儲(chǔ)罐油氣VOCs治理氣相連通系統(tǒng)重大風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)研究

許晶

(中國(guó)石化青島安全工程研究院 山東青島 266100)

0 引言

2010年國(guó)務(wù)院辦公廳首次提出在關(guān)注度高的行業(yè)及地域重點(diǎn)開(kāi)展VOCs廢氣(揮發(fā)性有機(jī)物)的污染治理[1-2]。2014年原國(guó)家環(huán)保部首次對(duì)石化行業(yè)VOCs治理作出明確規(guī)定[3]，要求3年內(nèi)基本完成VOCs廢氣治理工作，進(jìn)一步明確如何對(duì)廢氣排放指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控，VOCs排放量要大幅度降低并達(dá)到規(guī)定要求[4]。隨后關(guān)于VOCs治理和排放的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定相繼出臺(tái)[5-6]，各大石化企業(yè)開(kāi)始關(guān)注油氣處理，涉及中間原料與產(chǎn)品、石腦油、成品油、三苯、污油、含油污水等罐組的廢氣治理。然而，VOCs治理系統(tǒng)需將多個(gè)儲(chǔ)罐連通進(jìn)行油氣回收，罐區(qū) VOCs治理工程實(shí)施后，儲(chǔ)罐氣相空間通過(guò)油氣支管連接相通成為一個(gè)整體空間，相連儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)增大。各儲(chǔ)罐在原有風(fēng)險(xiǎn)如儲(chǔ)罐發(fā)生抽癟、超壓、火災(zāi)爆炸等事故的基礎(chǔ)上，存在若某個(gè)儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)，火焰會(huì)通過(guò)相連的管道傳播到鄰近的儲(chǔ)罐或設(shè)施[7-8]，發(fā)生重大群罐火災(zāi)甚至爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。因此，原國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局要求，實(shí)施油氣治理氣相連通工程必須經(jīng)過(guò)安全專(zhuān)項(xiàng)評(píng)估，以防止重大事故的發(fā)生[9]。

1 儲(chǔ)罐油氣VOCs治理現(xiàn)狀

目前儲(chǔ)罐罐頂油氣VOCs治理氣相連通系統(tǒng)主要采用氣相平衡管、單罐單控(控制儲(chǔ)罐排氣并實(shí)現(xiàn)事故下切斷)、單呼閥方案和直接連通切斷閥方案(多個(gè)儲(chǔ)罐氣相連通后共用一個(gè)氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥控制該連通罐組向總管排氣)等連通方式，存在將火災(zāi)危險(xiǎn)性不同的儲(chǔ)罐、高含硫與低含硫儲(chǔ)罐、高溫物料與常溫物料儲(chǔ)罐、內(nèi)浮頂與拱頂儲(chǔ)罐、設(shè)置氮封與未設(shè)氮封儲(chǔ)罐進(jìn)行直接連通的現(xiàn)象，儲(chǔ)罐物料特性、油氣濃度、氣相空間氧含量等不同都會(huì)增加氣相連通罐組的危險(xiǎn)性。連通數(shù)量越多，發(fā)生火災(zāi)爆炸的可能性越大，特別是我國(guó)石化儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)的氮封設(shè)計(jì)量大多未考慮異常溫降的影響，存在空氣進(jìn)入的條件，儲(chǔ)罐氣相空間為爆炸氣體1區(qū)，甚至0區(qū)。儲(chǔ)罐老化現(xiàn)象嚴(yán)重，浮盤(pán)密封性能下降，再加上高含硫等特點(diǎn)，直接連通數(shù)量過(guò)多將導(dǎo)致群罐火災(zāi)事故升級(jí)，安全風(fēng)險(xiǎn)增大。VOCs處理設(shè)施主要包括專(zhuān)有處理設(shè)施如油氣回收系統(tǒng)(吸附、冷凝等)、TO/CEB等明火燃燒技術(shù)、RTO/CO/RCO等低溫燃燒技術(shù)、等離子體、生物法系統(tǒng)等和協(xié)同處理設(shè)施如生產(chǎn)設(shè)施(既有硫磺反應(yīng)爐及焚燒爐、鍋爐、加熱爐、催化裂化裝置再生器等)、全廠性低壓瓦斯系統(tǒng)[10]等。

VOCs氣體普遍存在氣量及濃度波動(dòng)大、間歇排放等問(wèn)題。國(guó)外在進(jìn)行VOCs處理設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)與后續(xù)處理工藝整體考慮安全控制措施，評(píng)估危險(xiǎn)環(huán)境出現(xiàn)的可能性并層層設(shè)防，采用的措施主要包括氮封、壓力與氧含量檢測(cè)、工藝安全控制聯(lián)鎖、阻火、電氣防爆等系統(tǒng)安全控制方案。國(guó)內(nèi)在進(jìn)行VOCs治理改造項(xiàng)目時(shí)，普遍存在監(jiān)測(cè)及聯(lián)鎖設(shè)施不完善或未與裝置安全聯(lián)鎖等情況，若控制不當(dāng)將影響裝置運(yùn)行，甚至發(fā)生閃爆事故，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

2 儲(chǔ)罐VOCs治理氣相連通重大風(fēng)險(xiǎn)分析

針對(duì)罐區(qū)VOCs治理氣相連通工藝系統(tǒng)，通過(guò)HAZOP分析得出初始風(fēng)險(xiǎn)處于E、F、G等級(jí)的場(chǎng)景，利用LOPA(保護(hù)層分析)進(jìn)一步開(kāi)展半定量評(píng)估，將該結(jié)果作為保護(hù)層分析的初始事件[11]，在此基礎(chǔ)上識(shí)別現(xiàn)有安全措施，分析日常生產(chǎn)及維護(hù)等操作過(guò)程中可能存在的危險(xiǎn)事件[12]，識(shí)別關(guān)鍵安全措施及其需求時(shí)失效概率(PFD)。在參考美國(guó)消防協(xié)會(huì)(NFPA)、美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)、德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)TRBF20、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO等涉及罐頂氣相連通相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究分析基礎(chǔ)上，提出重大風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法，確定初始原因的頻率及后果的分級(jí)[13]，從而計(jì)算氣相連通后發(fā)生重大風(fēng)險(xiǎn)的可能性。最后將風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果與風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，判定風(fēng)險(xiǎn)大小及是否可接受[14]，為進(jìn)一步風(fēng)險(xiǎn)決策提供輸入信息，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)程度和相關(guān)技術(shù)要求，提出有效的對(duì)策措施，從而保證系統(tǒng)的安全性。詳細(xì)評(píng)估流程如圖1所示。

圖1 “HAZOP+LOPA+風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)”風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

經(jīng)分析，石化行業(yè)儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)油氣VOCs治理氣相連通系統(tǒng)存在以下重大風(fēng)險(xiǎn)：①氣相連通罐組群罐火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[15]；②VOCs處理設(shè)施閃爆事故；③VOCs送往熱氧化爐(TO)及加熱爐、裂解爐、焚燒爐等裝置處理時(shí)控制不當(dāng)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故；④高含氧VOCs氣體進(jìn)入火炬管網(wǎng)引起火災(zāi)爆炸事故[16]；⑤裝置發(fā)生事故泄放時(shí)，火炬氣倒竄入罐區(qū)引發(fā)儲(chǔ)罐超壓破裂,遇到點(diǎn)火源發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。

2.1 氣相連通罐組群罐火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)氣相連通罐組總罐容，群罐火災(zāi)事故等級(jí)劃分如表1所示。儲(chǔ)存不同火災(zāi)危險(xiǎn)性物料的儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)的初始概率[17]如表2所示。直接連通罐組發(fā)生火災(zāi)的初始概率為單一儲(chǔ)罐初始概率×儲(chǔ)罐數(shù)目，若VOCs收集系統(tǒng)存在多個(gè)連通罐組，則總的初始概率為各罐組初始概率之和。不同頻率對(duì)應(yīng)的可能性分級(jí)如表3所示。

表1 罐組群罐火災(zāi)事故等級(jí)

表2 不同火災(zāi)危險(xiǎn)性物料起火的初始概率

表3 發(fā)生的可能性分級(jí)

為防止群罐火災(zāi)事故，工程上采用獨(dú)立保護(hù)層降低風(fēng)險(xiǎn)，關(guān)鍵安全措施及其需求時(shí)失效概率(PFD)如表4所示(假設(shè)設(shè)計(jì)符合要求，維護(hù)和培訓(xùn)狀況良好，下同)。采用關(guān)鍵安全措施后的實(shí)際概率[18-19]為

F實(shí)=F總·F安

(1)

(2)

表4 關(guān)鍵安全措施及其需求時(shí)失效概率(PFD)(1)

實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)可根據(jù)如表5所示的風(fēng)險(xiǎn)矩陣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確認(rèn)。

2.2 VOCs處理設(shè)施閃爆事故

根據(jù)VOCs處理設(shè)施的規(guī)模，其發(fā)生事故等級(jí)為D。VOCs處理設(shè)施火災(zāi)爆炸事故的初始概率為10-3

表5 風(fēng)險(xiǎn)矩陣標(biāo)準(zhǔn)

表6 關(guān)鍵安全措施及其需求時(shí)失效概率(PFD)(2)

2.3 VOCs送往熱氧化爐(TO)及明火裝置處理時(shí)控制不當(dāng)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故

根據(jù)熱氧化爐(TO)及加熱爐、裂解爐、焚燒爐等的VOCs處理規(guī)模，其發(fā)生火災(zāi)爆炸的事故等級(jí)為E，初始概率為10-3

表7 關(guān)鍵安全措施及其需求時(shí)失效概率(PFD)(3)

2.4 高含氧VOCs氣體進(jìn)入火炬管網(wǎng)引發(fā)火災(zāi)爆炸事故

高含氧VOCs氣體進(jìn)入火炬管網(wǎng)引發(fā)火災(zāi)爆炸的事故等級(jí)為F，初始概率為10-3

表8 關(guān)鍵安全措施及其需求時(shí)失效概率(PFD)(4)

2.5 火炬氣倒竄入罐區(qū)風(fēng)險(xiǎn)

裝置發(fā)生事故泄放時(shí)，火炬氣倒竄入罐區(qū)引發(fā)儲(chǔ)罐超壓破裂,遇到點(diǎn)火源發(fā)生火災(zāi)爆炸的事故等級(jí)為E，該類(lèi)事故約5年發(fā)生一次，初始概率為0.20，初始風(fēng)險(xiǎn)為E7，關(guān)鍵安全措施及其需求時(shí)失效概率如表9所示。

表9 關(guān)鍵安全措施及其需求時(shí)失效概率(PFD)(5)

綜上所述，針對(duì)VOCs治理氣相連通系統(tǒng)存在的主要風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)重大風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)量化，判斷初始風(fēng)險(xiǎn)及采取關(guān)鍵安全措施后的最終風(fēng)險(xiǎn)，與風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比從而進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策。

3 結(jié)語(yǔ)

VOCs 治理過(guò)程中需要嚴(yán)格管控環(huán)保治理所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。VOCs處理設(shè)施氣相連通項(xiàng)目實(shí)施后，多個(gè)儲(chǔ)罐氣相空間通過(guò)油氣支管連接成一個(gè)整體，罐區(qū)的整體安全風(fēng)險(xiǎn)增大。采取基于重大風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確保關(guān)鍵安全措施滿足要求，提高安全防控級(jí)別，杜絕重大事故的發(fā)生。通過(guò)控制直接連通數(shù)量、增加遠(yuǎn)程切斷閥、設(shè)置高可靠性氮封、分布式氧含量監(jiān)測(cè)、管道有效阻火和配管爆炸防護(hù)等技術(shù)，提升罐頂氣相連通本質(zhì)安全。