油氣站場多危險(xiǎn)源個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)研究

李秀剛

中國石油招標(biāo)中心新疆分中心

油氣站場是油氣資源開發(fā)場場所的重要組成部分，承接上游開采和下游銷售。站場與單一線狀管道相比，具有工藝復(fù)雜、設(shè)備眾多、風(fēng)險(xiǎn)源交叉等特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸或泄漏事故，會對周圍環(huán)境和人員造成破壞性損傷，甚至引發(fā)多米諾效應(yīng)[1-2]。因此，考慮油氣站場內(nèi)多危險(xiǎn)源的交互影響，并對其進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)尤為重要。

目前，國內(nèi)外針對區(qū)域內(nèi)危險(xiǎn)源的定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)進(jìn)行了大量研究。楊克等[3]針對天然氣泄漏引發(fā)的蒸氣云爆炸進(jìn)行了計(jì)算，分析了泄漏時(shí)間對傷亡半徑的影響；王云慧等[4]分析了火災(zāi)發(fā)生后熱輻射通量與熱源距離之間的關(guān)系，并修正了無量綱超壓擬合模型；劉明明等[5]針對橇裝天然氣處理設(shè)備，采用Probit 函數(shù)計(jì)算了二次事故對周圍設(shè)備的多米諾影響；CHEN Luwang 等[6]提出了將GIS 系統(tǒng)與層次分析法結(jié)合，用于確定區(qū)域內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)等級；ABDOLHAMIDZADEH等[7]采用蒙特卡洛大數(shù)模擬的方法對比了多危險(xiǎn)源和單一危險(xiǎn)源下的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)。以上研究大多基于理論假設(shè)的定性或半定量研究方法，對于不同危險(xiǎn)源在不同位置的疊加效應(yīng)考慮不足，且未涉及個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)中關(guān)于危險(xiǎn)源事故發(fā)生概率的計(jì)算。綜上所述，考慮到油氣站場區(qū)域范圍大、布局非均質(zhì)性強(qiáng)和部分設(shè)備防火間距不夠的特點(diǎn)，采用信息擴(kuò)散模型計(jì)算事故發(fā)生概率，并定義了池火災(zāi)、蒸汽云爆炸和沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸（BLEVE）造成的個(gè)體死亡概率，在笛卡爾坐標(biāo)下利用網(wǎng)格劃分技術(shù)確定站場內(nèi)任意網(wǎng)格單元的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)，研究結(jié)果可為站場安全選址及應(yīng)急預(yù)案制定提供理論依據(jù)。

1 個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)

個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)是指在一定區(qū)域內(nèi)固定生活、工作而未采取任何保護(hù)措施的人員遭受特定傷害而死亡的概率，是社會風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的最小單元[8-9]。油氣站場風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的目的是計(jì)算區(qū)域內(nèi)任意位置的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)，并與個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)對比，量化油氣站場內(nèi)的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)可接受程度，個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算如公式（1）所示：

式中：IR(x,y)為在坐標(biāo)(x，y)處的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)；f為危險(xiǎn)源事故發(fā)生概率；vs(x，y)為事故發(fā)生后在坐標(biāo)(x，y)處引發(fā)的個(gè)體死亡概率；M為站場內(nèi)危險(xiǎn)源個(gè)數(shù)。

2 事故發(fā)生概率

根據(jù)公式（1），計(jì)算個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵是確定事故發(fā)生概率和個(gè)體死亡概率。對于事故發(fā)生概率，采用信息擴(kuò)散模型求解。信息擴(kuò)散法可以彌補(bǔ)信息缺失，借助歷史事故數(shù)據(jù)，利用正態(tài)擴(kuò)散函數(shù)計(jì)算事故發(fā)生概率[10-11]。

定義Y={y1，y2，…，ym} 為觀測樣本值，即在m年內(nèi)事故發(fā)生次數(shù)；定義U={u1，u2，…，un} 為指標(biāo)論域，即事故發(fā)生的統(tǒng)計(jì)年限為n。將任意一個(gè)單值觀測樣本yj的攜帶信息擴(kuò)散給U中所有點(diǎn)，擴(kuò)散函數(shù)計(jì)算如公式（2）所示：

式中：fj(ui)為擴(kuò)散函數(shù)。

擴(kuò)散系數(shù)如公式（3）所示：

式中：h為擴(kuò)散系數(shù)；b、a分別為觀測樣本中的最大值和最小值。

將fj(ui)進(jìn)行歸一化處理，單值樣本yj的信息分布如公式（4）所示：

式中：p即為站場內(nèi)某危險(xiǎn)源發(fā)生事故的概率。

3 個(gè)體死亡概率

油氣站場通常分為油處理區(qū)、水處理區(qū)、氣處理區(qū)及儲運(yùn)區(qū)。其中水處理區(qū)的危險(xiǎn)性較小，油處理區(qū)主要以原油泄漏引發(fā)的池火災(zāi)危害為主；氣處理區(qū)以天然氣泄漏引發(fā)的閃火、噴射火和蒸汽云爆炸等危害為主；儲運(yùn)區(qū)以儲存介質(zhì)因迅速氣化引發(fā)的沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸（BLEVE）危害為主[12-13]。

3.1 池火災(zāi)

對于池火災(zāi)，通過輸入基礎(chǔ)參數(shù)，采用點(diǎn)源模型計(jì)算原油泄漏后的液池半徑、火焰高度、火焰表面的熱輻射通量，并假設(shè)全部輻射量均由液池中心的球面提供，距離目標(biāo)中心某處的熱輻射強(qiáng)度計(jì)算公式如式（6）所示：

式中：I為接收到的熱輻射強(qiáng)度，W/m2；Q為火焰表面熱輻射通量，W；tc為熱傳導(dǎo)系數(shù)；L為目標(biāo)距離液池中心的距離，即熱輻射破壞半徑，m。

根據(jù)SY/T 10043—2002《泄壓及減壓系統(tǒng)指南》中關(guān)于熱輻射強(qiáng)度評價(jià)準(zhǔn)則的規(guī)定，參照事故傷害效應(yīng)各向同性原則，假設(shè)傷害區(qū)內(nèi)的人員全部被傷害，傷害區(qū)外的人員均不被傷害，同時(shí)不考慮事故預(yù)防措施對后果嚴(yán)重程度的影響，以危險(xiǎn)源為中心將傷害區(qū)域劃分為死亡區(qū)、重傷區(qū)和輕傷區(qū)，并定義個(gè)體死亡概率確定個(gè)體是否受到傷害（表1）。

表1 熱輻射強(qiáng)度評價(jià)準(zhǔn)則Tab.1 Evaluation criteria of thermal radiation intensity

3.2 蒸汽云爆炸

可燃?xì)怏w出現(xiàn)蒸汽擴(kuò)散，經(jīng)延遲點(diǎn)火后，火焰加速傳播，形成爆炸沖擊波超壓。對于蒸汽云爆炸事故后果的評價(jià)，采用TNT當(dāng)量法計(jì)算，通過計(jì)算當(dāng)量泄漏率、最大泄漏率和泄漏量，以TNT當(dāng)量衡量蒸汽云爆炸的威力。蒸汽云的TNT 當(dāng)量如公式（7）所示：

式中：WTNT為蒸汽云的TNT 當(dāng)量，kg；A為爆炸效率因子，取0.03；Wf為蒸汽云中燃料總質(zhì)量，kg；Qf為蒸汽爆炸熱，55.5×103kJ/kg；；Qf為TNT爆炸熱，4.52×103kJ/kg。

參照美國機(jī)械工程師協(xié)會提出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定無遮蔽場所中人員受到?jīng)_擊波超壓的傷害閾值（表2）。

表2 沖擊波超壓評價(jià)準(zhǔn)則Tab.2 Evaluation criteria of shockwave overpressure

3.3 BLEVE危害

BLEVE 是指儲罐在外部火焰的長時(shí)間烘烤下，儲罐強(qiáng)度下降，當(dāng)強(qiáng)度下降至一定程度后突然破裂，儲罐內(nèi)壓力平衡被破壞，介質(zhì)迅速汽化，并伴隨火焰點(diǎn)燃產(chǎn)生火球?；鹎虻奶卣鲄?shù)采用國際勞工組織（ILO）推薦的模型計(jì)算，火球持續(xù)時(shí)間如公式（8）所示：

式中：t為火球持續(xù)時(shí)間，s；W為可燃物消耗質(zhì)量，kg。

式中：q(r)為在r米處接收到的熱輻射強(qiáng)度，W/m2；q0為火球表面的熱輻射強(qiáng)度，W/m2；R1為火球半徑，m。

同理，可計(jì)算發(fā)生BLEVE 危害時(shí)熱輻射造成的影響，評價(jià)準(zhǔn)則同表1。

4 實(shí)例分析

4.1 基本情況

以某油田的集輸站場為例進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，該站場處理量100×104a，面積500 m×500 m，具有原油處理、分離、沉降、外輸，天然氣脫酸、脫水、脫烴、液化、增壓、外輸，采出水過濾、沉降、增加、回注等功能，同時(shí)配有清管器收發(fā)裝置、計(jì)量裝置、調(diào)壓裝置、加藥裝置等。

該站場內(nèi)存在多個(gè)危險(xiǎn)源，以油處理區(qū)三相分離器（危險(xiǎn)源A）、氣處理區(qū)脫水再生塔底部重沸器（危險(xiǎn)源B）和儲運(yùn)區(qū)液化石油氣儲罐（危險(xiǎn)源C）等三個(gè)危險(xiǎn)源為例，考察同時(shí)發(fā)生事故時(shí)的疊加風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 確定事故發(fā)生概率

以危險(xiǎn)源A發(fā)生火災(zāi)事故為例，統(tǒng)計(jì)該油田自投產(chǎn)以來從1976—2020年的事故案例數(shù)量（表3）。

表3 1976—2020年油田三相分離器事故統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of three-phase separator accidents in the oilfield from 1976 to 2020

根據(jù)表3 的樣本數(shù)據(jù)構(gòu)造集合Y={0 ，0，1，0，0，…1}，則m=45，樣本中最大值和最小值分別為2 和0，取離散論域U={0，1，2，3，4，5}，采用Matlab 軟件按照公式（2）～（5）計(jì)算該危險(xiǎn)源的事故發(fā)生概率為[0.532 86，0.272 51，0.191 93，0.002 7，0]，則在該油田每年發(fā)生1起分離器火災(zāi)事故的概率為0.272 51。

該油田內(nèi)共有火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)的三相分離器510個(gè)，該站場內(nèi)有4個(gè)，忽略分離器尺寸、處理量等差異影響，站場內(nèi)危險(xiǎn)源A發(fā)生火災(zāi)事故的概率為0.272 51×4/510=2.213×10-3。

同理，危險(xiǎn)源B 和C 的事故發(fā)生概率分別為1.167×10-3、4.578×10-4。

4.3 確定個(gè)體死亡概率

利用PHAST 軟件分別對池火災(zāi)、蒸汽云爆炸和BLEVE 造成的事故現(xiàn)場進(jìn)行模擬，風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度和相對濕度等參數(shù)根據(jù)氣象部門資料取全年平均數(shù)，泄漏孔徑取中孔泄漏（50 mm），泄漏時(shí)間為300 s，其余運(yùn)行參數(shù)（存儲量、溫度、壓力、泄漏點(diǎn)離地高度、地面粗糙度等）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況輸入。最終，根據(jù)表1確定危險(xiǎn)源A發(fā)生池火災(zāi)時(shí)的死亡半徑為7.5 m，重傷半徑為24.8 m，輕傷半徑為160.2 m（圖1）。

圖1 危險(xiǎn)源A發(fā)生事故時(shí)熱輻射強(qiáng)度與距離關(guān)系Fig.1 Relationship between thermal radiation intensity and distance in the accident of hazard resource A

將危險(xiǎn)源A的傷亡半徑與死亡概率進(jìn)行一元方程線性擬合，分段函數(shù)計(jì)算如公式（10）所示：

同理，得到危險(xiǎn)源B的死亡半徑為34.5 m，重傷半徑為90.2 m，輕傷半徑為135.7 m，危險(xiǎn)源C的死亡半徑為47.5 m，重傷半徑為105.5 m，輕傷半徑為220.8 m，其分段函數(shù)如下：

式中：yA、yB、yC分別為三個(gè)危險(xiǎn)源的死亡概率；x為目標(biāo)距離危險(xiǎn)源的距離，m。

4.4 單危險(xiǎn)源個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

在笛卡爾坐標(biāo)下利用網(wǎng)格劃分技術(shù)將站場劃分為等步長的正方形網(wǎng)格，步長取50 m，定義11×11 的網(wǎng)格矩陣G，為風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算提供相對坐標(biāo)，每個(gè)網(wǎng)格矩陣中的值代表該網(wǎng)格與危險(xiǎn)源中心點(diǎn)的距離。以危險(xiǎn)源A 為例，A 位于第6 行第6 列，則G(1 1，11) 為：

網(wǎng)格矩陣中第3行第5列的數(shù)值為5.28，則該網(wǎng)格內(nèi)的死亡概率為5.28%。同理，危險(xiǎn)源B位于第9行第4列，危險(xiǎn)源C位于第3行8列，依次計(jì)算不同危險(xiǎn)源造成的死亡概率矩陣GB(1 1,11)、GC(1 1,11) ：

根據(jù)網(wǎng)格擴(kuò)散理論確定的事故發(fā)生概率，從而計(jì)算各危險(xiǎn)源的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)矩陣，個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)矩陣計(jì)算如公式（13）所示：

式中：GPi為個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)矩陣，i=A、B、C；Gi為死亡概率矩陣；pi為事故發(fā)生概率。

4.5 多危險(xiǎn)源個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

當(dāng)多個(gè)危險(xiǎn)源同時(shí)存在時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)之間存在交互效應(yīng)，為準(zhǔn)確衡量油氣站場的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)，將上述計(jì)算得到的單危險(xiǎn)源個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行疊加，得到總的區(qū)域個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)矩陣GD(11,11)：

由此可見，單一危險(xiǎn)源的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)矩陣中以危險(xiǎn)源處的數(shù)值最大，以危險(xiǎn)源為中心，個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值隨距離增大而減小，呈輻射對稱分布。區(qū)域個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)矩陣GD(11,11)中的數(shù)值遠(yuǎn)大于單一危險(xiǎn)源作用下的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)矩陣，且GD(11,11)的數(shù)值分布差異較大，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要集中在站場的中部區(qū)域，右下角無風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)已無法通過單一危險(xiǎn)源的計(jì)算結(jié)果推測多危險(xiǎn)源的計(jì)算結(jié)果，多危險(xiǎn)源的數(shù)值分布不規(guī)則。

4.6 風(fēng)險(xiǎn)等級劃分

英國焊接研究所（TWI）通過實(shí)驗(yàn)累積了設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評估方面的經(jīng)驗(yàn)，對API 518 中的風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行了調(diào)整，將原低風(fēng)險(xiǎn)細(xì)化為低風(fēng)險(xiǎn)和較低風(fēng)險(xiǎn)，使風(fēng)險(xiǎn)等級的劃分更加準(zhǔn)確。在此，借鑒TWI的劃分方法，將個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值劃分為低風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)等5 個(gè)等級，定義GD(11,11)矩陣中的最大值為Hmax，最小值為Hmin，劃分標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算結(jié)果見表4。

根據(jù)表4的劃分結(jié)果，對照GD(11，11)矩陣中的數(shù)值可以判斷矩陣中任意一個(gè)單元格的風(fēng)險(xiǎn)等級，將風(fēng)險(xiǎn)等級一致的網(wǎng)格連接形成風(fēng)險(xiǎn)等值線（圖2）。可見風(fēng)險(xiǎn)集中在中部，并隨著風(fēng)險(xiǎn)等級的提高，逐漸向左上方偏移，與之前的區(qū)域個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)矩陣分析結(jié)果一致。根據(jù)ALARP 原則確定風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則，將低風(fēng)險(xiǎn)和較低風(fēng)險(xiǎn)定義為可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，將中等風(fēng)險(xiǎn)定義為可容忍風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，將較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)定義為不可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。對于可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，保持現(xiàn)狀即可；對于可容忍風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，應(yīng)綜合考慮對成本、效益的影響程度，合理降低個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)；對于不可接風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，應(yīng)立即采取風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移、風(fēng)險(xiǎn)減緩及風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避等一系列措施，以降低個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值。

表4 個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)果Tab.4 Classification standards and results of individual risk grades

圖2 風(fēng)險(xiǎn)等值線圖Fig.2 Risk contour map

5 結(jié)論

（1）針對油氣站場內(nèi)危險(xiǎn)源較多的問題，采用信息擴(kuò)散模型計(jì)算事故發(fā)生概率，其計(jì)算過程基于歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)果具有一定的可信度。

（2）根據(jù)危險(xiǎn)源泄漏介質(zhì)和條件的不同，對池火災(zāi)、蒸汽云爆炸和BLEVE 等不同危害類型造成的死亡概率進(jìn)行計(jì)算，利用網(wǎng)格劃分技術(shù)確定死亡概率矩陣，并得到站場內(nèi)任意網(wǎng)格單元的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了油氣站場個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)的定量評價(jià)。

（3）單一危險(xiǎn)源的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)矩陣中以危險(xiǎn)源處的數(shù)值最大，風(fēng)險(xiǎn)值呈對稱分布；區(qū)域個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)矩陣的風(fēng)險(xiǎn)值遠(yuǎn)大于單一危險(xiǎn)源，且數(shù)值分布無規(guī)律，差異較大，說明多危險(xiǎn)源的疊加效應(yīng)使個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)大幅增加。