HAZOP與LOPA聯(lián)合分析在PTA生產(chǎn)裝置中的應用

謝 萍

(中國昆侖工程公司，北京100037)

精對苯二甲酸(PTA)是重要的大宗化工原料之一，主要用于生產(chǎn)聚酯纖維(滌綸)、聚酯薄膜和聚酯瓶片。PTA生產(chǎn)裝置工藝流程復雜，設備數(shù)量眾多，操作條件苛刻，操作介質(zhì)具有易燃、易爆、有毒、腐蝕等特性，屬于典型的大型高危化工生產(chǎn)裝置，PTA生產(chǎn)系統(tǒng)的安全評估越來越受到人們的重視。作者利用危險及可操作性(HAZOP)分析方法與保護層分析(LOPA)方法相結(jié)合的方式，對PTA生產(chǎn)裝置設計過程中的潛在風險進行定性和半定量分析，并提出相應的風險控制方案。

1HAZOP與LOPA分析方法

1.1 概述

HAZOP是一種用于辨識設計缺陷、工藝過程危害及操作性問題的定性分析方法［1］。該方法通過系列的會議，以引導詞為核心，并由各專業(yè)人員組成的分析小組進行工藝設計圖紙及操作規(guī)程進行分析，以識別運行過程中可能出現(xiàn)的工藝參數(shù)變動及偏差，查找變動與偏差產(chǎn)生的原因，分析偏差對系統(tǒng)的影響及可能產(chǎn)生的后果，以此明確裝置或系統(tǒng)內(nèi)及生產(chǎn)過程中存在的主要危險、危害因素，并針對變動與偏差的后果提出應采取的安全措施［2－3］。

LOPA是以定性危害分析為基礎的半定量風險評估方法，是溝通定性分析和定量分析的重要橋梁與紐帶。該方法用始發(fā)事件頻率等級、后果嚴重程度以及獨立保護層的失效概率，來評定事故場景的風險大小，目的在于確定是否存在足夠的獨立保護層［4］。

1.2 HAZOP與LOPA的關(guān)系

傳統(tǒng)的HAZOP分析只能定性的分析生產(chǎn)過程中存在的主要危險、危害因素，不能對風險進行量化。在HAZOP定性分析的基礎上引入半定量分析的LOPA方法，實現(xiàn)HAZOP與LOPA分析方法的有機結(jié)合與互相補充，可提高風險評估的科學性、全面性及可用性。

由HAZOP分析初步篩選出風險較大的事故場景作為LOPA的基礎;HAZOP分析中偏差產(chǎn)生的原因以及原因發(fā)生的可能概率則成為LOPA的始發(fā)事件及其概率估算的直接信息［3－5］，HAZOP中偏差的后果危險程度為LOPA中事故場景的后果及其嚴重程度提供了判斷依據(jù);HAZOP中提列出的現(xiàn)有安全措施是LOPA中識別現(xiàn)有獨立保護層及其保護效果的基礎依據(jù)［6］。

2 HAZOP與LOPA聯(lián)合分析步驟

HAZOP是LOPA工作開展的基礎，LOPA是HAZOP分析結(jié)果的延伸與優(yōu)化，兩者聯(lián)合分析的主要步驟如下:

(1)分析前的準備工作，包括各種資料的收集及人員的組織工作;(2)利用HAZOP進行節(jié)點分析，識別工藝系統(tǒng)內(nèi)的偏差事件、偏差原因及結(jié)果;(3)初步判斷事件后果嚴重程度，找出后果嚴重事件，作為LOPA分析的事故場景事件;(4)確定事故場景起始事件頻率、保護層失效頻率及事件的后果，利用風險矩陣法計算事故場景事件的風險，根據(jù)企業(yè)的風險承受標準判斷該風險能否接受［3］;(5)對風險無法接受的場景事件，提出應增設的保護措施，按照步驟(4)重新計算該事故場景事件的風險，判斷增設的保護措施是否有效降低該事件的風險，以及風險水平能否接受，對于風險仍無法接受的，應考慮增設其他措施或改用其他工藝方法［3］。

3 HAZOP與LOPA聯(lián)合分析的應用

以1 200 kt/a PTA裝置為研究對象，應用HAZOP和LOPA聯(lián)合分析對該裝置進行風險評價，共劃分25個節(jié)點，分析各種偏差403項，提出相關(guān)安全建議措施46條。選取PTA生產(chǎn)中氧化反應單元作為分析節(jié)點，以此闡述HAZOP和LOPA聯(lián)合分析在PTA生產(chǎn)裝置中的應用。

3.1 分析準備工作

分析準備工作如下:組建HAZOP與LOPA聯(lián)合分析小組;準備必要資料，并發(fā)放到分析小組成員手中;確定分析過程中使用的嚴重等級、頻率等級及風險矩陣表。由于PTA生產(chǎn)裝置的復雜性，分析確定使用后果嚴重等級、頻率等級以及7×7風險矩陣見表1，表2，表3。

表1 后果嚴重等級Tab.1 Severity of consequences

表2 頻率等級Tab.2 Probability level

表3 風險矩陣Tab.3 Risk matrix

3.2 氧化反應節(jié)點

PTA氧化反應過程具有反應放熱強烈、反應傳質(zhì)快，反應過程涉及氧化反應、氣液固三相傳質(zhì)與平衡、以及物料在富氧狀態(tài)下易燃易爆的特征。節(jié)點流程見圖3。

圖1 PTA氧化單元節(jié)點流程示意Fig.1 PFD of PTA oxidation unit

在PTA氧化反應中，原料對二甲苯(PX)在以醋酸為溶劑，鈷、錳催化劑以及溴促進劑的作用下，經(jīng)空氣氧化成粗對苯二甲酸(CTA)，反應壓力為0.9～1.5 MPa，反應溫度為180～210 ℃。反應后的尾氣經(jīng)過多級冷凝后，一部分液相通過回流泵返回氧化反應器，另一部分液相通過流量控制送入溶劑脫水單元;氣相通過壓力控制送入尾氣處理單元;反應生成的漿料通過液位控制送入氧化結(jié)晶器。

3.3 氧化反應節(jié)點的HAZOP分析

(1)選擇的分析參數(shù)包括:反應器進料流量、反應器溫度、壓力、反應器液位等;(2)引導詞包括:無(none)、高(more)、低(less)、增加(as well as)、減少(part of)、邏輯相反(reverse)等;(3)分析小組成員通過會議集體討論，對PTA氧化反應系統(tǒng)可能出現(xiàn)的偏差事件、偏差原因及后果進行全面分析，列舉系統(tǒng)已有保護措施，識別出復雜的事故場景。根據(jù)表2所示的后果嚴重等級表確定事故嚴重性等級，根據(jù)偏差發(fā)生的原因確定始發(fā)事件頻率，并通過風險矩陣確定事故風險等級。

3.4 氧化反應節(jié)點的LOPA分析

對于HAZOP分析結(jié)果中嚴重性等級大于等于3的作為LOPA分析的事故場景，進一步辨識事故場景的起始事件、中間事件和后果事件。根據(jù)HAZOP分析列舉的已有保護措施識別系統(tǒng)獨立保護層，確定其失效概率;根據(jù)起始事件頻率及保護層失效概率，計算潛在事故消減后的發(fā)生頻率及頻率等級(見表2);并根據(jù)風險矩陣(見表3)確定當前保護措施下的風險等級，對風險不在可承受范圍內(nèi)的，需要增加其他保護措施，并計算消減后的事故發(fā)生頻率，直至風險在可接受的范圍內(nèi)［7］。

3.5 氧化反應節(jié)點HAZOP與LOPA聯(lián)合分析

從表4可知，通過對現(xiàn)有工藝節(jié)點的分析，氧化反應器壓力高的偏差會導致反應器壓力增高，嚴重時會導致反應器超壓泄漏(嚴重等級4)，已有安全措施包括壓力高報及安全閥保護等，消減后的事故頻率為1×10－5，風險在可接受范圍內(nèi)，不需增加額外保護措施;對于空氣進料流量低的偏差，根據(jù)現(xiàn)有保護措施，消減后事故頻率為1×10－4，風險不能接受，建議增加相應安全措施，比如增加空氣分支管閥門的小開度限位等。

表4HAZOP與LOPA聯(lián)合分析報告Tab.4 HAZOP and LOPA combination analysis report

4 結(jié)論

a.通過對HAZOP與LOPA分析方法各自本質(zhì)特點的分析以及對兩者關(guān)系的研究，將HAZOP與LOPA分析方法有機結(jié)合，實現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)和信息的共享，解決了傳統(tǒng)的HAZOP分析中安全措施的有效性和風險等級不能量化的問題。

b.以PTA裝置中的關(guān)鍵生產(chǎn)單元氧化反應系統(tǒng)為示例節(jié)點，闡述了HAZOP與LOPA聯(lián)合分析方法在PTA生產(chǎn)裝置中的運用。按照HAZOP與LOPA聯(lián)合分析步驟，不僅可以辨識系統(tǒng)存在的危害因素和風險，提供可能發(fā)生的事故場景，并且能對現(xiàn)有保護措施的有效性進行半定量評估，并提出需要增加的安全措施，從而提高PTA生產(chǎn)裝置安全評價的科學性和全面性。

［1］ Kletz T A.HAZOP-Past and future［J］.Reliab Eng Sys Safety，1997，55(3):263 －266.

［2］ 王秀軍，陶輝.HAZOP分析方法在石油化工生產(chǎn)裝置中的應用［J］.安全、健康和環(huán)境，2005，5(2):6.

［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，2008:120－122.

［4］ 張其立，邱彤，趙勁松，等.3種安全評價方法的集成研究［J］.計算機與應用化學，2009，26(8):963.

［5］ 周榮義，李石林，劉伺清.HAZOP分析中 LOPA的應用研究［1］.中國安全科學學報，2010，20(7):76 －81.

［6］ 崔英，楊劍鋒，劉文彬.基于HAZOP和LOPA半定量風險評估方法的研究與應用［J］.安全與環(huán)境工程，2014，21(3):99.

［7］ 劉國強.結(jié)合LOPA的HAZOP分析在油田火筒式加熱爐中的應用［J］.風險評價，2013，13(9):41.