管道水合物抑制剂注入工艺装置的道化学安全评价

郭　旭,代晓东,贾子麒,梁　月,杨光辉,翟星月,李国平

(1.中石油管道科技研究中心,河北 廊坊 065000; 2.中国石油大学胜利学院 油气工程学院,山东 东营 257000;3.中国石油海外勘探开发公司,北京 100034)



管道水合物抑制剂注入工艺装置的道化学安全评价

郭旭1,代晓东2,贾子麒3,梁月2,杨光辉2,翟星月1,李国平1

(1.中石油管道科技研究中心,河北 廊坊 065000; 2.中国石油大学胜利学院 油气工程学院,山东 东营 257000;3.中国石油海外勘探开发公司,北京 100034)

天然气管道输送中常因天然气水合物的生成而造成 “冰堵”事故,目前防“冰堵”事故常用的技术手段是注入乙二醇等抑制剂,注入工艺装置的燃爆风险一直是管道站场所重点关注的安全问题。通过引入道化学安全评价方法,对危险单元进行识别,对危险物质进行辨识,选取决定性物质乙二醇,计算注入工艺装置的火灾爆炸危险指数、危害系数、危险等级、爆炸半径,提出管道站场生产过程中应采取的工艺安全控制、隔离控制及防火消防控制等各种安全措施以及并行运行条件,可有效降低抑制剂注入工艺装置发生燃烧爆炸的风险,为管道站场的安全管理提供技术指导和安全管理建议。

输气站场;天然气水合物;抑制剂注入装置;道(DOW)化学安全评价法

在天然气管道输送过程中,常因游离水与甲烷分子结合生成水合物而造成管路堵塞,严重影响天然气的管输安全。为了抑制水合物的形成,长输天然气管道系统常采用添加抑制剂的技术手段进行防范。目前常使用的抑制剂为醇类热力学抑制剂,热力学抑制剂一般注入量为管道游离水的10%～60%,较大的注入量相应的带来管道站场燃爆风险的大幅提升,因此有必要选取合适的技术方法对抑制剂注入工艺装置的潜在燃爆风险进行分析评价[1-3]。“道化学安全评价”是美国道化学公司首创的火灾、爆炸危险指数评价法,目前常用的是1993年提出的第七版评价方法,该评价法是以物质系数为基础,通过考虑生产工艺过程中的操作方式、工艺条件、设备状况、消防条件等的影响,来计算工艺单元的危险度数值并划分危险等级[4]。对于输气站场添加的抑制剂注入设备,通过引入道化学安全评价对乙二醇抑制剂注入工艺装置及所含物料的实际潜在火灾、爆炸风险进行分析评价,可确定注入工艺装置火灾爆炸危险指数、危险等级、爆炸半径等,为管道站场的安全管理提供技术指导和合理的安全管理建议。

1　站场抑制剂注入装置的工艺流程

通过对中石油管道公司典型输气管道站场抑制剂注入装置的调研走访,结合管道输送天然气物性特征和注入装置设计、使用现状,对目前常用抑制剂注入装置的工艺流程进行总结分析,确定管道天然气水合物抑制剂注入工艺装置的典型工艺流程如图1所示。

图1　管道天然气水合物抑制剂注入装置的工艺流程

此注入工艺装置是一套天然气水合物动力学抑制剂的雾化注入系统,包括储液罐、动力往复泵、螺旋雾化喷头等主要部分,用以注入管道防“冰堵”抑制剂。主要工作过程是利用往复泵输送天然气水合物抑制剂,在高压环境下将天然气水合物动力学抑制剂雾化成微观液滴进而注入天然气输送管道。

2　火灾、爆炸指数F & EI的计算

由于抑制剂注入工艺装置为高度集成的近似密闭系统,确定以整套抑制剂注入工艺装置为评价单元进行安全评价。

2.1火灾、爆炸指数F & EI的初始值计算

初始的火灾、爆炸指数F & EI计算方法为物质系数(FM)、一般工艺危险系数(F1)、特殊工艺危险系数(F2)三者的乘积。首先确定物质系数(FM),图1中的抑制剂注入工艺装置储液罐中常用注入液为乙二醇,所以选取乙二醇的物质系数作为整个道化学评价的物质系数,查询《工业装置安全卫生预评价方法》[4]物质系数与特性表,乙二醇Nh值为0,Nf值为4,Nr值为0,确定乙二醇的MF数值为4。

一般工艺危险系数(F1)的计算过程如下:基本系数规定为1;由于注入装置无任何化学反应,所以放热反应危险系数和吸热反应危险系数均为0;在物料处理与输送项目中,通过查询查询一般工艺危险系数取值表,确定抑制剂注入装置具有易燃烧、可爆炸的危险性,所以物料处理与输送危险系数取值0.5;注入装置由于是露天作业,所以密闭或室内工艺单元危险系数取值为0;通道符合要求,危险系数取值为0;抑制剂注入装置存在较低的泄漏危险,取危险系数值0.35。最后各危险系数相加得F1的数值为1.85。

特殊工艺危险系数(F2)的计算过程中,基本系数为1;短期接触无生命危险或人体健康受损风险,毒性物质危险系数取0;抑制剂注入装置压力最小为0.1 MPa,大于低压绝对压力要求,负压危险系数取值为0;抑制剂注入装置只有在仪器仪表或控制装置失灵时,装置才会处于燃烧范围内,爆炸极限范围内或其附近的操作危险系数取值为0.3;抑制剂注入装置工作对象是管道内天然气气体,工作过程中不会产生粉尘,故系数取为0;抑制剂注入装置压力0.1 MPa,查表得压力项目危险系数值0.365;整个抑制剂注入装置在常温下进行,无需任何加热和降温措施,所以低温危险系数取0;取抑制剂注入装置10 min处理量的氢气作为工艺过程中不稳定物料总量,抑制剂注入装置注入速率为0.014 Nm3/h,乙二醇燃烧热为1 824.0 kJ/mol,工艺过程中的总能量计算方法为工艺过程可燃物不稳定物料总量(kg)与燃烧热Hc(kJ/kg)的乘机,计算可得其能量值为190.0 kJ,通过查询《安全系统工程》[5]中工艺过程总能量危险系数表,确定其危险系数为0.1;装置贮存中存在乙二醇液体,危险系数取值为0.8;装置贮存的乙二醇液体及少量润滑油的腐蚀与侵蚀较低,取值为0.1;装置结构中,泵及管路连接处一般正常泄漏,取系数为0.3;装置存在真空泵,系数取为0.5。最后计算所得F2的数值为2.965。

工艺单元危险系数F3计算方式为F1和F2的乘积,得值为5.485;火灾、爆炸指数F & EI计算方式为F3和FM的乘积,得值为21.94,根据《安全系统工程》中F & EI及危险等级划分原则,确定注入装置火灾、爆炸危险等级为低级。

2.2安全补偿系数的计算

抑制剂注入工艺装置的安全补偿系数C值由工艺控制安全裣补偿系数汇总(C1)、物质隔离安全补偿系数汇总(C2)、防火设施安全补偿系数汇总(C3)三者相乘得到。

工艺控制安全裣补偿系数汇总(C1)计算过程中,根据抑制剂注入工艺装置的动力源系统、冷却装置设置、抑爆装置、紧急停车系统、操作仪表等特点,可确定各补偿系数值为:应急电源补偿系数为0.98;冷却装置补偿系数为1;抑爆装置补偿系数为1;紧急停车装置补偿系数为0.97;计算机控制补偿系数为0.96;惰性气体保护补偿系数为1;操作规程补偿系数为0.95;化学活泼物质检查补偿系数为1;其他工艺危险分析补偿系数为0.95。以上各补偿系数相乘得C1为0.823 6。

物质隔离安全补偿系数汇总(C2)计算过程中,根据抑制剂注入工艺装置的远距离控制、排放排污、联锁装置等特点,可确定:抑制剂注入装置的储存装置补偿系数为0.98;卸料/排空装置补偿系数为1;排放装置补偿系数为0.94;控制仪表装置补偿系数为0.98。以上各补偿系数相乘得C2为0.893 6。

防火设施安全补偿系数汇总(C3)计算过程中,根据抑制剂注入工艺装置的泄漏检测、消防供应系统、灭火系统、电缆防护等特点,可确定:泄漏检测装置补偿系数为0.96;结构钢补偿系数为0.96;消防水供应系统补偿系数为0.94;特殊灭火系统补偿系数为0.91;喷洒灭火系统补偿系数为0.86;水幕补偿系数为0.97;泡沫灭火装置补偿系数为0.92;手提式灭火器材补偿系数为0.93电缆防护补偿系数为0.96。以上各补偿系数相乘得C3为0.540 2。

由C1、C2、C3三者相乘即可得到安全补偿系数C为0.40。进而得到补偿后的火灾、爆炸危险指数(F&EI’)为8.78,查询可知补偿火灾、爆炸危险等级为最轻。

3　危险性分析

3.1计算暴露区域半径和面积

暴露半径的意义指当抑制剂注入工艺装置发生燃烧或爆炸时,涉及到的区域半径和面积会有多大。其安全系数补偿之前的计算可根据式(1)和式(2)得出:

R=F&EI×0.84×0.304 8.

(1)

按照公式(1)计算出涉及区域的半径R为5.12 m。

S=πR2=3.141 5×5.622=99.22 m2.

(2)

按照公式2计算出涉及区域的面积为99.22 m2。

3.2基本MPPD和实际MPPD值计算

为计算最大可能财产损失(基本MPPD)和实际最大可能财产损失(实际MPPD),需首先确定暴露区域内财产更换价值和危害系数。原来成本根据管道站场生产区实际调研情况,初步按照100万元计算,则暴露区域内财产更换价值可根据式(3)计算:

更换价值=原来成本×0.82×价格增长系数(1.09).

(3)

按照式(3)计算出更换价值为89.38万元。

危害系数采用查表方式,根据F3值5.485和MF值4,查《安全系统工程》危害系数表确定危害系数为0.14。

基本MPPD的计算方法为:

基本MPPD=更换价值×危害系数.

(4)

根据式(4),计算出基本MPPD为12.51万元。

实际MPPD的计算方法为:

实际MPPD=基本MPPD×补偿系数.

(5)

根据公式5,计算出实际MPPD为5.01万元。

4　评价结果总结

对抑制剂注入装置的道化学安全评价结果为:生产单元:抑制剂注入工艺装置;生产单元总替换价值为89.38万元;工艺生产主要物质为乙二醇;物质系数MF为4;火灾爆炸指数F & EI为21.94;安全措施补偿系数为0.40;补偿火灾爆炸指数F&EI’为8.78;最大可能财产损失(基本MPPD)为12.51万元;实际最大可能财产损失(实际MPPD)为5.01万元。

5　结　论

(1)初评计算结果表明,在没有采取任何安全措施之前,抑制剂注入装置初期评价的火灾、爆炸指数等级最轻(共5个级别,依次为最轻、较轻、中等、很大、非常大)。

(2)补偿计算结果表明,在合理的安全措施保障下,危险等级系数大幅下降,安全性得到了更大的保障。说明所评单元在生产装置、管道站场的工艺安全控制、隔离控制及防火消防控制等各种安全措施并行运行条件下,危险系数更小、安全性能更高。

(3)道化学危险指数分析的总体结果说明，管道天然气水合物抑制剂注入工艺装置适用于一般天然气管道输送站场,能够在所有天然气管道输送站场的现有安全防护生产条件下安全、平稳运行,符合国家和企业相关安全生产法律法规及管理规定的要求。

[1]赵秀雯,于力,柴建设,等.天然气管道安全[M].北京:化学工业出版社,2013:12-21.

[2]代晓东,蔡荣海,杨和平,等.忠武管道天然气水合物的形成与抑制[J].油气储运,2012,31(2):158-159.

[3]蒋军成,郭振龙.工业装置安全卫生预评价方法[M].2版.北京:化学工业出版社,2004:23-30.

[4]刘双跃.安全评价[M].北京:冶金工业出版社,2010:20-52.

[5]张景林.安全系统工程[M].北京:煤炭工程出版社,2002:13-110.

[责任编辑]辛艳萍

2016-03-16

郭旭(1987—),男,山东单县人,中石油管道科技研究中心助理工程师,主要从事管道化学添加剂、管道防腐材料研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2016.02.008

TE83

A

1673-5935(2016)02- 0025- 03