CN102937239A - 借助事故树和hazop对lng储罐安全的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种借助事故树和HAZOP对LNG储罐安全的监测方法，借助事故树方法来进行定量分析与HAZOP模型共同确保大型LNG低温全容储罐操作安全的方法。通过借助大型LNG低温全容储罐HAZOP模型对储罐工艺进行分析，然后将各节点的进行串联，找出事故发生的根本原因。借助事故树方法，来计算出大型LNG低温全容储罐发生事故的最少割集，从而计算出事故的发生概率。最后根据分析结果，计算出各基本事件发生的结构重要度和临界重要度，从理论上认证储罐设计及操作时应着重考虑的仪表及设备，从而确保大型LNG低温全容储罐的设计和操作安全。

Description

借助事故树和HAZOP对LNG储罐安全的监测方法

技术领域

本发明涉及一种对大型LNG低温全容储罐安全的监测方法，特别是关于一种借助事故树和HAZOP对LNG储罐安全的监测方法。

背景技术

节能和环保已成为当今世界高度关注的两大主题。为了优化产业结构，我国近年来大力发展液化天然气行业，2006年，我国第一个LNG接收站广东大鹏LNG正式投入生产运营。目前，国内虽然已有广东大鹏LNG、福建LNG和上海LNG三个接收站投入运行，但是大型LNG低温全容储罐作为液化工厂和LNG接收站的关键设备，其设计建造技术一直为国外公司所垄断，掌握其设计建造技术将打破国外企业的垄断地位，大幅降低LNG储罐的投资成本。为了拥有自主知识产权，满足我国LNG行业自身发展的需要，掌握储罐设计建造的核心技术已经迫在眉睫。

HAZOP（Hazard and Operability Analysis/Study）是一种通过对设计和使用的工艺或操作进行结构化和系统化的监测方法，来监测系统所存在的问题，这些问题可导致对人员、设备或有效操作的风险，并判断所采用的安全措施是否足够和适当，确定应添加的安全措施的方法。大型LNG低温全容储罐与常规储罐不同，它具有低温（-163℃）和全容（由9%镍钢内罐和混凝土外罐组成）的特性，并且极易发生泄漏、超压和翻滚等事故。传统的HAZOP监测模型，大多采用简单的表格式的审查方法，该方法适用于简单的工艺操作。但对于LNG低温全容储罐，在分析储罐的保温、翻滚和压力控制等方面，却具有很大的局限性。

事故树分析法（Fault Tree Analysis，简称FTA）是安全系统工程中常用的一种分析方法。事故树分析最先应用于军事行业，1961年，美国贝尔电话研究所的维森首创了FTA，并将其应用于研究民兵式导弹发射控制系统的安全监测中，用它来预测导弹发生的随机故障概率。而后，美国波音公司研究员对其进行了重大改进，并将其采用计算机进行分析和辅助计算。目前，该方法已从航空、核工业运用到了电力、交通等领域，用其来进行故障诊断、分析系统的薄弱环节、指导系统的安全运行和维修、实现系统的优化设计。事故树分析方法可以定量计算复杂系统发生事故的概率，为改善和保证系统安全性提供了定量依据。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能有效保证大型LNG低温全容储罐运行安全的借助事故树和HAZOP对LNG储罐安全的监测方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种借助事故树和HAZOP对LNG储罐安全的监测方法，其包括以下步骤：（1）在大型LNG低温全容储罐HAZOP模型的表格式HAZOP分析基础上，采用图形化方式将LNG储罐事故发生原因通过其层次关系进行连接，对原因之间的相互关系进行图形化的深度分析，找出事故发生的根本原因X_i；（2）利用事故树分析法对事故发生的根本原因X_i进行逻辑排列，编制事故树模型：将事故的根本原因X_i作为事故树的底事件，将底事件X_i位于逻辑门的底部，作为逻辑门的输入事件；根据已分析的导致顶事件A_i发生的各个原因，排列出各事故单元的事故树模型；（3）对事故树模型采用布尔代数法，从事故树的顶事件A_i开始对事故树进行逐步析取，得到导致顶事件A_i的发生概率F(X)以及事故发生的最小割集Q_i，并根据最小割集Q_i得到各底事件X_i的结构重要度N(X)和概率重要度K(X)；（4）根据顶事件A_i的发生概率F(X)、结构重要度N(X)和概率重要度K(X)，对LNG低温全容储罐发生事故的可能性进行判定：每个顶事件A_i的发生概率F(X)值高于各个顶事件A_i发生概率的平均值时，则说明储罐发生该顶事件A_i的几率较大；对结构重要度N(X)和概率重要度K(X)结果较大的底事件X_i，应增加相应的仪表和防护措施，进而保证大型LNG低温全容储罐在运行时的安全性。

所述步骤（3）中，概率重要度K(X)是表示第i个底事件X_i发生概率的变化引起顶事件A_i发生概率变化的程度，依靠各底事件X_i的概率重要系数大小进行定量分析，概率重要度K(X)为：

$K\left(i\right)=\frac{\∂F\left(X\right)}{{\∂X}_i},$

式中，F(X)为顶事件A_i的发生概率。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明结合了大型LNG低温全容储罐低温和全容的特点，对HAZOP结果实施定量化，不但可以从工艺上提高储罐的设计合理性，并能在LNG储罐投入生产运行后，确保LNG低温全容储罐的安全稳定运行，为国内大型LNG储罐的研发提供工艺方面的保障。该方法突破了国内LNG低温全容储罐只能进行定性分析，无法真正达到定量检测的瓶颈；为尽早实现大型LNG低温全容储罐国产化提供技术支持。本发明可以广泛在天然气行业中应用。

附图说明

图1是本发明大型LNG低温全容储罐HAZOP深度分析模型

图2是本发明应用在浙江LNG接收站1号罐发生超压事故深度分析模型；

图3是本发明的储罐超压事件事故树图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的借助事故数和HAZOP对LNG储罐安全的监测方法，是借助事故树定量分析的优势，与储罐HAZOP分析相结合，为大型LNG低温全容储罐的安全运行提供一种定量的、可视化的检测方法。其步骤如下：

1）在大型LNG低温全容储罐HAZOP模型的表格式HAZOP分析基础上，采用图形化方式将LNG储罐事故发生原因通过其层次关系进行连接，针对LNG储罐低温（-163℃）和全容的特殊性，对原因之间的相互关系进行图形化的深度分析，从而找出事故发生的根本原因X_i。

2）利用事故树分析法对事故发生的根本原因X_i进行逻辑排列，编制事故树模型：将事故的根本原因X_i作为事故树的底事件，将底事件X_i位于逻辑门的底部，作为逻辑门的输入事件；进而根据已分析的导致顶事件A_i发生的各个原因，排列出各事故单元的事故树模型。

3）对事故树模型采用布尔代数法，从事故树的顶事件A_i开始对事故树进行逐步析取，得到导致顶事件A_i的发生概率F(X)以及事故发生的最小割集Q_i，并根据最小割集Q_i得到各底事件X_i的结构重要度N(X)和概率重要度K(X)。

4）根据顶事件A_i的发生概率F(X)、结构重要度N(X)和概率重要度K(X)，对LNG低温全容储罐发生事故的可能性进行判定：每个顶事件A_i的发生概率F(X)值高于各个顶事件A_i发生概率的平均值（一般该平均值为10^-9）时，则说明储罐发生该顶事件A_i的几率较大，应该在设计和运行过程中对引起该事故的原因进行处理；对结构重要度N(X)和概率重要度K(X)结果较大的底事件X_i，应增加相应的仪表和防护措施，进而保证大型LNG低温全容储罐在运行时的安全性。

上述步骤3）中，最小割集Q_i是导致顶事件A_i发生的最少底事件X_i的集合，是计算结构重要度N(X)和概率重要度K(X)的必要条件。其中，结构重要度N(X)是不考虑各底事件X_i发生的难易程度，或假设各底事件X_i的发生概率相等，仅从事故树的结构上分析各底事件X_i对顶事件A_i的影响程度。在事故树的最小割集Q_i求出后，按如下原则判断各底事件X_i的结构重要顺序：

（a）如果最小割集Q_i中只有一个底事件X_i，则该底事件X_i的结构重要度N(X)最大。

（b）仅在同一最小割集Q_i中出现的所有底事件X_i，它们的结构重要度N(X)相等。

（c）两个底事件X_i仅出现在底事件X_i个数相等的若干最小割集Q_i中，则在不同最小割集Q_i中出现次数相等的底事件X_i，其结构重要度N(X)相等；出现次数多的，结构重要度N(X)大；出现次数少的，结构重要度N(X)小。

（d）若两个底事件X_i仅出现在底事件X_i个数不相等的若干最小割集Q_i中，则有如下两种情况：

①若它们重复在各最小割集Q_i中出现的次数相等，在少事件最小割集Q_i中出现的底事件X_i，其结构重要度N(X)大；

②在少事件最小割集Q_i中出现次数少的与多事件最小割集Q_i中出现次数多的底事件X_i，一般前者的结构重要度N(X)大于后者。此时，可按如下近似判别式计算：

$N\left(i\right)=\underset{X_i\∈Q_r}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{2^{n_i-1}}---\left(1\right)$

式中，i为底事件个数；N(i)为底事件X_i结构重要度的近似判别值；X_i∈Q_r表示含有该底事件X_i的第r个最少割集Q_r；n_i为底事件X_i所在的最小割集Q_i包含的底事件X_i个数。

根据上述原则对各底事件X_i进行结构重要度排列，N(i)的值越大，则底事件X_i对顶事件A_i发生的影响愈大，其重要度越高。

上述步骤3）中，结构重要度N(X)是从事故树的结构上，分析各底事件X_i的重要程度。如果进一步考虑事故树最小割集Q_i发生概率的变化会给顶事件A_i发生概率的影响，则要考虑概率重要度K(X)。概率重要度K(X)是表示第i个底事件X_i发生概率的变化引起顶事件A_i发生概率变化的程度，依靠各底事件X_i的概率重要系数大小进行定量分析。概率重要度K(X)为：

$K\left(i\right)=\frac{\∂F\left(X\right)}{\∂X_i}---\left(2\right)$

式中，F(X)为顶事件A_i的发生概率。

下面通过具体实施例对本发明的借助事故树和HAZOP对LNG储罐安全的监测方法作进一步的介绍。

实施例：如图2、图3所示，以中海油浙江LNG接收站的1号罐为实例进行验证。以浙江LNG接收站最终版P&ID为基础，通过大型LNG低温全容储罐HAZOP模型对1号罐进行HAZOP分析，查找储罐事故发生的根本原因。

从浙江1号罐HAZOP深度分析模版中单独找出LNG储罐发生超压事故为例进行事故树定性计算（如图2所示）。以超压事故模型为基础，根据超压事故作为事故树的顶事件A_i，导致事故发生的根本原因为事故树的底事件X_i，编制LNG储罐发生超压事故的事故树（如图3所示）。对储罐超压事故树进行计算：

F(X)＝A₁×A₂

    ＝(B₁×B₂×B₃)×(X₉×X₁₀)

    ＝(X₁X₂+X₃+X₄+X₅+X₆+X₇+X₈)×(X₉×X₁₀)

    ＝X₁X₂X₉+X₁X₂X₁₀+X₃X₉+X₃X₁₀+X₄X₉+X₄X₁₀+X₅X₉

        +X₅X₁₀+X₆X₉+X₆X₁₀+X₇X₉+X₇X₁₀+X₈X₉+X₈X₁₀            （3）

根据计算结果，事故树最小割集Q_i为{X₁X₂X₉}、{X₁X₂X₁₀}、{X₃X₉}、{X₃X₁₀}、{X₄X₉}、{X₄X₁₀}、{X₅X₉}、{X₅X₁₀}、{X₆X₉}、{X₉X₁₀}、{X₇X₉}、{X₇X₁₀}、{X₈X₉}、{X₈X₁₀}。根据现有技术中故障率事故库数据，各底事件X_i的发生概率如表1所示。

表1 底事件X_i发生概率

底事件Xi	事故率	底事件Xi	事故率
				检测仪表失效X1	10-4	选型过小X6	10-4
操作员检查失误X2	0.0055	压缩机故障X7	10-4
				保温层失效X3	10-9	下游FV阀门失效X8	10-4
罐体破裂X4	10-9	阀门受撞击X9	10-7
				电压过低X5	10-6	材质失效X10	10-9

将表1中各个底事件X_i发生概率带入公式（3）中，得出F(X)≈10^-11。由此可知，在大型LNG低温全容储罐在配备了压力检测装置及真空释放阀后，储罐发生超压事故的概率为10^-11。

根据F(X)计算结果，得出各底事件X_i结构重要度N(X)关系为：

N₁＝N₂＜N₅＝N₆＝N₇＝N₈＝N₃＝N₄＜N₉＝N₁₀。

因此，在进行储罐运行安全控制时，X₉阀门受撞击和X₁₀材质失效为最敏感事件，应在进行储罐设计和操作时着重考虑。

底事件X_i的结构重要度N(X)分析只是按事故树的结构分析各基本事件对顶事件A_i的影响，所以，还应考虑各底事件X_i发生概率对顶事件A_i发生概率的影响，即由事故树进行概率重要度K(X)可得到：

K(1)＝X₂×X₉+X₂×X₁₀＝5.5×10^-10，

K(2)＝10^-11，

K(3)＝K(4)＝K(5)＝K(6)＝K(7)＝K(8)＝10^-7，

K(9)＝K(10)＝5.5×10^-3。

因此，底事件X₉阀门受撞击和X₁₀材质失效更易导致事故的发生，最不易导致顶事件发生的事故为X₁和操作员检查失误X₂。

综上所述，大型LNG低温全容储罐在配备了压力检测装置及真空释放阀后，储罐发生超压事故的概率为10^-11。因此，储罐设计的重点在于保证储罐压力检测装置及真空释放装置的本质安全性。其中，阀门受到撞击破裂和阀门材质失效是最易导致储罐发生超压事故的事件，因此在设计和实际运行时，应着重考虑。已储罐发生超压事故为例，采用本方法对储罐发生负压事故、低压泵事故等进行分析，从而确保大型全容低温储罐的设计和操作安全。目前，正在建设的中海油浙江LNG大型全容低温储罐已采用本方法对储罐进行设计。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种借助事故树和HAZOP对LNG储罐安全的监测方法，其包括以下步骤：

（1）在大型LNG低温全容储罐HAZOP模型的表格式HAZOP分析基础上，采用图形化方式将LNG储罐事故发生原因通过其层次关系进行连接，对原因之间的相互关系进行图形化的深度分析，找出事故发生的根本原因X_i；

（2）利用事故树分析法对事故发生的根本原因X_i进行逻辑排列，编制事故树模型：将事故的根本原因X_i作为事故树的底事件，将底事件X_i位于逻辑门的底部，作为逻辑门的输入事件；根据已分析的导致顶事件A_i发生的各个原因，排列出各事故单元的事故树模型；

（3）对事故树模型采用布尔代数法，从事故树的顶事件A_i开始对事故树进行逐步析取，得到导致顶事件A_i的发生概率F(X)以及事故发生的最小割集Q_i，并根据最小割集Q_i得到各底事件X_i的结构重要度N(X)和概率重要度K(X)；

（4）根据顶事件A_i的发生概率F(X)、结构重要度N(X)和概率重要度K(X)，对LNG低温全容储罐发生事故的可能性进行判定：每个顶事件A_i的发生概率F(X)值高于各个顶事件A_i发生概率的平均值时，则说明储罐发生该顶事件A_i的几率较大；对结构重要度N(X)和概率重要度K(X)结果较大的底事件X_i，应增加相应的仪表和防护措施，进而保证大型LNG低温全容储罐在运行时的安全性。

2.如权利要求1所述的借助事故树和HAZOP对LNG储罐安全的监测方法，其特征在于：所述步骤（3）中，概率重要度K(X)是表示第i个底事件X_i发生概率的变化引起顶事件A_i发生概率变化的程度，依靠各底事件X_i的概率重要系数大小进行定量分析，概率重要度K(X)为：

$K\left(i\right)=\frac{\∂F\left(X\right)}{{\∂X}_i},$

式中，F(X)为顶事件A_i的发生概率。

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