城市天然气高压输配系统风险评价研究

来源:四川燃气 更新时间:2018-09-26 阅读:231

  • 长宁县天能燃气有限责任公司  高昕


       【摘  要】: 随着天然气工业的飞速发展,城市燃气中低压管网系统已经发展得较为成熟,而天然气高压管道系统正在建设中。针对这一现状,本文首先介绍了城市天然气高压输配系统的组成,运用故障树方法对天然气输配管网失效及天然气输配设施火灾爆炸事故进行了定性分析,同时将模糊综合评价方法运用到城市天然气高压输配系统中,又根据危险等级模糊特征量的概念及计算方法确定了该系统的安全性等级。最后基于FLUENT软件针对天然气泄漏扩散进行数值模拟研究,得出天然气的气云浓度在自然风速、泄漏速度及高大障碍物等条件影响下的规律,为后文中制定的风险控制措施提供了客观依据和理论支撑。
      【关键字】:天然气高压输配系统 事故定性分析 模糊综合评价  
           1、绪论
            1.1 选题的背景及意义
      为了接受来自各不同气源点通过长输管线输送来的天然气,城市燃气输配系统将逐步从以往的一级或二级管网系统转化为三级系统,建立环状高压管线,以满足“多气源供气,联网互补”的城市供气的规划要求,从而完成城市燃气的转换[1]。
      天然气高压输配系统作为城市天然气的中枢纽,安全状况好坏决定着整个城市天然气系统能否正常运行和管理,是维系整个城市发展和安全的命脉[2]。所以,人们在享受天然气带来的优势的同时,对于天然气高压输配系统的安全运行也愈发重视[3]。 
            1.2 国内外研究现状
            1.2.1国内外危险源辨识研究现状
      相对于发达国家,在重大危险源辨识研究方面我国起步较晚。中国安全生产科学研究院结合我国工业生产的特点,根据对各类重大事故的统计,在参考国外同类标准的基础上,于 2000 年发表了我国《重大危险源辨识》的标准。之后,高进东等人对我国现行重大危险源辨识的标准进行了研究,提出设立最大危险源辨识最小标准的建议[4]。 他们认为对重大危险源辨识和控制管理应实行分级,这样可以促进我国企业与国际标准接轨[5]。 
            1.2.2 国内外风险评价现状
      要对系统进行安全评价,首先要依赖于安全分析技术。通常安全分析技术可分为定性分析和定量分析两种类型。定性安全评价法是“估计”安全,定量安全评价法是“计算”风险。
      风险评价是在风险识别和风险估测的基础上,对风险发生的概率,损失程度,结合其它因素全面进行的考虑。风险评价有时也被称为“安全评价”,国外主要采用 MES 风险评价法,道化学评价法,蒙德法和模糊评价法等[6]。 而模糊数学理论恰好可以解决工程领域的模糊概念,伴随着模糊数学的隶属度理论的的发展,作为一种全新的评价方法——模糊评价法应运而生,模糊安全评价法目前已在许多行业获得了应用[7]。 
            1.2.3 我国城市天然气输配系统危险源辨识及风险评价现状
      我国对城市天然气输配系统风险评价的研究相对较晚,缺乏一套完善的关于城市天然气输配系统安全评价方法;缺乏系统性和整体性。还没有建立起自己相应的信息数据库,缺乏一个全面的、系统性的危险源辨识标准,尤其是有关城市天然气(高压)输配系统的风险评价标准[8]。
            1.3本文的研究内容及技术路线
            1.3.1论文的研究内容
            (1)依据引发事故的综合论观点,从城市天然气高压输配系统设备设施的固有安全性、环境影响、综合安全管理三个方面,建立多层次的安全评价指标体系。 
            (2)评价指标量化:运用层次分析法确定天然气高压输配系统各评价指标的权重。
            (3)针对城市天然气高压输配系统事故的不确定性特点,本文基于模糊数学基本思想,将模糊综合评价方法运用到城市天然气高压输配系统中。
            (4)基于 FLUENT 软件针对天然气泄漏扩散进行数值模拟研究,得出天然气的气体浓度在自然风速、泄漏速度及高大障碍物等条件影响下的规律。 
            1.3.2 研究技术路线

            2、城市天然气高压输配系统危险有害因素分析
            2.1 城市天然气高压输配系统的组成 
      城市天然气输配系统是指从接收长输管道供气的门站开始至用户用具止的整个系统,它包含门站、储气装置、调压装置、输配管道、计量装置等部分。城市天然气高压输配系统则是这个系统中的高压部分,主要有天然气各级门站,储配站及其之间用于连接的高压输气管道。
       2.1.1 天然气门站
      天然气门站是天然气进入城市的门户,具有过滤、调压、计量与加臭等功能,有时还兼有储气功能。天然气门站在接收长输管道上分输站或末站的供气后,对天然气进行过滤、计量、调压、检测及加臭等操作,门站可设置自动化控制系统,也可设置储气装置。门站出口可直接连接城市的中压管网,而对于另设有储配站或高中压调压器的城市,经过滤、计量与检测后的天然气则供入高压或次高压管道。
      2.1.2 天然气高压管线

      输配管道可按设计压力分类,见表 2-1。

      2.2 城市天然气高压输配系统危险有害因素分析
      通过对全国多个城市的天然气高压输配系统存在的危险有害因素的分析,并结合现场实践过程总结出城市天然气高压输配系统主要存在的危险有害有以下几个方面。
       2.2.1 天然气输配设备与设施危险有害因素分析
      天然气火灾、爆炸的条件是泄漏的天然气与空气形成火灾爆炸性混合物,遇到点火源。 
      (1)站场工艺装置泄漏 
      (2)点火源 
      2.2.2 环境危险有害因素分析
      环境危险有害因素包括自然环境和社会环境危险有害因素。 
      自然环境危险有害因素主要包括:地质灾害、气候灾害和环境灾害。其中,地质灾害主要是地震、地面沉降、地面塌陷、土地沙漠化等对输气管线的安全运行存在重要影响。气候灾害对输气管线危害最为严重的有雷电、低温和洪水。 
      社会环境危险有害因素中人力外力破坏是输气管线泄漏、火灾、爆炸事故的主要原因之一。主要包括:无意破坏、有意破坏。
      2.3 城市燃气高压输配系统事故树分析
      2.3.1 天然气高压输配管网失效事故树分析
      对于城市天然气高压输配管网,根据事故树建立时顶事件的确定原则,选择“天然气高压输配管网失效”作为顶事件。引起管网失效的原因主要是腐蚀、自然灾害、误操作和第三方破坏,这四种原因中的任意一个出现均会导致天然气高压输配管网失效,因此以这四个原因为次顶事件。采用类似方法继续深入分析,直到分解到代表各种事故形式的基本事件为止[9-11]。图 2-1 为城市天然气高压输配管网失效的事故树示意图。

      2.3.2 天然气输配设施事故树分析

      城市天然气输配设施主要有储配站、调压站等。在天然气火灾、爆炸事故中, 这些站场发生的各种事故中发生天然气火灾、爆炸的几率最高,而且对周围居民、环境及公共安全构成严重威胁,其危害程度极大。经过分析,天然气发生火灾、爆炸的原因可表示为如图 2-2 所示的事故树模型。

      3、安全评价指标体系的建立

      3.1 城市天然气高压输配系统安全评价指标权重的确定与计算
      3.1.1评价指标权重确定方法
      权重是指标在系统危险性评价中相对重要程度的综合度量,表示在其它指标不变的情况下该指标的变化对结果影响的程度。然而由于城市天然气高压输配系统本身的复杂性和各指标所具有的模糊性,如何科学、准确地确定其指标的权重仍是一个十分棘手的问题。 
      3.1.2城市天然气高压输配系统安全评价指标权重的计算
      首先,设输配系统及管网的固有安全性、环境因素、综合安全管理这三个指标分别为 Us、Ue、Ua,建立判断矩阵 U 并计算,结果如表 3-3 所示:

      计算步骤如下:
      建立判断矩阵

      按照准则层权重计算方法分别对天然气高压输配系统的固有安全性、环境因素、综合安全管理三个层面进行权重计算结果如下表3-4、3-5、3-6所示:

          4、城市天然气高压输配系统安全性模糊综合评价
      4.1 模糊综合评价的基本方法
      4.1.1 模糊综合评价的数学原理
      (1) 定义 n 个变量的函数

      (2)设 f 是评判函数
      4.1.2 模糊综合评价的步骤
      模糊综合评价一般按以下程序进行[43,44]:
      (1)建立因素集
      因素集是影响评价对象的各种元素的一个普通集合。 
      如本文将影响城市天然气高压输配系统的所有因素组成因素集 U,并把 U 中因素按其性质不同分为三个子集,分别为 Us、Ue、Ua,即:

      其中 
      Us:城市天然气高压输配系统输配设施及管网的固有安全性能 
      Ue:城市天然气高压输配系统环境影响因素 
      Ua:城市天然气高压输配系统综合安全管理因素
      (2) 确定评价等级论域

      评价集是评价者对评价对象可能作出的各种评价结果所组成的集合。如本文将城市天然气高压输配系统的安全评价结果划分成 5 个等级,即

      4.1.3 模糊合成算子的选择
      模糊综合评价的原理是模糊变换,模型为:

      在上述模型中 A 与 R 如何合成 B,对综合评判结果有很大的影响,因此合成算子的选取很重要。
      4.2 模糊综合评价结果分析的方法
      现在常用的模糊综合评价结果分析方法一种是按照最大隶属度原则,确定被评价对象所处的评价等级,另一种是通过对各评语等级赋值,再经过模糊合成,从而得到被评价对象所处的评价等级。
      4.2.1 安全等级模糊特征量
      系统安全等级的划分以奇数个为宜,不宜过少,也不宜过多。所以,这里将 系统安全等级分成 m(m 为奇数)级,其论域为 U ,定义 , 1,2,3……m,i值越大,系统越安全。令 wi<wi+1,也就相当于 wi 越大,系统越安全。此时,与论域 U 相对应的取值论域为:

      即 wi 越大,系统越危险,安全性越低。 对系统进行模糊综合评价后,所得出的与各安全等级所对应的隶属度向量为:

      4.2.2 安全等级的可能性
      安全等级的可能性是指对系统进行模糊综合评价后得到的安全等级特征量属于某一个安全等级论域的概率。当对一个系统的现状进行安全评价时,只存在绝对的可能性,而不存在相对可能性。
      5、天然气泄漏扩散数值模拟研究及风险控制对策
      为了满足实验研究的需求,许多偏微分方程被科学家归纳总结出来,现场实践、理论分析方法和数值模拟已成为当前研究流体运动规律工程问题领域研究的三种基本方法。
      数值模拟非常类似于物理实验,实质就是通过计算机来做实验,它可以形象地再现物理变化情景,与物理模型试验相比可以节约大量的成本和时间。 
            天然气在开敞空间中的泄漏扩散受环境风速、泄漏强度,障碍物等因素的影响,在不同风速和不同泄漏速度条件下天然气扩散速度和扩散浓度的数值模拟分析。
      5.1软件概述
      FLUENT 是由 FLUENT 有限公司于 1983 年开始发行,目前在国际上比较流行的商用 CFD 软件包。FLUENT 软件具有以下特点: 
      (1) FLUENT 软件采用基于完全非结构化网络的有限体积法,采用网络节点和网格单元的梯度算法进行定常/非定常流动模拟。
      (2)适用于流体运动和化学组分的混合/反应模型;包括:自由流模型,多相流模型,颗粒相模型,蒸发/冷凝相变模型等;含有丰富的物理性参数的数据库。 
      (3)软件提供了友好的用户界面,使得初学者很容易上手,同时为用户提供了二次开发接口(UDF),高效的解决自身所遇到的流体计算问题。
      5.2 天然气泄漏扩散的数学模型
      天然气泄漏扩散在实际中是一个十分复杂的气体漂移过程,此过程中不仅涉及到流体力学、热力学传递等知识,还包含着气体能量守恒的一般规律。为了简化数值模拟过程,在模型建立前本文首先做以下假设: 
      (1) 风向仅为水平方向(竖直方向上风速为零),且不随时间、地点、高度的变化而变化; 
      (2)与外界无热量交换,即为绝热过程; 
      (3)忽略各方向上温差的影响,认为各方向上气体扩散系数均相等。
      6、结论
      本文首先对国内外系统安全的危险源辨识及风险评价的现状进行了论述。然后针对城市天然气高压输配系统危险性高、发生事故损失巨大的特点,对城市天然气高压输配系统的主要危险有害因素进行了分析。

    参考文献
      [1] 严铭卿,廉乐明,焦文玲等.论 21 世纪初中国城市燃气的转型[J].煤气与热力,2002(1):22.
      [2] 欧阳金、董事尔.城市燃气储配站站场安全性评价研究[D].成都:西南石油大学,2009.
      [3] 张化修.我国城市煤气事业的现状、特点及发展对策的探讨[J] .城市煤气,1996(9):3-4.
      [4]  陆军,郝大举.规划环境影响评价指标体系及评价方法浅析[J].污染防治技术, 2006, 19(1):27-29.
      [5] 林香民,李剑锋.重大危险源辨识的模糊性与分级控制管理[J].安全与环境报,2003,3(6):3-5.
      [6] 罗云,樊运晓,马晓春.风险分析与安全评价[J].2004:166-184
      [7] 吴丽萍.模糊综合评价方法及其应用研究[D].太原:太原理工大学,2006.
      [8] 窦秋萍,赵新华.城市市政公用输配系统规划的优化[D].天津:天津大学.2003.
      [9] 何淑静,周伟国,严铭卿,肖星.燃气输配管网可靠性的故障树分析[J].煤气与热力, 2003,23(8):459-461.
      [10] 廖柯熹,姚安林,张维新.天然气管线失效故障树分析[J].天然气工业,2001,(2):94-96.
      [11] 董玉华,余大涛等.油气管道的故障树分析[J].油气储运,2002,(6):15-17.


  • 收藏】 【打印】 【关闭
    CopyRight ©2015 四川省燃气协会 蜀ICP备05018131号
    官方网址:www.tfgas.com 网站统计
    电话:028-85531269 传真:028-85599756 邮箱:scsrqxh@163.com 协会QQ群:24020461
    地址:四川省成都市人民南路四段36号综合楼三楼 邮编:610041