低溫液化烴碼頭集液池容量計(jì)算

郭新杰 陳 偉

中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司

1 引言

新版JTS 158-2019《油氣化工碼頭設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(簡稱《碼頭防火規(guī)范》)已于2020年1月1日起實(shí)施，由于舊版《碼頭防火規(guī)范》未對(duì)低溫液化烴的泄漏收集做出要求，因此現(xiàn)有運(yùn)營的低溫液化烴碼頭均未設(shè)置泄漏收集池。目前，雖然新版規(guī)范提出低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)應(yīng)設(shè)置防止液體流淌的緊急泄漏收集池，但未對(duì)集液池的容量計(jì)算、平面布置、消防環(huán)保等做出明確要求，因此在規(guī)范執(zhí)行過程中存在一定的爭議和問題[1-2]。通過查閱國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)，結(jié)合某低溫液化烴裝卸碼頭工程設(shè)計(jì)實(shí)例，采用不同的計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析，選取適合工程實(shí)際的計(jì)算方法。

2 工程項(xiàng)目概況

擬建工程選址位于茂名港吉達(dá)港區(qū)位于茂名雞打港附近，東與陽西縣沙扒港為鄰，西與博賀港區(qū)相接，建設(shè)2個(gè)5萬Gt液體散貨泊位以及相應(yīng)的配套設(shè)施，設(shè)計(jì)吞吐量為425萬t/年，碼頭設(shè)計(jì)通過能力450萬t/年，主要進(jìn)行低溫丙烷、低溫丁烷、低溫乙烯等物料的裝卸業(yè)務(wù)。

針對(duì)低溫液化烴特殊的物性要求，碼頭裝卸平臺(tái)至后方庫區(qū)設(shè)計(jì)分界線范圍內(nèi)工藝管道系統(tǒng)設(shè)有1根液相裝卸管道和相應(yīng)長度的1根保冷循環(huán)管道，同時(shí)設(shè)置1根火炬管道兼顧超壓泄放功能，其中低溫乙烯為1根DN400主液相管的獨(dú)立裝卸工藝系統(tǒng)，低溫丙烷2根DN600主液相管和低溫丁烷1根DN600主液相管通過匯管聯(lián)通。

卸船工況為：低溫液化烴運(yùn)輸船到達(dá)碼頭后，低溫液化烴經(jīng)船上卸料泵通過碼頭上液動(dòng)裝卸臂輸送低溫液化烴至后方廠區(qū)的儲(chǔ)罐內(nèi)。為了避免低溫液化烴初始卸船時(shí)進(jìn)入處于常溫工況工藝管道系統(tǒng)產(chǎn)生大量BOG(Boil off Gas，閃蒸氣)，在卸船操作前進(jìn)行管道預(yù)冷循環(huán)，通過保冷循環(huán)管道預(yù)冷裝卸臂和前端常溫主工藝管道。

5萬Gt低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)工藝管道平面布置見圖1。

1.低溫丁烷裝卸臂 2.低溫丙烷裝卸臂 3.低溫丙烷裝卸臂 4.低溫乙烯裝卸臂 5.低溫丁烷主液相管 6.低溫丙烷主液相管 7.低溫丙烷主液相管 8.低溫乙烯主液相管圖1 低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)工藝管道平面布置圖

3 低溫液化烴泄漏單元的劃分

為了分析方便，需要對(duì)低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)進(jìn)行泄漏單元?jiǎng)澐郑到y(tǒng)單元?jiǎng)澐謺r(shí)以工藝流程關(guān)系及物理平面位置布局為主要依據(jù)，泄漏單元的劃分通常依據(jù)ESD閥門或具有切斷功能的閥門位置以及設(shè)備布置進(jìn)行劃分，泄漏單元?jiǎng)澐值闹饕瓌t是：

(1)以發(fā)生泄漏時(shí)能夠起到切斷泄漏源的閥門位置為主要依據(jù)，從而使得各泄漏單元在發(fā)生泄漏時(shí)相對(duì)獨(dú)立于其他單元。

(2)泄漏單元通常僅僅針對(duì)主工藝物料回路。

本工程低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)有低溫丙烷、低溫丁烷和低溫乙烯3套裝卸工藝系統(tǒng)，其中低溫乙烯為完全獨(dú)立的系統(tǒng)單元，低溫丙烷和低溫丁烷雖然通過匯管聯(lián)通，但是通過匯管設(shè)置切斷閥形成隔離系統(tǒng)單元?？紤]實(shí)際裝卸過程為單一工藝系統(tǒng)單元運(yùn)行，因此把可能產(chǎn)生低溫液化烴泄漏的具有2根DN600主液相管最大容積的低溫丙烷工藝系統(tǒng)作為研究對(duì)象，將其劃分為裝卸臂至支路自動(dòng)切斷閥單元和支路切斷閥至主管緊急切斷閥單元。其中支路切斷閥至主管緊急切斷閥單元雖然僅局部工藝管線在本工程設(shè)計(jì)范圍，但考慮工藝管道系統(tǒng)的不可割裂性，物料存量按整體工藝管路系統(tǒng)計(jì)算考慮。

泄漏單元?jiǎng)澐忠姳?。

表1 泄漏單元?jiǎng)澐?/p>

4 低溫液化烴泄漏事故場景

泄漏事故場景根據(jù)對(duì)低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)危險(xiǎn)工藝管線和設(shè)備分析，根據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(AQ/T3046-2013)對(duì)事故場景的分類，泄漏場景可根據(jù)泄漏孔徑大小分為完全破裂以及孔泄漏兩大類。由于目前國內(nèi)根據(jù)NFPA59A翻譯轉(zhuǎn)化國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范為《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》(GB/T 20368-2012)尚未針對(duì)國外更新2019版本更新轉(zhuǎn)化，因此未對(duì)工藝管道泄漏孔徑進(jìn)行規(guī)定，如果單純按照《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(AQ/T3046-2013)對(duì)工藝管道事故泄漏場景的分類，泄漏孔徑偏大造成集液池容積計(jì)算結(jié)果偏大[3-5]。結(jié)合國外最新規(guī)范《Standard for the Production,Storage,and Handing of Liquefied Natrural GAS(LNG)》(NFPA59A-2019)要求“Great than or equal to 6 in.Diameter,a hole size of 2 in.Diarmeter is applied at any location along the piping aegement.”，即口徑大于DN150的工藝管道泄漏口徑取為50 mm。

研修班主要特色：主承辦單位高度重視，組織落實(shí)到位；以行業(yè)需求為導(dǎo)向，完善課程體系；不斷創(chuàng)新研修機(jī)制，優(yōu)化研修環(huán)境；提升研修水平，培育領(lǐng)軍人才。主要成效：聚集創(chuàng)新資源，推廣科研新成果；強(qiáng)化責(zé)任意識(shí)，激發(fā)組織新活力；發(fā)揮輻射作用，提升品牌新高度。中國BIM高級(jí)研修班多期的成功舉辦促進(jìn)了行業(yè)知識(shí)型、技術(shù)型、創(chuàng)新型高素質(zhì)人才隊(duì)伍建設(shè)，為產(chǎn)業(yè)持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展提供了重要人才支撐，對(duì)探索有效的行業(yè)人才培養(yǎng)機(jī)制和模式、引領(lǐng)開創(chuàng)人才教育培訓(xùn)新格局起到積極的示范效果。

綜合國內(nèi)外規(guī)范要求，有代表性的泄漏孔徑見表2。

表2 泄漏孔徑綜合表

5 低溫液化烴泄漏概率分析

失效單元泄漏的頻率分析是確定單元泄漏可能發(fā)生的頻率，通過泄漏頻率分析，可以預(yù)測現(xiàn)在或?qū)碓O(shè)備設(shè)施發(fā)生泄漏的頻率，并作為起始頻率供設(shè)備設(shè)施泄漏事故頻率分析所用。

對(duì)于工藝設(shè)備失效概率分析，國外通行的做法是依據(jù)前期數(shù)據(jù)積累形成的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析。由于我國尚未建立低溫液化烴相關(guān)的工藝設(shè)備失效分析數(shù)據(jù)庫，因此一方面參考《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(AQ/T 3046-2013)、《基于風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)方法》(SY/T6714-2008)和《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》(GB/T37243-2019)等國內(nèi)規(guī)范[6]，另一方面基礎(chǔ)國際認(rèn)可的數(shù)據(jù)庫每個(gè)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)(Federal Energy Regulatory Commission，縮寫FERC)和英國安全與健康執(zhí)行局(Health and Safe Executive，縮寫HSE)確定與本項(xiàng)目失效單元泄漏場景有關(guān)的頻率，各失效單元的泄漏頻率見表3。

表3 失效單元泄漏頻率表

注：括號(hào)內(nèi)為考慮NFPA59A-2019泄漏孔徑要求。

當(dāng)前，低溫裝卸臂的設(shè)計(jì)和安全性能已經(jīng)得到了極大的提高，低溫裝卸臂全通徑破裂的可能性極小，并且本項(xiàng)目低溫液化烴裝卸臂均采用ERC系統(tǒng)進(jìn)行有效保護(hù)，概率失效可能性系數(shù)將降低10%，因此，低溫裝卸臂全通徑的失效頻率將降低至10-8/a，屬于小概率事件。考慮項(xiàng)目實(shí)際地理位置處于空曠的海邊，已經(jīng)遠(yuǎn)離高密度人群區(qū)域，按照《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(AQ/T 3046-2013)中8.2.4節(jié)“當(dāng)泄漏場景發(fā)生的概率小于10-8/a或事故場景造成的死亡概率小于1%時(shí)，在定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)可不考慮這種場景?！绷硗獾蜏匾夯療N運(yùn)輸船建造規(guī)范亦要求船上緊急切斷閥應(yīng)在30 s內(nèi)快速關(guān)閉，可以避免持續(xù)大量的低溫液化烴泄漏，綜合考慮各方面因素，本項(xiàng)目定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)不考慮低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)低溫裝卸臂全通徑破裂的失效泄漏場景。

6 定量泄漏計(jì)算與分析

6.1 定量計(jì)算說明

本計(jì)算分析只考慮人員合規(guī)操作和按照規(guī)章制度良好保護(hù)下的風(fēng)險(xiǎn)，不考慮人員的違規(guī)操作。同時(shí)，假設(shè)泄漏發(fā)生后，ESD閥門、自動(dòng)控制閥門和ERC等設(shè)施能有效隔離管道和設(shè)施中可燃介質(zhì)的流動(dòng)。

6.2 泄漏計(jì)算

(1)泄漏時(shí)間

國內(nèi)《基于風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)方法》(SY/T6714-2008)規(guī)范描述“補(bǔ)足破裂泄放量的預(yù)計(jì)時(shí)間大約是1～5 min”，并推薦選擇3 min作為泄漏時(shí)間。參考國外PurpleBook-CPR18E-Guidelines for QuantitativeRiskAssessment(CPR18E量化風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)則)，3種隔離切斷系統(tǒng)：全自動(dòng)切斷系統(tǒng)、半自動(dòng)切斷系統(tǒng)和手動(dòng)切斷系統(tǒng)，其中全自動(dòng)切斷系統(tǒng)的關(guān)閉隔離時(shí)間為2 min。綜合考慮本工程具備完善的全自動(dòng)探測連鎖切斷隔離系統(tǒng)，當(dāng)?shù)蜏匾夯療N碼頭裝卸區(qū)上的工藝管道發(fā)生泄漏時(shí)，緊急切斷閥自動(dòng)響應(yīng)發(fā)生動(dòng)作，泄漏時(shí)間即為緊急切斷閥關(guān)閉時(shí)間，通常1 in的閥門關(guān)閉時(shí)間為2～4 s，考慮取中間值。后方管廊設(shè)計(jì)范圍主管DN800的閥門響應(yīng)關(guān)閉時(shí)間96 s，綜合考慮國內(nèi)外規(guī)范要求和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)F&G探測系統(tǒng)及切斷系統(tǒng)完全成功，對(duì)于5、25、50&100 mm和完全破裂孔徑的泄漏、探測和切斷時(shí)間均為120 s。

(2)泄漏速率

根據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(AQ/T 3046-2013)液體經(jīng)管道孔流出質(zhì)量流率計(jì)算泄漏速率：

式中，Qm為泄漏速率，kg/s；A為泄漏孔面積，；C0為液體泄漏系數(shù)，管道失效工況下無法確定液體泄漏系數(shù)時(shí)，取1.0；ρ為泄漏液體密度，kg/m3；p為管道內(nèi)液體壓力，Pa；p0為環(huán)境壓力，Pa。

計(jì)算分析所模擬的各種泄漏事故一旦發(fā)生，都會(huì)有危險(xiǎn)物料泄漏，根據(jù)計(jì)算泄漏速率結(jié)合120 s泄漏、探測和切斷時(shí)間，其泄漏量計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 泄漏量計(jì)算表

6.3 集液池收集容量分析

根據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(AQ/T3046-2013)9.2.5要求，最大可能泄漏量取可能泄漏流體存量的上限和工藝管道設(shè)備截?cái)嗲翱闪魅肓康妮^小值，綜合考慮裝卸臂至支路自動(dòng)切斷閥單元和支路切斷閥至主管緊急切斷閥單元存量和泄漏計(jì)算量兩方面因素，因此本項(xiàng)目低溫液化烴泄漏量不小于13.21 m3。

低溫液化烴碼頭裝卸區(qū)集液池應(yīng)具有完善的排水系統(tǒng)，在泄漏工況下不考慮雨水和消防水的積水容積，其容量設(shè)計(jì)應(yīng)按照本區(qū)域內(nèi)最大單一設(shè)備失效泄漏量基礎(chǔ)上增加0.6 m泡沫覆蓋容量考慮，因此本項(xiàng)目集液池容量設(shè)計(jì)為18 m3，其中長寬高為3 m×3 m×2 m。

7 結(jié)語

隨著新版《碼頭防火規(guī)范》的實(shí)施，為了目前運(yùn)營的低溫液化烴碼頭和新建低溫液化烴碼頭的集液池容量計(jì)算操作性更強(qiáng)，重點(diǎn)分析介紹了低溫液化烴泄漏量的計(jì)算方法和原則，并通過對(duì)比國內(nèi)外規(guī)范不同要求，結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)例和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)分析，形成如下結(jié)論：

(1)口徑大于DN150的低溫液化烴工藝管道泄漏口徑取為50 mm，不考慮工藝設(shè)備管道全通徑破裂失效工況。

(2)具備全自動(dòng)探測連鎖切斷的低溫液化烴工藝系統(tǒng)失效相應(yīng)時(shí)間，根據(jù)各工程項(xiàng)目實(shí)際閥門規(guī)格參數(shù)確定。

(3)集液池容量在泄漏工況下不考慮疊加雨水和消防水的積水容積。