基于保护层分析法的大型LNG储罐风险分级管控

林现喜

中海石油气电集团

根据国家能源“十三五”规划，2020 年天然气供应能力将达到3 600×108m3。各大石油天然气公司正大力开展LNG 接收站及其配套设施建设，以确保满足我国未来的天然气消费需求[1-2]。在整个LNG产业链中，LNG接收终端占有重要地位，LNG储罐则是接收站的重要设施。LNG储罐建造正朝着大型化、集约化方向发展。LNG 具有低温、易燃、易爆、易挥发等特性，一旦发生泄漏、爆炸事故，其危害性极大，因此对LNG 储罐进行安全风险管控成为各LNG 接收站面临的重要课题[3-4]。为控制LNG 储罐风险，采用保护层分析法对LNG 储罐安全防护能力进行评估，并对风险控制措施进行分级管控，以确保各项防控措施落实到位。

1 事故模式

大型LNG 储罐主要包括单容罐、全容罐及双容罐，根据LNG 储罐所处位置，可将储罐分为地上罐、半地上罐及地下罐。目前，国内外常见的LNG 储罐以全容罐为主，其特点是占地较少、安全、可靠。LNG全容储罐为低温常压储罐，其主要结构包括罐顶、内罐、外罐、保温层、罐底基础，其中罐顶为混凝土穹顶，内罐为含9%Ni 的合金钢，外罐为预应力混凝土[5-6]。

1944 年，美国俄亥俄州某LNG 储气调峰站的一座LNG 储罐发生低温破坏，造成大量LNG 泄漏，后遇着火源发生火灾爆炸，造成128人死亡和巨大经济损失，这是LNG 发展历史上第一起重大安全事故。自1944 年至今，全世界陆上LNG 罐区发生各类泄漏燃爆事故14 起。其中，LNG 罐区主要事故模式为LNG 储罐泄漏燃爆事故，包括火灾、燃爆及超压物理爆炸。造成LNG 储罐泄漏的主要原因包括储罐超压、误操作、零配件失效、罐体失效以及外部原因等[7-8]（表1）。

表1 LNG罐区安全事故统计Tab.1 Accident statistics of LNG tank area

2 保护层分析法

保护层分析（LOPA）是一种简明、易用的半定量风险分析与评估工具，主要用来确定是否有足够的独立保护层以防止安全事故的发生，确保安全风险在可接受范围内。其通常采用特定场景的初始事件概率、后果严重程度、独立保护层失效频率来计算各场景的风险值。通过事故模式分析可知，LNG 储罐在生产运行过程中主要事故模式为LNG泄漏燃爆。对LNG 泄漏前和泄漏后应急响应的独立保护层的失效概率进行计算，进而与国家要求的可接受失效标准进行比较，可得出LNG 储罐的保护层是否足够且满足要求[9-12]。LNG 储罐泄漏燃爆事故场景中的保护层主要包括罐体本质安全设计、基本过程控制系统、报警及人员反应、紧急关断及安全仪表系统、释放后保护措施和应急响应[13-14]。

利用LOPA分析确定事故场景发生的频率计算公式为

采用LOPA对中国海油多座LNG储罐进行风险分析与评估，结合现在推行的风险分级管控要求，发现原有LOPA分析流程未对风险可接受程度、风险分级管控措施等进行深入分析，为确保LOPA分析符合风险分级管控要求，对LOPA分析流程进行了优化（图1中标蓝部分）。

图1 优化后的LOPA流程Fig.1 Optimized process of LOPA

LOPA从危险与可操作性分析（Hazard and Operability Analysis，HAZOP）结果中选择风险值较高的事故场景进行分析计算，每一个事故场景都有初始触发事件。初始事件一般分为外部事件、设备故障、人的失误3种类型。初始事件触发频率通常来源于行业数据、公司的经验或者供应商的数据。

事故后果通常包括：危险物质的释放和扩散、火灾爆炸及其造成的损失、人身伤害、环境破坏、财产损失、生产中断、产品质量下降、市场受影响等。

根据独立保护层触发时失效概率（Probability of Failure on Demand，PFD）可确定独立保护层（Independent Protection Layer，IPL）的有效性；PFD定义为独立保护层平时为备用状态，一旦发生紧急情况，系统要求独立保护层投入使用时失效的概率。PFD 为0 和1 之间的无因次数字，PFD 越小，该保护层对某一初始事件的后果频率削减得越多。独立保护层应满足独立性、安全性、有效性等原则[15]。

3 风险可接受标准

根据事故场景风险等级，宜采用最低合理可行（As Low As Reasonably Practicable，ALARP）原则对LNG 储罐各类事故模式是否可接受及分级管控措施进行风险决策，将事故场景风险降低到可接受水平。风险可接受标准可以是一个数值或F/N 曲线，国内外对风险指标制定各有不同，但大都以人员伤亡程度作为衡量指标。在充分参考国外石油天然气企业有关标准[16]（表2）的基础上，根据国家相关要求以及LNG 储罐泄漏后对人员、财产和接收站生产影响情况，即可确定大型LNG 储罐安全风险可接受风险标准（表3）。

表2 国外石油天然气企业制定的个人风险标准Tab.2 Individual risk standard of petroleum and gas company abroad

表3 大型LNG储罐安全风险可接受标准Tab.3 Acceptable risk criteria of large-scale LNG tank

4 实例应用

4.1 事故场景及失效概率的确定

根据LOPA 分析基本流程，以某LNG 接收站16×104m3全容型LNG储罐为例，通过对该LNG储罐HAZOP分析，确定其事故场景（表4）。

表4 某16×104 m3全容型LNG储罐事故场景HAZOP分析结果Tab.4 HAZOP analysis results of a 16×104 m3 full capacity LNG tank accident scenario

针对不同的事故场景，通过对该接收站自投入生产运行以来的设备设施失效数据分析，结合国内外接收站事故事件数据库，综合确定LNG 储罐触发事件及其发生概率（表5）。

表5 某16×104 m3全容型储罐事故触发事件及其发生概率Tab.5 Trigger event and the occurrence probability of the accidents of a 16×104 m3 full capacity tank

操作失误主要是指现场操作人员进行LNG 进料、倒罐、出料时一系列工艺操作过程中可能出现误操作的概率。修正系数：根据现场人员巡检频率，人员出现失误概率为0.1；根据现场操作维护经验和维护时间要求，火炬维修概率为0.1。

根据独立保护层的选择方法、不同事故场景以及LNG 储罐的实际工艺运行状况，识别出该LNG储罐的独立保护层及其失效概率（表6）。

表6 某16×104 m3全容型LNG储罐独立保护层及失效概率Tab.6 Independent protection layer and failure probability of a 16×104 m3 full capacity LNG tank

以LNG储罐损坏这一事故场景为例，通过表5可知LNG储罐损坏有8项触发事件，通过分析确定有6 个独立保护层，包括：BOG 压缩机负荷调整、火炬放空、压力安全阀泄放、操作人员干预、储罐监控、安全仪表系统，根据保护层分析计算公式计算LNG储罐损坏的失效概率为2.33×10-7（表7）。

表7 某16×104 m3全容型LNG储罐损坏失效概率计算Tab.7 Calculation of the failure probability of a 16×104 m3 full capacity LNG tank a-1

将计算得出不同事故场景的发生概率与事故发生可接受标准进行比较（表8）。

表8 某16×104 m3全容型LNG储罐不同事故场景失效概率计算结果及可接受分析结果Tab.8 Failure probability calculation results and acceptable analysis results of a 16×104 m3 full capacity LNG tank in different sccident scenarios

由表8可见，该LNG储罐通过采取不同的保护层后，各类风险处于可接受范围内，该LNG 储罐安全风险可接受。

4.2 风险分级管控措施

通过对LNG 储罐进行保护层分析可得出，某LNG接收站16×104m3全容型LNG储罐的各类事故场景的发生概率均处于可接受范围内。然而通过事故发生概率与事故发生后果、储罐生产运营实际情况综合分析，应将不同的保护层的控制级别按照实际情况进行确定和调整，以确保各类安全风险有合适的控制级别，具体风险控制级别和措施见表9。

表9 某16×104 m3全容型LNG储罐风险分级管控措施Tab.9 Risk grading management measures of a 16×104 m3 full capacity LNG tank

5 结论及建议

通过将保护层分析法应用到LNG 接收站大型LNG 储罐，建立了LNG 储罐保护层分析的标准化模型，确定常见的事故场景和触发事件，识别独立保护层，并根据国内外设备设施的失效数据库和生产运营经验，确定事故触发事件和独立保护层失效概率以及相关的修正系数，进而确定LNG 储罐的失效概率和风险分级管控级别及措施，为LNG 储罐安全平稳运行打下基础。同时也应看出，目前国内对各种类型LNG 储罐的失效事故事件的统计分析数据只局限于企业内部，未能够建立全国统一的数据收集整理平台；且本文保护层分析法所利用的基础失效数据均来自于国外的统计数据和国内特定企业的操作示例，不具备代表性，如进行应用，还需根据实际情况进行数据修正调整。