天然氣處理站重大突發(fā)性事件情景構(gòu)建研究

蔣濤（中國石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院）

2006 年開展國家應(yīng)急規(guī)劃情景工作，通過分析、梳理、總結(jié)近年來發(fā)生在美國和其它國家重大災(zāi)難性事件，最終確認(rèn)15 項為重大突發(fā)事件情景，并形成完整的重大突發(fā)事件情景構(gòu)建理論和方法并制定出了《國家應(yīng)急規(guī)劃情景》[1-2]。

2013 年針對石油化工行業(yè)，國家安全生產(chǎn)應(yīng)急救援指揮中心牽頭帶領(lǐng)，由中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院提供技術(shù)支持，集合三大油公司（中石化、中石油、中海油）、天津市安監(jiān)局開展重大突發(fā)事件情景構(gòu)建工作，逐步提出重大突發(fā)事件情景構(gòu)建理論基礎(chǔ)[3]。近年來，一些重特大生產(chǎn)安全事故頻繁發(fā)生（如2013 年青島“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故、2015 年福建漳州“4·6”爆炸著火事故、2015 年天津港“8·12”瑞海公司危險品倉庫特別重大火災(zāi)爆炸事故），給國家、企業(yè)和社會造成了重大影響。在這些事故中，大多暴露出缺乏針對事故情景進(jìn)行應(yīng)急準(zhǔn)備、現(xiàn)場應(yīng)急人員缺乏培訓(xùn)和演練、應(yīng)急處置不當(dāng)造成事故后果擴(kuò)大的問題[4]。

1 情景概要

1.1 情景選擇

選擇重大突發(fā)事件情景時，考慮到事故情景要具有一定的代表性和典型性，發(fā)生的可能性，后果的嚴(yán)重性，以及事故影響的范圍和處置難度等要素。借鑒2017 年6 月5 日發(fā)生的金譽石化爆炸事故（其中10 人死亡、9 人受傷）[5]，結(jié)合某氣田處理站的現(xiàn)場實際，選擇裝車區(qū)液化石油氣槽車泄漏引發(fā)事故，槽車起火爆炸引發(fā)球罐起火爆炸導(dǎo)致事故擴(kuò)大來構(gòu)建情景。

1.2 情景狀況

根據(jù)對某氣田脫水脫烴站設(shè)定的事故每個場景主要的演化階段進(jìn)行模擬計算，確定可能影響的范圍和程度，推算可能的環(huán)境影響、財產(chǎn)損失、社會影響、業(yè)務(wù)中斷、人員傷亡等后果。情景簡表見表1。假設(shè)條件如下：

表1 情景選擇

1）氣象條件。夏季，南風(fēng)向，風(fēng)速8 m/s（較勁風(fēng)），氣溫30 ℃，當(dāng)日無降水，大氣中度穩(wěn)定，天氣陰，多風(fēng)。

2）作業(yè)情況。儲罐區(qū)液化石油氣裝車區(qū)液化石油氣槽車充裝快速接口密封破損，引起液化石油氣泄漏；事發(fā)時僅有一輛槽車進(jìn)行裝車作業(yè)。

2 定量風(fēng)險分析

該次情景構(gòu)建分析里，分別假設(shè)了液化石油氣槽車火災(zāi)和爆炸，液化石油氣/輕烴球罐火災(zāi)和爆炸。這些火災(zāi)和爆炸的后果，通過定量風(fēng)險分析（QRA）進(jìn)行科學(xué)定義，以確定各個演化階段之間的合理性。

2.1 輕烴飽和蒸氣壓

本次情景構(gòu)建的輕烴球罐，輕烴組分見表2。其輕烴沒有經(jīng)過穩(wěn)定化處理，在槽車充裝時采用開放式充裝。40 ℃時，輕烴飽和蒸氣壓為126.5 kPa，高于大氣壓101.3 kPa。因此，槽車開放式充裝導(dǎo)致大量輕烴蒸氣外冒，造成火災(zāi)爆炸風(fēng)險，并損耗大量輕烴組分。

表2 輕烴組分

根據(jù)情景構(gòu)建分析后，槽車開放式充裝改為密閉充裝，避免了輕烴在充裝時大量揮發(fā)到環(huán)境的物料損耗，也避免了潛在的火災(zāi)爆炸風(fēng)險。

2.2 液化石油氣槽車爆炸沖擊波定量風(fēng)險計算

采用超壓模型計算爆炸沖擊波造成的死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)等半徑，利用挪威DNV 公司的QRA 軟件PHAST RISK 進(jìn)行核算[8]。核算基礎(chǔ)如下：

1）計算參數(shù)里取情景構(gòu)建的假設(shè)風(fēng)速8.0 m/s，大氣穩(wěn)定度為D（中性）。

2）重大危險源發(fā)生泄漏時，分別核算小孔（5 mm）、中孔（25 mm）、大孔（100 mm）、設(shè)備破裂（大于150 mm）4 種事故工況熱輻射強(qiáng)度半徑。

3）以裝載量為23 t 的丙烷槽車作為爆炸核算參照物。

4）丙烷槽車條件：25 ℃，壓力0.6 MPa，漏點高度2 m；組分按丙烷100%。噴射火焰輻射與距離核算結(jié)果見圖1。

液化石油氣槽車發(fā)生泄漏和爆炸時，會對周邊設(shè)施產(chǎn)生強(qiáng)烈的超壓沖擊波并造成傷亡事故。包括周邊液化石油氣球罐、輕烴球罐、脫水脫烴單元生產(chǎn)設(shè)施、配電室、槽車裝車點、裝車區(qū)辦公室等設(shè)施。具體的死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑見表3。

圖1 泄漏QRA 核算結(jié)果（小孔泄漏噴）

表3 液化石油氣槽車爆炸沖擊波超壓半徑 單位：m

2.3 液化石油氣/輕烴球罐熱輻射和爆炸定量風(fēng)險計算

定量風(fēng)險分析采用650 m3液化石油氣球罐作為定量核算參照物。組分100%丙烷、溫度40 ℃、壓力1.2 MPa、泄漏點15 m、液化石油氣球罐超壓半徑統(tǒng)計見表4。液化石油氣球罐火災(zāi)事故熱輻射半徑匯總見表5。

表4 危險源火災(zāi)爆炸沖擊波超壓半徑統(tǒng)計 單位：m

表5 危險源火災(zāi)爆炸熱輻射半徑匯總 單位：m

2.4 液化石油氣/輕烴球罐同時破裂QRA 核算

處理站共有4 個球罐（1#/2#液化石油氣球罐、1#/2#輕烴球罐），每個球罐設(shè)計容積為650 m3。由于定量風(fēng)險核算軟件里不能夠建立4 個球罐同時爆炸的模型，因此，本次核算將按照4 個球罐總?cè)莘e為2 600 m3，充裝容積80%進(jìn)行核算，即定量風(fēng)險核算的總?cè)莘e為約2 000 m3。

由于液化石油氣組分為C3和C4，輕烴組分以C5為主并含有少量C5以上烴類，為簡化定量風(fēng)險分析的計算，本次核算擬采用C4（丁烷）作為核算物料。以組分100%丁烷、溫度40 ℃、壓力0.6 MPa、泄漏點15 m、體積2 000 m3、風(fēng)速8.0 m/s 為核算基礎(chǔ)，假設(shè)4 個球罐為一個丁烷總?cè)莘e2 000 m3的球罐發(fā)生完全破裂的爆炸事故，在采用DNV 公司的PHAST RISK 軟件進(jìn)行定量核算后，得出4 個球罐同時爆炸的核算結(jié)果見表6。

表6 4 個球罐同時爆炸的QRA 核算結(jié)果 單位：m

3 演化過程

依據(jù)QRA 計算結(jié)果，確定情景演化過程如下：

1）孕育階段。處理站裝車區(qū)1#裝車點液化石油氣槽車在進(jìn)行充裝作業(yè)時，快速充裝接頭密封泄漏。

2）發(fā)生階段。液化石油氣瞬間氣化和擴(kuò)散，與空氣形成爆炸性混合氣體，并遇靜電、電氣火花等發(fā)生小爆炸引發(fā)槽車大火[9]。

3）擴(kuò)大階段。液化石油氣槽車被自身火災(zāi)烘烤溫壓上升，槽車罐體罐壁材料承壓應(yīng)力隨溫度上升而下降，最終槽車發(fā)生“沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣云”爆炸；槽車爆炸碎片飛濺，擊中并引燃脫水脫烴單元儲罐區(qū)內(nèi)液化石油氣球罐和輕烴球罐，造成液化石油氣和輕烴泄漏，并引發(fā)大火。

4）爆發(fā)階段。液化石油氣球罐和輕烴球罐在池火烘烤情況下，球罐內(nèi)物料溫度壓力上升，同時球罐罐體材料隨溫度上升而承壓能力下降，最終分別發(fā)生“沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣云”爆炸；球罐爆炸碎片擊中脫水脫烴單元和增壓單元生產(chǎn)設(shè)施，引發(fā)處理站內(nèi)設(shè)施損毀和多處火災(zāi)；特別是導(dǎo)致處理站天然氣進(jìn)氣管道和輸氣管道破裂，造成管道天然氣泄漏和火災(zāi)。

5）應(yīng)急結(jié)束階段。上游首站天然氣管道切斷閥關(guān)閉，增壓機(jī)站外輸天然氣管線在下游閥室關(guān)閉成功后，大火逐步熄滅；政府應(yīng)急指揮中心宣布現(xiàn)場應(yīng)急結(jié)束，開展事故調(diào)查工作。

6）恢復(fù)階段。消防廢水處置，事故調(diào)查和責(zé)任認(rèn)定、開展災(zāi)后恢復(fù)工作；一年后，增壓機(jī)站恢復(fù)生產(chǎn)，脫水脫烴單元重新進(jìn)行設(shè)計施工。

4 結(jié)論

文中得出了基于“情景分析-任務(wù)梳理-能力評估”為主線的重大突發(fā)事件情景構(gòu)建技術(shù)方法，建立了某氣田脫水脫烴站液化石油氣泄漏、火災(zāi)爆炸情景，可獲得本場景未來可能發(fā)生的最嚴(yán)重的威脅的情景，依次設(shè)置應(yīng)急預(yù)案和準(zhǔn)備工作的最優(yōu)先目標(biāo)，既為應(yīng)急準(zhǔn)備規(guī)劃的設(shè)計提供重要依據(jù)，又給應(yīng)急準(zhǔn)備能力的建設(shè)提出了具體需求[10]。

1）情景構(gòu)建有助于應(yīng)急預(yù)案修訂和預(yù)案體系優(yōu)化工作，解決現(xiàn)有預(yù)案針對性不強(qiáng)、操作性不夠等問題。

2）為處理站應(yīng)急演練工作提供了指導(dǎo)和支撐，為桌面推演和實戰(zhàn)演練提供科學(xué)可信的背景，也為演練提供了一致性的目標(biāo)和要求。

3）情景構(gòu)建有助于完善應(yīng)急體系建設(shè)規(guī)劃。通過對液化石油氣泄露、火災(zāi)爆炸的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進(jìn)行分析研究；對其應(yīng)急資源的現(xiàn)狀及需求進(jìn)行分析研究，確定了處理站應(yīng)急體系建設(shè)規(guī)劃的重點建設(shè)方向。

4）情景構(gòu)建工作取代了傳統(tǒng)的通過應(yīng)急演練完善應(yīng)急預(yù)案的方式，節(jié)約了大量的水、電、液化石油氣等能源和人力、財力。