安全系统思维下盐穴压气储能风险评估与动态仿真研究

陈 伟,陈 凯

(江苏苏盐井神股份有限公司,江苏 淮安 223200)

1 前言

在我国能源转型和双碳战略的大背景下,抽水蓄能、压气蓄能和电池储能是三大主要储能技术。相比抽水蓄能的地势要求,电池蓄能的环境挑战,压缩空气储能在有盐穴的地方可以利用盐穴,没有盐穴的地方依靠人工造穴,地质限制小,具备大规模建设的基础,另外还有规模大、启动快的优点[1]。由于储气库系统可能受腐蚀、误操作、盐岩蠕变等危害因素的不良影响,造成储气库稳定性和安全可靠性降低,甚至引发灾难性的事故,如气体泄漏、溶腔失稳和库区地表沉陷等,地下储气库的安全问题不容忽视。

2 盐穴压气储能研究综述

针对盐穴储能项目安全风险研究,主要集中于储气库风险研究。骆正山等[2]采用未确知测度理论、变权理论和改进的集对分析方法建立盐岩储气库建腔期稳定性评价体系,定量评估稳定性等级,分析评价体系状态变化趋势。罗金恒等[3]以盐穴地下储气库作为研究对象,采用系统分析、故障树分析、定量分析方法等进行研究,为盐穴地下储气库安全管理提供了依据,同时可为枯竭油气藏型和含水层型储气库的安全管理提供参考。唐彬[4]将盐穴地下储气库划分为四个单元,分别对其运行期间主要危险有害因素进行分析,并针对相应风险控制措施进行探讨,为盐穴地下储气库的运行安全管理提供思路。

3 基于系统动力学的风险模型建立

3.1 主要风险因素分析

盐穴压气储能项目存在的风险因素主要分布在储气腔体、注采井、注采站、配套集输管道四个单元。储气腔体是风险最高的单元,主要包括注采周期频繁产生交应变力作用于腔体,盐岩层失稳,腔体长期低压或高压运行,腔体周围进行打井、采盐活动等影响腔体的稳定性发生坍塌事故;注采井是腔体储气安全的重要保障,存在的风险主要有人为操作不当、套管腐蚀、封隔器失效、井下安全阀失效、井口设备阀门缺陷等;注采站是对气体进行增压、脱水等处理的场所,存在的主要风险包括员工操作不当、自控系统失效,设备、阀门锈蚀故障,法兰、焊口和密封存在缺陷等导致气体泄漏,机泵转动部位防护缺失或缺陷,安全阀失效等;集输管道的风险主要包括管道腐蚀、疲劳失效及第三方施工破坏而引起的泄漏、爆炸。

3.2 系统结构分析及模型构建

安全风险的控制措施包括工程技术措施、管理措施、教育培训措施、应急处置措施等。对上述风险分析结果进行研判,文章从组织影响层、事故层及安全监管层三方面着手建立风险分析模型,模型的边界只涉及到与其相关的因素,不考虑其他主体。为分析各风险因素之间的相互关系以及作用路径,建立盐穴压气储能项目的因果关系图,因果关系模型见图1,模型中包括一条正反馈回路和一条负反馈回路。

图1 盐穴压气储能系统因果回路图Fig.1 Causal circuit diagram of salt cavern compressed gas energy storage system

正反馈回路:组织影响层风险↑→事故层风险↑→总体风险↑→组织影响层风险↑。

负反馈回路:组织影响层风险↓→安全监管层风险↓→事故层风险↓→总体风险↓→组织影响层风险↓。

组织影响层风险通过正、负反馈对总体风险进行调节,正反馈环的自我强化效果使得总体风险增强,负反馈环的自我弱化作用则会使总体风险降低,在正负反馈环的共同调节作用下,风险系统逐渐趋于动态平衡。

根据因果关系图及系统结构流图定性分析,借助VENSIM软件构建出如图2所示的盐穴压气储能系统存量流量图。状态变量包括:组织影响层、安全监管层、事故风险、总体风险;辅助变量包括:设备技术管理、组织决策效率、人员配置管理水平、应急监管、蓄能监管、风险预防、人为因素可靠度、设备因素可靠度等;速率变量包括:影响速率a、影响速率b、影响速率c。

图2 盐穴压气储能系统流图Fig.2 Flow diagram of salt cavern compressed gas energy storage system

4 动态仿真模拟研究

建立风险评价模型,模拟参数设定:时间,1～365 d;间隔,1 d。

4.1 组织影响层A

(1)组织决策效率A1=(设备技术管理水平A11+人员配置管理水平A12)/2。

设备技术管理水平A11=(〈Time〉-1/〈Time〉)/365。

人员配置管理水平A12=〈Time〉/365。

(2)参照“反向艾宾浩斯记忆遗忘曲线”,规章制度执行度A2=0.56〈Time〉^0.06。

(3)影响速率a=(组织决策效率A1+规章制度执行度A2)/2。

4.2 安全监管层效用B

根据赵欣等[5]提出的安全监管效能计算公式:

式中:c为过程安全监管效能值;T为作用时间,T={0.1,1},其中作用时效为长期作用时T=1,作用时效为短期作用时T=0.1;S为作用强度,S={0.5,1},其中直接作用时S=1,间接作用时S=0.5;λ为监管环节的资源分配比例;n为监管环节数。

其中:蓄能过程监管B1=[0.17*(1+1)]*〈Time〉=0.34*〈Time〉,λ=0.17,T1=1,S1=1;应急监管B2=[0.26*(1+1)]*〈Time〉=0.56*〈Time〉,λ=0.26,T1=1,S1=1;安全教育B3=[0.087*(0.5+0.5)]*〈Time〉=0.087*〈Time〉,λ=0.087,T1=0.5,S1=0.5;

风险预防B4=[0.48*(0.5+0.5)]*〈Time〉=0.48*〈Time〉,λ=0.48,T1=0.5,S1=0.5。

4.3 事故风险层C

根据任工昌等人[6]、刘亮辉等人[7]关于人机系统及其可靠性方面的研究成果,在串联系统中,任何子系统发生失误就会导致系统整体失误,因此必须保证所有的子系统都正常。

其可靠度的计算公式为:

式中:RC为系统可靠度,Rci分别为人为因素、设备因素、环境因素可靠度。

参照《基于HFACS的盐穴压气储能安全分析及风险管控对策研究》[8]的研究结果,人为因素可靠度C1的权向量为(0.139 6,0.332 6,0.527 8),设备因素可靠度C2的权向量(0.085,0.085,0.171 4,0.284 5,0.374 2),环境因素可靠度C3的权向量为(0.5,0.5),开展如下模拟计算。

(1)人为因素可靠度C1。

专业技能水平C11:专业技术岗位分为13个等级,包括高级岗位(7个)、中级岗位(3个)、初级岗位(3个),此处专业技能水平C11设置input output object数值滑动条,区间在[0,1],间隔为1/13,即0.076 9。文章模拟设定初始值为0.538 5。

判断力C12,即经验水平,经验公式拟合函数=(1/12)*〈Time〉^0.5=0.083 3*〈Time〉^0.5。1/12表示一周年内12个月,每个月逐级递增。

自控系统操作水平C13,现代盐穴压气储能腔体自控系统操作水平可到95%以上,因此设定input output object数值滑动条,区间在[0.95,1],间隔为0.01,文章模拟设定初始值为0.98。

根据各风险因素的权重,人为因素可靠度Rc1=(0.139 6*专业技能水平C11)*(0.332 6*判断力C12)*(0.527 8*自控系统操作水平C13)。

(2)设备因素可靠度C2。

压缩机组运行率C21:设定input output object数值滑动条,区间在[0.95,1],间隔为0.01,文章模拟设定初始值为0.98。C22、C23、C24、C25的设定参考C11。

根据各风险因素的权重,设备因素可靠性RC2=(0.085*压缩机组运行率C21)*(0.085*膨胀发电机组运行率C22)*(0.171 4*集输管线系统运行率C23)*(0.284 5*计量调压设备运行率C24)*(0.374 2*储气库腔体运行率C25)。

(3)环境因素可靠度C3。

总投入,根据苏盐井神某储气库一期项目,投资设定为223 100万元,形成库容气量103 500万m3。根据各风险因素的权重,环境因素可靠度RC3=0.5*223 100/(0.5*103 500)=2.156。

5 模拟结果及措施建议

5.1 模拟结果

(1)状态变量风险对比。

随着时间的变化,组织影响层、安全监管层、事故风险层的作用使风险量均呈下降趋势,且安全监管层的下降比例最大,其次是事故风险层,组织影响层风险下降比例最小;总体风险呈先下降后上升趋势,在6个月～7个月的时间点,总体风险量最低,1 a后总体风险量超过1 a前风险量,这是由于在前期组织影响层、安全监管层等措施的影响下使得总体风险下降,但是随着时间的延长,控制作用减弱,新的风险因素暴露出来,总体风险反弹上升。

(2)影响速率对比。

影响速率随着时间的变化均呈上升趋势,各因素在作用时间内起到降低风险量的作用;影响速率b>影响速率c>影响速率a,在单位时间内,安全监管效应层应急监管、蓄能过程监管、风险预防、安全教育对风险水平的影响作用最大;组织影响层组织决策效率、规章制度执行度对风险水平的影响作用最小。

(3)组织影响层各因素对比。

组织影响层中规章制度执行度在开始执行阶段对风险水平的降低有良好的促进作用,在执行中可能存在制度不健全、执行力度差等问题使得对风险水平的降低作用减缓;组织决策效率在整个周期中对风险水平有调节作用呈线性关系,受单一因素的影响。初始阶段,规章制度执行度和组织决策效率对风险水平的影响作用相同,随着作用时间的延长规章制度执行度对风险水平的影响作用占比更大。

(4)安全监管层各因素对比。

应急监管、风险预防、安全教育、蓄能过程监管在运行过程中均对风险水平的调节有良好促进作用。

(5)事故风险层各因素对比。

由于盐穴压气储能项目腔体容量、项目投入是固定的,所以环境因素可靠度对风险水平的作用不会随时间进行变化;压缩机组运、膨胀发电机组、计量调压等设备在运行过程中运行率在0.95～1的范围内滑动,变化量极小,所以设备因素可靠度对风险水平的影响作用几乎不变;由于人员技能、判断能力以及自控操作能力的提升,使得风险水平降低,到项目后期人员技能、判断能力,以及自控操作能力相对稳定,使得项目风险水平也逐渐稳定。

(6)相对性分析。

①组织影响层敏感性分析。

由模拟结果可知,组织决策效率敏感性分析带宽为50%左右,规章制度执行度敏感性分析带宽为60%左右,因此在敏感性排序上,规章制度执行度优先于组织决策效率。

②安全监管层敏感性分析

由模拟结果可知,蓄能过程监管、应急监管、安全教育、风险预防敏感性分析带宽分别为35%、50%、50%、60%左右,因此在敏感性排序上,风险预防优先于应急监管和安全教育、应急监管和安全教育优先于蓄能过程监管。

③事故风险层敏感性分析。

事故风险层的主要影响因素按类别可分为人、机、环等三要素,要素之间重要性缺一不可,同等重要,因此无需再做敏感性分析。

5.2 措施建议

为预测盐穴压气储能项目的安全风险水平,文章对盐穴压气储能项目进行了基于系统动力学的动态仿真模拟研究,根据研究结果,提出措施建议:

(1)在项目运行前期,必须牢固树立安全体系化管理理念,扎实推进本质化安全措施落地,着重降低人员风险,提高作业人员的作业能力、分析能力和应急处理能力,使人成为盐穴地下储气库安全保障体系稳定的核心因素。

(2)在项目运行过程中,设备和工艺过程管理尤其重要。盐穴储气库注采气过程是一个复杂的热动力平衡过程,注采管柱、井壁、腔体围岩在注采气过程中会不断受到交变应力、热量交换腔体蠕变的影响,可能引发气体泄漏、井筒损坏、坍塌等事故。在运行中需严格控制注采过程的密封性,确保较高的井筒质量,避免气体泄漏、井筒损坏等;井套管应采用高强度厚壁气密封套管,防止盐岩层蠕变被挤毁,发生坍塌,做好风险预防。

6 总结

文章对盐穴压气储能项目的主要风险因素进行了分析,从组织影响层、事故层及安全监管层三方面着手建立风险分析模型,根据VENSIM仿真模拟结果,提出相关措施建议,总结如下:

1)组织影响层、安全监管层、事故风险层的作用均会降低总体风险,且安全监管层对总体风险的影响效果最为明显;在单位时间内,安全监管效应层中的应急监管、蓄能过程监管、风险预防、安全教育对风险水平的影响作用最大。

2)组织影响层中组织决策效率、规章制度执行敏感性带宽分别约为50%、60%,规章制度执行度优先于组织决策效率,充分证明安全管理体系化运行的重要性、独立性。安全监管层中蓄能过程监管、应急监管、安全教育、风险预防敏感性带宽分别约为35%、50%、50%、60%,风险预防对总体风险的控制效果最好,在项目运行过程中,设备和工艺过程管理尤其重要,需降低注采过程交变应力的影响,严格控制注采过程的密封性,确保较高的井简质量,井套管应采用高强度厚壁气密封套管,防止盐岩层蠕变被挤毁,发生气体泄漏、坍塌等事故。事故风险层敏感性分析说明各要素之间缺一不可,敏感性一致。