三甘醇脫水裝置的HAZOP分析

邱星棟　黃　坤　陳彰兵　宋凌燕

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院　2.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司3.中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司

邱星棟等.三甘醇脫水裝置的HAZOP分析.天然氣工業(yè)，2016， 36（9）: 123-128.

三甘醇脫水裝置的HAZOP分析

邱星棟1黃坤1陳彰兵2宋凌燕3

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院2.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司3.中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司

邱星棟等.三甘醇脫水裝置的HAZOP分析.天然氣工業(yè)，2016， 36（9）: 123-128.

危險與可操作性分析（Hazardand Operability Analysis，HAZOP）經過40余年的發(fā)展，作為防止重大事故發(fā)生的一種安全評價方法，在世界范圍內已得到十分廣泛的應用。脫水工藝作為天然氣凈化過程中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，其設備可靠性以及工藝流程安全性得到了越來越多人的關注。為此，利用HAZOP方法，系統(tǒng)分析了三甘醇脫水裝置的安全現(xiàn)狀和潛在風險。介紹了HAZOP分析方法的理論概念和應用現(xiàn)狀，并以某天然氣凈化廠600×104m3/d三甘醇脫水裝置為例，闡述了HAZOP分析的工作過程和應用方法。結合設計標準和具體設備，系統(tǒng)識別了三甘醇脫水裝置的工藝危險與可操作性問題，利用風險矩陣評估了不同失效模式下的風險等級，并提出了相應的改進意見。最后，得出了三甘醇脫水裝置不同節(jié)點的失效特點和風險評價結論，并總結了HAZOP分析在實際應用中需要注意的問題，該項研究成果為可今后三甘醇脫水裝置乃至其他石油化工裝置進行HAZOP分析提供參考。

HAZOP分析安全評價方法天然氣凈化處理三甘醇脫水節(jié)點風險矩陣失效模式風險評價

由于天然氣凈化處理過程存在著高溫、高壓、易燃、易爆、有毒氣體擴散，以及其他諸如H2S應力腐蝕開裂、天然氣水合物堵塞、低溫冷脆等危險工況。因此，為了防止重大事故發(fā)生或減輕事故危害程度，在項目設計過程中引入HAZOP分析，對整個工藝流程或重要單元進行風險分析，找出缺陷，并根據(jù)分析結果確定防范措施，使裝置不斷完善、生產過程運行更加安全［1］。脫水工藝作為天然氣凈化過程中必不可少的環(huán)節(jié)，重要程度不言而喻。然而，針對脫水裝置的HAZOP研究還不多見。相比其他脫水方法，三甘醇脫水工藝具有流程簡單、技術成熟、露點降大、熱穩(wěn)定性好和易于再生等優(yōu)點。因此在現(xiàn)役天然氣凈化廠中得到了廣泛應用。為此，以某天然氣凈化廠600×104m3/d三甘醇脫水裝置為例，探究了HAZOP分析在設計階段的應用及其效果。

1　HAZOP分析技術

1.1應用現(xiàn)狀

HAZOP分析是一種用于辨識設計缺陷、工藝過程危害及操作性問題的結構化、系統(tǒng)化分析方法，用來檢查設計的安全以及危害的因果來源［2-5］。目前，HAZOP分析已成為HSE管理體系中的重要應用方法，也是工藝安全管理的重要手段。很多國家已將石油化工項目應用HAZOP分析作為防止重大事故發(fā)生的一個重要部分［6］。

在我國，隨著安全理念不斷深入人心，采用HAZOP分析方法成為企業(yè)提高裝置運行安全性與穩(wěn)定性的一種發(fā)展趨勢［7］。近年來，相關部門相繼頒布了多項規(guī)定。國家安全生產監(jiān)督總局提出“中央企業(yè)要在重點化工裝置生產過程中開展HAZOP分析”［8］；中國石油天然氣集團公司也在2010年頒布的《中國石油天然氣集團公司危險與可操作性分析工作管理規(guī)定》中要求對現(xiàn)役裝置進行HAZOP分析，并且要求5年執(zhí)行1次［9］；中國石油化工集團公司2013年發(fā)布的《中國石化危險與可操作性分析實施管理規(guī)定（試行）》通知也要求高含硫天然氣凈化工藝裝置和儲運系統(tǒng)的關鍵單元，至少每6年開展1HAZOP分析。

1.2分析流程

HAZOP分析需要將工藝流程圖或操作程序劃分為分析節(jié)點或操作步驟，然后選擇引導詞和工藝參數(shù)，建立有意義的偏差，識別出具有潛在危險的偏差，并對偏差原因、后果及控制措施等進行分析［10］。圖1為基于引導詞法的HAZOP分析流程圖。

圖1　HAZOP分析流程圖

2　三甘醇脫水裝置的HAZOP分析應用

2.1工藝流程

圖2為TEG脫水工藝流程圖，如圖2所示，從脫硫裝置來的壓力約為6.57 MPa、溫度約為41.7 ℃的濕凈化天然氣，自下部進入TEG吸收塔，自下而上與TEG貧液逆流接觸，天然氣中的飽和水被TEG吸收而脫除。脫除水分的天然氣出塔后經產品氣分離器分離出少量凝液后再經產品氣聚結器進一步分離，然后外輸。

從TEG吸收塔下部出來的TEG富液經塔底液位調節(jié)閥減壓后，先經TEG再生器富液精餾柱頂換熱盤管換熱，然后進入TEG閃蒸罐閃蒸，閃蒸出的閃蒸氣調壓后進入燃料氣系統(tǒng)用作工廠燃料氣。此后，TEG富液則先經過TEG預過濾器，再經過TEG活性炭過濾器和TEG后過濾器除去溶液中的機械雜質和降解產物。過濾后的富液經TEG貧/富液換熱器換熱后進入TEG再生器富液精餾柱。TEG溶液在TEG再生器中被加熱至200 ℃左右提濃再生。再生后的TEG溶液經精餾柱、緩沖罐進入TEG貧/富液換熱器中與過濾后的TEG富液換熱至80 ℃，再經循環(huán)泵增壓，然后經貧液冷卻器進一步冷卻至52 ℃，最后被送至吸收塔頂部完成吸收、再生循環(huán)的過程。

圖2　TEG脫水工藝流程圖

TEG富液再生產生的再生氣，在再生氣管道僅為保溫的情況下，增設TEG再生氣分液罐，然后經TEG再生氣分液罐分液后，由蒸汽噴射器送至尾氣處理裝置。

2.2分析準備工作

分析的準備工作包括：①確定分析目的及分析對象；②確定分析小組人員組成；③必要的資料收集；④資料整理及擬定分析順序；⑤安排會議［11］。通常，HAZOP分析小組由4～8人組成，包含組長、秘書、工藝工程師、設備工程師、儀表工程師、HSE工程師、操作技師和相關設計人員等。HAZOP分析是由各專業(yè)人員組成的專家小組以一系列會議形式基于引導詞來實現(xiàn)的定性分析方法［12］，其分析結果不僅受到分析小組成員的專業(yè)素質影響，還依賴于分析資料的完整性與準確性。此次分析中用到的資料包括：物料危害數(shù)據(jù)資料、裝置的工藝物料平衡圖（PFD圖）、工藝管線及儀表控制流程圖（PID圖）、裝置的平面布置圖、設備設計資料、自控及電氣設計資料和安全報警參數(shù)等。

2.3分析流程

2.3.1分析范圍

HAZOP分析的范圍是三甘醇脫水系統(tǒng)中濕凈化天然氣脫水部分、TEG富液閃蒸過濾部分、TEG溶液再生及再生氣部分、TEG溶液再生循環(huán)部分、TEG回收部分中包含的所有的管道、泵、換熱器、塔器、控制回路及閥門等。

2.3.2節(jié)點劃分

HAZOP分析節(jié)點的劃分一般按照工藝流程進行，主要考慮工藝單元的目的與功能、工藝單元的物料?；诖嗽瓌t，分析小組以PID圖為主要依據(jù)，對三甘醇脫水裝置進行節(jié)點劃分。通過分析可知，三甘醇脫水裝置從功能上可劃分為混合吸收、加熱過濾、再生循環(huán)等工藝部分。為了有效地進行HAZOP分析，結合裝置的具體情況，將整個脫水裝置劃分為5個分析節(jié)點，節(jié)點主要信息如表1所示。

2.3.3確定偏差

對于每一個節(jié)點，HAZOP分析小組以正常操作運行的參數(shù)為標準值，分析運行過程中參數(shù)的變動（即偏差）。這些偏差通過引導詞和參數(shù)引出［13］，即：偏差=引導詞+工藝參數(shù)。如濕凈化氣流量過高導致TEG吸收塔壓力升高，TEG閃蒸罐破裂泄漏導致物料泄漏，造成人員傷亡、火災爆炸事故等。

在天然氣凈化處理過程的不同階段中，均存在對人員身體健康、人員與設施安全和生態(tài)環(huán)境等不同程度和不同形式的影響和危害［14］。但針對不同的分析對象，由于其主要危險及有害因素不同，HAZOP分析重點往往不同。以脫水裝置為例，在該工藝單元的HAZOP分析中，需要重點關注管道、壓力容器因竄氣、超壓和腐蝕泄漏引發(fā)的潛在危險。此外，三甘醇循環(huán)泵、補充泵等設備存在噪聲危害，高溫管道和高溫設備存在燙傷危害，在分析時也應考慮到。

2.4評價風險等級

進行HAZOP分析的目的并不是找出系統(tǒng)可能出現(xiàn)的所有偏差，而是結合已有安全保護措施，分析偏差導致事故發(fā)生的概率及后果的嚴重程度。對任一節(jié)點的任一偏差，分別確定事故的后果等級和事故原因的頻率等級，然后通過風險矩陣圖就能確定該事故的風險等級［15］。結合評價結果，對系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)進行風險排序，從而確定分析結論中每項改進措施的“輕重緩急”。

表1　HAZOP分析節(jié)點劃分表

表2　事故概率等級劃分表

在本次HAZOP分析中，結合項目實際情況，考慮地理環(huán)境、人口密度、裝置選型等多重因素，采用如圖3所示的風險矩陣。

圖3　風險矩陣圖圖3　風險矩陣圖

其中，事故后果按照嚴重程度分為5個等級，涉及的因素包含人員傷亡、財產損失、環(huán)境影響等；事故發(fā)生概率也分為5個等級，具體劃分標準如表2、表3所示。

表3　事故后果等級劃分表

對于某一具體的危害事故，當確定了發(fā)生概率與后果嚴重程度，也就相應地得到了其風險等級（即R= L×S）。如某一事件每50年發(fā)生一次，可能造成2人死亡或者500萬元的直接經濟損失，則對應的L值取4，S值取3，故該事件風險等級為Ⅲ。在風險矩陣中，將風險等級劃分為Ⅰ～Ⅳ的4個等級，針對不同的風險等級應采取不同的風險削減措施，保證系統(tǒng)風險始終保持在可接受范圍內。具體做法可參照表4。

2.5HAZOP分析結果

HAZOP分析結果通常以分析記錄表的形式呈現(xiàn)，主要包括節(jié)點序號、節(jié)點描述、設計意圖、偏差、原因、后果、現(xiàn)有保護措施、風險分析、行動建議等內容。筆者將以產品氣聚結器為例，詳細闡述“產品氣流量低”這一偏差的HAZOP分析過程。假設產品氣流量過低，則可能的原因為產品氣聚結器堵塞，所造成的后果為聚結器液位上升、聚結器內部壓力升高等。圖4為產品氣聚結器的PID圖，如圖4所示，已有的保護措施包括液位指示報警裝置LIA109、差壓指示報警裝置PDIA105以及壓力安全閥PSV1306。經計算分析，原有安全系統(tǒng)等級偏低，為了防止該偏差造成上游產品氣分離器液位升高，壓力增大，嚴重時導致設備超壓損壞、氣體泄漏等不良后果，在已有保護措施的基礎上，建議在產品氣分離器上增加DCS（分布式控制系統(tǒng)）壓力指示裝置，提升安全等級。

表4　風險削減措施建議表

圖4　產品氣聚結器的PID圖

本次三甘醇脫水裝置HAZOP分析，著重對工藝流程安全、裝置運行安全、環(huán)境影響以及人生傷害等方面進行討論，在合理劃分節(jié)點的基礎上，共計開展有意義的偏差分析100余條，提出改進意見30余條。表5列舉了部分典型的分析結果。

表5　三甘醇脫水裝置HAZOP分析結果表

3　結論

通過對某天然氣凈化廠三甘醇脫水裝置進行HAZOP分析，系統(tǒng)識別了設計中潛在的漏洞，并通過提出相應的改進意見，削減了風險等級，為提升整個脫水工藝流程的安全性和可靠性提供了幫助。

1）在本次分析所獲得的100余條偏差中，后果風險等級為4的偏差0條，風險等級為3的8條，風險等級為2的26條，其余風險等級為1。后果風險等級較高（大于等于2）的原因，主要集中在：①因流量波動引起的設備超壓損壞；②因回路故障引起的設備超壓損壞；③因管線破裂引起的介質泄漏。因此，在對三甘醇脫水裝置進行HAZOP預分析時，應著重分析超壓和竄氣對系統(tǒng)造成的危害。

2）對比不同節(jié)點的HAZOP分析情況，發(fā)現(xiàn)風險等級較高（不小于2）的后果主要分布在濕凈化天然氣脫水部分（9條）、TEG富液閃蒸過濾部分（11條）和TEG溶液再生及再生氣處理部分（12條）。因此，在實際操作中，應著重分析相關管線和設備，尤其是TEG吸收塔、TEG閃蒸罐和TEG再生器。

3）由于三甘醇吸收塔液位控制及聯(lián)鎖失效時高壓氣會竄入低壓再生系統(tǒng)，受影響的低壓設備數(shù)量很多，危害相當嚴重。如當TEG吸收塔液位降低時，可導致濕凈化氣竄入下游設備，造成設備超壓損壞。因此，建議對三甘醇吸收塔及液位控制方案進行SIL評估，以保證裝置的安全性。

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（修改回稿日期 2016-07-06 編輯 何明）

HAZOP analysis on a TEG dehydration unit: A case study

Qiu Xingdong1， Huang Kun1， Chen Zhangbing2， Song Lingyan3
（1. School of Oil & Natural Gas Engineering， Southwest Petroleum Uniνersity， Chengdu， Sichuan 610500， China；2. Southwest Company of China Petroleum Engineering Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan 610041，China； 3. Beijing Company of China Petroleum Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100085， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 9， pp.123-128， 9/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

After over 40 years of development， Hazard and Operability Analysis （HAZOP）， as a safety assessment method to prevent major accidents， has been widely applied worldwide. Dehydration process is an indispensable section in natural gas purification， and its equipment reliability and process safety have gained more and more attention. In this paper， therefore， the safety status and potential risks of a TEG （triethylene glycol） dehydration unit were analyzed systematically by using HAZOP analysis. Firstly， the theoretical concept and application status of the HAZOP analysis method was introduced. Secondly， the working process and application situations of the HAZOP method were elaborated by taking the TEG dehydration unit （600×104m3/d） in a certain natural gas purification plant as an example. Thirdly， the technological hazard and operability problems of the TEG dehydration unit were identified for specified apparatus according to the design criteria. Fourthly， the risk level in different failure modes was assessed by using the risk matrix， and the corresponding improvement suggestions were put forward. And finally， the failure characteristics and risk assessment on all nodes of the TEG dehydration unit were summarized， and the considerations of HAZOP analysis in actual application were pointed out. This research result provides a reference for the HAZOP analysis of a TEG dehydration unit and other petrochemical equipments.

HAZOP； Safety assessment method； Natural gas purification； TEG dehydration； Node； Risk matrix； Failure patterns； Risk assessment

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.09.015

邱星棟，1991年生，碩士；主要從事油氣儲運安全工程、完整性評價技術等方面的研究工作。地址：（610500）四川省成都市新都區(qū)新都大道8號西南石油大學石油與天然氣工程學院。電話：18328082533。ORCID: 0000-0003-3156-6261。E-mail: qiuxingdong1017@163.com