǎng)作為地下儲(chǔ)氣庫的重要組成部分，其工藝比長(zhǎng)輸管道輸氣站更加復(fù)雜。地下儲(chǔ)氣庫的地面設(shè)施要實(shí)現(xiàn)注氣和采氣兩種功能[1-2]。注氣是將輸氣管道來氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓注入地下儲(chǔ)氣庫；采氣是將天然氣從儲(chǔ)氣庫出口采出，經(jīng)過處理進(jìn)入輸氣管道。因此，地面站場(chǎng)是保證儲(chǔ)氣庫發(fā)揮效能的關(guān)鍵，其安全評(píng)價(jià)尤為必要。本文在站場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)和單元?jiǎng)澐值幕A(chǔ)上，提出一套新評(píng)價(jià)方法，并以金壇儲(chǔ)氣庫為例進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

1 站場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)

由于站場(chǎng)設(shè)備種類、數(shù)量繁多，所以誘發(fā)事故的風(fēng)險(xiǎn)因素既是多方面的，又是多層次的[3]。站場(chǎng)與管道風(fēng)險(xiǎn)因素的影響是有差別的，在管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，造成管道失效的最主要原因是腐蝕因素和第三方破壞，而對(duì)于站場(chǎng)而言，誤操作和制造缺陷等原因?qū)υO(shè)備的失效往往影響更大。

儲(chǔ)氣庫地面站場(chǎng)設(shè)備主要風(fēng)險(xiǎn)因素分析見表1。

表1 地面站場(chǎng)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)因素

2 單元?jiǎng)澐?/h2>

儲(chǔ)氣庫地面站場(chǎng)設(shè)備種類多、工藝復(fù)雜，并且相對(duì)獨(dú)立，本文在不考慮儲(chǔ)氣庫井頭設(shè)施的情況下，將其劃分為三個(gè)單元，即壓縮機(jī)組單元、處理系統(tǒng)單元和管路系統(tǒng)單元，并對(duì)單元內(nèi)劃分子單元。如圖1所示。

圖1 站場(chǎng)單元?jiǎng)澐?/p>

3 評(píng)價(jià)方法

目前，油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系已經(jīng)成熟并應(yīng)用于實(shí)際[4-5]，而專門針對(duì)站場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法還不多，現(xiàn)有的手段也只是根據(jù)國家法律法規(guī)得出定性的評(píng)價(jià)結(jié)果，然后按照評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)照得出整改方案。本文基于定量風(fēng)險(xiǎn)排序和危險(xiǎn)與可操作研究(HAZOP)建立一套新方法，通過風(fēng)險(xiǎn)排序查找主要風(fēng)險(xiǎn)單元，或風(fēng)險(xiǎn)單元的主要風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備或管路，并以此為主要分析對(duì)象，進(jìn)行危險(xiǎn)與可操作性研究，查找風(fēng)險(xiǎn)原因，并給出采取措施或?qū)Σ?，分析工作的流程如圖2所示。

圖2 評(píng)價(jià)分析流程

評(píng)價(jià)中選用孔尺寸原則：泄漏孔徑小于或等于設(shè)備或管道自身的直徑，使用四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)孔尺寸，見表2。例如，一根1 in管道只有兩個(gè)孔尺寸：in和破裂，因?yàn)樽畲罂赡艿倪x擇相當(dāng)于1 in孔尺寸。對(duì)于壓力容器采用所有孔，往復(fù)式壓縮機(jī)參照歷史失效數(shù)據(jù)，只選用1和4 in孔尺寸。

表2 評(píng)價(jià)所使用的孔尺寸

4 評(píng)價(jià)方法應(yīng)用

金壇鹽穴地下儲(chǔ)氣庫是西氣東輸管道工程的重點(diǎn)配套工程，是我國首次利用地下巖鹽層建設(shè)的大型地下儲(chǔ)氣庫，它將會(huì)有效保證西氣東輸管道沿線和下游長(zhǎng)江三角洲地區(qū)用戶的正常用氣。下面以金壇儲(chǔ)氣庫站場(chǎng)為例進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)：

(1)單元?jiǎng)澐?/p>

按照?qǐng)D1進(jìn)行單元?jiǎng)澐?/p>

(2)風(fēng)險(xiǎn)排序

①泄漏后果

音速流動(dòng)的氣體泄漏質(zhì)量流量為[2]：

式中Cdg，氣體泄漏系數(shù)，與裂口有關(guān)，裂口為圓形時(shí)取1.00，三角形時(shí)取0.95，長(zhǎng)方形時(shí)取0.90；p為氣體操作壓力，Pa；M為氣體分子量，天然氣約為23；A為裂口面積，m2；qmG為氣體泄漏質(zhì)量流量，kg/s；R為氣體常數(shù)，8.3144J/(mol·K)；T為氣體溫度，K。

持續(xù)泄漏:

設(shè)備破壞面積:A=43x0.98

致死事故面積 :A=110x0.96

瞬時(shí)泄漏：

設(shè)備破壞面積：A=41x0.67

致死事故面積：A=79x0.67

其中，A為面積， ft2；x為泄漏質(zhì)量， lb。

對(duì)于站場(chǎng)內(nèi)部，都配備有消防水噴淋系統(tǒng)和監(jiān)視器，其對(duì)應(yīng)的后果區(qū)面積可以減小20%。

②泄漏概率

失效概率的計(jì)算是通過采用同類失效概率數(shù)據(jù)，以及設(shè)備修正系數(shù)(FE)和管理系統(tǒng)修正系數(shù)(FM)兩項(xiàng)來修改同類失效概率，計(jì)算出一個(gè)經(jīng)過調(diào)整的失效概率，表達(dá)式為：

概率調(diào)整=概率同類×FE×FM

同類失效概率采用API 581提供的值，見表3。針對(duì)站場(chǎng)的計(jì)劃停車次數(shù)大于6/年、地處1級(jí)地震區(qū)、壓縮機(jī)進(jìn)行定期振動(dòng)監(jiān)測(cè)、泄壓閥沒有大量結(jié)垢等情況，取其設(shè)備修正系數(shù)FE為6；對(duì)設(shè)備及其安全管理進(jìn)行打分，根據(jù)總得分對(duì)照管理系統(tǒng)分置與修正系數(shù)的關(guān)系圖進(jìn)行打分，如圖3所示。然后算出失效概率值。

圖3 管理系統(tǒng)分置與修正系數(shù)的關(guān)系圖

③總風(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算

設(shè)備或管線風(fēng)險(xiǎn)值=∑孔尺寸(失效后果×失效概率)

考慮設(shè)備的平均成本為500元/m2，考慮人口密度為0.01人/m2，每人的傷亡成本為10萬元。

對(duì)金壇儲(chǔ)氣庫的風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果如圖4～圖6所示。

表3 API 581建議的同類設(shè)備失效頻率

圖4 單元風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

圖5 處理系統(tǒng)單元風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖4可知壓縮機(jī)系統(tǒng)和處理系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管路系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，其中壓縮機(jī)組最大的；圖5可知處理系統(tǒng)設(shè)備中空冷器的風(fēng)險(xiǎn)值最大，其次是過濾分離器和旋風(fēng)分離器。管路系統(tǒng)中對(duì)帶壓的39條管線中，圖6可知從壓縮機(jī)出口到緩沖罐出口的管線P2112～P2118風(fēng)險(xiǎn)后果最大，這是由這些管線的運(yùn)行壓力大和溫度較高所致。

(3)HOZAP分析

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)排序確定的主要風(fēng)險(xiǎn)單元或單元里的主要風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備或管路，以它們?yōu)橹饕治鰧?duì)象，進(jìn)入到常規(guī)HOZAP分析過程。下面處理系統(tǒng)單元中最大風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備空冷器為例，給出其HAZOP分析結(jié)果和控制措施，見表4。

圖6 管路系統(tǒng)單元風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

表4 空冷器HAZOP分析結(jié)果

5 結(jié) 論

基于風(fēng)險(xiǎn)排序與危險(xiǎn)和可操作性方法(HAZOP)建立儲(chǔ)氣庫注采氣站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，有效識(shí)別高風(fēng)險(xiǎn)單元和開展詳細(xì)工藝風(fēng)險(xiǎn)分析，并在金壇儲(chǔ)氣庫應(yīng)用，評(píng)價(jià)結(jié)果表明，壓縮機(jī)系統(tǒng)和處理系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于管路系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，其中壓縮機(jī)組最大；處理系統(tǒng)設(shè)備中空冷器風(fēng)險(xiǎn)最大，其次是緩沖罐、過濾分離器和旋流分離器；管路系統(tǒng)中從壓縮機(jī)出口到緩沖罐出口的管線P2112～P2118風(fēng)險(xiǎn)后果最大，由于這些管線的運(yùn)行壓力大和溫度較高所致；最后以高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備空冷器為例，利用HAZOP法進(jìn)行詳細(xì)風(fēng)險(xiǎn)分析，并給出控制措施。