储罐油气VOCs治理气相连通系统重大风险分级研究

许晶

(中国石化青岛安全工程研究院 山东青岛 266100)

0 引言

2010年国务院办公厅首次提出在关注度高的行业及地域重点开展VOCs废气(挥发性有机物)的污染治理[1-2]。2014年原国家环保部首次对石化行业VOCs治理作出明确规定[3]，要求3年内基本完成VOCs废气治理工作，进一步明确如何对废气排放指标进行监测监控，VOCs排放量要大幅度降低并达到规定要求[4]。随后关于VOCs治理和排放的标准或规定相继出台[5-6]，各大石化企业开始关注油气处理，涉及中间原料与产品、石脑油、成品油、三苯、污油、含油污水等罐组的废气治理。然而，VOCs治理系统需将多个储罐连通进行油气回收，罐区 VOCs治理工程实施后，储罐气相空间通过油气支管连接相通成为一个整体空间，相连储罐的风险增大。各储罐在原有风险如储罐发生抽瘪、超压、火灾爆炸等事故的基础上，存在若某个储罐发生火灾，火焰会通过相连的管道传播到邻近的储罐或设施[7-8]，发生重大群罐火灾甚至爆炸的风险。因此，原国家安全生产监督管理总局要求，实施油气治理气相连通工程必须经过安全专项评估，以防止重大事故的发生[9]。

1 储罐油气VOCs治理现状

目前储罐罐顶油气VOCs治理气相连通系统主要采用气相平衡管、单罐单控(控制储罐排气并实现事故下切断)、单呼阀方案和直接连通切断阀方案(多个储罐气相连通后共用一个气动开关阀控制该连通罐组向总管排气)等连通方式，存在将火灾危险性不同的储罐、高含硫与低含硫储罐、高温物料与常温物料储罐、内浮顶与拱顶储罐、设置氮封与未设氮封储罐进行直接连通的现象，储罐物料特性、油气浓度、气相空间氧含量等不同都会增加气相连通罐组的危险性。连通数量越多，发生火灾爆炸的可能性越大，特别是我国石化储运罐区的氮封设计量大多未考虑异常温降的影响，存在空气进入的条件，储罐气相空间为爆炸气体1区，甚至0区。储罐老化现象严重，浮盘密封性能下降，再加上高含硫等特点，直接连通数量过多将导致群罐火灾事故升级，安全风险增大。VOCs处理设施主要包括专有处理设施如油气回收系统(吸附、冷凝等)、TO/CEB等明火燃烧技术、RTO/CO/RCO等低温燃烧技术、等离子体、生物法系统等和协同处理设施如生产设施(既有硫磺反应炉及焚烧炉、锅炉、加热炉、催化裂化装置再生器等)、全厂性低压瓦斯系统[10]等。

VOCs气体普遍存在气量及浓度波动大、间歇排放等问题。国外在进行VOCs处理设计时，会与后续处理工艺整体考虑安全控制措施，评估危险环境出现的可能性并层层设防，采用的措施主要包括氮封、压力与氧含量检测、工艺安全控制联锁、阻火、电气防爆等系统安全控制方案。国内在进行VOCs治理改造项目时，普遍存在监测及联锁设施不完善或未与装置安全联锁等情况，若控制不当将影响装置运行，甚至发生闪爆事故，安全风险较高。

2 储罐VOCs治理气相连通重大风险分析

针对罐区VOCs治理气相连通工艺系统，通过HAZOP分析得出初始风险处于E、F、G等级的场景，利用LOPA(保护层分析)进一步开展半定量评估，将该结果作为保护层分析的初始事件[11]，在此基础上识别现有安全措施，分析日常生产及维护等操作过程中可能存在的危险事件[12]，识别关键安全措施及其需求时失效概率(PFD)。在参考美国消防协会(NFPA)、美国石油协会(API)、德国国家标准TRBF20、国际标准ISO等涉及罐顶气相连通相关技术标准的研究分析基础上，提出重大风险分级方法，确定初始原因的频率及后果的分级[13]，从而计算气相连通后发生重大风险的可能性。最后将风险分析结果与风险标准进行对比，判定风险大小及是否可接受[14]，为进一步风险决策提供输入信息，根据风险程度和相关技术要求，提出有效的对策措施，从而保证系统的安全性。详细评估流程如图1所示。

图1 “HAZOP+LOPA+风险标准”风险评估流程

经分析，石化行业储运罐区油气VOCs治理气相连通系统存在以下重大风险：①气相连通罐组群罐火灾风险[15]；②VOCs处理设施闪爆事故；③VOCs送往热氧化炉(TO)及加热炉、裂解炉、焚烧炉等装置处理时控制不当发生火灾爆炸事故；④高含氧VOCs气体进入火炬管网引起火灾爆炸事故[16]；⑤装置发生事故泄放时，火炬气倒窜入罐区引发储罐超压破裂,遇到点火源发生火灾爆炸事故。

2.1 气相连通罐组群罐火灾风险

根据气相连通罐组总罐容，群罐火灾事故等级划分如表1所示。储存不同火灾危险性物料的储罐发生火灾的初始概率[17]如表2所示。直接连通罐组发生火灾的初始概率为单一储罐初始概率×储罐数目，若VOCs收集系统存在多个连通罐组，则总的初始概率为各罐组初始概率之和。不同频率对应的可能性分级如表3所示。

表1 罐组群罐火灾事故等级

表2 不同火灾危险性物料起火的初始概率

表3 发生的可能性分级

为防止群罐火灾事故，工程上采用独立保护层降低风险，关键安全措施及其需求时失效概率(PFD)如表4所示(假设设计符合要求，维护和培训状况良好，下同)。采用关键安全措施后的实际概率[18-19]为

F实=F总·F安

(1)

(2)

表4 关键安全措施及其需求时失效概率(PFD)(1)

实际风险可根据如表5所示的风险矩阵标准进行确认。

2.2 VOCs处理设施闪爆事故

根据VOCs处理设施的规模，其发生事故等级为D。VOCs处理设施火灾爆炸事故的初始概率为10-3

表5 风险矩阵标准

表6 关键安全措施及其需求时失效概率(PFD)(2)

2.3 VOCs送往热氧化炉(TO)及明火装置处理时控制不当发生火灾爆炸事故

根据热氧化炉(TO)及加热炉、裂解炉、焚烧炉等的VOCs处理规模，其发生火灾爆炸的事故等级为E，初始概率为10-3

表7 关键安全措施及其需求时失效概率(PFD)(3)

2.4 高含氧VOCs气体进入火炬管网引发火灾爆炸事故

高含氧VOCs气体进入火炬管网引发火灾爆炸的事故等级为F，初始概率为10-3

表8 关键安全措施及其需求时失效概率(PFD)(4)

2.5 火炬气倒窜入罐区风险

装置发生事故泄放时，火炬气倒窜入罐区引发储罐超压破裂,遇到点火源发生火灾爆炸的事故等级为E，该类事故约5年发生一次，初始概率为0.20，初始风险为E7，关键安全措施及其需求时失效概率如表9所示。

表9 关键安全措施及其需求时失效概率(PFD)(5)

综上所述，针对VOCs治理气相连通系统存在的主要风险，通过重大风险分级进行风险量化，判断初始风险及采取关键安全措施后的最终风险，与风险标准进行对比从而进行风险决策。

3 结语

VOCs 治理过程中需要严格管控环保治理所带来的安全风险。VOCs处理设施气相连通项目实施后，多个储罐气相空间通过油气支管连接成一个整体，罐区的整体安全风险增大。采取基于重大风险分级的方法进行风险评估，确保关键安全措施满足要求，提高安全防控级别，杜绝重大事故的发生。通过控制直接连通数量、增加远程切断阀、设置高可靠性氮封、分布式氧含量监测、管道有效阻火和配管爆炸防护等技术，提升罐顶气相连通本质安全。