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天然气管网综合定量风险分析方法
作者：Z.Y. Han*, W.G. Weng
摘要
天然气工业发展迅速，事故威胁城市安全。通过定量评估进行风险管理已成为提高天然气供应系统安全性能的重要途径。本文提出了天然气管网综合定量风险分析方法。该方法由事故概率评估，后果分析和风险评估组成。值得注意的是，这里分析的后果包括外部和内部天然气管道的后果。外部管道的后果分析主要侧重于由不同事故引起的个人风险和社会风险，而内部管道的后果则是由于压力重新分配而引起的经济损失风险。分析样本城市燃气管网的风险以证明所提出的方法的适用性。结果表明，本文提出的天然气管网综合定量风险分析方法可应用于实际应用。
关键字：风险分析 定量评估 天然气管道 安全管理
1.介绍
天然气是目前使用最广泛的能源之一，并且其用途仍在不断增加。目前，天然气占欧盟能源消耗的20％以上（Montiel，Vilchez和Amaldos，1996年）。输送天然气的运输管道不仅在安全的工业场所，还在整个陆地上运行。近年来，越来越多的有关部门意识到天然气输送管道的安全问题。由于天然气的物理和化学特性以及管道的特点，运输天然气的输送管道事故与其他工业事故有很大不同。当管道破损时，可能会造成多人死亡和多米诺骨牌效应，所导致的灾害也会造成很多损失，包括人员伤亡和财产损失，特别是天然气管网所导致的灾害。因此，为了保护生命和财产安全，对天然气管网进行风险评估是非常重要的。
近年来，风险分析已广泛应用于安全科学，环境科学，经济学，社会学等领域，旨在发现潜在事故，分析事故原因以及提出降低风险的措施。风险决策不仅是技术方面的问题，而且在政治，心理和社会方面都扮演着重要角色，这一意识十分重要。因此，通过量化风险评估（QRA）明确风险并检查风险降低措施的效果非常重要（Jonkman，van Gelder，＆Vrijling，2003）。一般来说，QRA可以分为定性分析，定量评估，风险评估，风险控制和降低措施四个阶段（Vrouwenvelder，Lovegrove，＆Holicky，2001）。从技术角度来看，定量评估在风险评估过程中发挥着重要作用，它构成了风险评估的基础，对风险水平可接受的限制或标准进行评估。
一些QRA方法已被用于识别和评估天然气管道的风险（Arnaldos，Casal，Montiel，Sanchez-Carricondo和Vilchez，1998; Cagno，Caron，Mancini和Ruggeri，2000; Metropolo＆Brown，2004; Jo＆ Ahn，2005; Sklavounos＆Rigas，2006; Jo＆Crowl，2008; Krueger＆Smith，2003; Suardin，McPhate，＆Sipkema 2009）。但是，这些广泛使用的风险分析和评估方法具有一定的限制。这些现有方法尚未全面分析各种事故后果，如毒性，燃烧和爆炸等，这些后果具有不同的物理模型，可能对人类造成不同的危害，进而影响个体风险和社会风险的空间分布。而且，现有的方法没有考虑到内部天然气管道的后果。事实上，一个节点或管道处的泄漏可能导致管道网络中的压力重新分配。如果管网中某些路段的压力低于相应的阈值，则气源供应不足可能会中断工业生产并导致经济损失。因此，评估天然气管网的风险，需要考虑管道网络的压力再分配问题。
因此，综合风险分析方法应该包括事故概率评估，后果分析和风险评估，其中应考虑外部和内部天然气管网的后果。本文提出了天然气管网综合定量风险分析方法，并对城市燃气管网样本的风险进行了分析，论证了所提出的方法。在下一节中，将介绍这种综合的定量风险分析方法。第3部分是城市燃气管道样本的演示，其次是结论。
2.一种综合的定量风险分析方法
本文提出的综合风险分析方法可以分为三个阶段，即概率评估，外部和内部管道的后果分析以及风险评估。图1显示了这种方法的框架。
图1.综合定量风险分析方法的框架.
概率评估侧重于事故概率，这取决于故障假设，可能由腐蚀，设计缺陷，不正确操作或第三方干扰等引起。通过使用故障树分析，事件树分析，历史数据或修改经验公式，假设失效的失效率可以作为概率评估的结果来计算。
对外部管线的后果分析主要集中在事故的物理效应上，包括毒气扩散，喷射火焰，火球和UVCE（无限制蒸气云爆炸）等。这些事故的影响，如毒性，热量和压力可以根据相应的公式进行定量描述，这取决于泄漏的释放速率。根据毒性，热量或压力等具体有害负荷的剂量与死亡或受伤等受体类别之间的剂量-效应关系，可以计算死亡概率单位的函数，并且可以通过查找相应的表来计算死亡概率和死亡概率百分比。内部管道的后果分析侧重于级联失败的机制。由于天然气管网中一个节点和管道的泄漏将导致压力下降和流量损失，因此应计算压力重新分配。通过与天然气管网设计阈值的比较，天然气供应不足的情况很明显。
风险可以通过综合概率评估和后果分析来评估，主要涉及人员伤亡评估和经济损失评估。伤亡评估的表征是个人风险和社会风险（Jonkman et al.，2003; TNO Purple Book，1999），它定量描述了死亡概率和危害程度，而经济损失评估是由于天然气供应不足造成的损失。
2.1.概率评估
一般来说，天然气管网的失效是指由于外部影响或固有风险导致的破裂而导致的气体泄漏，其中故障率被用于定量计算。假定管道沿管段的条件是一致的，管道的失效率就是管道每年单位长度的失效数（单位为年/ km）（Jo＆Crowl,2008）。通过历史数据和修正后的经验公式，可以估算出各事故场景下管道的失效率。由于管道的失效率随设计因素，施工条件，维护技术和环境状况等而变化很大，因此可以定量评估每个事故情景下管道的失效率（Jo＆Ahn,2005;ensp;Sklavounos＆Rigas,2006）:
（1）
其中是每单位管道长度（1/年 公里）的预期故障率，是管道（1 /年 公里）的单位长度的基本故障率，是与故障相关的校正函数，，，...是修正函数的变量，下标k表示外部干扰，施工缺陷，腐蚀，地面移动等失效原因。
欧洲天然气管道事故数据组在陆上天然气管道1.47 x106公里年的经验基础上，提出了每年0.575的总体故障率，这可以作为风险分析的失败率的一般值。（Jo＆Ahn，2002; EGIG，1999）。
2.2.外部管道的后果分析
外部管道的后果分析侧重于不同事故对人类造成伤害的风险。外部管线的后果分析由气体释放率计算，物理效应计算，致命概率单位计算和伤亡百分比计算组成（Han＆Weng，2009）。图2显示了外部管线的后果分析模型。
图2.外部管线结果分析模型.
当输气管道破裂时，应首先计算气体释放率，因为毒气，热量和压力等气体的危害性取决于泄漏量。泄漏过程是一个等熵绝热膨胀过程，可以用下式描述：（a）孔穴模型（Montiel，Vllchez和Casal，1998）; （b）管道模型（Montiel等，1998）; （c）近似拟合算法（Montiel等，1998; Jo＆Ahn，2003; Luo，Zheng，Zhao，Huo，＆Yang，2006）; （d）动态微分方程模型（API PR581,2000; Yang，Li，＆Lai，2007; Mazzoldi，Hill，＆Colls，2008; CCPS，1994）。近年来，孔穴模型作为一种适合定量风险分析需求的通用计算方法，在文献中得到了广泛的应用，并被用于计算本文的气体释放速率。
管道泄漏的后果取决于输送管道所携带物质的特性和管道周围的环境。对于输气管道而言，其主要危害形式是有毒气体扩散，喷射火焰，火球和UVCE（Han＆Weng，2009）。上述物理过程的所有物理效应都有定量描述。此外，API提供的历史数据表明，当管道破裂时，每种事故发生的概率分别为0.8,0.1,0.06和0.04（API PR581,2000）。 全文共19373字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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