石化企业多米诺事故场景下的区域环境风险评价技术

张俊明，袁鹏，许伟宁，韩璐，宋永会* ，郭继香

1.中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地，北京 100012

2.中国石油工程建设公司，北京 100120

3.中国石油大学(北京)提高采收率研究院，北京 102249

随着国家以园区经济发展为代表的区域性开发的推进，我国的区域环境风险问题日益显现。区域环境风险发生过程复杂，一般具有多种环境风险类型，并伴生多种环境风险因素，这些因素能够相互作用、相互影响［1］。区域环境风险评价是对较大的地理区域内多个风险因素进行定量的、系统的评价过程，该过程涉及对多种风险源和风险受体的评价，在此基础上得到区域环境风险综合指数(风险度)，以该综合指数为依据编制的区域风险分布图是一个包含社会、环境和经济等诸多因素的巨系统，为区域开发建设和制订风险管理政策提供科学依据［2-3］。国内外学者对区域环境风险系统的框架和总体风险分析做了相关研究，在针对特定行业潜在环境风险的研究中，更多着眼于对单一的、具体的环境风险源的分析，而对风险因素间相互影响导致的复合风险效应鲜见深入研究［4-6］。

近年来，作为高风险行业的石化行业逐渐向装置大型化、工艺复杂化、企业园区化方向发展，该发展趋势直接导致了风险工艺装置间多米诺事故的发生频率增加［7-8］。石化企业的多米诺事故指的是由初始事件引发的单个或更多二级事故，二级事故的发生对周围生态环境和人员受体造成了更加严重的影响并且使初级事故的影响得以传播［9］。基于石化企业历史多米诺事故的分析，在所有多米诺事故涉及化学物质中占有最高比率的是液化石油气(liquefied petroleum gas，LPG)，达26.7%。表1 列出了B.Abodolhamidzadeh 等［10］总结的近60年来涉及LPG的多米诺事故的发生时间、地点及伤亡情况。

表1 部分涉及LPG(丙烷/丁烷)的历史多米诺事故［10］Table 1 Some Domino accident examples involving LPG(propane/butane)

对石化企业装置进行多米诺事故分析是对该类企业风险研究的一个重要方面，在此基础上实现对区域环境风险的评价，目的在于客观地揭示区域内及区域之间多米诺事故风险的相似性和差异性，并据此得出区域环境风险的分布规律。将整个评价区域划分为不同等级的环境风险区，确定环境风险管理资源的优先配置顺序，以期为区域环境风险管理者和决策者提供充分的科学依据。

1 多米诺事故风险分析与区域环境风险评价

1.1 多米诺事故风险分析

石化企业中的任一工艺设备都会因为反应过程的失效(如失控反应、反应中生成巨大压力等)，或者设备本身的缺陷(如腐蚀、金属疲劳)导致设备的失效。当设备的失效是由于接触到了周边设备事故而产生的事故升级因素(热负荷、爆炸超压或者抛射物)时，该类设备的事故发生概率为:

式中:fi为设备事故概率;为单个设备的损坏概率，可以根据同类设备历史事故数据进行统计计算得到为单个设备在多米诺事故中的失效概率。

多米诺事故使周围设备失效事件可以用下述逻辑关系式表达:

根据式(1)～(3)，可计算出评价区域内设备间相互影响的多米诺事故发生概率，如果不考虑事故后果严重度的差别，将事故后果的严重度设定为1，根据风险的定义，多米诺事故风险值(r)在数值上与多米诺事故发生概率是相等的。在计算出每个工艺设备的多米诺事故风险值后，再对所有设备的多米诺事故风险值求和便可得出所评价企业的多米诺事故风险值。

在几种类型的初始事故中，爆炸最容易引发多米诺事故，因此，主要考虑爆炸波超压这一升级因素对周围设备的影响。在明确了泄漏出的易燃易爆物TNT 当量值(WTNT)后，设定与爆炸源的距离(x)，即可得到与爆炸源特定距离的爆炸波超压值

在得出具体的超压值后，应用概率元模型［12-13］计算对应超压值的不同设备类型的多米诺损害概率元(Y):

式中:Y 为要计算得到的设备损坏概率元;△p 为根据式(4)计算出的超压值，Pa;k1、k2为对应不同种类设备的概率元系数，具体数值见表2。

表2 4 种设备的概率元系数Table 2 The coefficient of 4 types of equipment in the probit model

1)立式长设备指蒸馏塔、吸收塔等塔设备和储罐等;2)小型设备指换热器、过滤器和洗涤器等。

得到不同种类设备在不同超压值下的Y 后，可计算出某一设备在受到爆炸冲击波超压影响时的损害概率［12］:

针对蒸馏装置发生泄漏后的蒸气云爆炸事故对周围装置的破坏情况，结合之前的研究成果［14］，对其进行模拟计算，计算结果见表3。

表3 超压对周围设备损害的概率Table 3 The damage probability caused by blast wave overpressure

1.2 区域环境风险评价方法

信息扩散是可以对单一样本点进行集值化处理的模糊数学处理方法。通过扩散函数来建立2 个变量之间的二元关系，对不完备信息进行适当的信息膨胀，以弥补小样本信息不足的缺点。笔者引入信息扩散原理，从宏观角度对区域环境风险进行评估和分析。

应用信息扩散法进行区域环境风险评价分为5个步骤:区域网格化，风险信息矩阵的构建，数值修正，风险值迭加及环境风险分区。在构建风险信息矩阵时应用的扩散模型主要是HJ/T 169—2004《建设项目环境风险评价技术导则》推荐的3 个气体扩散模式:多烟团模式、分段烟羽模式和重气体扩散模式［15］。有毒有害气体扩散受当地气象条件和地形因素影响最大，尤其是在有风条件下的扩散，扩散距离与地形、风速及泄漏总量有关，因此，要根据现实情况对风险信息矩阵进行数值修正，才能得到更符合实际的风险值矩阵。在信息扩散法中，为方便风险值在风险信息矩阵中显示，对指数形式的风险值用式(7)进行处理，将其转换为整数形式(R)［16］。

根据R 的取值范围，将区域环境风险划分为5个等级，见表4。

表4 风险等级划分及其危险性Table 4 The multiple risk levels and their dangerous degree

为了对评价区域应用信息扩散法，需明确区域内每个单一样本点的风险值，本研究主要考察风险企业在多米诺事故场景下的风险值。

2 案例研究

以某沿海城市为例，根据对该市主要企业调查和环境风险水平分析结果，筛选出高风险企业18家，主要为石化类企业。

2.1 多米诺事故风险值的计算

按照1.1节给出的多米诺事故风险值计算方法，对评价区域内某石化企业的储存单元进行风险值计算。该储存单元中4 个储罐的类型、储存的危险物质、存量以及事故失效概率如表5 所示。4 个储罐的平面布置如图1 所示。

表5 某石化企业模拟多米诺事故相关数据Table 5 The relevant data in Domino accident simulation

图1 储存区域储罐平面布置示意Fig.1 The layout chart of tanks in storage area

在当地主导气象条件下，池火和蒸气云爆炸是该储存区域发生事故时最有可能造成的初级事故。储罐中的危险物质在发生事故泄漏后会在事故地面形成液池，如果形成的液池被周围环境的静电或火源立即点燃则池火形成。如果液池未被立即点燃，在设定的气象条件下，液池内的危险物质会逐渐蒸发形成可燃蒸气云。蒸气云会随风向下风向漂移，当在漂移过程中遇到静电或火源时则蒸气云爆炸事故形成。

在受到周边设备影响的情况下，对升级因素的致伤概率(热负荷和爆炸超压)进行了分析。采用V. Cozzani 等［12］提出的方法计算TK-1 的失效概率时，要将设备间的相互影响考虑在内，结合式(2)～(4)，得到TK-1 的多米诺失效概率为4.4 ×10-6。对比表5 可知，当考虑设备间的多米诺效应时，设备的失效概率是原来的4.4 倍。其他3 个储罐的多米诺失效概率可用相同方法得出，结果见表6。

表6 储罐的多米诺失效概率Table 6 The damage probability of storage tanks in Domino accidents

如果不考虑4 个储罐发生事故后的严重度差别，将严重度均设为1，根据1.1 节可得出该储罐区域的多米诺事故风险值为3.79 ×10-5。

同理，企业的多米诺事故风险值可以用企业涉及的所有风险工艺的多米诺事故风险值进行叠加求和。根据该计算方法，最终求得的研究区域内的18家企业的多米诺事故风险值见表7。

表7 18 家企业的多米诺事故风险值Table 7 The Domino risk value of 18 plants

2.2 区域风险信息可视化

在数字化的地图上标注出该市行政辖区内的高风险企业及敏感风险受体，结果见图2。

图2 某市主要风险企业与敏感风险受体分布Fig.2 The position of environmental risk sources and susceptible targets in the city

该市的评价区域面积为45 km×90 km(包括海域面积)，取步长间隔为3 km 对评价区域网格化，形成15 行×30 列的评价网格，据此建立1 个15 ×30 的风险信息矩阵，起始位置为图2 左上角。18 家风险企业在矩阵中的相对位置及多米诺事故风险值见表8。

表8 主要环境风险源信息、相对位置及多米诺事故风险值Table 8 The relevant information，relative coordinates，risk value of risk sources

根据表8 中的数据作出该市风险企业多米诺事故风险值矩阵(Q1)(未被标记数值的区域风险值为0):

根据信息扩散法的风险值扩散原理，对以上每家企业的液态风险和气态风险进行扩散、数值修正、有效叠加后，得到修正后的多米诺事故风险值矩阵(Q2):

应用ArcGIS 软件将Q2导入到该市的数字化地图中，再利用克里格插值对其他网格区域的风险值进行插值估算，可视化后得到了最终的风险等级区划图，如图3 所示。

图3 某市环境风险评价结果Fig.3 The result of environmental risk assessment in the city

从图3 可以看出，该市绝大部分地区属于中度等级的风险区，有2 个独立区域属于高风险区(R 为4.5)，在2 个高风险区内，进一步确定了3 个独立的较小区域属于极高风险区(R 为5.0)。对于极高风险区，环境管理部门的决策者应给予高度的重视，必须对该区域采取有效的环境风险防控措施，优先分配风险管理资源，编制区域环境风险应急预案，做好敏感受体的防护，以降低3 个区域的多米诺事故风险值，最大限度地避免事故的发生;对于高风险区，管理部门应密切关注该区域的风险变化情况，采取必要的措施防止该区域的风险水平升高;针对位于中度及以下风险等级的区域，管理部门只需定期评估该区域的风险情况，做好日常的防范工作，无需占用过多的风险管理资源。

3 结论

对石化企业装置的多米诺事故进行了数学逻辑分析，整合了装置在多米诺事故下失效的逻辑表达式和事故发生概率计算方法。结果表明，设备的事故发生概率是设备自身失效概率与该设备的多米诺事故失效概率之和。整合爆炸波超压模型、概率元分析法和信息扩散法后得到了区域尺度上石化类企业环境风险评价方法。案例研究结果表明，风险管理部门应重点关注该市的3 个极高风险区域，优先配置管理资源的同时还应采取强制措施降低该类区域的风险。

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