安全系统工程论文
目录
摘要 (2)
引言 (3)
1 对新能源液化天然气的认识 (3)
1. 1 石油液化气( LPG) (3)
1. 2 压缩天然气( CNG) (3)
1. 3 液化天然气 (4)
2 对新能源液化天然气危险性分析 (4)
2. 1 无规划支撑 (4)
2. 2 审核验收依据不充分 (4)
2. 3 加气站危险性更大 (4)
2.4 QRA方法和事故场景描述 (5)
2.5 发生概率与事故后果分析 (6)
2.5.1 发生概率分析 (6)
2.5.2 事故后果分析 (7)
2.6 预先危险性分析法 (8)
2.7 液化天然气仓储站预先危险性分析 (8)
2.8 液化石油气储配站预先危险性分析结果 (9)
3 对新能源液化天然气事故的防范对策 (9)
3. 1 借鉴国外标准 (9)
3. 2 建立我国法规体系 (9)
3. 3 制定加气站设计防火规范 (10)
3. 3. 1 总平面布局 (10)
3. 3. 2 防火间距 (10)
3. 3. 3 环形车道 (10)
3. 3. 4 泄漏控制 (10)
3. 3. 5 耐火等级 (10)
3. 3. 6 安全出口 (10)
3. 3. 7 工艺流程 (11)
3. 3. 8 安全装置 (11)
3. 3. 9 装置布置 (11)
3. 3. 10 仪表检测 (11)
3. 3. 11 电气设计 (11)
3. 3. 12 灭火系统 (12)
3. 4 严格审核验收 (12)
4 对新能源液化天然气事故的处置对策 (12)
4. 1 建立应急处置机制 (12)
4. 2 建立自救处置体系 (13)
4. 3 实施抢险、灭火具体措施 (13)
结论 (14)
致谢 (15)
参考文献 (16)
基于液化天然气仓储消防安全事故定性定量风险评价方法
摘要
液化天然气(LNG)具有低温、易挥发、易燃、易爆的特性,其场站安全问题凸显。研究结合某LNG汽车加注站加注枪或管道LNG溢出的可能性事故,对事故发生概率及后果进行定量分析,其中事故后果的确定采用DEGADIS和LNGFire3模型。文章结合相关文献提供的伤害准则数据,得出人员受伤等级和死亡率,进而确定事故造成的个人风险值与英国、荷兰等国家和机构制定的个人风险标准进行比较,所得的个人风险大大低于标准极限值,同时表明将5kW /m2作为安全距离临界热辐射强度的合理性。
关键词:定量风险评价;液化天然气;泄漏;池火灾;安全
引言：随着全球社会经济的发展,液化天然气(LNG)作为一种清洁能源越
来越受到人们的关注。由于LNG低温,易挥发,易燃,易爆的特性, LNG场站的安全问题随之凸显,对LNG场站事故进行风险评价迫在眉睫。现行的工程安全风险评价方法有很多种,根据评价程度可以分为定量和定性以及介于两者之间的半定量风险评价。定性风险评价如:安全检查表法,美国MILSTD-882A标准(将危险度分为4级,事故发生可能性分为6级),假设事故与后果分析等;定性评价法相对简单易用,评价过程及结果直观,但事故发生的概率和后果不能量化,评价结果的精确性取决于操作人员的经验、事故因素划分的细致性、层次性等。定量风险评价(Quantitative RiskAnalysis)简称QRA,是基于大量实验结果和广泛事故资料,给出事故发生概率和事故后果,通过对系统失效概率和后果的量化分析,精确描述系统的风险[1-2],评价结果严密而量化;常用评价方法如:模糊矩阵法,道(DOW)化学公司火灾、爆炸危险指数评价法等。半定量评价法采用统一的处理方法将风险划分等级,为事故发生概率和事故后果分配指标,将两个指标进行组合,形成一个相对风险指标[3]。
三类评价方法比较,就评价结果的精确性而言,定量法最好,其次是半定量法和定性法。LNG场站一旦发生事故,极有可能造成严重的人员和财产损失,因此选择定量风险评价法(QRA)比较适合。本文采用定量风险评价法(QRA),以国内某LNG汽车加注站的加注枪或管道LNG溢出事故为例,阐述定量风险评价方法的应用。
1 对新能源液化天然气的认识
1. 1 石油液化气( LPG)
石油液化气的基本性质是多烃类成份，热值与汽油相当，主要有丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等 8 个组份。由于它的比重大于空气，爆炸极限在 1. 7% ～ 10% 的范围，泄漏时容易下沉到低洼处遇火源就会燃烧和爆炸。
1. 2 压缩天然气( CNG)
压缩天然气是天然气加压并以气态储存在容器中。它与管道天然气的成份相同，主要成份为甲烷，可作为车辆燃料使用。天然气又称油田气、石油气、石油伴生气。开采石油时，只有气体称为天然气。天然气的化学组成与理化物特性因地而异，主要成份是甲烷，含有少量的乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等，密度在 0. 6 ～ 0. 8 g/cm，比空气轻;天然气在空气中浓度达到 15% 以上时，可以正常燃烧;浓度为5% ～ 15% ，遇到明火即可发生爆炸，这个浓度范围即为天然气的爆炸极限。爆炸在瞬间产生高压、高温，其破坏力和危险性都很大。
1. 3 液化天然气
液化天然气主要成份是甲烷，气化后比空气轻，一旦泄漏扩散很快，是一种安全能源。液化天然气在液化过程中，已将硫、二氧化碳、水分等物质除去，所以燃烧时，不会因硫分解而造成空气污染，是一种干净清洁能源，且具有很高的热值。液化天然气的制造过程首先将气田生产的天然气净化处理，经过一连串超低温液化后，用专用槽车、船舶运至加气站灌装。液化天然气是发达国家几年前就开发利用并积极推广使用的产品，除了用作发电、工厂、家庭、汽车的燃料外，其中所含的甲烷可用作制造肥料、甲醇溶剂及合成醋酸等化工原料，另外其所含的乙烷和丙烷可经裂解而生成乙烯及丙烯，是塑料产品的重要原料。我国中石油、中海油、中石化三大公司生产的液化天然气已上市使用，为缓解我国能源紧缺作出了积极贡献。
2 对新能源液化天然气危险性分析
目前，我国在液化天然气生产、储存、运输、灌装、销售、使用等各个环节存在着很大、很多不安全性。
2. 1 无规划支撑
20 世纪 90 年代初中海油从战略上考虑，首家引进国外液化天然气。目前，广东大鹏、福建、上海的液化天然气项目已投入运营，大连、江苏、浙江、珠海、深圳、海南的液化天然气项目正在规划和建设，2020 年全国规划发展到 13 个企业。但我国目前在该产业规划上没有法律支撑的基础。
2. 2 审核验收依据不充分
现有规范中，GB 50156 － 2002《汽车加油加气站设计与施工规范》未涉及液化天然气，GB 50183 －2004《石油天然气工程设计防火规范》有关液化天然气站场部分但不具体，GB 50160 － 2008《石油化工企业设计防火规范》明确不适用液化天然气。
2. 3 加气站危险性更大
液化天然气运输车辆、加气网点布遍各地，事故时有发生。河南境内每年因运输液化天然气槽罐车泄漏、撞车、交通肇事、火灾爆炸、抢险救援高达上百次。加气站的建设、工艺、存储、营销、管理等问题更显得突出。大的雷电电流、瞬间转换成热能、高温引燃泄漏的天然气、机械效应、电磁效应、地震等各种自然环境都可能造成罐体、气体、膨胀炸裂形成火灾爆炸事故。
2.4 QRA方法和事故场景描述
QRA方法应用于事故风险评价的具体步骤如图1所示
对LNG汽车加注站,加注过程中加注枪或装车管的意外断开是导致LNG泄漏的最大隐患。事故场景假定如下:加注枪LNG体积流速为0119m3/min,加注管阀门为50mm的手动阀门,加注过程中加注管阀门处突然断裂,紧急切断阀的响应时间小于10s(为确保安全,以10s计),期间LNG泄漏形成液池,闪蒸的气体形成低温重气云团沿下风向扩散。其中液池直径可由下式确定。
2.5 发生概率与事故后果分析
2.5.1 发生概率分析
LNG泄漏是引发火灾、爆炸等重大危险的根源,泄漏概率分析主要是对设备设施基础泄漏概率的分析,一般通过历史事故统计或事故树分析得到。目前,国外一些研究机构如挪威船级社(DNV)、英国健康和安全局(HSE)、美国化工过程安全中心(CCPS)等都有类似的数据库,可直接获得各类设备的泄漏概率[4]。表2为挪威船级社(DNV)在2005
年公布的统计数据[5],用于确定重大危险源在定量风险评价中的基础泄漏概率。将表中50mm手动阀门的基础泄漏概率作为所研究的加注管阀门破裂概率,即为114×10-5。
图2事件树中各概率数据由文献[6]整理所得。火灾可能会在蒸汽云点燃之后发生,为确保安全,将蒸汽云点燃的概率计入火灾发生的概率,且将火灾概率作为池火概率进行计算。
2.5.2 事故后果分析
事故后果分析是基于各种事故后果模型,获得热辐射、冲击波超压或危险物扩散浓度等随距离变化的规律,并与相应伤害准则比较,得出事故后果的影响范围[4]。DEGADIS(DenseGasDispersion)模型是由Havens和Spicer在1989年推出的一种用于分析重气扩散的模型[7],并作为NFPA 59A推荐使用的一种模型,用于评估LNG生产储运过程中的重气扩散情况[8]。LNGFire3为NFPA 59A推荐使用的LNG池火热辐射计算模型,用于确定不同距离的火灾热辐射强度。
NFPA59A建议,对LNG扩散和火灾分别以甲烷燃烧下限(体积浓度5% )的一半和热辐射强度5kW /m2作为建筑红线安全距离的确定标准。图3给出由DEGADIS 和LNGFire3模型计算所得的重气扩散浓度及火灾热辐射强度随距离的变化。
由图3(a)可知,体积浓度为5%处距离泄漏源约为35米, 215%处约为56米;由图3(b)可知,热辐射强度为5kW /m2(即人体承受的临界热辐射强度)距离池火约为16m。
表3给出烧伤程度与辐射剂量之间的关系及不同烧伤程度的死亡率。如果皮肤裸露(无防护服)在热辐射强度为5kW /m2范围的时间超出30s,则有可能导致二等烧伤[9]。LNG汽车加注站远离公众区,如若发生火灾,一般只有加注站工作人员处于危险区。假定火灾发生后,个人三等烧伤的概率为1%,二等烧伤的概率为5%。
2.6 预先危险性分析法
预先危险性分析法属于安全系统工程范畴,是在一项工程活动(包括设计、施工、安装、生产、维修等)之前进行的对系统存在的危险因素、出现条件和事故可能造成的后果进行概略分析的系统安全分析方法。目的是发现系统的潜在危险因素、确定系统的危险等级,提出相应的防范措施,防止事故发生,避免财产损失。其按危险、危害因素导致事故的严重程度,将危险、危害因素划分为四个等级。详见表1。
预先危险性分析基本步骤如下:1危害辨识,即通过经验判断、技术诊断或其他方法调查确定系统中存在的危险、有害因素。o确定可能事故类型,即根据过去的经验教训及同类行业生产中发生的事故(或灾害)情况,对系统的影响、损坏程度,类比判断所要分析的系统中可能出现的情况,查找能够造成系统故障、物质损失和人员伤害的危险性,分析事故(或灾害)的可能类型。对确定的危险源进行分类,制成预先危险性分析表。?识别转化条件,即研究危险因素转变为危险状态的触发条件和危险状态转变为事故(或灾害)的必要条件,并且进一步寻求对策措施,检验对策措施的有效性。?进行危险性分级,排列出重点和轻、重、缓、急次序,以便处理。?制定事故(或灾害)的预防性对策措施。
2.7 液化天然气仓储站预先危险性分析
液化石油气储配站涉及到的主要物质是液化石油气,属易燃易爆物质,且具有一定的毒性,在卸车、倒罐、倒残液、灌瓶过程中因管理不当或设备故障极可能造成火灾爆炸中毒事故,因此,根据石油化工行业有关规定和5建设设计防火规范6,参照同类企业情况,将液化石油气火灾、爆炸、中毒事故确定为工艺过程中
最主要的事故类型[5]。同时,在工艺生产过程还可能发生雷击及电气伤害、电气火灾、车辆运输伤害、物体打击、高处坠落和滑倒、水灾等事故。依据上述确定的事故类型,分别对各事故类型产生原因和影响因素进行分析和归纳,分析并确定危险因素以及其转变为事故状态的触发事件,形成事故的原因和导致事故的后果等。在此仅列出主要事故类型火灾、爆炸的PHA分析结果。
2.8 液化石油气储配站预先危险性分析结果
(1)液化石油气储配站存在的可能的事故类型有火灾、爆炸、中毒、雷击及电气伤害、电气火灾、厂内车辆运输伤害、物体打击、高处坠落和滑倒、水灾事故等。
(2)通过对该工艺进行预先危险性分析可知:级别为?级,危险程度为灾难性的危险危害因素有一项,即液化石油气火灾爆炸;级别为ó级,危险程度为危险的危险危害因素有四项,包括雷击及电气伤害、电气火灾、高处坠落和滑倒以及水灾;级别为ò级,危险程度为临界的危险危害因素有三项,包括中毒、内车辆运输事故和物体打击。
(3)对于上述可能产生的各种危险、有害因素,在预先危险性分析表中已提出初步的防范对策措施,如果加强对生产过程这些危险点的有效控制,能满足安全生产的要求。
3 对新能源液化天然气事故的防范对策
3. 1 借鉴国外标准
液化天然气是国际标准化组织(ISO)认证的国际标准，早在 1959 年美国向英国运送5 000 mLNG 开始，英国步入了液化天然气消费国家，经过 40 年，英国标准化委员会编制了标准，同时德国也编制了标准，欧洲大陆牵头单位奥地利、比利时、丹麦等 18 个国家的专家和学者在各个国家液化天然气标准的基础上编制了液化天然气的一般特性和液化天然气设备、安装、防火等方面的标准，为指导欧洲地区液化天然气产业的发展起到了重要作用。美国是液化天然气产业起步最早的国家，如国家防火协会(NFPA)、美国石油协会(API)、机械工程师协会(ASME)制定相应标准，已经形成了液化天然气各种标准，涵盖了液化天然气从生产到使用各个环节的具体标准，尤其在液化天然气安全方面联邦政府已经立法。
3. 2 建立我国法规体系
在国际标准的基础上，应该制定液化天然气国家法律、法规、液化天然气专业国家标准、液化天然气专业行业标准、液化天然气企业标准，形成适合我国国情、符合我国实际的液化天然气生产、储存、运输、装卸、发售等各个环节的特定标准体系，做到有法可依、依法管理，确保科学、有效、安全运营。
3. 3 制定加气站设计防火规范
3. 3. 1 总平面布局
要充分考虑城市规划，必须避开人员密度大的地区及易燃易爆、重要公共建筑、公共娱乐场所以及高层建筑物，场地标高应低于周边建筑物场地或者城市道路的标高，防止液化天然气溢出或泄漏后蔓延流淌到界区，还应选择在城市全年最小频率风向的上风侧和周边工企业、动火比较集中的火源存在的上风侧。
3. 3. 2 防火间距
按照其火灾危险等级，应参照相关临界规范适当加大的原则，储罐容积在 8 ～57 m时距建筑物的最小防火间距就在 8 m;容积在 57 ～ 114 m时距建筑物的最小防火间距应在 15 m;容积在 114 ～ 265 m时距建筑物的最小防火间距就在23 m。上述三个容积等级距火源应控制在 15 m 以上。储罐之间的距离应控制2010 年第 12 期消防技术与产品信息在相邻罐径之和的 1 /4，至少不少于 1. 5 m。
3. 3. 3 环形车道
站内必须设计、建设供消防车通行不少于 6 m 宽的环形消防车道和 12 m × 12 m 的回车场地，特别是紧急状态下，能供液化天然气槽车的进出，事故状态下又能供多辆槽车倒罐，方便液化天然气槽车出行。
3. 3. 4 泄漏控制
液化天然气储罐及管道储存的液体常在－ 160℃以上，密封不严、泡、冒、滴、漏，很容易形成罐体及管路发生脆裂、变形、膨胀溢出，作业区必须设计防液体的拦蓄区，一旦发生泄漏或火灾，必须控制在一定的区域内，用灭火剂迅速处置，防止形成流淌火灾。
3. 3. 5 耐火等级
站内所有建构筑物的耐火等级必须设定在耐火时间 2 h 以上，站内所有的构筑物、钢管、管架、支座等施工完毕后，加涂防火涂料(防火漆)。
3. 3. 6 安全出口
站内必须设进出两个安全出口，防液体流散的拦蓄区和操作区的工作平台，同样必须设置两个安全出口，以保证在发生事故时，消防车及抢险救援车辆实施救援;
保证在事故状态下操作人员能安全逃生。
3. 3. 7 工艺流程
安全设计的核心地带是液化天然气站的工艺流程，每一个装置、管道、储罐、仪表、阀门等的安全性和人的管理过程中业务熟练等因素，都要作出定量分析，进而采取定性定量安全措施。
3. 3. 8 安全装置
在正常运营状态中和发生非正常过程中能够迅速有效地进行控制而设置的安全装置，其装置必须设置有压力控制装置(泄压放散装置—防止压力超限、自动控制阀和人工放散阀、集中放散管—高出周围25 m内建筑物 2 m、设置在上风侧，放散方向应垂直向上)。物料保存阀—在系统发生泄漏或火灾时，将物料限制在储罐内;紧急切断系统—在仪表监测到远离工作岗位无法修复或发生故障，能自动报警并切断危险源;远程切断系统—事故中紧急切断系统失效，不能到达现场控制时，能用远程手动切断储罐和正在作业的槽车; 程序控制装置—设定联锁装置、允许最高液位、切断进液装置、防止装置超限等各种安全有效的控制装置。
3. 3. 9 装置布置
站内设备、管道布置量比较密集，但必须考虑其操作、维修、疏散的空间和通道。各种管路的排列务必考虑其危险性;电气和仪表不能与工艺管线同沟，防止泄漏后天然气与电火花接触发生爆炸。
3. 3. 10 仪表检测
对储罐上的液位计、压力表实行联锁，超限报警、迅速切断;对管道上、加气机上压力表、温度计、流量计等实行在线实时控制。对拦蓄区可设置泄漏报警、低温探测器、火灾探测器。所有仪表与紧急切断系统联锁，能够在事故状态下实现紧急切断和停车。
3. 3. 11 电气设计
按照 GB 50058 － 92《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》划定爆炸和火灾危险区域，选择防爆电气设备的级别。对电缆及电缆沟采用阻燃性材料填实封堵，防止气体和液体进入配电室和控制室内;按照GB 50057 － 94《建筑物防雷设计规范》站内气体Ⅰ区爆炸危险区划分为第二类，防止直击雷、感应雷，防止雷电波侵入等安全措施。
3. 3. 12 灭火系统
可燃气体探测设备—预警燃气泄漏，提前采取防范措施; 干粉灭火系统—针对拦蓄区、卸车区、加气区; 气体灭火系统—针对控制室、配电室，设置二氧化碳等气体灭火装置; 泡沫灭火系统—针对加气区、卸车区、拦蓄区设置，防止流淌火灾; 高压细水雾灭火系统—对站内储罐、地沟、管道均能起到隔离、窒息等灭火作用; 消火栓系统—用来冷却受到火灾和热辐射的储罐和设备，但必须注意在火灾过程中水只能加速液化天然气的气化，从而加快燃烧速度。要慎用水这种灭火剂。
3. 4 严格审核验收
液化天然气生产、储存、运输、发售各个环节，必须按照国家的法律、法规、规范实地严格审核、验收、管理。在我国没有明确的法规时，要参照国外规范和我国邻近规范、标准执行。加强对从事液化天然气生产、管理、作业的相关人员的专业培训，防止因违反操作规程和误操作而导致事故发生。要逐步建立和完善一套液化天然气法规、规范、标准体系，真正做到有章可循，有法可依，安全生产，保障有序，服务社会，安全可靠。
4 对新能源液化天然气事故的处置对策
现阶段，我国对液化天然气灾害事故的防范处置措施缺位，没有形成规范有序的法律、法规、标准体系，必然导致在生产、储存、运输、发售过程中带来系列安全事故，必须采取关键有效的处置对策。
4. 1 建立应急处置机制
在液化天然气生产、储存、运输、发售的地区都应建立层级应急处置机制。一是责任方(指生产、储存、运输、发售等单位)。必须建立完善消防安全系统应急处置程序规定，细化各个环节、过程中的处置对策，配置所需的各类设备和器械，培训各工种从业技术人员，保证出现事故时能迅速有效地安全处置。二是政府方(指各级政府)。都应在应急中心制定处置液化天然气泄漏、爆炸、火灾、救援等各个环节的调度联动处置机制，制定应急方案，统一指挥，整合资源，加强演练，高效应对。三是专业力量方(指消防、安监、燃气、交通等部门)。要分专业制定具体防范处置预案，以应对生产、储存、运输、发售各个领域中发生的各种事故。工艺过程处置预案，储存区域处置预案，运输过程中处置办法，发售时泄漏、爆炸、火灾、处置措施等方案要具体，可操作性、针对性、时效性、安全性要强。
4. 2 建立自救处置体系
自救处置是预警、发现、救早、早救、救了，防止事故进一步扩大的第一要素。要建立事故自除的处置体系。生产领域必须建立以法人负责制的专业队伍，有各种处置装备，有各种专业人才，有值班训练场所，有后勤财政保障，昼夜巡查备勤;储存场所必须有经过专业培训合格的处置人员，定岗、定位、定职责，熟悉掌握罐区的各类器材，应用自如;运输装备的从业人员，必须持证上岗，车辆装备必须符合危险品运输有关规定，防静电、灭火、堵漏器械要件齐全，熟练掌握;发售区间要建立站长为第一责任人的防范处置机构，由管理人、工程技术人员、操作工组成全方位处置队伍。真正形成各层级、各班组、各工种工段不同环节的不同处置队伍和不同处置办法，来应对发生的各种事故。
4. 3 实施抢险、灭火具体措施
(1) 区域管制。无论发生泄漏、着火、爆炸、交通事故，必须在第一时间内实行500 m 范围内的区域管制，管控一切人员，禁止一切火电源，依据不同事故特点，按照处置预案快速施救。
(2) 科学监测。在第一时间内对发生事故的装置设备和泄漏的液化天然气迅速进行计量分析，划定扩散蔓延的具体范围和区域，为科学施救提供技术依据。(3) 合理调兵。要在科学分析判断的基础上，按照不同事故类型特点，在确保安全的前提下，把握现场处置的各种要素，通过侦察确认事故发生的部位，制定出具体的处置方案，分梯次组织兵员实施处置。
(4) 快速施救。液化天然气扩散性很快，极易引起火灾、爆炸，破坏力很强，要争取在最短的时间内控制、处置、消灾、除患。无论在生产、储存、运输、发售各个环节中，堵漏是第一环节，转移、倒罐是第二环节，冷却、灭火、覆盖、隔离是在第一、第二环节过程中的有效实施，只有这样才能将危险性降低到最小程度。
结论
通过对液化天然气仓储站进行预先危险性分析,可以直观判别生产过程存在的危险源,各种危险源引发事故的触发条件,预测各种危险出现可能对生产造成的影响,根据其影响的不同程度进行危险等级划分,针对不同危险源的危险等级,结合企业的各种资源情况提出科学可行有效的消除、预防或降低危险的安全对策措施,设计中应根据预先危险性分析提出的安全对策措施进行生产工艺方案设计,并严格按照设计要求组织施工，液化天然气仓储站还应加强安全管理制度建设、管理机构建设,全面落实安全技术措施和管理措施,预防事故的发生。
致谢
在本论文的写作过程中，我的老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，以及在会议的过程中给我们悉心的指导，作出相应的讲解，分析我们选题等各环节的优点及不足，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的同学和朋友。
参考文献
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