长输管道压气站定量风险评价

2014-03-21朱喜平张来斌梁伟中国石油大学北京机械与储运工程学院

油气田地面工程 2014年5期

朱喜平张来斌梁伟中国石油大学（北京）机械与储运工程学院

长输管道压气站定量风险评价

朱喜平张来斌梁伟中国石油大学（北京）机械与储运工程学院

压气站天然气泄漏导致的常见后果为闪火和蒸汽云爆炸，导致火灾、爆炸等事故的根源是设备及输气管道的泄漏。蒸汽云爆炸冲击波超压模型可以计算出冲击波造成的死亡区、重伤区、轻伤区的伤害半径；热辐射对人体的伤害可通过喷射火热辐射通量对人体造成的损伤程度来衡量，通过模型可以计算出喷射火焰高度和热辐射死亡区的面积。通过对天然气压气站的失效频率和失效后果的计算，可确定爆炸发生时产生的蒸汽云冲击波超压或喷射火热辐射在某一指定位置的发生概率和危害程度。

压气站；定量风险评价；蒸汽云爆炸；喷射火；模型

1 危险辨识与分析

危险辨识是进行定量风险评价（QRA）的关键步骤，QRA分析首先要辨识出潜在的危险源及其可能导致的后果。

长输管道压气站输送的介质为天然气，由于天然气具有可燃性和易爆炸性，是引发压气站火灾、爆炸的主要危险物质。天然气引发火灾、爆炸事故的原因有设计缺陷、设备老化、操作失误、管理不善、自然灾害和周边环境等。但大多数情况火灾爆炸事故的直接原因是由于天然气的泄漏。因此，在对压气站进行评价时，应针对系统不同的工艺单元的泄漏发生频率、泄漏速度对应的危害后果进行分析和计算。

压气站天然气泄漏导致的常见后果为闪火和蒸汽云爆炸（简称“VCE”）。如果人员被闪火火焰所吞没，致死率将很高。发生蒸汽云爆炸时对人员可造成如下伤害：可能被爆炸冲击波震向地面、墙壁和设备；由于突发性的压力改变，导致内部伤害；被爆炸冲击波所产生及震飞的碎片所伤害；被坍塌的建筑物所伤害。

2 事故概率计算

压气站导致火灾、爆炸等事故的根源是设备及输气管道的泄漏。目前，国内外大多数QRA评价中泄漏概率的计算都是部分或完全参考历史统计数据，这些数据来源于当今世界各大权威机构的统计数据库。

按照压气站设备设施上泄漏孔径的大小，将泄漏情景分为小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏和全管径破裂。压气站内管道的不同孔径泄漏的概率可按式（1）计算。

式中Fs为设定设备设施的泄漏概率（次/年）；D为设备或管道的直径（mm）；d为设定泄漏孔径的直径（mm）。

3 失效后果计算

式中A为蒸汽云的TNT当量系数，取值范围0.02～14.9%，这个范围的中值是3%～4%，取4%；WTNT为蒸汽云的TNT当量（kg）；Wf为蒸汽云中燃料的总质量（kg）；Qf为燃料的燃烧热（MJ/kg）；QTNT为TNT的爆热，4.12～4.69 MJ/kg，取4 520 kJ/kg。

蒸汽云爆炸的死亡半径按式（3）计算。

根据压气站常见事故后果类型，选取以下两种模型对该站进行分析：蒸汽云爆炸冲击波超压模型可以计算出冲击波造成的死亡区、重伤区、轻伤区的伤害半径；热辐射对人体的伤害可通过喷射火热辐射通量对人体造成的损伤程度来衡量，通过模型可以计算出喷射火焰高度和热辐射死亡区的面积。

3.1 蒸汽云爆炸的冲击波超压计算模型

蒸汽云爆炸的超压使用TNT当量法进行计算。TNT当量可用式（2）估算。

式中WTNT为爆源的TNT当量（kg）。

按式（4）、（5）、（6）计算冲击波超压ΔpS。

式中R为目标到爆源的水平距离（m）；p0为环境压力（Pa）；E为爆源总能量（J/kg）。

对该压气站进行蒸汽云爆炸伤亡后果的计算，计算结果见表1。

表1 主要危险源所在工艺单元事故后果计算m

3.2 喷射火灾危害范围评价模型

3.2.1 喷射火焰高度

出现大孔洞泄漏时，甲烷喷射火与其气体运动雷诺数存在的量化关系，如式（7）。

式中H为火焰长度（m）；D为喷孔直径（m）；A′为系数，甲烷取21；v为喷射火焰端部气体的速度，v（m/s）；g为重力加速度，9.8m/s2。

3.2.2 热辐射计算

采用喷射扩散模式计算喷射火焰的热辐射。设喷射火焰为一系列由沿喷射中心线分布且辐射出相等热量的辐射源组成，则火焰中p点的辐射通量为

式中qp为点源辐射热通量（W）；η为燃烧效率因子，喷射火取0.35；HC为燃烧热，天然气取5×104kJ/kg；Xg为发射率，喷射火取0.2；r1为距火源的水平距离（m）。

假设该站分输出站区某段管道输气压力为4.0MPa，管径508mm，温度20℃，孔口直径300mm，泄漏时间为60 s，应用上述模型对事故后果危害范围进行定量分析，喷射火焰高度为198.98 m，热辐射死亡区面积12156 m2。

4 个人风险值

通过对天然气压气站的失效频率和失效后果的计算，确定爆炸发生时产生的蒸汽云冲击波超压或喷射火热辐射在某一指定位置的发生概率和危害程度。指定程度的冲击超压、热辐射通量可转换为导致伤亡可能性的条件概率，将伤害程度和死亡可能性联系起来，得到个体承受指定程度的冲击超压、热辐射通量的死亡概率，即个人风险值。

重大危险源在网格单元（x，y）处产生的个人风险计算公式见式（10）。

式中R（x,y）为重大危险源在网格单元（x,y）处产生的个人风险总值；Fs为泄漏事件S的年发生频率，当泄漏频率很小时（如1×10-3/a），设备失效分布假设适用于指数分布的情况下，一定时间内的泄漏事件概率和泄漏频率基本相同；Pm为天气等级出现的概率；Pφ为风向ϕ出现的概率；Pi为点火源i的点火概率；Ps(x,y)为后果在网格单元（x,y）处导致的死亡概率；S为危险源泄漏事件数；M为天气等级数；ϕ为风向数；I为点火源数。

通过计算每一个地理位置发生死亡事故的频率，将有相同死亡频率的点在相应的位置标出并连接成线，即形成个人风险等值线。QRA个人风险值的计算和等值线的绘制部分主要集中在定量分析软件的开发上，本文个人风险值计算结果也是在软件计算的基础上得到的。从该压气站的平均个人风险来看，站场主要工艺单元的个人风险值均符合国外主要工作场所最大允许风险值为10-5的规定，属于可以忽略的风险。压缩机房、收发球筒、排污池等单元个人风险值偏高，建议作为日常管理的重点。