李发东

(中国石化安全监督部，北京 100728)

0 前言

随着国家对环保的日益重视，相关法规标准日益严格，为满足国家法律法规的要求，各炼化企业开始大面积实施油品储存系统VOCs收集与治理工程，高标准的环保措施同时也给安全提出了更高的要求。常压储罐会进入空气，在本身结构相对封闭的罐中，油品挥发易形成爆炸性气体。罐内硫化亚铁、加热炉、活性碳床层自燃、热氧化炉和静电等都是点火源，长管道输送会促进爆燃转变为爆轰，一处发生火灾，爆炸可能快速通过总管蔓延到其它储罐，从而带来群罐重大火灾爆炸事故[1-2]。按照风险可接受准则，对气相连通罐组重大火灾爆炸事故风险进行定量评估，开展基于风险的气相连通罐组的安全设计和日常运行管理，可避免设计过度或不足，具有非常重要的现实意义。

1 评估方法介绍

石油化工设施定量风险评估技术包括保护层分析(LOPA)、故障树(FTA)、事件树(ETA)、可靠性框图、马尔可夫模型和定量风险评估(QRA)等方法。对一般的生产装置和设施，可采用保护层频率量化方法(HAZOP与LOPA方法的结合，简称HALOPA方法)，并结合风险矩阵对事故发生的频率、后果和风险进行量化。保护层频率量化方法(HALOPA)为一种半定量方法，基本原理为HAZOP模型、保护层洋葱模型和事件树模型，如图1所示(图中箭头宽度代表后果频率大小，箭头长度代表后果严重性，PFD表示要求的失效概率)。

图1 HALOPA事件树模型

图1中具体的原因为引发过程发生偏差的直接原因，也称为触发事件(Initiating event)。按照瑞士奶酪模型，该偏差进一步发展，将按时间先后顺序挑战现场设置的各种保护层，当偏差穿过各保护层的漏洞并遇到合适的条件(如点火、外部阻塞环境、低温等)时，安全事故就会发生。该模型假设每一个安全保护层之间相互独立，在面临挑战时都存在失效的可能。当触发原因处于低需要模式，即发生频率不超过1次/a或小于第一道保护层测试频率2倍时，采用公式(1)进行计算：

(1)

fI——初始事件I的发生频率，次/a；

Penable——使能条件(Enabling conditions)的概率值，值为0～1；

PFDIj——第j个独立保护层在需求时的失效概率值，值为0～1；

Pcondition——导致事故最终后果的各种条件概率值，值为0～1。

气相连通罐组的风险控制准则遵循中国石化风险矩阵标准，该风险矩阵体现了企业的容忍安全风险和可接受安全风险准则。按照气相连通罐组不同事故的等级，提出以下风险控制标准，见表1。

表1 罐顶气相连通不同风险等级下的发生频率标准 次/a

2 群罐燃爆风险定量评估方法

对于各类油品储罐增加气相连通管线和VOCs治理装置后，其安全防控级别需要提高，因为整个储罐组都通过气相连通管线连接成一个整体，安全风险防控的重点需要防止群罐火灾。按照中国石化安全风险矩阵，群罐火灾可归为失控的火灾爆炸事故。连通的总罐容越大，连通储罐数量越多，则群罐火灾下事故损失越严重。因此罐顶油气连通应根据群罐火灾及其可能的经济损失判断可能的事故等级，并采取表1的设防标准。定量风险评估步骤如下。

2.1 确定气相连通罐组群罐火灾事故等级

根据气相连通罐组总罐容，划分群罐火灾事故后果等级见表2。

表2 气相连通罐组群罐火灾事故等级 m3

2.2 气相连通罐组燃爆事件的初始频率

气相连通罐组燃爆事件的初始频率为不考虑燃爆防控措施前的事件发生频率。根据国际油气生产组织(OGP)对石油石化储运罐区的事故统计，单个储罐发生内部燃爆的事故发生可能性为10-4～10-3次/a之间[3]。对于气相连通罐组，采用式(2)进行初始事件频率计算：

(2)

式中：fj——第j类储罐发生内部燃爆的初始事件频率，次/a；

nj——j类储罐的个数。

不同火灾危险性储罐发生火灾的初始事件频率见表3。

表3 不同储罐发生火灾的初始频率 次/a

2.3 采用关键安全措施后的实际发生可能性

为了防止群罐火灾风险，工程上采用了层层防护，采取防护措施后的事件发生可能性可采用式(3)进行计算：

(3)

式中：fR——采取措施后事件发生的可能性，次/a；

PFDj——第j种防止群罐火灾的安全措施要求时的失效概率，值为0～1。

主要采取的措施及其PFD见表4。

表4 关键安全措施的要求时的失效概率(PFD)[4]

3 应用案例

假设某一气相连通石脑油储运罐组，采用每个储罐直接连通切断阀方案(图2)。单个储罐容积为3 000 m3，储罐数量8个，每一个储罐采用单罐单封的氮气密封形式，各储罐气相支线设置满足要求的管道爆轰型阻火器，储罐设置氧含量在线监测，并采取了有效的防点火措施，包括进入油气处理设施前使用阻火器，风机为整体防爆型，氮封储罐呼吸阀阻火器为长时间耐烧型。

图2 直接连通共用切断阀方案

评估结果见表5。

由表5可见，最终的风险水平为一般风险。由于工程上已经采取了可能采取的措施，并满足ALARP原则，该风险可以接受。

4 其他安全要求

由于群罐火灾风险损失巨大，影响严重。在工程设计和日常管理上需要严格管控，以下安全事项是气相连通罐组风险可接受的前提条件。

表5 气相连通罐组群罐火灾风险评估

a) 做好污水池VOCs的处理。污水池虽然加盖进行了封闭，但密封不严，且很少有氮封。在抽气过程中，污水池呈负压状态，废气中富含空气。污水池的特点是平时烃浓度很低，但烃浓度波动非常大(排入污水池的物料不易控制)，当烃浓度较高时，污水池内部处于爆炸气体环境，遇到点火源易发生密闭空间的火灾爆炸事故，近年来多次发生污水池闪爆事故证实了污水池的危险性。为了降低污水池系统对罐区的安全影响，对于污水池、污水收集及处理系统，应单独设置收集系统和处理装置。

b) 对于装置内的储罐，为防止装置内的废气反窜到储运罐区，以及火灾爆炸事故的相互影响，装置内的储罐不能与罐区共用一个收集管道。对于储存过程中需要与含氧(空气)气体接触的物料储罐、未设船岸安全界面的码头，这些设施的VOCs氧浓度难以控制，波动大，易形成爆炸性气体。因此应设置专用收集系统。

c) 从安全角度考虑设置氮封的储罐与未设置氮封的储罐原则上不应共用收集管道。但未设置氮封的储罐通常储存物料的风险相对较小，综合考虑安全性、经济性和可操作性，需要与其它设置氮封的储罐共用一个收集总管，可采取氧含量检测联锁补氮、氧含量高高切断等措施，防止混合后在收集管内形成爆炸性气体。

d) 不同类型储罐(内浮顶、拱顶等)不应直接连通。拱顶罐、内浮顶储罐一般储存不同危险性物料，物料的火灾危险性不同。如果储存相同物料，则拱顶罐内油气浓度通常较高，直接连通增加内浮顶储罐的危险性。

e) 各储罐罐顶气相支线上应按要求设置管道爆轰型阻火器，并按照ISO16852-2016《Flame arresters-Performance requirements，test methods and limits for use》的要求进行爆轰测试。

f) 连通数量越多，发生事故可能性就越大。目前，GB50160-2018《石油化工设计防火规范》规定罐组内单罐容积大于或等于10 000 m3的储罐不应多于12个；单罐容积小于10 000 m3的储罐不应多于16个；但单罐容积均小于1 000 m3储罐以及丙B类液体储罐的个数不受此限。连通储罐的数量越多，发生火灾的概率越大，后果越严重，因此应通过限制直接连通的储罐数量，降低发生重大群罐火灾的风险。

g) VOCs送往火炬/低压瓦斯时，应满足以下要求：气体热值和氧含量应满足SH3009-2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》的要求；VOCs收集管道上应设氧含量分析仪，并设置氧含量高高联锁切断。氧含量分析仪和切断阀的安装位置应能防止氧含量超标的VOCs进入低压瓦斯系统；应采取防火炬气倒流入罐区的措施，并应设置相应的检测和自动切断设施。

h) 改造的储罐应进行储罐罐体强度及结构适应性的校核。采用氮气密封系统的储罐应设事故泄压设备，并符合SH/T 3007-2014《石油化工储运系统罐区设计规范》的要求。罐顶油气连通后，需对呼吸阀、事故泄压设备等安全附件的规格和定压进行校核。

5 结语

储运罐区涉及的物料量大，危险程度高。VOCs治理过程中需要严格管控环保治理所带来的安全风险。采取基于风险的方法进行定量评估，在工程设计和管理上采取针对性的层层防护措施，并确保各类安全保护层保持完整性，切实做到环保和安全同时满足安全生产要求。