LNG加气站事故HAZOP量化分析方法研究

李 平，蒋宏业，姚安林，许 萍，徐 惠

西南石油大学石油与天然气工程学院 （四川 成都 610500）

自2002年中国建成首个LNG加气站以来，据不完全统计，时隔10余年，中国现已投运的LNG加气站已由2002年的2座增加至2 000座左右，随着LNG的普及和运用，其事故发生率也随之增加。以往人们对LNG事故的分析多是根据LNG的性质和危险性，从工艺角度分析事故机理，从而提出风险管理预防措施，但是这种方法不能量化事故风险。对LNG加气站进行系统地危险辨识可以采取多种方法：安全检查表法（Checklist）、事故树分析（FTA）、危险与可操作性分析（HAZOP）等。其中，危险与可操作性分析（HAZOP）方法以其分析全面性、系统性、结构性、细致等突出优势成为目前危险性分析领域最广泛应用的一种系统安全分析方法[1]。通过量化的HAZOP分析人们可以直观地了解到系统风险的大小，有利于提出相应的建议措施，故本文采用量化的HAZOP方法，以LNG储罐“压力过高”偏差为例来辨识LNG加气站的风险。

1 量化的HAZOP分析方法介绍

传统的HAZOP分析只能定性分析出系统是否存在风险，不能对风险发生的可能性及严重度进行量化，其分析结果以事故报表的形式给出。对相对复杂的装置而言，报告给出的偏差多达成百上千个，人们往往不能抓住评价系统中的主要危险因素，使评价结果不具有现场指导意义[2]，而量化的HAZOP分析方法可克服HAZOP作为纯定性分析过于主观的缺点。

1.1 HAZOP分析方法概述

HAZOP分析方法由英国帝国化学公司（ICI）1974年开发，是一种对生产装置及工艺过程安全进行系统评价的方法。该方法是由有经验的跨专业的专家小组对装置或系统的设计、操作等提出有关安全上的问题，以系统工程为基础，以工艺参数偏差为引导，分析偏差原因、后果、已有安全措施以及提出风险缓解建议措施和行动[3]，HAZOP分析流程图详见参考文献[4]。目前，HAZOP分析方法已被广泛应用于石油、石化等风险评估工作中，有些国家（如英国）已通过立法手段强制其在工程建设项目中推广应用，在我国该方法的应用还处于起步阶段[5]。

1.2 HAZOP量化分析

本文通过将道化学火灾、爆炸指数评价法（F&EI）和事故树分析（FTA）应用于 HAZOP 分析方法中，实现了事故后果严重度和事故发生概率的定量计算，再结合风险矩阵将风险量化，潜在风险便可得到清晰直观的风险等级，可以提高分析结果的准确性和可信度。国内目前大约有40%的HAZOP分析项目使用了风险矩阵[6]。

典型的 5×5风险矩阵，事故发生概率分为5个等级（表1），事故后果严重度也分为5个等级。每一对事故发生概率和事故后果严重度对应着一个风险级别，每个风险级别又有对应的建议措施（表 2）[7]。

表1 事故发生概率等级表

表2 风险等级及应对措施

1.2.1 应用 F＆EI计算事故后果严重度

在进行火灾、爆炸指数的计算时，物质系数是最基础的数值，它是表述物质由燃烧或其他化学反应引起的火灾、爆炸中释放能量大小的内在特征。物质系数根据美国消防协会规定的物质可燃性和化学活性（或不稳定性）获得。利用F&EI对某一单元进行分析，根据分析结果可以生成具有半定量信息的后果严重度[8]。《道指数评价法》给出了按不同的F&EI值划分危险等级的规定，见表3[9]。

表3 F&EI值对应的危险等级与后果严重度等级

1.2.2 应用FTA计算事故发生概率

HAZOP分析方法简单，但往往不够深入，事故树分析（FTA）不仅能分析出事故的直接原因，且能深入地揭示事故的潜在原因。参考适当的故障率数据库得到各基本事件的概率，便可根据事故树计算顶事件的概率即事故发生概率。FTA计算事故概率可使HAZOP分析中的风险矩阵数据来源更加客观准确，还可以进行底事件的结构重要度分析，得到的结果有利于HAZOP分析时提出相关建议措施。

2 LNG加气站流程介绍

LNG加气站站内生产过程分为卸车流程、调压流程、加气流程和泄压流程。①卸车流程：将汽车槽车内LNG转移至加气站LNG储罐。有以下3种卸车方式：增压器卸车、低温泵卸车、增压器和低温泵联合卸车。②调压流程：卸车完毕后，用LNG泵从储罐内抽出部分LNG通过LNG汽化器气化且调压后进入储罐，当储罐内压力达到设定值时停止气化。③加气流程：储罐中的饱和液体 LNG通过低温泵加压后经过计量由加气机给汽车加气，分为单线、双线加气。当车载储气瓶压力较低时，车载储气瓶采用上进液喷淋式，加进去的 LNG直接吸收车载气瓶内气体的热量，使气瓶内压力降低，减少放空气体，并提高了加气速度。当车载储气瓶压力较高时，采用双线加气，通过回气管，将车载储气瓶内的气体回收至LNG储罐中。④泄压流程：当储罐压力大于设定值时，通过BOG回收系统或者打开安全阀，释放储罐中的气体，降低压力，以保证安全[10]。LNG加气站主要设备有：LNG储罐、低温泵、汽化器、加气机等。

3 量化的HAZOP分析方法在LNG加气站的应用

3.1 HAZOP分析节点划分

根据LNG加气站的工艺流程，可将LNG加气站分析对象划分为4大部分：卸车过程、调压过程、加气过程和泄压过程，对每一大部分再进行进一步节点划分，具体节点划分情况见表4。

表4 LNG加气站HAZOP分析节点划分情况

根据表4所划分的节点，对每一个节点找出其中潜在的偏差，并分析偏差的原因、可能导致的后果及已有安全保护措施，若安保措施不足，则提出相应的建议措施。以LNG储罐“压力过高”为偏差，利用F&EI和FTA分别定量计算偏差的事故后果严重度和事故发生概率。

3.2 应用F＆EI计算事故后果严重度

1）确定LNG罐的物质系数（MF）。查物质系数表得：LNG的物质系数MF=21[8]。

2）确定LNG储罐的单元危险系数F3[8]：①物质的处理和输送。储存的是NF=4的液化天然气，危险系数取0.85。②排放和泄漏控制。液化天然气的泄漏可能给装置和人员造成很大的危害，危险系数取0.5。基本系数为1.00，故一般工艺危险系数F1=1.00+0.85+0.5=2.35。③毒性物质。液化天然气具有轻微毒性，危险系数取0.2。④燃烧范围内或附近。液化天然气一旦泄漏，与空气形成爆炸性混合物，危险系数取0.5。⑤低温。液化天然气在温度约为-161℃下储存，危险系数取0.3。⑥压力释放。储罐储存压力一般约为0.1MPa，危险系数取0.2。⑦易燃和不稳定物质数量。根据所储存的液化天然气总量（约20t）乘以燃烧热，可得危险系数为0.81。⑧泄漏（接头与密封）。储罐密封处可能有轻微泄漏，危险系数取0.1。⑨腐蚀。储罐会有轻微腐蚀现象，危险系数取0.1。基本系数是1.00，这样，特殊工艺危险系数F2=1.00+0.2+0.5+0.3+0.2+0.81+0.1+0.1=3.21。

所以，LNG储罐的单元危险系数F3为F3=F1×F2=2.35×3.21=7.54。

3）确定火灾、爆炸危险指数。火灾、爆炸危险指数是单元危险系数F3和物质系数MF的乘积，为158。

4）确定安全措施补偿系数 （C）：①工艺控制（C1）。因有紧急截断装置ESD系统，补偿系数取0.98；设置了计算机控制系统，补偿系数取0.93；有操作法、工艺技术规程等，补偿系数取0.95。故C1=0.98×0.93×0.95≈0.87。②危险物质隔离（C2）。设有安全阀，补偿系数取0.98，故C2=0.98。③防火设施（C3）。因有泄漏检测装置，补偿系数可取0.98；配有消防系统，补偿系数取0.97。故C3=0.98×0.97≈0.95。

所以，C=C1×C2×C3=0.87×0.98×0.95≈0.81。

5）计算剩余火灾、爆炸危险指数F&EI为158×0.81=128。

由表3可以得出结论：LNG储罐的危险等级很大，对应后果严重度等级为4级。

3.3 应用FTA计算事故发生概率

LNG储罐“压力过高”可能导致储罐超压爆炸，建立LNG储罐超压爆炸的事故树如图1，表5为该事故树对应的各事件代码的意义。

图1 LNG储罐超压爆炸事故树

3.3.1 结构重要度分析

利用布尔代数法化简得图1事故树的最小割集有以下 10 个：｛X6,X7,X8,X1｝、｛X9,X1｝、｛X10,X1｝、｛X3,X1｝、 ｛X11,X1｝、 ｛X12,X1｝、 ｛X13,X1｝、 ｛X2,X1｝、 ｛X4,X1｝、｛X5,X1｝。根据结构重要度近似计算公式

式中：Iφ(i)为第i个基本事件的结构重要度系数；xi为基本事件，i=1，2，…;nj为第i个基本事件所在xj的基本事件总数；Kj为最小割集；xi∈Kj为第i个基本事件属于第j个最小割集。计算得各基本事件的结构重要度：

表5 LNG储罐超压爆炸事故树各事件代码的意义

结构重要度顺序为：Iφ(1)＞Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(5)=Iφ(9)=Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(12)=Iφ(13)＞Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(8)。

3.3.2 计算事故发生概率

由图1知事故树中不含有重复的基本事件，且各基本事件是相互独立的，顶事件的发生概率可由图1事故树的结构，参考适当的故障率数据库[11]（参考文献[11]中故障率数据来源于OREDA和HSE），用下列公式求得：

由表1可得对应的事故发生概率等级为1级。

事故后果严重度等级为4级，事故发生概率等级为1级，由典型的5×5风险矩阵得对应的风险等级为Ⅲ，则需要考虑减少风险的措施。由此建立表6所示HAZOP分析表。

以同样的方法分析其他节点及其余偏差，便可得出LNG加气站的HAZOP分析记录表。

4 结论

1）从LNG储罐“压力过高”HAZOP分析结果可以看出：量化的HAZOP分析方法能够定量地分析“压力过高”这一危害，并提出“根据实际操作压力更换定压较低的安全阀、增加超压排放联锁装置、定期进行设备检修和更换”等建议措施，从而减少危害或减轻危害可能导致的后果。

表6 以LNG储罐“压力过高”为偏差进行HAZOP分析表

2）通过对LNG加气站的量化HAZOP分析，不仅可以辨识出LNG加气站存在的潜在危险，根据量化的风险等级，提出相应的保护措施，还可以使LNG加气站操作人员更加全面深入地了解工艺装置的性能，提高安全生产水平。

3）在进行LNG储罐超压爆炸失效概率计算中引用了OREDA这一国外数据库的相关失效概率，可能与国内的情况有一定出入，本文仅以此失效概率作为一个参考。

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