白永強(qiáng)研究員 呂良海研究員

(1.北京市科學(xué)技術(shù)研究院城市安全與環(huán)境科學(xué)研究所 安全生產(chǎn)技術(shù)中心，北京 100054；2.城市有毒有害易燃易爆危險(xiǎn)源控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100054)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境治理要求的提高，我國(guó)對(duì)清潔能源的需求量越來(lái)越大，新能源的開發(fā)和利用成為一個(gè)十分迫切的問題。在此背景下，沼氣資源作為一項(xiàng)極具應(yīng)用前景的新能源，其開發(fā)利用是解決能源緊張形勢(shì)下農(nóng)村能源供應(yīng)問題的有效措施，其發(fā)展日益受到國(guó)家重視。合理開發(fā)和利用農(nóng)村生物質(zhì)資源，發(fā)展沼氣產(chǎn)業(yè)能夠大大緩解我國(guó)能源供應(yīng)缺口，有效減少環(huán)境污染，這也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容之一。然而由于目前農(nóng)村沼氣工程的建設(shè)、運(yùn)行和管理不當(dāng)?shù)纫蛩兀瑢?dǎo)致沼氣利用過程中存在大量隱患，給農(nóng)村安全造成了不可忽視的影響。

沼氣是一種具有易燃易爆特性的混合氣體，其主要成分是CH，含量一般為50%～70%，此外還有CO和少量的N、H和HS等。CH是一種火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲類的易燃易爆氣體，與空氣混合達(dá)到爆炸極限后，遇熱源或明火會(huì)發(fā)生爆炸。近年來(lái)，隨著沼氣工程的快速發(fā)展，在沼氣生產(chǎn)、運(yùn)行過程中引發(fā)的火災(zāi)爆炸事故時(shí)有發(fā)生，造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。2009年印度埃爾納古勒縣一處大型沼氣站在試車過程中發(fā)生爆炸事故，造成4死3傷。2011年北京某養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程項(xiàng)目已經(jīng)建成并投入試運(yùn)行，在試運(yùn)行的過程中沼氣壓縮機(jī)間發(fā)生可燃?xì)庑孤┍紓耸录?015年湖北省鄂州市鄂城區(qū)路口收費(fèi)站旁一沼氣罐施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生燃爆事故，造成2人受傷。因此建立沼氣站火災(zāi)爆炸定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制，對(duì)預(yù)防沼氣工程火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生具有重大意義。

1 沼氣工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

1.1 定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法有很多，根據(jù)評(píng)估結(jié)果可將現(xiàn)有的方法分為定性、定量和半定量方法。定性評(píng)估方法不對(duì)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果進(jìn)行量化處理，只做定性比較，使用系統(tǒng)工程方法，將系統(tǒng)進(jìn)行分解，依靠人的觀察分析能力，借助有關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)和判斷能力進(jìn)行評(píng)估，如頭腦風(fēng)暴法、風(fēng)險(xiǎn)矩陣等。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(Quantitative Risk Assessment，QRA)，將風(fēng)險(xiǎn)可能性和后果進(jìn)行量化后給出風(fēng)險(xiǎn)大小，根據(jù)歷史事故統(tǒng)計(jì)分析、火災(zāi)爆炸分析模型等，建立數(shù)學(xué)分析模型計(jì)算精確的失效概率和事故后果分析方法，精確描述風(fēng)險(xiǎn)，如概率評(píng)估法、數(shù)學(xué)模型計(jì)算評(píng)估等。半定量方法是介于定性和定量之間的評(píng)估方法。由于沼氣站發(fā)生火災(zāi)爆炸事故極有可能造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此計(jì)算沼氣站固有風(fēng)險(xiǎn)采用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法(QRA)比較合適。

QRA方法應(yīng)用于事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的具體步驟，如圖1。評(píng)估步驟主要包括事故概率分析、事故后果分析、風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算、判別是否可接受等步驟。

圖1 定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法總體框架Fig.1 The general framework of the quantitative risk assessment method

1.2 事故概率分析

沼氣泄漏是引發(fā)火災(zāi)、爆炸等重大危險(xiǎn)的根源，可通過對(duì)設(shè)備設(shè)施基礎(chǔ)泄漏概率進(jìn)行分析得到沼氣泄漏概率的大小，一般通過歷史事故統(tǒng)計(jì)或事故樹分析得到。目前，國(guó)外一些研究機(jī)構(gòu)公布了一部分?jǐn)?shù)據(jù)可供參考，如1982年荷蘭的研究小組在COVO研究報(bào)告中公布了部分設(shè)備的基礎(chǔ)泄漏概率，2005年挪威船級(jí)社(Det Norske Veritas,DNV)也公布了其研究的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。此外，英國(guó)健康和安全局(Health and Safety Executive，HSE)、美國(guó)化工過程安全中心(Center for Chemical Process Safety，CCPS)等都有類似的數(shù)據(jù)庫(kù)，可直接獲得各類設(shè)備的泄漏概率。國(guó)內(nèi)研究人員根據(jù)國(guó)外數(shù)據(jù)，結(jié)合定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)例，歸納推薦給出我國(guó)相關(guān)設(shè)備、設(shè)施定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)泄漏概率，見表1。

表1 用于危險(xiǎn)源定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的泄漏概率表Tab.1 Leakage probability used in quantitative risk assessment of hazards

1.3 事故后果分析

如果沼氣在泄漏的一開始就被點(diǎn)燃，則會(huì)發(fā)生穩(wěn)態(tài)燃燒，即為擴(kuò)散燃燒。而若沼氣開始泄漏時(shí)未被點(diǎn)燃，泄漏的沼氣在空氣中不斷擴(kuò)散，在相當(dāng)大的空間范圍內(nèi)形成云狀氣團(tuán)，遇到火源時(shí)，可能被點(diǎn)燃。但由于外在環(huán)境不同，產(chǎn)生的火災(zāi)爆炸形式也不同：開放空間，遇火源后沒有加速及躍升效應(yīng)，則發(fā)生閃火；局限空間，遇火源后沒有加速及躍升效應(yīng)，發(fā)生氣云爆炸；泄漏即遇到火源發(fā)生穩(wěn)態(tài)燃燒，產(chǎn)生噴射火焰。

為便于分析，可采用事件樹方法分析，如圖2。由圖2分析可以發(fā)現(xiàn)，沼氣泄漏后，受點(diǎn)火源和外部環(huán)境影響，可能發(fā)生的火災(zāi)爆炸形式包括：閃火、氣云爆炸、穩(wěn)態(tài)燃燒(噴射火焰)。

圖2 沼氣工程火災(zāi)爆炸事件樹Fig.2 Event tree for fire and explosion of the biogas engineering

由圖2可以看出，沼氣泄漏事故主要有閃火、氣云爆炸、穩(wěn)態(tài)燃燒(噴射火焰)和中毒窒息4種可能的類型。表2給出的是美國(guó)石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute，API)提供的燃?xì)庑孤┖蟊憩F(xiàn)形式和發(fā)生概率，沼氣泄漏后的各種表現(xiàn)形式可參照?qǐng)?zhí)行。

表2 燃?xì)庑孤┖蟮谋憩F(xiàn)形式和發(fā)生概率Tab.2 The performance form and occuence probability of gas leakage

(1)噴射火焰熱輻射。人員在噴射火焰熱輻射影響下的死亡概率可表示為：

(1)

式中：

t

—暴露時(shí)間，s；

s

—熱輻射傷害面積，m

P

—死亡概率；

P

—傷害概率。

進(jìn)一步推導(dǎo)式(1)可得熱輻射引起的人員傷害概率可得：

(2)

式中：

I

—輻射熱流量，J/(m·s)。

根據(jù)API RP521，火源產(chǎn)生的輻射熱流量可表示為：

(3)

式中：

η

—輻射熱占總釋放熱的比例，對(duì)于CH可取0.2；

τ

—大氣的透射率，一般可取1；

Q

—可燃?xì)怏w泄漏流量，kg/s；

H

—可燃?xì)怏w的燃燒熱，對(duì)于CH可取5×10J/kg；

R

—目標(biāo)離火焰的距離，m。

將式(3)帶入式(2)可得：

(4)

(2)閃火和爆炸。閃火和爆炸可參考我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(AQ/T 3046-2013)分析：閃火的火焰區(qū)域等于點(diǎn)燃時(shí)可燃云團(tuán)燃燒下限(Lower Flammable Limit，LFL)的范圍。閃火火焰區(qū)域內(nèi)，人員的死亡概率值為100%；閃火火焰區(qū)域外，人員的死亡概率值為0。

對(duì)于蒸氣云爆炸，在0.03 MPa超壓影響區(qū)域內(nèi)，人員的死亡概率為100%；在0.01 MPa超壓影響區(qū)域外，人員的死亡概率為0。

(3)中毒窒息。除CH外，沼氣還含有HS和CO，具有毒性。毒性介質(zhì)泄漏后果分析時(shí)，應(yīng)首先確定介質(zhì)的毒性影響準(zhǔn)則。在API 581中，推薦使用50%的致死率確定毒性影響，毒性后果面積即中毒致死面積用致死率不小于50%的區(qū)域面積表示，使得致死面積求解過程大大簡(jiǎn)化。

1.4 風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)險(xiǎn)可用個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)(全稱Individual Risk,IR)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)(Societial Risk,SR)2個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)是指事故發(fā)生時(shí)造成設(shè)施附近任意給定地點(diǎn)上人員死亡的可能性(概率)。個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)主要取決于危險(xiǎn)點(diǎn)的地理位置，與人員是否存在于該點(diǎn)無(wú)關(guān)。社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)用于描述人受到傷害的可能性。

(1)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算。設(shè)施附近的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)可表示為：

(5)

式中：

i

—不同事故場(chǎng)景編號(hào)；

φ

—第

i

個(gè)事故場(chǎng)景概率；

P

—各種事故場(chǎng)景的人員死亡概率。

(2)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。一般用某一給定地區(qū)發(fā)生事故時(shí)造成的死亡人數(shù)和累積事故率之間的關(guān)系表示社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。死亡人數(shù)用下式計(jì)算：

(6)

式中：

N

—事故

i

導(dǎo)致的死亡人數(shù)；

A

—事故

i

對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)區(qū)域面積，m；

ρ

—人口密度，人/m。對(duì)于人員死亡數(shù)

N

≥

N

的累積事故率為：

F

=∑

φ

u

(

N

≥

N

)

(7)

其中，

u

(

N

≥

N

)為單位函數(shù)，若

N

≥

N

，則

u

=1；若

N

<

N

，則

u

=0。

(3)風(fēng)險(xiǎn)可接受水平判別。到目前為止，我國(guó)還沒有制訂風(fēng)險(xiǎn)可接受水平標(biāo)準(zhǔn)，而國(guó)外已經(jīng)建立比較完備的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上通常采用國(guó)家人口分年齡段死亡率最低值乘以一定的風(fēng)險(xiǎn)可允許增加系數(shù)，作為個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)值。如：荷蘭、英國(guó)等不同國(guó)家均頒布了個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。表3給出了一些國(guó)家和地區(qū)制定的個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 部分國(guó)家、地區(qū)和機(jī)構(gòu)制定的個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Individual risk criteria issued by some countries and organizations

2014年，國(guó)家安監(jiān)總局公布的《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)、儲(chǔ)存裝置個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》，發(fā)布了我國(guó)的個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，見表4。

表4 我國(guó)制定的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Individual risk criteria issued by China

2 結(jié)論

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外石油化工行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析模型，建立沼氣站定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析方法，可為沼氣工程在風(fēng)險(xiǎn)管理、應(yīng)急救援、土地使用、安全規(guī)劃等方面提供分析工具，為控制重大危害事故、減少人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境保護(hù)提供重要手段。

沼氣工程實(shí)際情況十分復(fù)雜，本文建立的定量模型還存在一定不足，主要表現(xiàn)在：

(1)國(guó)內(nèi)缺乏事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本文的事故概率采用國(guó)外數(shù)據(jù)，而現(xiàn)實(shí)中國(guó)內(nèi)事故率往往高于國(guó)外事故率，故計(jì)算結(jié)果會(huì)存在一定偏差。因此，我國(guó)急需建立相關(guān)事故統(tǒng)計(jì)分析機(jī)制，得到符合我國(guó)實(shí)際的事故基礎(chǔ)概率數(shù)據(jù)。

(2)實(shí)際中，事故的發(fā)生受企業(yè)安全管理狀況、操作及管理人員水平、設(shè)備設(shè)施維護(hù)與管理水平、應(yīng)急管理等多種因素影響，事故發(fā)生概率和可能后果都是動(dòng)態(tài)變化，因此實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中應(yīng)綜合考慮多種因素，關(guān)注動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化，實(shí)施有效控制。