天然氣排污工藝設計安全性分析

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摘要:天然氣管道輸送最大的安全風險在于大量的天然氣泄漏并因此導致的火災、爆炸、傷亡或損毀。天然氣站場的工藝設計標準往往比較簡單，對一些方面的設計要求不夠明確，導致工藝設計安全性不高，存在因閥門失效或者操作不當導致管線爆炸或者大量天然氣外漏的風險。從天然氣站場排污系統設計入手，分析設計中存在的不足，運用Bow-tie分析方法進行危害分析，提出改進措施，并由此說明對天然氣站場進行全面工藝安全分析和工藝風險控制的必要性。

關鍵詞:天然氣站場;排污系統;工藝設計

天然氣管道輸送最大的安全風險在于大量的天然氣泄漏導致的火災、爆炸、傷亡或損毀。管道天然氣輸送企業采取了一系列風險管控措施，控制天然氣泄漏風險，包括實施嚴格的施工質量控制，建立嚴格的巡線制度，采用先進的技術對管道進行定期檢查，進行嚴格的作業許可管理并采用可靠的工藝隔離標準等。由于工藝安全分析的概念和設計實踐引入我國只有十幾年時間，早期的工藝流程設計只是簡單的滿足適用的設計標準，相關的工藝安全風險沒有得到充分的認識和有效的控制，并因此導致一些工藝事故的發生。

1常見的天然氣站場排污系統設計

天然氣站場的基本工藝流程為:天然氣經進站閥進入站場，經過濾分離、調壓計量向下游供氣。排污系統卻不盡相同，來自站場雜質排入排污池或排污罐(地上或地下)。其中系統的工作壓力一般為10MPa左右，排污系統管線和儲罐壓力約為1.6MPa。

2國內外相關設計標準

通過查閱國內外相關設計標準可知，《石油天然氣工程防火設計規范》(GB50183-2004)第6.8.12條規定:天然氣管道清管作業排出的液態污染物若不含甲乙類可燃物液體，可排入就近設置的排污池;若含有甲乙類可燃液體，應密閉回收可燃液體或在安全位置設置凝液焚燒坑。該標準只有針對清管作業排污的相關要求，沒有對天然氣站場正常工作排污設施做出要求，而增加了污水排水設施要求的《石油天然氣工程防火設計規范》(GB50183-2015)將暫緩實施。《輸氣管道工程設計規范》(GB50251-2015)中第6.2.6規定:輸氣站生產的污液宜集中收集，應根據污染源的點位、數量、物性參數等設計排污管道系統，排污管道的終端應設排污池或排污罐。美國石油協會(AmericanPetroleumInstitute，API)在2009年7月的第1版《陸上石油天然氣生產保護環境的作法》(APIRECOMMEND-EDPRACTICE51RP，FIRSTEDITION，JULY2009)中7.3.2規定“只要實際可行，應使用罐代替排污池”。國際標準化組織(InternationalOrganizationforStandardization，ISO)的《石油和天然氣工業管道輸送系統》(ISO13623-2008)7.2條規定，排污管線應設置在安全地方。通過對比以上標準可以發現:國內外標準對天然氣站場排污系統設計要求比較簡單，且差別不大，在設計實踐中很容易滿足相應的設計標準要求。

3對設計為排污池的工藝安全分析

3.1設計為排污池可能發生的工藝事故。天然氣站場排污池用放置蓋板對池子進行封閉。如果發生手動排污閥門內漏，手動排污閥在操作時發生故障不能關閉，自動排污閥控制系統失效等狀況時，大量的天然氣將進入排污池并從排污池開口處的縫隙外泄，在一定范圍內形成爆炸混合物，產生閃爆的危險。3.2排污池的工藝安全分析。以下是采用Bow-Tie方法，對排污系統采用排污池設計的工藝安全分析，見圖1:圖1排污系統采用排污池設計的Bow-Tie分析通過圖1排污池Bow-Tie分析可以做出以下判斷:1)手動閥門內漏比較常見，但閥門內漏一般泄漏量都比較小。因此，由于閥門內漏導致大量天然氣進入排污池的可能性也非常小，相應的風險應當可以接受。2)如果手動排污閥門突然損壞(比如閥門把手脫開)，打開后不能關閉，則高壓天然氣進入排污池。3)如果排污閥是通過液位控制的自動閥門，若控制系統失效或者閥門發生故障，液位不能控制閥門的關閉或者閥門本身因為故障不能關閉，加上排污時現場可能并沒有操作人員值守，則很有可能導致大量天然氣進入排污池。4)當大量天然氣進入半敞式排污池時，天然氣很有可能從鐵板與排污池開口處的縫隙泄漏，在排污池開口處一定范圍內形成爆炸混合物。5)天然氣站場開闊區域一般不設置天然氣泄漏監測與報警系統和天然氣泄漏監測驅動的ESD安全聯鎖裝置。當大量天然氣從排污池泄漏時，不能被第一時間發現實施緊急關斷并對泄漏源進行隔斷，導致緊急狀況的持續存在及有可能的事態升級。6)天然氣站場內采取了一定的防靜電措施，比如穿戴防靜電服，安裝并使用靜電釋放樁，但無法完全避免身體產生靜電并發生足以點燃天然氣的靜電釋放;站場內按照要求安裝了符合防爆等級的電氣設備，但很多天然氣站場并沒有禁止員工將手機帶人生產區域，未關閉的手機有可能點燃泄漏的天然氣;持有動火作業許可證可以在站場內進行動火作業，如果當大量天然氣從排污池泄漏，正好排污池附近又有正在進行的動火作業活動，就有可能發生閃爆。7)排污池區域一般并沒有實施隔離，人員可以進入排污池危險區域。當大量天然氣進入排污池，并發生閃爆，如果有人員在此區域，就會導致人身傷害。3.3對設計為排污池的工藝安全建議。根據以上Bow-Tie工藝安全分析，提出以下工藝安全建議:1)手動排污閥處設置雙閥，一旦一個閥門忽然損壞，打開后不能關閉，可以使用另一個閥門中斷排污過程。2)如果不需要頻繁排污，則不建議采用自動排污設計。由于自動排污一般沒有人員值守，一旦自動排污閥門的控制系統失效或者閥門本身發生故障不能關閉，就會導致大量天然氣進入排污池。如果必須采取自動排污設計，則應將自動排污系統當作關鍵裝置為其建立預防性維護保養計劃(PM)，同時考慮設置超低液位監測與自動關斷聯鎖裝置，避免大量天然氣進入排污池。3)將排污池開口處密封并設置足夠管徑的放空管，將可能排入排污池的天然氣引至安全的位置放空。采取這種設計時要計算并確保放空管的管徑足夠大，在極端情況下也不至于使排污池憋壓，同時要考慮放空管的高度，避免天然氣從放空管排出后在地面形成爆炸混合物，另外要考慮的問題包括不能在放空管上設置隔離閥，避免因關閉隔離閥而使排污池憋壓，還要考慮在放空管上設置阻火裝置，避免雷電引燃從放空管排出的天然氣。4)在排污池區域設置燃氣監測與報警裝置，當監測到一定濃度的天然氣，比如20%LEL時發出警報，當天然氣濃度達到更高值，比如40%LEL時自動實施局部或者全場緊急關斷。5)禁止將手機、照相機等非防爆電氣設備帶入站場生產區域，如果需要，則應按照動火作業申請動火作業許可。6)劃定排污池危險區域，對該區域實施物理隔斷，禁止無關人員進入。排污池污水裝車外運作業時，采取5)中所列的措施避免交叉作業。如果需要進入排污池進行檢查或者維修，則應采取進入受限空間所要求的安全措施，對所有進入排污池的管線進行絕對隔離(如加裝盲板)。

4對設計為排污罐的工藝安全分析

4.1設計為排污罐可能發生的工藝事故。天然氣站場采用排污罐排污其最主要的風險來自于超壓并因此導致的管線或者罐體爆炸。由于天然氣站場高壓部分壓力可達10MPa，而排污系統設計壓力都比較低，一般只有1.6MPa，如果高低壓分界處隔斷可靠性不高，或者人員失誤打開或關閉某個閥門，造成高壓天然氣進入低壓部分并超出低壓部分能夠承受的壓力，將會導致低壓部分發生爆炸。4.2對設計為排污罐的工藝安全分析。以下是采用Bow-Tie方法，對排污系統采用排污罐設計的工藝安全分析:圖2排污系統采用排污罐設計的Bow-Tie分析通過排污罐Bow-Tie分析圖可以做出以下判斷:1)存在因閥門內漏、手動排污閥忽然故障，打開后不能關閉，或者自動排污控制系統失效，或者閥體故障，導致高壓氣體進入低壓排污管線與罐的可能性。2)如果沒有進行相應的工程設計核算，高低壓系統設計壓力等級差別太大，在極端情況下，大量高壓氣體進入低壓排污系統，排污管線靠近高低壓分界點處的實際壓力就有可能遠遠高于其能夠承受的壓力，導致靠近高低壓分界點處的低壓排污管線爆裂。3)如果排污管線或者排污罐上設計有隔斷閥，這些隔斷閥被關閉后會導致排污管線或者排污罐憋壓，則將是一種非常嚴重的安全隱患。4)如果排污罐放空管線管徑不足，當大量高壓氣體進入排污罐時，放空不及時，就會導致排污罐壓力升高，超過其可承受壓力。5)排污罐壓力安全閥上游設置有隔斷閥，存在因對其危害認識不足或者人為失誤被關閉的可能性，當這種狀況出現又發生高壓氣體進入排污系統并且憋壓，就會導致排污管線和排污罐爆炸，并因此導致人員傷亡。4.3對設計為排污罐的工藝安全建議。根據以上Bow-Tie工藝安全分析，提出以下工藝安全建議:1)進行工程設計核算，確保當在發生極端情況，大量高壓氣體瞬間進入低壓排污系統時，排污系統靠近高壓分界點處的管線能夠承受由此產生的壓力。2)不在低壓排污系統設置可能導致排污管線或者排污罐憋壓的隔斷閥。如果已存在這樣的隔斷閥，則應將其鎖定在“常開”，并將其列入“開車前的安全檢查表(PSSR)”。3)進行工程設計核算，確保當在發生極端情況，大量高壓氣體瞬間進入排污罐時，排污罐的放空管線能夠將其及時排出，不會導致排污罐憋壓。

5結論

1)目前從工藝安全的角度來看，天然氣站場管線高低壓分界和排污系統的設計有比較明顯的改進空間，應當考慮予以相應的改進，避免因此可能產生的天然氣泄漏甚至爆炸事故發生。2)比較天然氣站場管線高低壓分界和排污系統的國內外設計標準可以看出:滿足設計標準只是工藝安全設計的最低要求，簡單滿足設計標準往往并不能保證工藝安全風險得到有效控制。3)應當對天然氣站場進行全面的工藝安全分析。工藝安全分析只是確保工藝安全的手段，并不是目的，只有通過全面的工藝安全分析，才能將風險控制在合理可行的最低程度。通過闡述天然氣站場排污系統的設計，并且通過Bow-Tie方法分析危害性可能導致的事件，分析導致危害失控的原因，分析是否設置了足夠的技術或者管理“屏障”將可能性及后果嚴重性控制到最低合理可行的程度。在進行相關的工藝設計或者策劃相關的管理系統時，在確保滿足相關適用標準的情況下，通過進行工藝安全分析，采納行業良好作業實踐，使本企業的站場工藝安全風險得到有效的控制。

參考文獻:

［1］GB50183-2004石油天然氣工程防火設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2005.

［2］GB50251-2015輸氣管道工程設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2015.

［3］羅云，樊運曉，馬曉春.風險分析與安全評價［M］.北京:化學工業出版社，2014:104-132.

作者:申永超 單位:中國石油天然氣股份有限公司遼河油田分公司