基于信息擴(kuò)散-網(wǎng)格技術(shù)的油氣站場(chǎng)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)疊加分析

胡 奕，李志強(qiáng)，廖沫然，張逸寧，梁昌晶，李 盼

1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北油田分公司，河北任丘 062252

2.中國(guó)石油華北油田公司二連分公司，內(nèi)蒙古錫林浩特 026000

3.河北華北石油利德建設(shè)工程有限公司，河北任丘 062552

油氣站場(chǎng)是油氣管道工程的重要組成部分，負(fù)責(zé)銜接上游資源和下游用戶，是油氣開(kāi)采和加工的重要場(chǎng)所。受周邊地區(qū)等級(jí)和城市規(guī)劃的影響，站場(chǎng)內(nèi)的工藝管道和設(shè)備逐漸向著集中化、橇裝化和自動(dòng)化的方向發(fā)展，這也導(dǎo)致站場(chǎng)內(nèi)危險(xiǎn)源的數(shù)量和密度增大[1-2]。一旦發(fā)生危險(xiǎn)源泄漏或火災(zāi)事故，將造成人員傷亡和/或財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)企業(yè)公眾形象造成影響。

目前，已有諸多學(xué)者對(duì)站場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行了研究。蔣宏業(yè)等[3]對(duì)冷放空過(guò)程中引發(fā)的熱輻射和爆炸超壓進(jìn)行了模擬，得到了不同放空壓力和放空速率下的影響范圍；周夏伊等[4]利用API 581 和可靠性分析方法對(duì)站場(chǎng)工藝流程進(jìn)行了分步評(píng)價(jià)，得到了站場(chǎng)子系統(tǒng)的停工概率和平均維修時(shí)長(zhǎng)；劉明明等[5]針對(duì)橇裝天然氣站場(chǎng)內(nèi)的多米諾事故進(jìn)行了模擬分析，得到不同事故等級(jí)下的重傷區(qū)和死亡區(qū)。以上研究均定量描述了站場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，但只涉及單一危險(xiǎn)源，對(duì)于多危險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)疊加效應(yīng)考慮不足，無(wú)法準(zhǔn)確衡量站場(chǎng)的整體安全水平?；诖耍眯畔U(kuò)散技術(shù)確定事故發(fā)生概率，通過(guò)模擬不同事故后果下的危害半徑確定站場(chǎng)不同位置的個(gè)體致死概率，融合網(wǎng)格技術(shù)疊加個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)，以期為我國(guó)油氣站場(chǎng)泄漏事故的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防災(zāi)減災(zāi)提供實(shí)際參考。

1 信息擴(kuò)散技術(shù)

從個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)的定義可知[6-7]，個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算是事故發(fā)生概率和個(gè)人致死概率的疊加。事故發(fā)生概率的計(jì)算，有以Kent 風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)或?qū)哟畏治龇橹鞯闹饔^方法，也有以歷史失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為主的客觀方法[8-9]?？紤]到我國(guó)站場(chǎng)自動(dòng)化水平不斷提高，站場(chǎng)失效數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄也趨于完善，故采用信息擴(kuò)散技術(shù)的客觀方法獲得事故發(fā)生概率。

信息擴(kuò)散技術(shù)是通過(guò)模糊信息優(yōu)化技術(shù)，將不完備的信息進(jìn)行優(yōu)化處理，以實(shí)現(xiàn)盡可能挖掘事故發(fā)生概率的量化過(guò)程[10]。設(shè)X={x1,x2,…,xn}(i=1,2,…,n)為風(fēng)險(xiǎn)樣本集合，U={u1,u2,…,um}(j=1,2,…,m)為論域，即安全因素在m年內(nèi)的實(shí)際觀測(cè)值，則將第i個(gè)樣本攜帶的信息擴(kuò)散給U中的所有點(diǎn)，即：

式中：h為擴(kuò)散因子。

式中：a和b分別為X集合中的最小值和最大值。

將fi(uj)進(jìn)行歸一化處理后得到單值樣本xi的隸屬函數(shù)子集μxi(uj)，見(jiàn)下式：

最后，求單值樣本xi落在論域uj上的概率。

式中：p(uj)為每年發(fā)生事故概率的估計(jì)值。

2 事故后果量化方法

考慮到站場(chǎng)內(nèi)的工藝管道和設(shè)備眾多，且處理介質(zhì)有所不同，在安全屏障作用下事故后果具有多樣化，故采用事故樹(shù)分析法確定油介質(zhì)和氣介質(zhì)泄漏引發(fā)的事故后果，見(jiàn)圖1。其中，油品泄漏的事故后果有池火災(zāi)、蒸氣云爆炸和BLEVE 火球等；天然氣泄漏的事故后果有閃火、蒸氣云爆炸和噴射火等。

圖1 不同介質(zhì)泄漏的事故樹(shù)分析結(jié)果

2.1 池火災(zāi)、閃火和噴射火

池火災(zāi)是指油品泄漏在受限空間內(nèi)立即點(diǎn)火形成的液池燃燒反應(yīng)；閃火是指泄漏天然氣與空氣混合后，在無(wú)障礙空間內(nèi)被點(diǎn)燃而發(fā)生的一種非爆炸性燃燒反應(yīng)。液池中心或閃火中心的熱輻射強(qiáng)度可用Mudan模型[11]計(jì)算。

式中：I為液池中心或閃火中心的熱輻射強(qiáng)度，kW/m2；Qtotal為總輻射量，kW；r1為液池或閃火半徑，m；Tc為熱傳導(dǎo)系數(shù)，無(wú)量綱。

噴射火是帶壓天然氣在泄漏中因壓差變化形成射流，與周?chē)諝膺M(jìn)行動(dòng)量、能量和質(zhì)量交換的過(guò)程。在計(jì)算天然氣噴射速率、火焰長(zhǎng)度和火焰半徑的基礎(chǔ)上，核算熱輻射強(qiáng)度，公式如下：

式中：I為噴射火的熱輻射強(qiáng)度，kW/m2；η為效率因子，取0.2；Hc為燃燒熱，J/kg；Q為泄漏流量，kg/s；Tjet為輻射穿透系數(shù)，取1；r2為噴射火半徑，m。

以上3 種事故后果均產(chǎn)生熱輻射傷害，當(dāng)熱輻射強(qiáng)度超過(guò)一定限值時(shí)，會(huì)造成人員傷亡和建筑物損壞。根據(jù)API RP 521《泄壓和減壓系統(tǒng)導(dǎo)則》中的規(guī)定，將熱輻射強(qiáng)度為37.5 kW/m2的傷害區(qū)域定為死亡區(qū)，認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)的生命處于重大傷害程度或無(wú)生命體征；將熱輻射強(qiáng)度為25.0 kW/m2的傷害區(qū)域定為重傷區(qū)，認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)的機(jī)體完整性受到嚴(yán)重破壞或機(jī)體功能出現(xiàn)異常；將熱輻射強(qiáng)度為12.5 kW/m2的傷害區(qū)域定為輕傷區(qū)，認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)的人體容貌或肢體出現(xiàn)損害，聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等感官出現(xiàn)重度損傷。此外，假設(shè)事故傷害具有各向同性，不考慮事故引發(fā)的間接損失和多米諾效應(yīng)，則根據(jù)不同傷害區(qū)域內(nèi)的傷害程度確定個(gè)人致死概率，最終定義死亡區(qū)、重傷區(qū)和輕傷區(qū)的個(gè)人致死概率分別為50%、15%和5%。

2.2 蒸氣云爆炸和BLEVE火球

蒸氣云爆炸是指云團(tuán)以“預(yù)混云”的形式擴(kuò)散遇火后在受限空間內(nèi)形成的爆炸現(xiàn)象；BLEVE火球是指過(guò)熱液體在發(fā)生泄漏時(shí)產(chǎn)生的液體噴射現(xiàn)象，同時(shí)部分液體氣化膨脹形成的爆炸火球。超壓是蒸氣云爆炸和BLEVE 火球主要破壞形式，在此采用TNT 當(dāng)量法將爆炸破壞作用轉(zhuǎn)化為等量的TNT能量，從而計(jì)算超壓沖擊波的影響范圍。

式中：WTNT為蒸氣云的TNT當(dāng)量，kg；a為地面爆炸系數(shù)，因觸地爆炸增加了沖擊波威力，取1.8；A為T(mén)NT當(dāng)量系數(shù)，取值范圍2%～14.9%，平均值為4%；Wf為蒸氣云總質(zhì)量，根據(jù)當(dāng)量泄漏率計(jì)算，kg；Qf為蒸氣云爆炸熱，J/kg；QTNT為T(mén)NT爆炸熱，J/kg。

同理，根據(jù)超壓沖擊波對(duì)人體的傷害程度確定傷害區(qū)域，利用式（8）計(jì)算得到的半徑區(qū)域定為死亡區(qū)；將沖擊波峰值44 kPa 的區(qū)域定為重傷區(qū)；將沖擊波峰值17 kPa 的區(qū)域定為輕傷區(qū)，將死亡區(qū)、重傷區(qū)和輕傷區(qū)的個(gè)人致死概率分別定為50%、15%和5%。

式中：R0.5為死亡半徑，m。

3 實(shí)例分析

以某典型油氣站場(chǎng)（處理量為50×104t/a）為例進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。該站場(chǎng)有原油處理、天然氣處理、水處理、清管、放空、卸油等功能區(qū)，占地長(zhǎng)寬為500 m × 400 m。在笛卡爾坐標(biāo)系下，利用網(wǎng)格技術(shù)將站場(chǎng)劃分為等步長(zhǎng)的長(zhǎng)方形網(wǎng)格，步長(zhǎng)取50 m，則該區(qū)域?yàn)?×11的網(wǎng)格矩陣，矩陣列從左至右對(duì)應(yīng)站場(chǎng)的地理位置為從西至東，矩陣行從上至下對(duì)應(yīng)站場(chǎng)的地理位置為從北至南。

3.1 計(jì)算事故發(fā)生概率

該油氣站場(chǎng)內(nèi)共有3 處危險(xiǎn)源，危險(xiǎn)源1 位于原油儲(chǔ)罐區(qū)，儲(chǔ)罐容積1×104m3，地理坐標(biāo)為第3行第9列，泄漏速率0.1 m3/s，圍堰直徑25 m，可能引發(fā)池火災(zāi)事故；危險(xiǎn)源2位于天然氣處理區(qū)，采用橇裝模塊實(shí)現(xiàn)天然氣脫硫、脫水和硫磺回收等功能，地理坐標(biāo)為第5 行第6 列，可能在脫乙烷塔回流泵和回流罐處發(fā)生泄漏，繼而引發(fā)蒸氣云爆炸事故；危險(xiǎn)源3 位于去往放空區(qū)的工藝管道，地理坐標(biāo)為第8 行第3 列，放空壓力5 MPa，放空速率5×104m3/h，可能在放空過(guò)程中產(chǎn)生噴射火事故。

以危險(xiǎn)源1為例，統(tǒng)計(jì)該站場(chǎng)所屬油田2002—2021年的池火災(zāi)爆炸事故發(fā)生次數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 年事故發(fā)生次數(shù)

根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)構(gòu)造樣本信息，則X={2,0,0,1,0,1,0,0,0,1,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0}，樣本數(shù)n=20，a=0，b=2，取離散論域U={ 0, 1, 2, 3, 4, 5 }，將其代入式（1）～式（4），得到樣本落在論域內(nèi)的概率值p(uj)={0.748 9,0.200 9,0.050 2,0,0,0}，其中0.748 9 表示每年發(fā)生0 次池火災(zāi)事故的概率，0.200 9 表示每年發(fā)生1 次池火災(zāi)事故的概率。其中，高斯擬合函數(shù)的誤差平方和為1.749 × 10-5，標(biāo)準(zhǔn)差為2.409 × 10-4，決定系數(shù)為0.999 8，說(shuō)明池火災(zāi)事故發(fā)生頻率的預(yù)測(cè)值與指標(biāo)論域高斯擬合函數(shù)的擬合效果較好，可以客觀反映發(fā)生概率。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，該油田共有各類原油儲(chǔ)罐125 座，該站場(chǎng)共有2 座，忽略防火間距和儲(chǔ)罐容積的差異，則該站場(chǎng)內(nèi)危險(xiǎn)源1 發(fā)生池火災(zāi)的事故概率為0.200 9×2/125=3.214×10-3。依此類推，可相應(yīng)計(jì)算出危險(xiǎn)源2 和危險(xiǎn)源3 發(fā)生事故的概率分別為5.319×10-3、7.215×10-3。

3.2 計(jì)算個(gè)人致死概率

利用Matlab模擬3個(gè)危險(xiǎn)源的傷害區(qū)域，見(jiàn)圖2。

圖2 3個(gè)危險(xiǎn)源的傷害區(qū)域

風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度取部分當(dāng)?shù)貧庀蟊O(jiān)測(cè)結(jié)果的平均值，分別為5 m/s 和C 等級(jí)，大氣相對(duì)濕度取50%，地面粗糙度取50 mm，儲(chǔ)存量、儲(chǔ)存溫度、儲(chǔ)存壓力、泄漏孔徑、泄漏處距離地面高度及是否為短管泄漏等參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況輸入。根據(jù)圖2 得到危險(xiǎn)源1 的死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)的傷害區(qū)域分別為30、65、160 m，此時(shí)0 m 處對(duì)應(yīng)的個(gè)人致死概率為100%，30、65、160 m 處對(duì)應(yīng)的個(gè)人致死概率分別為50%、15%、5%。通過(guò)最小二乘法得到個(gè)人致死概率的分段函數(shù)。

式中：y1為危險(xiǎn)源1 在不同傷害區(qū)域x處的個(gè)人致死概率。

同理，根據(jù)圖2 得到危險(xiǎn)源2 和危險(xiǎn)源3 的個(gè)人致死概率分段函數(shù)。

式中：y2和y3分別為危險(xiǎn)源2 和危險(xiǎn)源3 在不同傷害區(qū)域x處的個(gè)人致死概率。

3.3 計(jì)算站場(chǎng)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)疊加值

以危險(xiǎn)源1 為例，將第3 行第9 列的位置定為原點(diǎn)（0,0），用C1(9，11)表示評(píng)價(jià)區(qū)域，評(píng)價(jià)區(qū)域的值表示與原點(diǎn)坐標(biāo)的距離，且數(shù)值關(guān)于原點(diǎn)上下、左右呈對(duì)稱分布。

將C1(9，11)代入式（9）計(jì)算個(gè)人致死概率，得到Y(jié)1( 9，11 )，其中網(wǎng)格內(nèi)100 表示該點(diǎn)的個(gè)人致死概率為100%，網(wǎng)格內(nèi)30 表示該點(diǎn)的個(gè)人致死概率為30%。

隨后，默認(rèn)每個(gè)網(wǎng)格的事故發(fā)生概率相同，將3.1節(jié)計(jì)算的事故發(fā)生概率賦值到Y(jié)1(9，11)中，得到單一危險(xiǎn)源的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)G1(9，11)。

同理，得到個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)G2(9，11)、G3(9，11)。

將G1(9，11)、G2(9，11)和G3(9，11)疊加即可得到總的站場(chǎng)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)G( 9，11 )?？梢?jiàn)，疊加后的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)最大值位于第8 行第3 列（788.6 ×10-3），與危險(xiǎn)源3 的觸發(fā)地點(diǎn)一致，但其數(shù)值較單一危險(xiǎn)源3（721.5×10-3）相比有所增加，這是由于危險(xiǎn)源2 產(chǎn)生的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)疊加所致。此外，危險(xiǎn)源附近的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)不再呈對(duì)稱分布，而是呈隨機(jī)分布，這也與風(fēng)險(xiǎn)疊加有關(guān)。

目前，尚無(wú)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則的劃分依據(jù)，根據(jù)G(9，11)矩陣內(nèi)的數(shù)值，選擇最小值（29.7×10-3）、第一個(gè)四分位數(shù)（67.1 × 10-3）、中位數(shù)（114.1×10-3）、第三個(gè)四分位數(shù)（326.8×10-3）和最大值（788.6× 10-3）作為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分邊界，得到低風(fēng)險(xiǎn)為[29.7×10-3，67.1×10-3)、較低風(fēng)險(xiǎn)為[ 67.1 × 10-3，114.1 × 10-3)、中風(fēng)險(xiǎn)為[ 114.1 ×10-3，326.8 × 10-3)、較高風(fēng)險(xiǎn)為[ 326.8 × 10-3,788.6×10-3)，繪制站場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)熱圖，見(jiàn)圖3。

圖3 站場(chǎng)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)熱圖

可見(jiàn)整個(gè)站場(chǎng)區(qū)域內(nèi)西側(cè)和東南側(cè)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值最小，中心和西南側(cè)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值較大。根據(jù)ALARP 原則，將紅色區(qū)域定為不可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，該50 m×50 m 的區(qū)域內(nèi)應(yīng)立即采取風(fēng)險(xiǎn)防控措施；將黃色和綠色區(qū)域定為可容忍風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，應(yīng)綜合考慮成本和效益的平衡點(diǎn)，確定是否采取防護(hù)措施；將剩余區(qū)域定為可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，這部分區(qū)域無(wú)需采取防護(hù)措施，保持監(jiān)測(cè)狀態(tài)即可。

4 結(jié)論

1）基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和信息擴(kuò)散技術(shù)，確定了不同危險(xiǎn)源不同事故后果的發(fā)生概率，避免了確定事故發(fā)生概率主觀因素強(qiáng)的弊端。

2）通過(guò)分段函數(shù)建立不同傷亡區(qū)域與個(gè)人致死概率的關(guān)系，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)疊加確定站場(chǎng)內(nèi)不同位置的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)。

3）單一危險(xiǎn)源以觸發(fā)地點(diǎn)為中心，風(fēng)險(xiǎn)呈對(duì)稱分布；風(fēng)險(xiǎn)疊加后，風(fēng)險(xiǎn)呈隨機(jī)分布，案例站場(chǎng)區(qū)域內(nèi)西側(cè)和東南側(cè)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值最小，中心和西南側(cè)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值較大；可根據(jù)不同風(fēng)險(xiǎn)的可接受范圍確定維護(hù)、維修策略。

4）研究結(jié)果可為同類站場(chǎng)應(yīng)急預(yù)案的制訂提供實(shí)際參考。