中國石油儲備庫設(shè)計運行技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議

李玉忠 馬偉平

1. 中海油石化工程有限公司, 山東 青島 266101;2. 國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司管道科技研究中心, 河北 廊坊 065000

0 前言

20世紀(jì)90年代，中國開始建設(shè)石油戰(zhàn)略儲備庫,截止2020年已建成9個國家石油儲備基地,儲油能力3 773×104t。中國的石油儲備量能力基本達(dá)到國際能源署設(shè)定的石油儲備量安全標(biāo)準(zhǔn)線90 d,但相對歐美發(fā)達(dá)國家,石油儲備及保障能力仍顯不足。2020年中國原油對外依存度接近70%,是世界第一大石油凈進(jìn)口國,加快石油儲備庫建設(shè)對于國家能源安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要[1]。石油儲備庫設(shè)計建設(shè)呈現(xiàn)大型化趨勢,運行管理難度和安全風(fēng)險不斷增大。近年來發(fā)生多次儲罐事故,造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失,例如2006年至2007年分別在儀征油庫、鎮(zhèn)海國家石油儲備庫、金山石化白沙灣油庫發(fā)生雷擊著火事故[2];2010年大連“7·16”油庫火災(zāi)爆炸事故,造成1名消防員犧牲,經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2.2億元,約1×104t原油流入渤海灣[3]。本文從石油儲備庫規(guī)劃設(shè)計、運行管理和安全消防等方面,闡述了國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀和先進(jìn)經(jīng)驗,提出了加快、完善中國石油儲備體系建設(shè)的合理化建議,旨在提高中國石油儲備庫本質(zhì)安全和保障能力。

1 石油儲備庫規(guī)劃設(shè)計

1.1 選址

石油儲備庫應(yīng)配套建設(shè)便捷的進(jìn)出油輸送和配送系統(tǒng),選址應(yīng)考慮煉化企業(yè)、長輸管道、輸油末站和消費市場等因素,兼具靈活性和可靠性?？紤]海港船舶進(jìn)口優(yōu)越性,中國石油儲備基地主要布局在沿海和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),如發(fā)生戰(zhàn)爭,石油儲備基地首當(dāng)其沖,易成為戰(zhàn)爭或恐怖襲擊目標(biāo)。石油儲備布局應(yīng)有一定梯次,未來應(yīng)規(guī)劃中西部戰(zhàn)略縱深地區(qū),具備位置隱蔽性,促進(jìn)中西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展,又能規(guī)避戰(zhàn)爭風(fēng)險[4]。

近年來，中國極端天氣事件頻繁,儲備庫選址應(yīng)注重防范暴雨和洪水造成的滑坡、滑塌等地質(zhì)災(zāi)害。美國標(biāo)準(zhǔn)API RP 2001—2012《煉油廠消防規(guī)程》(以下簡稱APIRP 2001—2012)規(guī)定，煉油廠庫區(qū)選址應(yīng)考慮颶風(fēng)、洪水和地震等自然災(zāi)害的頻率和嚴(yán)重程度,與居民區(qū)和建筑物的安全距離、設(shè)置緩沖池、未來改擴(kuò)建的概率。石油儲備油品應(yīng)以原油為主、成品油為輔,成品油揮發(fā)性強(qiáng),造成揮發(fā)損失和質(zhì)量衰減,且爆炸危險性高。按照國際慣例,原油與成品油儲存量比例不宜大于9∶1。

1.2 設(shè)計

儲罐是石油儲備庫的基礎(chǔ)設(shè)施,大型儲罐具有耗鋼率少、工藝流程簡單、相對占地面積和建設(shè)投資成本低等優(yōu)點,是石油儲備庫設(shè)計建設(shè)的發(fā)展趨勢。國外最大儲罐容積是24×104m3,中國具備最大儲罐容積15×104m3的設(shè)計、建設(shè)和運行技術(shù)[5],相比10×104m3儲罐,節(jié)省鋼材5%、占地面積7%～22%，但目前10×104m3儲罐仍占主體地位。考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素,石油儲備庫具備統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計15×104m3儲罐的條件。

未來應(yīng)研究大型儲罐本質(zhì)安全設(shè)計技術(shù),建立儲罐本質(zhì)安全的設(shè)計方法體系?？倛D設(shè)計是石油儲備庫工程的基礎(chǔ),基本原則是節(jié)約土地、設(shè)備功能分區(qū)和保證安全間距[6]。國內(nèi)儲罐控制閥設(shè)計在防火堤內(nèi)且多為手動閥門,火災(zāi)狀態(tài)下人員難以控制。大連“7·16”油庫火災(zāi)爆炸事故中儲罐控制閥失電,不能手動關(guān)閉閥門,導(dǎo)致火災(zāi)蔓延造成災(zāi)難性后果。而加拿大Enbridge公司設(shè)計儲罐控制閥位于防火堤外側(cè)且為電動閥門。GB 50351—2014《儲罐區(qū)防火堤設(shè)計規(guī)范》未強(qiáng)制要求儲罐區(qū)防滲設(shè)計和具體型式。儲罐發(fā)生油品泄漏,可能滲流導(dǎo)致附近水體環(huán)境污染。調(diào)研中國僅在少部分地下水環(huán)境敏感地區(qū)采取罐區(qū)防滲設(shè)計。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)Правила—2004《儲罐運行技術(shù)規(guī)范》規(guī)定罐區(qū)防滲做法是在地面以下1～1.5 m地基處敷設(shè)有機(jī)聚合物防滲膜,上方填充厚度 150 mm 的碎石,或者填充厚度100 mm的混凝土。

1.3 儲罐安全距離

儲罐安全距離是石油儲備庫總圖設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。中國儲罐安全距離設(shè)計等級偏低,固定式消防系統(tǒng)只能防御密封圈火災(zāi),不能撲救儲罐全面積火災(zāi)。美國和日本儲罐安全距離較大,以10×104m3儲罐核算,根據(jù)GB 50074—2014《石油庫設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱GB 50074)中國儲罐安全距離是0.4D(32 m),美國和日本分別是0.5D(40 m)和D(80 m)。確定儲罐安全距離的原則是防止火災(zāi)蔓延、實施高效滅火,考慮著火儲罐對周圍儲罐熱輻射影響以及滿足消防車操作及通過等。

目前較公認(rèn)觀點是研究儲罐池火災(zāi)燃燒模型和火焰熱輻射機(jī)理,文獻(xiàn)[7]研究了儲罐池火災(zāi)模型中液池半徑(池火直徑)、火焰高度、火災(zāi)熱輻射通量、研究對象遭受的熱輻射強(qiáng)度以及熱輻射傷害半徑等參數(shù)。壓力容器熱輻射損壞閾值標(biāo)準(zhǔn)為:熱輻射強(qiáng)度15 kW/m2,輻射時間超過10 min;熱輻射強(qiáng)度37.5 kW/m2,輻射時間超過30 min。人員熱輻射傷害準(zhǔn)則是人員嚴(yán)重?zé)齻臒彷椛鋸?qiáng)度為12.5 kW/m2。結(jié)合儲罐設(shè)施損壞和人員傷害的熱輻射強(qiáng)度準(zhǔn)則,確定儲罐安全距離。根據(jù)儲罐池火災(zāi)模型和熱輻射損害判定準(zhǔn)則,文獻(xiàn)[8-9]研究了1×104～10×104m3儲存汽油、柴油和原油的外浮頂罐的安全距離,高于GB 50074規(guī)定的儲罐安全距離;隨著儲罐容積增大,臨界熱輻射強(qiáng)度下的儲罐安全距離和GB 50074規(guī)定的安全距離趨于接近。大型儲罐本質(zhì)安全性更高,中小型儲罐易遭受熱輻射的危害性更大。

1.4 防火堤

防火堤是保障儲罐區(qū)安全運行的重要設(shè)施,應(yīng)相應(yīng)提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和安全等級。2005年英國Buncefield油庫事故中混凝土防火堤因大火長時間炙烤炸裂坍塌,消防水和油品從防火堤破裂處溢流至Ver河,造成嚴(yán)重環(huán)境污染[10]。防火堤應(yīng)采用密封性能和抗燃燒性能更好的土堤。防火堤設(shè)計除考慮靜載荷,還應(yīng)考慮儲罐破裂時大量油品泄放對防火堤的沖擊載荷。GB 50074規(guī)定儲罐防火堤實際容量不應(yīng)小于罐組內(nèi)1個最大儲罐的容量。美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA 30—2012《易燃和可燃液體規(guī)范》規(guī)定防火堤應(yīng)滿足罐組內(nèi)1個最大儲罐容量和撲救最大儲罐火災(zāi)所需的消防水量以及可能降水余量,即防火堤容量是最大儲罐容量的110%,設(shè)計等級略高于GB 50074。

2 石油儲備庫運行管理

2.1 石油儲備資源整合

中國的石油儲備以中國石化、中國石油為主,民間石油儲備未充分利用[11]。截至目前,中國約有8萬家民營石油企業(yè),儲備能力約2.3×108t,由于缺少油源,油庫基本處于閑置狀態(tài)。美國民間儲備占美國石油儲備量的2/3,日本民間儲備量占比約46%。根據(jù)國外石油行業(yè)經(jīng)驗,石油儲備采用政府、機(jī)構(gòu)和民間的混合模式較為合理。中國應(yīng)建立以國家戰(zhàn)略儲備為主、機(jī)構(gòu)和民間準(zhǔn)備為補(bǔ)充、資源儲備和商品儲備相結(jié)合的石油儲備模式。

2.2 運行機(jī)制

中國的石油儲備應(yīng)建立石油儲備安全預(yù)警及監(jiān)測機(jī)制,分析國內(nèi)外市場供需、價格趨勢、進(jìn)出口情況及可用庫存量,為石油儲備庫運營決策提供依據(jù)。中國石油儲備庫的接收、儲存、輪換、投放的條件和流程還不完善,這方面可參考美國石油儲備投放條件,例如《國家能源戰(zhàn)略和石油儲備法》中規(guī)定石油儲備的投放類型包括全面動用、有限動用、測試性動用和油庫輪換四種,并規(guī)定了不同投放形式的觸發(fā)條件、動用數(shù)量等[12]。石油儲備庫應(yīng)保持進(jìn)出動態(tài)運行,隨著儲存時間延長,原油發(fā)生膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和水等重組分沉降,原油保溫所需熱量增加,不利于環(huán)保節(jié)能。

2.3 泄漏檢測

中國的石油儲備應(yīng)用有效、高效的儲罐泄漏檢測技術(shù),及時發(fā)現(xiàn)泄漏并在未擴(kuò)散前采取控制措施十分必要[13]。傳統(tǒng)泄漏檢測方法是人工檢尺計量和無損檢測,人工檢尺計量易受人為操作、油品溫度和液面波動影響,精度較低,能探測油品泄漏,不能發(fā)現(xiàn)微小滲漏;無損檢測只能在停運儲罐或大修儲罐時進(jìn)行,儲罐完成清洗、通風(fēng)且滿足可燃?xì)怏w濃度檢測安全條件。地下水監(jiān)測井可探測水中游離態(tài)油品,但受地質(zhì)條件、地下水位限制。新建儲罐在底板下側(cè)設(shè)計基礎(chǔ)檢漏層,可檢測長期聚集的微小滲漏和較大泄漏。新建儲罐還可在基礎(chǔ)內(nèi)斜鉆孔監(jiān)測油氣濃度,利用光離子化油氣探測儀VOC PID判斷儲罐是否滲漏。美國石油學(xué)會API推薦在新建儲罐底板下安裝預(yù)防泄漏系統(tǒng)(Release Prevention Barrier,RPB),RPB型式包括但不限于罐底板內(nèi)防腐涂層,在罐底板下安裝泄漏報警管道系統(tǒng),或者設(shè)計雙層罐底板。

國外新應(yīng)用的儲罐泄漏檢測技術(shù)是聲發(fā)射法、感應(yīng)電纜法和電阻探漏法[14]。美國研發(fā)的大型常壓儲罐底板檢測專家系統(tǒng)TankPac,用于評估儲罐腐蝕泄漏情況,確定儲罐檢測周期。美國Tyco Thermal Control公司研發(fā)了TraceTek油品泄漏感應(yīng)電纜,還有罐基礎(chǔ)預(yù)埋測試試片件法及導(dǎo)電性粉末元件監(jiān)測法、電磁場感應(yīng)技術(shù)和光導(dǎo)纖維監(jiān)測技術(shù)等。儲罐檢測發(fā)展方向是在役運行儲罐微滲漏高精度檢測技術(shù),非清罐罐底檢測機(jī)器人,以及基于飽和掃頻渦流、巨磁效應(yīng)的檢測技術(shù)。

3 石油儲備庫安全消防

3.1 致災(zāi)機(jī)理

中國已建立石油儲備庫安全管理體系,但還未開展自然災(zāi)害或極端條件下事故致災(zāi)機(jī)理研究[15],例如地基沉降和風(fēng)激震動耦合作用下儲罐變形評價及災(zāi)變機(jī)理,基于擴(kuò)散后果的大尺度氣云爆炸機(jī)理、儲罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故次生災(zāi)害衍變機(jī)理,以及儲罐火災(zāi)爆炸事故反演推理模型等。

3.2 風(fēng)險評價

國外已研發(fā)原油儲罐風(fēng)險評價軟件,例如挪威DNV公司研發(fā)的石油石化行業(yè)定量風(fēng)險評價軟件Safeti,可模擬進(jìn)出油管線泄漏、斷裂、罐浮頂沉沒或失效池火災(zāi)和罐體失效全面積火災(zāi)等情形,計算得到油庫燃燒性、爆炸性或毒性事故后果及風(fēng)險分析,評估新建石油儲備庫火災(zāi)爆炸事故的影響范圍。

國內(nèi)在儲罐完整性管理、儲罐區(qū)風(fēng)險評價及預(yù)測方面還存在差距。大型儲罐防火堤內(nèi)池火災(zāi)是主要致災(zāi)類型,著火儲罐對周圍儲罐的熱輻射影響易產(chǎn)生二次事故的多米諾效應(yīng)。文獻(xiàn)[16]建立基于儲罐池火災(zāi)的定量風(fēng)險評價方法,包括事故識別、事故后果、風(fēng)險排序、個人風(fēng)險和安全距離等步驟,核心技術(shù)是基于多米諾效應(yīng)的儲罐之間相互影響的損害矩陣概率模型。以10×104m3儲罐為例,分析了儲罐池火災(zāi)事故概率和后果,考慮多米諾效應(yīng)后,罐區(qū)個人風(fēng)險等值線外延,儲罐池火災(zāi)事故概率顯著提高,近鄰著火儲罐區(qū)域的風(fēng)險水平提高一個等級(由1×10-7/a提高到1×10-6/a)。

3.3 消防技術(shù)

隨著石油儲備庫建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大,儲罐消防系統(tǒng)應(yīng)采用更高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)大型油庫存在消防水供給強(qiáng)度低、缺少大功率移動式消防設(shè)備的問題[17]。GB 50074規(guī)定著火的浮頂罐固定式冷卻水供給強(qiáng)度應(yīng)大于2.0 L/(min·m2),消防冷卻水最小供給時間大于9 h。大連“7·16”油庫火災(zāi)爆炸事故核算實際儲罐滅火及冷卻消耗的消防冷卻水供給強(qiáng)度為4.3 L/(min·m2),略高于GB 50074規(guī)定值。美國API RP 2001—2012規(guī)定易燃液體和氣體工藝區(qū)消防冷卻水供給強(qiáng)度為8.2～12.3 L/(min·m2)。文獻(xiàn)[18]分析了浮頂罐固定式消防系統(tǒng)存在的問題:泡沫噴射口/導(dǎo)流板設(shè)計缺陷,泡沫易被大風(fēng)吹散及損耗;泡沫充滿密封圈需要約10 min,可能錯過火災(zāi)初期最佳滅火時機(jī);罐頂泡沫滅火系統(tǒng)存在噴射盲區(qū);移動消防只能投射局部區(qū)域等。

近年來，國外研制Cfitm、Tank Guard、Sef等儲罐頂部自動滅火裝置,海灣地區(qū)廣泛應(yīng)用FoamFatale TM系統(tǒng)[19],無需消防水管道、泵機(jī)系統(tǒng)及人員參與,泡沫預(yù)制后儲存在高壓臥式罐中,探測火災(zāi)信號后5～10 s自動觸發(fā),通過噴射口向罐體中心區(qū)域全輻射狀噴射,泡沫流動性極佳、迅速擴(kuò)散在液面上形成覆蓋層,隔離氧氣同時冷卻罐壁。該系統(tǒng)瞬時的泡沫供給強(qiáng)度高達(dá)30 L/(min·m2),滅火時間最長不超過120 s,FoamFatale TM系統(tǒng)滅火試驗見圖1。儲罐自動消防技術(shù)相對傳統(tǒng)泡沫滅火系統(tǒng),具有低耗、高效、環(huán)保、可靠性高、無需人員參與和不影響儲罐正常運行等諸多優(yōu)點。目前國內(nèi)油庫還未大規(guī)模應(yīng)用案例,應(yīng)開展自動消防滅火系統(tǒng)試驗和應(yīng)用研究。

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儲罐如發(fā)生全面積火災(zāi),泡沫滅火系統(tǒng)不能應(yīng)對。國外已開展大型儲罐全面積火災(zāi)撲救試驗及應(yīng)用研究,應(yīng)用移動式大功率泡沫炮,泡沫液供給速率大于4×104L/min。日本法規(guī)規(guī)定直徑超過35 m的大型儲罐必須配置大功率泡沫炮,單臺泡沫炮投射能力大于1×104L/min,持續(xù)投射時間大于2 h。美國應(yīng)用巨型泡沫炮成功撲救直徑62 m儲罐火災(zāi),投射射程達(dá)150 m、流速250 L/s;2001年美國Williams公司用65 min成功撲救直徑85 m儲罐全面積火災(zāi),使用2臺大功率泡沫炮,泡沫液供給速率分別是3.6×104L/min和1.8×104L/min,經(jīng)核算泡沫供給強(qiáng)度為9.8 L/(min·m2)?？紤]經(jīng)濟(jì)性和使用頻率，目前國內(nèi)油庫較少配置大功率移動式消防設(shè)備。

3.4 雷電防護(hù)

大型浮頂罐雷擊著火區(qū)域集中在儲罐密封圈不嚴(yán)密處,2007年白沙灣油庫3號浮頂罐遭雷擊,調(diào)查原因為儲罐邊緣密封圈損壞達(dá)33%。浮盤與罐壁存在約 200 mm 空隙,形成油氣局部聚集區(qū)域。浮盤密封裝置與罐壁嚴(yán)密貼合是消除油氣空間的根本方法。以往儲罐一次密封采用機(jī)械密封,長期應(yīng)用效果不好。推薦采用軟密封結(jié)構(gòu),軟物質(zhì)填充膨脹后直接接觸液面,有效降低油氣濃度。美國儲罐在罐頂邊緣設(shè)計氮氣密封裝置,即從一次、二次密封上部環(huán)形區(qū)域注入氮氣,如發(fā)生火災(zāi)時具有冷卻、絕熱和滅火功能[20]。

廣泛應(yīng)用的儲罐雷擊防護(hù)措施有接閃、分流、屏蔽、均壓、等電位連接和接地,浮盤與罐壁等電位連接是最重要方法。國內(nèi)做法是罐體/罐壁與浮頂/浮盤進(jìn)行電氣連接,以及阻火器、呼吸閥、量油孔、人孔、透光孔等儲罐附件設(shè)施的電氣連接。美國標(biāo)準(zhǔn)API RP 545—2009《儲罐雷電防護(hù)推薦做法》除浮盤與罐壁等電位連接外,提出導(dǎo)電觸片分流,導(dǎo)電觸片為不銹鋼材質(zhì),安裝在液面以下,橫截面積不小于20 mm2,沿罐周安裝間距不超過3 m；其次是安裝可靠的罐壁接地設(shè)施,應(yīng)對儲罐防雷設(shè)施質(zhì)量狀況和導(dǎo)電性定期檢測,接地電阻值應(yīng)小于4 Ω。

4 結(jié)論

石油儲備庫是中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要保障,為提高石油儲備庫建設(shè)運營水平,提出如下建議。

1)規(guī)劃選址方面,未來應(yīng)規(guī)劃中西部地區(qū),增強(qiáng)石油儲備庫隱蔽性,注意防范地質(zhì)災(zāi)害,充分利用中國已建和規(guī)劃建設(shè)的長輸管道資源,充分利用處于閑置狀態(tài)的民間儲備資源。

2)設(shè)計方面,石油儲備庫應(yīng)統(tǒng)一采用15×104m3儲罐,研究大型儲罐本質(zhì)安全設(shè)計技術(shù),例如優(yōu)化儲罐控制閥位置、罐區(qū)防滲設(shè)計等。根據(jù)儲罐池火災(zāi)模型和熱輻射損害判定準(zhǔn)則,考慮消防車操作通過等因素,確定儲罐安全距離。優(yōu)先采用土堤,嚴(yán)格審核防火堤設(shè)計容量和施工質(zhì)量滿足GB 50074要求。

3)運行管理方面,探索建立石油儲備庫收儲、輪換和動用的條件。根據(jù)儲罐設(shè)計型式、運行情況和檢修周期,選擇若干種儲罐泄漏檢測技術(shù)。

4)安全消防方面,開展自然災(zāi)害或極端條件下事故致災(zāi)機(jī)理研究。完善基于儲罐池火熱輻射多米諾效應(yīng)的風(fēng)險評價方法。推廣應(yīng)用儲罐自動壓縮泡沫滅火系統(tǒng)技術(shù)。儲備大功率移動式消防設(shè)備及儲罐全面積火災(zāi)撲救技術(shù)。優(yōu)化設(shè)計管壁和浮盤密封結(jié)構(gòu)消除油氣聚集。

5)石油儲備庫本質(zhì)安全理念是首先保證儲罐和工藝管道系統(tǒng)的可靠性和完整性,減少油品滲漏或泄漏的概率;其次研發(fā)防火堤內(nèi)油品泄漏探測技術(shù)和油品圍控及處置技術(shù),防止火災(zāi)發(fā)展為儲罐全面積燃燒爆炸;儲備大功率移動式泡沫炮及大型儲罐火災(zāi)撲救技術(shù),以防御儲罐全面積火災(zāi)。