中国石油储备库设计运行技术现状及发展建议

李玉忠 马伟平

1. 中海油石化工程有限公司, 山东 青岛 266101;2. 国家管网集团北方管道有限责任公司管道科技研究中心, 河北 廊坊 065000

0 前言

20世纪90年代，中国开始建设石油战略储备库,截止2020年已建成9个国家石油储备基地,储油能力3 773×104t。中国的石油储备量能力基本达到国际能源署设定的石油储备量安全标准线90 d,但相对欧美发达国家,石油储备及保障能力仍显不足。2020年中国原油对外依存度接近70%,是世界第一大石油净进口国,加快石油储备库建设对于国家能源安全和经济发展至关重要[1]。石油储备库设计建设呈现大型化趋势,运行管理难度和安全风险不断增大。近年来发生多次储罐事故,造成重大人员伤亡和经济损失,例如2006年至2007年分别在仪征油库、镇海国家石油储备库、金山石化白沙湾油库发生雷击着火事故[2];2010年大连“7·16”油库火灾爆炸事故,造成1名消防员牺牲,经济损失高达2.2亿元,约1×104t原油流入渤海湾[3]。本文从石油储备库规划设计、运行管理和安全消防等方面,阐述了国内外技术现状和先进经验,提出了加快、完善中国石油储备体系建设的合理化建议,旨在提高中国石油储备库本质安全和保障能力。

1 石油储备库规划设计

1.1 选址

石油储备库应配套建设便捷的进出油输送和配送系统,选址应考虑炼化企业、长输管道、输油末站和消费市场等因素,兼具灵活性和可靠性。考虑海港船舶进口优越性,中国石油储备基地主要布局在沿海和经济发达地区,如发生战争,石油储备基地首当其冲,易成为战争或恐怖袭击目标。石油储备布局应有一定梯次,未来应规划中西部战略纵深地区,具备位置隐蔽性,促进中西部经济发展,又能规避战争风险[4]。

近年来，中国极端天气事件频繁,储备库选址应注重防范暴雨和洪水造成的滑坡、滑塌等地质灾害。美国标准API RP 2001—2012《炼油厂消防规程》(以下简称APIRP 2001—2012)规定，炼油厂库区选址应考虑飓风、洪水和地震等自然灾害的频率和严重程度,与居民区和建筑物的安全距离、设置缓冲池、未来改扩建的概率。石油储备油品应以原油为主、成品油为辅,成品油挥发性强,造成挥发损失和质量衰减,且爆炸危险性高。按照国际惯例,原油与成品油储存量比例不宜大于9∶1。

1.2 设计

储罐是石油储备库的基础设施,大型储罐具有耗钢率少、工艺流程简单、相对占地面积和建设投资成本低等优点,是石油储备库设计建设的发展趋势。国外最大储罐容积是24×104m3,中国具备最大储罐容积15×104m3的设计、建设和运行技术[5],相比10×104m3储罐,节省钢材5%、占地面积7%～22%，但目前10×104m3储罐仍占主体地位。考虑技术和经济因素,石油储备库具备统一规划设计15×104m3储罐的条件。

未来应研究大型储罐本质安全设计技术,建立储罐本质安全的设计方法体系。总图设计是石油储备库工程的基础,基本原则是节约土地、设备功能分区和保证安全间距[6]。国内储罐控制阀设计在防火堤内且多为手动阀门,火灾状态下人员难以控制。大连“7·16”油库火灾爆炸事故中储罐控制阀失电,不能手动关闭阀门,导致火灾蔓延造成灾难性后果。而加拿大Enbridge公司设计储罐控制阀位于防火堤外侧且为电动阀门。GB 50351—2014《储罐区防火堤设计规范》未强制要求储罐区防渗设计和具体型式。储罐发生油品泄漏,可能渗流导致附近水体环境污染。调研中国仅在少部分地下水环境敏感地区采取罐区防渗设计。俄罗斯标准Правила—2004《储罐运行技术规范》规定罐区防渗做法是在地面以下1～1.5 m地基处敷设有机聚合物防渗膜,上方填充厚度 150 mm 的碎石,或者填充厚度100 mm的混凝土。

1.3 储罐安全距离

储罐安全距离是石油储备库总图设计的关键参数。中国储罐安全距离设计等级偏低,固定式消防系统只能防御密封圈火灾,不能扑救储罐全面积火灾。美国和日本储罐安全距离较大,以10×104m3储罐核算,根据GB 50074—2014《石油库设计规范》(以下简称GB 50074)中国储罐安全距离是0.4D(32 m),美国和日本分别是0.5D(40 m)和D(80 m)。确定储罐安全距离的原则是防止火灾蔓延、实施高效灭火,考虑着火储罐对周围储罐热辐射影响以及满足消防车操作及通过等。

目前较公认观点是研究储罐池火灾燃烧模型和火焰热辐射机理,文献[7]研究了储罐池火灾模型中液池半径(池火直径)、火焰高度、火灾热辐射通量、研究对象遭受的热辐射强度以及热辐射伤害半径等参数。压力容器热辐射损坏阈值标准为:热辐射强度15 kW/m2,辐射时间超过10 min;热辐射强度37.5 kW/m2,辐射时间超过30 min。人员热辐射伤害准则是人员严重烧伤的热辐射强度为12.5 kW/m2。结合储罐设施损坏和人员伤害的热辐射强度准则,确定储罐安全距离。根据储罐池火灾模型和热辐射损害判定准则,文献[8-9]研究了1×104～10×104m3储存汽油、柴油和原油的外浮顶罐的安全距离,高于GB 50074规定的储罐安全距离;随着储罐容积增大,临界热辐射强度下的储罐安全距离和GB 50074规定的安全距离趋于接近。大型储罐本质安全性更高,中小型储罐易遭受热辐射的危害性更大。

1.4 防火堤

防火堤是保障储罐区安全运行的重要设施,应相应提高设计标准和安全等级。2005年英国Buncefield油库事故中混凝土防火堤因大火长时间炙烤炸裂坍塌,消防水和油品从防火堤破裂处溢流至Ver河,造成严重环境污染[10]。防火堤应采用密封性能和抗燃烧性能更好的土堤。防火堤设计除考虑静载荷,还应考虑储罐破裂时大量油品泄放对防火堤的冲击载荷。GB 50074规定储罐防火堤实际容量不应小于罐组内1个最大储罐的容量。美国标准NFPA 30—2012《易燃和可燃液体规范》规定防火堤应满足罐组内1个最大储罐容量和扑救最大储罐火灾所需的消防水量以及可能降水余量,即防火堤容量是最大储罐容量的110%,设计等级略高于GB 50074。

2 石油储备库运行管理

2.1 石油储备资源整合

中国的石油储备以中国石化、中国石油为主,民间石油储备未充分利用[11]。截至目前,中国约有8万家民营石油企业,储备能力约2.3×108t,由于缺少油源,油库基本处于闲置状态。美国民间储备占美国石油储备量的2/3,日本民间储备量占比约46%。根据国外石油行业经验,石油储备采用政府、机构和民间的混合模式较为合理。中国应建立以国家战略储备为主、机构和民间准备为补充、资源储备和商品储备相结合的石油储备模式。

2.2 运行机制

中国的石油储备应建立石油储备安全预警及监测机制,分析国内外市场供需、价格趋势、进出口情况及可用库存量,为石油储备库运营决策提供依据。中国石油储备库的接收、储存、轮换、投放的条件和流程还不完善,这方面可参考美国石油储备投放条件,例如《国家能源战略和石油储备法》中规定石油储备的投放类型包括全面动用、有限动用、测试性动用和油库轮换四种,并规定了不同投放形式的触发条件、动用数量等[12]。石油储备库应保持进出动态运行,随着储存时间延长,原油发生胶质、沥青质和水等重组分沉降,原油保温所需热量增加,不利于环保节能。

2.3 泄漏检测

中国的石油储备应用有效、高效的储罐泄漏检测技术,及时发现泄漏并在未扩散前采取控制措施十分必要[13]。传统泄漏检测方法是人工检尺计量和无损检测,人工检尺计量易受人为操作、油品温度和液面波动影响,精度较低,能探测油品泄漏,不能发现微小渗漏;无损检测只能在停运储罐或大修储罐时进行,储罐完成清洗、通风且满足可燃气体浓度检测安全条件。地下水监测井可探测水中游离态油品,但受地质条件、地下水位限制。新建储罐在底板下侧设计基础检漏层,可检测长期聚集的微小渗漏和较大泄漏。新建储罐还可在基础内斜钻孔监测油气浓度,利用光离子化油气探测仪VOC PID判断储罐是否渗漏。美国石油学会API推荐在新建储罐底板下安装预防泄漏系统(Release Prevention Barrier,RPB),RPB型式包括但不限于罐底板内防腐涂层,在罐底板下安装泄漏报警管道系统,或者设计双层罐底板。

国外新应用的储罐泄漏检测技术是声发射法、感应电缆法和电阻探漏法[14]。美国研发的大型常压储罐底板检测专家系统TankPac,用于评估储罐腐蚀泄漏情况,确定储罐检测周期。美国Tyco Thermal Control公司研发了TraceTek油品泄漏感应电缆,还有罐基础预埋测试试片件法及导电性粉末元件监测法、电磁场感应技术和光导纤维监测技术等。储罐检测发展方向是在役运行储罐微渗漏高精度检测技术,非清罐罐底检测机器人,以及基于饱和扫频涡流、巨磁效应的检测技术。

3 石油储备库安全消防

3.1 致灾机理

中国已建立石油储备库安全管理体系,但还未开展自然灾害或极端条件下事故致灾机理研究[15],例如地基沉降和风激震动耦合作用下储罐变形评价及灾变机理,基于扩散后果的大尺度气云爆炸机理、储罐区火灾爆炸事故次生灾害衍变机理,以及储罐火灾爆炸事故反演推理模型等。

3.2 风险评价

国外已研发原油储罐风险评价软件,例如挪威DNV公司研发的石油石化行业定量风险评价软件Safeti,可模拟进出油管线泄漏、断裂、罐浮顶沉没或失效池火灾和罐体失效全面积火灾等情形,计算得到油库燃烧性、爆炸性或毒性事故后果及风险分析,评估新建石油储备库火灾爆炸事故的影响范围。

国内在储罐完整性管理、储罐区风险评价及预测方面还存在差距。大型储罐防火堤内池火灾是主要致灾类型,着火储罐对周围储罐的热辐射影响易产生二次事故的多米诺效应。文献[16]建立基于储罐池火灾的定量风险评价方法,包括事故识别、事故后果、风险排序、个人风险和安全距离等步骤,核心技术是基于多米诺效应的储罐之间相互影响的损害矩阵概率模型。以10×104m3储罐为例,分析了储罐池火灾事故概率和后果,考虑多米诺效应后,罐区个人风险等值线外延,储罐池火灾事故概率显著提高,近邻着火储罐区域的风险水平提高一个等级(由1×10-7/a提高到1×10-6/a)。

3.3 消防技术

随着石油储备库建设规模扩大,储罐消防系统应采用更高设计标准。国内大型油库存在消防水供给强度低、缺少大功率移动式消防设备的问题[17]。GB 50074规定着火的浮顶罐固定式冷却水供给强度应大于2.0 L/(min·m2),消防冷却水最小供给时间大于9 h。大连“7·16”油库火灾爆炸事故核算实际储罐灭火及冷却消耗的消防冷却水供给强度为4.3 L/(min·m2),略高于GB 50074规定值。美国API RP 2001—2012规定易燃液体和气体工艺区消防冷却水供给强度为8.2～12.3 L/(min·m2)。文献[18]分析了浮顶罐固定式消防系统存在的问题:泡沫喷射口/导流板设计缺陷,泡沫易被大风吹散及损耗;泡沫充满密封圈需要约10 min,可能错过火灾初期最佳灭火时机;罐顶泡沫灭火系统存在喷射盲区;移动消防只能投射局部区域等。

近年来，国外研制Cfitm、Tank Guard、Sef等储罐顶部自动灭火装置,海湾地区广泛应用FoamFatale TM系统[19],无需消防水管道、泵机系统及人员参与,泡沫预制后储存在高压卧式罐中,探测火灾信号后5～10 s自动触发,通过喷射口向罐体中心区域全辐射状喷射,泡沫流动性极佳、迅速扩散在液面上形成覆盖层,隔离氧气同时冷却罐壁。该系统瞬时的泡沫供给强度高达30 L/(min·m2),灭火时间最长不超过120 s,FoamFatale TM系统灭火试验见图1。储罐自动消防技术相对传统泡沫灭火系统,具有低耗、高效、环保、可靠性高、无需人员参与和不影响储罐正常运行等诸多优点。目前国内油库还未大规模应用案例,应开展自动消防灭火系统试验和应用研究。

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储罐如发生全面积火灾,泡沫灭火系统不能应对。国外已开展大型储罐全面积火灾扑救试验及应用研究,应用移动式大功率泡沫炮,泡沫液供给速率大于4×104L/min。日本法规规定直径超过35 m的大型储罐必须配置大功率泡沫炮,单台泡沫炮投射能力大于1×104L/min,持续投射时间大于2 h。美国应用巨型泡沫炮成功扑救直径62 m储罐火灾,投射射程达150 m、流速250 L/s;2001年美国Williams公司用65 min成功扑救直径85 m储罐全面积火灾,使用2台大功率泡沫炮,泡沫液供给速率分别是3.6×104L/min和1.8×104L/min,经核算泡沫供给强度为9.8 L/(min·m2)。考虑经济性和使用频率，目前国内油库较少配置大功率移动式消防设备。

3.4 雷电防护

大型浮顶罐雷击着火区域集中在储罐密封圈不严密处,2007年白沙湾油库3号浮顶罐遭雷击,调查原因为储罐边缘密封圈损坏达33%。浮盘与罐壁存在约 200 mm 空隙,形成油气局部聚集区域。浮盘密封装置与罐壁严密贴合是消除油气空间的根本方法。以往储罐一次密封采用机械密封,长期应用效果不好。推荐采用软密封结构,软物质填充膨胀后直接接触液面,有效降低油气浓度。美国储罐在罐顶边缘设计氮气密封装置,即从一次、二次密封上部环形区域注入氮气,如发生火灾时具有冷却、绝热和灭火功能[20]。

广泛应用的储罐雷击防护措施有接闪、分流、屏蔽、均压、等电位连接和接地,浮盘与罐壁等电位连接是最重要方法。国内做法是罐体/罐壁与浮顶/浮盘进行电气连接,以及阻火器、呼吸阀、量油孔、人孔、透光孔等储罐附件设施的电气连接。美国标准API RP 545—2009《储罐雷电防护推荐做法》除浮盘与罐壁等电位连接外,提出导电触片分流,导电触片为不锈钢材质,安装在液面以下,横截面积不小于20 mm2,沿罐周安装间距不超过3 m；其次是安装可靠的罐壁接地设施,应对储罐防雷设施质量状况和导电性定期检测,接地电阻值应小于4 Ω。

4 结论

石油储备库是中国经济持续稳定发展的重要保障,为提高石油储备库建设运营水平,提出如下建议。

1)规划选址方面,未来应规划中西部地区,增强石油储备库隐蔽性,注意防范地质灾害,充分利用中国已建和规划建设的长输管道资源,充分利用处于闲置状态的民间储备资源。

2)设计方面,石油储备库应统一采用15×104m3储罐,研究大型储罐本质安全设计技术,例如优化储罐控制阀位置、罐区防渗设计等。根据储罐池火灾模型和热辐射损害判定准则,考虑消防车操作通过等因素,确定储罐安全距离。优先采用土堤,严格审核防火堤设计容量和施工质量满足GB 50074要求。

3)运行管理方面,探索建立石油储备库收储、轮换和动用的条件。根据储罐设计型式、运行情况和检修周期,选择若干种储罐泄漏检测技术。

4)安全消防方面,开展自然灾害或极端条件下事故致灾机理研究。完善基于储罐池火热辐射多米诺效应的风险评价方法。推广应用储罐自动压缩泡沫灭火系统技术。储备大功率移动式消防设备及储罐全面积火灾扑救技术。优化设计管壁和浮盘密封结构消除油气聚集。

5)石油储备库本质安全理念是首先保证储罐和工艺管道系统的可靠性和完整性,减少油品渗漏或泄漏的概率;其次研发防火堤内油品泄漏探测技术和油品围控及处置技术,防止火灾发展为储罐全面积燃烧爆炸;储备大功率移动式泡沫炮及大型储罐火灾扑救技术,以防御储罐全面积火灾。