天然气排污工艺设计安全性分析

摘要:天然气管道输送最大的安全风险在于大量的天然气泄漏并因此导致的火灾、爆炸、伤亡或损毁。天然气站场的工艺设计标准往往比较简单，对一些方面的设计要求不够明确，导致工艺设计安全性不高，存在因阀门失效或者操作不当导致管线爆炸或者大量天然气外漏的风险。从天然气站场排污系统设计入手，分析设计中存在的不足，运用Bow-tie分析方法进行危害分析，提出改进措施，并由此说明对天然气站场进行全面工艺安全分析和工艺风险控制的必要性。

关键词:天然气站场;排污系统;工艺设计

天然气管道输送最大的安全风险在于大量的天然气泄漏导致的火灾、爆炸、伤亡或损毁。管道天然气输送企业采取了一系列风险管控措施，控制天然气泄漏风险，包括实施严格的施工质量控制，建立严格的巡线制度，采用先进的技术对管道进行定期检查，进行严格的作业许可管理并采用可靠的工艺隔离标准等。由于工艺安全分析的概念和设计实践引入我国只有十几年时间，早期的工艺流程设计只是简单的满足适用的设计标准，相关的工艺安全风险没有得到充分的认识和有效的控制，并因此导致一些工艺事故的发生。

1常见的天然气站场排污系统设计

天然气站场的基本工艺流程为:天然气经进站阀进入站场，经过滤分离、调压计量向下游供气。排污系统却不尽相同，来自站场杂质排入排污池或排污罐(地上或地下)。其中系统的工作压力一般为10MPa左右，排污系统管线和储罐压力约为1.6MPa。

2国内外相关设计标准

通过查阅国内外相关设计标准可知，《石油天然气工程防火设计规范》(GB50183-2004)第6.8.12条规定:天然气管道清管作业排出的液态污染物若不含甲乙类可燃物液体，可排入就近设置的排污池;若含有甲乙类可燃液体，应密闭回收可燃液体或在安全位置设置凝液焚烧坑。该标准只有针对清管作业排污的相关要求，没有对天然气站场正常工作排污设施做出要求，而增加了污水排水设施要求的《石油天然气工程防火设计规范》(GB50183-2015)将暂缓实施。《输气管道工程设计规范》(GB50251-2015)中第6.2.6规定:输气站生产的污液宜集中收集，应根据污染源的点位、数量、物性参数等设计排污管道系统，排污管道的终端应设排污池或排污罐。美国石油协会(AmericanPetroleumInstitute，API)在2009年7月的第1版《陆上石油天然气生产保护环境的作法》(APIRECOMMEND-EDPRACTICE51RP，FIRSTEDITION，JULY2009)中7.3.2规定“只要实际可行，应使用罐代替排污池”。国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization，ISO)的《石油和天然气工业管道输送系统》(ISO13623-2008)7.2条规定，排污管线应设置在安全地方。通过对比以上标准可以发现:国内外标准对天然气站场排污系统设计要求比较简单，且差别不大，在设计实践中很容易满足相应的设计标准要求。

3对设计为排污池的工艺安全分析

3.1设计为排污池可能发生的工艺事故。天然气站场排污池用放置盖板对池子进行封闭。如果发生手动排污阀门内漏，手动排污阀在操作时发生故障不能关闭，自动排污阀控制系统失效等状况时，大量的天然气将进入排污池并从排污池开口处的缝隙外泄，在一定范围内形成爆炸混合物，产生闪爆的危险。3.2排污池的工艺安全分析。以下是采用Bow-Tie方法，对排污系统采用排污池设计的工艺安全分析，见图1:图1排污系统采用排污池设计的Bow-Tie分析通过图1排污池Bow-Tie分析可以做出以下判断:1)手动阀门内漏比较常见，但阀门内漏一般泄漏量都比较小。因此，由于阀门内漏导致大量天然气进入排污池的可能性也非常小，相应的风险应当可以接受。2)如果手动排污阀门突然损坏(比如阀门把手脱开)，打开后不能关闭，则高压天然气进入排污池。3)如果排污阀是通过液位控制的自动阀门，若控制系统失效或者阀门发生故障，液位不能控制阀门的关闭或者阀门本身因为故障不能关闭，加上排污时现场可能并没有操作人员值守，则很有可能导致大量天然气进入排污池。4)当大量天然气进入半敞式排污池时，天然气很有可能从铁板与排污池开口处的缝隙泄漏，在排污池开口处一定范围内形成爆炸混合物。5)天然气站场开阔区域一般不设置天然气泄漏监测与报警系统和天然气泄漏监测驱动的ESD安全联锁装置。当大量天然气从排污池泄漏时，不能被第一时间发现实施紧急关断并对泄漏源进行隔断，导致紧急状况的持续存在及有可能的事态升级。6)天然气站场内采取了一定的防静电措施，比如穿戴防静电服，安装并使用静电释放桩，但无法完全避免身体产生静电并发生足以点燃天然气的静电释放;站场内按照要求安装了符合防爆等级的电气设备，但很多天然气站场并没有禁止员工将手机带人生产区域，未关闭的手机有可能点燃泄漏的天然气;持有动火作业许可证可以在站场内进行动火作业，如果当大量天然气从排污池泄漏，正好排污池附近又有正在进行的动火作业活动，就有可能发生闪爆。7)排污池区域一般并没有实施隔离，人员可以进入排污池危险区域。当大量天然气进入排污池，并发生闪爆，如果有人员在此区域，就会导致人身伤害。3.3对设计为排污池的工艺安全建议。根据以上Bow-Tie工艺安全分析，提出以下工艺安全建议:1)手动排污阀处设置双阀，一旦一个阀门忽然损坏，打开后不能关闭，可以使用另一个阀门中断排污过程。2)如果不需要频繁排污，则不建议采用自动排污设计。由于自动排污一般没有人员值守，一旦自动排污阀门的控制系统失效或者阀门本身发生故障不能关闭，就会导致大量天然气进入排污池。如果必须采取自动排污设计，则应将自动排污系统当作关键装置为其建立预防性维护保养计划(PM)，同时考虑设置超低液位监测与自动关断联锁装置，避免大量天然气进入排污池。3)将排污池开口处密封并设置足够管径的放空管，将可能排入排污池的天然气引至安全的位置放空。采取这种设计时要计算并确保放空管的管径足够大，在极端情况下也不至于使排污池憋压，同时要考虑放空管的高度，避免天然气从放空管排出后在地面形成爆炸混合物，另外要考虑的问题包括不能在放空管上设置隔离阀，避免因关闭隔离阀而使排污池憋压，还要考虑在放空管上设置阻火装置，避免雷电引燃从放空管排出的天然气。4)在排污池区域设置燃气监测与报警装置，当监测到一定浓度的天然气，比如20%LEL时发出警报，当天然气浓度达到更高值，比如40%LEL时自动实施局部或者全场紧急关断。5)禁止将手机、照相机等非防爆电气设备带入站场生产区域，如果需要，则应按照动火作业申请动火作业许可。6)划定排污池危险区域，对该区域实施物理隔断，禁止无关人员进入。排污池污水装车外运作业时，采取5)中所列的措施避免交叉作业。如果需要进入排污池进行检查或者维修，则应采取进入受限空间所要求的安全措施，对所有进入排污池的管线进行绝对隔离(如加装盲板)。

4对设计为排污罐的工艺安全分析

4.1设计为排污罐可能发生的工艺事故。天然气站场采用排污罐排污其最主要的风险来自于超压并因此导致的管线或者罐体爆炸。由于天然气站场高压部分压力可达10MPa，而排污系统设计压力都比较低，一般只有1.6MPa，如果高低压分界处隔断可靠性不高，或者人员失误打开或关闭某个阀门，造成高压天然气进入低压部分并超出低压部分能够承受的压力，将会导致低压部分发生爆炸。4.2对设计为排污罐的工艺安全分析。以下是采用Bow-Tie方法，对排污系统采用排污罐设计的工艺安全分析:图2排污系统采用排污罐设计的Bow-Tie分析通过排污罐Bow-Tie分析图可以做出以下判断:1)存在因阀门内漏、手动排污阀忽然故障，打开后不能关闭，或者自动排污控制系统失效，或者阀体故障，导致高压气体进入低压排污管线与罐的可能性。2)如果没有进行相应的工程设计核算，高低压系统设计压力等级差别太大，在极端情况下，大量高压气体进入低压排污系统，排污管线靠近高低压分界点处的实际压力就有可能远远高于其能够承受的压力，导致靠近高低压分界点处的低压排污管线爆裂。3)如果排污管线或者排污罐上设计有隔断阀，这些隔断阀被关闭后会导致排污管线或者排污罐憋压，则将是一种非常严重的安全隐患。4)如果排污罐放空管线管径不足，当大量高压气体进入排污罐时，放空不及时，就会导致排污罐压力升高，超过其可承受压力。5)排污罐压力安全阀上游设置有隔断阀，存在因对其危害认识不足或者人为失误被关闭的可能性，当这种状况出现又发生高压气体进入排污系统并且憋压，就会导致排污管线和排污罐爆炸，并因此导致人员伤亡。4.3对设计为排污罐的工艺安全建议。根据以上Bow-Tie工艺安全分析，提出以下工艺安全建议:1)进行工程设计核算，确保当在发生极端情况，大量高压气体瞬间进入低压排污系统时，排污系统靠近高压分界点处的管线能够承受由此产生的压力。2)不在低压排污系统设置可能导致排污管线或者排污罐憋压的隔断阀。如果已存在这样的隔断阀，则应将其锁定在“常开”，并将其列入“开车前的安全检查表(PSSR)”。3)进行工程设计核算，确保当在发生极端情况，大量高压气体瞬间进入排污罐时，排污罐的放空管线能够将其及时排出，不会导致排污罐憋压。

5结论

1)目前从工艺安全的角度来看，天然气站场管线高低压分界和排污系统的设计有比较明显的改进空间，应当考虑予以相应的改进，避免因此可能产生的天然气泄漏甚至爆炸事故发生。2)比较天然气站场管线高低压分界和排污系统的国内外设计标准可以看出:满足设计标准只是工艺安全设计的最低要求，简单满足设计标准往往并不能保证工艺安全风险得到有效控制。3)应当对天然气站场进行全面的工艺安全分析。工艺安全分析只是确保工艺安全的手段，并不是目的，只有通过全面的工艺安全分析，才能将风险控制在合理可行的最低程度。通过阐述天然气站场排污系统的设计，并且通过Bow-Tie方法分析危害性可能导致的事件，分析导致危害失控的原因，分析是否设置了足够的技术或者管理“屏障”将可能性及后果严重性控制到最低合理可行的程度。在进行相关的工艺设计或者策划相关的管理系统时，在确保满足相关适用标准的情况下，通过进行工艺安全分析，采纳行业良好作业实践，使本企业的站场工艺安全风险得到有效的控制。

参考文献:

［1］GB50183-2004石油天然气工程防火设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2005.

［2］GB50251-2015输气管道工程设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2015.

［3］罗云，樊运晓，马晓春.风险分析与安全评价［M］.北京:化学工业出版社，2014:104-132.

作者:申永超 单位:中国石油天然气股份有限公司辽河油田分公司