天然氣凈化廠在役裝置HAZOP分析工作實(shí)踐

高曉根 李 勁 計(jì)維安 趙 健 劉 薔 宋 彬

（1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院）

（2.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦凈化廠）

隨著天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，天然氣生產(chǎn)的地面建設(shè)工程規(guī)模日趨擴(kuò)大，工藝過程日趨復(fù)雜。為保證工程的優(yōu)質(zhì)建設(shè)、平穩(wěn)投產(chǎn)、安全運(yùn)營，傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)管理控制模式顯然與新形勢下的管理要求不相適應(yīng)，因此在項(xiàng)目進(jìn)行的各個(gè)階段引入危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP）分析技術(shù)，從專業(yè)技術(shù)角度提出項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理控制措施，以更加科學(xué)的方法去決策和管理項(xiàng)目，防范風(fēng)險(xiǎn)和隱患是很有必要的。

HAZOP（Hazard and Operability Study，以下簡稱HAZOP）分析是一種系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化的定性危險(xiǎn)評(píng)價(jià)手段，用于探明生產(chǎn)裝置和工藝過程中的危險(xiǎn)及其原因，尋求必要對(duì)策。通過分析生產(chǎn)運(yùn)行過程中工藝狀態(tài)參數(shù)的變動(dòng)，操作控制中可能出現(xiàn)的偏差，以及這些變動(dòng)與偏差對(duì)系統(tǒng)的影響及可能導(dǎo)致的后果，找出出現(xiàn)變動(dòng)偏差的原因，明確裝置或系統(tǒng)內(nèi)及生產(chǎn)過程中存在的主要危險(xiǎn)、危害因素，并針對(duì)變動(dòng)與偏差的后果提出應(yīng)對(duì)措施，是一套行之有效的系統(tǒng)分析方法［1］。

HAZOP作為一種風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)技術(shù)，自開發(fā)建立以來，已得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前在國際上，HAZOP已被石油化工和工程建設(shè)公司視為確保設(shè)計(jì)和運(yùn)行完整性的通用方法。通過HAZOP分析，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案和布局不合理、配套設(shè)施不完整、腐蝕及承壓材料選擇不當(dāng)、安全儀表完整性等級(jí)不夠等方面的問題，并提出建議和改進(jìn)措施以彌補(bǔ)缺陷［2－5］。

然而，我國目前還沒有一套完整的實(shí)施HAZOP分析的方法。對(duì)天然氣凈化廠（含脫硫、脫碳、脫水、硫磺回收、尾氣處理和必要的公用工程及服務(wù)設(shè)施）的HAZOP分析及其相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，迄今國內(nèi)外文獻(xiàn)中鮮有報(bào)導(dǎo)，并無可借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)。

近年來，中國石油西南油氣田公司天然氣研究院（以下簡稱“天然氣研究院”）采用改進(jìn)的HAZOP分析方法完成了10余套新建、在役裝置的HAZOP分析，內(nèi)容涉及集輸、脫硫、脫水、脫烴、硫磺回收、LNG回收、提氦等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，每套裝置均找出數(shù)十個(gè)與安全或操作相關(guān)的問題，為天然氣開發(fā)生產(chǎn)的工藝安全管理系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐，對(duì)保障此類裝置的安全運(yùn)行起到了重要作用。

本文以天然氣凈化在役裝置的HAZOP分析工作實(shí)踐為例，介紹HAZOP技術(shù)的分析過程和應(yīng)用效果，可為其他石油化工在役裝置開展HAZOP分析工作提供思路和參考。

1 天然氣凈化廠在役裝置HAZOP分析的必要性

天然氣凈化領(lǐng)域主要安全生產(chǎn)特點(diǎn)：一是原料天然氣屬于易燃、易爆、有毒氣體，過程酸氣屬于H2S濃度較高的劇毒氣體，一旦發(fā)生大面積泄漏，將導(dǎo)致重大安全事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，并引發(fā)環(huán)境污染事件。二是高溫高壓工況。天然氣凈化工藝通常是在高壓下對(duì)原料天然氣進(jìn)行脫硫、脫水，在中溫下進(jìn)行脫硫、脫水溶劑的再生，并在高溫下實(shí)現(xiàn)H2S轉(zhuǎn)化為硫磺。因此，當(dāng)裝置出現(xiàn)意外引起高壓竄低壓時(shí)，可能會(huì)造成低壓設(shè)備和管線發(fā)生爆裂，導(dǎo)致有毒或高溫介質(zhì)擴(kuò)散［6］。

凈化廠在役裝置屬于裝置生命周期的操作和維護(hù)階段，裝置在役運(yùn)行過程中，企業(yè)會(huì)根據(jù)生產(chǎn)情況和設(shè)備使用情況對(duì)裝置進(jìn)行局部改進(jìn)。在執(zhí)行任何可能影響系統(tǒng)安全性和可操作性或?qū)Νh(huán)境有影響的改動(dòng)之前，如果運(yùn)用HAZOP分析，辨識(shí)裝置上下游之間、局部與整體之間可能存在的矛盾，可預(yù)先采取措施消除因改動(dòng)可能造成的潛在危害。此外，不少在役裝置由于建設(shè)時(shí)間較長，設(shè)備和管線都存在一定的老化現(xiàn)象，而且根據(jù)早期的設(shè)計(jì)理念，大部分儀控系統(tǒng)安全等級(jí)選擇較低，裝置的安全可操控級(jí)別遠(yuǎn)低于當(dāng)前的安全要求，因此為了及早發(fā)現(xiàn)裝置存在的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)在役裝置開展HAZOP分析工作至關(guān)重要。

2 天然氣凈化廠在役裝置HAZOP工作實(shí)例

2011年，天然氣研究院負(fù)責(zé)實(shí)施了對(duì)西南油氣田公司下屬蜀南氣礦隆昌天然氣凈化廠隆昌分廠等11個(gè)廠的8列20套凈化裝置的HAZOP分析。

天然氣研究院接到HAZOP分析任務(wù)后，針對(duì)4個(gè)典型天然氣凈化廠分別成立了分析小組，各小組負(fù)責(zé)人均為參與集團(tuán)公司HAZOP分析師培訓(xùn)人員。其嚴(yán)格遵守HAZOP分析方法要求并參考Q／SY 1364－2011《危害與可操作性分析技術(shù)指南》的規(guī)定，組織天然氣研究院和上述在役裝置所屬二級(jí)單位的工藝、自控、設(shè)備、電子和安全等專業(yè)人員分別組成了各在役裝置HAZOP分析小組。各小組成員的專業(yè)背景和從業(yè)經(jīng)歷經(jīng)過嚴(yán)格審核，小組成員包括技術(shù)專家、生產(chǎn)管理人員、基層操作人員和天然氣研究院分析人員等。

2.1 項(xiàng)目簡介及分析對(duì)象［5］

本次HAZOP分析對(duì)象為西南油氣田天然氣凈化在役裝置，包括天然氣MDEA脫硫、砜胺法脫硫、常規(guī)克勞斯硫磺回收、MCRC硫磺回收、CBA硫磺回收、LocatⅡ硫磺回收和TEG脫水等工藝，涵蓋4個(gè)二級(jí)單位11個(gè)廠的8列20套裝置，分析對(duì)象主體裝置具體情況見表1所示。

表1 典型天然氣凈化廠HAZOP分析范圍Table 1 HAZOP analysis scope of typical natural gas purification plant

2.2 HAZOP工作流程

2.2.1 資料收集

HAZOP工作的開展，需要建立在完善﹑準(zhǔn)確的工藝安全信息基礎(chǔ)上，在役裝置的HAZOP分析工作需要的主要技術(shù)資料包括：物料危害數(shù)據(jù)資料、設(shè)備設(shè)計(jì)資料、工藝設(shè)計(jì)資料以及相關(guān)技術(shù)協(xié)議。其中，各項(xiàng)設(shè)計(jì)資料必須與當(dāng)前工藝系統(tǒng)相吻合，相關(guān)技術(shù)協(xié)議主要包括裝置歷次分析評(píng)價(jià)的報(bào)告、相關(guān)的技改、技措記錄和檢維修記錄、裝置歷次事故記錄及調(diào)查報(bào)告、裝置的現(xiàn)行操作規(guī)程和規(guī)章制度等。

由于裝置在運(yùn)行過程中，可能發(fā)生工藝或設(shè)備變更，存在資料不完善或與當(dāng)前生產(chǎn)實(shí)際不吻合的情況，因此需要分析小組確認(rèn)工藝安全信息資料與裝置現(xiàn)場實(shí)際情況的符合性，以確保分析資料的真實(shí)、有效。

2.2.2 組建 HAZOP分析小組

HAZOP分析小組的知識(shí)、技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)對(duì)確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確度和深度至關(guān)重要。本次HAZOP分析小組包括特邀天然氣凈化工藝技術(shù)專家、HSE專家、小組主持人、記錄員、生產(chǎn)單位管理人員以及來自分析單位和生產(chǎn)單位的工藝工程師、設(shè)備工程師、儀表工程師、HSE工程師和操作技師等。

2.2.3 預(yù)分析

在已獲得技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，小組成員在小范圍內(nèi)對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行了預(yù)分析。了解系統(tǒng)設(shè)計(jì)意圖，明確裝置運(yùn)行過程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的修改。通過對(duì)資料的預(yù)分析，初步了解分析對(duì)象的工藝流程和物料傳遞過程發(fā)生的物理或化學(xué)變化狀態(tài)，確定系統(tǒng)中的重要或關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2.4 召開HAZOP分析評(píng)價(jià)會(huì)議

在完成現(xiàn)場初步調(diào)研、資料收集及預(yù)分析等準(zhǔn)備工作后，于2011年9月～10月陸續(xù)召開了現(xiàn)場HAZOP分析會(huì)議。在HAZOP正式會(huì)議開始前，由小組主持人負(fù)責(zé)對(duì)參與HAZOP分析的小組成員進(jìn)行HAZOP方法的培訓(xùn)。小組成員按照HAZOP分析方法的分析程序劃分節(jié)點(diǎn)，針對(duì)各節(jié)點(diǎn)逐個(gè)進(jìn)行分析，確定偏差，分析偏差產(chǎn)生的原因，分析偏差導(dǎo)致的后果，列出現(xiàn)有的保護(hù)措施，評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，提出建議措施等。會(huì)議期間還對(duì)現(xiàn)場存在的一些技術(shù)和環(huán)境問題進(jìn)行了討論和分析。

2.2.5 單個(gè)偏差分析實(shí)例

以天然氣凈化裝置中的脫硫、脫水吸收塔為例，吸收塔無液位偏差的分析過程如下。

（1）偏差：脫硫、脫水吸收塔無液位；

（2）原因：液位變送器（LT－01）失效顯示虛假的高液位；

（3）后果：高壓天然氣竄入低壓再生系統(tǒng)，超壓引發(fā)事故；

（4）建議措施：經(jīng)分析計(jì)算，原有安全系統(tǒng)等級(jí)偏低，建議設(shè)置獨(dú)立的雙回路控制、聯(lián)鎖，即增加LT－02。同時(shí)將LIA－01和 ESD－01移至 LIA－02和ESD－02位置，提升安全系統(tǒng)等級(jí)。

2.2.6 編制 HAZOP分析報(bào)告

整理HAZOP分析會(huì)議記錄，匯總分析記錄表，按照HAZOP分析報(bào)告格式編制分析報(bào)告。

在分析會(huì)議完成后，各HAZOP分析項(xiàng)目組對(duì)記錄表進(jìn)行了整理，并將措施建議提交各生產(chǎn)單位確認(rèn)。各單位分別就建議措施情況進(jìn)行了逐條詳細(xì)回復(fù)，并對(duì)不采納項(xiàng)進(jìn)行說明。此次工作共分析了4個(gè)典型天然氣凈化廠，裝置20套，劃分節(jié)點(diǎn)102個(gè)，偏差1 573項(xiàng)，提出措施建議171項(xiàng)，其中各二級(jí)單位接受或部分接受149項(xiàng)，接受率約為87%。

2.3 分析結(jié)論總結(jié)

隨著近年來對(duì)安全環(huán)保要求的提升以及安全控制技術(shù)的進(jìn)步，天然氣處理廠（站）風(fēng)險(xiǎn)控制手段日趨完善。通過此次HAZOP分析發(fā)現(xiàn)，西南油氣田公司在役裝置建設(shè)時(shí)間跨度較大，部分老裝置的風(fēng)險(xiǎn)控制手段還有待提高，目前主要存在的問題如下：

（1）存在脫硫、脫水吸收塔高壓天然氣竄入低壓系統(tǒng)的可能性；

（2）常規(guī)及延伸類（包括MCRC和CBA）Claus硫磺回收裝置中的燃燒爐燃燒器保護(hù)不足；

（3）Claus硫磺回收裝置余熱鍋爐在停電情況下存在“燒干鍋”的可能性；

（4）關(guān)鍵閥門設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)不清；

（5）就地放空、排污，注水口、呼吸短節(jié)或公用工程甩頭閥門后缺少盲板、盲法蘭或堵頭；

（6）進(jìn)入放空及排污管路的放空、排污未采用雙閥控制；

（7）就地指示及報(bào)警設(shè)置不足；

（8）針對(duì)設(shè)備內(nèi)漏的分析化驗(yàn)制度不完善；

（9）可燃及有毒氣體報(bào)警儀設(shè)置不足；

（10）干氣中三甘醇夾帶嚴(yán)重（通過工藝計(jì)算可分析原因）；

（11）三甘醇再生廢氣未焚燒排放；

（12）總圖布置不合理，維修困難；

（13）消防泵未配備發(fā)電機(jī)。

以下將對(duì)部分典型問題進(jìn)行詳細(xì)說明：

（1）脫硫、脫水吸收塔存在高壓天然氣竄入低壓系統(tǒng)的可能性，如MDEA脫硫塔、三甘醇脫水塔自動(dòng)化控制及聯(lián)鎖設(shè)計(jì)不足，脫硫、脫水吸收塔液位調(diào)節(jié)閥失效開將導(dǎo)致高壓天然氣竄入再生低壓系統(tǒng)，引發(fā)事故，如圖1所示。

在常規(guī)分析的基礎(chǔ)上引入SIL（Safety Integrity Level，安全完整性等級(jí)）分析得出，吸收塔（脫硫、脫水）液位控制及聯(lián)鎖應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的雙回路控制和聯(lián)鎖系統(tǒng)。

（2）常規(guī)及延伸類（包括 MCRC和CBA）克勞斯硫回收工藝過程中的燃燒爐燃燒器保護(hù)不足問題。

燃燒爐中燃燒器的工作環(huán)境溫度可達(dá)上千度，需要采用氮?dú)饫鋮s進(jìn)行保護(hù)。如因閥門誤關(guān)閉造成氮?dú)鈹嗔骰蛞蜷y門未全開造成氮?dú)饬髁坎蛔?，?huì)造成燃燒器損壞，進(jìn)而導(dǎo)致裝置停產(chǎn)。目前，分析的多數(shù)凈化廠裝置中該路氮?dú)夤芫€上僅設(shè)有就地流量檢測儀表，不能有效地保證裝置正常運(yùn)行。建議在該路氮?dú)夤芫€上增加遠(yuǎn)傳流量檢測儀表，同時(shí)設(shè)置低流量報(bào)警，并將管路上閥門鎖定開啟狀態(tài)以保證燃燒器能正常工作。

克勞斯硫回收裝置燃燒爐中燃燒器保護(hù)氮?dú)夤苈返默F(xiàn)狀與改造建議詳見圖2。

（3）Claus余熱鍋爐在停電情況下存在“燒干鍋”的可能。圖3為典型常規(guī)克勞斯硫回收裝置余熱鍋爐流程圖。在停電時(shí)，硫回收裝置余熱鍋爐除氧水會(huì)出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，導(dǎo)致“燒干鍋”，從而使余熱鍋爐損壞，酸氣外泄造成人員中毒。

建議在余熱鍋爐除氧水供水管道上設(shè)置單向閥。

（4）部分關(guān)鍵閥門標(biāo)識(shí)不清。在分析過程中發(fā)現(xiàn)，部分廠（站）關(guān)鍵閥門標(biāo)識(shí)不清，設(shè)計(jì)圖紙中未標(biāo)明關(guān)鍵閥門應(yīng)保持的狀態(tài)，存在一定的安全隱患。以安全閥前后切斷閥為例，安全閥為裝置中重要的安全保護(hù)設(shè)施，若其前后切斷閥關(guān)閉則不能起到保護(hù)作用，故應(yīng)通過掛牌上鎖確保其前后切斷閥保持常開狀態(tài)。

安全閥前后切斷閥掛牌上鎖保持鎖開的改造建議詳見圖4。

（5）就地放空、排污或公用工程甩頭閥門后缺盲板、盲法蘭或堵頭。天然氣凈化廠的主要工作介質(zhì)為天然氣和酸氣等易燃、易爆、有毒氣體，若發(fā)生泄漏會(huì)造成火災(zāi)、爆炸、人員中毒等二次傷害。為了降低泄漏發(fā)生的可能性，建議在易燃、易爆、有毒介質(zhì)的就地排放或公用工程甩頭單閥后設(shè)置盲法蘭、盲板或堵頭。通過圖紙分析和現(xiàn)場核對(duì)，發(fā)現(xiàn)天然氣凈化廠中部分就地排放或公用工程甩頭閥門后缺盲法蘭、盲板或堵頭。

在易燃、易爆、有毒介質(zhì)的就地排放或公用工程甩頭閥門后設(shè)置盲法蘭、盲板或堵頭的改造建議詳見圖5所示。

（6）進(jìn)入管路的放空、排污未采用雙閥控制。天然氣廠（站）有相當(dāng)數(shù)量的設(shè)備、管道為高壓，其工作介質(zhì)為有毒有害物質(zhì)，若排污閥門失效將導(dǎo)致有毒有害物質(zhì)進(jìn)入排污系統(tǒng)，造成設(shè)備損壞、人員中毒等事故。

對(duì)于壓力較高且輸送介質(zhì)有毒有害的放空或排污管道，建議設(shè)置雙閥以降低事故發(fā)生的概率。

3 結(jié)論

此次HAZOP工作實(shí)踐充分表明，將HAZOP分析方法運(yùn)用于天然氣凈化廠在役裝置分析，可以識(shí)別出裝置在生產(chǎn)運(yùn)行中潛在的危害因素，為在役裝置工藝系統(tǒng)的安全操作與運(yùn)行管理、更新操作規(guī)程、大修或技改提供指導(dǎo)意見。

在役裝置有別于新建裝置，在役裝置HAZOP分析時(shí)應(yīng)注意以下幾方面問題：

（1）經(jīng)過技術(shù)改造的局部流程如與原設(shè)計(jì)不一致，需要對(duì)現(xiàn)行流程進(jìn)行準(zhǔn)確描述；

（2）在現(xiàn)場進(jìn)行HAZOP分析工作，不僅方便核實(shí)裝置現(xiàn)狀，也能將HAZOP分析方法向更多的現(xiàn)場技術(shù)人員進(jìn)行推廣，可在保證分析質(zhì)量的同時(shí)，使HAZOP分析方法在生產(chǎn)實(shí)際中得到更加廣泛的應(yīng)用；

（3）分析過程中，部分引入了工藝、設(shè)備計(jì)算方法（水合物形成預(yù)測和脫硫吸收塔計(jì)算等）、安全等級(jí)（SIL）和定量風(fēng)險(xiǎn)分析（QRA）等定量或半定量的分析方法，可有效地提高HAZOP這種定性分析方法的準(zhǔn)確性。

［1］International Electrotechnical Commission.IEC61882－2001：Hazard and operability studies（HAZOP studies）－ Application guide［S］.Lundon British，British Standards Institution（BSI），2001：1－56.

［2］郭麗杰，康建新.石化裝置基于風(fēng)險(xiǎn)的HAZOP分析方法［J］.化學(xué)工程，2012，5（40）：70－74.

［3］中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院.HAZOP分析指南［M］.北京：中國石化出版社，2008.

［4］夏太武，袁樹海，熊鋼.天然氣研究院首次完成天然氣凈化處理裝置的 HAZOP分析［J］.石油與天然氣化工，2010，39（3）：229.

［5］吳國霈，陳雪峰，羅璇宇.RBI技術(shù)在天然氣處理廠應(yīng)用中的啟示［J］.石油與天然氣化工，2011，40（2）：218－222.

［6］李勁，陳賡良.對(duì)天然氣凈化廠HAZOP分析的認(rèn)識(shí)［J］.石油與天然氣化工，2011，40（3）：223－227.