基于多米诺的橇装天然气处理厂事故后果研究

2022-01-13刘明明张洪杰朱琳李文倩郑子龙

西南石油大学学报(自然科学版) 2021年6期

刘明明，张洪杰，朱琳，李文倩，郑子龙

1.新疆油田公司克拉美丽采气一厂，新疆克拉玛依 834000；2.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都 610500

引言

大型厂站的简易预制模块化橇装设备具有施工建设速度快、施工建成时间短、占地面积小等优点，但是由于橇装化天然气处理厂的平面空间限制，各设备在橇块内摆放时，横向上距离近，纵向上高度延伸，在整个空间上布置紧密[1]。假如一般处理厂需要在约2 500 m2的平面上摆放设备，橇装化处理厂摆放同样多的设备只需约1 000 m2的占地面积[2]。但由于设备间结构紧凑，一旦某设备发生泄漏引发爆炸事故，由于多米诺效应导致周围设备也发生事故[3]。本文根据橇装化处理厂橇块的紧密性，提出研究橇内某一设备发生事故后由于多米诺效应对周围设备以及作业区人员产生的影响，联合用Probit 法研究二次事故发生概率和用改进Probit法研究三次事故发生概率，再比较一次事故和二次事故的后果严重度，使严重度评估更加贴近实际。

1 橇块内设备多米诺效应分析

1.1 大型天然气处理厂模块化建设

大型天然气处理厂内的橇块一般在空间上叠加[4]，每层橇块有许多不同设备，橇内管线经过设计整齐紧凑，橇块内设备比较轻，便于运输（图1）。

1.2 典型天然气处理厂橇块组成和布局

一般天然气处理厂模块化装置设备布置应满足相关的安全规范、行业规范、日常操作和检维修以及吊装要求等[5]。

设备的布置遵循工艺流程走向和同类设备集中分布相结合的原则[6]，流程走向如图2 所示，同类设备的集中分布结合如图3 所示。

图2 一般天然气处理厂布置平面图Fig.2 Layout plan of general natural gas treatment plant

图3 一般天然气处理厂橇块主视图Fig.3 Main view of skid in general natural gas treatment plant

1.3 多米诺效应基本概念及概率模型

满足下列3 个条件[7]就可定义为多米诺效应：（1）有初始事故；（2）初始事故附近有受影响的其他目标；（3）初始事故可以引发二次乃至N 次事故。

橇内设备火灾爆炸类初始事故常见以冲击波和热辐射2 种物理方式影响周围设备，其Probit 法概率模型[8]为

式中：PE设备损坏概率，%；

a积分变量，无因次；

b概率单位，无因次。

1.3.1 初始事故引发二次事故的概率单位

一般发生爆炸后冲击波超压的影响范围要比热辐射的广，严重程度也比热辐射的强[9]，故主要从冲击波超压考虑事故后果[10]。为了简化计算过程，本次概率单位不考虑橇壳对橇内设备的保护作用。

可能受到冲击波破坏的设备有4 种类型（表1），初始事故对周围不同类型的设备损坏的Probit 法概率单位[11]计算式如表1 所示。

表1 冲击波概率单位Tab.1 Probability unit of shock wave

1.3.2 N 次事故引发N+1 次事故条件和概率单位

一次事故发生后，若根据式（1）计算出的二次事故发生概率为100%，则认为二次事故一定会发生，同理，N-1 次事故发生后算的N 次事故发生概率为100%则N 次事故必然会发生[12]。

在考虑冲击波作用于设备的情况下，每次事故的发生概率都会受到前面多次事故的影响[13]，发生三次事故的概率单位会由于受到一次事故和二次事故的影响而发生变化。张明光提出了在仅考虑冲击波超压的二次事故引发三次事故改进的Probit法[14]，概率单位如表2 所示。

表2 改进的冲击波概率单位Tab.2 improved probability units of shock wave

1.3.3 设备超压阈值

取设备轻微损失状态的冲击波超压值作为其超压阈值，4 种设备的推荐超压阈值[14]如表3 所示。

表3 设备超压阈值Tab.3 Equipment overpressure threshold

2 橇块内设备的失效概率

2.1 橇块基本特征

处理厂内模块由橇块组成。设备、管道、阀门和仪表等部件安装在钢结构基础上，运输到现场后多层拼接组装，节约了处理厂用地面积[16]。

图4 模块拆分为橇块示意图Fig.4 Schematic diagram of module split into skid

2.2 橇内设备失效概率

API 581 中基于风险的检测方法（RBI）可以根据设备的损坏因素和管理因素，修正橇装处理厂设备长期运行后可能发生故障的频率，设备的失效概率计算公式为[17]

3 撬装化设备重大事故后果定量分析

3.1 人员伤亡概率分析

橇内设备发生爆炸后的冲击波对周围作业区人体的伤害，可用人员伤亡概率模型[18]计算

由冲击波所引起的人员受伤概率单位，如表4所示[19]。

表4 人员受伤概率单位Tab.4 Personal injury probability unit

作业区有遮蔽物场所人员受到冲击波超压的伤害程度和伤害半径需要根据表5 中人员伤亡超压阈值[20]确定。

表5 人员伤亡超压阈值Tab.5 Casualty threshold

3.2 事故影响范围确定

利用PHAST 软件对橇内设备发生一次事故的现场进行模拟，从模拟结果得到冲击波超压与距离的曲线。

通过周围设备与起爆点的距离和超压值可以计算出周围设备发生二次事故的概率，根据冲击波超压引起的设备损坏阈值和人员受伤阈值可以得到一次事故的影响范围。

若得出某设备发生二次事故的概率为100%，则用同样方法模拟出二次事故的影响范围和周围设备发生三次事故的概率。

4 应用举例

某橇装化处理厂内有脱水工程和深冷工程2 个模块，其中设备的三维设计图如图5 所示，尺寸标记图如图6 所示。模块内的橇块及设备位号代表的意思如表6 所示。

图5 三维设计图Fig.5 3D design drawing

图6 尺寸图(单位m)Fig.6 Dimension drawing(unit:m)

表6 子模块及橇块设备位号表Tab.6 tag number of sub module and skid equipment

4.1 设备固有失效概率

以子模块7 的第二层橇块7-2 脱乙烷塔底重沸器作为例子进行评价。脱乙烷塔底重沸器长1.50 m、宽0.95 m、高0.75 m，设计压力7.8 MPa，运行压力3.0 MPa，设备平均腐蚀速率为0.88 mm/a。

脱乙烷塔底重沸器各项损伤因素如表7 所示，具体过程可参见规范API 581[21]。

表7 设备各项损伤因素Tab.7 damage factors of equipment

根据该处理厂的情况得管理修正因素为0.372，查同类设备失效频率数据库[21]可知，脱乙烷塔底重沸器的一般失效频率gff为3.06×10-5。通过式(1)得该脱乙烷塔底重沸器失效概率Pf为9.48×10-5。同理可以算出其它设备的失效概率，如表8 所示。

表8 各橇块内设备失效概率Tab.8 failure probability of equipment in each skid

以上可以知道重沸器的失效概率较高，本次模拟以脱乙烷塔底重沸器失效为例计算事故后果。

4.2 初始事故过程分析

由于脱乙烷塔底重沸器内部腐蚀发生破裂，裂孔当量直径为16.80 mm，由于爆炸超压对橇块周围的设备都有影响，故假设泄漏时大气稳定，无风，大气湿度0.85，大气稳定度为较稳定，温度20°C，处理厂的响应截断时间为20 min，人员暴露时间为10 s。输入参数后，模拟条件下的泄漏速率qm为1.74 kg/s。

4.3 设备损坏与人员伤亡概率分析

模拟的初始事故类型为蒸汽云爆炸，模拟出爆炸超压与距离的关系曲线见图7，以起爆点为原点。

图7 冲击波超压与距离关系图Fig.7 Relationship between shock wave overpressure and distance

将脱乙烷塔重沸器周围设备所对应的冲击波超压值分别代入表1 的概率单位公式，得到冲击波超压引发的设备损坏概率单位（b 值），利用Probit 模型计算出周围设备发生二次事故的概率。

同理得到作业区间对应的冲击波超压值和人员受伤概率，由表5 得知人员伤亡的后果半径，模拟后果如图8 所示。概率计算结果如表9 所示。

表9 二次事故发生概率表Tab.9 probability of secondary accidents

图8 一次事故人员伤亡半径图Fig.8 Radius of casualties in primary accident

由表9 可以看出，脱乙烷塔顶回流泵和脱乙烷塔顶回流罐的失效概率都是100%，为了简化模拟，假设脱乙烷塔顶回流泵和脱乙烷塔顶回流罐的破损程度一样，而且同时发生泄漏燃爆，根据处理厂每小时的处理量为18 600 kg，假设紧急截断时间为20 min，模拟的大气环境和脱乙烷塔底重沸器起爆时的一样。

由于脱乙烷塔顶回流泵和脱乙烷塔顶回流罐分别位于脱乙烷塔底重沸器的正上方和正下方，也就是说脱乙烷塔底重沸器的位置就是两个起爆点的连线中心位置，为了简化计算，也把各个设备到起爆点的横向距离设为到脱乙烷塔底重沸器的距离。设定初始事故类型为蒸汽云爆炸，得到冲击波超压与距离的关系如图9 所示，图中以起爆点连线的中心点为原点。