基于SAFETI软件的天然气储配厂罐区定量风险分析

2020-07-01何宁辉工程师张玉涛工程师吕锡胜工程师战致铭

安全 2020年6期

何宁辉工程师张玉涛工程师吕锡胜工程师高盛战致铭

(1.西安秦华天然气有限公司，陕西西安 710075；2.陕西海山安全技术服务有限公司，陕西西安 700024)

0 引言

定量风险分析(Quantitative Risk Analysis,QRA)方法被广泛的运用于各种生产领域的风险分析中，挪威船级社(DNV)公司开发的SAFETI(Software for the Assessment of Flammable Explosion and Toxic Impact)软件是定量风险分析的工具之一。近些年来，国内各种生产事故频发，国家出台了一系列的法规和标准，要求企业提高安全生产水平、加强对于自身生产风险分析管控。有一批学者和安全行业从业人员对SAFETI软件在各领域的应用做了大量研究。

膝封梅介绍了定量分析软件SAFETI的功能，阐述了运用SAFETI软件进行事故后果模拟的方法流程，并将其运用到了石油化工生产装置的事故后果模拟中[1]；陈国华在LPG(液化石油气)储罐上运用SAFETI软件对其进行事故后果模拟评价，完整的叙述了SAFETI软件使用流程，并提出将SAFETI软件运用于天然气管网的腐蚀性研究中的思路[2]；翁帮华将SAFETI软件运用于增压站，模拟得出了厂区的个人风险和社会风险结果，并结合国家相应标准对于加压站进行了定量风险评价，得出了基于SAFETI软件的QRA分析方法[3]；黄海滨把SAFETI软件应用于海上石油平台PSP上，在利用FLUENT软件模拟得出的油气泄漏分布的基础上，模拟出平台油气泄漏的火灾爆炸后果，建立了多模拟软件相结合的定量分析方法，模拟结果更接近实际[4]。

膝封梅主要在理论层面介绍了如何适用SAFETI软件，对实际应用的描述不够具体且只对事故后果进行了分析；黄海滨只对于事故后果进行分析，对于评价对象的风险未作分析，而翁帮华只对风险进行了分析，并未考虑事故后果的影响；陈国华用SAFETI进行了事故后果和风险2方面评价，但并未给出相应建议。结合上述论文的思路与优缺点，本文首次将SAFETI软件应用于城市燃气的储配厂中，对天然气储罐开展事故后果模拟和定量风险分析，并将分析结果对应国家标准的相关要求，提出储配厂安全管理方面的建议措施。

1 SAFETI软件简介

SAFETI软件于1961年正式问世[5]，是一种工业标准QRA软件，由DNV公司开发，拥有30多年开发历史，在国内外广泛用于对石油化工设施及流程工业中的定量风险评价分析，是一款成熟稳定准确可靠的定量风险评价分析工具。

2 天然气的理化性质

天然气的成分主要由甲烷(85%)、丙烷(3%)、氮(2%)、丁烷(1%)和少量乙烷(9%)组成。天然气是一种易燃易爆气体，天然气的密度比空气小，又无色、无味、无毒。具体的理化性质，见表1。

3 天然气泄漏的危害

天然气中的主要成分是烷烃，其特性是易燃易爆。当天然气发生泄漏后，气体从泄漏口高速向外喷出，同时极易与缺口边缘摩擦出火花，产生喷射火焰。当天然气在空气中浓度达到5%～15%时，遇明火在瞬间燃烧释放大量能量，产生高温高压气体，高压气体因超压释放产生冲击波，即爆炸。因此天然气泄漏带来的危害主要是爆炸超压和喷射火2种事故状态。

3.1 爆炸超压

发生爆炸时，爆破能量在向外释放时以冲击波、碎片和容器残余变形能量3种形式表现出来，其中空气冲击波是爆炸的主要危害因素。冲击波的伤害和破坏作用在多数情况下都是由超压所引起的，见表2。

表2 爆炸超压对人体的影响

3.2 喷射火

喷射火会造成范围型的火灾。火灾危害包括对人、物及生态环境所造成的危害，主要来源于热量和烟气，其中热辐射是热量传播的主要形式。不同强度热辐射对人和设备的影响情况，见表3。

表3 热辐射对人和设备的影响

4 储配厂天然气泄漏模拟

4.1 储配厂简介

本次分析的对象是城镇燃气储配厂罐区，该厂内设1万m3固定容积天然气储气球罐4台，储气能力为40万Nm3，设计压力1.05MPa，最高工作压力0.95MPa，最低工作压力0.25MPa。工艺流程是用气低峰时，天然气由城市门站经高压管网进入球罐储存；用气高峰时，天然气由高压储罐输气至高压管网和各高中压调压站。

4.2 参数设定

经对该储配厂实际调研，球罐压力、运行温度、气体含量等事故后果模拟参数，见表4。

表4 参数选值统计表

根据《承压设配系统基于风险的检验实施导则第4部分：失效可能性定量分析方法》(GB/T 26610.4-2014)[6]，球罐为储存类容器，选小孔、中孔、大孔3种不同孔径来研究球罐泄漏事故后果。各类型孔径及发生概率，见表5。

表5 各类型孔径尺寸及发生概率

5 模拟结果

5.1 风险计算结果

(1)社会风险分析。

采用SAFETI 软件的7.2版本对事故风险进行模拟计算，将相关参数输入后计算出的社会风险结果，如图1。结果显示该厂罐区的社会风险(死亡1-3人的概率)均在可接受区内，符合国标《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》(GB 30894-2018)要求[7]。

图1 储配厂罐区社会风险计算结果

(2)个人风险分析。

采用SAFETI软件对事故风险进行模拟计算，计算得出个人风险等高线，如图2。事故发生的概率为3×10-6的个人风险等高线(图2中最外层黑色线)均在储配厂围墙内，且未覆盖到厂内调压区和办公楼，符合国标《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》(GB 30894-2018)要求[7]。

图2 储配厂罐区个人风险计算结果

5.2 事故后果模拟结果

天然气球罐一旦发生泄漏可能会造成喷射火、爆炸等后果。在SAFETI软件中输入相关参数，分别模拟得出2种事故形态对厂区及周围建筑的影响，结果如下。

(1)爆炸超压。从表2中选取爆炸超压影响的4个代表值：0.75bar(图中从内到外第一层环线)、0.206 8bar(图中从内到外第二层环线)、0.137 9bar(图中从内到外第三层环线)、0.020 7bar(图中从内到外第四层环线)。对比图3和图4当发生中孔泄漏时，爆炸超压影响范围基本局限在厂区隔离范围内，对于厂区内建筑和周边建筑基本没有影响。但在发生大孔泄漏时，爆炸超压大于0.75bar的致死范围覆盖了大部分厂区并且影响到了一部分厂区外建筑。所以当发生中孔泄漏时应采取相应的应急措施防止事故扩大，并及时通知、疏散周围群众，防止泄漏扩大后对厂区和周边造成严重影响。

图3 中孔晚期爆炸超压最坏情况

图4 大孔晚期爆炸超压最坏情况

(2)喷射火。在SAFETI软件中输入相应参数后，得到了喷射火的分析结果，如图5、6。

从表3中选取喷射火热辐射影响的3个代表值：37.5kw/m2(图中最内层环线)；12.5 kw/m2(图中中层环线)；4.0kw/m2(图中最外层环线)。在发生中孔泄漏时，喷射火热辐射大于37.5 kw/m2的范围不超出罐区范围，不会影响到厂区内其他建筑和周边环境。但如果发生大孔泄漏，喷射火的影响范围将大大增加，对厂内部分办公楼有一定影响，但不会影响厂外建筑。

图5 中孔喷射火强度半径

图6 大孔喷射火强度半径

5.3 结果分析与建议措施

该储配厂的个人风险和社会风险综合计算结果均满足国标要求，建议该厂密切关注周边建筑活动，防止新增大型人员密集场所。

事故后果模拟结果显示：在发生中等孔径的泄漏事故时，爆炸超压、喷射火的危害基本能控制在厂区范围内，对周围的建筑和人员影响较小。但是当泄漏口变大成为大孔泄漏事故时，爆炸超压的影响范围已经超出了厂区，将会导致周围的建筑损坏和人员伤亡。因此，当天然气泄漏情况超出控制时，应及时撤离厂区员工，并告知周边民众尽快疏散。建议该厂在日常生产中采取以下风险控制措施：

(1)风险告知：将天然气泄漏事故后果和危害告知储配厂周边居民，在厂区外周围靠近天然气储罐的地方设置风险告知牌。

(2)教育培训：对储配厂周边居民开展安全教育培训，发放宣传材料，向该地区居民普及天然气危险特性、泄漏后果、泄漏后紧急疏散及撤离等方面的知识。

(3)应急管理：编制泄漏现场应急处置方案时要考虑到周边居民，建立应急联动机制并定期开展应急疏散演练。

(4)设备管理：加强厂内罐区、调压区等设备的巡查管理，定期对球罐外壁进行检测，发现泄漏隐患或小规模泄漏应及时处理。