油气站场多危险源个人风险评价技术研究

李秀刚

中国石油招标中心新疆分中心

油气站场是油气资源开发场场所的重要组成部分，承接上游开采和下游销售。站场与单一线状管道相比，具有工艺复杂、设备众多、风险源交叉等特点，一旦发生火灾、爆炸或泄漏事故，会对周围环境和人员造成破坏性损伤，甚至引发多米诺效应[1-2]。因此，考虑油气站场内多危险源的交互影响，并对其进行综合风险评价尤为重要。

目前，国内外针对区域内危险源的定量风险评价进行了大量研究。杨克等[3]针对天然气泄漏引发的蒸气云爆炸进行了计算，分析了泄漏时间对伤亡半径的影响；王云慧等[4]分析了火灾发生后热辐射通量与热源距离之间的关系，并修正了无量纲超压拟合模型；刘明明等[5]针对橇装天然气处理设备，采用Probit 函数计算了二次事故对周围设备的多米诺影响；CHEN Luwang 等[6]提出了将GIS 系统与层次分析法结合，用于确定区域内的风险等级；ABDOLHAMIDZADEH等[7]采用蒙特卡洛大数模拟的方法对比了多危险源和单一危险源下的个人风险。以上研究大多基于理论假设的定性或半定量研究方法，对于不同危险源在不同位置的叠加效应考虑不足，且未涉及个人风险中关于危险源事故发生概率的计算。综上所述，考虑到油气站场区域范围大、布局非均质性强和部分设备防火间距不够的特点，采用信息扩散模型计算事故发生概率，并定义了池火灾、蒸汽云爆炸和沸腾液体扩展蒸汽爆炸（BLEVE）造成的个体死亡概率，在笛卡尔坐标下利用网格划分技术确定站场内任意网格单元的个人风险，研究结果可为站场安全选址及应急预案制定提供理论依据。

1 个人风险

个人风险是指在一定区域内固定生活、工作而未采取任何保护措施的人员遭受特定伤害而死亡的概率，是社会风险评价的最小单元[8-9]。油气站场风险评价的目的是计算区域内任意位置的个人风险，并与个人风险可接受标准对比，量化油气站场内的区域风险可接受程度，个人风险计算如公式（1）所示：

式中：IR(x,y)为在坐标(x，y)处的个人风险；f为危险源事故发生概率；vs(x，y)为事故发生后在坐标(x，y)处引发的个体死亡概率；M为站场内危险源个数。

2 事故发生概率

根据公式（1），计算个人风险的关键是确定事故发生概率和个体死亡概率。对于事故发生概率，采用信息扩散模型求解。信息扩散法可以弥补信息缺失，借助历史事故数据，利用正态扩散函数计算事故发生概率[10-11]。

定义Y={y1，y2，…，ym} 为观测样本值，即在m年内事故发生次数；定义U={u1，u2，…，un} 为指标论域，即事故发生的统计年限为n。将任意一个单值观测样本yj的携带信息扩散给U中所有点，扩散函数计算如公式（2）所示：

式中：fj(ui)为扩散函数。

扩散系数如公式（3）所示：

式中：h为扩散系数；b、a分别为观测样本中的最大值和最小值。

将fj(ui)进行归一化处理，单值样本yj的信息分布如公式（4）所示：

式中：p即为站场内某危险源发生事故的概率。

3 个体死亡概率

油气站场通常分为油处理区、水处理区、气处理区及储运区。其中水处理区的危险性较小，油处理区主要以原油泄漏引发的池火灾危害为主；气处理区以天然气泄漏引发的闪火、喷射火和蒸汽云爆炸等危害为主；储运区以储存介质因迅速气化引发的沸腾液体扩展蒸汽爆炸（BLEVE）危害为主[12-13]。

3.1 池火灾

对于池火灾，通过输入基础参数，采用点源模型计算原油泄漏后的液池半径、火焰高度、火焰表面的热辐射通量，并假设全部辐射量均由液池中心的球面提供，距离目标中心某处的热辐射强度计算公式如式（6）所示：

式中：I为接收到的热辐射强度，W/m2；Q为火焰表面热辐射通量，W；tc为热传导系数；L为目标距离液池中心的距离，即热辐射破坏半径，m。

根据SY/T 10043—2002《泄压及减压系统指南》中关于热辐射强度评价准则的规定，参照事故伤害效应各向同性原则，假设伤害区内的人员全部被伤害，伤害区外的人员均不被伤害，同时不考虑事故预防措施对后果严重程度的影响，以危险源为中心将伤害区域划分为死亡区、重伤区和轻伤区，并定义个体死亡概率确定个体是否受到伤害（表1）。

表1 热辐射强度评价准则Tab.1 Evaluation criteria of thermal radiation intensity

3.2 蒸汽云爆炸

可燃气体出现蒸汽扩散，经延迟点火后，火焰加速传播，形成爆炸冲击波超压。对于蒸汽云爆炸事故后果的评价，采用TNT当量法计算，通过计算当量泄漏率、最大泄漏率和泄漏量，以TNT当量衡量蒸汽云爆炸的威力。蒸汽云的TNT 当量如公式（7）所示：

式中：WTNT为蒸汽云的TNT 当量，kg；A为爆炸效率因子，取0.03；Wf为蒸汽云中燃料总质量，kg；Qf为蒸汽爆炸热，55.5×103kJ/kg；；Qf为TNT爆炸热，4.52×103kJ/kg。

参照美国机械工程师协会提出的经验数据，确定无遮蔽场所中人员受到冲击波超压的伤害阈值（表2）。

表2 冲击波超压评价准则Tab.2 Evaluation criteria of shockwave overpressure

3.3 BLEVE危害

BLEVE 是指储罐在外部火焰的长时间烘烤下，储罐强度下降，当强度下降至一定程度后突然破裂，储罐内压力平衡被破坏，介质迅速汽化，并伴随火焰点燃产生火球。火球的特征参数采用国际劳工组织（ILO）推荐的模型计算，火球持续时间如公式（8）所示：

式中：t为火球持续时间，s；W为可燃物消耗质量，kg。

式中：q(r)为在r米处接收到的热辐射强度，W/m2；q0为火球表面的热辐射强度，W/m2；R1为火球半径，m。

同理，可计算发生BLEVE 危害时热辐射造成的影响，评价准则同表1。

4 实例分析

4.1 基本情况

以某油田的集输站场为例进行风险分析，该站场处理量100×104a，面积500 m×500 m，具有原油处理、分离、沉降、外输，天然气脱酸、脱水、脱烃、液化、增压、外输，采出水过滤、沉降、增加、回注等功能，同时配有清管器收发装置、计量装置、调压装置、加药装置等。

该站场内存在多个危险源，以油处理区三相分离器（危险源A）、气处理区脱水再生塔底部重沸器（危险源B）和储运区液化石油气储罐（危险源C）等三个危险源为例，考察同时发生事故时的叠加风险。

4.2 确定事故发生概率

以危险源A发生火灾事故为例，统计该油田自投产以来从1976—2020年的事故案例数量（表3）。

表3 1976—2020年油田三相分离器事故统计Tab.3 Statistics of three-phase separator accidents in the oilfield from 1976 to 2020

根据表3 的样本数据构造集合Y={0 ，0，1，0，0，…1}，则m=45，样本中最大值和最小值分别为2 和0，取离散论域U={0，1，2，3，4，5}，采用Matlab 软件按照公式（2）～（5）计算该危险源的事故发生概率为[0.532 86，0.272 51，0.191 93，0.002 7，0]，则在该油田每年发生1起分离器火灾事故的概率为0.272 51。

该油田内共有火灾爆炸危险的三相分离器510个，该站场内有4个，忽略分离器尺寸、处理量等差异影响，站场内危险源A发生火灾事故的概率为0.272 51×4/510=2.213×10-3。

同理，危险源B 和C 的事故发生概率分别为1.167×10-3、4.578×10-4。

4.3 确定个体死亡概率

利用PHAST 软件分别对池火灾、蒸汽云爆炸和BLEVE 造成的事故现场进行模拟，风速、大气稳定度和相对湿度等参数根据气象部门资料取全年平均数，泄漏孔径取中孔泄漏（50 mm），泄漏时间为300 s，其余运行参数（存储量、温度、压力、泄漏点离地高度、地面粗糙度等）根据现场实际工况输入。最终，根据表1确定危险源A发生池火灾时的死亡半径为7.5 m，重伤半径为24.8 m，轻伤半径为160.2 m（图1）。

图1 危险源A发生事故时热辐射强度与距离关系Fig.1 Relationship between thermal radiation intensity and distance in the accident of hazard resource A

将危险源A的伤亡半径与死亡概率进行一元方程线性拟合，分段函数计算如公式（10）所示：

同理，得到危险源B的死亡半径为34.5 m，重伤半径为90.2 m，轻伤半径为135.7 m，危险源C的死亡半径为47.5 m，重伤半径为105.5 m，轻伤半径为220.8 m，其分段函数如下：

式中：yA、yB、yC分别为三个危险源的死亡概率；x为目标距离危险源的距离，m。

4.4 单危险源个人风险评价

在笛卡尔坐标下利用网格划分技术将站场划分为等步长的正方形网格，步长取50 m，定义11×11 的网格矩阵G，为风险值计算提供相对坐标，每个网格矩阵中的值代表该网格与危险源中心点的距离。以危险源A 为例，A 位于第6 行第6 列，则G(1 1，11) 为：

网格矩阵中第3行第5列的数值为5.28，则该网格内的死亡概率为5.28%。同理，危险源B位于第9行第4列，危险源C位于第3行8列，依次计算不同危险源造成的死亡概率矩阵GB(1 1,11)、GC(1 1,11) ：

根据网格扩散理论确定的事故发生概率，从而计算各危险源的个人风险矩阵，个人风险矩阵计算如公式（13）所示：

式中：GPi为个人风险矩阵，i=A、B、C；Gi为死亡概率矩阵；pi为事故发生概率。

4.5 多危险源个人风险评价

当多个危险源同时存在时，风险之间存在交互效应，为准确衡量油气站场的个人风险，将上述计算得到的单危险源个人风险矩阵进行叠加，得到总的区域个人风险矩阵GD(11,11)：

由此可见，单一危险源的个人风险矩阵中以危险源处的数值最大，以危险源为中心，个人风险值随距离增大而减小，呈辐射对称分布。区域个人风险矩阵GD(11,11)中的数值远大于单一危险源作用下的个人风险矩阵，且GD(11,11)的数值分布差异较大，风险区域主要集中在站场的中部区域，右下角无风险，此时已无法通过单一危险源的计算结果推测多危险源的计算结果，多危险源的数值分布不规则。

4.6 风险等级划分

英国焊接研究所（TWI）通过实验累积了设备风险评估方面的经验，对API 518 中的风险矩阵进行了调整，将原低风险细化为低风险和较低风险，使风险等级的划分更加准确。在此，借鉴TWI的划分方法，将个人风险值划分为低风险、较低风险、中等风险、较高风险和高风险等5 个等级，定义GD(11,11)矩阵中的最大值为Hmax，最小值为Hmin，划分标准和计算结果见表4。

根据表4的划分结果，对照GD(11，11)矩阵中的数值可以判断矩阵中任意一个单元格的风险等级，将风险等级一致的网格连接形成风险等值线（图2）。可见风险集中在中部，并随着风险等级的提高，逐渐向左上方偏移，与之前的区域个人风险矩阵分析结果一致。根据ALARP 原则确定风险可接受准则，将低风险和较低风险定义为可接受风险区，将中等风险定义为可容忍风险区，将较高风险和高风险定义为不可接受风险区。对于可接受风险区，保持现状即可；对于可容忍风险区，应综合考虑对成本、效益的影响程度，合理降低个人风险；对于不可接风险区，应立即采取风险转移、风险减缓及风险规避等一系列措施，以降低个人风险值。

表4 个人风险等级划分标准和结果Tab.4 Classification standards and results of individual risk grades

图2 风险等值线图Fig.2 Risk contour map

5 结论

（1）针对油气站场内危险源较多的问题，采用信息扩散模型计算事故发生概率，其计算过程基于历史统计数据，结果具有一定的可信度。

（2）根据危险源泄漏介质和条件的不同，对池火灾、蒸汽云爆炸和BLEVE 等不同危害类型造成的死亡概率进行计算，利用网格划分技术确定死亡概率矩阵，并得到站场内任意网格单元的个人风险，实现了油气站场个人风险的定量评价。

（3）单一危险源的个人风险矩阵中以危险源处的数值最大，风险值呈对称分布；区域个人风险矩阵的风险值远大于单一危险源，且数值分布无规律，差异较大，说明多危险源的叠加效应使个人风险大幅增加。