基于HAZOP與LOPA的鍋爐水處理系統(tǒng)風(fēng)險評估方法及應(yīng)用

李慧領(lǐng)，江楠，張建，鄧波

（1華南理工大學(xué)化工機(jī)械與安全工程研究所，廣東 廣州 510641；2廣東省特種設(shè)備檢測研究院佛山檢測院，廣東 佛山 528000）

鍋爐用水的質(zhì)量嚴(yán)重影響著鍋爐的安全與運(yùn)行，水質(zhì)不良將導(dǎo)致鍋爐管道的結(jié)垢和腐蝕，直接影響鍋爐的熱效率和材料強(qiáng)度，縮短鍋爐壽命甚至引發(fā)鍋爐泄漏及爆炸事故。鍋爐水處理工作即是采用物理化學(xué)方法除去給水中的各種雜質(zhì)，防止鍋爐水汽系統(tǒng)結(jié)垢、腐蝕和積鹽等現(xiàn)象的發(fā)生，保證蒸汽品質(zhì)，延長鍋爐安全使用壽命。

鍋爐水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)作與各階段的處理效果密切相關(guān)。水處理后續(xù)階段產(chǎn)生的問題，如：蒸汽鈉、硅含量超標(biāo)對用汽設(shè)備的不良影響，排污率偏高（排污率每增大1%，燃料的消耗量就增加0.3%[1]），凝結(jié)水對鐵、銅材質(zhì)設(shè)備的腐蝕等普遍存在。近年來，迅猛發(fā)展的新型水處理技術(shù)有效克服了常規(guī)水處理技術(shù)的缺點(diǎn)，同時為鍋爐在防腐阻垢、節(jié)能環(huán)保狀態(tài)下高效運(yùn)行開辟了一條科學(xué)而行之有效的技術(shù)新途徑[2-5]。

環(huán)境因素日漸動態(tài)多元化的今天，頻繁多發(fā)的生產(chǎn)事故給社會帶來了嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失并產(chǎn)生了難以估量的消極影響，因此，社會大眾對風(fēng)險的全程性研究進(jìn)展越來越關(guān)注。縱觀國內(nèi)外在鍋爐水處理方面的研究，通常集中在新技術(shù)、新工藝的探討與實(shí)踐上，而對鍋爐水處理系統(tǒng)的風(fēng)險評估和安全管理報(bào)道很少。為減少化工裝置的事故風(fēng)險，一些學(xué)者[6-7]將保護(hù)層分析法應(yīng)用到化工裝置中，有效地控制了化工裝置安全事故的發(fā)生。本文將保護(hù)層分析（LOPA）法引入到電站鍋爐水處理系統(tǒng)中，從化工過程安全的視野對鍋爐水處理系統(tǒng)防腐阻垢性能進(jìn)行風(fēng)險評估，確定其工藝是否合理、保護(hù)層是否足夠。

接連發(fā)生的重特大安全生產(chǎn)事故催人警醒，使人的生命安全被提上了新的日程。基于此，本文推薦“人本管理”作為企業(yè)的經(jīng)營思想，結(jié)合運(yùn)用LOPA法使相關(guān)企業(yè)的風(fēng)險管理模式由傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)的管理轉(zhuǎn)變到系統(tǒng)的、“以人為本”的工藝安全管理，使之能有效地控制和減少鍋爐安全事故的發(fā)生，提高企業(yè)的風(fēng)險管理水平。

1 保護(hù)層分析方法簡介

1.1 HAZOP和LOPA

危險性和可操作性分析（hazard and operability，HAZOP）是一種用于設(shè)計(jì)安全審核的技術(shù)，可識別危險性和可操作性問題的形式化和系統(tǒng)化。然而，該方法不能將識別出的問題進(jìn)行量化。自2000年以來，保護(hù)層分析[8]（layers of protection analysis，LOPA） 因具有客觀、半定量、以風(fēng)險為基礎(chǔ)的特點(diǎn)，成為國際上廣泛采用的一種安全設(shè)計(jì)和管理技術(shù)，并且可以有效地評估過程危險。LOPA法是HAZOP法的繼續(xù)，可以彌補(bǔ)HAZOP分析中殘余風(fēng)險不能定量化的不足，并豐富和補(bǔ)充HAZOP分析結(jié)果。

1.2 LOPA的分析步驟和計(jì)算方法

LOPA在分析之前應(yīng)先選擇事故場景，然后確定事故場景的后果，編制風(fēng)險矩陣并確定風(fēng)險等級。本文在全面分析和系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外目前采用的風(fēng)險矩陣評估方法的基礎(chǔ)上，針對風(fēng)險矩陣方法的不足，結(jié)合我國化工行業(yè)風(fēng)險評估的客觀實(shí)際和需要，對其作了適應(yīng)性改進(jìn)，如表1所示。該矩陣基于HAZOP，將事故發(fā)生頻率分為7個等級、事故后果的嚴(yán)重程度分為5類、風(fēng)險分為4個等級。

為了突出LOPA法的客觀和半定量特點(diǎn)，進(jìn)一步提高HAZOP的事故預(yù)防能力和豐富HAZOP的分析結(jié)果，本文將LOPA法融合在HAZOP分析中，并對LOPA的主要分析步驟進(jìn)行了優(yōu)化，見表2，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)險評估團(tuán)隊(duì)易操作該方法的目的。其中，事件概率和失效概率均可以通過統(tǒng)計(jì)資料的分析和技術(shù)判斷獲得[10]。

表1 風(fēng)險評估矩陣新探討

表2 LOPA主要分析步驟

在LOPA分析中，未減輕事件是指未考慮任何安全措施而發(fā)生事故的事件，其風(fēng)險稱為潛在風(fēng)險；減輕事件是指采取獨(dú)立保護(hù)層措施后，發(fā)生事故的事件，其風(fēng)險稱為剩余風(fēng)險[11]。首先分析事件鏈的發(fā)展過程及各事件概率，確定未減輕事件的潛在風(fēng)險水平；然后分析獨(dú)立保護(hù)層措施及其失效概率（PFD），確定減輕事件的剩余風(fēng)險水平。本文作者根據(jù)文獻(xiàn)[12]相關(guān)結(jié)論，對未減輕事件和減輕事件發(fā)生頻率的計(jì)算公式進(jìn)行了優(yōu)化，如式（1）、式（2）。

式中，fC是未減輕事件發(fā)生頻率，a-1；fi是始發(fā)事件、條件事件、后果事件發(fā)生頻率，a-1；fR是減輕事件發(fā)生頻率，a-1；PFDj是各獨(dú)立保護(hù)層措施（IPLs）失效概率，a-1。根據(jù)表1，由事故后果的嚴(yán)重等級和事故發(fā)生頻率等級計(jì)算事故的風(fēng)險等級，然后從表3[11]可獲悉與之對應(yīng)的建議措施。

2 LOPA法應(yīng)用于鍋爐水處理系統(tǒng)

本文以某電廠高壓煤粉鍋爐的水處理系統(tǒng)為例進(jìn)行風(fēng)險評估。該鍋爐規(guī)格為220t/h、9.81MPa，其水處理工藝為：經(jīng)過除氧器出口向鍋爐給水（脫鹽 水）中加入氨水，將pH值調(diào)整至8.8～9.3，使用聯(lián)胺除氧、磷酸三鈉除鹽，分別由加藥泵連續(xù)加入汽包。整套裝置由原水過濾單元、凝結(jié)水除鹽單元、除氧及爐水加藥單元等組成，見圖1。

表3 風(fēng)險等級劃分及應(yīng)對措施[11]

圖1 高壓煤粉鍋爐水處理工藝流程簡圖

2.1 鍋爐水處理系統(tǒng)HAZOP分析

將鍋爐水處理工藝各個單元如補(bǔ)給水處理系統(tǒng)、凝結(jié)水處理系統(tǒng)、給水及爐水加藥系統(tǒng)等劃分為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)劃分詳見圖1。對各節(jié)點(diǎn)的偏差、原因、后果、保護(hù)措施進(jìn)行詳盡的分析。該系統(tǒng)的HAZOP分析結(jié)果舉例見表4。

2.2 鍋爐水處理系統(tǒng)LOPA分析

經(jīng)該廠風(fēng)險管理層資料調(diào)查和會議討論后決定：采用新型EWPT-6207/6351鍋爐水處理劑替代原用的水處理劑（氨水、聯(lián)胺和磷酸鹽），在鍋爐運(yùn)行過程中對給水和爐水的水質(zhì)狀況進(jìn)行日常監(jiān)測，并對設(shè)備實(shí)施狀態(tài)檢修。如果1級防護(hù)層——鍋爐水處理劑失效，將引起水質(zhì)不良，造成管道等腐蝕、阻垢，腐蝕會引起爐管耐壓強(qiáng)度下降，阻垢會引起流體阻力的增加，當(dāng)腐蝕、阻垢進(jìn)行到一定程度時，鍋爐內(nèi)壓力的增加（但壓力小于安全閥的開啟壓力），甚至正常運(yùn)行時的壓力都可能引起爆管等事件的發(fā)生。因此，風(fēng)險管理層慎重考慮后，認(rèn)為應(yīng)把水質(zhì)日常監(jiān)測和狀態(tài)檢修作為2級和3級保護(hù) 層[13]。

表4 水處理系統(tǒng)的HAZOP分析結(jié)果（部分）

EWPT水處理劑避免了原藥劑帶來的負(fù)面影響，可有效穩(wěn)定控制給水pH值，盡可能清除溶解氧，將蒸汽中的鈉、硅等指標(biāo)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，保證爐水的良好品質(zhì)。另外，風(fēng)險管理層摒棄傳統(tǒng)的定期檢修制度，采用狀態(tài)檢修。因EWPT水處理劑獨(dú)立于其他保護(hù)措施，是專門針對控制腐蝕結(jié)垢而設(shè)計(jì)，同時對其進(jìn)行定期的審核與檢驗(yàn)，故屬于本質(zhì)安全設(shè)計(jì)保護(hù)層[14]；水質(zhì)日常監(jiān)測與設(shè)備狀態(tài)檢修有足夠的響應(yīng)時間，且任務(wù)具有單一性和可操作性，故屬于操作人員行動保護(hù)層。其中，EWPT鍋爐水處理技術(shù)的PFD為0.02，水質(zhì)日常監(jiān)測與設(shè)備狀態(tài)檢修的PFD均為0.1[13]。

表4雖然給出了水處理系統(tǒng)水質(zhì)不良等偏差的原因、可能導(dǎo)致的后果及已有的安全措施，但看不到以下信息：事故場景的風(fēng)險水平是多少、安全措施是否有效、是否需增加新的安全措施等。本文根據(jù)文獻(xiàn)[13]中關(guān)于各初始事件的統(tǒng)計(jì)資料和技術(shù)判斷，在HAZOP分析后，對事故場景——“水質(zhì)不良導(dǎo)致蒸汽品質(zhì)降低和鍋爐結(jié)垢腐蝕”的發(fā)展過程及各階段風(fēng)險數(shù)據(jù)進(jìn)行了LOPA分析，詳見表5。

由表5可知，該事故場景的未減輕事件頻率（2.00×10-3）超過了風(fēng)險可接受值（1.00×10-5），因此，需要補(bǔ)充其他安全措施或變更工藝；當(dāng)采取了“EWPT-6207/6351鍋爐水處理劑、水質(zhì)日常監(jiān)測和狀態(tài)檢修”3級獨(dú)立保護(hù)層后，該事故場景的風(fēng)險發(fā)生頻率從2.00×10-3明顯地降低到了2.00×10-6，風(fēng)險等級從7級降為4級，剩余風(fēng)險被控制在可接受范圍內(nèi)。分析結(jié)果表明：此3級保護(hù)層已控制風(fēng)險，不需要增加其他的安全措施。由此可見，LOPA分析進(jìn)一步豐富了水處理系統(tǒng)的HAZOP分析結(jié)果，并且能夠提出切實(shí)可行的安全對策措施。由LOPA法豐富后的HAZOP分析結(jié)果（部分）見表6。

表5 水處理系統(tǒng)的LOPA分析結(jié)果（部分）

表6 結(jié)合LOPA法的HAZOP分析結(jié)果（部分）

3 安全對策及建議

3.1 工藝流程及檢修技術(shù)的建議

LOPA法側(cè)重于對事故場景的工藝危害進(jìn)行分析，能揭示以往定性分析方法未涉及的鍋爐安全問題，為企業(yè)提供更精確的維護(hù)和維修信息。整個工藝流程應(yīng)以計(jì)劃為中心，熟悉并掌握鍋爐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及檢測等信息，具體建議如下。

（1）控制和減少水垢的形成。企業(yè)應(yīng)選擇安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的水處理工藝，操作人員應(yīng)嚴(yán)把給水質(zhì)量關(guān)，將水質(zhì)pH值控制在7.0～9.6范圍[15]，發(fā)現(xiàn)鍋爐系統(tǒng)缺水或失水立即采取措施并上報(bào)。

（2）找出系統(tǒng)的腐蝕薄弱點(diǎn)，采取措施提高抗蝕能力。針對現(xiàn)場鍋爐系統(tǒng)的特點(diǎn)和出現(xiàn)的問題，給出切實(shí)可行的建議措施，例如對于燃煤鍋爐，控制煤中的硫含量，能夠有效減少和杜絕鍋爐管道的煙側(cè)腐蝕。

（3）狀態(tài)檢修。對高風(fēng)險設(shè)備進(jìn)行前景預(yù)測，由預(yù)測結(jié)果擬定檢修內(nèi)容和時間，真正做到“應(yīng)修必修，修必修好”，盡量少拆設(shè)備，延長設(shè)備的使用 壽命。

3.2 人本管理和人員行動保護(hù)層的建議

人命關(guān)天，發(fā)展決不能以犧牲人的生命為代價。這必須作為一條不可逾越的紅線[16]。從表象上看，鍋爐安全事故的發(fā)生是由于生產(chǎn)空間、設(shè)備、設(shè)施和人為差錯等因素所致，但深層分析近年來鍋爐事故原因可知，其根源是管理的缺陷和漏洞。

（1）由于人的不安全行為是發(fā)生鍋爐事故的主要原因，所以從企業(yè)安全的長遠(yuǎn)發(fā)展展望，“以人為本”的管理模式[17]可成為大趨勢。

（2）安全是需要所有部門關(guān)注的問題，需要靠企業(yè)中每個人的努力來實(shí)現(xiàn)。LOPA法提供了一種可系統(tǒng)分析和評價的客觀方法，產(chǎn)能企業(yè)風(fēng)險管理層可參照亨利·法約爾[18]的“五大職能”論并結(jié)合LOPA分析結(jié)果對本單位的鍋爐安全生產(chǎn)進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，保障安全信息流通的時效性和準(zhǔn)確性。

（3）企業(yè)的最高管理層以身作則，從員工的心理生理性、行為性和鍋爐設(shè)備的人性化操作等方面入手，建立學(xué)習(xí)型組織，將鍋爐系統(tǒng)中不同專業(yè)人員的安全生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)充分匯總起來，集思廣益，從本質(zhì)上對鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行安全改造和完善，預(yù)防和控制鍋爐安全事故的發(fā)生。

4 結(jié) 論

（1）用HAZOP與LOPA法對鍋爐水處理系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)險評估，從系統(tǒng)和全程對工業(yè)風(fēng)險展開研究，將以往側(cè)重于新技術(shù)新工藝的探索擴(kuò)展到系統(tǒng)安全分析和風(fēng)險評估的全過程，拓寬了鍋爐水處理系統(tǒng)安全研究領(lǐng)域。

（2）繪制出新的風(fēng)險評估矩陣并編制了簡明合理的LOPA基本程序和計(jì)算公式，為鍋爐重大安全事故的預(yù)防及風(fēng)險評估提供了理論參考。

（3）從系統(tǒng)安全的角度對鍋爐水處理系統(tǒng)危險與可操作性問題進(jìn)行了歸納與梳理，提出了“LOPA+ 風(fēng)險評估+人本管理”的安全運(yùn)行新模式，為相關(guān)企業(yè)安全生產(chǎn)提供了技術(shù)參考和新的監(jiān)控方法。

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