CN106021687A - 一种海上模块化lng接收终端的平面布置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上模块化LNG接收终端的平面布置方法，包括：1，将海上LNG接收终端工艺系统划分成多个工艺模块；2，基于区域量化风险分析方法来确定各工艺模块的安全间距；3，根据目前现行相关规范和步骤2中的安全间距，结合本质安全设计理论，对海上LNG接收站工艺模块提出多种可行的布置方案；4对提出的每一种布置方案进行投资估算和包括多米诺效应在内的定量风险分析；5，评估每一种设计方案是否在风险可接受标准范围之内，同时进行投资和风险的双目标优化；6，筛选出投资和风险目标优化后的布置方案以及满足风险可接受标准的布置方案；7，对6中的布置方案进行比选，选出海上LNG接收终端最优的布置方案。
Description
技术领域
本发明属于海上平台平面布置技术领域，尤其涉及一种海上模块化LNG接收终端的平面布置方法。
背景技术
近年来，随着LNG(液化天然气)贸易形式越来越灵活，中小型LNG接收站和转运站同样面临大型LNG接收站选址越来越难的问题，但目前已有工程业绩的浮式储存气化装置、重力基础结构接收终端在经济性方面不适合二级、三级终端，开发一种经济、灵活，实施快速、便于快速推广的海上中小型模块化LNG接收终端技术，是适应市场、应对竞争的迫切需要。海上模块化LNG接收终端作为一种海上工作平台，平台空间有限，需要综合考虑平台设备的平面布置问题。
由于接收终端选址所在的周边环境、海洋大气气候、海洋工况的不同，导致海上平台设备所造成的风险各不相同，海洋平台设备的平面布置也将不同。
根据调研结果，现阶段国内外涉及危险化学品平面布置的专利主要有：
中国专利201410039318.0公开了一种水上天然气加注站趸船的平面布置。该方法首先对天然气趸船的装置和设备进行了说明，包括LNG储罐设备与系统部件、加气加油操作位置、起居处所、机器处所、服务处所，然后将所述LNG储罐设备与系统部件设置在一层干舷甲板上，所述机器处所、服务处所设置在一层甲板上，主要的起居住所设置在三层甲板上，部分起居居所和部分服务处所设置在三层甲板上。
中国实用新型专利201320616040.X公开了起爆药生产线工艺设备平面布置结构。该方法对起爆药生产线的工艺设备的平面布置进行改进，使起爆线生产过程中，各工序之间的药剂生产、转运都无需人工操作来完成，而是自动化进行，避免了人员与起爆药的频繁接触，极大的提高了起爆药生产的安全性。
现有的专利较少涉及海上平台工艺设备所造成的风险与设备平面布置的关系，尤其更少涉及风险与投资的双目标优化的布置方法，对设备的平面布置和优化布局更多的是依据现有关于陆地平面布置规范和事故发生后总结积累的经验，具体表现为：
(1)对海上LNG工艺设备的平面布置暂时还没有统一的规范和方法，现有专利方法仅仅适用于FPSO的平面布置，对海上LNG设备设施的平面布置适用性不足。
(2)对LNG工艺设备的平面布置和优化布局更多的是针对固定的工艺模块类型，这一 方面导致新的模块类型的布置缺乏相应理论方法的指导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海上模块化LNG接收终端的平面布置方法，旨在解决现阶段缺乏对海上LNG接收终端工艺设备平面布置方法的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种海上模块化LNG接收终端平面布置方法，包括以下步骤：
步骤1，按照工艺模块化的设计方法并结合海上LNG接收终端的工艺流程图，将海上LNG接收终端工艺系统划分成多个工艺模块；
步骤2，基于区域量化风险分析方法来确定各工艺模块的安全间距；
步骤3，根据目前现行相关规范和步骤2中的安全间距，结合本质安全设计理论，对海上LNG接收站工艺模块提出多种可行的布置方案；
步骤4，对提出的每一种布置方案进行投资估算和包括多米诺效应在内的定量风险分析；
步骤5，评估每一种设计方案是否在风险可接受标准范围之内，同时进行投资和风险的双目标优化；
步骤6，筛选出投资和风险目标优化后的布置方案以及满足风险可接受标准的布置方案；
步骤7，对步骤六中的布置方案进行比选，选出海上LNG接收终端最优的布置方案。
进一步的，在步骤1中，按海上LNG接收终端的功能划分为以下7个工艺模块：LNG装卸模块、LNG储存模块、LNG气化模块、计量外输模块、BOG回收利用模块、放散模块和氮气模块。
进一步的，在步骤2中，安全间距的具体确定方法：包括对LNG接收终端的工艺模块的风险进行量化和基于海上LNG接收终端的事故风险来确定海上LNG接收终端工艺模块的安全间距，具体如下：
A：根据挪威船级社的海上设备可靠性数据库并结合事件树分析法来确定发生火灾爆炸事故发生的概率；
B:采用适当的火灾爆炸事故的理论模型并结合火灾爆炸破坏准则对事故的影响范围进行计算；
C：对各个工艺模块的三维模型图的位置进行分析；
D:对各个工艺模块进行风险量化分析；
E:建立海上模块化LNG接收终端工艺模块间距与风险的函数关系；
F:确定风险可接受下的各个模块安全间距。
进一步的，步骤A的具体方法如下：
通过公式P＝Fadjust×Pli计算火灾爆炸事故的发生频率，其中Fadjust＝Finitial×FE×FM，Finitial数据来源于挪威船级社海上设备可靠性数据库，FE和FM是结合我国实际计算的设备修正系数和管理修正系数。Pli是根据事故事件树计算得出火灾爆炸事故频率。
进一步的，步骤B的具体方法如下：
采用喷射火模型、闪火模型、蒸气云爆炸模型计算发生火灾爆炸事故的后果，并结合对人员和设备的伤害准则，确定火灾爆炸事故对人员的影响范围。
进一步的，步骤C的具体方法如下：
通过工艺模块三维模型图的位置分析，当事故影响范围未达到相邻模块区域时，该事故不属于模块间距计算的考虑范围；反之，则应计算事故影响范围与模块间距的关系，从而根据所有符合要求的事故计算模块安全间距。
进一步的，所述的步骤D的具体方法是：
所述的LNG接收终端的工艺模块的风险量化通过公式进行量化，其中fi表示事故发生的频率；ci表示该事故产生的预期后果，i指工艺模块事故的类型。
进一步的，所述的步骤E的具体方法是：
应用控制变量法将各工艺模块间距作为唯一的可变量，由此建立人员风险和多米诺效应与模块间距的函数关系。
进一步的，步骤F的确定方法如下：
确定可接受的人员风险上下限对应的模块间距D1和D2，以及多米诺效应风险可接受标准对应的模块间距D3。当D2存在时，则D2和D3的较大值为模块安全间距；当D2不存在时，D1和D3的较大值为模块间距的可容忍下限，如果人员风险降低所需投入的成本与经济风险的降低值不对称时，则该模块间距为模块的安全间距。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的海上模块化LNG接收终端的平面布置方法，通过对海上LNG接收终端工艺模块进行区域量化风险分析，确定了各模块之间的安全间距。全面考虑了模块布置的变化导致风险因素的空间分布的不同，科学确定了个人风险和多米诺效应风险的可接受标准，针对我国目前还没有成熟的海上LNG接收终端安全规划技术标准和方法，提供较好的参考。
附图说明
图1是本发明实施例提供的海上模块化LNG接收终端工艺模块平面布置方法的步骤图；
图2是本发明实施例提供的海上模块化LNG接收终端工艺模块平面布置方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的确定各工艺模块安全间距的流程图；
图4-1、4-2、4-3、4-4是本发明实施例提供的海上模块化LNG接收终端的布置方案图；
图5是本发明实施例提供的对各布置方案进行包括多米诺效应在内的定量风险分析的流程图；
图6是本发明实施例提供的各布置方案的投资估算和风险的双目标优化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的海上模块化LNG接收终端的平面布置方法包括以下步骤：
S101：海上LNG接收终端工艺系统模块划分；
S102：采用区域量化风险分析方法确定模块的安全间距；
S103：结合本质安全设计思想设计布置方案；
S104：对每一种方案进行投资估算和包括多米诺效应在内的定量风险分析；
S105：对每一种方案进行投资和风险的双目标优化和风险的可接受性判断；
S106：选出双目标优化的和风险可接受的方案；
S107：综合其他因素进行方案必选；
S108：确定最终的布置方案。
进一步，在步骤1中，所述的工艺模块化思想就是通过对某一类工艺系统的分析和研究，把其中含有相同或相似的功能单元分离处理，用标准化的原理进行统一，归并和简化，以通用系统的形式独立存在。这就是分解而得到的模块，然后利用不同的模块组合来形成多种工艺系统，这种分解和组合的过程就是模块化。新设计工艺系统等于通用模块(不变的部分)加上专用模块(变动的部分)。
进一步，将工艺模块化思想与工艺流程图结合，按其功能划分为以下7个工艺模块：LNG装卸模块、LNG储存模块、LNG气化模块、计量外输模块、蒸发气回收利用模块、放散模块、氮气模块，其中LNG储存模块为海底沉箱结构。
进一步，在步骤2中，LNG接收终端的工艺模块的风险可以通过公式进行量化，其中fi表示事故发生的频率；ci表示该事故产生的预期后果，i指工艺模块事故的类型，即对工艺模块所造成的风险进行量化。
进一步，根据LNG船和LNG陆地工厂事故经验，结合海上LNG接收终端设备的特点，归纳总结出海上LNG接收终端可能存在碰撞、火灾、爆炸、机械失效、装卸载事故、货物控制系统事故等风险。其中，火灾和爆炸是模块安全布置的主要影响因素，故选择基于火灾爆炸事故来确定海上LNG接收终端工艺模块的安全间距。
进一步，根据挪威船级社的海上设备可靠性数据库并结合事件树分析法来确定发生火灾爆炸事故的概率。
进一步，采用适当的火灾爆炸事故的理论模型并结合火灾爆炸破坏准则对事故的影响范围进行计算。
进一步，选用的火灾爆炸事故的理论模型为：
(1)喷射火模型，其距离x处的辐射通量的计算公式为Q”(x)＝SEPmax×Fview×c7×(pw×x)-0.99，其中SEPmax是火焰表面热辐射率，单位(J/m2·s)；Fview是距离火焰x处的观测因子；c7是2.02，单位(N/m2)0.09m0.09；pw是该大气湿度下水的分压，单位N/m2；x是距离火焰表面的长度。
(2)闪火模型，其距离x处的辐射通量的计算公式为Q(x)＝SEPmax×Fview×fa，其中SEPmax是火焰表面热辐射率，单位(J/m2·s)；Fview是距离火焰x处的观测因子；fa为大气传输率，当天气晴朗一般取1，已知湿度时可用fa＝log(141RH-0.108x-0.13)，其中：RH为相对湿度，x为到目标物的距离。
(3)蒸气云爆炸TNT当量模型，其x处爆炸超压峰值的计算公式为Pi＝3.9/z1.85+0.5/z，z＝x/(WTNT)1/3,其中：z为x处爆炸特征长度，单位m；WTNT为TNT的质量，单位kg。
进一步，对于火灾热辐射通量选择37.5kw/m2。对设备的危害为操作设备全部破坏；对人的损害为10s内会产生1％的死亡率，1min内100％的死亡率。
进一步，对于爆炸超压选择0.021Mpa。该超压压力会造成工业建筑的重型机械遭到轻微破坏；钢边框建筑被破坏并且从地基被拉出；可摧毁房屋，人员则有死亡风险。
进一步，在定量风险评估过程中，衡量模块间距的安全性主要考虑2个方面：事故破坏风险(人员风险)和事故扩大风险(多米诺效应风险)。
进一步，个人风险的计算公式为：其中PLL是年致死人数；t是每个人在海上停留的平均时间，单位h；POB是人员配备数。
进一步，事故扩展概率的计算公式为：其中：Y为不同初始事故对应的概率单位变量；z为积分变量；
进一步，不同初始事故对应的概率单位变量计算公式为：
YF＝12.54+1.749ln(I)-16.32×V0.032,YE＝-42.44+4.33ln(Ps)，其中：YF是热辐射事故的概率单位变量；YE是超压事故的概率单位；I是目标设备的热辐射通量，单位kw/m2；V是目标设备容积，单位m3；Ps是设备受到的静态超压的峰值，单位Kpa。
进一步，通过在风险计算过程中，应用控制变量法将各工艺模块事故影响距离作为唯一的可变量，由此建立与风险的函数关系。
进一步，根据国家安监总局颁布的《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》以及相关文献和统计资料，确定海上LNG接收终端的个人和多米诺风险的可接受标准。
进一步，海上LNG接收终端的个人风险的可接受标准的上下线为7×10-4人/A，1×10-6人/A。
进一步，海上LNG接收终端的多米诺风险的可接受标准为1×10-6人/A。
进一步，确定可接受的人员风险上下限对应的模块间距D1和D2，以及多米诺效应风险可接受标准对应的模块间距D3。当D2存在时，则D2和D3的较大值为模块安全间距；当D2不存在时，D1和D3的较大值为模块间距的可容忍下限，如果人员风险降低所需投入的成本与经济风险的降低值不对称时，则该模块间距为模块的安全间距。
进一步，在步骤3中，根据现行的相关标准规范和本质安全设计思想对工艺模块进行初步布置。
进一步，执行的相关规范为：
(1)《液化天然气生产、储存和装运》
(2)《液化天然气设备与安装陆上装置设计》
(3)《石油天然气工程设计防火规范》
(4)《工业企业总平面设计规范》
(5)《石油天然气工程总图设计规范》
(6)《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》
(7)《海洋石油工程设计指南》
进一步，本质安全设计策略为：替换(Substitute)、最小化(Minimize)、中和(Moderate)、简化(Simplify)。
进一步，在步骤4中，对提出的设计布置方案进行投资估算和包括多米诺效应的定量风险评估。
进一步，对每一种设计布置方案的进行投资估算：设备购置费、安装工程费、建筑工程费等等，确定每一种布置方案的投资值。
进一步，对每一种设计布置方案进行包含多米诺效应在内的定量风险评估，其中多米诺效应造成的风险为事故扩展概率与事故扩展后果的乘积，确定每一种布置方案的风险值。
进一步，在步骤5，评估每一种设计方案是否在风险可接受标准范围之内，同时进行投资和风险的双目标优化。
进一步，在步骤6，筛选出投资和风险双目标优化后的布置方案以及满足风险可接受标准的布置方案。
进一步，在步骤7，综合其他因素进行布置方案的比选，选出海上LNG接收终端最优的布置方案。
如图2所示，本发明的具体实施流程为：
首先根据海上LNG接收终端信息设计库进行工艺系统模块划分，划分为：LNG装卸模块、LNG储存模块、LNG气化模块、计量外输模块、BOG回收利用模块、放散模块、氮气模块。
其次采用区域量化风险评价技术确定各工艺模块的安全间距，具体流程如图3所示。
然后根据标准规范并结合本质安全理论提出4种可行的平台布置方案，具体布置方如图4所示。
再者对每一种布置方案进行投资估算和包括多米诺效应在内的定量风险分析，确定每一种布置方案的投资估算和风险值。具体的包括多米诺效应在内的定量风险分析流程如图5所示。每一种布置方案的投资估算和包含多米诺效应在内的风险值如表1所示。
表1 各方案的投资预算和风险值
接着对每一种方案进行投资和风险的双目标优化和风险的可接受性判断，确定D2，D3布置方案为较优方案。各布置方案的投资估算和风险的双目标优化如图6所示。
最后，综合其他因素对D2和D3方案进行比选，确定最终的布置方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种海上模块化LNG接收终端的平面布置方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按照工艺模块化的设计方法并结合海上LNG接收终端的工艺流程图，将海上LNG接收终端工艺系统划分成多个工艺模块；
步骤2，基于区域量化风险分析方法来确定各工艺模块的安全间距；
步骤3，根据目前现行相关规范和步骤2中的安全间距，结合本质安全设计理论，对海上LNG接收站工艺模块提出多种可行的布置方案；
步骤4，对提出的每一种布置方案进行投资估算和包括多米诺效应在内的定量风险分析；
步骤5，评估每一种设计方案是否在风险可接受标准范围之内，同时进行投资和风险的双目标优化；
步骤6，筛选出投资和风险目标优化后的布置方案以及满足风险可接受标准的布置方案；
步骤7，对步骤六中的布置方案进行比选，选出海上LNG接收终端最优的布置方案。
2.如权利要求1所述的海上模块化LNG接收终端的平面布置方法，其特征在于，在步骤1中，按海上LNG接收终端的功能划分为以下7个工艺模块：LNG装卸模块、LNG储存模块、LNG气化模块、计量外输模块、BOG回收利用模块、放散模块和氮气模块。
3.如权利要求2所述的海上模块化LNG接收终端的平面布置方法，其特征在于，在步骤2中，安全间距的具体确定方法如下：
A：根据挪威船级社的海上设备可靠性数据库并结合事件树分析法来确定发生火灾爆炸事故发生的概率；
B:采用适当的火灾爆炸事故的理论模型并结合火灾爆炸破坏准则对事故的影响范围进行计算；
C：对各个工艺模块的三维模型图的位置进行分析；
D:对各个工艺模块进行风险量化分析；
E:建立海上模块化LNG接收终端工艺模块间距与风险的函数关系；
F:确定风险可接受下的各个模块安全间距。
4.如权利要求3所述的海上模块化LNG接收终端的平面布置方法，其特征在于，步骤A的具体方法如下：
通过公式P＝Fadjust×Pli计算火灾爆炸事故的发生频率，其中Fadjust＝Finitial×FE×FM，Finitial数据来源于挪威船级社海上设备可靠性数据库，FE和FM是结合我国实际计算的设备修正系数和管理修正系数；Pli是根据事故事件树计算得出火灾爆炸事故频率。
5.如权利要求3所述的海上模块化LNG接收终端的平面布置方法，其特征在于，步骤B的具体方法如下：
采用喷射火模型、闪火模型、蒸气云爆炸模型计算发生火灾爆炸事故的后果，并结合对人员和设备的伤害准则，确定火灾爆炸事故对人员的影响范围。
6.如权利要求3所述的海上模块化LNG接收终端的平面布置方法，其特征在于，步骤C的具体方法如下：
通过工艺模块三维模型图的位置分析，当事故影响范围未达到相邻模块区域时，该事故不属于模块间距计算的考虑范围；反之，则应计算事故影响范围与模块间距的关系，从而根据所有符合要求的事故计算模块安全间距。
7.如权利要求3所述的海上模块化LNG接收终端的平面布置方法，其特征在于，所述的步骤D的具体方法是：
所述的LNG接收终端的工艺模块的风险量化通过公式进行量化，其中fi表示事故发生的频率；ci表示该事故产生的预期后果，i指工艺模块事故的类型。
8.如权利要求3所述的海上模块化LNG接收终端的平面布置方法，其特征在于，所述的步骤E的具体方法是：
应用控制变量法将各工艺模块间距作为唯一的可变量，由此建立人员风险和多米诺效应与模块间距的函数关系。
9.如权利要求3所述的海上模块化LNG接收终端的平面布置方法，其特征在于，步骤F的确定方法如下：
确定可接受的人员风险上下限对应的模块间距D1和D2，以及多米诺效应风险可接受标准对应的模块间距D3；当D2存在时，则D2和D3的较大值为模块安全间距；当D2不存在时，D1和D3的较大值为模块间距的可容忍下限，如果人员风险降低所需投入的成本与经济风险的降低值不对称时，则该模块间距为模块的安全间距。
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