安全分析方法在LNG接收站工程的应用

2023-10-27王建凯李凌方杜溪婷

天津科技 2023年10期

王宇，武萌，王建凯，李凌方，杜溪婷

（海洋石油工程股份有限公司天津 300461）

LNG接收站作为大量液化天然气储存和生产的设施，根据国家标准《危险化学品重大危险源辨识》其通常构成一级重大危险源。液化天然气属于低温液体，但极易气化，气化后形成的天然气主要成分为甲烷，具有易燃性，在大气环境中，燃烧范围为5%～15%；且当混合气在密闭空间或受限空间内聚积时，遇点火源将可能发生爆炸，进而产生冲击波伤害［1］。

为削减LNG接收站的潜在风险和提高工程本质安全设计水平，LNG接收站工程在设计过程中通常开展多项安全分析［2］。本文以北方某在建LNG接收站为例，介绍安全分析方法在LNG接收站工程项目中的应用。

1 具体情况

该LNG接收站工程项目包括4座LNG全容储罐、1座8～26.6万m3LNG船舶接卸泊位及相关配套接卸、气化、外输等主要工艺设施。在本项目详细设计阶段开展了HAZID、HAZOP、FHA和QRA分析，以及SIL定级。

2 安全分析方法的应用

2.1 HAZID分析

HAZID分析［3］，即危险源辨识分析（Hazard Identification），是一种系统性识别潜在风险的分析方法，主要应用于项目早期阶段。HAZID分析与HAZOP分析类似，以头脑风暴的会议方式进行。与HAZOP分析不同的是，HAZID分析关注更多的是项目宏观层面的风险，所参考的资料主要是项目概述、总图、工艺流程图（PFD）和工艺说明等。

本项目HAZID分析对工程设计阶段、建设阶段和运营阶段可能发生的危险进行辨识，以实现以下目标：①识别、分析项目在设计、建设和运营过程中潜在的安全隐患及其后果；②识别项目外部和环境危险因素的潜在影响。

本项目HAZID分析引入风险矩阵，采用半定量方式区分潜在风险的级别，从外部风险（自然环境、社会环境、人文环境、公共设施）、设施风险和健康风险3个部分进行危险源辨识和风险分析，并提出相应建议措施。本项目HAZID分析记录表节选见表1。

表1 HAZID分析记录表节选Tab.1 HAZID worksheet （excerpts）

2.2 HAZOP分析

HAZOP分析［4］，即危险与可操作性（Hazard and Operability）分析，是目前石油天然气行业应用较为广泛的一种安全分析方法。LNG接收站工程属于危险化学品建设项目，涉及重点监管危险化学品（LNG）和危险化学品重大危险源，根据原国家安全监督管理总局和住房城乡建设部2013年联合下发的“关于进一步加强危险化学品建设项目安全设计管理的通知”（安监总管三〔2013〕76号）要求，涉及“两重点一重大”的建设项目必须在基础设计阶段开展HAZOP分析。因此，LNG接收站工程在初步设计阶段就会组织开展HAZOP分析对工艺过程中可能存在的偏差带来的风险进行分析。

本项目HAZOP分析通过正常工艺过程和操作条件开展，系统性识别可能存在的偏离及其产生的原因和后果，评估现有的阻止或降低危害后果措施的可行性，使用风险等级矩阵定量化识别出的偏离，必要时，提出进一步控制措施。

本项目HAZOP分析采用头脑风暴的会议方式进行，参与方包括HAZOP主席、设计（工艺、仪表、安全等专业）人员、业主、操维人员和行业专家等。HAZOP分析遵循《危险与可操作性分析（HAZOP分析）应用指南》（GB/T 35320—2017）中的相关流程和要求开展，使用“引导词”对工艺参数逐一进行分析，识别并确认偏差、原因、后果、安全措施、建议措施及执行人。本项目HAZOP分析记录表节选见表2。

表2 HAZOP分析记录表节选Tab.2 HAZOP worksheet （excerpts）

2.3 SIL定级分析

SIL定级分析是指分析安全仪表系统的安全仪表功能和确定安全仪表回路的安全完整性等级（Safety Integrity Level）。SIL定级分析通常与HAZOP分析同步进行，以HAZOP分析结果作为输入依据。

本项目SIL定级采用LOPA方法［5］，通过计算初始事件频率、后果可接受频率和独立保护层的失效频率，与可接受风险标准进行比较，从而确定SIL等级。本项目采用行业常见的风险可接受标准，见表3。

表3 风险可接受标准Tab.3 Risk acceptability criteria

2.4 FHA分析

FHA分析，即火灾危害分析（Fire Harzard Analysis），通过建立二维或三维模型，模拟气体扩散、喷射火、池火、爆炸情景，分析火灾爆炸后的影响，评价火灾爆炸事件对LNG接收站内设备设施、建构筑物及人员可能造成的损害和对周边企业、环境的影响。

本项目FHA分析采用PHAST软件进行模拟分析。PHAST软件是挪威船级社（DNV）开发的一款进行事故后果分析的软件，是目前在LNG接收站领域应用最普遍的软件。本项目FHA分析主要对LNG集液池辐射热范围、1/2 LFL甲烷扩散影响范围、建筑物爆炸风险进行模拟分析，以进一步优化站内关键设施、建构筑物的布置。

2.4.1 LNG集液池热辐射分析

假定LNG集液池内存有一定液位的LNG，且未覆盖高倍数泡沫，对集液池的池火热辐射影响进行模拟。以罐区LNG集液池为例，通过软件模拟计算，在2F气象条件下，LNG储罐区集液池发生池火时，32 kW/m2的热辐射最大影响范围为11.83 m，15 kW/m2的热辐射最大影响范围为16.73 m，8 kW/m2的热辐射最大影响范围为21.33 m，5 kW/m2的热辐射最大影响范围为25.92 m，其池火热辐射范围如图1所示。

图1 LNG集液池火灾热辐射影响范围Fig.1 Thermal radiation of LNG pool fire

由图1可知：LNG储罐区集液池产生的热辐射5 kW/m2的影响范围内，未设置行政楼等人员集中区；热辐射8 kW/m2的影响范围内，未设置控制室、维修车间、实验室、仓库等建筑物；热辐射15 kW/m2影响范围内，未设置压力容器、工艺设施和相邻金属储罐；热辐射32 kW/m2影响范围内，没有相邻的混凝土储罐，满足热辐射阈值要求［6］。

2.4.2 甲烷扩散影响分析

对集液池甲烷扩散的模拟仍是在LNG集液池内存有一定液位的LNG且未覆盖高倍数泡沫的假设条件下进行。以工艺区LNG集液池为例，通过软件模拟计算，在2F气象条件下，50%LFL气云扩散距离最远，距离为100.37 m。在原有总图布置中，该范围内布置有海水变电所。因本项目海水变电所为110 kV，属于全厂重要设施，所以根据本FHA分析结果调整了总图中该LNG集液池的位置。

2.4.3 抗爆分析

LNG蒸气云在受限空间内聚积时，一旦遇到点火源，可能会发生爆炸。对于LNG接收站，BOG压缩机厂房、槽车棚为半敞开式的厂房，卸料平台和再冷凝器等区域管线密集、局部存在受限空间，可能会由于可燃气云（NG）扩散形成NG气体积聚产生爆炸超压［7］。

对本项目开展爆炸后果分析，模拟分析爆炸冲击波对建筑物的影响，主要是通过模拟计算爆炸超压值和持续时间为建筑物的抗爆设计提供依据。本项目FHA分析给出了可信事件下站内控制室的爆炸超压参数，见表4。

表4 可信事件下爆炸超压参数Tab.4 Explosion parameters under credible events

2.5 QRA分析

QRA分析，即定量风险评估（Quantitative Risk Assessment），通过评估气体扩散、火灾、爆炸等事故的发生频率和后果，计算LNG接收站对站内外人员和站外企业或设施带来的风险，评估是否满足相关国标限值要求［8］。伴随着近些年几起重特大事故，工程评审和设计中越来越关注站场对厂区外部的风险和影响。

本项目QRA分析是在FHA分析的基础上，综合考虑火灾爆炸事件的频率、站内外人员及点火源分布情况，计算站内外个人风险和设备风险。经计算，本项目对周边人员的社会风险曲线为：在事故死亡人数200人及以下时，本项目重大事故危害对接收站界区外人口聚集场所的影响处于ALARP可容许区；在事故死亡人数200人以上时，本项目重大事故危害对接收站界区外人口聚集场所的影响处于ALARP尽可能降低区。这表明，LNG接收站对周边人员的社会风险曲线在国家规定的F-N曲线尽可能降低区（ALARP区）和可接受区内，满足国家标准（GB 36894—2018）要求。