液化石油氣罐區安全評價和緊急防災系統的開發王鐵民(洛陽石油化工總廠, 洛陽 471012)摘要 分析了液化石油氣罐區的特點, 把安全評價、數學模型、流程控制、事故處理專家系統與多媒體技術結合起來, 開發了液化石油氣罐區安全評價和緊急防災系統。將系統模型和仿真結果與 國內外一系列試驗數據和一些典型事故分析結果進行比較, 吻合良好。主題詞: 罐區 安全 數學模型 系統 開發液化石油氣1 前 言液化石油氣罐區系統 (包括液化丙烯、乙烯等系 統) 一旦發生事故便極難控制。大量泄漏的危險物質 可彌散至數萬乃至數十萬平方米, 如遇明火則可使 此區域內的設備、人員受到傷害, 甚至引發二次災害。 因此, 預防液化石油氣罐區事故的發生、降低事 故規模、減小事故惡果是企業家和技安人員奮斗的目標之一。從防御的角度采取措施是防止災害的最有效的 措施之一。 洛陽石油化工總廠和原化工部職業安全衛生研究院在發明專利“一種智能化煉油化工危險源事故預案和應急處理方法”( 9517237. 4) 與“石油 儲罐區事故預案和緊急防災系統”、“石油儲罐區安 全評價方法”兩項科技成果的基礎上, 進一步分析了液化石油氣罐區的特點, 把安全評價、數學模型、流程控制、事故處理專家系統與多媒體技術有機地結 合起來, 開發了“液化氣罐區安全評價和緊急防災系統”。 該項研究 1997 年底通過中國石化總公司科技 成果鑒定, 1998 年獲中國石化集團公司科技進步三等獎。2 系統概況在 586 以上的微機、W in dow s 操作環境下, 使 用 Bo r lan d C + + 語言將數據采集、信息處理、圖形繪制、智能判斷、圖象處理和通訊接口融為一體, 開發出一套適用于液化石油氣罐區安全評價、生產管 理、事故仿真和緊急防災的綜合系統。系統由信息查詢、數據采集、事故仿真、事故預 案和流程管理 5 個子系統組成。 各子系統既有相對 獨立性, 又有密切的聯系, 構成一個有機的整體。 為便于維護和系統擴充, 采用了組件式結構。系統組成和子系統間的聯系見圖 1, 硬件連接和功能聯系見 圖 2。3 安全評價安全評價是綜合運用安全系統工程方法對評價 對象 ( 系統) 存在的危險性進行定性和定量分析, 揭示系統在設計、施工、運行和管理上遺留下來的缺陷和隱患, 預測事故發生的可能性及其后果, 提出改善 安全狀況的信息, 尋求最佳的安全投資效益的過程。 它是實現系統本質安全的重要基礎和現代安全管理的重要內容。目前, 國內外已有數十種安全評價方法, 但還沒 有一種適用于液化石油氣罐區的方法。 在對液化石 油氣罐區事故調查分析和“石油儲罐區安全評價方 法”的基礎上, 根據液化石油氣易燃、易爆、低毒的特性和罐區儲量大、機械設備少、工藝簡單的特點, 借 鑒國內外先進的評價方法, 開發了單元固有危險度 評級2單元安全檢查表評分2單元綜合危險度分級和 應急能力分析2罐區固有危險度分級2罐區安全檢查 表評分2罐區綜合危險度分析及對策分析六步驟綜合安全評價程序和方法, 其主體是危險度評價和安 全檢查表。 方法設計了 14 個數據采樣表, 囊括了液 化石油氣罐區的方方面面, 可通過自動采集和人工 輸 入 對 它 進 行 評 價, 有 針 對 性 地 提 出 切 實 可 行 的收稿日期: 1999202208。作者簡介: 王鐵民, 高級工程師, 1963 年哈爾濱石油專科學校畢 業, 河南省石油學會理事, 先后有多項科技成果通過省部級鑒定 并獲得獎勵, 在省部級以上學術、技術期刊及學術會議上發表論 文 20 篇, 現從事石化企業技術安全開發、管理和評價工作。53第 9 期王鐵民. 液化石油氣罐區安全評價和緊急防災系統的開發圖 1系統組成框圖整改措施和管理對策, 并可為修改設計和安全設施優化提供依據。 評價程序見圖 3。4 仿真系統開發系統仿真是該項研究的核心和基礎, 是通過對 大量液化石油氣罐區事故的分析和歸納找出事故的 基本形態, 形成事故模型, 并根據國內外規范標準、經驗教訓對事故所需的數學模型進行比較、篩選, 開 發確定事故的仿真數學模型的過程。由事故模型、數 學模型和專家系統構成。4. 1 事故模型液化石油氣罐區災害性事故的主要形態是泄 漏、火災和爆炸三大類。 事故模型能對事故形態、發展趨勢和可能后果進行描述。 開發過程中事故形態考慮了不同事故部位和破壞形式, 其中包括低溫撞擊、應力腐蝕開裂、超壓、機械損壞, 以及熱作用釀成的破壞。事故類型中泄漏事故的基本形態考慮了瞬間氣體泄漏、瞬間液化氣體 泄漏、連續液體泄漏、連續氣體泄漏、兩相泄漏等; 火 災事故包括各部位的噴射火災、閃燃、火球和池火; 爆炸事故包括器外蒸氣云爆炸、沸騰液體擴展蒸氣 云爆炸等。可能后果是根據事故可能引起的火災、爆炸和 毒性傷害來確定。其中, 泄漏事故以可燃氣體爆炸下 限的 50% 濃度線劃定危險區域, 并以濃度等值線為參考。有毒害物質以 TL V 2C 濃度 (瞬間不得超過的 最高濃度) 等值線劃定危險區域, 以自定義濃度等值線為參考。火災事故以熱通量、熱強度以及熱通量和 熱強度復合作用構成對人的傷害準則, 其傷害程度依照 P ie te r sen 1990 年發表的數據1 。 對臨近設備 的影響, 考慮了常壓和壓力儲罐兩種接受器模型。爆54石油煉制與化工1999 年第 30 卷圖 2硬件組成及相互之間的聯系炸事故考慮了峰值超壓和飛射物體對目標體構成的傷害, 其中對人的傷害選擇了致死、重傷和輕傷三個 超壓峰值, 對設備的影響依照 Gu gan 在 1979 年發 表的數據2 。4. 2 數學模型系統數學模型是根據事故模型和液化石油氣的 物化特性開發的。 其中泄漏、彌散、蒸發過程主要參考美國過程安全中心 (CC P S) 出版的“蒸氣云擴散模 型 指南”, 擴散模型還參考了美國空軍 (A FA ) 和美國環保局 (E PA ) 的有關規范; 火災模型主要參考美國氣體協會 (A GA ) 和美國防火協會 (N F PA ) 的有 關規范; 接受器模型主要參考英國安全性和可靠性管理局的有關規范, 蒸氣云爆炸和沸騰液體擴展蒸 氣爆炸過程還參考了國家“八五”攻關成果和風洞試驗報告。 這些模型包括: 氣體泄放速度模型、液體泄放速度模型、液池彌散模型、閃蒸模型、液池蒸發模 型、絕熱擴散模型、氣體擴散模型、非典型擴散模型、 重氣擴散模型、熱輻射強度及衰減模型、蒸氣云爆炸模型、火球模型、接受器模型等。4. 3 數據庫在應用矢量化技術建立可任意縮放的評價對象的企業平面布置圖和周圍環境詳圖的基礎上, 開發了罐區安全管理數據庫系統, 其中包括危險源分布、 火源分布、報警點分布、儲罐信息庫、罐區信息庫、危險品安全數據庫、消防力量及設施分布數據庫、泡沫 儲備和分布數據庫、企業供水系統及管網情況數據 庫、企業污水及明溝流向和分布數據庫、企業防災組 織職能分工數據庫、典型案例多媒體數據庫和應急 處理專家系統等在內的一系列數據庫系統。數據庫系統是事故仿真和事故預案、緊急防災 的依據和基礎, 各種數據庫接口和矢量化技術的應 用為防災系統提供了豐富的人機界面, 可操作性強。4. 4 事故仿真事故仿真是模擬現場事故的過程, 可根據事故 現場或模擬現場情況 (事故形態、物質、設施、地面情況等) 和有關的物質參數及氣象參數確定事故模型,選擇數學模型, 模擬并輸出模擬結果的過程。 事故仿真結果包括事故狀態下的液體泄放速度、氣體泄放速度、液池蒸發速度、液池彌散速度、液池彌散面積、爆炸危險性氣體擴散影響區域、毒害性 氣體擴散危害區域、熱輻射強度或熱通量隨距離衰 減 和對人的安全距離、器外蒸氣云爆炸峰值超壓等55第 9 期王鐵民. 液化石油氣罐區安全評價和緊急防災系統的開發預案內容是系統在自動采集或有關信息輸入的同時, 根據現場情況, 給出事故發展不同階段的處理 原則和響應提示, 其執行程序按泄漏、火災和爆炸三 種模式分別考慮。為便于程序管理, 把事故響應分為五個階段: ( 1) 事故初起階段, 以報警、現場第一處 理為主線提出響應內容; ( 2) 事故的初期階段, 以組 織救援、人員疏散為主線提出各單位的應急響應內 容, 該階段是確保應急響應過程順利進行和減少人 員傷亡的重要環節; ( 3) 事故處理準備階段, 以預測事故影響, 生產和現場準備為主線開展工作, 這是能 否做好事故響應的基礎, 也是各單位能否主動工作, 各自為戰, 減少事故損失的關鍵; ( 4) 事故處理、火 災撲救階段, 這是事故響應能否成功地處理事故的 關鍵過程, 也是現場指揮員掌握情況、運籌帷幄、下達決策命令的時刻, 系統以提供相關數據、條件分 析、處理原則、處理方案和禁忌事項為主要內容進行 響應和做出判斷; ( 5) 事故的后期處理階段, 該階段 主要以預防次生災害和恢復生產為中心進行響應, 這個階段是事故處理過程中需格外慎重的一個環節, 在這個階段中系統將為解除警戒、恢復生產提出 必要的條件, 并自動記錄事故過程, 編寫和提供事故 報告初稿。6 可靠性分析為了確認系統的可靠性, 收集了包括現場擴散 試驗、火災模擬試驗、接受器試驗、液化石油氣儲罐暴露于火中的燒烤試驗等在內的國內外一系列試驗數據和一些典型事故的分析結果, 與系統模型和仿 真結果進行比較。6. 1 蒸氣云擴散把液化氣罐區的泄漏形態歸納為射流重氣擴 散、液池蒸發擴散、瞬間重氣擴散、連續氣體擴散、瞬間氣體擴散五種擴散模式, 按這五個方面與國外大規模試驗的 528 個數據用 H an n a 博士 1992 年推薦 的方法進行比較, 試驗數據與模擬數據之比 95% 的 置信區間落于兩倍之內。 而后又模擬計算了我國的三起典型事故, 吻合較好。6. 2 熱輻射強度隨距離的變化搜集 A DL 3 的 13 次試驗數據, 并與它進行了 模 擬比較。 模擬數據與試 驗 數 據 之 比 為 1. 0321. 671, 預測值高于試驗值。 與中國石化集團公司長 嶺煉油廠滅火演習中輻射熱強度檢測數據相比也有類似的結果4 。6. 3 對周圍設施的影響圖 3石油液化氣罐區安全評價程序圖值線和對人的影響距離、臨近設施 ( 罐) 發生危險的 時間等。5 緊急防災系統的開發緊急防災系統是在數據采集和事故仿真的基礎 上, 經計算機智能化處理制訂出應急響應和救災方案的過程。5. 1 系統模式在對現有事故預案、模擬事故演習和有關規范 標準以及典型事故案例分析整理后建立事故處理經驗、原則和程序的基礎上, 開發出推理機制和相關的 支持知識庫系統, 最終形成緊急防災系統模式。該模 式的事故處理原則和程序是不同階段事故響應的工作綱要, 是根據事故的不同情況、不同階段進行推理、判斷并給出各種相關信息的依據。5. 2 預案內容56石 油 煉制 與 化 工1999 年 第 30 卷對周圍設施的影響, 主要以對臨近儲罐的影響結果進行比較。 系統開發中首先利用新加坡的一起 典型事故案例的升級時間進行比較, EN GU L F 的 模擬數據為 1. 4 h , 該系統的模擬數據為 1. 6 h , 實(3) 系統把罐區生產管理、安全評價、事故應急和反事故演練有機地結合起來, 在國內外具有先進 性。(4) 系統采用了矢量化技術, 事故模擬過程中 的平面圖可以任意縮放, 并增加了系統內涵。(5) 根據大量的事故資料、專家經驗和現場演 習情況確立的應急響應程序、原則和內容具有合理 性和實用性。參考文獻際事故升級時間為 1. 5 h。此外, 還利用 K.M oo d ie等 1988 年發表的液化氣儲罐試驗數據5 進行接受器時間、溫度和壓力變化情況的比較, 模擬數據與試 驗數據之比基本上在兩倍的誤差范圍之內, 吻合良 好。7 結 論(1) 在微機上結合液化石油氣罐區實際建立的 安全評價和緊急防災系統, 集文字、圖文圖象、視頻、 通訊和數據采集為一體, 操作方便、界面友好、形象 生動。(2) 根據液化石油氣罐區的特征所深入開發的 事故類型、數學模型、仿真模型合適可用。12P ite r sen C M . J L o ss P reo ce ss Ind, 1990, ( 3) : 1Gugan K. U nco nf ined V apo u r C lo ud E xp lo sio n s, Geo rge Go d2w in L im ited, 1979: 104M udan K S. F ire h aza rd ca lcu la t io n s o f la rge op en h yd ro ca rbo n f ire, in: S F P E h andboo k o f an L P G tank , J H az M a t, 1988. 20張連虎. 石油化工消防監督管理技術, 北京: 群眾出版社, 1993.172 173M oo d ie K , Cow ley L. J H aza rdo u s M a te r ia ls, 1998, 20: 5571345R ISK A SSESSM ENT FO R L PG TA NK FA RMA ND D EVELO PM ENT O F EM ERGENCY SY STEM FO R PREVENT ING CAL AM IT IESW an g T iem in(L u oy ang P e t roch em ica l G ene ra l P lan t, L u oy ang 471012)A bstra c tT h ro u gh an a ly sis o f th e fea tu re s o f L P G tan k fa rm , an d in teg ra t io n o f r isk a sse ss2m en t, m a th em a t ica