基于Bow-tie模型的LNG泄漏風險分析

劉云鵬

(中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院，河南鄭州 450006)

目前，我國LNG產業(yè)進入快速增長期，形成了國有企業(yè)占主導地位、區(qū)域發(fā)展不平衡、管道全國布網管控集中、資源供應多元穩(wěn)定等發(fā)展特點[1]。為了積極應對LNG市場不斷增加的需求，中國石化華北油氣分公司在大牛地氣田開展了LNG回收作業(yè)。

LNG在回收過程中，工藝裝置存在高壓、深冷，儲存介質存在易燃易爆等風險[2]，針對這些風險，國內外學者開展了大量現場實驗和數值模擬。Meroney等[3，4]通過研究LNG泄漏擴散的風洞實驗，分析了不同氣象條件對LNG泄漏擴散的影響；德國漢堡大學[5]通過開展BA-TNO實驗，揭示了不同地面障礙物對LNG泄漏擴散的影響；劉旭紅等[6]采用三維火災爆炸CFD數值模擬對國內某接收站火災爆炸事故類型及事故影響進行模擬分析，并將結果應用到工程設計當中；莊學強[7]分別利用Fluent CFD模型和VOF多相流模型分析了LNG泄漏擴散過程的基本特征，這些模擬應用結果對LNG站場選址、事故防范及應急管理制定提出了科學依據；李龐等[8]利用HAZOP分析方法，對LNG加氣站存在的危險因素及其后果、原因、防護措施進行分析，從而提出防護措施，實現LNG加氣站安全運行。

雖然上述學者做了大量研究，但是主要針對LNG儲罐和接收站，且采用的多為實驗或模擬的方法進行研究。本文中LNG回收，是指利用LNG生產設備對生產井口出來的天然氣、試氣井口出來的放空氣進行回收和銷售[9]；Bow-tie分析法是一種圖形化的風險分析和管理方法，可直觀地表達事故發(fā)生的原因，以及可能導致的一系列后果；并且能夠涵蓋預防事故發(fā)生的控制措施，以及減緩或降低事故影響的減緩措施。因此，本論文以J66P9H LNG回收站場為研究對象，采用Bow-tie分析法對LNG泄漏并引起火災、爆炸的安全風險進行分析，制定風險管控措施，并提出風險管控建議，以保證LNG回收安全平穩(wěn)運行。

1 分析背景介紹

在LNG回收過程中因設備、人員、環(huán)境等原因存在眾多生產安全的危險因素，主要危險因素是火災、爆炸，同時也存在高空墜落、物體打擊、壓力容器爆炸、機械傷害、高溫或低溫等安全風險。通過Bow-tie模型分析，制定風險管控措施，可有效降低各類風險發(fā)生的可能性以及事故后果的嚴重性。

1.1 LNG站場介紹

LNG回收站場的主要工藝流程為：井口天然氣由采氣樹首先經除砂器、水套爐/分離器、調壓分離裝置，再進入脫碳撬脫除酸性氣體，然后進入脫水撬進行深度脫水，最后進入液化撬生產出LNG半成品進入儲運系統(tǒng)，通過冷劑壓縮機的冷劑循環(huán)提供冷量將天然氣液化成LNG成品。同時，凈化后的少量天然氣供發(fā)電機發(fā)電和水套爐加熱。圖1所示為J66P9H井場LNG生產工藝流程圖。LNG站場風險分布如圖2所示。

圖1 J66P9H井場LNG生產工藝流程

1.2 Bow-tie方法介紹

風險管控措施與行動模型，簡稱Bow-tie模型[10，11]，又稱領結圖，或蝴蝶結，如圖3所示。其構建過程為：危險源在有害因素的作用下，擊破所有預防措施后釋放，其中釋放方式稱為頂上事件；頂上事件進一步發(fā)展，擊破所有減緩措施，造成嚴重后果。模型的構建揭示了：預防措施和減緩措施作為屏障，是降低事故發(fā)生概率，消減事故危害的有效途徑。

圖2 LNG站場安全風險分布示意

因此，通過風險管控措施與行動模型可以看出，評估預防措施和減緩措施的有效性，制定風險管控措施，是Bow-tie分析法的重點。

圖3 Bow-tie模型示意

2 LNG泄漏風險分析

2.1 危險源辨識

LNG，即液化天然氣，主要成分是甲烷，還有少量的乙烷、丁烷、氮氣和二氧化碳等，是一種無色無臭的氣體，具有易燃、易爆、健康危害的特性。在生產過程中，易發(fā)生LNG泄漏甚至引發(fā)火災、爆炸等事情。

2.2 確定頂上事件

結合LNG回收站場的實際情況，可能發(fā)生的事故主要有：天然氣泄漏、火災爆炸、中毒和窒息、機械傷害、凍傷、觸電等，而天然氣泄漏及火災爆炸的風險最大。因此，選取LNG泄漏為頂上事件，如圖4所示。

2.3 風險分析

圖4 風險源及頂上事件示意

2.3.1危害因素和事故后果分析

針對LNG泄漏的風險，確定危害因素有三個，即：壓力超限、設備腐蝕和人員誤操作；LNG泄漏之后，可能造成的事故后果有兩個：火災、爆炸和人員中毒、窒息。如圖5所示。

圖5 危害因素和事故后果示意

2.3.2屏障分析

針對危害因素和事故后果，對采取的屏障措施進行分析。

a)為避免LNG發(fā)生泄漏，針對危害因素采取預防措施：①避免壓力超限的預防措施包括：設備定期檢驗、維護保養(yǎng)、制定操作規(guī)程、設置壓力觀測、壓力聯(lián)鎖切斷；②避免設備腐蝕的預防措施包括：腐蝕裕量、防腐涂層、維護保養(yǎng)、注冊建檔；③避免人員誤操作的預防措施包括：參加相關培訓、取得相關資質、制作操作規(guī)程。

b)為避免LNG泄漏之后引起火災爆炸和人員中毒、窒息，針對事故后果采用減緩措施：①避免發(fā)生火災、爆炸的減緩措施包括：配備可燃氣體檢測儀、劃分防火防爆分區(qū)、設備安全防火間距、點火源控制、應急處置；②避免發(fā)生人員中毒、窒息的減緩措施包括：配備可燃氣體檢測儀、配備個人防護用品、應急處置。

根據J66P9H LNG回收管理現狀，對各類屏障措施的有效性進行分析。結果如圖6所示。結果發(fā)現：①避免壓力超限的預防措施中，未設置壓力聯(lián)鎖切斷；②避免發(fā)生火災、爆炸的減緩措施中，安全防火間距不滿足規(guī)范要求。

3 保護層及風險矩陣分析

3.1 初始風險分析

圖6 Bow-tie分析結果示意

按照中國石化安全風險矩陣[12](如圖7所示)，對LNG泄漏及泄漏之后引起火災、爆炸和人員中毒、窒息的初始風險等級(Raw Risk)進行分析。其中，后果嚴重性等級由輕到重分為A、B、C、D、E、F、G7級，可能性等級由小到大分為8級。風險矩陣中每一個具體數字代表該風險指數值，最小為1，最大為200。風險指數值表征了每一個風險等級的相對大小。分析結果如表1所示。

圖7 中國石化安全風險矩陣示意

風險描述發(fā)生的可能性后果嚴重性風險等級風險級別LNG泄漏6DD6較大風險火災、爆炸6EE6重大風險人員中毒、窒息6DD6較大風險

3.2 保護層分析

保護層分析(LOPA)是基于事故場景的半定量分析方法，其目的是評估保護層的有效性和完整性，從而降低風險等級[13]。LOPA通常使用初始事件后果嚴重程度和初始事件減緩后的頻率大小近似表征場景的風險，場景為單一的原因/后果時，存在各種阻止事故后果發(fā)生的不同類型保護層，如果其中的一個保護層按照設計的功能發(fā)生作用，則可以阻止事故后果的發(fā)生[14]。如圖8所示[15]。

圖8 保護層分析方法示意

為了降低LNG泄漏及泄漏引發(fā)火災、爆炸和人員中毒、窒息的風險，針對失效的兩項屏障措施，結合保護層分析方法，提出增設壓力聯(lián)鎖和設置合理的安全防護間距兩項獨立保護層(IPL)措施。

其中，增設壓力聯(lián)鎖，屬于提高安全儀表功能，按照最低SIL等級SIL1考慮，采取的PFD(Probability of failure on demand)為1×10-2；設置合理的安全防護間距，屬于本質安全設計，采取的PFD為1×10-2。

3.3 剩余風險分析

通過增設以上保護層，發(fā)生LNG泄漏的初始概率降低，其剩余風險(Residual Risk)等級降低為一般風險；發(fā)生火災、爆炸的風險等級降低為一般風險；發(fā)生人員中毒、窒息的風險等級降低為一般風險如表2所示。

4 結論

以LNG回收站場存在的重大風險為研究對象，通過采用Bow-tie模型、保護層分析及風險矩陣等風險評估方法進行研究，主要得出以下結論。

a)LNG回收站場存在著LNG泄漏并引起火災、爆炸和人員中毒、窒息風險，利用Bow-tie模型對風險的危害因素進行分析，查出了LNG生產管理過程中存在的缺陷。

表2 剩余風險等級評估結果

b)增設獨立保護層，提高LNG回收工藝和設備、設施的本質安全程度，可大大降低生產安全風險等級，從而對LNG回收安全風險進行有效管控。

5 參考文獻

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