液化天然气项目安全距离探讨

杨晓明　刘顺剑　杨颜璐　廖　勇

1. 浙江能源天然气集团有限公司,　浙江　杭州　310052; 2. 中国石油工程建设有限公司西南分公司,　四川　成都　610041; 3. 山西天然气有限公司,　山西　太原　030006

0　前言

安全距离计算是液化天然气(LNG)项目建设的一个重要环节,不仅关系到企业本身安全,而且关系到企业周边居民公共安全和生态环境安全。近几年来,LNG工业发展过程中出现了很多事故,造成大量经济损失和环境污染[1]。1944年10月20日,美国东俄亥俄州燃气公司LNG设施发生爆炸,爆炸范围波及了克利夫兰市将近2.58 km2的地区,共造成136人丧生,200辆轿车完全毁坏[2]。2004年1月19日,阿尔及利亚斯基克达LNG提炼厂爆炸,造成27人死亡、72人受伤[3]。2009年2月6日,中国上海洋山深水港LNG接收站工程在进行中间介质气化器调试过程中发生爆炸事故,导致1人死亡、16人受伤[4]。2013年12月7日,中国榆林市榆阳区上盐湾镇一家LNG加气站,发生LNG泄漏事故,导致4人死亡、3人受伤[5]。

根据相关机构的统计,截至2017年8月我国已建LNG液化厂(站)172座,接收站13座,此外有近60座LNG液化厂(含调峰站)和20座LNG接收站还处于前期建设准备中[6]。因此,参考国外权威的LNG安全标准及其防护距离计算的理念,展开LNG项目安全距离计算方面的研究,提出适合于我国要求的LNG安全距离计算的理念,为进一步完善LNG建设项目安全距离风险评估提供技术服务与支持。

1　国外现状

20世纪70年代以来,随着石油化工行业迅猛发展,相继发生了意大利塞维索工厂环己烷泄漏、墨西哥的墨西哥城液化石油气爆炸、印度博帕尔农药厂异氰酸甲酯泄漏等与危险化学品有关的恶性重特大工业事故,发达国家结合自身情况先后修正或制定了更为严格的化学品生产安全距离要求措施[7]。

在美国,危险化学品工厂建设不仅要满足政府部门的要求,还要满足保险公司定量风险计算的要求。美国对化工厂的环境安全设计主要考虑以下各方面的影响:火灾爆炸危险性、电力设计的防爆等级、建筑结构形式、总体布局及设备布置、通风及管道设置等[8]。

在英国,1974年英国弗里克斯巴勒化工厂发生环己烷蒸气爆炸事故,29人死亡、109人受伤,直接损失700万美元。英国卫生与安全委员会设立了重大危险咨询委员会,负责研究重大危险源的辨识、评价技术和控制措施,主要考虑危害范围、易燃易爆及毒物事故的后果、危害物质的数量以及危害物质存储方式等因素,并根据这些因素,计算工业设施风险,再转化为安全距离[9]。

在欧洲,1977年意大利塞维索工厂环己烷泄漏,造成30多人死亡、20余万人紧急疏散。这一事故促使欧共体于1982年6月发布《工业活动中重大事故危险法令》(《塞维索指令》)。该法令明确提出:各成员国应根据土地使用规划的政策预防重大事故,减少事故损失:各成员国应确保土地使用规划的相关政策满足实际需要,确保危害设施与居民区、公共活动区和特殊敏感或重要区域之间保持适当的安全距离[10];凡拥有重大危险装置的企业在向政府提交安全报告时,必须运用定量风险评估技术对其拥有的特种设备进行风险评估[11]。

2　国内现状

目前,国内相关法规初步借鉴了国外的有关条款要求,公布了针对危险化学品安全距离的确定方法主要有“基于风险的”方法、“基于后果的”方法和“通用的”经验距离三种方法[12-13]。这三种方法的侧重点都不一样,前两种方法均考虑了事故发生后对人和环境的影响。其中,第一种方法更加全面地考虑了事故发生的可能性,能更加客观地表征风险,但是步骤繁琐,结论更适合宏观判定;而第二种方法确定是可能发生的最大灾害,一般安全距离结论较大,不是客观地体现风险大小。第三种方法依赖以往的运行经验和相关资料,是一种实用性较好的方法,被绝大多数规范所采纳,但在必要时,应根据当地的具体情况并结合第一种、第二种方法来综合判定。

我国颁布的《安全生产法》和《危险化学品安全管理条例》已从法律、法规层面规定生产经营单位的建设项目要求科学预测评价突发性事件或事故可能引发的风险,提出风险防范和应急措施,确保与周边单位、居民区、人员密集场所等重要目标和敏感场所之间应保持适当的安全距离。《中华人民共和国城市规划法》明确规定,各项建设工程的选址、定点不得妨碍城市的发展、危害城市的安全、污染和破坏城市环境、影响城市各项功能的协调。

原安全监管总局第40号令《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》引入了定量风险评价方法来提高重大危险源安全管理决策科学性。该规定提出在一级、二级等级别较高的重大危险源中危险化学品存量较高时,应采用更为先进、严格并与国际接轨的定量风险评价的方法进行安全评估,以更好地掌握重大危险源的现实风险水平,采取有效控制措施。通过定量风险评价确定重大危险源的个人和社会风险值,不得超过其规定的个人和社会可容许风险限值标准,超过个人和社会可容许风险限值标准的,危险化学品单位应当采取相应的措施降低风险[14]。

在GB 50016-2014《建筑设计防火规范》中“防火间距”的定义是“防止着火建筑的辐射热在一定时间内引燃相邻建筑,且便于消防扑救的间隔距离[15]。”所以在规范中通常所见的“防火间距”主要是为了避免火势蔓延而设置,若用防火间距来衡量中毒、爆炸事故的安全距离,明显是不够的[15]。因此在GB 50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》(后简称GB 50183-2004)中就提出了对LNG工程需进行热辐射和蒸气云扩散的后果计算来校核安全间距,并给出了相关边际条件和判定结果[16]。在SH/T 3160-2009《石油化工控制室抗爆设计规范》中亦对控制室的抗爆设计做出了规定,而设计的依据就要求进行相关的爆炸后果校核或采用通用值并征得业主同意[17]。

而GB/T 22724-2008《液化天然气设备与安装陆上装置设计》(对标EN 1473-2006)中,主要强调以事故后果为主要依据的危险评价[18]。因此在重大LNG项目中,以事故后果为主要依据进行LNG(含天然气)泄漏的安全距离计算亦具有充分的合理性[19]。

3　工程案例研究

以国内东南沿海地区某在建LNG接收站为研究对象,总平面布置分为LNG储罐区、LNG气化区、LNG码头及LNG装车区等。在LNG储罐区设置4台20×104m3全包容式储罐,外罐为混凝土结构,内罐直径为84.2 m,外罐直径为88.6 m,储罐总高52.8 m,在每台储罐内安装3台LNG低压输送泵(单泵流量为190 t/h,扬程295 m,介质温度-162℃);在LNG气化区设置有4台145 t/h的IFV气化器;在LNG码头配置有4台DN 400卸载臂,1台DN 400蒸发气回流臂;LNG装车区共配置有20个装车位。

3.1　主要规范对安全距离的要求

LNG接收站设计主要依据的规范包括GB 51156-2015《液化天然气接收站工程设计规范》(后简称“GB 51156-2015”)、GB 50183-2004。

其中GB 51156-2015明确提出防火间距需符合GB 50183-2004相关规定[20]。

而GB 50183-2004则直接规定LNG储存总容量大于或等于30 000 m3时接收站与居住区、公共福利设施的间距大于500 m,其数据来源自广东深圳LNG接收终端大鹏半岛西岸称头角场址选择数据,但同时在规范中也明确了应校核热辐射和蒸气云。

3.2　采用公式进行热辐射距离校核计算

GB 50183-2004热辐射距离校核公式参照美国标准NFPA 59 A 《液化天然气(LNG)生产、储存和装运标准》和49 CFR 193 《LNG设施:联邦安全标准》编制。关于隔离距离的确定,围堰为矩形且长宽比不大于2时,可用式(1)决定隔离距离:

(1)

式中:d为到围堰边沿的距离,m;A为围堰的面积,m2;F为热通量校正系数,对于4 000 W/m2为3.5,对于9 000 W/m2为2,对于3 000 0 W/m2为0.8。

该接收站设置的3台储罐均为全包容储罐,拦蓄区即为混凝土外罐,直径88.6 m,最大尺寸与最小尺寸比等于1;LNG储罐区、LNG气化区分别设置有150 m3集液池;LNG装车区设置有60 m3集液池;相关不同区域热辐射影响距离计算结果见表1。

表1不同区域热辐射影响距离计算结果

区域面积/m2两类热辐射量影响半径/mQ=4 kW/m2Q=9 kW/m2LNG储罐拦蓄区6 163310177LNG储罐集液池2517.510LNG气化区集液池2517.510LNG码头集液池16148LNG装车区集液池16148 注:泄漏工况选择执行GB 50183-2004。

当我们采用规范推荐的手算公式进行校核时,可以得出假设出的最大可能池火灾后果对居民影响范围为直径177 m,对50人以上居民聚集区影响范围为直径310 m,较规范要求值500 m更小。

3.3　采用软件进行蒸气云校核计算

根据GB/T 20368-2012《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》的设计溢出条件可知:本项目采用了混凝土全容罐,在顶部充装储罐,无低于液面排料口情况下,模拟事故的泄漏量为储罐排料泵在满负荷下 10 min 流量;在LNG码头、LNG气化区、LNG装车区考虑最大单一事故泄漏源的10 min流量。主要假设场景为LNG从破裂主管线泄漏,持续10 min,泄漏后的LNG流入集液池,发生闪蒸气化,瞬间产生大量蒸气,形成重气顺风扩散。

本项目主要可能发生的蒸气云扩散安全距离采用挪威船级社安全软件PHAST计算，结果见表2。

表2不同区域蒸气云扩散安全距离

单位：m

当采用PHAST软件对集液池的蒸气云扩散进行校核时,可以得出相关扩散后果范围对居民影响值,计算结果远低于规范要求。

3.4　控制室抗爆校核

表3不同区域蒸气云扩散安全距离

单位：m

当采用PHAST软件对集液池的蒸气云爆炸进行校核时,可以得出相关扩散计算结果较规范要求值500 m更小。

3.5　采用定量风险评价

GB/T 22724-2008《液化天然气设备与安装陆上装置设计》要求:LNG设备安装设计应减小罐区内外对财产和生命的风险;在站场设计期间应进行危险评价。

国外不同机构的个人风险标准见表4。

表4国外不同机构所采用的界区内个人风险标准

机构适用范围每年最大可接受风险值每年可以忽略不计的风险值英国安全卫生部现有危险性设施10-310-6壳牌石油公司陆上和海上设施10-310-6英国石油公司陆上和海上设施10-310-5Norsk Hydro公司陆上设施10-3-ICI公司陆上设施-3.3×10-5挪威石油公司陆上设施-8.8×10-5

本LNG接收站失效频率采用挪威船级社安全软件Safeti进行计算,主要计算条件及结果见表5。

LNG接收站主要人员存在场所个人风险见表6。

根据以上分析可知,在LNG接收站内没有出现10-3级的个人风险值,仅出现10-4级的个体风险等值线,且覆盖区域较小时,员工个体风险满足标准要求。

表5LNG接收站失效频率计算条件及结果

项目包含设施失效模式失效频率船舶4台DN 400卸料臂,1台DN 400气相臂LNG船舶拉断卸料臂,泄漏流量:5 304 t/h的LNG24×10-5卸船LNG管线约500 m,DN 1000卸船管卸船管线应力拉断,泄漏流量:5 304 t/h的LNG0.45×10-7储存系统4座20×104 m3LNG混凝土全容罐20×104 m3LNG全容罐顶部塌陷,单罐储存容积约9×104 t的LNG4×10-8LNG高压泵5台LNG高压泵(1台为备用)、1台再冷凝器泵的进出口管线拉断,泄漏流量:145 t/h的LNG3.42×10-5LNG气化器4台145 t的IFV气化器IFV气化器的进口管线拉断,泄漏流量:145 t/h的LNG5×10-7天然气气体管线约1 000 m,DN 400天然气管线全口径破裂,泄漏流量:580 t/h的天然气1×10-5

表6LNG接收站主要人员存在场所个人风险

序号站内位置个人风险值1接收站综合楼4.2×10-42码头控制室9.7×10-53门卫2.0×10-44维修车间9.5×10-55装车控制室4.8×10-66主控室8.3×10-47距离LNG储罐壁500 m处1×10-7

4　结论

1)根据本案例实施情况,在LNG项目设计过程中完全可以执行以事故后果为依据的安全间距校核手段,来校核现有安全间距条款无法涉及的爆炸、中毒、扩散等工况。

2)对LNG储量巨大的LNG接收站、储备库,推荐进一步采用定量风险评价,从量化风险的角度,评价危险化学品危险源对周边环境造成的事故影响的风险可接受程度,来保障周边居民生命财产安全。

3)根据帕累托定律,系统的风险往往只由少数单元决定,为避免过大的计算量,需通过一定的筛选方法选择出对整个系统影响较大、风险较高的核心单元进行风险计算。