基于安全分析的LNG项目布置优化_李少鹏.pdf

环保与安全石油化工设计PetrochemicalDesign2023，40(2)36 41基于安全分析的 LNG 项目布置优化李少鹏(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)摘要:利用安全分析手段解决某 LNG 工程总平面布置方案中遇到的问题，在采用基于后果的分析方法后，对比各工艺设备在同等泄漏孔径及气象条件下发生喷射火时的热辐射计算结果，确定热辐射影响范围最大的设备，在危险源辨识的基础上识别最大可信事故场景，开展事故后果计算并对现有设计提出优化建议。关键词:优化布置断链事故场景doi:10 3969/j issn 1005 8168 2023 02 0091LNG 接收站工程概况中国石化拟在某临海城市建设 1 座液化天然气接收站工程，以满足地区经济和社会发展需要，优化能源结构，维护经济和社会可持续发展。接收站包括陆域形成工程、接收站工程、码头及输气干线工程。1 1建设规模码头工程最大接转能力 625 104t/a，目前已建设 1 个 266 000 m3LNG 船的泊位，兼顾停靠 80 000 266 000 m3LNG 船，1 个工作船码头及相应的配套设施;本次再增建 1 个 266 000 m3LNG 船的泊位、1 个工作船码头及相应配套设施的位置。工程建设规模为 300 104t/a，分两期建设。供气能力 40 108m3/a，汽车装车能力 30 104t/a;本工程建设规模为 1 000 104t/a，供气能力136 108m3/a，汽车装车能力 100 104t/a。LNG经远洋输送船运至接收站工程后，经船带泵增压送至 LNG 储罐，LNG 经罐内泵送至泡点气(BOG)再冷凝器，与经压缩机压缩后的泡点气混合，气体被冷凝;LNG 自泡点气再冷凝器进入高压泵，由高压泵送至气化器气化，气化后的天然气经计量通过输气管道送至用户。1 2项目总体流程LNG 远洋运输船到港口后，由拖船协助靠泊在专用码头，LNG运输船由码头上装卸工作平台上的 LNG 卸料臂接驳，从 LNG 运输船接卸的 LNG通过管道输送到接收站工程的 LNG 储罐内储存;接收站工程 LNG 储罐内的 LNG 基于不同工况要求，经低压、高压两级外输泵升压后进入气化器加热，高压天然气气化后经接收站工程计量，由输气干线输送至各输气站，在站内过滤、调压、监控和贸易计量后向燃气管网供气。总工艺流程见图 1。1 3厂区的平面布置原有的工程天然气管输设计能力为 300 104t/a;扩建后管输能力增至 1 000 104t/a。工程相应配套建设 4 座 16 104m3LNG 储罐，本次增建5 座 20 104m3LNG 储罐，平面布置考虑预留本工程用地。总平面布置有两个问题需要进一步评估与研究。1)新增储罐位于工艺处理设施区西侧，根据液化 天 然 气 燃 烧 的 热 辐 射 计 算 模 型 确 定收稿日期:2022 11 17。作者简介:李少鹏，男，1998 年毕业于首都经济贸易大学安全工程专业，工学硕士，高级工程师，SEI 安全技术总监，美国注册安全工程师(CSP 22299);长期从事工艺安全设计工作，主要负责化工项目的工艺危害和风险的识别、分析、评价和处理等，同时担任其他多项国行标的参编工作。联系电话:[phone];E mail:lisp sei sinopec com基 金 项 目:国 家 重 点 研 发 计 划 项 目(2021YFC3001202)2023 年第 2 期(第 40 卷)李少鹏 基于安全分析的 LNG 项目布置优化 37 图 1总工艺流程示意LNG 储罐与工艺处理设施区的安全距离为 90 m，由于制造技术及相关标准的更新，需要重新对该距离进行评估并优化。2)拟配套建设轻烃回收装置及轻烃罐区，根据目前布置方案，其东南侧有中心化验室及环保监测站、HSE 中心等人员集中场所，需要评估轻烃回收装置和轻烃罐区发生蒸气云爆炸 VCE(VaporCloud Explosion)对其造成的影响。2假想事故后果计算2 1计算方法在危险源辨识的基础上采用基于后果的分析方法进行热辐射以及 VCE 超压计算:1)资料收集。需要收集的资料包括总平面布置、设备平面布置图、工艺流程图、联锁方案、设备表、设备数据表等，根据以上资料获得物料危险性、设备操作条件、泄漏切断措施、装置拥塞程度等信息，为危险源辨识提供输入条件。2)辨识潜在的释放源。分析已收集资料，辨识可能发生泄漏的部位，主要包括反应器、容器、机泵、压缩机等设备的法兰和阀门连接处，同时基于物料危险性，进一步分析可再现的事故场景。3)识别最大可信事故场景。针对已辨识可再现的事故场景，预置 3 种泄漏类型，如小孔泄漏、中孔泄漏和大孔泄漏，确定其中最大可信事故场景。4)热辐射及 VCE 超压计算。本文采用后果模拟软件 PHAST 7 11 进行模拟和分析，这是挪威船级社 DET(NORSKE VERITAS)用于火灾和爆炸分析的专用软件，广泛用于石油化工领域，至今己有 20 多年。结合最大可信事故场景，输入物料、操作条件、泄漏孔径、气象条件等参数，计算热辐射及 VCE 超压。5)结合热辐射及超压破坏准则评估和分析受影响的设备/设施。6)得出结论并提出预防与缓解措施。2 2热辐射和超压破坏准则2 2 1热辐射(见表 1)表 1热辐射强度对设备和人员的伤害程度热辐射强度/(kWm2)对设备的损坏对人的伤害375操作设备损坏1%死 亡(10 s);100%死亡(1 min)250在无明显火焰长时间辐射下木材着火的最小能量重度烧伤(10 s);100%死亡(1 min)125有火焰时，木材燃烧及塑料熔化的最低能量1 度烧伤(10 s);1%死亡(1 min)63裸露皮肤暴露 8 s 左右有痛感;无热辐射屏蔽设施时，操作人员穿上防护服可停留 1 min47暴露 16 s，裸露皮肤有痛感;无热辐射屏蔽设施时，操作人员穿上防护服可停留几分钟158长时间暴露无不适感 38 石 油 化 工 设 计2023 年第 2 期(第 40 卷)2 2 2超压(见表 2)表 2超压对设备和人员的伤害程度压力/kPa影响014令人厌恶的噪声(137 dB，或低频 10 15 Hz)021已经处于疲劳状态下的大玻璃偶尔破碎028产生大的噪声(143 dB)，玻璃破裂069处于压力应变状态的小玻璃破裂103玻璃破裂的典型压力207“安全距离”(低于该值，不造成严重损坏的概率为 095)，抛射限值，屋顶出现某些破坏，10%的窗户玻璃被打碎276有限的较小结构破坏34 69大窗户和小窗户通常破碎，窗户框架偶尔遭到破坏4 8房屋建筑物受到较小的破坏6 9房屋部分破坏，不能居住69 138石棉板粉碎;钢板或铝板起皱，紧固失效;木板固定失效、吹落9钢结构的建筑物轻微变形138房屋的墙和屋顶局部坍塌138 207没有加固的混凝土墙毁坏158严重结构破坏的最低限值172房屋砌砖 50%破坏207工厂建筑物内的重型机械(1 362 kg)轻微损坏;钢结构建筑变形，并与基础脱离207 276自成构架的钢面板建筑破坏，油储罐破裂276轻工业建筑物的覆层破裂345木制的支撑柱折断，建筑物内高大液压机(18 160 kg)轻微破坏345 482房屋几乎完全破坏482装载货物的火车车厢倾翻482 551未加固的 203 2 304 8 mm 厚的砖板因剪切或弯曲导致失效62装载货物的火车货车车厢完全破坏689建筑物可能全部遭到破坏;重型机械工具(3 178 kg)移位并严重损坏，非常重的机械工具(5 448 kg)幸免3后果分析3 1辨识潜在释放源由于本工程的建设进度目前正处于前期阶段，不具备详细的工艺资料，因此潜在的释放源辨识参考以往的 LNG 接收站工程相关资料，喷射火热辐射潜在释放源辨识结果列于表 3。3 2识别最大可信事故场景根据 AQ/T 30462013化工企业定量风险评价导则 中定义的基本泄漏场景可确定为小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏和完全破裂(见表 4)。表 3潜在喷射火热辐射释放源位号名称操作压力/MPa操作温度/0330 P 02外输高压泵10131 70330 P 01冷能回收泵10156 00208 P 04冷凝 LNG 高压泵10104 70330 C 01泡点气压缩机082120 0表 4泄漏场景mm项目范围代表值小孔泄漏0 55中孔泄漏5 5025大孔泄漏50 150100完全破裂1501)设备(设施)完全破裂或泄漏孔径 150;2)全部存量瞬时释放通常情况下，小孔径泄漏的频率较高后果较弱;而大孔泄漏频率较低，一旦发生后果非常严重。若发生大孔泄漏时，工艺参数会出现较大的波动，切断措施关联的系统也往往随之自动响应，短时间内可控制事故后果的继续扩大。结合国内外工程经验及后果计算通用做法，本文采用 25mm 孔径泄漏作为最大可信的事故场景。3 3热辐射计算3 3 1释放源参数和气象条件1)采用 25 mm 作为泄漏孔径，分别计算表 3中设备发生喷射火时的热辐射影响范围，选取后果最严重的计算结果作为确定安全间距的依据。2)气象条件。年平均气温 13 1，年平均相对湿度为 67%，计算选择两种风速及大气稳定度的组合:2/F 和 5/D。3 3 2热辐射破坏准则和计算结果1)基于国际上通行的热辐射破坏准则，选择输出的热辐射值为:1 58，4 7，6 3，12 5，25 和37 5 kW/m2，根据储运工艺专业要求，计算结果输出增加 32 kW/m2热辐射影响范围。2)计算结果。喷射火中心热辐射强度(热通量)与下风向距离的关系如图 2 所示。从图 2 可看出:对于不同设备，中心线热辐射的变化趋势基本一致，即热辐射值自泄漏孔起急剧增加，在达到极值并维持一定距离后缓慢衰减，直至变为 0。图 2(d)0330 C 01 由于设备操作压力较低，仅 0 82 MPa，所以其热辐射影响范围较小，在约 25 m 处降低至 1 58 kW/m2，即长时间暴露无不适感的热辐射水平，故 0330 C 01 喷射2023 年第 2 期(第 40 卷)李少鹏 基于安全分析的 LNG 项目布置优化 39 火热辐射造成的后果最小。图 2喷射火中心热辐射强度(热通量)与下风向距离的关系对比 0330 P 02、0330 P 01 和 0208 P 04 这 3 台设备，不同气象条件下能达到的极值大小相差不大，0208 P 04 在气象条件为 5/D(中等风速，不稳定)时的热辐射极值最高，为 154kW/m2。对比不同气象条件对喷射火热辐射强度的影响，气象条件为 2/F(低风速，稳定)时的热辐射强度极值明显小于 5/D，但是其极值持续的距离明显大于 5/D。从热辐射极值的持续距离来看，0330 P 01明显大于 0330 P 02 和 0208 P 04，从这个角度来说，在通基准(气象条件、泄漏孔径等)下，0330 P 01 的喷射火热辐射影响范围是最大的。通过图2，由于本文需要监测的热辐射强度值为 158、47、63、12 5、25、32 和 37 5 kW/m2，在此范围内，气象条件为 2/F 时的热辐射影响范围总是大于 5/D。因此，从保守的角度看，后续热辐射研究中只需要对比气象条件为2/F 下的计算结果。近地面的喷射火热辐射强度与风向距离的关系如图 3 所示，热辐射强度监测值为 1 58、4 7、6 3、12 5、25、32 和 37 5 kW/m2。图 3近地面喷射火热辐射强度与下风向距离的关系 40 石 油 化 工 设 计2023 年第 2 期(第 40 卷)从图 3 可看出:地面热辐射强度的分布趋势基本一致，即热辐射强度值以喷射火为中心向周围辐射。通过对比分析可以发现，同等热辐射强度的影响范围 0330 P 01 明显大于 0330 P 02 和 0208 P 04。以25 kW/m2为例进行说明，0330 P 01 的影响范围为 81 5 m，0330 P 02和 0208 P 04 影响范围分别为70 和 61 7 m，这与前述分析一致。因此，在同等的泄漏孔径和气象条件下，0330 P 01 的喷射火热辐射影响范围是最大的。根据储运专业提供的条件，将热辐射值 32kW/m2的影响范围作为确定本工程新增储罐与工艺处理设施区安全间距的依据，PHAST 结果该值为 79 m，因此，本工程新增储罐与工艺处理设施区的建议安全间距为 79 m。3 4VCE 超压计算3 4 1计算假设条件由于设计阶段为本项目前期，因此不具备详细的工艺设备及其拟建座落地资料，前期平面布置只能借鉴同类装置的设备操作数据，从保守的角度，假设扩散气云整体位于拥塞空间内。3 4 2泄漏持续时间有效泄漏时间的确定应考虑:1)连通的设备(未用紧急切断阀隔离的设备群组)中的存量;2)可能探测到的时间;3)其他反应措施。逐个核算泄漏场景的有效泄漏时间，其计算取以下 3 者中的最小值:3 600 s;潜在的最大泄漏量与计算泄漏速率的比值;基于探测系统类型及隔离系统防护等级的划分列于表 5。表 5探测和隔离系统的分级指南探测系统类型/隔离系统类型探测系统分级/隔离系统防护等级专门设计的仪器仪表，用来探测系统的运行工况变化所造成的物质损失(即压力损失或流量损失)/直接在工艺仪表或探测器启动，而无需操作者干预的隔离或停机系统A/适当定位探测器，确定物质何时会出现在承压密闭体以外/操作者在控制室或远离泄放点的其他合适位置启动的隔离或停机系统B/外观检查、照相机，或带远距功能的探测器/手动操作阀启动的隔离系统C/结合人机工程学分析和探测与隔离系统的分级，推测出各个孔径下的泄漏时间(见表 6)。表 6基于探测及隔离系统等级的泄漏时间探测系统等级隔离系统等级泄漏孔径(mm)5/25/100对应的泄放时间(min)甲/乙/丙A20/10/5A30/20/10A40/30/20B或40/30/20B60/30/20C，或60/40/20在本文中假设工艺系统具备良好的压力及流量检测手段，操作者在控制室或安全地点启动的隔离或停机系统，探测和隔离系统的分级分别为A 和，因此，由表 6 可看出:对于 25 mm 孔径泄漏，泄漏持续时间为 20 min。3 4 3参与爆炸质量和点火源位置1)本文采用的爆炸量是根据泄漏达到稳定状态时，假设蒸气云尽可能位于拥塞空间内，通过计算化学当量浓度下的气云质量得到。2)从保守的角度，假设点火源的位置位于装置边缘。3 4 4拥塞强度和气象条件1)设备拥塞强度与特定区域产生爆炸超压正相关。拥塞程度通过加剧火焰的传播速度造成较高的超压。根据以往项目经验，假设轻烃回收装置的拥塞程度为 7，轻烃罐区的拥塞程度为 6。2)气象条件。年平均气温 13 1，年平均相对湿度为 67%，计算时选择两种风速及大气稳定度的组合:2/F 和 5/D。3 4 5计算结果经过评估，轻烃回收装置发生蒸气云爆炸VCE 的后果大于轻烃罐区，峰值入射超压及正压作用时间与下风向距离的关系分别如图 4 和图 5所示。管理区中心化验室及环保监测站等人员集中场所距离轻烃回收装置的最近距离为 132 m，峰值入射超压值为 7 8kPa，正压作用时间为 48 ms。2023 年第 2 期(第 40 卷)李少鹏 基于安全分析的 LNG 项目布置优化 41 图 4峰值入射超压与下风向距离的关系图 5正压作用时间与下风向距离的关系4事故断链理论从上述模拟计算可以看出，事故其实是一串危险因素串成的“事故链”，即:初始原因 间接原因 直接原因 质量缺陷 事故发生 防护缺失 造成伤害。这是一个链条，传统、社会环境、人的不安全行为、物的不安全状态、人的失误、事故的伤害;这个链条的各个节点又像一张张多米诺骨牌，一旦第一张倒下，就会导致第二张、第三张直至第五张骨牌倒下，最终导致事故发生。事故为什么会形成一个链条，是因为这些因素之间有一种“诱因耦合”机理的存在。认识事故链，发现事故发生的规律和起因，斩断“事故链”中的任何危险因素，就一定能防止事故的发生，从而坚定“任何事故都是可以预防的”信念。事故预防可以分为事故发生前的预防及事故发生时的防止和减少事故损失的预防。这是一种发现、识别各种危险因素及其危险性并对其进行消除、控制的手段和措施。其目标是采取措施约束、限制危险因素的产生、发展和作用。一般按照以下优先次序进行选择:根除危险因素;限制和减少危险因素;隔离、屏蔽防止危险因素产生连锁作用;采用故障安全措施;减少故障及失误;安全规程;矫正行动。其中各种间距就是有效的预防措施，如:安全间距或者防火间距等。但间距的扩大与经济效益之间有着不可调和的矛盾。依托计算精准设置间距而非一味依靠规范就成了工程设计人员追求本质安全设计的必由之路。5结语针对本工程在前期总平面布置方案中遇到的问题开展安全分析，采用基于后果的分析方法，在危险源辨识的基础上识别最大可信事故场景，开展事故后果计算并依据“事故链”理论，从切断事故链(即:“断链”理论)为前提对现有设计提出优化建议。对比 0330 P 02、0330 P 01、0208 P 04 和 0330 C 01 在同等泄漏孔径及气象条件下发生喷射火时的热辐射计算结果，0330 P 01 的热辐射影响范围最大，因此，以此设备发生 25 mm孔径释放作为最大可信事故场景。结合储运专业提供的热辐射破坏准则值 32 kW/m2，得出本工程新增储罐与工艺处理设施区的建议安全间距为79 m。在缩短间距的同时做到了“断链”，兼顾安全性和经济性，如本工程按此间距布置新增储罐，相比于工程采纳的 90 m 安全间距，可减少用地约8 000 m2，通过节省用地也带来了可观的经济效益和社会效益。目前，轻烃回收装置及轻烃罐区布置在中心化验室及环保监测站、HSE 中心等人员集中场所西侧，通过事故后果计算，其可能受到的峰值入射超压为 7 8 kPa，正压作用时间为 48 ms。根据国际惯常的超压破坏准则，当建筑物受到的超压大于 6 9 kPa 时，建筑物的结构会有一定程度的损坏，建筑物内人员有可能伤亡。因此，在下一阶段工艺及布置资料齐备后，应重新评估轻烃回收装置及轻烃罐区对周边人员集中场所的影响，如超压值仍然较大，建议调整平面布置。或采取可行的预防措施(如设置紧急切断阀等)，降低爆炸事故发生的可能性，同时应采取其他“断链”措施(如对建筑物结构进行加固、更换为安全玻璃等)，降低爆炸事故带来的危害，建设单位应据此制定相应的事故应急响应预案，根据事故大小启动不同级别的预案。and analysis of flue gas flow and combustion heat transferprocess in the hydrogenation reaction feed fired heater of acertain unit，and reveals the characteristics of flue gas flow andcombustion heat transfer process in the hydrogenation reactionfeed fired heater The effects of the opening angles at the top ofthe two fuel gas secondary lances on the flue gas flow，flameshape，furnace temperature field，and furnace tube surfacethermal intensity and thermal efficiency in the fired heater areanalyzed and comparedThe simulation results show that，compared with the 10 structure，the 5 5 structure has higherflame height，the high temperature area of the furnace wallmoves upward，the heat absorption of the furnace tube at thesame position is greater，and the overall thermal efficiency ofthe radiant furnace tube is increased by about 2%Key words:hydrogenation reaction feed fired heater;flue gasflow;flame shape;furnace temperature field;furnace tubesurface thermal intensityINSULATION DESIGN FOR INLET AND OUTLET OFRADIANT COILS IN ETHYLENE CRACKING FURNAC-ES 25Liu Kegang(SINOPEC Engineering Incorporation，Beijing，100101)Abstract:After introducing the importance of inlet and outletinsulation for radiant coils in ethylene cracking furnaces，thisarticle starts from the factors that must be considered during theinsulation design for inlet and outlet of radiant coils，introducesa variety of methods for inlet and outlet insulation from theaspects of material selection，structural design，detail designandconstructionprecautions，summarizesthescopeofapplication，advantages and disadvantages of each type of inletand outlet insulation，and presents the development trend ofinlet and outlet insulation technologies for radiant coilsKey words:cracking furnace;radiant coil;inlet and outletinsulationAPPLICATION OF SPRAYING MATERIALS IN THER-MAL INSULATION DESIGN OF PETROCHEMICALPLANTS 29ChenLu(SINOPECEngineeringIncorporation，Beijing，100101)Abstract:In this paper，the thermal insulation principle，physical property index and application characteristics ofdifferent spraying materials are analyzed It is proposed thatthe composite reflective thermal insulation system should bedesignedandcalculatedusingthethermalinsulationtemperature difference index，and the comprehensive thermalinsulation performance of the materials should be evaluatedusing the analytic hierarchy process(AHP)，providing a wayof thinking for the application of spraying materials in thethermal insulation design of petrochemical plantsKey words:spraying material;petrochemical plant;thermalinsulation designAPPLICATIONOFULTRA-LOWEMISSIONNEWTOWER INTERNALS IN THE TREATMENT OF FLUEGAS FROM FCC UNIT 32Li Xing，Yang Song(CNOOC Zhongjie Petrochemicals Co，Ltd，Huanghua，Hebei，061101)Abstract:A FCC unit had been operated for a long timewithout supporting flue gas treatment facilities The emissionconcentrations of SO2and particles from FCC flue gas farexceeded the requirements of specification，resulting in theshutdown of the FCC unit In order to resume the operation ofthe unit，new tower internals with ultra-low emission wereadopted to ensure that the flue gas is discharged up to thestandard When the pressure drop load of tower internals metthe production requirements，the flue gas emission index wasfar lower than the local environmental protection requirements，and there was no drifting rain or falling rain on the chimneyGood application effect has been achievedKey words:FCC unit;ultra-low emission;flue gas treatment;tower internalsLAYOUT OPTIMIZATION OF LNG PROJECT BASEDON SAFETY ANALYSIS 36Li Shaopeng(SINOPEC Engineering Incorporation，Beijing，100101)Abstract:This paper uses safety analysis methods to solve theproblems encountered in the general layout plan of a LNGprojectAfteradoptingtheconsequencebasedanalysismethod，this paper compares the thermal radiation calculationresults of each process equipment when jet fire occurs underthe same leakage aperture and meteorological conditions，determines the equipment with the largest thermal radiationimpact range，identifiesthemaximumcredibleaccidentscenario on the basis of hazard identification，carries outaccident consequence calculation and proposes optimizationsuggestions for the existing designKey words:layout optimization;chain rupture;accidentscenariosSTUDY ON HYDROCARBON FLARE PIPE NETWORKIN LARGE PETROCHEMICAL PLANTS 42Zhang Jian(SINOPEC Engineering Incorporation，Beijing，100101)ABSTRACTSPETROCHEMICAL DESIGNStarted Publication in 1984 Quarterly 25 25 May 2023 Vol 40 No 2