李云云 李云飛

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司,河北 任丘 062552;2.陜西邦希化工有限公司,陜西 西安 710075

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基于PHA-LEC法的LNG冷能梯級(jí)利用方案風(fēng)險(xiǎn)分析

李云云1李云飛2

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司,河北 任丘 062552;2.陜西邦?；び邢薰?陜西 西安 710075

隨著液化天然氣產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,開(kāi)發(fā)LNG冷能梯級(jí)利用技術(shù)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益,有利于降低LNG使用成本,開(kāi)拓天然氣下游市場(chǎng)。但是目前對(duì)于LNG冷能梯級(jí)利用安全性方面的研究相對(duì)較少。在繼承前人研究成果的基礎(chǔ)上,以三級(jí)梯級(jí)利用為例，設(shè)計(jì)出LNG冷能梯級(jí)利用的18種方案。并以LNG冷能用于液化分離空氣工藝為例,首先采用預(yù)先危險(xiǎn)性分析法對(duì)工藝中涉及設(shè)備的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性分析,然后運(yùn)用作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量計(jì)算與評(píng)價(jià),確定各設(shè)備存在的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),提出合理的防范措施和建議,并根據(jù)設(shè)備危險(xiǎn)性分值,進(jìn)行權(quán)重賦值,通過(guò)給定的工藝危險(xiǎn)性計(jì)算公式,得到工藝危險(xiǎn)性分值。采用相同方法,給出LNG冷能梯級(jí)利用方案危險(xiǎn)性計(jì)算公式,為各方案的安全性分析提供指導(dǎo)。PHA-LEC法為L(zhǎng)NG冷能梯級(jí)利用方案安全性分析提供了一種定性和半定量結(jié)合的模式,為方案的優(yōu)化選擇和防范措施的編制提供了科學(xué)依據(jù)。

LNG;冷能梯級(jí)利用;預(yù)先危險(xiǎn)性分析;作業(yè)條件危險(xiǎn)性分析;權(quán)重

0 前言

LNG作為新型清潔高效的能源,受到世界各國(guó)的青睞,由此也帶來(lái)了LNG工業(yè)的迅速發(fā)展。開(kāi)發(fā)LNG冷能梯級(jí)利用技術(shù)具有巨大經(jīng)濟(jì)效益,有利于降低LNG使用成本,開(kāi)拓天然氣下游市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)對(duì)LNG冷能梯級(jí)利用的研究很多,徐文東等人[1]提出冷能梯級(jí)利用思想,并建立了冷能利用效率模型;葛軼群等人[2]利用的概念,從能量和能質(zhì)匹配的角度,討論LNG冷能的梯級(jí)利用,達(dá)到合理用能;楊紅昌等人[3]給出了高效的梯級(jí)利用方案,并對(duì)其進(jìn)行了效率計(jì)算;尤海英等人[4]根據(jù)能量和溫位匹配,給出了3種典型的梯級(jí)利用方案等。但查閱相關(guān)文獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)對(duì)LNG冷能利用過(guò)程中安全問(wèn)題的研究甚少,僅查閱到焦巍等人[5]進(jìn)行的《LNG冷能利用方案的本質(zhì)安全性評(píng)價(jià)》,焦巍等人將本質(zhì)安全指標(biāo)法應(yīng)用到LNG冷能方案中,對(duì)方案流程中涉及的化學(xué)本質(zhì)安全指標(biāo)和過(guò)程本質(zhì)安全指標(biāo)進(jìn)行細(xì)分,通過(guò)打分法給出其值,確定每一種方案的本質(zhì)安全值,根據(jù)本質(zhì)安全值的大小,判斷是否進(jìn)行工藝改良。但是本質(zhì)安全法在評(píng)價(jià)過(guò)程中數(shù)學(xué)計(jì)算量大,花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng),且結(jié)果比較單一,無(wú)法反映項(xiàng)目本身的復(fù)雜性。因此有必要對(duì)其安全性予以關(guān)注,尋求更適合LNG冷能梯級(jí)利用方案的安全評(píng)價(jià)方法,使系統(tǒng)安全在運(yùn)行時(shí)處于最優(yōu)狀態(tài)。

1 PHA-LEC法簡(jiǎn)介

PHA-LEC法是將系統(tǒng)潛在風(fēng)險(xiǎn)具體到各個(gè)工序中,辨識(shí)出危險(xiǎn)因素,分析發(fā)生事故的原因及后果,再通過(guò)給定影響危險(xiǎn)性的三大因素分值,對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行定量分析,從而得出各工序發(fā)生事故的危險(xiǎn)等級(jí)的一種方法[6]。該方法的實(shí)質(zhì)是將PHA危險(xiǎn)性等級(jí)定量化,從而能夠更有針對(duì)性地提出行之有效的安全防范措施及建議。

本文通過(guò)識(shí)別冷能梯級(jí)利用工藝各種工序中的危險(xiǎn)因素,分析發(fā)生事故的原因以及后果,給出其定性評(píng)價(jià)。然后利用作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法,通過(guò)打分形式對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行定量分析,從而得出方案中各個(gè)危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)等級(jí)。最后,結(jié)合各個(gè)危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)等級(jí),對(duì)其進(jìn)行權(quán)重賦值,計(jì)算工藝的危險(xiǎn)等級(jí)。

利用同樣方法,對(duì)冷能梯級(jí)利用方案中各工藝進(jìn)行權(quán)重賦值,評(píng)價(jià)各個(gè)冷能梯級(jí)利用方案的危險(xiǎn)等級(jí)。

2 LNG冷能梯級(jí)利用方案風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 LNG冷能梯級(jí)利用方案

LNG冷能應(yīng)用于任何領(lǐng)域,其基本一環(huán)都是在溫差作用下實(shí)現(xiàn)冷量的傳遞,LNG冷能利用主要根據(jù)各個(gè)冷能利用工藝的溫位和能量匹配,對(duì)LNG的冷能利用工藝進(jìn)行初步的梯級(jí)利用排序。本文僅以三級(jí)梯級(jí)利用為例,設(shè)計(jì)出LNG冷能梯級(jí)利用方案共18種,方案匯總見(jiàn)表1。

2.2 工藝潛在風(fēng)險(xiǎn)分析

對(duì)LNG冷能梯級(jí)利用方案進(jìn)行危險(xiǎn)性分析的目的一方面是確定每一種工藝中相關(guān)設(shè)備元件的危險(xiǎn)性;另一方面可為后續(xù)整體工藝危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)做準(zhǔn)備。本評(píng)價(jià)擬利用預(yù)先危險(xiǎn)性分析法對(duì)工藝中危險(xiǎn)因素的危險(xiǎn)性做定性分析,確定其危險(xiǎn)等級(jí)[7],在此基礎(chǔ)上,利用作業(yè)條件危險(xiǎn)性分析法給出設(shè)備的危險(xiǎn)性分值,對(duì)各種設(shè)備利用均數(shù)法進(jìn)行權(quán)重賦值,對(duì)各種工藝的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。單個(gè)工藝危險(xiǎn)性計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。

權(quán)重(λ)是指在評(píng)價(jià)過(guò)程中,對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象不同側(cè)面的重要程度的定量分配,對(duì)各評(píng)價(jià)因子在總體評(píng)價(jià)中的作用進(jìn)行區(qū)別對(duì)待。本次采用算術(shù)均數(shù)組合賦權(quán)法對(duì)工藝中各種危險(xiǎn)元素進(jìn)行權(quán)重賦值。權(quán)重計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

(1)

(2)

式中:Fi為工藝i的危險(xiǎn)性,i=1,2,…8;fij為工藝i中某個(gè)危險(xiǎn)因素j的危險(xiǎn)性,j=1,2,…n;n為某一工藝中涉及危險(xiǎn)源數(shù)目;λij為某一工藝中某一危險(xiǎn)源的權(quán)重;mj為某一工藝中危險(xiǎn)源j的個(gè)數(shù)。

表1 LNG冷能梯級(jí)利用方案匯總

第一級(jí)第二級(jí)第三級(jí)冷能發(fā)電低溫粉碎和破碎廢棄物制取液化CO2及干冰油田伴生氣凝液回收冷凍倉(cāng)庫(kù)海水淡化冷凍倉(cāng)庫(kù)海水淡化冷凍倉(cāng)庫(kù)海水淡化輕烴回收低溫粉碎和破碎廢棄物制取液化CO2及干冰油田伴生氣凝液回收冷凍倉(cāng)庫(kù)海水淡化冷凍倉(cāng)庫(kù)海水淡化冷凍倉(cāng)庫(kù)海水淡化液化分離空氣低溫粉碎和破碎廢棄物制取液化CO2及干冰油田伴生氣凝液回收冷凍倉(cāng)庫(kù)海水淡化冷凍倉(cāng)庫(kù)海水淡化冷凍倉(cāng)庫(kù)海水淡化

本文以LNG冷能用于液化分離空氣工藝為例,闡述PHA-LEC方法的使用。通過(guò)識(shí)別工藝中可能存在的危險(xiǎn)因素、事故的觸發(fā)條件,對(duì)各危險(xiǎn)因素的危險(xiǎn)性進(jìn)行打分,見(jiàn)表2。

由表2[8-19]可見(jiàn),在液化分離空氣工藝中,立式儲(chǔ)罐的危險(xiǎn)性等級(jí)為極其危險(xiǎn);空氣壓縮機(jī)、壓縮機(jī)、板式換熱器的危險(xiǎn)性等級(jí)為高度危險(xiǎn);加熱器、空氣凈化器的危險(xiǎn)性等級(jí)為顯著危險(xiǎn);空氣過(guò)濾器、分餾塔的危險(xiǎn)性等級(jí)為稍有危險(xiǎn)。根據(jù)其危險(xiǎn)性數(shù)值,進(jìn)行權(quán)重賦值,利用式(1)對(duì)該工藝危險(xiǎn)性計(jì)算如下:

F=18×0.035+252×0.15×2+150×0.09+

126×0.07+180×0.1+3×0.005+

540×0.4=332.565

利用同種方法,給出其他工藝的危險(xiǎn)性分值,見(jiàn)表3。

由此,得到各種LNG冷能利用工藝的危險(xiǎn)性排序?yàn)?冷凍倉(cāng)庫(kù)與空調(diào)系統(tǒng)>液化分離空氣>冷能發(fā)電>油田伴生氣凝液回收>制取液化CO2及干冰>海水淡化>輕烴回收>廢舊橡膠低溫粉碎。

表2 LNG用于液化分離空氣工藝的PHA-LEC分析

設(shè)備危險(xiǎn)因素觸發(fā)條件事故后果分?jǐn)?shù)值LECD值危險(xiǎn)等級(jí)權(quán)重(λ)安全防范措施及建議空氣過(guò)濾器外殼發(fā)生變化空氣過(guò)濾器所承受的壓力大于自身所能承受的壓力;過(guò)濾器濾芯堵塞過(guò)濾芯故障過(guò)濾器膨脹或壓扁財(cái)產(chǎn)損失36118稍有危險(xiǎn)0.035選擇適宜類(lèi)型的過(guò)濾器;做好濾芯的檢測(cè)工作更換優(yōu)質(zhì)的過(guò)濾器空氣壓縮機(jī)軸承溫度高油壓高,進(jìn)油量少;潤(rùn)滑油進(jìn)油溫度高;潤(rùn)滑油質(zhì)量不好;軸承合金磨損振動(dòng)值增大機(jī)組對(duì)中破壞;轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡破壞;軸承間隙過(guò)大;轉(zhuǎn)子連接件松動(dòng);地腳螺栓松動(dòng);操作不平穩(wěn),造成氣體脈動(dòng);聯(lián)軸器磨損;葉輪破損;空氣中含水量過(guò)高;葉片結(jié)垢嚴(yán)重;管線附加應(yīng)力作用;齒輪磨損嚴(yán)重出口風(fēng)量降低密封間隙過(guò)大;靜密封點(diǎn)泄漏;進(jìn)氣管道上的氣體除塵器堵塞;風(fēng)溫過(guò)高;入口過(guò)濾網(wǎng)堵塞出口風(fēng)溫高冷卻水量不足;冷卻管破裂或松動(dòng);冷卻管內(nèi)、外表面積垢異常聲響回轉(zhuǎn)體與殼體摩擦;機(jī)械破損;齒輪嚙合不好;振動(dòng)過(guò)大;氣體脈動(dòng),渦流;壓縮機(jī)喘振軸承漏油油封、油擋間隙大;齒輪箱內(nèi)壓力增大財(cái)產(chǎn)損失,人員傷亡667252高度危險(xiǎn)0.15調(diào)節(jié)油壓,檢查入口管節(jié)流閥是否阻塞;檢查油泵是否損壞;調(diào)整或更換潤(rùn)滑油;調(diào)節(jié)油冷卻器的冷卻水量或水溫,清洗油冷器;更換軸承重新對(duì)中找正;重新校正動(dòng)平衡;調(diào)整軸承間隙;把緊連接件;把緊螺栓;穩(wěn)定操作到正常工況;更換聯(lián)軸器;更換轉(zhuǎn)子組件;檢查級(jí)間冷卻器及干燥器的排水管;消除葉輪灰塵積垢;更換轉(zhuǎn)子;在適當(dāng)位置安裝管座或膨脹節(jié)調(diào)整密封間隙;查出泄漏點(diǎn)并處理;清掃氣體除塵器;更換過(guò)濾網(wǎng);加大冷卻水流量,降低風(fēng)溫加大冷卻水量;堵塞裂管或緊松管;清洗管束找出摩擦部位進(jìn)行處理,必要時(shí)停機(jī)調(diào)整間隙;更換破損件;穩(wěn)定操作工況;重新調(diào)整中心距、嚙合間隙及齒面接觸;檢查入口過(guò)濾系統(tǒng)、級(jí)間冷卻器、操作控制系統(tǒng)調(diào)整間隙為規(guī)定值;檢查排煙風(fēng)機(jī)、管道及潤(rùn)滑油箱加熱器加熱溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求接點(diǎn)電阻過(guò)大;儀表失準(zhǔn);電熱元件老化或損壞電加熱器漏氣殼體有裂紋;密封不好漏電接地不良;接地不正確;絕緣不良或損壞加熱器跳閘負(fù)荷電纜或控制電纜接地;控制元器件故障加熱器無(wú)法起動(dòng)溫度接點(diǎn)、開(kāi)關(guān)接觸不良;控制電路的有關(guān)元器件出現(xiàn)故障財(cái)產(chǎn)損失,人員傷亡11015150顯著危險(xiǎn)0.09處理或更換接點(diǎn);調(diào)?；蚋鼡Q儀表;更換電熱元件管補(bǔ)焊或更換;旋緊端蓋螺母或更換密封墊重新接地;正確接線;絕緣處理消除電纜接地故障;更換故障的油罐元器件更換開(kāi)關(guān);檢查、更換出故障的油罐元器件空氣凈化器不產(chǎn)生負(fù)離子部件損壞輸出的負(fù)離子濃度低電極上可能會(huì)積滿塵垢或嚴(yán)重氧化;電極片彎曲變形能產(chǎn)生負(fù)離子,循環(huán)風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)空氣凈化器進(jìn)風(fēng)口無(wú)吸風(fēng)現(xiàn)象,污濁空氣無(wú)法清潔過(guò)濾極間打火正、負(fù)極片間有塵垢;電極距離太近噪聲大扇葉碰壁,固定螺釘松動(dòng),風(fēng)葉不平衡,風(fēng)機(jī)軸有掃堂現(xiàn)象;風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)快財(cái)產(chǎn)損失367126顯著危險(xiǎn)0.07更換及時(shí)清理灰垢和氧化物;用鑷子對(duì)彎曲的極片進(jìn)行調(diào)整,使正、負(fù)極極片間距均勻檢查其接線是否良好,如果電機(jī)損壞,則應(yīng)用同規(guī)格的電機(jī)更換及時(shí)清理灰垢和氧化物;用鑷子對(duì)彎曲的極片進(jìn)行調(diào)整,使正、負(fù)極極片間距均勻檢查扇葉是否碰壁,固定螺釘是否松動(dòng),觀察風(fēng)葉是否平衡,風(fēng)機(jī)軸是否有掃堂現(xiàn)象,并排除;在電源與風(fēng)機(jī)間串接電容降壓

表3 LNG冷能梯級(jí)利用工藝危險(xiǎn)性分值表

LNG冷能梯級(jí)利用工藝危險(xiǎn)性分值冷能發(fā)電174輕烴回收153.86油田伴生氣凝液回收173.4液化分離空氣183制取液化CO2及干冰170.07冷凍倉(cāng)庫(kù)與空調(diào)系統(tǒng)262.8廢舊橡膠低溫粉碎152.28海水淡化156.87

2.3 方案潛在危險(xiǎn)分析

根據(jù)上面的工藝危險(xiǎn)性等級(jí),結(jié)合冷能梯級(jí)利用方案,對(duì)方案中每種工藝按照均數(shù)法進(jìn)行權(quán)重賦值[20],得到每種方案的危險(xiǎn)性計(jì)算公式:

Fi=∑fjλij

(3)

其中:

(4)

式中:Fi為方案i的危險(xiǎn)性,i=1,2,…18;fij為方案i中涉及的工藝j的危險(xiǎn)性;j為工藝代碼,j=1,2,…8;λij為方案i中j工藝的權(quán)重。

同法,利用式(3)、(4)得到LNG冷能梯級(jí)利用方案的危險(xiǎn)性分值表4。

由此,得到各個(gè)冷能梯級(jí)利用方案的危險(xiǎn)性排序?yàn)?

P 11>P 1>P 7>P 9>P 5>P 12>P 6>P 2>P 4>P 3>P 13>P 18>P 10>P 14>P 15>P 8>P 17>P 16

2.4 討論

由上面的計(jì)算可得,在8種冷能梯級(jí)利用工藝中,LNG用于廢舊橡膠低溫粉碎工藝較其他工藝而言危險(xiǎn)性較低,屬于顯著危險(xiǎn)[21];用于冷凍倉(cāng)庫(kù)與空調(diào)系統(tǒng)工藝危險(xiǎn)性最高,屬于高度危險(xiǎn)[22]。

在18種冷能梯級(jí)利用方案中,風(fēng)險(xiǎn)最小的方案是第一梯級(jí)用于輕烴回收,第二梯級(jí)用于低溫粉碎,第三梯級(jí)用于海水淡化。風(fēng)險(xiǎn)最大的方案是第一梯級(jí)用于冷能發(fā)電,第二梯級(jí)用于低溫粉碎,第三梯級(jí)用于冷凍倉(cāng)庫(kù)與空調(diào)系統(tǒng)。原因在于在這種梯級(jí)利用方案中,對(duì)于用于冷凍倉(cāng)庫(kù)和空調(diào)系統(tǒng)和用于冷能發(fā)電工藝的危險(xiǎn)性特別高,因此,進(jìn)行權(quán)重賦值時(shí),占的比重也相對(duì)較大,使得總體方案的危險(xiǎn)性增高。

表4 LNG冷能梯級(jí)利用方案危險(xiǎn)性分值表

方案序號(hào)方案P權(quán)重第一梯級(jí)第二梯級(jí)第三梯級(jí)第一梯級(jí)第二梯級(jí)第三梯級(jí)危險(xiǎn)性分值危險(xiǎn)程度P1液化分離空氣制取液化CO2及干冰冷凍倉(cāng)庫(kù)0.30.250.45215.67高度危險(xiǎn)P2液化分離空氣制取液化CO2及干冰油田伴生氣凝液回收0.40.250.35176.40高度危險(xiǎn)P3液化分離空氣低溫粉碎冷凍倉(cāng)庫(kù)0.3540.20.446172.57高度危險(xiǎn)P4液化分離空氣低溫粉碎油田伴生氣凝液回收0.4550.210.335173.33高度危險(xiǎn)P5輕烴回收制取液化CO2及干冰冷凍倉(cāng)庫(kù)0.250.30.45207.74高度危險(xiǎn)P6輕烴回收制取液化CO2及干冰油田伴生氣凝液回收0.340.370.39182.86高度危險(xiǎn)P7輕烴回收低溫粉碎冷凍倉(cāng)庫(kù)0.240.210.55213.44高度危險(xiǎn)P8輕烴回收低溫粉碎油田伴生氣凝液回收0.30.240.46162.47高度危險(xiǎn)P9冷能發(fā)電制取液化CO2及干冰冷凍倉(cāng)庫(kù)0.380.190.43211.43高度危險(xiǎn)P10冷能發(fā)電制取液化CO2及干冰油田伴生氣凝液回收0.460.210.33167.77高度危險(xiǎn)P11冷能發(fā)電低溫粉碎冷凍倉(cāng)庫(kù)0.390.260.45225.71高度危險(xiǎn)P12冷能發(fā)電低溫粉碎油田伴生氣凝液回收0.440.290.37184.87高度危險(xiǎn)P13液化分離空氣制取液化CO2及干冰海水淡化0.420.320.26172.06高度危險(xiǎn)P14液化分離空氣低溫粉碎海水淡化0.450.280.27167.34高度危險(xiǎn)P15冷能發(fā)電低溫粉碎海水淡化0.430.290.28162.90高度危險(xiǎn)P16輕烴回收低溫粉碎海水淡化0.330.310.36160.45顯著危險(xiǎn)P17輕烴回收制取液化CO2及干冰海水淡化0.30.380.32160.98高度危險(xiǎn)P18冷能發(fā)電制取液化CO2及干冰海水淡化0.390.370.24168.43高度危險(xiǎn)

3 結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用PHA-LEC法分別對(duì)18種LNG冷能梯級(jí)利用方案進(jìn)行評(píng)價(jià),可得出以下結(jié)論：

1)LNG冷能梯級(jí)利用方案中存在的主要危害有易燃、易爆、高壓、易故障等,幾乎所有方案的危險(xiǎn)性值均在160以上,危險(xiǎn)性為高度危險(xiǎn),說(shuō)明LNG冷能梯級(jí)利用過(guò)程的安全性較低,需針對(duì)主要危害進(jìn)行改良。

2)方案P 16(輕烴回收→低溫粉碎→海水淡化)與其他方案比較,危險(xiǎn)性較低,表明方案P 16的安全性最高,主要原因是單個(gè)工藝危險(xiǎn)性相對(duì)均較低,在進(jìn)行方案選擇時(shí),可優(yōu)先選取。

3)方案P 11(冷能發(fā)電→低溫粉碎→冷凍倉(cāng)庫(kù)與空調(diào)系統(tǒng))與其他方案相比,危險(xiǎn)性最高,需慎重選取。主要原因是方案中冷能用于冷凍倉(cāng)庫(kù)和發(fā)電的危險(xiǎn)性均高,使得整體危險(xiǎn)性數(shù)值大。

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2016-04-14

中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目(2012 D-5006-0602)

李云云(1989-)，女，陜西渭南人，碩士，主要從事給排水與消防的研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.009