CN109830137B - 一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演方法和装置 - Google Patents

Abstract

本说明书实施例提供一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演方法和装置。所述方法包括：建立液化天然气储备库事故情景正演模型；根据所述情景正演模型，识别不安全控制行为；根据所述不安全控制行为，推演事故原因。本说明书实施例将系统理论及事故模型与液化天然气库区特定事故演化过程相结合，建立事故情景正演模型，明确系统正常运行所需的控制要求，识别控制反馈过程中潜在的危险因素，从而减少液化天然气库区特定事故的发生。

Description

一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演方法和装置

技术领域

本说明书实施例涉及液化天然气储备库保障技术领域，特别涉及一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演方法和装置。

背景技术

液化天然气(LNG，LiquefiedNatural Gas)储备库是LNG储运工程中的终端设施，存储了大量的液化天然气，是液化天然气储罐事故的集中发生点，在储罐内的液化天然气由于温度差或者说是密度差从而形成分层现象，进而导致翻滚现象的发生。针对储罐分层翻滚事故后果带来的人员伤亡和财产损失，加强储罐库区抗风险本领，对液化天然气储罐进行安全性分析与事故场景演化研究具有重要意义。

传统的事故模型有多米诺模型和瑞士奶酪模型，这两个模型假设事故存在单一或根本原因，基于该假设，传统的预防事故的最常用的技术为断开事件链，而该假设是不符合实际的。传统的安全性分析方法(例如FTA、ETA、FMEA)认为事故是由组件失效引起的一连串的失效，并且认为选择高可靠性的器件就能减少事故的发生。虽然传统的安全分析方法在分析简单系统时取得了很好的效果，但对复杂系统建模非常庞大，不易理解。传统的安全性分析方法在分析复杂系统故障时需要投入大量的人力物力，但却依然无法避免因为组件交互、系统本身设计缺陷、人机交互等引起的事故发生。

发明内容

本说明书实施例的目的是提供一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演方法和装置，以明确系统正常运行所需的控制要求，从而减少液化天然气库区特定事故的发生。

为解决上述技术问题，本说明书实施例提供一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演方法和装置是这样实现的：

一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演方法，所述方法包括：

建立液化天然气储备库事故情景正演模型；

根据所述情景正演模型，识别不安全控制行为；

根据所述不安全控制行为，推演事故原因。

一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演装置，所述装置包括：

正演模型建立模块，用于建立液化天然气储备库事故情景正演模型；

不安全控制行为识别模块，用于根据所述情景正演模型，识别不安全控制行为；

事故原因分析模块，用于根据所述不安全控制行为，推演事故原因。

由以上本说明书实施例提供的技术方案可见，本说明书实施例提出了一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演方法，首先分析液化天然气事故系统安全性，进而分析事故系统安全需求和安全性约束；然后建立LNG储罐分层翻滚事故层次结构体系模型，设计事故的安全控制结构，并细化分析改进，直到满足安全需求和约束；接着结合事故的安全控制结构，辨识造成发生事故的不安全控制行为；最后回顾设计得到的安全控制结构中的每一个控制反馈回路，识别控制反馈过程中潜在的危险因素。该方法从系统控制的角度，将系统理论及事故模型与液化天然气库区特定事故演化过程相结合，建立事故情景正演模型，使模型能够更加贴合系统内部各种功能组件及其逻辑控制关系，利用系统理论过程分析方法，明确系统正常运行所需的控制要求，从而减少液化天然气库区特定事故的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本说明书实施例一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演方法流程图；

图2为本说明书实施例中液化天然气储备工艺流程简图；

图3为本说明书实施例中安全控制回路图；

图4为本说明书实施例中液化天然气储备库事故正演模型图；

图5为本说明书实施例一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演装置的功能结构示意图；

图6为本说明书实施例中，正演模型建立模块的功能结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。

图1为本说明书实施例一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演方法流程图。

在本实施方式中，执行所述液化天然气罐区及附属设施事故情景推演方法的主体可以是具有逻辑运算功能的电子设备，所述电子设备可以是服务器或客户端，所述客户端可以为台式电脑、平板电脑、笔记本电脑、工作站等。当然，客户端并不限于上述具有一定实体的电子设备，其还可以为运行于上述电子设备中的软体。还可以是一种通过程序开发形成的程序软件，该程序软件可以运行于上述电子设备中。

如图1所示，本说明书实施例提供了一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演方法，包括以下步骤：

S110：建立液化天然气储备库事故情景正演模型。

在一些实施例中，建立液化天然气储备库事故情景正演模型可以按照以下步骤进行：

S111：确定液化天然气储备库工艺流程。

通过调查研究，明确研究对象主体，理清液化天然气储备库的工艺流程，并明确在整体工艺流程中，各部分设备设施的功能，及相互间的关联关系。为后续事故安全性分析做铺垫。

在一些实施例中，液化天然气(LNG)储备库可以划分五个工艺系统，为LNG卸船工艺系统、LNG储存系统、BOG处理流程、LNG气化/外输过程、火炬排空系统。主要工艺设备有LNG卸船臂、LNG储罐、LNG泵、BOG压缩机、再冷凝器、开架式气化器、浸没燃烧式气化器、火炬等。

具体的，如图2所示，在LNG储备库，当LNG运输船1到达港口时，LNG将通过船上的卸料泵输出LNG。卸船臂2辅助卸船，LNG经过卸船管线和再循环管线3运至LNG储罐4；为了平衡LNG舱压力，气体通过气相返回臂5从岸上的蒸发器总管6返回。每个储罐有两条进液管线，一条将LNG输送至储罐上进液口，一条供底部进液使用；如何选择储罐的充注方式由需要卸船的液化天然气和储罐原有的液化天然气二者的密度决定，这是为了防止分层翻滚事故的发生，每个储罐都装有对LNG液面、温度和密度以及气相压力进行安全监控的装置；BOG压缩机7是为了控制罐内压力的装置，压缩机可以从BOG总管中抽取气体；根据大气压的差异等条件调节储罐的绝对压力，如果罐内压力超过压缩机的调节范围，火炬系统(火炬8和火炬分液罐9)发挥作用，压力控制阀开启，气体通过阀门释放至火炬8并燃烧，它是储罐的第一级超压保护；当压力升至更高水平时，每一个储罐上的多个泄压阀被打开，这是第二级超压保护。再冷凝器10将压缩的BOG凝结，高压泵11将低压LNG加压，输送至燃烧式汽化器12和开架式汽化器13；最后由汽化器通过LNG外输管道14将天然气输送到各个外输管道。

S112：根据所述工艺流程，对液化天然气储备库分层翻滚事故进行分析，得到安全需求和安全性约束。

在一些实施例中，可以对LNG储备库事故进行初步危险分析，辨识导致事故发生的各个因素，对系统或事故进行系统级的安全性分析，初步分析之后可以得到系统或者事故存在的隐患，找到存在危险的关键节点。这些事故或者系统关键节点是最终形成不可接受后果的根源所在。

具体的，液化天然气分层翻滚事故发生在LNG储罐中，涉及到的设施包括储罐以及与储罐相关的管道、阀门、泵和BOG压缩机等。事故发生的主要因素可以包括：罐内液体存储时间过长、罐壁或罐顶漏热、要充注的液化天然气和储罐内原有的液体密度不同、要充注的液化天然气和储罐内原有的温度不同。罐壁或罐顶漏热，导致了不同位置的LNG温度不同，使温度大的液体向上流动，温度小的液体向下流动，罐内液体产生分层；在充注进料时，要充注的液化天然气和储罐内原有的液体密度不同，不同密度的天然气在罐内也会产生分层；如果进料的LNG温度大于原有LNG，会使罐内原有液体蒸发，产生大量的蒸气，罐内压力会迅速上升，造成超压。

在一些实施例中，找到存在的危险后，接下来可以针对这些危险分析系统安全相关需求，以及这些安全需求相对应的安全约束。即针对这些关键节点分析液化天然气储备库安全需求和安全性约束，包括可能导致事故发生的控制与反馈操作。

在一些实施例中，可以将罐内压力和温度作为液化天然气分层翻滚的约束条件，通过相应的约束屏障对压力和温度进行控制。如果液体在罐内分层后，能够及时通过温度、压力、密度测量仪器的反馈发觉，LNG低压输送泵就可用于使罐内LNG液体循环，使罐内液体完全混合，阻止液体分层向翻滚事故的演化。同时罐体周围设置的压力控制阀和安全放散阀可以在罐内压力过高或过低时，对罐内压力进行平衡，防止事故的进一步演化。

S113：根据所述安全需求和安全性约束，建立液化天然气储备库事故情景正演模型。

对于液化天然气分层翻滚事故的控制和预防中，最重要的是控制罐内液体的温度和罐内压力，控制罐内液体温度使罐内液体不同液位的密度一致，以消除罐内液体分层，所以对罐内液体的液位、温度、密度的监测就尤为重要，可以采用LTD连续测量设施对罐内这三个参数进行监测，控制压力以防止罐内超压对储罐造成的结构损伤。

在一些实施例中，在分析系统安全风险和约束之后，可以根据分析得到的内容设计系统或事故的安全控制结构，在设计的过程中不断细化分析改进，直到满足安全需求和约束。针对液化天然气储备库事故，建立所要分析事故层次结构体系模型，设计功能控制结构，即LNG储备库相关设备组件之间的约束、反馈关系，以及由控制器、执行器、传感器和被控对象组成的控制回路。

图3是本说明书实施例中安全控制回路图，具体的，如图3所示，LNG储备库作为复杂的人机系统，站内的操作人员和人工控制系统共同构成控制器，进液阀、BOG压缩机、压力控制阀、安全阀和最小流量控制阀构成执行器，罐内压力和温度为控制过程，压力检测装置和LTD连续测量设施则为传感器，根据储存系统画出关于LNG罐区的控制反馈回路，即LNG储罐分层翻滚事故的正演模型。在图3中，控制算法是指控制器内部的运行法则，包括其中存在的构建缺陷，过程变化，不正确的修改或适应性；过程模型是控制器内部的控制过程关系存在的不一致、不完整或不正确。

在一些实施例中，可以构建如图4所示的模型。图4为本说明书实施例中LNG储罐分层翻滚事故控制与反馈模型图，如图4所示，整个工厂可以在操作人员的监控指令下运行，下行箭头均为控制行为，上行箭头均为反馈过程。在接收到操作人员的充料指令后，执行器会依照指令执行，打开适合的进液阀门进液，LNG储罐中的液位、温度、密度等信息会通过LTD仪表显示，并反馈给操作人员，如果产生分层，会对最小流量控制阀下达指令，使罐内泵执行循环操作，防止翻滚产生，一般当温差超过0.2℃或密度差超过0.5kg/m³时下达指令；当压力在正常范围内时，BOG压缩机可从BOG通用管中提取气体，控制罐内的压力，并根据不同的大气压力调节罐的绝对压力；当罐内压力超过压缩机的调节范围之后，火炬系统发挥作用，气体通过压力控制阀阀门释放至火炬进行燃烧，这是第一级超压保护；当压力上升至更高水平时，安装在每个储罐中的多个泄压阀被打开，这是第二级超压保护；储罐状态信息继续传递，传回操作人员控制器，以此循环。

S120：根据所述情景正演模型，识别不安全控制行为。

在一些实施例中，可以根据所述情景正演模型，结合事故的安全控制结构，辨识造成发生事故的不安全控制行为。一般说来，一个控制者能产生的异常控制行为可以划分为以下四类：

(1)识别没有提供需要的控制行为。即LNG库区中，识别没有提供相关工艺设备的操作控制行为；

(2)识别提供错误的或不安全的控制行为。即对LNG相关工艺设备进行了错误的行操作控制行为；

(3)识别延迟提供的控制行为。即没有及时对LNG阀门组件设备下达操作指令或者执行操作延迟；

(4)识别过早结束控制行为。即过早关闭或打开对LNG阀门组件，或者过早对设备下达操作指令等行为。

在一些实施例中，可以从上述四类不安全控制行为角度，分析进料过程中储存系统过程中控制指令错误或不足导致的系统性风险。如表1所示，表1列出了几种不安全控制行为，在本说明实施例中，可以识别出的不安全控制行为，转化为作用于罐内压力和液位的安全约束，为了防止分层翻滚事故的发生，在此过程中应保证系统控制行为符合安全约束。

表1

S130：根据所述不安全控制行为，推演事故原因。

在一些实施例中，可以在分析辨识不安全控制行为后，再回顾设计得到的安全控制结构中的每一个控制反馈回路，识别控制反馈过程中潜在的危险因素。这步是用来分析破坏LNG储罐的安全性约束的异常控制行为是如何发生的。在进行原因分析时可以从控制行为执行不充分、反馈信息错误或不足两方面分析事故整体过程中涉及到的初始值(如储罐压力、温度)、当前状态(如正在进液)、状态转换(如储罐与冷却完成准备进液)。

在一些实施例中，在确定不安全控制行为导致的危险后，根据控制反馈模型总结不安全控制行为导致LNG储罐分层翻滚事故的关键原因：控制行为执行不充分、反馈信息错误或不足。

在一些实施例中，控制行为执行不充分可以包括：

(1)操作人员由于身体或心理原因执行控制指令不充分，导致操作失误；

(2)在罐内液体产生分层并下达循环操作指令后，罐内泵循环操作不彻底；定期检修制度不完善；

(3)罐内产生蒸发气体后，蒸发气的流量比压缩机的处理能力高时，压力控制阀未打开将超出部分蒸发气排到火炬，造成罐内超压，罐体破裂。

在一些实施例中，反馈信息错误或不足的关键原因可以包括：

(1)反馈信息产生阶段：测量进料LNG密度、组分和罐内LNG密度的方式存在缺陷；系统各阀门状态信息的获取不充分或存在缺陷；其他与储罐进料时相关的重要信息没有及时获取或获取方法错误；

(2)反馈信息传输阶段：有关进料过程中罐内压力和罐内液体的液位温度密度差的反馈信息不正确；各级控制人员的反馈信息不正确、延时或丢失；

(3)外部因素影响：外部指挥信息不正确；站区环境温度、地形的获取不充分、不正确或丢失。

本说明书实施例提出了一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演方法，首先分析液化天然气事故系统安全性，进而分析事故系统安全需求和安全性约束；然后建立LNG储罐分层翻滚事故层次结构体系模型，设计事故的安全控制结构，并细化分析改进，直到满足安全需求和约束；接着结合事故的安全控制结构，辨识造成发生事故的不安全控制行为；最后回顾设计得到的安全控制结构中的每一个控制反馈回路，识别控制反馈过程中潜在的危险因素。该方法从系统控制的角度，将系统理论及事故模型与液化天然气库区特定事故演化过程相结合，建立事故情景正演模型，使模型能够更加贴合系统内部各种功能组件及其逻辑控制关系，利用系统理论过程分析方法，明确系统正常运行所需的控制要求，从而减少液化天然气库区特定事故的发生。

下面介绍本说明书实施例一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演装置。

图5为本说明书实施例一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演装置的功能结构示意图。如图5所示，所述液化天然气罐区及附属设施事故情景推演装置可以包括：正演模型建立模块510、不安全控制行为识别模块520和事故原因推演模块530。

其中，所述正演模型建立模块510，用于建立液化天然气储备库事故情景正演模型。

所述不安全控制行为识别模块520，用于根据所述情景正演模型，识别不安全控制行为。

所述事故原因推演模块530，用于根据所述不安全控制行为，推演事故原因。

在一些实施例中，如图6所示，所述正演模型建立模块510可以包括工艺流程确定子模块511、安全需求分析子模块512和正演模型建立子模块513。

其中，所述工艺流程确定子模块511用于确定液化天然气储备库工艺流程。

所述安全需求分析子模块512，用于用于根据所述工艺流程，对液化天然气储备库分层翻滚事故进行分析，得到安全需求和安全性约束。

所述正演模型建立子模块513，用于根据所述安全需求和安全性约束，建立液化天然气储备库事故情景正演模型。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例和设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本领域技术人员在阅读本说明书文件之后，可以无需创造性劳动想到将本说明书列举的部分或全部实施例进行任意组合，这些组合也在本说明书公开和保护的范围内。

在20世纪90年代，对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进(例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进)还是软件上的改进(对于方法流程的改进)。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)(例如现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA))就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片2。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器(logic compiler)”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言(Hardware Description Language，HDL)，而HDL也并非仅有一种，而是有许多种，如ABEL(Advanced Boolean Expression Language)、AHDL(AlteraHardware DescriptionLanguage)、Confluence、CUPL(Cornell University Programming Language)、HDCal、JHDL(Java Hardware Description Language)、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL(RubyHardware Description Language)等，目前最普遍使用的是VHDL(Very-High-SpeedIntegrated Circuit Hardware Description Language)与Verilog2。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本说明书可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本说明书的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本说明书各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本说明书可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

本说明书可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本说明书，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

虽然通过实施例描绘了本说明书，本领域普通技术人员知道，本说明书有许多变形和变化而不脱离本说明书的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本说明书的精神。

Claims (6)

1.一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演方法，其特征在于，所述方法包括：

建立液化天然气储备库事故情景正演模型；包括：确定液化天然气储备库工艺流程；根据所述工艺流程，对液化天然气储备库分层翻滚事故进行分析，得到安全需求和安全性约束；根据所述安全需求和安全性约束，建立液化天然气储备库事故情景正演模型；所述安全性约束包括温度约束和压力约束中的至少一种；

根据所述情景正演模型，识别不安全控制行为；所述控制行为基于操作人员的监控指令生成，所述监控指令用于防止液化天然气储备库分层翻滚事故产生；

根据所述不安全控制行为，推演事故原因。

2.如权利要求1所述的事故情景推演方法，其特征在于，所述液化天然气储备库包括：LNG卸船工艺系统、LNG储存系统、BOG处理流程、LNG气化/外输过程和火炬排空系统。

3.如权利要求1所述的事故情景推演方法，其特征在于，所述液化天然气储备库分层翻滚事故包括以下至少一种：罐内液体存储时间过长、罐壁或罐顶漏热、要充注的液化天然气和储罐内原有的液体密度不同、要充注的液化天然气和储罐内原有的温度不同。

4.如权利要求1所述的事故情景推演方法，其特征在于，所述不安全控制行为包括一下至少一种：没有提供控制行为、控制行为错误或者不安全、控制行为发生和控制行为结束过早。

5.如权利要求1所述的事故情景推演方法，其特征在于，所述事故原因包括一下至少一种：控制行为执行不充分、反馈信息错误或不足。

6.一种液化天然气罐区及附属设施事故情景推演装置，其特征在于，所述装置包括：

正演模型建立模块，用于建立液化天然气储备库事故情景正演模型；

不安全控制行为识别模块，用于根据所述情景正演模型，识别不安全控制行为；所述控制行为基于操作人员的监控指令生成，所述监控指令用于防止翻滚事故产生；

事故原因推演模块，用于根据所述不安全控制行为，推演事故原因；

所述正演模型建立模块包括：

工艺流程确定子模块，用于确定液化天然气储备库工艺流程；

安全需求分析子模块，用于根据所述工艺流程，对液化天然气储备库分层翻滚事故进行分析，得到安全需求和安全性约束；所述安全性约束包括温度约束和压力约束中的至少一种；

正演模型建立子模块，用于根据所述安全需求和安全性约束，建立液化天然气储备库事故情景正演模型。

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