液化天然氣項(xiàng)目安全距離探討

楊曉明　劉順劍　楊顏璐　廖　勇

1. 浙江能源天然氣集團(tuán)有限公司,　浙江　杭州　310052; 2. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司,　四川　成都　610041; 3. 山西天然氣有限公司,　山西　太原　030006

0　前言

安全距離計(jì)算是液化天然氣(LNG)項(xiàng)目建設(shè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),不僅關(guān)系到企業(yè)本身安全,而且關(guān)系到企業(yè)周邊居民公共安全和生態(tài)環(huán)境安全。近幾年來,LNG工業(yè)發(fā)展過程中出現(xiàn)了很多事故,造成大量經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染[1]。1944年10月20日,美國(guó)東俄亥俄州燃?xì)夤綥NG設(shè)施發(fā)生爆炸,爆炸范圍波及了克利夫蘭市將近2.58 km2的地區(qū),共造成136人喪生,200輛轎車完全毀壞[2]。2004年1月19日,阿爾及利亞斯基克達(dá)LNG提煉廠爆炸,造成27人死亡、72人受傷[3]。2009年2月6日,中國(guó)上海洋山深水港LNG接收站工程在進(jìn)行中間介質(zhì)氣化器調(diào)試過程中發(fā)生爆炸事故,導(dǎo)致1人死亡、16人受傷[4]。2013年12月7日,中國(guó)榆林市榆陽區(qū)上鹽灣鎮(zhèn)一家LNG加氣站,發(fā)生LNG泄漏事故,導(dǎo)致4人死亡、3人受傷[5]。

根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì),截至2017年8月我國(guó)已建LNG液化廠(站)172座,接收站13座,此外有近60座LNG液化廠(含調(diào)峰站)和20座LNG接收站還處于前期建設(shè)準(zhǔn)備中[6]。因此,參考國(guó)外權(quán)威的LNG安全標(biāo)準(zhǔn)及其防護(hù)距離計(jì)算的理念,展開LNG項(xiàng)目安全距離計(jì)算方面的研究,提出適合于我國(guó)要求的LNG安全距離計(jì)算的理念,為進(jìn)一步完善LNG建設(shè)項(xiàng)目安全距離風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供技術(shù)服務(wù)與支持。

1　國(guó)外現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代以來,隨著石油化工行業(yè)迅猛發(fā)展,相繼發(fā)生了意大利塞維索工廠環(huán)己烷泄漏、墨西哥的墨西哥城液化石油氣爆炸、印度博帕爾農(nóng)藥廠異氰酸甲酯泄漏等與危險(xiǎn)化學(xué)品有關(guān)的惡性重特大工業(yè)事故,發(fā)達(dá)國(guó)家結(jié)合自身情況先后修正或制定了更為嚴(yán)格的化學(xué)品生產(chǎn)安全距離要求措施[7]。

在美國(guó),危險(xiǎn)化學(xué)品工廠建設(shè)不僅要滿足政府部門的要求,還要滿足保險(xiǎn)公司定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的要求。美國(guó)對(duì)化工廠的環(huán)境安全設(shè)計(jì)主要考慮以下各方面的影響:火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性、電力設(shè)計(jì)的防爆等級(jí)、建筑結(jié)構(gòu)形式、總體布局及設(shè)備布置、通風(fēng)及管道設(shè)置等[8]。

在英國(guó),1974年英國(guó)弗里克斯巴勒化工廠發(fā)生環(huán)己烷蒸氣爆炸事故,29人死亡、109人受傷,直接損失700萬美元。英國(guó)衛(wèi)生與安全委員會(huì)設(shè)立了重大危險(xiǎn)咨詢委員會(huì),負(fù)責(zé)研究重大危險(xiǎn)源的辨識(shí)、評(píng)價(jià)技術(shù)和控制措施,主要考慮危害范圍、易燃易爆及毒物事故的后果、危害物質(zhì)的數(shù)量以及危害物質(zhì)存儲(chǔ)方式等因素,并根據(jù)這些因素,計(jì)算工業(yè)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn),再轉(zhuǎn)化為安全距離[9]。

在歐洲,1977年意大利塞維索工廠環(huán)己烷泄漏,造成30多人死亡、20余萬人緊急疏散。這一事故促使歐共體于1982年6月發(fā)布《工業(yè)活動(dòng)中重大事故危險(xiǎn)法令》(《塞維索指令》)。該法令明確提出:各成員國(guó)應(yīng)根據(jù)土地使用規(guī)劃的政策預(yù)防重大事故,減少事故損失:各成員國(guó)應(yīng)確保土地使用規(guī)劃的相關(guān)政策滿足實(shí)際需要,確保危害設(shè)施與居民區(qū)、公共活動(dòng)區(qū)和特殊敏感或重要區(qū)域之間保持適當(dāng)?shù)陌踩嚯x[10];凡擁有重大危險(xiǎn)裝置的企業(yè)在向政府提交安全報(bào)告時(shí),必須運(yùn)用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)對(duì)其擁有的特種設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[11]。

2　國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

目前,國(guó)內(nèi)相關(guān)法規(guī)初步借鑒了國(guó)外的有關(guān)條款要求,公布了針對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品安全距離的確定方法主要有“基于風(fēng)險(xiǎn)的”方法、“基于后果的”方法和“通用的”經(jīng)驗(yàn)距離三種方法[12-13]。這三種方法的側(cè)重點(diǎn)都不一樣,前兩種方法均考慮了事故發(fā)生后對(duì)人和環(huán)境的影響。其中,第一種方法更加全面地考慮了事故發(fā)生的可能性,能更加客觀地表征風(fēng)險(xiǎn),但是步驟繁瑣,結(jié)論更適合宏觀判定;而第二種方法確定是可能發(fā)生的最大災(zāi)害,一般安全距離結(jié)論較大,不是客觀地體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)大小。第三種方法依賴以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)資料,是一種實(shí)用性較好的方法,被絕大多數(shù)規(guī)范所采納,但在必要時(shí),應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況并結(jié)合第一種、第二種方法來綜合判定。

我國(guó)頒布的《安全生產(chǎn)法》和《危險(xiǎn)化學(xué)品安全管理?xiàng)l例》已從法律、法規(guī)層面規(guī)定生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位的建設(shè)項(xiàng)目要求科學(xué)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)突發(fā)性事件或事故可能引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn),提出風(fēng)險(xiǎn)防范和應(yīng)急措施,確保與周邊單位、居民區(qū)、人員密集場(chǎng)所等重要目標(biāo)和敏感場(chǎng)所之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)陌踩嚯x?！吨腥A人民共和國(guó)城市規(guī)劃法》明確規(guī)定,各項(xiàng)建設(shè)工程的選址、定點(diǎn)不得妨礙城市的發(fā)展、危害城市的安全、污染和破壞城市環(huán)境、影響城市各項(xiàng)功能的協(xié)調(diào)。

原安全監(jiān)管總局第40號(hào)令《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》引入了定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法來提高重大危險(xiǎn)源安全管理決策科學(xué)性。該規(guī)定提出在一級(jí)、二級(jí)等級(jí)別較高的重大危險(xiǎn)源中危險(xiǎn)化學(xué)品存量較高時(shí),應(yīng)采用更為先進(jìn)、嚴(yán)格并與國(guó)際接軌的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行安全評(píng)估,以更好地掌握重大危險(xiǎn)源的現(xiàn)實(shí)風(fēng)險(xiǎn)水平,采取有效控制措施。通過定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)確定重大危險(xiǎn)源的個(gè)人和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)值,不得超過其規(guī)定的個(gè)人和社會(huì)可容許風(fēng)險(xiǎn)限值標(biāo)準(zhǔn),超過個(gè)人和社會(huì)可容許風(fēng)險(xiǎn)限值標(biāo)準(zhǔn)的,危險(xiǎn)化學(xué)品單位應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施降低風(fēng)險(xiǎn)[14]。

在GB 50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中“防火間距”的定義是“防止著火建筑的輻射熱在一定時(shí)間內(nèi)引燃相鄰建筑,且便于消防撲救的間隔距離[15]?！彼栽谝?guī)范中通常所見的“防火間距”主要是為了避免火勢(shì)蔓延而設(shè)置,若用防火間距來衡量中毒、爆炸事故的安全距離,明顯是不夠的[15]。因此在GB 50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(后簡(jiǎn)稱GB 50183-2004)中就提出了對(duì)LNG工程需進(jìn)行熱輻射和蒸氣云擴(kuò)散的后果計(jì)算來校核安全間距,并給出了相關(guān)邊際條件和判定結(jié)果[16]。在SH/T 3160-2009《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》中亦對(duì)控制室的抗爆設(shè)計(jì)做出了規(guī)定,而設(shè)計(jì)的依據(jù)就要求進(jìn)行相關(guān)的爆炸后果校核或采用通用值并征得業(yè)主同意[17]。

而GB/T 22724-2008《液化天然氣設(shè)備與安裝陸上裝置設(shè)計(jì)》(對(duì)標(biāo)EN 1473-2006)中,主要強(qiáng)調(diào)以事故后果為主要依據(jù)的危險(xiǎn)評(píng)價(jià)[18]。因此在重大LNG項(xiàng)目中,以事故后果為主要依據(jù)進(jìn)行LNG(含天然氣)泄漏的安全距離計(jì)算亦具有充分的合理性[19]。

3　工程案例研究

以國(guó)內(nèi)東南沿海地區(qū)某在建LNG接收站為研究對(duì)象,總平面布置分為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐區(qū)、LNG氣化區(qū)、LNG碼頭及LNG裝車區(qū)等。在LNG儲(chǔ)罐區(qū)設(shè)置4臺(tái)20×104m3全包容式儲(chǔ)罐,外罐為混凝土結(jié)構(gòu),內(nèi)罐直徑為84.2 m,外罐直徑為88.6 m,儲(chǔ)罐總高52.8 m,在每臺(tái)儲(chǔ)罐內(nèi)安裝3臺(tái)LNG低壓輸送泵(單泵流量為190 t/h,揚(yáng)程295 m,介質(zhì)溫度-162℃);在LNG氣化區(qū)設(shè)置有4臺(tái)145 t/h的IFV氣化器;在LNG碼頭配置有4臺(tái)DN 400卸載臂,1臺(tái)DN 400蒸發(fā)氣回流臂;LNG裝車區(qū)共配置有20個(gè)裝車位。

3.1　主要規(guī)范對(duì)安全距離的要求

LNG接收站設(shè)計(jì)主要依據(jù)的規(guī)范包括GB 51156-2015《液化天然氣接收站工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(后簡(jiǎn)稱“GB 51156-2015”)、GB 50183-2004。

其中GB 51156-2015明確提出防火間距需符合GB 50183-2004相關(guān)規(guī)定[20]。

而GB 50183-2004則直接規(guī)定LNG儲(chǔ)存總?cè)萘看笥诨虻扔?0 000 m3時(shí)接收站與居住區(qū)、公共福利設(shè)施的間距大于500 m,其數(shù)據(jù)來源自廣東深圳LNG接收終端大鵬半島西岸稱頭角場(chǎng)址選擇數(shù)據(jù),但同時(shí)在規(guī)范中也明確了應(yīng)校核熱輻射和蒸氣云。

3.2　采用公式進(jìn)行熱輻射距離校核計(jì)算

GB 50183-2004熱輻射距離校核公式參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 59 A 《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)》和49 CFR 193 《LNG設(shè)施:聯(lián)邦安全標(biāo)準(zhǔn)》編制。關(guān)于隔離距離的確定,圍堰為矩形且長(zhǎng)寬比不大于2時(shí),可用式(1)決定隔離距離:

(1)

式中:d為到圍堰邊沿的距離,m;A為圍堰的面積,m2;F為熱通量校正系數(shù),對(duì)于4 000 W/m2為3.5,對(duì)于9 000 W/m2為2,對(duì)于3 000 0 W/m2為0.8。

該接收站設(shè)置的3臺(tái)儲(chǔ)罐均為全包容儲(chǔ)罐,攔蓄區(qū)即為混凝土外罐,直徑88.6 m,最大尺寸與最小尺寸比等于1;LNG儲(chǔ)罐區(qū)、LNG氣化區(qū)分別設(shè)置有150 m3集液池;LNG裝車區(qū)設(shè)置有60 m3集液池;相關(guān)不同區(qū)域熱輻射影響距離計(jì)算結(jié)果見表1。

表1不同區(qū)域熱輻射影響距離計(jì)算結(jié)果

區(qū)域面積/m2兩類熱輻射量影響半徑/mQ=4 kW/m2Q=9 kW/m2LNG儲(chǔ)罐攔蓄區(qū)6 163310177LNG儲(chǔ)罐集液池2517.510LNG氣化區(qū)集液池2517.510LNG碼頭集液池16148LNG裝車區(qū)集液池16148 注:泄漏工況選擇執(zhí)行GB 50183-2004。

當(dāng)我們采用規(guī)范推薦的手算公式進(jìn)行校核時(shí),可以得出假設(shè)出的最大可能池火災(zāi)后果對(duì)居民影響范圍為直徑177 m,對(duì)50人以上居民聚集區(qū)影響范圍為直徑310 m,較規(guī)范要求值500 m更小。

3.3　采用軟件進(jìn)行蒸氣云校核計(jì)算

根據(jù)GB/T 20368-2012《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》的設(shè)計(jì)溢出條件可知:本項(xiàng)目采用了混凝土全容罐,在頂部充裝儲(chǔ)罐,無低于液面排料口情況下,模擬事故的泄漏量為儲(chǔ)罐排料泵在滿負(fù)荷下 10 min 流量;在LNG碼頭、LNG氣化區(qū)、LNG裝車區(qū)考慮最大單一事故泄漏源的10 min流量。主要假設(shè)場(chǎng)景為L(zhǎng)NG從破裂主管線泄漏,持續(xù)10 min,泄漏后的LNG流入集液池,發(fā)生閃蒸氣化,瞬間產(chǎn)生大量蒸氣,形成重氣順風(fēng)擴(kuò)散。

本項(xiàng)目主要可能發(fā)生的蒸氣云擴(kuò)散安全距離采用挪威船級(jí)社安全軟件PHAST計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2不同區(qū)域蒸氣云擴(kuò)散安全距離

單位：m

當(dāng)采用PHAST軟件對(duì)集液池的蒸氣云擴(kuò)散進(jìn)行校核時(shí),可以得出相關(guān)擴(kuò)散后果范圍對(duì)居民影響值,計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)低于規(guī)范要求。

3.4　控制室抗爆校核

表3不同區(qū)域蒸氣云擴(kuò)散安全距離

單位：m

當(dāng)采用PHAST軟件對(duì)集液池的蒸氣云爆炸進(jìn)行校核時(shí),可以得出相關(guān)擴(kuò)散計(jì)算結(jié)果較規(guī)范要求值500 m更小。

3.5　采用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

GB/T 22724-2008《液化天然氣設(shè)備與安裝陸上裝置設(shè)計(jì)》要求:LNG設(shè)備安裝設(shè)計(jì)應(yīng)減小罐區(qū)內(nèi)外對(duì)財(cái)產(chǎn)和生命的風(fēng)險(xiǎn);在站場(chǎng)設(shè)計(jì)期間應(yīng)進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

國(guó)外不同機(jī)構(gòu)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4國(guó)外不同機(jī)構(gòu)所采用的界區(qū)內(nèi)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)構(gòu)適用范圍每年最大可接受風(fēng)險(xiǎn)值每年可以忽略不計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)值英國(guó)安全衛(wèi)生部現(xiàn)有危險(xiǎn)性設(shè)施10-310-6殼牌石油公司陸上和海上設(shè)施10-310-6英國(guó)石油公司陸上和海上設(shè)施10-310-5Norsk Hydro公司陸上設(shè)施10-3-ICI公司陸上設(shè)施-3.3×10-5挪威石油公司陸上設(shè)施-8.8×10-5

本LNG接收站失效頻率采用挪威船級(jí)社安全軟件Safeti進(jìn)行計(jì)算,主要計(jì)算條件及結(jié)果見表5。

LNG接收站主要人員存在場(chǎng)所個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)見表6。

根據(jù)以上分析可知,在LNG接收站內(nèi)沒有出現(xiàn)10-3級(jí)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值,僅出現(xiàn)10-4級(jí)的個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)等值線,且覆蓋區(qū)域較小時(shí),員工個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5LNG接收站失效頻率計(jì)算條件及結(jié)果

項(xiàng)目包含設(shè)施失效模式失效頻率船舶4臺(tái)DN 400卸料臂,1臺(tái)DN 400氣相臂LNG船舶拉斷卸料臂,泄漏流量:5 304 t/h的LNG24×10-5卸船LNG管線約500 m,DN 1000卸船管卸船管線應(yīng)力拉斷,泄漏流量:5 304 t/h的LNG0.45×10-7儲(chǔ)存系統(tǒng)4座20×104 m3LNG混凝土全容罐20×104 m3LNG全容罐頂部塌陷,單罐儲(chǔ)存容積約9×104 t的LNG4×10-8LNG高壓泵5臺(tái)LNG高壓泵(1臺(tái)為備用)、1臺(tái)再冷凝器泵的進(jìn)出口管線拉斷,泄漏流量:145 t/h的LNG3.42×10-5LNG氣化器4臺(tái)145 t的IFV氣化器IFV氣化器的進(jìn)口管線拉斷,泄漏流量:145 t/h的LNG5×10-7天然氣氣體管線約1 000 m,DN 400天然氣管線全口徑破裂,泄漏流量:580 t/h的天然氣1×10-5

表6LNG接收站主要人員存在場(chǎng)所個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)

序號(hào)站內(nèi)位置個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值1接收站綜合樓4.2×10-42碼頭控制室9.7×10-53門衛(wèi)2.0×10-44維修車間9.5×10-55裝車控制室4.8×10-66主控室8.3×10-47距離LNG儲(chǔ)罐壁500 m處1×10-7

4　結(jié)論

1)根據(jù)本案例實(shí)施情況,在LNG項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中完全可以執(zhí)行以事故后果為依據(jù)的安全間距校核手段,來校核現(xiàn)有安全間距條款無法涉及的爆炸、中毒、擴(kuò)散等工況。

2)對(duì)LNG儲(chǔ)量巨大的LNG接收站、儲(chǔ)備庫,推薦進(jìn)一步采用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),從量化風(fēng)險(xiǎn)的角度,評(píng)價(jià)危險(xiǎn)化學(xué)品危險(xiǎn)源對(duì)周邊環(huán)境造成的事故影響的風(fēng)險(xiǎn)可接受程度,來保障周邊居民生命財(cái)產(chǎn)安全。

3)根據(jù)帕累托定律,系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)往往只由少數(shù)單元決定,為避免過大的計(jì)算量,需通過一定的篩選方法選擇出對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響較大、風(fēng)險(xiǎn)較高的核心單元進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。