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FLNG装置工艺模块安全间距研究

文档作者：周建德，余建星，杨源，马维林，张彩珥，李妍文档来源：天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室		点击数：	更新时间： 2021年01月02日
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2第0112 2年期 第第 41 11卷页 石 油 矿
0JL FIEI D
场机帧
EQUIPMENT 201 2，41(】2)：¨ 一一】6
文章编号：1001—3482(201 2)12-001l一06
FLNG装置工艺模块安全间距研究
周建德，余建星，杨 源，马维林，张彩珥，李妍
(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072)
摘要：针对浮式液化天然气(F1 NG)装置重大危险源的密集而导致的模块安全问题，提出基于定量
风险评估的模块安全间距确定方法。在研究模块安全布置合理性的基础上，采用事件树分析方法
计算泄漏事故频率，基于火灾爆炸理论模型研究事故后果，根据安全目标进行事故场景的选择。应
用定量风险评估理论计算人员风险、经济风险和多米诺效应风险，并建立风险值与模块间距的关
系，从模块和装置2个层次进行风险可接受性分析，确定模块安全间距。实例分析结果表明：该方
法合理可行，可为大型装置的模块安全间距确定提供思路。
关键词：FI NG；装置；模块间距；安全；风险分析
中图分类号：TE952 文献标识码：A
Research on Safety Distance of P17ocess M odules for FLNG
ZHOU Jian—de，YU Jian—xing，YANG Yuan，M A W ei lin，ZHAN( Cai—yue，LI Yan
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and
Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)
Abstract：Aiming at module safety issue resulted from intensive major hazards on FI NG，the mod—
ule safe distance determination methods based on quantitative risk assessment were proposed．
Based on modules safe layout rationality research，spill frequencies were calculated by event tree
analysis and consequences were studied by fire and explosion theory，accident scenes were selected
based on security target，personnel risk，economic risk and domino effect risk were calculated by
application of quantitative risk assessm ent theory．The relationships between risk value and mod—
ule spacing were established，the acceptability of risk from two aspects of module and device was
analyzed to determine the m odule safe distance．The example analysis results show that the m eth—
od is reasonably practicable．It provides a method for setting safe distance between modules for
large plants．
Key words：FI NG ；device；m odule spacing；safety；risk analysis
浮式液化天然气(Floating Liquid Natural
Gas，FI NG)装置是一种集海上天然气开采、净化、
液化和储卸功能于一体的新型装置，以其投资低、建
造周期短、便于迁移等优点而倍受青睐。但是，
FI NG装置储存有易燃易爆的生产介质和超低温
的LNG，其生产工艺流程模块采用分层设计，工艺
设备密集，风险因素的空间分布较为复杂，因此风险
较大。由于工作环境恶劣，生产工艺复杂，设备费用
收稿日期：2o12—06—18
基金项目：国家科技重大专项资助项目(2011ZX05026—006)；国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51021004)资助项
目；上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金资助项目
作者简介：周建德(1988一)，男，福建泉州人，硕士研究生，主要研究方向为风险评估与控制、船舶与海洋结构物设计制造
等，E—mail：zho ujiandeO817@163．corn。
石油矿场机械
较高，一旦发生工艺事故，容易造成较大的安全事故
和经济损失。因此，确保FI NG装置工艺模块间具
有足够的安全距离十分重要。
装置安全距离的确定方法主要有基于后果和风
险的方法及通用的经验距离等。白永忠等 应用风
险矩阵和基于风险的决策方法，利用工艺装置破坏
强度推荐标准，计算火灾爆炸事故风险，分析装置安
全距离设置的合理性。夏鑫¨2 通过对FPSO可能发
生的火灾爆炸进行定量风险分析，计算人员风险值，
并分析加装防火墙和加大模块安全间距2种风险降
低措施的效果。党文义等 在研究上述几种主要确
定方法的基础上，提出将风险评估和确定性方法相结
合的石油化工装置安全距离确定原则及评估方法。
欧洲气体协会(EIGA)ll1 基于风险和后果的方法，建
立工业气体行业合理计算安全距离的基本原则。
目前，针对单个危险源的安全距离研究较多，但
关于多危险源分布区域的安全距离确定方法研究并
不多见。考虑到FI NG装置的设计理念和规范性
意见，本文从安全性能的角度出发，结合设备的空间
位置分布，提出基于定量风险评估的安全距离确定
方法。
1 模块安全间距影响因素
FI NG装置总体布置分析研究的目的在于通
过结构、模块和设备安全的总体布置来避免或减少
潜在危险对装置的影响。根据DNV 规范_5]可知：
为了防止危险的扩大和蔓延，安全隔离可以通过保
证区域间足够的距离或物理屏障(如防火／爆墙)的
设置来获得。但是，防火防爆墙将妨碍自然通风且
增加爆炸压力和船体上部重力 ]，所以模块的安全
隔离更多地考虑距离防护措施。因此，在工艺模块
安全间距分析过程中，应保证模块间具有足够的
距离。
与常规FPSO相比，FLNG装置具有2个特点：
1) 常规FPSO上部模块的布置都是统一的单
层布置[7]，而对于LNG FPSO来说，其工艺流程复
杂，设备繁多，模块结构一般采用分层设计。模块结
构布置的变化导致风险因素的空间分布不同，风险
因素与可能遭受损伤的人员和设备的接触面更广，
因此人员和设备的安全受到严重的威胁。
2) 与原油相比，LNG温度极低，会对结构或
人员造成损伤，而且少量的LNG液体可转变为大
量体积的气体，当天然气与空气的体积比达到一定
比例时易发生火灾爆炸_8]。
FI NG装置上部模块设备繁多，且可用的甲板
空间有限，所以距离防护措施只能在一定程度上实
现。经济因素的考虑直接导致模块间距要求越小越
好。然而FI NG装置的火灾爆炸后果影响显著，因
此，在确定工艺模块安全间距时，需要考虑3个方面
的因素。
1) 模块间距的安全目标为了保证模块安全
的合理性，根据安全性能思想¨sj，将FLNG装置总
体布局设计分为3个级别，分别为装置区与外部装
置问的位置设计、装置内模块间的位置设计以及模
块内设备间的位置设计。在考虑模块间距时，由于
各模块工艺上具有较高的独立性，除船的长度限制
外，很少有其他因素来限制间距不得过大，所以可以
将安全标准适当提高；但从后果影响来看，大规模的
事故场景并不适合在该级别设计中考虑。
2) 危险扩大的量化评价 FLNG装置在有
限甲板空间内设备紧凑的布局方式以及工艺介质的
危险特性，导致事故的发生不仅会造成设备或所在
模块本身的损坏，还可能对邻近的设备或模块造成
一定的破坏，甚至出现多米诺现象，从而引发更大规
模的损失。为有效确定工艺模块的安全间距，需要
研究模块间的多米诺效应风险，着重评估各个评价
单元之间的相互影响程度。
3) 危险区域的整体评估 传统的设备风险评
价方法主要针对模块内单个较大危险设备，但是单
一危险源的评价，很难实现多危险源分布区域的整
体安全性评估口 。因此，采用区域定量风险评价方
法，根据设备在模块中的具体位置，结合安全目标，
选择设备泄漏事故，将每个重大危险源潜在事故的
风险转化为与空间位置相关联的风险指标，再将各
危险源在给定的模块间距下产生的风险指标进行加
和，进而得到所有可能的模块间距的整体风险。
2 模块安全间距确定方法
定量风险评估是对某一装置或作业活动中发生
事故的失效频率和后果进行表达的系统方法，且能
对风险进行量化管理，并通过风险可接受性进行风
险控制。图1是FLNG装置工艺模块安全间距计
算流程。根据LNG船和LNG陆地工厂事故经验，
结合新型装置的特点，LNG FPSO可能存在碰撞、
火灾、爆炸、机械失效、装卸载事故、货物控制系统事
故等风险。其中，火灾和爆炸是模块安全布置的主
要影响因素，故基于火灾爆炸事故的风险评估方法
确定模块安全问距。
第41卷第1 2期 周建德，等：FI NG装置工艺模块安全间距研究
图1 FI NG装置工艺模块安全间距计算流程
2．1 事故频率计算
失效频率的计算可分为设备泄漏的频率计算和
设备泄漏后引起火灾爆炸等事故的频率计算。对于
每种类型设备的年失效频率计算，可通过查找数据
库获取基础泄漏频率，然后进行频率修正。对于设
备泄漏后引起火灾爆炸等事故的频率计算通常采用
事件树分析方法。
考虑到FLNG装置设计可能采用的安全措施，
检测和监控系统的失效概率可分别按0．03和0．01
计算，立即关断和延迟关断的失效概率可取0．1和
0．25 L1 J
。根据相关气体检测和报警方面的研究，中
或大泄漏的检测失效概率为0[1 。泄漏程度可根据
风险支配范围进行区分，通常考虑代表小、中、大和
破裂4种情况的孔尺寸泄漏。结合频率统计数据
库，定量风险分析中使用的孔尺寸分别为06、025、
D100、0400 mm 。
根据泄漏失效事件树，先判断泄漏的程度，然后
根据监控、检测、立即关断和延迟关断等安全功能的
作用，分析可能导致的失效后果，由此计算得到泄漏
时间的概率分布如表1所示。泄漏时间的确定能够
有效地分析泄漏事故后果。
表1 不同孑L径的泄漏时间概率分布
由于不同泄漏类型的后果计算差别很大，所以
需要区分瞬时泄漏和持续泄漏。通常当泄漏4 536
kg所需的时间<3 min，可视为瞬时泄漏，否则为持
续泄漏l1 】。在泄漏事故分析过程中，失效后果的类
型可根据立即点燃、延迟点燃和未点燃3种情况进
行判断。由此根据泄漏质量速率计算公式，判断泄
漏类型，结合泄漏事故事件树和点燃概率计算公
式_I ，可计算泄漏后引起火灾爆炸等事故的频率。
不同孔径在不同泄漏时间下发生事故的频率可
按下式计算，即
Pf— PG× PE× PM×PI ×PI A (1)
式中：P。是基础泄漏频率；P 是设备修正系数；P
是管理修正系数；P 是泄漏时问为t对应的概率l
P 是泄漏后引起火灾爆炸等事故的频率。
2．2 事故后果研究
2．2．1 事故影响范围
后果计算主要是预测事故的影响范围，可以通
过理论模型和商业软件2种途径来实现。由于本文
定量风险评估的主要目标是模块安全间距，风险的
计算只是为了能够建立风险与距离的函数关系，考
虑到商业软件的应用只能得到已确定危险因素的影
响距离，并不能很好地给出事故影响程度和距离的
关系，因此采用适当的理论模型l1 对事故后果影响
进行计算。
根据定量风险评估理论可知，火灾能够造成热
辐射破坏效应，一般以热辐射通量准则来衡量，其破
坏临界值37．5 kW／m ；爆炸对周围装置的结构破
坏主要考虑冲击波超压破坏，通常采用超压准则来
衡量，其破坏临界值为0．1 MPa。由此结合选定的
火灾爆炸模型，可确定事故影响范围。
2．2．2 潜在危险的筛选
在实际设计中，模块之间物料的交互相对比较
简单，工艺上的紧密性较小，因此在布局设计时，模
块间距较为合理的安全目标应该是“一个模块发生
中等规模事故时，尽量避免其他模块由于这起事故
而引发多米诺效应和功能性损伤”lg]。
根据模块间的位置设计的安全目标和FPSO规
范，结合FLNG装置总布置的模块规划，考虑模块
间距在3～50 m。通过FLNG装置模块三维模型图
的位置分析，当事故影响范围未达到或超出相邻模
石油矿场机械
块区域时，该事故不属于模块间距计算的考虑范围；
反之，则应计算事故影响范围与模块间距的关系，从
而根据所有符合要求的事故计算模块安全间距。
2。3 风险计算
在定量风险评估过程中，衡量模块间距的安全性
主要考虑2个方面：事故破坏风险(包括人员风险和
经济风险)和事故扩大风险(多米诺效应风险)。
2．3．1 事故破坏风险
考虑个人暴露于风险的平均时间，基于FLNG
装置上的配员水平，可以按下式计算“个人每年的风
险”即个人风险“ 为
n T r
IRPA一丽YL,I~×南 2)
式中：PL1 是事故年致死人数；￡是每个人在海上停
留的平均时问，h；POB是FLNG 装置上人员的配
备数。
经济风险的计算包括设备损坏成本、营业中断
成本和潜在伤害成本_1 。其中，设备损坏成本的计
算假设在任一给定设备周围的其他设备平均成本大
致相同；营运中断成本使用与设备破坏总成本相关
的停工时问计算；潜在伤害成本采用事故致死人数
和伤害成本计算。由此可得经济风险计算公式为
ERPA-二ΣCE。S +CB+PLL+CP (3)
式中：( 。是设备区域的平均成本；S 是设备损坏区
域面积；C 是营运中断成本；C 是个人伤害成本。
2．3．2 事故扩大风险
根据多米诺效应风险理论可知，对于重大危险
事故的多米诺效应，初始事故的发生可能导致多种
二次事故。由此考虑到FLNG装置上部模块大量
设备的紧密布置而导致多米诺事故的多样性，二次
事故影响范围计算困难，初始事故和二次事故的影
响范围的重叠计算复杂，结合安全目标和规范，为有
效简化风险分析流程，对于多米诺效应只计算其发
生的可能性。
将事故多米诺效应的风险(DRPA)定义为事故
发生概率与事故扩展概率相乘所得到的值。对于事
故扩展概率的计算，通常采用基于经验数据上的概
率函数法，计算公式为l1
1 ry_5
P一 I e一可dx (4)
√2 7c J。。
式中：P是事故扩展概率；Y为概率单位变量；-z为
积分变量。不同初始事故对应的概率单位变量y
的计算公式为
YF一12．54+ 1．749ln(D 一16．32×V。·∞ (5)
YE一～ 42．44+ 4．33In(P ) (6)
式中：y 是热辐射事故扩大效应的概率单位；Y 是
超压事故扩大效应的概率单位；f是目标没备的热
辐射通量，kW／／In ；V是目标没备容积，m。；P 是设
备受到的静态超压的峰值，kPa。
2．3．3 风险与模块间距的关系
在风险计算过程中，应用摔制变量法将模块间
距作为唯一的可变量。
由于人员分布可根据控制室、通道和设备的具
体位置，分不同的区域进行考虑，这使得模块设备区
域与甲板空间的人员分布密度有所不同，模块间距
的变化影响着事故致死人数。此外，设备采用模块
化布置，危险源在模块内的具体位置已经确定，而事
故影响效应仅与事故源到目标位置的距离有关，所
以设备损坏面积和事故扩展概率是以模块间距为白
变量的函数。
由此可建立人员风险、经济风险和多米诺效应
与模块间距的函数关系。其中，人员风险是对模块
间距布置的人员安全性评价；经济风险可为模块布
置方案的选择提供经济技术效果的比较；多米诺效
应风险的计算反映了模块间事故连锁效应的可能
性，为模块间距布置方案的选择提供规范性的量化
理论依据。
2．4 模块安全间距的确定
结合危险辨识对设备风险的评价，考虑将区域
风险视为若干孤立重大危险源的风险叠加，模块的
人员风险、经济风险和多米诺效应风险可通过所有
选择设备的风险求和计算，从而建立整个FLNG装
置的风险值与模块间距的函数关系。采用最低合理
可行(ALARP)原则来判断风险可接受性，将
ALARP区域个人风险上下限 ]分别设定为7×
1O 次／a和7×10 次／a。多米诺效应风险的可接
受标准为7×10 次／a。将风险可接受性判断分成
模块和装置两个2次进行分析。
对于单个模块间距，考虑装置的整体风险由各
模块平均承担，则可确定可容忍的人员风险上下限
对应的模块间距D 和D ，以及多米诺效应风险可
接受标准对应的模块间距D。。当D。存在时，则D
和D。的较大值为模块安全间距；当D 不存在时，
D 和D。的较大值为模块间距的可容忍下限，如果
人员风险降低所需投入的成本与经济风险的降低值
不对称时，则该模块间距为模块安全间距，确定流程
第4l卷第l2期 周建德，等：Fl NG装置工艺模块安全间距研究
如图2所示。
图2 单一·模块间距的安全评价
对于整个装置的安全性评价，由于FI NG装置
上甲板空间有限且造价较高，可假定工艺模块的甲
板布置面积是一个固定值，所以工艺模块的所有间
距总和为定值。由此可得一个有限的：I'=艺模块布置
方案集。对所有方案进行风险评估，当装置多米诺
效应风险不可接受(DRPA>7×10。)或人员风险
不可接受(IRPA>7×10 )时，拒绝该方案，否则
列入备选方案集。当备选方案中存在 RPA<7×
10 时，这些方案的装置人员风险可以接受，仅需进
行经济风险的比较，其中最小者为最优方案；当备选
方案中不存在 PA<7×10 时，综合考虑人员风
险和经济风险，如果进一步降低人员风险与所得收
益不对称时，该方案为最优方案。由此可得FLNG
装置整体风险最优情况下所有工艺模块的安全间
距，确定流程如图3所示。
图3 模块间距的整体性安全评价
3 应用实例
3．1 概况
某FLNG装置天然气处理量为3．5×10 t／a，
LNG生产量2．4×10。t／a，设计寿命2O a，工作水深
1 500 m，海况条件比较恶劣。上甲板设备划分为
l1个模块，其中工艺模块1O个，公用工程模块1
个。选取原料气脱酸模块(A)和压缩机模块(13)的
安全间距作为研究对象。为确定模块安全间距，风
险分析过程中，需要提供的技术资料包括：模块布置
图、工艺介质数据表、设备和管道数据表、环境状况
数据、人员分布数据等。
3．2 风险评估结果
由于FLNG装置工艺模块的危险源较多，涉及
到众多的影响因素和相关理论，风险计算的复杂性
和重复性较大，因此基于火灾爆炸事故分析理论，选
用适当的理论模型，根据模块安全间距的确定方法，
利用Matlab软件编程计算。
通过对FI NG装置模块A和D的风险计算，
可以得到人员风险、经济风险和多米诺效应风险这
3种风险值与模块间距的关系如图4～6所示。
从图中可以看出：通过该计算方法，对于每种模
块布置方案，都可以给出相应的风险值。其中，人员
风险和经济风险随着模块间距的增大而降幅较小，
多米诺效应风险下降较快；经济风险在模块间距较
低时的直线下降是由营运中断成本造成的。
f
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Ⅱ
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1
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槽块间距离，n
图4 人员风险与模块间距的关系
模块间距／m
图5 经济风险与模块间距的关系
石油矿场机械
。
10-8
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10 '
倒
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3．3 安全间距的确定
根据该FLNG装置的模块划分及布置，模块间
距人员风险的可容忍上限为7×10 人／a，下限为
7×1O 人／a，多米诺效应风险的可接受标准为7×
1O 人／a。
根据图4和图6可知：模块间距的设置并不能
使人员风险达到可接受区域，而所有模块间距的多
米诺效应风险均达到可接受标准。通过具体数值计
算可得，D 一29．30 m，由此可得模块间距的可容忍
下限为29．3O 1TI。比较模块间距为29．30 m 和
3O．30 m时的经济性，结果如表2所示。其中，模块
间距的增大通过增加船长来实现。从表2可以看
出：模块间距增加1 m，使得经济风险降低￥0．022
×10。元，总投入成本增加￥0．092×10。元，降低人
员风险所增加的投入成本大于经济风险的降低值，
所以模块A 和D 的安全间距为29．30 m。
表2 不同模块间距的经济性评估
通过此次计算可以看出，船长度的增加并不能
有效地保证模块间的安全。模块间距的合理确定还
需要从整个装置层次来考虑，在不改变模块布置面
积的情况下，通过调整模块布置方案来实现模块间
距的合理安全性。
4 结论
1) 安全性能的设计思想可以在满足FLNG
装置设计理念和相关规范的条件下，有效筛选符合
模块安全间距计算要求的潜在事故。采用区域定量
风险评价方法能够实现多危险源分布区域的整体安
全性评估。多米诺效应风险的计算可实现危险扩大
可能性的量化评价。
2) 通过建立风险与模块间距的函数关系，可
对模块和装置进行风险评估，从而根据风险可接受
性控制，确定工艺模块的安全间距，提高装置的本质
安全。
3) 根据FI NG装置的特点，结合安全性能设
计思想和区域风险评估方法，提出工艺模块安全间
距的确定方法。通过实例分析可知，该计算方法合
理可行，可以为基于模块化设计思想的大型装置的
模块安全间距确定提供思路。
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