危险化学品罐区设计新发展及趋势研究

张祎庆

（上海建安化工设计有限公司，上海 200437）

危险化学品罐区设计新发展及趋势研究

张祎庆

（上海建安化工设计有限公司，上海 200437）

罐区危险介质储存量大，一旦失控后果十分严重，给周围民用设施、人员造成较高的安全风险，故关注度高、影响面广。根据新标准要求，利用定量风险分析软件，分析罐区工程设计案例，研究发展和趋势，提升罐区的本质安全设计。

危险化学品储存；安全设计；风险分析

近年来，我国危险化学品罐区多次发生有害介质泄漏，导致火灾或爆炸事故。

2010年7月16日，大连中石油国际储运公司发生输油管线火灾爆炸事故，罐区失火并造成大量原油泄漏，导致油罐、管道及其他相关设备烧毁，泄漏的原油流入附近海域造成污染，事故造成1人失踪、1人死亡，经济损失超2.2亿元；

2015年4月6日，福建古雷对二甲苯装置爆燃事故，致使6人受伤，先后引发4个储罐起火，罐区火灾最终在大约56 h后被扑灭，造成重大经济损失和社会影响。

2015年7月16日，山东日照石大科技石化有限公司液化石油气储存区一个1 000 m3液态烃球罐发生泄漏爆炸火灾。

鉴于罐区危险介质储存量大，一旦失控后果十分严重，除了对于企业本身的危害，也给周围民用设施、人员造成较高的安全风险。因此对于危险化学品罐区本质安全设计的研究是十分必要和迫切的。

1 社会各界的要求及行业内部的反思

随着事故的频发，国家安监总局针对罐区设计发布了诸多新规定和新要求，例如：《危险化学品重大危险源罐区现场安全监控装置设置规范AQ 3036—2010》、《危险化学品重大危险源安全监控通用技术规范AQ 3035—2010》、国家安全监管总局发布的《关于进一步加强化学品罐区安全管理的通知安监总管三（2014）68号》等规范和法令，均对罐区的安全设计提出了更为严格的措施和要求。

同时，《SH/T 3007—2014石油化工储运系统罐区设计规范》、《GB 50016—2014建筑设计防火规范》、《GB 50058—2014爆炸危险环境电力装置设计规范》、《GB 50351—2014储罐区防火堤设计规范》等重要规范也在近期陆续更新。

另外，一些地方性法律法规、部门规章也纷纷出台，仅以山东省为例，就有：《关于印发〈山东省危险化学品建设项目安全监督管理办法实施细则〉的通知》（鲁安监发〔2013〕39号）、《关于印发〈山东省危险化学品输送管道安全专项整治工作实施方案〉》（鲁安监发〔2014〕3号）、《关于加强危化品重大危险源安全监管工作的通知》（荷安监字〔2014〕28号）、《山东生产经营单位安全生产主体责任规定》（山东省人民政府令〔2013〕260号）等等。

从宏观上讲，针对罐区本质安全设计的要求可以说是越来越多，也越来越高。

从行业内部来讲，我们也一直在反思，目前的设计中是否存在漏洞或者需要更新的设计理念。

罐区设计的可靠性和安全性是我们所不断追求的。但是无论从规范还是安全设计要求的角度，其执行性也争议不断，工程设计难度增大，成为目前储罐设计的难点之一。

随着越来越多的国外工程公司和海外项目涉足国内工程界，风险定量化分析进入了国内的工程项目中[1-2]。是否可以应用先进的定量安全风险分析技术于国内的罐区设计之中，如何准确有效的应用，如何合理把握罐区本质安全设计和工程设计费用之间的“度”，已然成为当下设计行业的热门话题。

针对以上论述，本文结合相关规范，选用液化天然气（LNG）罐区的工程设计开展工艺计算，同时利用国外公认度高的软件进行定量风险分析，针对储罐安全设计归纳和总结，力求为今后的储罐本质安全设计带来启迪。

2 罐区风险定量化分析应用实例

在《GB 50183—2004石油天然气工程设计防火规范》中，10.3.4、10.3.5已经明确提出，针对LNG的扩散和火灾热辐射范围，需要通过定量风险分析的手段进行计算[3]。具体设计条件、计算和分析如下。

2.1 LNG储罐设计条件

LNG储罐设计条件见表1。

2.2 围堰高度、有效容积计算

按照项目实际条件，并根据《GB 50183—2004石油天然气工程设计防火规范》的10.3.3条第1点：“操作压力小于或者等于100 kPa的储罐，当围堰和储罐分开设置时，储罐至围堰最近边沿的距离，应为储罐最高液位高度加上储罐气相空间压力的当量压头之和与围堰高度之差；当罐组内的储罐已经采取了防低温或者火灾的影响措施时，围堰区内的有效容积应不小于罐组内一个最大储罐的容积；当储罐未采取防低温和火灾的影响措施时，围堰区内的有效容积应为罐组内储罐的总容积。”

表1 LNG储罐设计条件Tab. 1 Design Conditions of LNG storage tank

图1 储罐至围堰最近边沿的距离Fig. 1 Sketch of distance from nearest side of dike to tank

计算步骤如下：

第一步：按储罐至围堰最近边沿的距离要求列出计算公式，见式（1）。

第二步：按有效容积的要求列出计算公式，见式（2）。

先假设围堰高度为2.2 m（一般立式储罐防火堤的最大高度），则由式（1）计算得出：Y=17.565 m，X≥20.065 m，式（2）计算得出：X≥16.88 m。

考虑到以下因素：

（1）LNG易气化，管线距离应尽量缩小；

（2）为节约用地，应适量提高围堰高度，缩小单罐占地面积；

（3）若围堰设置太高，管线进出需要穿越防火堤，造成配管不便，且消防难度加大。

综上，最后定围堰高度为2.2 m，X取20.3 m，防火堤有效容积计算得6 564 m3，其围堰面积约为3 600 m2。

2.3 设计泄漏量计算

根据GB 50183—2004的10.3.5条第3点，设计泄漏量应按下列要求确定：

失效模式1：液化天然气储罐围堰区内，储罐液位以下有未装内置关闭阀的接管情况，其设计泄漏量应按照假设敞开流动及流通面积等于液位以下接管管口面积，产生以储罐充满时流出的最大流量，并连续流动到0压差时为止。储罐成组布置时，按可能产生最大流量的储罐计算。

失效模式2：管道从罐顶进出的储罐围堰区，设计泄漏量按一条管道连续输送10 min的最大流量考虑。

失效模式3：储罐液位以下配有内置关闭阀的围堰区，设计泄漏量应按照假设敞开流动及流通面积等于液位以下接管管口面积，储罐充满时持续流出1 h的最大量考虑。

将三种失效模式进行对比，见表2。

表2 工况比较Tab. 2 Comparison list of failure cases

结合工程设计经验，通过比较发现，失效模式2的设计方案安全风险最低、工程难度及工程安装费用也较低，最为合理可行。

主要针对有害介质扩散和火灾影响，模拟后果，进行定量分析。

3 PHAST（DNV GL）软件建模计算

根据GB 50183—2004的10.3.4条第1点：围堰区至室外活动场所、建（构）筑物的距离，可按国际公认的液化天然气燃烧的热辐射计算模型确定，也可使用管理部门认可的其他方法计算确定。

本文使用国际公认较高的挪威船级社（DNV GL）的PHAST（6.7版）软件进行建模计算。将安全风险最高的失效模式1和安全风险最低的失效模式2进行比较。

3.1 定义气象条件

利用DNV公司的PHAST软件进行计算，首先需要定义气象条件，气候参数根据GB 50183—2004中10.3.4条第2点的要求，其要求为0级风速，Phast软件所能设定的最小风速为1 m/s，故本文选用1 m/s作为参数设定，具体如表3。

具体PHAST气候参数软件输入如下表4、表5。

3.2 物性输入

接下来，输入液化天然气（LNG）的物料性质，具体如下表6。

表3 气候参数Tab. 3 Parameters of climatic

表4 气象条件1（风速、大气稳定度）Tab. 4 Weather data

表5 气象条件2（大气温度、相对湿度）Tab. 5 Atmospheric parameters

表6 物性输入Tab. 6 Physical property

3.3 分析模型定义

3.3.1 失效模式1的定义

根据GB 50183—2004的10.3.5条第3点，对失效模式1的描述，在PHAST模型中选用灾难性破裂（Catastrophic Rupture）工况进行建模，见图2。

图2 失效模式1的定义Fig. 2 De fi nition of failure case 1

设定泄漏高度为罐底部，泄漏标高约4 m，见表7。失效模式2设定泄漏高度与失效模式1一致。

表7 泄漏位置标高Tab. 7 Elevation of release

围堰定义为存在，其高度为2.2 m，定义不可能失效，表面为水泥，围堰面积为3 600 m2，具体输入见图8。

表8 围堰参数设定Tab. 8 Bund modeling

3.3.2 失效模式2的定义

根据GB 50183—2004的10.3.5条第3点，对失效模式2的描述：“管道从罐顶进出的储罐围堰区，设计泄漏量按一条管道连续输送10 min的最大流量考虑”,针对以上要求，已知此罐输出管道设计流量为120 m3/h，计算可得其10 min连续输送量8 940 kg即为设计泄漏量，约14.9 kg/s;泄漏的瞬间所泄漏介质（Liquid Fraction）为100 %液相，同时结合本文2.1章节中的储罐设计条件和描述，在用户自定义模型（Use De fi ne Source）中定义失效模式2如表9。

3.4 模拟分析结果

完成以上设置后进行计算可得LNG蒸气云扩散区域和池火晚期热辐射（pool fire）区线。图3、图4分别为失效模式1和失效模式2的LNG蒸气云扩散区域图，其中蓝色表示为2.5%（2.5×104ppm）LNG（主要为甲烷）扩散曲线，绿色表示为4.5 %（4.5×104ppm）扩散曲线，红色表示为16.5（1.65×105ppm）扩散曲线。

表9 失效模式2输入Tab. 9 Input of failure case 2

图3 失效模式1 LNG蒸气云扩散区域Fig. 3 Concentraciton sketch LNG VCE dispersion of failure case 1

图4 失效模式2 LNG蒸气云扩散区域Fig. 4 Concentraciton sketch LNG VCE dispersion of failure case 2

图5、图6分别为失效模式1和失效模式2的晚期池火热辐射图，其中蓝色曲线内面积代表4 kW/m2， 绿色曲线内面积代表9 kW/m2， 红色曲线内面积代表30 kW/m2。

图5 失效模式1池火晚期热辐射Fig. 5 Late Pool fi re Radiation of failure case 1

图6 失效模式2池火晚期热辐射Fig. 6 Late Pool fi re Radiation of failure case 2

将建模结果数据梳理和比较，模拟扩散和热辐射半径对比结果见表10、表11。

表10 扩散模拟对比Tab. 10 Comparison list of dispersion modeling

表11 热辐射半径模拟对比Tab. 11 Comparison list of Radiation radius

3.5 确定区域布置防火间距

根据《石油天然气工程设计防火规范》（GB 50183—2004）10.2.5条的要求，确定液化天然气站场区域布置。本文举例的LNG罐区防火间距确定步骤如下：

（1）本罐区总容量为5 000 m3，先根据GB 50183中表3.2.2确定其为二级液化天然气站场，在表4.0.4中查到与周围居住区、相邻厂矿企业、交通线等的防火间距的最小要求。

（2）本罐区总容量介于3 000 m3～30 000 m3之间，应根据对现场条件、设施安全保护程度的评价确定，且不应小于上一条确定的距离。

（3）以上两条确定的防火间距，再按GB 50183—2004第10.3.4条和第10.3.5条规定进行定量风险分析校核。分析结果通过本文表10、11可知，可以看出本罐区无论失效模式1还是失效模式2，其结果均大于规范表4.0.4中的距离要求，故最终应根据计算结果调整或修正区域布置防火间距，以确保安全性。

同时，根据表10、11比较可得，失效模式1的防火间距大大地高于失效模式2。说明计算过程中假定的不同失效模式将对安全风险的计算结果产生很大影响。

综上，利用国际公认的计算软件，建模定量化分析十分必要，使安全设计更有针对性，避免“一刀切”。

4 结论与建议

4.1 计算和软件建模总结及建议

通过计算和后果软件模拟的描述和说明，笔者提出如下问题和建议：

（1）不同的后果模拟软件所算出的结果，由于其内部的经验公式、余量系数等因素，肯定存在不一致性，有的软件所计算的结果偏保守，容易造成工程投资费用上升；反之激进的计算结果，可能提高原先的风险程度。因此建议，增强后果模拟模型中关键参数的统一性，或者规定一种固化计算形式[4-5]。

（2）后果模拟是否可以适当考虑概率时间因素，例如：后果模拟计算的必要条件是保护层失效，储罐泄漏一般理解为两类：第一类储罐本体破裂，其发生的概率较低；第二类储罐接连部分管道或者法兰破裂泄漏，其发生的概率相对较高。如将失效和点火的概率考虑入定量风险分析中，储罐破裂泄漏火灾的计算结果可以更加合理[6-7]；

4.2 储罐安全设计结语

从本文第3章节，我们不难发现通过定量化计算和软件后果模拟，可以为LNG储罐的工程安全设计带来指导性的建议，其后果模拟结果参数，除了本身设计规范要求以外，也能为工程项目安全事故紧急预案的编制提供指向，合理地降低人员伤亡风险，是十分必要的手段。

4.3 总论

综上所述，在储罐工程设计过程中，由于其本身的高安全风险性，安全设计的难度较高，然而随着我国石油化工安全事故进入了高发期，更为严格的安全设计也在加大设计的的难度，且对于法律和标准的执行难度也在增大。在此“高难度”的要求下，越来越多的定量化设计手段将会被应用，针对定量化的后果参数，针对性的给出安全保护措施，降低安全风险，也将会成为未来工程设计的常用手段。

[1]API 752，Management of Hazards Associated with Location of Process Plant Permanent Buildings》，2009.

[2]AQ/T 3056—2013，化工企业定量风险评价导则，2013.

[3]李一铷．火灾、爆炸危险评价方法选择及介绍. 劳动保护科学技术，2000.

[4]王建波. 谈安全评价及其方法. 林业劳动安全，2004.

[5]何华刚，费先明. 化工安全评价探讨. 安全与环境工程，2003.

[6]樊晓华，吴宗之，宋占兵. 化工过程的本质安全化设计策略初探. 应用基础与工程科学学报，2008.

[7]GB 50183—2004，石油天然气工程设计防火规范，2004.

Current Development and Trend Study of Design Methods for Tanks Storing Hazardous Mediums

Zhang Yiqing
（Shanghai Jian An Chemical Design Co., Ltd, Shanghai 200235）

Since there is large amount of hazardous fl uid stored in tank distributed zone, uncontrolled result which if occurs is quite serious. The results will cause safety risk in civil facilities around and the personals. In this article, based on the new standard for tank distributed zone and using quantitative analysis software, some practical engineering examples were analyzed, and new trends in technology developments were studied, which aims at inherent safety design for tank distributed zone.

hazardous chemical storage; safety design; risk analysis

T

：A

：2095-817X（2017）02-0058-006

2016-11-01

张祎庆（1984—），女，工程师，主要从事石油化工储运工艺设计工作。