沼气工程火灾爆炸定量风险分析方法研究

白永强研究员 吕良海研究员

(1.北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所 安全生产技术中心，北京 100054；2.城市有毒有害易燃易爆危险源控制技术北京市重点实验室，北京 100054)

0 引言

随着经济发展和环境治理要求的提高，我国对清洁能源的需求量越来越大，新能源的开发和利用成为一个十分迫切的问题。在此背景下，沼气资源作为一项极具应用前景的新能源，其开发利用是解决能源紧张形势下农村能源供应问题的有效措施，其发展日益受到国家重视。合理开发和利用农村生物质资源，发展沼气产业能够大大缓解我国能源供应缺口，有效减少环境污染，这也是我国实现可持续发展的重要内容之一。然而由于目前农村沼气工程的建设、运行和管理不当等因素，导致沼气利用过程中存在大量隐患，给农村安全造成了不可忽视的影响。

沼气是一种具有易燃易爆特性的混合气体，其主要成分是CH，含量一般为50%～70%，此外还有CO和少量的N、H和HS等。CH是一种火灾危险性为甲类的易燃易爆气体，与空气混合达到爆炸极限后，遇热源或明火会发生爆炸。近年来，随着沼气工程的快速发展，在沼气生产、运行过程中引发的火灾爆炸事故时有发生，造成大量的人员伤亡和财产损失。2009年印度埃尔纳古勒县一处大型沼气站在试车过程中发生爆炸事故，造成4死3伤。2011年北京某养殖场沼气工程项目已经建成并投入试运行，在试运行的过程中沼气压缩机间发生可燃气泄漏爆燃伤人事件。2015年湖北省鄂州市鄂城区路口收费站旁一沼气罐施工现场发生燃爆事故，造成2人受伤。因此建立沼气站火灾爆炸定量风险评估方法，开展风险评估与控制，对预防沼气工程火灾爆炸事故的发生具有重大意义。

1 沼气工程风险评估方法

1.1 定量风险评估方法

风险评估方法有很多，根据评估结果可将现有的方法分为定性、定量和半定量方法。定性评估方法不对风险结果进行量化处理，只做定性比较，使用系统工程方法，将系统进行分解，依靠人的观察分析能力，借助有关法规、标准、规范、经验和判断能力进行评估，如头脑风暴法、风险矩阵等。定量风险评估(Quantitative Risk Assessment，QRA)，将风险可能性和后果进行量化后给出风险大小，根据历史事故统计分析、火灾爆炸分析模型等，建立数学分析模型计算精确的失效概率和事故后果分析方法，精确描述风险，如概率评估法、数学模型计算评估等。半定量方法是介于定性和定量之间的评估方法。由于沼气站发生火灾爆炸事故极有可能造成严重的人员伤亡和财产损失，因此计算沼气站固有风险采用定量风险评估方法(QRA)比较合适。

QRA方法应用于事故风险评估的具体步骤，如图1。评估步骤主要包括事故概率分析、事故后果分析、风险值计算、判别是否可接受等步骤。

图1 定量风险评估方法总体框架Fig.1 The general framework of the quantitative risk assessment method

1.2 事故概率分析

沼气泄漏是引发火灾、爆炸等重大危险的根源，可通过对设备设施基础泄漏概率进行分析得到沼气泄漏概率的大小，一般通过历史事故统计或事故树分析得到。目前，国外一些研究机构公布了一部分数据可供参考，如1982年荷兰的研究小组在COVO研究报告中公布了部分设备的基础泄漏概率，2005年挪威船级社(Det Norske Veritas,DNV)也公布了其研究的统计数据。此外，英国健康和安全局(Health and Safety Executive，HSE)、美国化工过程安全中心(Center for Chemical Process Safety，CCPS)等都有类似的数据库，可直接获得各类设备的泄漏概率。国内研究人员根据国外数据，结合定量风险评估实例，归纳推荐给出我国相关设备、设施定量风险评估的基础泄漏概率，见表1。

表1 用于危险源定量风险评估的泄漏概率表Tab.1 Leakage probability used in quantitative risk assessment of hazards

1.3 事故后果分析

如果沼气在泄漏的一开始就被点燃，则会发生稳态燃烧，即为扩散燃烧。而若沼气开始泄漏时未被点燃，泄漏的沼气在空气中不断扩散，在相当大的空间范围内形成云状气团，遇到火源时，可能被点燃。但由于外在环境不同，产生的火灾爆炸形式也不同：开放空间，遇火源后没有加速及跃升效应，则发生闪火；局限空间，遇火源后没有加速及跃升效应，发生气云爆炸；泄漏即遇到火源发生稳态燃烧，产生喷射火焰。

为便于分析，可采用事件树方法分析，如图2。由图2分析可以发现，沼气泄漏后，受点火源和外部环境影响，可能发生的火灾爆炸形式包括：闪火、气云爆炸、稳态燃烧(喷射火焰)。

图2 沼气工程火灾爆炸事件树Fig.2 Event tree for fire and explosion of the biogas engineering

由图2可以看出，沼气泄漏事故主要有闪火、气云爆炸、稳态燃烧(喷射火焰)和中毒窒息4种可能的类型。表2给出的是美国石油学会(American Petroleum Institute，API)提供的燃气泄漏后表现形式和发生概率，沼气泄漏后的各种表现形式可参照执行。

表2 燃气泄漏后的表现形式和发生概率Tab.2 The performance form and occuence probability of gas leakage

(1)喷射火焰热辐射。人员在喷射火焰热辐射影响下的死亡概率可表示为：

(1)

式中：

t

—暴露时间，s；

s

—热辐射伤害面积，m

P

—死亡概率；

P

—伤害概率。

进一步推导式(1)可得热辐射引起的人员伤害概率可得：

(2)

式中：

I

—辐射热流量，J/(m·s)。

根据API RP521，火源产生的辐射热流量可表示为：

(3)

式中：

η

—辐射热占总释放热的比例，对于CH可取0.2；

τ

—大气的透射率，一般可取1；

Q

—可燃气体泄漏流量，kg/s；

H

—可燃气体的燃烧热，对于CH可取5×10J/kg；

R

—目标离火焰的距离，m。

将式(3)带入式(2)可得：

(4)

(2)闪火和爆炸。闪火和爆炸可参考我国行业标准《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046-2013)分析：闪火的火焰区域等于点燃时可燃云团燃烧下限(Lower Flammable Limit，LFL)的范围。闪火火焰区域内，人员的死亡概率值为100%；闪火火焰区域外，人员的死亡概率值为0。

对于蒸气云爆炸，在0.03 MPa超压影响区域内，人员的死亡概率为100%；在0.01 MPa超压影响区域外，人员的死亡概率为0。

(3)中毒窒息。除CH外，沼气还含有HS和CO，具有毒性。毒性介质泄漏后果分析时，应首先确定介质的毒性影响准则。在API 581中，推荐使用50%的致死率确定毒性影响，毒性后果面积即中毒致死面积用致死率不小于50%的区域面积表示，使得致死面积求解过程大大简化。

1.4 风险分析

风险可用个人风险(全称Individual Risk,IR)和社会风险(Societial Risk,SR)2个指标来衡量。个人风险是指事故发生时造成设施附近任意给定地点上人员死亡的可能性(概率)。个人风险主要取决于危险点的地理位置，与人员是否存在于该点无关。社会风险用于描述人受到伤害的可能性。

(1)个人风险值计算。设施附近的个人风险可表示为：

(5)

式中：

i

—不同事故场景编号；

φ

—第

i

个事故场景概率；

P

—各种事故场景的人员死亡概率。

(2)社会风险。一般用某一给定地区发生事故时造成的死亡人数和累积事故率之间的关系表示社会风险。死亡人数用下式计算：

(6)

式中：

N

—事故

i

导致的死亡人数；

A

—事故

i

对应的危险区域面积，m；

ρ

—人口密度，人/m。对于人员死亡数

N

≥

N

的累积事故率为：

F

=∑

φ

u

(

N

≥

N

)

(7)

其中，

u

(

N

≥

N

)为单位函数，若

N

≥

N

，则

u

=1；若

N

<

N

，则

u

=0。

(3)风险可接受水平判别。到目前为止，我国还没有制订风险可接受水平标准，而国外已经建立比较完备的个人风险可接受标准和社会风险可接受标准，国际上通常采用国家人口分年龄段死亡率最低值乘以一定的风险可允许增加系数，作为个人可接受风险的标准值。如：荷兰、英国等不同国家均颁布了个人可接受风险标准。表3给出了一些国家和地区制定的个人可接受风险标准。

表3 部分国家、地区和机构制定的个人可接受风险标准Tab.3 Individual risk criteria issued by some countries and organizations

2014年，国家安监总局公布的《危险化学品生产、储存装置个人可接受风险标准和社会可接受风险标准(试行)》，发布了我国的个人可接受风险标准，见表4。

表4 我国制定的个人风险可接受标准Tab.4 Individual risk criteria issued by China

2 结论

本文结合国内外石油化工行业风险分析模型，建立沼气站定量风险评估分析方法，可为沼气工程在风险管理、应急救援、土地使用、安全规划等方面提供分析工具，为控制重大危害事故、减少人员伤亡、财产损失和环境保护提供重要手段。

沼气工程实际情况十分复杂，本文建立的定量模型还存在一定不足，主要表现在：

(1)国内缺乏事故统计数据，本文的事故概率采用国外数据，而现实中国内事故率往往高于国外事故率，故计算结果会存在一定偏差。因此，我国急需建立相关事故统计分析机制，得到符合我国实际的事故基础概率数据。

(2)实际中，事故的发生受企业安全管理状况、操作及管理人员水平、设备设施维护与管理水平、应急管理等多种因素影响，事故发生概率和可能后果都是动态变化，因此实际风险评估中应综合考虑多种因素，关注动态风险变化，实施有效控制。