基于Bow-tie模型的LNG泄漏风险分析

刘云鹏

(中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院，河南郑州 450006)

目前，我国LNG产业进入快速增长期，形成了国有企业占主导地位、区域发展不平衡、管道全国布网管控集中、资源供应多元稳定等发展特点[1]。为了积极应对LNG市场不断增加的需求，中国石化华北油气分公司在大牛地气田开展了LNG回收作业。

LNG在回收过程中，工艺装置存在高压、深冷，储存介质存在易燃易爆等风险[2]，针对这些风险，国内外学者开展了大量现场实验和数值模拟。Meroney等[3，4]通过研究LNG泄漏扩散的风洞实验，分析了不同气象条件对LNG泄漏扩散的影响；德国汉堡大学[5]通过开展BA-TNO实验，揭示了不同地面障碍物对LNG泄漏扩散的影响；刘旭红等[6]采用三维火灾爆炸CFD数值模拟对国内某接收站火灾爆炸事故类型及事故影响进行模拟分析，并将结果应用到工程设计当中；庄学强[7]分别利用Fluent CFD模型和VOF多相流模型分析了LNG泄漏扩散过程的基本特征，这些模拟应用结果对LNG站场选址、事故防范及应急管理制定提出了科学依据；李庞等[8]利用HAZOP分析方法，对LNG加气站存在的危险因素及其后果、原因、防护措施进行分析，从而提出防护措施，实现LNG加气站安全运行。

虽然上述学者做了大量研究，但是主要针对LNG储罐和接收站，且采用的多为实验或模拟的方法进行研究。本文中LNG回收，是指利用LNG生产设备对生产井口出来的天然气、试气井口出来的放空气进行回收和销售[9]；Bow-tie分析法是一种图形化的风险分析和管理方法，可直观地表达事故发生的原因，以及可能导致的一系列后果；并且能够涵盖预防事故发生的控制措施，以及减缓或降低事故影响的减缓措施。因此，本论文以J66P9H LNG回收站场为研究对象，采用Bow-tie分析法对LNG泄漏并引起火灾、爆炸的安全风险进行分析，制定风险管控措施，并提出风险管控建议，以保证LNG回收安全平稳运行。

1 分析背景介绍

在LNG回收过程中因设备、人员、环境等原因存在众多生产安全的危险因素，主要危险因素是火灾、爆炸，同时也存在高空坠落、物体打击、压力容器爆炸、机械伤害、高温或低温等安全风险。通过Bow-tie模型分析，制定风险管控措施，可有效降低各类风险发生的可能性以及事故后果的严重性。

1.1 LNG站场介绍

LNG回收站场的主要工艺流程为：井口天然气由采气树首先经除砂器、水套炉/分离器、调压分离装置，再进入脱碳撬脱除酸性气体，然后进入脱水撬进行深度脱水，最后进入液化撬生产出LNG半成品进入储运系统，通过冷剂压缩机的冷剂循环提供冷量将天然气液化成LNG成品。同时，净化后的少量天然气供发电机发电和水套炉加热。图1所示为J66P9H井场LNG生产工艺流程图。LNG站场风险分布如图2所示。

图1 J66P9H井场LNG生产工艺流程

1.2 Bow-tie方法介绍

风险管控措施与行动模型，简称Bow-tie模型[10，11]，又称领结图，或蝴蝶结，如图3所示。其构建过程为：危险源在有害因素的作用下，击破所有预防措施后释放，其中释放方式称为顶上事件；顶上事件进一步发展，击破所有减缓措施，造成严重后果。模型的构建揭示了：预防措施和减缓措施作为屏障，是降低事故发生概率，消减事故危害的有效途径。

图2 LNG站场安全风险分布示意

因此，通过风险管控措施与行动模型可以看出，评估预防措施和减缓措施的有效性，制定风险管控措施，是Bow-tie分析法的重点。

图3 Bow-tie模型示意

2 LNG泄漏风险分析

2.1 危险源辨识

LNG，即液化天然气，主要成分是甲烷，还有少量的乙烷、丁烷、氮气和二氧化碳等，是一种无色无臭的气体，具有易燃、易爆、健康危害的特性。在生产过程中，易发生LNG泄漏甚至引发火灾、爆炸等事情。

2.2 确定顶上事件

结合LNG回收站场的实际情况，可能发生的事故主要有：天然气泄漏、火灾爆炸、中毒和窒息、机械伤害、冻伤、触电等，而天然气泄漏及火灾爆炸的风险最大。因此，选取LNG泄漏为顶上事件，如图4所示。

2.3 风险分析

图4 风险源及顶上事件示意

2.3.1危害因素和事故后果分析

针对LNG泄漏的风险，确定危害因素有三个，即：压力超限、设备腐蚀和人员误操作；LNG泄漏之后，可能造成的事故后果有两个：火灾、爆炸和人员中毒、窒息。如图5所示。

图5 危害因素和事故后果示意

2.3.2屏障分析

针对危害因素和事故后果，对采取的屏障措施进行分析。

a)为避免LNG发生泄漏，针对危害因素采取预防措施：①避免压力超限的预防措施包括：设备定期检验、维护保养、制定操作规程、设置压力观测、压力联锁切断；②避免设备腐蚀的预防措施包括：腐蚀裕量、防腐涂层、维护保养、注册建档；③避免人员误操作的预防措施包括：参加相关培训、取得相关资质、制作操作规程。

b)为避免LNG泄漏之后引起火灾爆炸和人员中毒、窒息，针对事故后果采用减缓措施：①避免发生火灾、爆炸的减缓措施包括：配备可燃气体检测仪、划分防火防爆分区、设备安全防火间距、点火源控制、应急处置；②避免发生人员中毒、窒息的减缓措施包括：配备可燃气体检测仪、配备个人防护用品、应急处置。

根据J66P9H LNG回收管理现状，对各类屏障措施的有效性进行分析。结果如图6所示。结果发现：①避免压力超限的预防措施中，未设置压力联锁切断；②避免发生火灾、爆炸的减缓措施中，安全防火间距不满足规范要求。

3 保护层及风险矩阵分析

3.1 初始风险分析

图6 Bow-tie分析结果示意

按照中国石化安全风险矩阵[12](如图7所示)，对LNG泄漏及泄漏之后引起火灾、爆炸和人员中毒、窒息的初始风险等级(Raw Risk)进行分析。其中，后果严重性等级由轻到重分为A、B、C、D、E、F、G7级，可能性等级由小到大分为8级。风险矩阵中每一个具体数字代表该风险指数值，最小为1，最大为200。风险指数值表征了每一个风险等级的相对大小。分析结果如表1所示。

图7 中国石化安全风险矩阵示意

风险描述发生的可能性后果严重性风险等级风险级别LNG泄漏6DD6较大风险火灾、爆炸6EE6重大风险人员中毒、窒息6DD6较大风险

3.2 保护层分析

保护层分析(LOPA)是基于事故场景的半定量分析方法，其目的是评估保护层的有效性和完整性，从而降低风险等级[13]。LOPA通常使用初始事件后果严重程度和初始事件减缓后的频率大小近似表征场景的风险，场景为单一的原因/后果时，存在各种阻止事故后果发生的不同类型保护层，如果其中的一个保护层按照设计的功能发生作用，则可以阻止事故后果的发生[14]。如图8所示[15]。

图8 保护层分析方法示意

为了降低LNG泄漏及泄漏引发火灾、爆炸和人员中毒、窒息的风险，针对失效的两项屏障措施，结合保护层分析方法，提出增设压力联锁和设置合理的安全防护间距两项独立保护层(IPL)措施。

其中，增设压力联锁，属于提高安全仪表功能，按照最低SIL等级SIL1考虑，采取的PFD(Probability of failure on demand)为1×10-2；设置合理的安全防护间距，属于本质安全设计，采取的PFD为1×10-2。

3.3 剩余风险分析

通过增设以上保护层，发生LNG泄漏的初始概率降低，其剩余风险(Residual Risk)等级降低为一般风险；发生火灾、爆炸的风险等级降低为一般风险；发生人员中毒、窒息的风险等级降低为一般风险如表2所示。

4 结论

以LNG回收站场存在的重大风险为研究对象，通过采用Bow-tie模型、保护层分析及风险矩阵等风险评估方法进行研究，主要得出以下结论。

a)LNG回收站场存在着LNG泄漏并引起火灾、爆炸和人员中毒、窒息风险，利用Bow-tie模型对风险的危害因素进行分析，查出了LNG生产管理过程中存在的缺陷。

表2 剩余风险等级评估结果

b)增设独立保护层，提高LNG回收工艺和设备、设施的本质安全程度，可大大降低生产安全风险等级，从而对LNG回收安全风险进行有效管控。

5 参考文献

[1] 陈银泉，唐振宇，张晓锋．关于推动我国LNG产业发展的思考[J]．中国海上油气，2015，27(01)：125-130.

[2] 王俊清．LNG泄漏扩散规律及危险浓度区域研究[D]．济南：山东建筑大学，2017.

[3] Meroney R N, Neff D E, The Behavior of Lng Vapor Clouds:Wind-Tunnel Tests on the Modeling of Heavy Plume Dispersion[R]. Gas Research Institute Repor, Chicago, 1982.

[4] Meroney R N, Neff D E. LNG Vapor Barrier and Obstacle Evaluation Wind-Tunnel Prefield Teat Results[R]. Lawerence Livermore Laboratory Report, California, 1986.

[5] Nielsen M, Ott S. Acollection of data from dense gas experiments[EB/OL]. Denmark: Riso National Laboratory, 1996[2010-03-05].

[6] 刘旭红，张湘凤，宋贤生，等．火灾爆炸CFD数值模拟在LNG接收站中的应用[J]．石油化工安全环保技术，2017，33(03)：29-32，61.

[7] 庄学强．大型液化天然气储罐泄漏扩散数值模拟[D]．武汉：武汉理工大学，2012.

[8] 李庞，冯良，王昱．LNG加气站主要危险因素及防护措施[J]．油气储运，2017，36(07):855-860.

[9] 张爱国，郑德鹏．2016年全球LNG市场特点及前景展望[J]．国际石油经济，2017，25(04)：66-72，86.

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[11] 王旭，张可旺．基于bow-tie的保护层分析法在风险分析中的应用研究[J]．青岛理工大学学报，2015，36(06)：93-98.

[12] 万古军．基于风险值的中国石化安全风险量化分级管控[J]．安全、健康和环境，2018，18(01)：40-43.

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[14] 刘昌华．保护层分析(LOPA)中的独立保护层探讨[J]．安全、健康和环境，2011，11(11)：42-45.

[15] 李荣强，姜巍巍，曹德舜．保护层分析在确定安全完整性等级中的应用[J]．安全、健康和环境，2016，16(12)：14-17.