王薇* 楊郁生 宋淑云 劉冰

（1.中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院；2.中國石油新疆油田公司客運公司）

天然氣壓氣站場風險計算與措施分析

王薇*1楊郁生2宋淑云1劉冰1

（1.中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院；2.中國石油新疆油田公司客運公司）

分析了某天然氣長輸管道工程的壓氣站可能存在的風險，采用TNT當量系數(shù)法對壓氣站內(nèi)泄漏天然氣可能產(chǎn)生的災害進行了評估，預測其對周圍敏感目標可能產(chǎn)生的影響，并對站場進行火災、爆炸危險性評價，結(jié)果表明：在采取各種安全措施補償后，壓氣站及壓縮機組的火災、爆炸危險指數(shù)均降低，危險程度均降至“較輕”。針對天然氣壓氣站場工程可能產(chǎn)生的環(huán)境風險，制定了切實可行的具體的事故防范和應急措施。

天然氣壓氣站；環(huán)境風險；TNT當量系數(shù)法；超壓；火災；爆炸；防范；應急

環(huán)境風險評價是可能發(fā)生事故危險的建設項目環(huán)境影響評價中重要而不可缺少的組成部分。發(fā)生這種災難事故的概率雖然很小，但影響程度是巨大的，而如何定量計算事故危險性的大小是環(huán)境風險評價的關(guān)鍵。

由于石油天然氣建設項目所涉及物料都屬于易燃、易爆或有毒的危險化學品，因而要對具有發(fā)生潛在事故風險的建設項目進行環(huán)境風險預測，預測其發(fā)生潛在風險事故的可能性及其影響后果。在環(huán)境風險評價中對可能發(fā)生的災害進行定量計算，采取有效的環(huán)境風險防范對策非常必要。本文以某天然氣壓氣站為實例，對其可能存在的風險進行定量計算與分析［1-7］。

1 壓氣站概況

某天然氣長輸管道工程的壓氣站輸量為18.92t/min，壓氣站站內(nèi)天然氣量約為5×104m3。主要工藝：接收上游來氣經(jīng)分離、增壓后輸送至下游；上站來氣越站；燃氣輪機的燃料用氣供給；干燥壓縮空氣供給；事故狀態(tài)及維修時的天然氣放空和排污；天然氣出站冷卻及分輸?shù)取?/p>

主要設備有燃氣輪機驅(qū)動壓縮機組、工藝后空冷器、空氣壓縮系統(tǒng)、燃氣輪機的燃料用氣橇、旋風分離器、過濾分離器等。

2 風險分析

天然氣主要由甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、其他烴類組成。天然氣的爆炸極限較寬，爆炸下限較低，泄漏到空氣中能形成爆炸性混合物，遇明火、高熱極易燃燒、爆炸。天然氣儲存和輸送的部分設備屬于壓力容器，在儲運過程中，若遇高熱，容器內(nèi)壓增大，有開裂和爆炸的危險。

天然氣在輸氣管道里與空氣混合發(fā)生爆炸時，會出現(xiàn)迅速著火爆燃現(xiàn)象，火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⒊^音速，達到1 000～4 000m/s。該爆炸現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于著火介質(zhì)中有沖擊波產(chǎn)生，并迅速運動，致使介質(zhì)溫度、壓力和密度急劇增大，破壞力增強。

引發(fā)站場事故的主要危險和有害因素表現(xiàn)為：站內(nèi)管道破裂、站場設備故障和設備泄漏及次生火災爆炸事故。

3 壓氣站內(nèi)泄漏天然氣災害評估

3.1 TNT當量系數(shù)法

泄漏物擴散到廣闊的區(qū)域，形成彌漫相當大空間的云狀可燃性氣體混合物，經(jīng)過一段延滯時間后，可燃蒸氣云被點燃，由于存在某些特殊原因和條件，火焰迅速傳播，躍升為蒸氣云爆炸，產(chǎn)生爆炸沖擊波。

式中：WTNT——TNT當量，kg；Wf——云團中燃料的質(zhì)量，kg；Hf——燃料的燃燒熱，MJ/kg；HTNT——TNT的爆熱，MJ/kg（一般為4.65MJ/kg）；ae——TNT當量系數(shù)[U.K.HSE（1986）推薦，ae=0.03]。

將實際距離轉(zhuǎn)化為無因次距離：

3.2 超壓影響范圍及程度

爆炸超壓對構(gòu)筑物破壞和人員傷害的影響見表1。

表1 爆炸超壓對構(gòu)筑物破壞和人員傷害的影響

用模型計算由于站場天然氣泄漏導致的蒸氣云爆炸。甲烷的燃燒熱為55.0MJ/kg，壓氣站的輸量為18.92t/min。分別計算泄漏時間為10min及泄漏時間為20min的情況，結(jié)果見表2。

表2 不同泄漏時間的超壓

由表2可以看出，當站場發(fā)生10min天然氣泄漏時，會造成距離站場100m內(nèi)的人員大部分死亡，房屋倒塌；距離站場200m內(nèi)的人員部分傷亡，建筑物破壞；在1km處基本無影響。發(fā)生20min天然氣泄漏時，會造成距離站場1km內(nèi)門窗玻璃部分破碎；在1 200m處基本無影響。

當壓氣站內(nèi)高壓容器等破裂時，整個系統(tǒng)的壓力下降，安全閥將自動關(guān)閉，以切斷上游來氣和阻止下游氣回流。

3.3 事故對站場周圍可能造成的影響

據(jù)調(diào)查，距離該站場最近的村莊約為500m，若該壓氣站發(fā)生泄漏事故，將直接影響近距離村莊居民的生命財產(chǎn)安全。但發(fā)生火災爆炸時，在場站圍墻的阻擋作用下，形成水平噴射或可爆炸云團的距離將比估算距離小，因此其實際危險將減??；場站內(nèi)有嚴格的火種控制措施，無火種來源時，容器破裂后天然氣燃燒或爆炸的可能性較?。徽緢鰞?nèi)工作人員一旦發(fā)現(xiàn)破裂泄漏事故發(fā)生，可立即關(guān)閉相應控制室，使天然氣釋放量減至最少，同時排除故障；若事故不能立即控制，則通知上游站場關(guān)閉來氣閥門。采取這些措施后，發(fā)生火災爆炸的可能性將減少到最低程度。

盡管如此，由于環(huán)境風險具有突發(fā)性和破壞性（有時甚至為災難性）的特點，所以仍必須采取各類措施加以防范，切實加強控制和管理，這是杜絕、減輕和避免環(huán)境風險的最有效辦法。

4 站場火災、爆炸危險性評價

4.1 站場

采用道化學公司（DOW）火災、爆炸危險指數(shù)評價法（第七版）對工程站場火災、爆炸危險性進行評價。評價結(jié)果見表3。

表3 火災、爆炸危險指數(shù)(F&EI)計算

由表3可以看出，該壓氣站的固有的火災、爆炸危險指數(shù)（F&EI）為126，危險等級為“中等”，主要是因為工藝物料危險性較大和操作壓力很高，且燃驅(qū)壓縮機組帶有明火設備而造成的。在采取各種安全措施補償后，火災、爆炸危險指數(shù)下降至88，為“較輕”。通過評價表明，本工程的火災、爆炸危險性在可接受的范疇內(nèi)。

4.2 壓縮機組

壓氣站內(nèi)危險指數(shù)最低，即危險程度最高的設備單元是壓縮機組，其主要危險是天然氣泄漏而引發(fā)的火災爆炸事故。采用DOW法對其進行定量分析。壓縮機組火災爆炸危險指數(shù)評價結(jié)果見表4。

表4 壓縮機組火災爆炸危險指數(shù)評價結(jié)果

由表4可以看出，壓縮機組的初期火災爆炸指數(shù)大于158，危險程度屬“非常大”，主要是由于操作壓力較高、介質(zhì)物質(zhì)系數(shù)較大；經(jīng)過采取安全補償措施后，壓縮機組火災爆炸降至96以下，即危險程度降至“較輕”的范疇。

5 事故防范和應急措施

針對工程的環(huán)境風險因素和可能產(chǎn)生的環(huán)境風險，制定了相應的安全對策與防范措施補充。

5.1 事故防范措施

一是，在站控系統(tǒng)中，設置相對獨立的緊急停車（ESD）系統(tǒng)。在站內(nèi)發(fā)生緊急情況或重大事故的情況下，立即關(guān)斷進站處的緊急截斷閥，同時關(guān)斷去用戶的電動球閥，放空站場內(nèi)的氣體；二是，工藝裝置區(qū)各管段和進、出站的管道上均設有手動放空。在設備進行維護和檢修時，放空系統(tǒng)可將管段內(nèi)天然氣放空。天然氣分別經(jīng)放空總管至放空立管集中放空。站場余氣放空量較小，放空時間短，直接進行排放；三是，處于爆炸危險性場所的電動儀表及電氣設備一般按隔爆型設計，電氣設備和電氣連接一般按爆炸危險性區(qū)域1區(qū)選型設計。所選用的電氣設備必須具有公認的權(quán)威機構(gòu)頒發(fā)的符合有關(guān)標準的防爆合格證書；四是，采用不間斷電源系統(tǒng)（UPS），為SCADA系統(tǒng)、站控系統(tǒng)及檢測儀表和控制系統(tǒng)供電；五是，在站控制室配置火災檢測與自動報警系統(tǒng)，站場配備便攜式可燃氣體檢測報警器。針對站場內(nèi)可能發(fā)生火災的各類場所，分別設置一定數(shù)量不同類型、不同規(guī)格的移動式滅火設備，以便及時撲滅初期零星火災，并配置一定數(shù)量的便攜式滅火器材，以便撲救初期火災；六是，在站場的值班控制室等處，設置對外聯(lián)系的通信設施及火災優(yōu)先選擇電話，火災發(fā)生時可直接對當?shù)氐南绤f(xié)作單位進行聯(lián)系；七是，在站場圍墻上設置逃生小門。

5.2 事故應急措施

5.2.1 綜合應急措施

根據(jù)事故應急預案，發(fā)生事故時的應急措施主

要有：一是，發(fā)生事故后，先搶救傷員，同時采取防止事故蔓延或擴大的措施。險情嚴重時，必須組織搶險隊和救護隊；二是，防止第二次災害事故發(fā)生，采取措施防止殘留危險化學物品的燃燒和爆炸；防止可燃氣體的繼續(xù)泄漏；防止懸吊物墜落和垮塌等；三是，建立警戒區(qū)，撤離無關(guān)人員，禁止非搶救人員入內(nèi)，對有毒物品、可燃氣體泄漏的場所，采取防毒措施，切斷電源、火種和斷絕交通。

5.2.2 具體應急措施

管道發(fā)生爆炸、泄漏事故，發(fā)生堵塞事故和通訊系統(tǒng)事故應當采取如下應急措施：

5.2.2.1 管道爆裂、天然氣大量泄漏的處理

一是根據(jù)程序控制切斷管段上、下游的截斷閥，放空破裂管段天然氣，同時組織人力對天然氣擴散危險區(qū)進行警戒，嚴格控制一切可燃物和可能存在的火源，避免發(fā)生著火爆炸和蔓延擴大；二是立即將事故報告上級主管領(lǐng)導、生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，通知當?shù)毓病⑾赖炔块T；三是組織搶修隊伍迅速奔赴現(xiàn)場，在現(xiàn)場領(lǐng)導小組的統(tǒng)一組織指揮下，按照制定的搶修方案和安全技術(shù)措施，周密組織，分工負責，在確保安全的前提下進行搶修；四是當暫時不能恢復和維持正常輸氣生產(chǎn)時，應通知各用戶。在停輸后應利用管道內(nèi)尚余的氣量，針對不同用戶的生產(chǎn)、生活特點，分情況進行限額配給，努力減少事故的間接損失。

5.2.2.2 管道堵塞的處理

輸氣管道發(fā)生堵塞會引起管道憋壓，引發(fā)事故，或輸氣不暢，影響生產(chǎn)等。應根據(jù)運行情況判斷堵塞點的位置、分析堵塞原因，分別采取相應措施。當輸氣管道內(nèi)形成水合物堵塞，可采取以下措施：一是堵塞段放噴降壓；二是當管道發(fā)生嚴重堵塞時，應立即通知上游的分輸站停輸，下游用戶要做好減少用氣的準備。

5.2.2.3 通訊系統(tǒng)事故的處理

當站間通訊中斷或與控制中心的聯(lián)絡中斷時，可以不影響供氣。此時，現(xiàn)場操作人員要提高警惕、謹慎操作，密切注意運行參數(shù)的變化，及時調(diào)整，判斷輸氣系統(tǒng)的工作是否正常。輸氣正常時，可按通訊中斷前的參數(shù)繼續(xù)運行，并安排維修人員立即對通訊系統(tǒng)進行檢查維修。此外，應根據(jù)工程特點，編制事故應急預案。在制訂應急預案時，應加強對站場周圍村莊的保護，明確事故狀態(tài)下的聯(lián)系方式、各級聯(lián)系人員，保障通訊暢通，及事故狀態(tài)下能迅速疏散，搶救工作及時到位。

6 結(jié)論

天然氣壓氣站場工程輸送介質(zhì)易燃、易爆，站場工藝、設備和管道存在一定危險、有害因素，在環(huán)境方面不可避免地存在一定的風險，火災與爆炸是生產(chǎn)中的主要危險。

通過定量計算和災害評估，壓氣站危險等級為“中等”，在采取各種安全措施補償后，危險等級為“較輕”。壓縮機組危險程度屬“非常大”，經(jīng)過采取安全補償措施后，危險程度降至“較輕”的范疇。表明本工程的火災、爆炸危險性在可接受的范疇內(nèi)?？赏ㄟ^采取相應安全對策、措施，將壓氣站發(fā)生泄漏事故的可能性減少到最低程度。

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The possible risks of the gas compression station in the gas transmission pipeline were analyzed. The possible hazards caused by the gas leakage were assessed and the possible effects on the sensitive objects near the station were forecasted by means of TNT equivalence coefficient method. The fire and explosion hazards to the station were also assessed. The results showed that the fire and explosion hazard indexes of the gas compression station and the compressor set were reduced，the hazard level dropped down to“l(fā)ower”，after the implementation of the safe precautions. In the light of the possible environmental risk of the gas compression station project，the feasible and specific prevention and emergency measures were put forward.

Risk Calculation and Corresponding Measures of the Gas Compression Station

Wang Wei，et al.

TE88，TE832

A

1004-2970（2011）04-0034-04

王薇等. 天然氣壓氣站場風險計算與措施分析. 石油規(guī)劃設計，2011，22（4）：34～37

* 王薇，女，工程師。1997年畢業(yè)于西安石油大學化學工程專業(yè)，獲工學學士學位；2004年畢業(yè)于北京理工大學環(huán)境工程專業(yè)，獲工學碩士學位?，F(xiàn)在中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院，主要從事期刊編輯工作。地址：北京市海淀區(qū)志新西路8號HSE信息中心，100083。E-mail：wei.wang@petrochina.com.cn

2011-02-22

谷風樺