定量风险评估方法在LNG项目的应用现状

张志鹏 郑建国 刘 凯 吴 尧 张宗武 赵凯杰 杜旭红 曹江远 赵怀璞

1. 中国辐射防护研究院, 山西 太原 030006;2. 中核四〇四有限公司, 甘肃 嘉峪关 735100;3. 中石油昆仑燃气有限公司, 甘肃 嘉峪关 735100

0 前言

近几年,随着中国能源结构的改革,与液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)有关的产业也得到了快速发展,LNG站场、海上生产设施、运输设施建设速度迅猛提升[1]。值得注意的是,LNG是易燃易爆物质,一旦失去控制,可能产生火灾、爆炸等事故[2],造成人员伤亡或财产损失。2020年11月2日,某公司在实施二期工程项目装车时发生着火事故,造成7人死亡,2人重伤,直接经济损失 2 029.30 万元。因此,有必要对LNG设备设施的风险进行研究,预防事故发生。

定量风险评估方法可以识别潜在危险,计算事故发生概率,评估事故后果的严重程度,通过量化的概率风险值对系统的危险性进行描述,根据风险的可接受程度进行评价,并在此基础上提出相关安全措施建议,可对天然气设备设施的设计、制造、安装、操作、维护和退役等过程进行指导[3]。主要步骤有危险辨识、事故场景频率计算、事故后果计算、风险计算和风险分析等。

为了解定量风险评估方法在LNG项目中的应用现状及发展趋势,且考虑到事故场景频率计算及事故后果计算的准确性决定了定量风险评估结果的可靠性[4],本文详细阐述场景频率计算及事故后果计算在LNG项目中的实施现状,可为LNG项目定量风险评估的决策提供参考。

1 LNG项目事故场景频率计算现状

LNG项目事故场景与泄漏量、点火源位置等因素有关,主要表现为喷射火、闪火、蒸气云爆炸、池火灾等现象。LNG设备设施泄漏后,LNG蒸发扩散产生大量天然气蒸汽,当天然气蒸汽浓度达到爆炸极限时,遇到点火源会造成火灾爆炸事故;当蒸气云浓度较低时,遇到点火源会造成闪火或蒸气云爆炸;当LNG泄漏量大于蒸发量时,会形成液池,遇到点火源会导致池火事故;当LNG泄漏口直接遇到点火源,会造成喷射火事故[5]。

LNG项目事故场景频率的计算是通过设备设施特性、点火源特性、LNG特性、人因失误等因素来计算危险可能发生的频率,是定量风险评估方法中的重要步骤。在计算场景频率前,首先要确定设备设施泄漏频率、点火概率、人因失误概率等,再使用有关工具如事件树、故障树、保护层分析等进行场景频率计算。

1.1 设备设施泄漏频率的确定

设备设施泄漏频率通常利用相应的历史数据进行确定,为了做出准确的风险评估,通常需要高质量数据。

2007年,青岛安全工程研究院在《石化装置定量风险评估指南》中,推荐在定量风险评估过程中使用挪威船级社(Det Norske Veritas,DNV)提供的泄漏频率数据。2019年,GB/T 37243—2019《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》(以下简称GB/T 37243—2019)给出了设备设施典型泄漏场景频率的参考值,可在确定危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离时使用,参考值中部分数据与美国石油协会(American Petroleum Institute,API)的数据一致。2021年,GB/T 20368—2021《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》(以下简称GB/T 20368—2021)给出了LNG站场部分泄漏场景频率推荐值,指出LNG站场各种设备设施发生LNG和其他有害物料的泄漏频率应基于其推荐值确定。中国目前还没有完整的化工设备设施失效频率数据库,在进行LNG项目风险评价时,除了参考上述标准指南,还会利用国外的有关数据库。

目前,国外很多国家都建立了适用于本国化工行业的数据库,在LNG项目定量风险评估中常用的有荷兰应用科学研究组织(The Netherlands Organization,TNO)的《定量风险评估指南》、API的API Publ 581:2000Risk based inspection methodology(以下简称API Publ 581:2000)、英国健康安全局(Health Survey for England,HSE)的碳氢化合物泄漏数据库、DNV的《故障频率指南》、HSE的管道和立管安全壳损失数据库。其中DNV整合碳氢化合物泄漏数据库2008年前的统计数据,得到不同设备设施、不同泄漏场景频率,覆盖面广,具有较高的可靠性[6]。

Gerbec M等人[7]讨论了LNG燃料船安全故障系统的故障概率数据源使用问题,指出有学者已经应用了9种不同的故障概率数据,这些数据之间存在跨越4个数量级的不确定性。何雄元等人[6]指出,考虑到国家或地区间工业水平的差异,把国外的设备设施泄漏频率数据直接应用到中国是否合适,值得进一步思考。

为了减少故障数据的不确定性,很多学者在数据库的基础上对设备设施泄漏失效的概率计算方法进行了研究。DNV针对泄漏失效的问题,开发了泄漏频率计算软件LEAK,软件内包含大量的石油化工装置、设备设施、管道事故的数据库,可以根据设备设施的类型及同类设备设施的历史失效数据,计算出符合设备设施自身条件的泄漏频率,应用在LNG项目的定量风险评估中[8]。除此之外,何雄元等人[6]对比国外现有数据库,以DNV公布的数据库为参考数据,通过建立对该数据库的修正模型,获得了适用于中国化工企业设备设施泄漏频率预测的参考数据库;付晓君[9]对全容式LNG储罐内外罐的失效可能性进行了修正,内罐失效可能性的分析计算使用了API Publ 581:2000的修正模型,按照历史统计数据获得同类设备设施的失效频率,使用损伤因子、管理系统修正因子以及剩余寿命修正因子进行修正。

除了对泄漏数据进行修正外,为了弥补特定设备设施泄漏频率在现有数据库中的缺失,学者们经常使用专家判断及模糊数学的方法进行泄漏频率的计算。如李平[10]使用专家判断和模糊数学理论相结合的方法计算了LNG加气站卸车流程中初始事件的发生频率;Fan Hongjun等人[11]采用模糊集理论和碳氢化合物泄漏数据库计算了加注船加注过程中初始事件发生的频率;付晓君[9]对全容式LNG储罐外罐泄漏频率使用专家判断和模糊数学理论相结合的办法进行计算。利用专家判断及模糊数学理论确认的泄漏概率与专家的经验水平有关,也受个人主观意识影响,具有不确定性。

在中国尚未建立完整数据库、国外数据库存在数量级差别的现状下,建议国内学者在开展LNG站场定量风险评估时,根据GB/T 37243—2019和GB/T 20368—2021确定泄漏场景及泄漏频率。当有关泄漏频率数据缺失时,可利用国外数据进行修正或使用专家判断及模糊数学理论相结合进行确定。

1.2 点火概率的确定

点火概率是指可燃物泄漏后发生点火的概率,分为立即点火概率和延迟点火概率,取值方式主要有参考统计数据取值和使用模型计算取值两种。

在进行LNG项目的定量风险评估时,多数学者利用数据库直接取值。常用数据有API Publ 581:2000中点火概率推荐表、AQ/T 3046—2013《化工企业定量风险评价导则》(以下简称AQ/T 3046—2013)中点火概率推荐值、《石化装置定量风险评估指南》、国际石油和天然气生产商协会(International Association of Oil and Gas Producers,OGP)统计数据等。

API Publ 581:2000根据物质的组分、泄漏后的物理最终形态、环境温度与物质自燃温度的关系,以及泄漏形式的不同,给出了点火概率取值推荐表;AQ/T 3046—2013中点火概率的取值需按照立即点火概率及延迟点火概率分别考虑,其对立即点火概率按照介质类别、释放形式进行分类并给出了推荐值,对延迟点火概率按照周边点火源的形式不同给出了延迟点火的推荐值;《石化装置定量风险评估指南》根据泄漏量、点火源数量及泄漏源类型总结了点火概率取值;OGP通过实验和数据统计,提供了28种不同泄漏场景、4种泄漏速率的点火概率取值,并且给出了其他泄漏速率下点火概率计算方法,是目前较为可靠的取值方法[12],被很多学者应用在风险分析中[13-17]。郝郁等人[18]建议将OGP的推荐值作为点火概率取值的首选取值。

2011年,Moosemiller M[19]对点火概率进行分析,考虑到物质特性和点火能特性,提出了立即点火概率的计算模型,是目前计算立即点火概率的常用模型。《石化装置定量风险评估指南》指出点火概率仅与泄漏质量有关,提出了可燃气体泄放后的立即点火概率计算模型及延迟点火概率的计算模型。

计算模型一般通过有限的现场数据结合相关的分析方法得到。在工业现场,只有在缺乏数据且厂区条件与模型计算的泄漏环境十分相似时才会使用计算模型进行点火,局限性较大,经验取值大部分来自统计数据,可靠性较高[12]。在确定LNG场景中点火概率时,推荐使用AQ/T 3046—2013及OGP给出的点火概率值,其中AQ/T 3046—2013给出了不同条件下立即点火概率及延迟点火概率的推荐值,适用于中国化工企业的定量风险评估,OGP数据不区分立即点火和延迟点火,考虑了不同泄漏场景和泄漏速率下的点火概率,可根据风险评估需要,选择合适的数据库。

1.3 人因失误概率的确定

人因失误是造成事故的重要原因,其概率主要通过统计数据或文献研究确定,具有不确定性大、分析过程耗时长等特点。在进行定量风险评估研究时,学者通常将人为因素作为导致场景发生的基本事件之一或导致安全屏障失效的因素之一,如Fan Hongjun等人[11]在分析LNG加注过程风险时,将人为因素作为安全屏障的基本失效原因,并根据相关文献确定了人因失误概率;廖苏亮等人[20]在LNG加注船火灾事故中考虑到人员误操作,并参考国际海事组织对LNG加注船装卸货事故的统计,给出了发生概率。

人因失误概率除了可以使用相关数据确定外,还可以使用人因可靠性分析(Human Reliability Analysis,HRA)的方法计算。王好一[21]在对石化企业进行定量风险评估时,从领结模型的结构和特点出发,根据人因失误特点,结合基于技能—规则—知识的行为模型和标准化工厂分析风险—人因可靠性分析理论,提出结构化的人因失误可靠性计算模型,并根据最大熵理论,提出人因可靠性不确定性的计算方法;Zhou Tuqiang等人[22]建立了LNG运输船处理过程中LNG泄漏故障树的修正模型,在故障树中引入了人为因素分析,以预测LNG运输船搬运操作中的人为误差,将故障树分析和HRA的结果结合,利用蒙特卡罗模拟对风险进行评估。

在分析LNG项目中人因失误时,分析人员可结合HRA理论,通过辨识人因失误对关键事件的贡献度,建立结构化的人因可靠性计算方法和置信区间,全面地计算人因可靠性,从而提高定量风险评估的准确性。

1.4 场景频率的计算

场景频率的计算即通过设备设施泄漏频率、点火概率、人因失误概率等信息,计算事故场景频率。

在计算LNG项目的场景频率时,通常会使用一些计算工具如事件树、故障树、保护层分析等。为了克服单个工具的局限性并提高其性能,一些研究整合了2个或2个以上的风险评估工具,如Yun G等人[23]开发了贝叶斯网络—保护层分析方法来克服LNG设备设施泄漏数据的短缺;陶冶等人[24]指出将故障树与保护层分析集成的分析方法所得事故场景频率与传统保护层分析方法所得事故场景频率相比降低了近10倍,可以有效解决保护层分析在保护层筛选方面过于保守的局限性。

虽然以上的方法已经应用广泛,但只适合静态计算场景频率,来考虑复杂系统的动态性,无法考虑新信息对场景频率的影响。为解决该问题,学者们提出了动态定量风险评估方法。

动态定量风险评估方法是一种连续、实时的风险评估方法。2008年,Meel A等人[25]首先提出了完整的工艺设备设施动态风险评估方法,该方法使用实时的设备设施状态来估算实时事故场景发生的动态频率;Khakzad N等人[26]基于Meel A等人提出的方法结合贝叶斯理论及事件树进行实时频率的计算,还提出通过实时监测参数、工艺设备检查及物理模型等来更新数据,应用领结模型来更新频率的方法[27]。

目前动态定量风险评估方法在LNG项目中的应用较少。Fan Hongjun等人[11]利用事件树、故障树、贝叶斯网络、领结模型、模糊数学等技术,建立了动态定量风险评估方法,并通过LNG加气案例研究,对该方法进行了验证和评估。

动态定量风险评估方法可以处理快速变化的环境、设备设施数据等信息,得到不断变化的风险水平,并集成到整体风险中。在进行场景频率的计算时,建议采用动态定量风险评估方法,得到动态的风险信息,更全面地对LNG项目的风险进行评估分析。

2 LNG设备设施泄漏事故后果计算现状

LNG设备设施泄漏事故后果计算包括泄漏量、泄漏扩散、火灾辐射、爆炸等计算。针对这些计算,已有学者建立了相关的理论模型,有很多包含这些模型的后果模拟软件,目前应用于LNG设备设施泄漏事故后果计算的软件主要有ALOHA、PHAST、FLACS等。

ALOHA软件可以用来计算危险化学品泄漏后的毒气扩散、火灾、爆炸等产生的毒性、热辐射和冲击波等。Fan Hongjun等人[11]、Budiarta K G W等人[28]在研究LNG设备设施风险时,使用ALOHA软件进行了事故后果的计算。ALOHA软件的优点是能够根据危险化学品的泄漏和气象条件对事故进行模拟,并用图像、文字的方式描述不同程度危害的范围;缺点是只能描述非常稳定的天气条件下的事故后果,不能处理风向变化和复杂地形的问题,在低风速情况下计算结果精度较低,且不能计算三维问题。

PHAST软件由DNV开发,系统采用统一扩散模型来描述气云的扩散,采用池蒸发模型来计算液池的形成、扩散和汽化,采用基于Chamberlai、JFSH-Johnson模型或API Publ 581:2000中的模型计算喷射火影响范围,使用荷兰组织多能法进行蒸气云爆炸计算。Gyeong E等人[29]、巫志鹏等人[30]使用PHAST软件对LNG设备设施的泄漏事故后果进行了模拟。PHAST软件有经过了不断验证的模型、全面的报告和图表,可以建立各种释放类型的泄漏情景,轻松直观地显示结果,具有很好的软件用户体验,但费用较高,计算结果相比其他软件偏保守。

FLACS软件是挪威GexCon公司开发的基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术的三维CFD软件,主要用于复杂区域气体扩散、气体爆炸及冲击波的模拟。它采用有限体积法来求解连续性方程,用k-ε湍流模型解决湍流问题,操作较其他CFD软件简单,在LNG项目中应用广泛,在燃烧爆炸方面得到了很好的验证,Jiang Shengyu等人[31]、贾巧娇[16]使用FLACS软件对LNG扩散爆炸进行了模拟。FLACS软件的缺点是计算过程较复杂,耗时较大,对需要的计算机要求高。

在计算LNG项目泄漏事故后果时,可根据需要及软件特点,选取合适的软件进行计算。

3 结论

定量风险评估方法可以识别潜在危险,计算事故概率,评估后果严重程度,对风险进行定量分析,在LNG项目中应用广泛。

在计算设备设施的泄漏概率时,常用方法是直接使用国外历史数据库中的数据。在中国未建立完整数据库、国外数据库存在数量级差别的现状下,建议中国学者在开展LNG站场定量风险评估时,根据GB/T 37243—2019及GB/T 20368—2021确定泄漏场景及泄漏频率。当有关泄漏频率数据缺失时,可利用国外数据进行修正后使用或通过专家判断及模糊数学理论相结合进行确定。此外,亟需建立适合中国LNG项目的完整的设备设施失效数据库。

在计算点火概率时,推荐使用AQ/T 3046—2013及OGP给出的点火概率值,可根据风险评估方法需要,选择合适的数据库。

在分析LNG项目的人因失误时,可利用HRA理论,全面计算人因可靠性,提高定量风险评估的准确性。

在进行场景频率的计算时,可采用动态定量风险评估方法,得到动态的风险信息,更全面地对项目风险进行评价。

在计算LNG项目泄漏事故后果时,可根据需要及软件特点,选取合适的软件进行计算。