LNG-FPSO上层天然气液化过程的火灾和爆炸定量风险分析外文翻译资料

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LNG-FPSO上层天然气液化过程的火灾和爆炸定量风险分析

摘要

由于燃料油和天然气的大量使用和生产，埋藏承载能源物料的开采位置正在远离陆地，最终需要像具有浮式生产，储存和卸载功能的（FPSO）这样的浮式生产平台。在这些平台中，LNG-FPSO近期在满足全球天然气需求方面将发挥重要的作用; LNG-FPSO系统主要的功能是处理气田附近的所有关于天然气的工程。然而，即使在海样平台发生一个灾难，也将使整个工程陷入危机。在这项研究中，LNG-FPSO的火灾和爆炸危险通过定量风险分析进行评估，包括频率和后果分析，重点是LNG液化过程（DMR循环）。后果分析通过使用普遍的分析工具PHAST进行建模。为了评估该系统的风险，为液化天然气和制冷剂从阀门的泄漏设置了5种泄漏方式，然后从这5种方式中选个最可能导致火灾和爆炸的方式。从分析结果可以看出，不需要采用额外的保护方法来减少ALARP标准下的火灾和爆炸的影响，并且建议采用两种独立的保护层方案，以满足SIL级的故障发生率 ，并使此系统在海上环境下运行更安全。

1. 引言

随着人类追求繁荣，世界上各个国家都在不断增加的能源使用量。自二十世纪以来，在各种形式的能源中，燃料油和天然气是人们的第一选择。随着这些自然资源的能源开采地点，逐渐以近海为重点，最近陆上浮式生产系统也越来越受人们的重视。作为最有技术优势之一的FPSO起着关键的作用，包括海上钻井，预处理和运输。特别地，LNG-FPSO已经研发到覆盖了海上气田的LNG生产过程的所有工程。表1显示了LNG-FPSO生产的天然气和石油的主要组成部分。根据碳数量，将气体确定为LNG，液化石油气，冷凝水和油的混合物。

表1 ： 每种气体和油的主要组成部分

LNG工厂的油气处理过程流程如下：

1. 根据生产领域，从井或其他支柱提取的原始天然气被处理分离为气体和冷凝物。然后，作为LNG和LPG组分的甲烷，乙烷，丙烷和丁烷等较轻质烃被压缩并预处理以送至液化部分。
2. 形成水合物的二氧化碳等杂质和具有腐蚀性和毒性的硫化氢通过酸性气体废气塔从较轻的碳氢化合物中除去。
3. 除去酸性气体后，天然气进入吸收塔和再生塔，以除去会形成冰的水和会损坏设备和水管的汞。
4. 去除杂质后的天然气，使用热交换器，膨胀阀，压缩机等设备进行压缩和膨胀循环处理，再通过液化系统冷凝成天然气。

通常，用于陆上和海上的开采天然气设备几乎具有相同的结构。然而，两者所需的安全级别可能会有所不同。与陆上液化天然气厂相比，LNG-FPSO结构更紧凑。另外，安全地处理或管理易燃气体和造成火灾和爆炸事故的主要原因都是非常重要的。自从Piper Alpha事故以来，大家都知道这些事故对所有的设施以及海洋平台上的人员都可能造成巨大损失。为了防止事故发生，LNG-FPSO的火灾和爆炸危险因素必须得到准确的评估和管理。然而，以往对浮动设施研究的重点是考虑风险评估的结构和一般准则。因此，定量风险评估包括可靠的数据，对进一步确认风险和可接受的危害的减少是非常重要的。

在本研究中，评估了基于定量风险分析（QRA）的风险，包括频率和后果分析。 由于LNG-FPSO上侧液化石油气的QRA在之前不进行。因此本研究结果可以用于改善顶部布局的设计。在下一节中，回顾了分析方法的基本背景。 第3节描述了QRA的事故情况。 第4节和第5节给出结果和结论。

1. LNG-FPSO风险分析建议程序

定量风险分析通常不是一步完成的，是通过循环回路完成的。然而，海上工艺的顶端设计主要是基于已经确认的陆上工艺案例，在海上工艺中可以很容易地采用类似的在岸设备中使用的类似工艺设备。由于离岸过程的基本安全性已经在陆上工厂中得到验证，本研究提出了跳过循环回路的常规QRA的简化过程。对于频率，在不使用循环回路的前提下，合理地进行修改QRA和SIL， 从而减少海上工厂的事故发生。

• 1. 定量风险分析的过程

QRA是对危险活动风险进行系统分析的一种方法。它提供了决策信息，帮助运营商认识到现存风险的重要性（1999年化学工艺安全中心）。QRA还为设计师或操作员提供了保证安全要求的指导（Crowl和Louvar，2002）。

在这项研究中，最有可能的偶然情况是基于对历史文献的回顾和分析。结果分析由PHASTTM进行，PHASTTM是QRA领域最受欢迎的工具之一。首先，假设可能发生的事故，并且在辐射和超压情况下计算其火灾和爆炸的影响。

2.2安全完整性等级（SIL）

SIL是确保系统的安全特性满足可靠的安全水平要求。它有助于降低危险的故障率或可承受的危险率。 SIL由一系列定量因素（例如，故障率，故障频率降低因子等）与定性因素（如选择工艺设备和安全生命周期管理）相结合而决定的。根据化学工业安全中心（CCPS），SIL可以分为四个层次，并且与本研究相关的三个层次如下：

1. SIL 1：安全仪表功能（SIF）通常使用单个传感器，单个安全仪表系统（SIS）逻辑解算器和单个最终控制元件
2. SIL 2：SIF通常通过逻辑解算器从传感器完全冗余到最终控制元件。
3. SIL 3：SIF通常通过逻辑解算器完全冗余到最终控制元件，并且需要仔细设计和频繁的验证测试，以实现低故障故障概率。

表2总结了SIL与本研究中使用的按需故障概率（PFD）之间的相关性。SIL的更多细节可以在Dowell III（1998）中找到。即使由于许多公司的SIL 3数量有限，因为这种架构通常都是高成本的，CCPS建议SIL 3.考虑到FPSO的恶劣的运营环境，本研究重点是推荐IPL选择以满足的SIL 3。为了减轻事故发生频率，根据PFD的标准选择独立保护层（IPL），以确定所需的SIL（Gulland，2004）。

表2：故障根据安全完整性级别的需求可能性

1. 选择定量风险分析的事故情景

液化天然气是在特定条件下引起火灾和爆炸的易燃气体并且事故可能发生在任何地方。由于事故情况很重要并且决定了QRA的质量。在考虑到以前在陆上LNG液化系统发生事故的情况以及本研究LNG-FPSO过程的设计信息，首先建立起事故情景。

• 1. 液化过程中出现液化天然气事故

1977年在阿尔及利亚发生了液化天然气设备的阀门故障。一名工人由于液化天然气的低温而死亡。然而，如果没有点火就没有更严重的灾难，如火灾或爆炸。2004年，阿尔及利亚的蒸汽锅炉（作为液化天然气工厂一部分）发生了爆炸事件。事件的结果除了液化天然气厂的破坏和工厂外界的损坏外，还有二十七人死亡，另有72人受伤。因此，在考虑安全设计时，必须对这些与易燃气体有关的风险进行适当评估。一些适当的事故预防设计和技术是非常有用的方法。这样既减少了时间又减少了精力和成本。

• 1. LNG-FPSO的事故情景演化

在LNG-FPSO顶部的许多地方，液化过程的部件是费用耗费最多的部件，占总顶部成本的70％，占LNG-FPSO整体成本的32％。该工艺的大多数操作条件都处于高压和高温，造成火灾和爆炸的风险非常高。 一旦发生事故，它不仅影响设施，还影响生活区，包括离岸人员的住宿，临时避难所，控制室，办公室和餐饮场所以及娱乐休息室。

为了估计爆炸和火灾的影响，风险评估是在许多液化系统中基于双重混合制冷剂之中循环进行的。在本研究考虑的LNG-FPSO中，采用DLC循环将用于LNG液化系统。该系统具有两个循环，包括两个海水冷却器，三个压缩机，四个热交换器，五个膨胀阀而不是膨胀器，以及两个相分离器。由甲烷，乙烷，丙烷和丁烷组成的预冷制冷剂通过预冷，液化和超冷却。 在液化/超冷却步骤中由氮气，甲烷，乙烷和丙烷组成的主要制冷剂混合物以及预冷却步骤中的天然气冷却。 然后天然气被Figmain制冷剂冷却，在液化和超冷却步骤中生产LNG。预冷却的制冷剂降低了在预冷器冷藏箱内循环的天然气，主要制冷剂和自身的温度。主要制冷剂也液化冷却通过冷箱的天然气。

本案例研究的事故情况从先前关于LNG-FPSO中安装的DMR循环过程状态优化的研究中得到改进。首先，泄漏点假设在五个膨胀阀中，膨胀阀一般在液化过程中最可能出现故障。并且，在三种不同的孔尺寸（5,50,100mm）来选择泄漏尺寸，以确认随着泄漏尺寸变化的效果。对于这些事故情况，直接点火可能导致喷气式火灾，但是延迟点火也将导致火灾和爆炸。因为泄漏的液体立即变成气体，所以在本研究中不考虑池火。表3显示了在DMR循环中使用的每个膨胀阀内的材料的工艺状态和组成。

表3 ：5个案例的发布方案