油气站场可燃物质点火概率取值方式研究

郝郁，刘海滨，笪明强，李德财，高满仓，梁昌晶

(1. 中油国际管道有限公司，北京 100029；2. 中国石油华北油田公司 二连分公司，内蒙古锡林浩特 026000；3. 中国石油集团渤海钻探工程有限公司 井下作业分公司，河北 任丘 062552)

保护层分析(LOPA)方法是美国化学工业联合会在1980年提出的半定量风险评估方法，其目的是在定性分析的基础上，对初始事件发生频率、后果严重程度及独立保护层的失效概率进行定量描述，以实现固定场景的风险评价[1-2]。GB/T 32857—2016《保护层分析(LOPA)》[3]中描述了LOPA分析的基本程序，明确指出初始事件的描述及频率计算中应考虑修正因子，而修正因子中最重要的为点火概率的确定。点火概率为可燃物质泄漏后的引燃概率，与物质特性(闪点、自燃温度、最小点火能量)、泄漏特性(泄漏孔径、泄漏量、泄漏速率、泄漏时长)、周边环境(大气温度、压力、湿度、风速、大气稳定度)等因素有关[4-5]。因此，点火概率的取值对LOPA分析结果的准确性起到至关重要的作用。基于此，梳理计算取值、经验取值和美国油气生产协会(OGP)取值三种方法，采用配对t检验分析OGP取值中不同泄漏特征对点火概率的影响，并通过实例验证不同方法的取值结果，研究结果可为油气管道及站场的风险评价提供实际参考。

1 点火概率计算取值

点火概率包括立即点火概率和延迟点火概率[6]。立即点火为可燃物质泄漏后立即出现明火，其泄漏时与管道或容器内壁摩擦产生的热量足以让可燃物质自燃，与物质本身的燃烧特性、泄漏处温度和泄漏初始压力有关，计算公式如式(1)～式(2)所示：

Pimmign=Pai+Psd=[1-exp(t/tAIT)-9.5]+
[0.002 4×(145.04P)1/3/(EMIE)2/3]

(1)

(2)

式中：Pimmign——立即点火概率，最大值不超过1；Pai——自燃特性概率；Psd——点火能特性概率；t——泄漏物质温度，℃；tAIT——自燃温度，℃；EMIE——泄漏物质的最小点火能，mJ；p——泄漏物质的初始压力，MPa。

延迟点火为可燃物质泄漏扩散后形成足够浓度的蒸气云，当遇到足够的点火源或点火能量时，发生延迟点火。考虑点火源数量、点火源存在概率和泄漏物质特性，忽略泄漏物质随时间扩散的不确定性和点火源参数的空间复杂性，参照《石化装置定量风险评估指南》，定义液体和气体的延迟点火概率Pgasdelign，Pliqdelign分别如式(3)～式(4)所示：

(3)

(4)

式中：qm——泄漏速率，kg/s。

2 点火概率经验取值

2.1 液体立即点火概率

液体泄漏后形成的池火主要有连续泄漏、间歇泄漏两种方式，荷兰应用科学研究组织(TNO)编写的Guidelinesforquantitativeriskassessment(PurpleBook)，CPR18E[7]、MHIDAS数据[8]和Canvey数据等根据泄漏量、点火源数量及泄漏源类型总结了点火概率的取值，见表1所列。间歇泄漏因短时泄漏压力和泄漏流量较大，故点火概率大于连续泄漏，固定容器的点火概率大于移动容器。泄漏流量越大，液池面积越大，点火源数量越多，点火概率越大。在Canvey数据中当泄漏液体扩散至百米范围内的点火概率可直接取0.9。

2.2 气体立即点火概率

气体泄漏后形成气液两相流气团或蒸气云团，当连续泄漏时产生喷射火，当间歇泄漏时产生闪火、火球、沸腾液体蒸气云燃烧，同理根据泄漏量、可燃物质的燃烧特性和泄漏源类型对点火概率进行分类取值，见表2所列。文献[7]按泄漏量细分了固定容器。

表2 可燃气体立即点火概率取值

2.3 气体延迟点火

气体延迟点火与大气条件、泄漏量、泄漏后气化的量、厂区防爆情况和点火源分布情况等有关[9-11]，见表3所列。文献[7]中未见关于气体延迟点火概率的取值，故只统计了MHIDAS数据和Canvey数据的取值情况。

表3 可燃气体延迟点火概率取值

3 点火概率OGP取值

OGP通过实验和数据统计，定义了16种陆上泄漏场景和12种海上泄漏场景，提供了碳氢化合物引发爆炸或持续火灾的概率，给出的数值为总的点火概率，即立即点火和延迟点火概率的和，假设初始点火概率为0.001，则对应的qm=0.1 kg/s。本文以陆上可燃物质泄漏为研究对象，16种场景下的泄漏特征见表4和表5所列。

表4 陆上可燃液体物质泄漏特征

表5 陆上可燃气体物质泄漏特征

OGP给出了不同场景下泄漏流量与点火概率的曲线如图1～图2所示，同时给出了点火概率的计算公式用于补充曲线中的缺失数据，如式(5)所示：

图1 陆上可燃液体点火概率示意

图2 陆上可燃气体点火概率示意

(5)

式中：Pign——点火概率；Pign_upper，Pign_lower——点火概率的上限和下限；qmupper，qmlower——泄漏速率的上限和下限。

在计算过程中，式(5)中右边第一项未对Pign_lower进行对数处理，故计算结果存在错误，且公式过于繁琐。由于LOPA分析为半定量评价方法，只需满足数量级要求，故在点火概率曲线中选取1～4个点作为边界点，如图3所示，设定点火概率范围分别为10-3～10-2，10-2～10-1和10-1～1，其余泄漏速率的点火概率采用线性插值的方式获取，取值情况见表6和表7所列。

图3 边界点选取示意

表6 可燃液体泄漏场景下的点火概率取值

表7 可燃气体泄漏场景下的点火概率取值

4 结果与讨论

4.1 实例分析

对某输气站场进行定量风险评价，假设场景中泄漏点位于储罐区，泄漏介质为甲烷，泄漏方式为25 mm中孔连续泄漏。泄漏速率并不恒定，与时间呈负相关，初始阶段下降较快，之后随时间的延长基本保持不变，假设气体泄漏系数取1，绝热指数为1.307，临界压力为0.186 MPa，计算得到当量泄漏流量为2.5 kg/s，泄漏处温度为25 ℃，压力为0.2 MPa，甲烷燃点为538 ℃，最小点火能为0.47 mJ，根据式(1)和式(3)可计算立即点火概率和延迟点火概率。

参照表2对立即点火概率进行经验取值，但表2中未考虑现场安全防护的情况，根据实际情况，立即点火中的现场安全屏障分为三种： 一是设备或装置进行了防雷、工作、保护和屏蔽接地；二是危险源周围设置了防火堤、防火涂层等被动型安全屏障；三是设置了泡沫灭火系统、喷淋水冷却系统、紧急停车系统等主动型安全屏障。如现场未采取上述三种安全屏障，点火概率取表2中的最大值；如现场采取上述安全屏障中的一种，综合文献[7]、MHIDAS数据和Canvey数据的相关数据，根据泄漏类型和泄漏速率进行取值；如现场完全采取上述三种安全屏障，点火概率取表2中的较小值。参照表3对延迟点火概率进行经验取值，可根据现场防爆和点火源分布情况进行修正，当采取防爆电气设备划分防爆区域时，处理设备、储存设备和装卸设备的点火概率可取0.1。

参照表7进行OGP取值，该场景属于可燃气体的第7个泄漏场景(泄漏点位于站场内)，qm处于1～100 kg/s，采用线性插值的方法确定点火概率。三种取值方法的结果见表8所列。计算取值主要以液化石油气(LPG)，液化天然气(LNG)为样本进行实验获得，有特定的适用范围和假设条件，同时公式存在一定的不确定性，泄漏场景中介质为甲烷，立即点火概率远大于延迟点火概率，但在实际工况中，甲烷需泄漏至爆炸下限的50%才有可能发生闪火，故延迟点火概率应略小于立即点火概率。经验取值是由一系列相关事件统计得出的数据，符合统计学规律，但数据库来源于国外，与国内实际情况存在一定差异，且泄漏速率的范围过于宽泛，如文献[7]中关于固定容器连续泄漏方式中，当qm在10～100 kg/s时，立即点火概率均为0.5，这显然不符合评估对象的实际情况。OGP取值中充分考虑了不同泄漏场景和泄漏速率下的点火概率，且不区分立即点火和延迟点火，在计算上较为简便，从结果上看，取值较前两种方法小了两个数量级，在后续LOPA分析的过程中可减少初始事件发生的频率，减少保护层设置。综上所述，选用OGP取值方法计算点火概率较为合理。

表8 三种方法点火概率取值结果

4.2 显著性分析

从图1～图2中可以看出，不同泄漏特征对点火概率的取值存在较大差异，为直观显示数据差异程度，采用配对t检验进行数据显著性分析，其目的是检验两相关样本的均数所代表的未知总体均数是否存在差异。假设样本观察数量相同，且总体服从正态分布，计算每对样本的差值，根据差值序列的均值，检验均值与零是否存在显著差异，如存在则认为泄漏特征的变化对点火概率的取值存在显著差异，反之，则认为不存在显著差异，检验结果见表9所列。

表9 不同泄漏特征的显著性检验结果

假设置信区间为0.95，当概率P值小于0.05时，检验结果为显著，反之检验结果不显著，分析结果如下：

1)泄漏地点。对于长输管道，液体泄漏中泄漏地点对点火概率的取值有显著影响，而气体泄漏中泄漏地点对点火概率的取值影响不大。

2)防护措施。可燃液体在小型站场中有无防护措施对点火概率的取值有显著影响，而在大型站场中有无防护措施对点火概率的取值影响不大，说明对小型站场设计时，应充分考虑防火堤、防火涂层等防护措施的设置，对大型站场设计时，应将可燃液体的泄漏预防作为重点关注对象。

3)油库面积和泄漏位置。对于可燃液体，油库面积对点火概率的取值有显著影响，对于可燃气体，泄漏位置对点火概率的取值影响不大，因此对大型油库设计时，应设置足够数量的可燃气体探测装置，做好预警、报警及应急管理工作。

4)空气流通性。对于可燃气体，空气流通性对点火概率的取值有显著影响，空气流通性反映了泄漏场景的气流阻塞情况，当站场内设备间距较小时，容易造成可燃气体积聚，超过爆炸下限点火概率大幅提高。

5)站场规模。对于可燃气体，站场规模对点火概率的取值有显著影响，大型站场因空间有限、设备众多，其防火间距往往达不到设计要求，点火概率始终高于小型站场，故大型站场的管理难度高于小型站场。

5 结束语

针对LOPA分析中点火概率取值困难的问题，分别描述了计算取值、经验取值和OGP取值三种方法，并通过实例分析验证三种方法的优劣性，其中OGP取值充分考虑了不同泄漏场景和泄漏速率下的点火概率，且不区分立即点火和延迟点火，在计算上较为简便，综合考虑，确定OGP取值方法计算点火概率较为合理。

采用配对t检验对OGP点火概率的数据进行了显著性分析，从泄漏地点、防护措施、油库面积、泄漏位置、空气流通性和站场规模等方面考虑，并根据分析结果给出了站场工艺布局的调整依据。