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高含硫天然气集输站动态事故建模

陈炳泰，陈国明*，雷张，傅建民，李泽民 中国石油大学（华东）石油大学海洋工程与安全技术中心 中国青岛长江西路66号

概念

集气站的动态事故模拟是为了防止高含硫的天然气泄漏，制定设备检测策略。

发生在集气站中的异常事件由故障树和事件序列图组合建模，建立在事故因果连锁理论上。即将过程描述为安全障碍的连续失效，进而预测异常事件结果的发生概率。异常事件的结果分为事故和事故前兆，事故前兆包括事故和未遂事件。当一个新的观察点(即事故前兆或事故数据)到达的时候，贝叶斯理论就会更新故障概率的安全屏障。然后贝叶斯网络相应地更新有溯因推理能力的基本事件的失败概率。结果发生概率也被更新了。结果表明，使用这种方法可以得到不同结果的发生概率趋势，安全屏障和安全屏障的基础事件的故障概率趋势。此外，在事故发生中发挥重要作用的关键基本事件也被确定。所有的这些都为集气站的维护和检查提供了有用的信息。

2013 化学工程师协会 由Elsevier出版公司保留所有权利。

关键词：故障树；事件序列图；事故因果链理论；贝叶斯理论；贝叶斯网络；动态风险

1. 简介

高含硫天然气集气站是一个极其复杂的系统，含有大量的易燃、有毒物质，如高含硫天然气、燃料气、甲醇等。日益复杂的系统元素，例如运营商、程序、设备、工作环境以及它们之间的相互作用可能导致潜在的灾难性事故。
工艺事故通常是由故障引起的或者由一个或多个部件的故障和工艺参数偏差引起的事件的连续故障的结果，而不是由单一故障或错误引起的结果。这些事件通常被称为异常事件。事故模型是说明因果关系并说明事件为什么和怎样发生的理论框架。

事故模型的有效运用为事故调查、分析、预防事故和评估风险提供了依据。大部分的传统事故模型，例如多米诺理论、能量意外释放理论和轨道相交理论，主要集中在人为因素、组织因素和管理因素。他们主要是描述性模型，没有预测能力。（靳和杨，2010）关于差点发生的，轻微的事故和过程操作中经常发生的事件的信息，往往被看作是事故前兆数据。（Meel和Seider，2006）此外，上述模型被用于模拟严重事故，而不是事故的前兆。（Heinrich, 1941; Kjellen, 2000; Rathnayaka et al., 2011a;Safety and Environmental Protection Department of China National Petroleum Corporation, 2009）因此，上述传统事故模型不能利用事故前兆数据来制定预防策略、评估风险和降低流程工业的不确定性。

Kujath等人（2010）提出了海上石油和天然气处理环境的过程事故模型，以优先处理事故的预防。 在这种模式下，使用安全屏障概念模拟天然气释放事故。Rathnayaka等 （2011a）和Rathnayaka等人（2011b）进一步发展了Kujath的模型，它创造了事故过程和量化机制的整体观点，更新能力，通过使用事故前兆数据来减少概率评估的不确定性。改进的模型通过集成故障树和事件树分析来图形化地表示因果关系来加强，称为SHIPP（系统危害识别，预测和预防）方法。 随后，SHIPP方法已被验证用于LNG处理设施的安全评估（Rathnayakaet al。，2012）。 然而，这种方法在动态更新事故预防措施的故障概率方面具有一定的局限性，即安全障碍的基本事件。 因此，在检查和维护中，不会将重点放在事故预防措施上。 另外，这种方法总是假设安全障碍是独立的，这是不合理的。

这项工作的目的是提出一种基于Kujath和Rathnayaka的工作改进的SHIPP方法。 由于高硫天然气的急性毒性，本方法中添加了防毒屏障和应急疏散屏障。 这种方法可以动态地估计事故发生的风险，考虑到安全障碍的依赖。 此外，对于在事故发生中发挥重要作用的关键基础事件，该改进方法可以识别它们，并通过使用工厂实时数据动态估计其故障概率。 最后，该方法适用于高硫天然气采集站的动态风险评估

1. 过程事故模型

事故过程通常遵循三个步骤：启动，传播和终止（Crowl和Louvar，2002），并且危险事件可能在每个步骤中演变。识别和分析事故过程是确定需要什么类型的安全屏障来预防或减轻这一过程。在气体处理中，泄漏事故场景的典型事故顺序步骤包括材料释放，材料分解，可燃材料点火，燃烧或爆炸升级，暴露于人类和环境。相关障碍旨在防止，减轻和/或控制事故顺序的每个步骤处理。

SHIPP方法用于模拟事故过程(Kujathet al., 2010) SHIPP方法的目的是识别危害，评估，预测和防止事件发生，并持续监控，特别是对于过程危害。SHIPP方法由四个阶段组成：（1）系统定义，（2）危害识别和分析，（3）事故模拟和预测，（4）更新和实施事故预防策略。SHIPP方法的优点是可用于评估整个系统以及子系统故障的风险，并且还可以通过事故分析技术对事故过程进行建模来识别子系统的隐藏交互。

事故模型的特点是安全壁垒方面的事故过程。考虑到高硫天然气的急性毒性，由Rathnayaka（Rathnayaka等，2011a）开发的模型进行了修改。

故障树用于表示导致每个安全栅栏故障的因果关系。 在故障树中，顶部事件表示安全栅栏的故障。

事故过程从遏制失控开始。 已经确定过程干扰，技术故障，操作错误，维护故障和外部负载是释放预防障碍故障的直接原因。 分散防止屏障限制了危险事件的程度，以防止材料或能量的扩散。 应用被动和主动屏障来防止和减轻气体检测，隔离和排气等材料的分散。点火预防在气体处理设施中很重要。因此，必须安装安全栅，以集中在工艺设备中存在的所有可能的点火源，以防止爆炸和爆炸。热表面，热材料，热加工，开放式，摩擦和冲击以及静电火花是集气站常见的点火源。热工作许可证，合适的绝缘，热表面屏蔽和火焰检测系统已被应用于防止易燃混合物遇到点火源。一旦发生点火，危险事件传播到附近的设备，触发被称为“多米诺骨牌事故”的一个或多个次要事件。这些事件通常比主要事件更严重。因此，安装相关和适当的障碍来防止多米诺骨牌事故。安装喷水灭火系统和其他保护系统以根据需要启动，以防止事故进一步升级。防毒屏障在保护操作人员免受中毒的影响中起重要作用，包括毒气检测和防毒呼吸器。释放升级防护屏障是防止大规模气体释放的最后障碍，如井口紧急停机系统。 紧急疏散障碍是最后一层保护，旨在尽可能地控制危险事件，或减少其后果。 这个障碍的主要目标是防止死亡。 紧急计划是安全和防止损失的重要组成部分。

事件序列图分析用于描述事故过程各阶段的后果。 故障树和事件序列图分析的整合提供了潜在事故情景的原因结果机制的整体图。 此外，该模型使用贝叶斯更新机制和植物实时数据最小化预测中的不确定度。 对于依赖障碍，应用贝叶斯网络来估计后果的发生概率。 此外，还确定了在事故发生中发挥重要作用的安全栅栏的关键基础事件，为确保发生事故，应优先进行维护。 并通过贝叶斯网络的诱导推理能力动态更新安全障碍基本事件的故障概率。

1. .集气站的流程和危险识别

高硫天然气集散站主要由高硫天然气收集，燃气供应，数据采集与传输，甲醇注入，防腐蚀剂注入和排气等多个相互作用的子系统组成。 运输管网采用湿气采集和运输过程，其中高硫天然气被加热，节流，绝缘和多相运输。 车站安装安全可靠的通风系统。 固定在井口上的紧急关闭（ESD）阀门和连接到下一站的出站管道可以在发生事故或事故前兆时自动或手动关闭。 从安全阀或排气管排出的天然气被收集并运送到天然气燃烧的火炬。

危害识别和分析的主要目的是识别潜在的过程危害并分析这些危害发生的事故。 含有H2S，CO2，水等物质的高硫天然气容易导致设备的腐蚀穿孔或应力腐蚀开裂。 此外，H2S是高毒性的，一旦高硫天然气泄漏，中毒事故就可能发生。 可燃气体或有毒气体的泄漏是高硫集气站的主要危害。 可燃气体的泄漏可能会导致火山灰，喷射，飞溅，蒸汽云爆炸和窒息等事故。 而有毒气体释放可能会导致中毒事故。

1. 集气站动态事故模拟

流程事故序列逻辑通过事件序列图进行建模。 该模型描绘了由于安全障碍的顺序故障而导致的事故过程。 在Rathnayaka等人的基础上 （2011a），改进了SHHIP方法，实施了高硫天然气采集站的动态风险评估。

4.1建立事故模型

事故过程的因果关系由因果链的理论描述。 事故是安全障碍失败的顺序的结果。 为了防止事故过程的发生和发展，研究事故过程的顺序模式是有意义的，有助于识别与不同事故水平及其安全功能相关的障碍。

根据高硫天然气的释放范围和气体释放引起的事故后果的严重程度，事件顺序图的后果分为8类。在此图中，C2释放代表小范围的高硫天然气释放，但在集气站中没有人员中毒。 C3排放代表小范围的高硫天然气释放，一些人员在集气站中毒。 C4释放是一种广泛的高硫天然气释放，但没有人员在集气站中毒。 C5排放代表了广泛的高硫天然气释放，部分天然气集散站或附近居民的人员正在中毒.6灾难性事故代表了大范围的高硫天然气释放，造成灾难性事故，许多人中毒C8灾难性事故是由高硫天然气或爆炸造成的灾难性事故。

在故障树和事件序列图的帮助下描述事故顺序因果关系。可以通过故障树分析事故模型中的安全障碍。故障树的顶部事件表示安全栅栏的故障。防爆屏障故障，防扩散屏障故障，防毒屏障故障，点火防止屏障故障，应急疏散屏障故障和防止上升防护屏障故障的故障树如图1和图2所示。 5-10号安全栅栏编号基本情况见表1.这些安全障碍的简要说明如下。 （1）防爆屏障故障主要是由于腐蚀或应力腐蚀开裂引起的管道或设备部件的故障。 （2）分散防止屏障的目的是限制泄漏的高硫天然气的扩散。这个障碍主要包括H2S，CH4检测系统，手动和自动隔离系统，紧急停机系统和排气系统。为了减少高硫气体的泄漏，由于高硫天然气泄漏，井口和出站紧急停机（ESD）阀门自动关闭，手动通气进行减压，以减轻压力。如果井口或出站的防静电阀失效，可手动关闭阀门（胜利工程咨询有限公司，2008; Su等，2010）。 （3）防毒屏障：由于高硫天然气的H2S含量较高，如果CH4，H2S气体检测仪各自监测气体泄漏，则认为高硫天然气泄漏。另外，为了防止酸性气体泄漏造成人员毒物，确保运营商的安全，集气站配备有正压的防毒空气呼吸器（Chen et al。，2007; Panet al。，2003）。 （4）防火屏障：集气站内有大量点火源，如摩擦和冲击，热表面，热材料，静电火花，开放式火花和热作业。集气站不仅安装了热表面屏蔽和绝缘等永久性被动预防措施，以防止可燃材料接触点火源，而且制定了严格的工艺许可和安全检查清单。 （5）释放升级防护屏障主要指井口紧急停机系统。 （6）紧急疏散障碍是确保经营者和附近居民紧急撤离，高硫天然气大规模泄漏（王和功，2011）。 （7）消防防火屏障：一旦发生，由于主要事件（如热辐射，超压和碎片投影）产生的物理效应，可能会触发附近设备的一个或多个次要事件。次要事件的严重程度与主要事件相比明显更高。因此，集气站配备了充足的相关主动和被动屏障，如监控系统，喷水灭火系统和井口防静电措施，以防止发生多米诺骨伤事故现象（Su et al。，2010）。

仪器和气体检测器，阀门和过程传感器等设备的故障概率可从OREDA参与者（2002）获得。 它们是可用于海上结构和高硫天然气采集站的通用和代表性值。 而其他基本事件的失效概率则由人员经验和过程工厂中可用的数据进行估算，这些数据尽可能现实。 所有这些都减少了使用的数据的不确定性。 假设基本事件的失败是相互排斥和独立的。 第i个基本事件的故障概率由xi表示，也称为初始置信或先验概率。 表1列出了每个基本事件的故障概率。

故障树用于对安全障碍的故障进行建模，基本事件的故障被认为是独立的。第i个安全障碍的失败概率由Si表示，也称为初始置信或先验概率。 表2列出了每个安全屏障的故障概率。

如前所述，安全障碍的失效概率是通过使用故障树来估计的。 那么故障概率是利用事件顺序图分支来估计发生后果的概率。 鉴于第k个结果Ck（k = 1,2，...，8），与C相关的安全屏障k是独立或单独的。 C的先验概率k表示为P（Ck），如公式 （1）。

其中SB k表示与结果Ck和Acirc;i相关的安全障碍，如果结果Ck发生沿着安全栅i的故障分支（下行）通过，则k = 1;如果后果Ck发生沿着安全栅i，则k = 0 成功分支（up-branch）安全屏障i。 C1安全的发生概率从等式 （1）。

与后果C2相关的安全障碍包括防止屏障，分散防止屏障毒物和预防屏障，其中防止排泄屏障和毒物防止屏障不相互独立，因为气体泄漏检测不仅与分散预防屏障有关，而且与防毒屏障有关。在本文中，安全栏的事件序列图和故障树被映射到它们对应的贝叶斯网络中，Bobbio等人（2001），Cai et al。 （新闻），Wang et al。 （2004），Zheng et al。 （2006），Zhou et al。 （2006a）和Zhou et al。 （2006b）说明了映射的方法和步骤。图。图11显示了将一个OR和一个AND门转换为贝叶斯网络中的等价节点。父节点E1和E2分配的先验符合性与分配给FT中对应的基本节点的概率值一致。子节点T被赋予其条件概率表。对应于事件序列图的贝叶斯网络的根节点和对应于故障树的贝叶斯网络的叶节点被集成到节点中，当它们表示相同的事件时。建立了一个集成的巴西网络，保持连接关系，根节点和非根节点的概率分布不变。

在这项工作中，贝叶斯网络用于估计先前描述的后果C2，C3，C4，C5，C6，C7和C8的发生概率，并且使用HUGIN软件计算的结果列于表3。

从表3可以看出，后果比较严重，发生概率不大。

4.2更新机制

故障树的基本事件的故障概率是通过使用可靠性数据库，文献和过程工厂中的可用历史数据得出的，并且往往具有相

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