PDF《输油站场运行风险因素分析及 评价方法研究》

19 输油站场运行风 险因素分析及 评 价方法 研究姚安林 1,2 曾明友

1 曾明勇

1 (1.

西南石油大学 石油与天然气工程学院 成都 610500) (2. 油气消防四川省重点实验室 成都 610500) 摘要:本文在总结国内外输油站场风险评价技术研究成果的基础上,将风险评价的时间节点前移到系 统各个单元发生故障之前,通过辨识输油站场在运行期间所面临的故障诱因,结合不同故障模式可能产生的 后果,利用风险矩阵法建立起输油站场运行风险评价模型.首先采用故障树分析法(FTA)对输油站场各个风 险区块的运行风险源进行辨识,从而明确故障风险要素;

然后采用专家评分的方式对各风险要素和故障模式 影响后果的严重程度进行评价,得出各个区块的故障发生可能性等级和后果严重度等级,将所得到的等级对 应到风险矩阵中即可得出各区块的运行风险等级;

最后根据各个风险区块的分配权重判断出输油站场整体运 行风险水平. 关键词:输油站场 运行风险 风险源辨识 风险评价 FTA Analysis of Risk Factors in Oil Transmission Station Operation and its Assessment Methodology Yao Anlin1,2 Zeng Mingyou1 Zeng Mingyong1 (1. Petroleum &

Natural Gas Engineering Institute, Southwest Petroleum University Chengdu 610500) (2. Oil &

Gas Fire Protection Key Laboratory of Sichuan Province Chengdu 610500) Abstract Based on the summarizing of research on the oil station risk assessment technology at home and abroad, in this paper, the risk evaluation time is forwarded to the time before each unit fails in the system;

by the identification of the fault cause in oil transmission station operation, combining with the probable result of different failure modes, the oil station operation risk assessment model is established using risk matrix method. Firstly, this paper use fault tree analysis (FTA) to recognize the risk sources of various risk module in oil transmission stations operation, and clears failure risk factors. Then, with the method of expert evaluation on various risk factors and failure modes to evaluate the severity of the consequences, the failure possibility of various blocks and consequences severity level is concluded, the getting level is corresponded to the risk matrix to obtain operation risk level of each block. According to the risk allocation weights of different blocks, the overall risk level of oil station is estimated. Keywords Oil transmission station Operation risk Risk source identification Risk assessment Fault tree analysis 中图分类号 : X933.4 文献标识码:B 文章编号:1673-257X(2015)09-0019-06 DOI: 10.3969/j.issn.1673-257X.2015.09.005 作者简介:姚安林 (1959 ~ ), 男,教授,长 期从事油气储运系统风险评价与完整性管理技 术方面的教学与研究工作. (收稿日期:2015-07-04) 输油站场作为长输管道系统的核心部位,承担着 向管输原油提供热量和压力的任务.我国油气站场风 险评价技术尚处于探索阶段,由于站场设备众多、工 艺复杂、主辅设备的失效概率相差很大,使得进行风 险评价的难度增大,所以传统的站场风险评价基本上

20 是基于站内主体设备发生完全失效事故的临界点来建 立的评价模型 [1,2] .这样的评价结果由于缺乏考虑站 场辅助设备事故对站场风险的贡献影响,所以无法实 现对站场运行故障的预警,显然丧失了风险评价对大 量轻微事故的预报功能.然而无论从海因里希安全法 则[3] ,还是从完整性管理的基本理念 [4-5] 来看,及时 排除轻微事故或事故隐患都是预防严重事故发生的最 有效和最节省的办法.因此进行输油站场运行风险因 素分析的目的就是期望通过辨识出可能导致站场轻微 事故的隐患,实现输油站场安全管理的关口前移,从 而达到降低风险管控成本,保证输油站场持续安全运 行的目的. 鉴于上述原因,本文在总结输油站场风险评价研 究成果的基础上,结合工程实际,将研究重点放在输 油站场运行风险因素分析上,把风险评价的时间节点 向前推移到各个系统单元发生故障之前.采用故障树 分析方法对输油站场各个风险区块进行运行风险源辨 识和敏感性分析,结合各种故障模式可能导致的人身 伤害、财产损失和环境破坏的影响后,在采用风险矩 阵对输油站场风险区块的运行风险水平进行定性评价, 为输油站场管理人员实时管控输油站运行过程中的风 险因素提供决策依据.

1 输油站场运行风险因素分析及评价基本 思路 运行风险分析与传统事故风险分析的区别在于 [6] : 运行风险分析着眼于系统发生故障的状态,分析重点 除系统中的关键主体设备之外,还需要更多地关注配 套辅助设备发生故障或者失效导致主体设备不能正常 运行的情况,这种故障往往在较短时间内具有可修复 性;

传统事故风险分析的着眼点是站场主体设备发生 失效,甚至发生火灾爆炸等严重事故,达到这一临界 点的事故往往在短期内是难以修复的. 本文首先按照风险区块划分原则,依据原油流向 把输油站场划分为清管器收发装置区、加热炉区、输 油泵机组区、阀组区四个风险区块,采用故障树分析 方法对各个风险区块进行运行风险源辨识后,辨识出 各个风险区块的重大运行风险源,采用专家评分的方 式对各个风险区块进行风险评估,最后依据工程实际 赋予各个风险区块不同的权重,得出输油站的整体运 行风险值,具体分析过程如图

1 所示. 图1输油站场运行风险因素分析及定性评价技术路线图

2 输油站场区块运行风险因素分析 本文在此以输油站的加热炉区为例,采用故障树 分析方法对其进行运行风险源辨识.其余风险区块按 相同方法进行运行风险源分析,限于篇幅这里不再 详述. 目前,长输管道的原油加热方式有直接加热和间 接加热两种 [7] .直接加热是原油直接流经加热炉,吸 收燃料燃烧放出的热量;

间接加热是原油通过中间介 质在换热器中吸收热量,达到升温的目的. 本文仅研究长输管道中使用较多的直接加热方式. 直接加热方式最常见的设备是管式加热炉.本文以管 式加热炉及其辅助仪器仪表为主要研究对象,采用故 障树分析方法对加热炉区进行运行风险分析. 2.1 加热炉区运行故障树建立 根据安全理论,使用故障树分析方法,将加热炉 运行故障作为顶事件,从顶事件开始,分析加热炉运 行过程中可能产生的故障模式及其原因作为中间事件 或基本事件,运用逻辑推理方法,分析导致起因的中 间事件与基本事件的关系,最后判断出加热炉运行故 障的各种影响因素.根据加热炉在输油站工艺流程中 的作用,建立起加热炉运行故障树,如图

2 所示,图2中符号所代表的事件见表 1.

21 表1加热炉区运行故障树事件表 符号 故障现象 符号 故障现象 符号 故障现象 T 加热炉区运行故障 F19 加热炉安全阀故障 X16 加热炉定期保养不到 位F1 加热炉出炉油温异常 F20 安全阀泄漏 X17 雾化剂不足 F2 加热炉出炉油温过高 F21 到规定压力不开启 X18 燃料油温度较低 F3 加热炉油温过低 F22 不到规定压力提前 开启 X19 喷油嘴堵塞 F4 炉膛温度过高 X1 进炉原油温度较高 X20 燃料油含水 F5 炉膛温控系统故障 X2 燃料油进油量增加 X21 燃料油粘度过大 F6 进炉原油量减少 X3 温度感应探头失效 X22 燃料油温度较低 F7 炉膛温度过低 X4 温控系统软件故障 X23 气温较低 F8 进炉原油量增加 X5 燃料油控制阀故障 X24 保温层失效 F9 加热炉燃烧状况异常 X6 泵排量减小 X25 通风不良 F10 加热炉冒黑烟 X7 进口阀门开度减小 X26 烟道挡板开度不足 F11 炉管烧穿 X8 进炉原油温度较低 X27 阀芯与阀座接触 不严密 F12 局部腐蚀 X9 燃料油进油量减少 X28 阀芯与阀座不对中 F13 燃料油雾化不良 X10 泵排量增加 X29 阀芯与阀座间 有锈蚀物 F14 加热炉火焰熄灭 X11 进口阀门开度较大 X30 弹簧设定压力过高 F15 燃料油供应不足 X12 火焰偏烧 X31 弹簧失效 F16 燃料油质量不佳 X13 火管壁结焦 X32 弹簧设定压力过低 F17 燃料油管线冻结 X14 高温 F18 燃料油管线保温不佳 X15 燃料油中酸性组分含 量较高 2.2 加热炉区运行故障树最小割集分析 在加热炉区运行故障树中,能够导致顶事件发生 的基本事件的集合称为割集.能引起顶事件失效的基 本事件的最小组合称为最小割集,最小割集能够指出 发生哪一种基本事件或组合时就会发生事故,因而可 以发现系统最薄弱的环节 [8] . 本文采用布尔代数求解: T=F1+F9+F19 =X1+X2X3+X2X4+X2X5+X6+X7+X8+X3X9+ X4X9+X5X9+X10+X11+X12+X13+X14X15X16+X17 +X18+X19+X20+X21+X22+X23X24+X25+X26+X27 +X28+X29+X30+X31+X32 从上述分析可知,加热炉区运行故障树共有

30 个(a) (b) (c) 图2加热炉区运行故障树

22 =I25=I26=I27=I28=I29=I30=I31=I32) >

(I2=I9) >

(I3=I4=I5) >

(I23=I24)>

(I14=I15=I16) 从加热炉区运行故障树的底事件结构重要度系数 排序结果可以得出:X

1、X

6、X

7、X

8、X

10、X

11、 X

12、X

13、X

17、X

18、X

19、X

20、X

21、X

22、 X

25、X

26、X

27、X

28、X

29、X

30、X31 和X32 的结构重要度系数最大,其次是 X2 和X9,然后是 X

3、X4 和X5,接着是 X23 和X24,最后是 X

14、 X15 和X16.结构重要度系数越大,对应的底事件对 加热炉运行故障的影响越大.由此可见,为了在随后 的风险评价中抓住主要矛盾,可选取结构重要度系数 最大的

22 个底事件作为分析加热炉区运行风险的基本 风险因素.

3 风险矩阵评价法 风险具有两维性,对于一个给定的设备,其风险 的大小由该设备事件发生的概率和事件相联系的后果 来确定 [10] .风险的数学表示式为:风险 = 失效概率 * 失效后果 [11] .对于输油站的单个区块运行风险和整 体运行风险依据 RBI 技术,采用风险矩阵方法进行表 征[12] .该方法是根据风险的定义,将评价的结果放入 5*5 的矩阵, 按高、 较高、 中等、 较低及低风险来分级, 水平轴代表故障发生可能性的等级,垂直轴代表失效 后果的严重程度等级,其中严重程度分为人身伤害、 财产损失和环境破坏三个维度,由于这三类后果不具 有可叠加性,所以在实际评价中可选取三类后果中最 高级别的作为后果严重程度等级来判定区块运行风险. 本文建立如图

3 所示的风险矩阵. 最小割集,其中一阶最小割集

22 个占总数的 73.3%, 二阶最小割集

7 个占总数的 23.3%,三阶最小割集

1 个占总数的 3.4%,以一阶最小割集为主. 2.3 加热炉区运行故障树底事件的结构重要度 分析 结构重要度是指不考虑基本事件自身的发生概率, 或者说假定各基本事件的发生概率相等,仅从结构上 分析各个基本事件对顶上事件发生所产生的影响程度. 结构重要度反映了底事件对顶事件发生所做贡献大小 的量度 [9] .结构重要度系数可用式(1)进行计算: Ii N x k j ie j = ? ? ? ? ? ? ? ? ? ∏

1 1

1 2

1 (1) 式中: kj――第j个最小割集;

Nj(j ∈ kj)――底事件 i 位于 kj 的底事件数;

xi ∈ kj――第i个底事件属于第 j 个最小割集;

Ii――第i个底事件的结构重要度系数. 加热炉区运行故障树基本事件结构重要度计算结 果如下: I1=I6=I7=I8=I10=I11=I12=I13=I17=I18=I19=I20=I21=I22 =I25=I26=I27=I28=I29=I30=I31=I32=1.0 I2=I9=0.875 I3=I4=I5=0.75 I23=I24=0.5 I14=I15=I16=0.25 根据上述故障树底事件结构重要度系数的计算结 果, 按照相对重要程度对各底事件进行排序, 结果如下 : (I1=I6=I7=I8=I10=I11=I12=I13=I17=I18=I19=I20=I21=I22 故障后果 故障可能性 人身伤害 财产损失 环境破坏 不可能发生 极少发生 有时发生 很有可能发生 频繁发生 无健康影响 无无低风险 低风险 低风险 低风险 较低风险 可能造成较小 伤害 较小 较小 低风险 低风险 较低风险 较低风险 中等风险 可能造成较大 伤害 中等 中等 低风险 较低风险 较低风险 中等风险 较高风险 人员死亡 较大 较大 低风险 较低风险 中等风险 较高风险 高风险 多人死亡 很大 很大 较低风险 中等风险 较高风险 高风险 高风险 图3输油站场运行风险评价矩阵示意图

23 3.1 运行故障可能性评价 这里仅对所有结构重要度最大的基本事件进行分 析,由于缺乏可靠的统计数据库,本文在此采用专家 打分的方法对各个故障可能性进行评分 (满分

100 分) , 根据故障发生的可能性将其分为五个等级:[0,20] 为 不可能发生,(20,40] 为极少发生,(40,60] 为有 时发生,(60,80] 为很可能发生,(80,100] 为频繁 发生,见表 2. 表2输油站场运行故障可能性评价指标表 评价指标 赋分范围 不可能发生 0~20 极少发生 20~40 有时发生 40~60 很可能发生 60~80 频繁发生 80~100 组织一支对输油站场非常熟悉的

5 位专家组成的 专家评价小组,对某输油站加热炉区运行故障发生可 能性影响因素进行评价.按照每个专家的评分结果进 行加权平均后得到该站加热炉区故障发生可能性评........