地下储气库注采气站风险评价方法研究

王 珂,常大伟，罗金恒，赵新伟，马卫锋

(1. 中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室 陕西 西安 710077；2.中国石油西气东输管道公司 上海 200000)

0 引 言

随着我国经济快速发展，低碳清洁的天然气需求急剧增长，天然气安全平稳供给形势日益严峻，储气库建设速度加快，截至2017年底，中国已建成25座天然气地下储气库，其中中国石油23座，工作气量达100亿立方米。地面站场作为地下储气库的重要组成部分，其工艺比长输管道输气站更加复杂。地下储气库的地面设施要实现注气和采气两种功能[1-2]。注气是将输气管道来气经压缩机加压注入地下储气库；采气是将天然气从储气库出口采出，经过处理进入输气管道。因此，地面站场是保证储气库发挥效能的关键，其安全评价尤为必要。本文在站场风险因素辨识和单元划分的基础上，提出一套新评价方法，并以金坛储气库为例进行风险评价。

1 站场风险因素辨识

由于站场设备种类、数量繁多，所以诱发事故的风险因素既是多方面的，又是多层次的[3]。站场与管道风险因素的影响是有差别的，在管道风险评价中，造成管道失效的最主要原因是腐蚀因素和第三方破坏，而对于站场而言，误操作和制造缺陷等原因对设备的失效往往影响更大。

储气库地面站场设备主要风险因素分析见表1。

表1 地面站场设施风险因素

2 单元划分

储气库地面站场设备种类多、工艺复杂，并且相对独立，本文在不考虑储气库井头设施的情况下，将其划分为三个单元，即压缩机组单元、处理系统单元和管路系统单元，并对单元内划分子单元。如图1所示。

图1 站场单元划分

3 评价方法

目前，油气管道风险评价体系已经成熟并应用于实际[4-5]，而专门针对站场的风险评价方法还不多，现有的手段也只是根据国家法律法规得出定性的评价结果，然后按照评价结果对照得出整改方案。本文基于定量风险排序和危险与可操作研究(HAZOP)建立一套新方法，通过风险排序查找主要风险单元，或风险单元的主要风险设备或管路，并以此为主要分析对象，进行危险与可操作性研究，查找风险原因，并给出采取措施或对策，分析工作的流程如图2所示。

图2 评价分析流程

评价中选用孔尺寸原则：泄漏孔径小于或等于设备或管道自身的直径，使用四个标准孔尺寸，见表2。例如，一根1 in管道只有两个孔尺寸：in和破裂，因为最大可能的选择相当于1 in孔尺寸。对于压力容器采用所有孔，往复式压缩机参照历史失效数据，只选用1和4 in孔尺寸。

表2 评价所使用的孔尺寸

4 评价方法应用

金坛盐穴地下储气库是西气东输管道工程的重点配套工程，是我国首次利用地下岩盐层建设的大型地下储气库，它将会有效保证西气东输管道沿线和下游长江三角洲地区用户的正常用气。下面以金坛储气库站场为例进行风险评价：

(1)单元划分

按照图1进行单元划分

(2)风险排序

①泄漏后果

音速流动的气体泄漏质量流量为[2]：

式中Cdg，气体泄漏系数，与裂口有关，裂口为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90；p为气体操作压力，Pa；M为气体分子量，天然气约为23；A为裂口面积，m2；qmG为气体泄漏质量流量，kg/s；R为气体常数，8.3144J/(mol·K)；T为气体温度，K。

持续泄漏:

设备破坏面积:A=43x0.98

致死事故面积 :A=110x0.96

瞬时泄漏：

设备破坏面积：A=41x0.67

致死事故面积：A=79x0.67

其中，A为面积， ft2；x为泄漏质量， lb。

对于站场内部，都配备有消防水喷淋系统和监视器，其对应的后果区面积可以减小20%。

②泄漏概率

失效概率的计算是通过采用同类失效概率数据，以及设备修正系数(FE)和管理系统修正系数(FM)两项来修改同类失效概率，计算出一个经过调整的失效概率，表达式为：

概率调整=概率同类×FE×FM

同类失效概率采用API 581提供的值，见表3。针对站场的计划停车次数大于6/年、地处1级地震区、压缩机进行定期振动监测、泄压阀没有大量结垢等情况，取其设备修正系数FE为6；对设备及其安全管理进行打分，根据总得分对照管理系统分置与修正系数的关系图进行打分，如图3所示。然后算出失效概率值。

图3 管理系统分置与修正系数的关系图

③总风险值的计算

设备或管线风险值=∑孔尺寸(失效后果×失效概率)

考虑设备的平均成本为500元/m2，考虑人口密度为0.01人/m2，每人的伤亡成本为10万元。

对金坛储气库的风险排序结果如图4～图6所示。

表3 API 581建议的同类设备失效频率

图4 单元风险评价结果

图5 处理系统单元风险评价结果

由图4可知压缩机系统和处理系统风险远远大于管路系统风险，其中压缩机组最大的；图5可知处理系统设备中空冷器的风险值最大，其次是过滤分离器和旋风分离器。管路系统中对带压的39条管线中，图6可知从压缩机出口到缓冲罐出口的管线P2112～P2118风险后果最大，这是由这些管线的运行压力大和温度较高所致。

(3)HOZAP分析

根据风险排序确定的主要风险单元或单元里的主要风险设备或管路，以它们为主要分析对象，进入到常规HOZAP分析过程。下面处理系统单元中最大风险设备空冷器为例，给出其HAZOP分析结果和控制措施，见表4。

图6 管路系统单元风险评价结果

表4 空冷器HAZOP分析结果

5 结 论

基于风险排序与危险和可操作性方法(HAZOP)建立储气库注采气站风险评价方法，有效识别高风险单元和开展详细工艺风险分析，并在金坛储气库应用，评价结果表明，压缩机系统和处理系统风险远大于管路系统风险，其中压缩机组最大；处理系统设备中空冷器风险最大，其次是缓冲罐、过滤分离器和旋流分离器；管路系统中从压缩机出口到缓冲罐出口的管线P2112～P2118风险后果最大，由于这些管线的运行压力大和温度较高所致；最后以高风险设备空冷器为例，利用HAZOP法进行详细风险分析，并给出控制措施。