基于PHA-LEC法的LNG冷能梯级利用方案风险分析

李云云 李云飞

1.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司,河北 任丘 062552;2.陕西邦希化工有限公司,陕西 西安 710075



基于PHA-LEC法的LNG冷能梯级利用方案风险分析

李云云1李云飞2

1.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司,河北 任丘 062552;2.陕西邦希化工有限公司,陕西 西安 710075

随着液化天然气产业的蓬勃发展,开发LNG冷能梯级利用技术具有巨大的经济效益,有利于降低LNG使用成本,开拓天然气下游市场。但是目前对于LNG冷能梯级利用安全性方面的研究相对较少。在继承前人研究成果的基础上,以三级梯级利用为例，设计出LNG冷能梯级利用的18种方案。并以LNG冷能用于液化分离空气工艺为例,首先采用预先危险性分析法对工艺中涉及设备的潜在风险进行定性分析,然后运用作业条件危险性评价法对潜在风险进行定量计算与评价,确定各设备存在的风险等级,提出合理的防范措施和建议,并根据设备危险性分值,进行权重赋值,通过给定的工艺危险性计算公式,得到工艺危险性分值。采用相同方法,给出LNG冷能梯级利用方案危险性计算公式,为各方案的安全性分析提供指导。PHA-LEC法为LNG冷能梯级利用方案安全性分析提供了一种定性和半定量结合的模式,为方案的优化选择和防范措施的编制提供了科学依据。

LNG;冷能梯级利用;预先危险性分析;作业条件危险性分析;权重

0 前言

LNG作为新型清洁高效的能源,受到世界各国的青睐,由此也带来了LNG工业的迅速发展。开发LNG冷能梯级利用技术具有巨大经济效益,有利于降低LNG使用成本,开拓天然气下游市场。国内对LNG冷能梯级利用的研究很多,徐文东等人[1]提出冷能梯级利用思想,并建立了冷能利用效率模型;葛轶群等人[2]利用的概念,从能量和能质匹配的角度,讨论LNG冷能的梯级利用,达到合理用能;杨红昌等人[3]给出了高效的梯级利用方案,并对其进行了效率计算;尤海英等人[4]根据能量和温位匹配,给出了3种典型的梯级利用方案等。但查阅相关文献,发现对LNG冷能利用过程中安全问题的研究甚少,仅查阅到焦巍等人[5]进行的《LNG冷能利用方案的本质安全性评价》,焦巍等人将本质安全指标法应用到LNG冷能方案中,对方案流程中涉及的化学本质安全指标和过程本质安全指标进行细分,通过打分法给出其值,确定每一种方案的本质安全值,根据本质安全值的大小,判断是否进行工艺改良。但是本质安全法在评价过程中数学计算量大,花费时间较长,且结果比较单一,无法反映项目本身的复杂性。因此有必要对其安全性予以关注,寻求更适合LNG冷能梯级利用方案的安全评价方法,使系统安全在运行时处于最优状态。

1 PHA-LEC法简介

PHA-LEC法是将系统潜在风险具体到各个工序中,辨识出危险因素,分析发生事故的原因及后果,再通过给定影响危险性的三大因素分值,对其危险性进行定量分析,从而得出各工序发生事故的危险等级的一种方法[6]。该方法的实质是将PHA危险性等级定量化,从而能够更有针对性地提出行之有效的安全防范措施及建议。

本文通过识别冷能梯级利用工艺各种工序中的危险因素,分析发生事故的原因以及后果,给出其定性评价。然后利用作业条件危险性评价法,通过打分形式对其危险性进行定量分析,从而得出方案中各个危险源的危险等级。最后,结合各个危险源的危险等级,对其进行权重赋值,计算工艺的危险等级。

利用同样方法,对冷能梯级利用方案中各工艺进行权重赋值,评价各个冷能梯级利用方案的危险等级。

2 LNG冷能梯级利用方案风险分析

2.1 LNG冷能梯级利用方案

LNG冷能应用于任何领域,其基本一环都是在温差作用下实现冷量的传递,LNG冷能利用主要根据各个冷能利用工艺的温位和能量匹配,对LNG的冷能利用工艺进行初步的梯级利用排序。本文仅以三级梯级利用为例,设计出LNG冷能梯级利用方案共18种,方案汇总见表1。

2.2 工艺潜在风险分析

对LNG冷能梯级利用方案进行危险性分析的目的一方面是确定每一种工艺中相关设备元件的危险性;另一方面可为后续整体工艺危险性评价做准备。本评价拟利用预先危险性分析法对工艺中危险因素的危险性做定性分析,确定其危险等级[7],在此基础上,利用作业条件危险性分析法给出设备的危险性分值,对各种设备利用均数法进行权重赋值,对各种工艺的危险性进行评价。单个工艺危险性计算方法见式(1)。

权重(λ)是指在评价过程中,对评价对象不同侧面的重要程度的定量分配,对各评价因子在总体评价中的作用进行区别对待。本次采用算术均数组合赋权法对工艺中各种危险元素进行权重赋值。权重计算公式见式(2)。

(1)

(2)

式中:Fi为工艺i的危险性,i=1,2,…8;fij为工艺i中某个危险因素j的危险性,j=1,2,…n;n为某一工艺中涉及危险源数目;λij为某一工艺中某一危险源的权重;mj为某一工艺中危险源j的个数。

表1 LNG冷能梯级利用方案汇总

第一级第二级第三级冷能发电低温粉碎和破碎废弃物制取液化CO2及干冰油田伴生气凝液回收冷冻仓库海水淡化冷冻仓库海水淡化冷冻仓库海水淡化轻烃回收低温粉碎和破碎废弃物制取液化CO2及干冰油田伴生气凝液回收冷冻仓库海水淡化冷冻仓库海水淡化冷冻仓库海水淡化液化分离空气低温粉碎和破碎废弃物制取液化CO2及干冰油田伴生气凝液回收冷冻仓库海水淡化冷冻仓库海水淡化冷冻仓库海水淡化

本文以LNG冷能用于液化分离空气工艺为例,阐述PHA-LEC方法的使用。通过识别工艺中可能存在的危险因素、事故的触发条件,对各危险因素的危险性进行打分,见表2。

由表2[8-19]可见,在液化分离空气工艺中,立式储罐的危险性等级为极其危险;空气压缩机、压缩机、板式换热器的危险性等级为高度危险;加热器、空气净化器的危险性等级为显著危险;空气过滤器、分馏塔的危险性等级为稍有危险。根据其危险性数值,进行权重赋值,利用式(1)对该工艺危险性计算如下:

F=18×0.035+252×0.15×2+150×0.09+

126×0.07+180×0.1+3×0.005+

540×0.4=332.565

利用同种方法,给出其他工艺的危险性分值,见表3。

由此,得到各种LNG冷能利用工艺的危险性排序为:冷冻仓库与空调系统>液化分离空气>冷能发电>油田伴生气凝液回收>制取液化CO2及干冰>海水淡化>轻烃回收>废旧橡胶低温粉碎。

表2 LNG用于液化分离空气工艺的PHA-LEC分析

设备危险因素触发条件事故后果分数值LECD值危险等级权重(λ)安全防范措施及建议空气过滤器外壳发生变化空气过滤器所承受的压力大于自身所能承受的压力;过滤器滤芯堵塞过滤芯故障过滤器膨胀或压扁财产损失36118稍有危险0.035选择适宜类型的过滤器;做好滤芯的检测工作更换优质的过滤器空气压缩机轴承温度高油压高,进油量少;润滑油进油温度高;润滑油质量不好;轴承合金磨损振动值增大机组对中破坏;转子动平衡破坏;轴承间隙过大;转子连接件松动;地脚螺栓松动;操作不平稳,造成气体脉动;联轴器磨损;叶轮破损;空气中含水量过高;叶片结垢严重;管线附加应力作用;齿轮磨损严重出口风量降低密封间隙过大;静密封点泄漏;进气管道上的气体除尘器堵塞;风温过高;入口过滤网堵塞出口风温高冷却水量不足;冷却管破裂或松动;冷却管内、外表面积垢异常声响回转体与壳体摩擦;机械破损;齿轮啮合不好;振动过大;气体脉动,涡流;压缩机喘振轴承漏油油封、油挡间隙大;齿轮箱内压力增大财产损失,人员伤亡667252高度危险0.15调节油压,检查入口管节流阀是否阻塞;检查油泵是否损坏;调整或更换润滑油;调节油冷却器的冷却水量或水温,清洗油冷器;更换轴承重新对中找正;重新校正动平衡;调整轴承间隙;把紧连接件;把紧螺栓;稳定操作到正常工况;更换联轴器;更换转子组件;检查级间冷却器及干燥器的排水管;消除叶轮灰尘积垢;更换转子;在适当位置安装管座或膨胀节调整密封间隙;查出泄漏点并处理;清扫气体除尘器;更换过滤网;加大冷却水流量,降低风温加大冷却水量;堵塞裂管或紧松管;清洗管束找出摩擦部位进行处理,必要时停机调整间隙;更换破损件;稳定操作工况;重新调整中心距、啮合间隙及齿面接触;检查入口过滤系统、级间冷却器、操作控制系统调整间隙为规定值;检查排烟风机、管道及润滑油箱加热器加热温度达不到设计要求接点电阻过大;仪表失准;电热元件老化或损坏电加热器漏气壳体有裂纹;密封不好漏电接地不良;接地不正确;绝缘不良或损坏加热器跳闸负荷电缆或控制电缆接地;控制元器件故障加热器无法起动温度接点、开关接触不良;控制电路的有关元器件出现故障财产损失,人员伤亡11015150显著危险0.09处理或更换接点;调校或更换仪表;更换电热元件管补焊或更换;旋紧端盖螺母或更换密封垫重新接地;正确接线;绝缘处理消除电缆接地故障;更换故障的油罐元器件更换开关;检查、更换出故障的油罐元器件空气净化器不产生负离子部件损坏输出的负离子浓度低电极上可能会积满尘垢或严重氧化;电极片弯曲变形能产生负离子,循环风机不转空气净化器进风口无吸风现象,污浊空气无法清洁过滤极间打火正、负极片间有尘垢;电极距离太近噪声大扇叶碰壁,固定螺钉松动,风叶不平衡,风机轴有扫堂现象;风机转速过快财产损失367126显著危险0.07更换及时清理灰垢和氧化物;用镊子对弯曲的极片进行调整,使正、负极极片间距均匀检查其接线是否良好,如果电机损坏,则应用同规格的电机更换及时清理灰垢和氧化物;用镊子对弯曲的极片进行调整,使正、负极极片间距均匀检查扇叶是否碰壁,固定螺钉是否松动,观察风叶是否平衡,风机轴是否有扫堂现象,并排除;在电源与风机间串接电容降压

表3 LNG冷能梯级利用工艺危险性分值表

LNG冷能梯级利用工艺危险性分值冷能发电174轻烃回收153.86油田伴生气凝液回收173.4液化分离空气183制取液化CO2及干冰170.07冷冻仓库与空调系统262.8废旧橡胶低温粉碎152.28海水淡化156.87

2.3 方案潜在危险分析

根据上面的工艺危险性等级,结合冷能梯级利用方案,对方案中每种工艺按照均数法进行权重赋值[20],得到每种方案的危险性计算公式:

Fi=∑fjλij

(3)

其中:

(4)

式中:Fi为方案i的危险性,i=1,2,…18;fij为方案i中涉及的工艺j的危险性;j为工艺代码,j=1,2,…8;λij为方案i中j工艺的权重。

同法,利用式(3)、(4)得到LNG冷能梯级利用方案的危险性分值表4。

由此,得到各个冷能梯级利用方案的危险性排序为:

P 11>P 1>P 7>P 9>P 5>P 12>P 6>P 2>P 4>P 3>P 13>P 18>P 10>P 14>P 15>P 8>P 17>P 16

2.4 讨论

由上面的计算可得,在8种冷能梯级利用工艺中,LNG用于废旧橡胶低温粉碎工艺较其他工艺而言危险性较低,属于显著危险[21];用于冷冻仓库与空调系统工艺危险性最高,属于高度危险[22]。

在18种冷能梯级利用方案中,风险最小的方案是第一梯级用于轻烃回收,第二梯级用于低温粉碎,第三梯级用于海水淡化。风险最大的方案是第一梯级用于冷能发电,第二梯级用于低温粉碎,第三梯级用于冷冻仓库与空调系统。原因在于在这种梯级利用方案中,对于用于冷冻仓库和空调系统和用于冷能发电工艺的危险性特别高,因此,进行权重赋值时,占的比重也相对较大,使得总体方案的危险性增高。

表4 LNG冷能梯级利用方案危险性分值表

方案序号方案P权重第一梯级第二梯级第三梯级第一梯级第二梯级第三梯级危险性分值危险程度P1液化分离空气制取液化CO2及干冰冷冻仓库0.30.250.45215.67高度危险P2液化分离空气制取液化CO2及干冰油田伴生气凝液回收0.40.250.35176.40高度危险P3液化分离空气低温粉碎冷冻仓库0.3540.20.446172.57高度危险P4液化分离空气低温粉碎油田伴生气凝液回收0.4550.210.335173.33高度危险P5轻烃回收制取液化CO2及干冰冷冻仓库0.250.30.45207.74高度危险P6轻烃回收制取液化CO2及干冰油田伴生气凝液回收0.340.370.39182.86高度危险P7轻烃回收低温粉碎冷冻仓库0.240.210.55213.44高度危险P8轻烃回收低温粉碎油田伴生气凝液回收0.30.240.46162.47高度危险P9冷能发电制取液化CO2及干冰冷冻仓库0.380.190.43211.43高度危险P10冷能发电制取液化CO2及干冰油田伴生气凝液回收0.460.210.33167.77高度危险P11冷能发电低温粉碎冷冻仓库0.390.260.45225.71高度危险P12冷能发电低温粉碎油田伴生气凝液回收0.440.290.37184.87高度危险P13液化分离空气制取液化CO2及干冰海水淡化0.420.320.26172.06高度危险P14液化分离空气低温粉碎海水淡化0.450.280.27167.34高度危险P15冷能发电低温粉碎海水淡化0.430.290.28162.90高度危险P16轻烃回收低温粉碎海水淡化0.330.310.36160.45显著危险P17轻烃回收制取液化CO2及干冰海水淡化0.30.380.32160.98高度危险P18冷能发电制取液化CO2及干冰海水淡化0.390.370.24168.43高度危险

3 结论

通过应用PHA-LEC法分别对18种LNG冷能梯级利用方案进行评价,可得出以下结论：

1)LNG冷能梯级利用方案中存在的主要危害有易燃、易爆、高压、易故障等,几乎所有方案的危险性值均在160以上,危险性为高度危险,说明LNG冷能梯级利用过程的安全性较低,需针对主要危害进行改良。

2)方案P 16(轻烃回收→低温粉碎→海水淡化)与其他方案比较,危险性较低,表明方案P 16的安全性最高,主要原因是单个工艺危险性相对均较低,在进行方案选择时,可优先选取。

3)方案P 11(冷能发电→低温粉碎→冷冻仓库与空调系统)与其他方案相比,危险性最高,需慎重选取。主要原因是方案中冷能用于冷冻仓库和发电的危险性均高,使得整体危险性数值大。

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2016-04-14

中国石油科技创新基金研究项目(2012 D-5006-0602)

李云云(1989-)，女，陕西渭南人，硕士，主要从事给排水与消防的研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.009