FSRU作业过程火灾爆炸危险性评估研究*(安全)

FSRU作业过程火灾爆炸危险性评估研究*(安全)

                               张  悦

               （中国安全生产科学研究院，北京  100012）

摘要：浮式储存和再气化装置( FSRU)运行过程中易导致火灾爆炸等事故的发生，为有效评估FSRU作业过程火灾爆炸危险性，采用火灾爆炸危险指数评估法，对运用FSRU的某浮式LNG接收终端进行危险性评估；选取LNC运输船与FSRU装料作业等9个单元，研究确定了一般工艺危险性系数、特殊工艺危险性系数、安全措施补偿系数等参数，得出了补偿前后的火灾爆炸危险性指数，有效评估了FSRU作业过程火灾爆炸危险性，并基于研究结果提出了保障FS-RU作业安全的对策措施与建议。研究结果表明，安全措施补偿前，缘于LNG/NG本身的火灾危险性和数量较大，能量高度集中，LNG运输船与FSRU装料作业等单元的火灾爆炸危险等级均达到了“非常大”；在采取了一系列的安全措施补偿后，火灾爆炸危险指数降低了3/5左右。这对系统深入地研究FSRU作业安全具有较重要的理论意义和实际应用价值。

关键词：FSRU;火灾爆炸；危险指数；危险性评估

中图分类号：X913  doi：10. 11731/j. issn．1673-193x. 2016. 05. 019

0  引言

    改革开放以来，LNG（液化天然气）接收终端的建设得到了迅速发展，据《Encyclopedia of LNG 2014》报道，全球已建成91个。较传统陆地LNG接收终端，海上浮式LNG接收终端技术近年来得到了较快发展，已成为我国LNG行业发展的新型模式。而浮式储存和再气化装置( Floating Storage and Re - gasification Unit,FSRU)因具有显著的成本优势等特点，目前已成为海上浮式LNC接收终端的主要方式，受到高度关注。然而运用FSRU的浮式LNG接收终端（以下简称浮式LNG接收终端）具有风险大、经验少、要求高等特点，因其长期靠泊于港口，受周边码头运营及海洋环境影响较大，生产过程由于涉及低温、高压以及易燃、易爆等危险因素，可能会发生因设备设施的质量缺陷和故障，管线、阀门的泄漏或破裂，人为失误与管理原因，环境影响等因素而引发的火灾爆炸等事故，在运行过程中存在更多潜在的危险有害因素，这些危险有害因素在一定条件下转变为事故，其后果可能不堪设想。

    但国内缺乏对FSRU作业过程火灾爆炸危险性的有效评估，为防止此类事故发生，降低事故危害程度，基于火灾爆炸危险指数评估法，对某FSRU作业过程进行系统分析与评估，提出具有针对性的安全对策措施与建议，这对浮式LNG终端的安全运行起到推动作用，为降低其运行过程灾害损失及抢险救灾等方面具有较重要的理论意义和实际应用价值。

1  FSRU总体工艺流程

    某浮式LNG接收终端的FSRU工艺流程如图1所示。

 

2  FSRU作业过程主要危险有害因素分析

    在FSRU作业过程中，由于作业人员的不安全行为，设备设施因设计、选型、安装及运行而产生的质量缺陷或故障，外部条件的影响，附属设施泄漏，装卸臂／管线泄漏，FSRU液舱内温度和压力升高，FSRU靠离泊异常、系泊张力过大等，将会导致FSRU作业过程发生泄漏事故。LNG泄漏易导致火灾爆炸事故，主要事故类型有：LNG泄漏到地面或水面上形成液池后，被点燃产生池火；LNG管道和压缩、气化、计量、外输工艺设备等因介质泄漏而被点燃产生喷射火；LNC泄漏后经蒸发、扩散，在开阔地带形成可燃蒸气云，遇到点火深产生闪火；密闭空间内LNG蒸气云被点燃产生蒸气云爆炸；LNG容器等由于外部火灾烘烤或其他原因而破裂引发沸腾液体扩展为蒸气云爆炸( BLIEVE)事故。除了发生火灾爆炸事故外，还可能发生：因LNG压力容器、压力管道超压引发的物理爆炸；前沿作业人员落水淹溺事故；装卸臂、压缩机、输送泵及维修间的机械设备等对人体的机械伤害；低温LNG对人体的冻伤；高浓度的天然气造成的人员窒息；电缆、线路、开关等高低压电气设备漏电、短路、绝缘损坏等引发的触电危害；缆绳反弹或断裂等引发的物体打击危害；FSRU巡回检查、检修等高处作业引发的高处坠落危害；自然环境条件可能带来的台风、海潮、雷暴、高温、低温、雾、地震危害等。其中，火灾、爆炸是FSRU作业过程中最主要的危险有害因素。

3  火灾爆炸危险性评估

    火灾爆炸危险指数评估法基于物质系数，通过对一般工艺、特殊工艺、特殊物质的修正得出火灾爆炸危险性指数，并依据其大小对危险程度进行分级，判定补偿措施前后的系统整体安全状况，同时提出相应的安全对策措施与建议。采用火灾爆炸危险指数评估方法对FSRU作业过程进行分析和评估。

3.1  选取评估单元

    根据FSRU工艺流程，选择在每个单元整个生产周期内单元总体危险性最大的状态，最终选取LNG运输船与FSRU装料作业等9个单元为主要评估单元。

3.2初步评估

    以FSRU储存单元为例，详细说明其危险基本参数的取值过程和火灾、爆炸指数的计算过程，其他单元类似。各单元初步评估（补偿前）危险性指数汇总如表1所示。

 

    1)确定物质系数

    该单元主要危险物质为甲烷，MF值取21。

    2)确定一般工艺危险系数(F1)

    基本系数取给定值1.00;因该单元LNG储存在液舱中，设有防止泄漏液流到其他区域的装置，所以物料处理与输送、排放和泄漏控制系数分别取0.85和0.50;吸热反应、放热反应、封闭单元或室内单元、通道均不适用，不予取值。因此，F₁值为以上各项选取系数之和2. 35。    

3)确定特殊工艺危险性系数( F₂)

    基本系数取给定值1.00；因该单元甲烷的NH值为1，当仪器或装置失灵时，工艺装置才处于爆炸极限范围内或其附近，船舱最高设计压力为25 k Pa（表压），LNG液舱冷却至-163 ⁰C后，总容积为142969m³，介质对设备及管道有一定的腐蚀性，和法兰连接处可能产生轻微的泄漏，单元内大容量的转动设备会带来危险，超过一定规格的泵和压缩机可能引起事故，所以毒性物质、易燃范围及接近易燃范围的操作、压力释放、易燃及不稳定物质的数量、腐蚀、泄漏一连接头和填料处、转动设备危险系数分别取0. 20、0.30、0.22、1.61、0.10、0.10、

0. 50;负压操作、粉尘爆炸、低温、明火设备的使用、热油交换系统均不适用，不予取值。因此，F₂值为以上各项选取系数之和4. 03。

    4)计算单元工艺危险系数(F₃)

    该单元工艺危险系数F₃=F₁×F₂=9.47>8，按F₃=8来确定危害系数。

    5)计算火灾、爆炸指数(F&EI)

    该单元火灾、爆炸指数计算结果f& EI=F₃×MF= 168。

3.3安全措施补偿

    根据经验提出的安全措施可有效降低事故发生概率和危害，以改变补偿前的危险性。依据补偿前的评估结果，从工艺控制、物质隔离及防火措施考虑，并根据现场实际情况，对各单元进行安全措施补偿，其取值过程如下。

    1)工艺控制安全措施补偿系数(C₁)

    因各单元有应急电源且能自动切换到应急状态，设置紧急停车系统，情况出现异常时能自动紧急停车并切换到备用系统，装置采用关键输入的异常中止功能，已制定操作指南及操作规程，并且在完善过程中，对装置分别进行了分析评价，无冷却，配备了压力泄放设施等，所以各单元的应急电源、紧急停车装置、计算机控制、操作指南或操作规程、其他工艺过程危险分析补偿系数均分别取0. 98、0.98、0.93、0.97、0.98；冷却装置、抑爆装置、活性化学物质的检查补偿系数均不予取值；因单元③对装设有连续的惰性气体保护并可进行自动吹扫，所以其惰性气体保护补偿系数取0. 94，其他单元均不予取值。C₁值为以上系数之积。因此，除FSRU储存单元的C₁值为0. 80外，其他单元均为0.85。

    2)物质隔离安全措施补偿系数(C₂)

    因各单元拟设置备有远程遥控的切断阀，可在紧急情况下迅速将容器和管线隔离，应急排放系统能将气体排放至火炬系统，装有联锁系统以避免出现错误的物料流向及由此而引发不需要的反应，所以远距离控制阀、卸料／排空装置、联锁装置补偿系数均分别取0. 98、0. 96、0.98；而码头、罐区和工艺设备区均设置事故收集池，由单元工艺设施的不同，单元①和③的排放系统补偿系数均取0. 95，其他单元取0.91。C₂值为以上系数之积。因此，除这两个单元的C₂值为0. 88外，其他单元均为0. 84。

    3)火灾设施安全措施补偿系数(C₂)

    因各单元安装了可燃气体探测系统，既能报警又能在达到爆炸下限之前使保护系统动作，装置承重采用钢结构，采用防火涂层，消防水压力高于690 k Pa（表压），安装烟火探测器、干粉灭火器及泡沫灭火器等，设有消防水幕、高倍数泡沫灭火系统，采用自动控制方式，配备了手提式灭火器及水枪，采用不锈钢电缆桥架，所以各单元的泄漏检测装置、钢质结构、消防水供应、特殊灭火系统、水幕、泡沫灭火装置、手提式灭火器材／喷水枪、电缆保护补偿系数均分别取0. 94、0.98、0.94、0.91、0.98、0. 92、0.93、0.98;因单元③由于可能着火的面积增大，需要乘以一定的面积修正系数，所以其洒水灭火系统补偿系数取0. 91，其他单元的均取0.81。C₂值为以上系数之积。因此，除单元③的C₂值为0. 59外，其他单元均为0. 52。

    4)安全措施补偿系数(C)

    C的值为C=C1×C2xC3。因此，除单元①和③的C值分别为0. 39、0.42外，其他单元均为0. 37。

3.4再次评估

    安全措施补偿后，再次对FSRU作业过程火灾爆炸危险性进行评估，计算补偿后各单元火灾爆炸指数，并与补偿前的危险指数进行对比，其结果见表2。

 

3.5结果分析

    由表1~表3可见：

    1)火灾爆炸指数评估的大小顺序依次为：①=③=⑤=⑥=⑦>⑨>④>②>⑧。

    2)安全措施补偿前，①、③、⑤、⑥、⑦的火灾爆炸危险等级达到了“非常大”，主要缘于LNG、NG（天然气）本身的火灾危险性较大，且LNG/NC数量较大，能量高度集中。②与⑧均为“较轻”，这主要缘于其相对较低的操作压力和较小的工艺单元泄漏量。

    3)安全措施补偿前，除了②与⑧火灾爆炸危险性为“较轻”外，其他单元为“很大”、“非常大”。在采取了一系列的安全措施补偿后，火灾爆炸危险指数降低了3/5左右。

4  安全对策措施与建议

    1)浮式LNG接收终端中的FSRU安全对策措施

    设备、工艺安全技术对策措施，如：为防止FSRU液舱超压，配备BOG压缩机等。防火防爆安全技术对策措施，如：合理布置设备，避免热辐射成为点火源；采用海水消防，机泵、管道的选材上应考虑到海水腐蚀问题；所有配备的泡沫液必须为耐海水型等。靠、离、系泊过程安全对策措施，如：船舶靠离泊前，码头前沿装卸臂及输气臂应处于收紧状态，防止发生碰撞事故；在船舶靠泊之前，码头方面应通过引水员或泊位指导员，向船长提供详细的系泊计划，并达成协议等。

    2) LNG运输船、储罐与FSRU装卸料过程安全对策措施

    如：为避免NG管道因流速过快带来的静电危害，采取限制其流速的措施，控制放空气体放空的速度；设置紧急事故停车系统( ESD)，保证自动切断阀的有效性等。

    3) FSRU气化和外输过程安全对策措施

    如：FSRU上LNG气化器、气货管道外输区域均设置可燃气体检测报警器、低温探测器和火焰探测器等报警设施，通过控制系统启动相应的保护设施，或切断有关的管线、设备等。

5  结论

    1)火灾爆炸是FSRU作业过程中最主要的危险有害因素。导致其火灾爆炸的主要原因有：FSRU液舱内温度和压力升高，FSRU靠离泊异常、系泊张力过大，装卸臂／管线泄漏，作业人员的不安全行为，设备设施因设计、选型、安装及运行而产生的质量缺陷或故障，外部条件的影响，附属设施泄漏等。

    2)采用火灾爆炸危险指数评估法，对FSRU作业过程进行了危险性评估，并根据研究结果提出了具有针对性的FSRU作业安全对策措施与建议。研究结果表明：安全措施补偿前，LNG运输船与FSRU装料作业等单元的火灾爆炸危险性非常大，应加强这些单元的安全监管。

    3)工艺控制、物质隔离及防火措施安全措施补偿是降低FSRU作业过程火灾爆炸危险性的有效方法。