HAZOP分析在3×100000Nm3/h O2空分裝置上的應用與研究

景宇富，何曉靚

（1.神華榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719300；2.西安西電電力電容器有限責任公司，西安 710082）

0 引言

現(xiàn)代科學技術和工業(yè)生產的迅猛發(fā)展，在豐富了人類物質生活的同時，也帶來了眾多的潛在風險因素。世界上每年都發(fā)生許多因存儲或使用易燃、易爆、有毒、有害物質而發(fā)生的燃燒爆炸或泄漏中毒事故，造成大批人員傷亡、大量財產損失或環(huán)境破壞。近來，隨著國家對能源企業(yè)安全生產的高度重視，對化工行業(yè)提出了更高的安全指標和要求，尤其是在風險預控方面，增加了危險因素的識別和鑒別環(huán)節(jié)，目的是在工藝流程的設計階段，優(yōu)化設計方案，增加保護措施，降低自身風險等級，實現(xiàn)本質安全。因此，能夠利用現(xiàn)有手段進行危險與可操作性的分析評估已經(jīng)成為整個行業(yè)的集體訴求。

1 HAZOP分析原理

1.1 概述

危險與可操作性分析（HAZOP，Hazard and Operability Analysis）于1974年由英國帝國化學工業(yè)公司首次提出，嚴格按照科學的程序和方法，從系統(tǒng)學的角度出發(fā)對工程項目或生產裝置工藝流程中潛在的危險因素進行預先的識別、分析和評價，分別提出生產裝置設計、操作和維修方案，并提出改進意見和建議，用以提高生產裝置工藝過程的安全性和可操作性，為制定基本的防災抗害措施和應急預案決策提供可靠依據(jù)，其主要目的是對生產裝置工藝流程的安全性和操作性進行技術設計審查。

1.2 分析原理

HAZOP分析是一個詳細的危險與可操作性問題的辨識過程，一種結構化的危險分析工具，對設計目的潛在偏離的辨識，對偏離原因的檢查和對偏離后果的評估，適用于項目詳細設計階段后期對操作設施進行檢查或者在現(xiàn)有設施做出變更時進行分析[1]。其核心是“引導詞檢查”，是對設計目的偏離的一個從容謹慎的調查。為了方便檢查，將系統(tǒng)進行細分，分割的方法是各個部分的設計目的都能被恰當?shù)亩x。選擇的大小可能依賴于系統(tǒng)的復雜程度和危險嚴重程度，其中復雜系統(tǒng)或高風險部分設計的范圍較小，簡易系統(tǒng)或低風險部分采用范圍擴大分析。系統(tǒng)給定部分的設計目的用于傳達基本特征和自然分割元件表示，被檢查的元件選擇在某些程度上依賴于主觀決定，其可能是過程或電氣系統(tǒng)等的控制系統(tǒng)、設備或組成中的一個過程，單獨的信號和設備元件中離散的步驟或階段。

1.3 分析方法

HAZOP分析方法可分為分析準備、討論分析、完成分析、編寫分析報告。其中，個別步驟可以根據(jù)業(yè)主和設計院的實際情況調整，具體步驟：第一步，資料準備，確定風險矩陣，會議組織，經(jīng)驗分享；第二步，分析組進行HAZOP討論分析；第三步，形成分析結果文件，提出整改措施；第四步，匯總偏差、原因、后果、安全保護和建議措施等內容。

1.3.1 分析準備

HAZOP分析準備在整個分析過程中占據(jù)著重要位置，其包括前期分析工作的組織、資料的準備以及整個會議的協(xié)調，主要是確定分析的目的、對象和范圍，評價組的構成，分析資料清單。

1.3.2 分析完成

HAZOP分析需要將工藝圖或操作程序劃分為分析節(jié)點或操作步驟，然后用引導詞找出過程中存在的風險，圖1為HAZOP分析流程圖。

分析組對每個節(jié)點或操作步驟使用引導詞進行分析，得到分析結果分別是：偏差的原因、后果、保護裝置、建議措施；需要更多的資料才能對偏差進行進一步分析；每個偏差的分析及建議措施完成之后，再進行下一偏差的分析；在考慮采取某種措施以提高安全性之前，應對與分析節(jié)點有關的所有危險進行分析[2]。

圖1 HAZOP分析流程圖Fig.1 HAZOP Analysis flowchart

1.3.3 分析報告

HAZOP分析完成后，結合風險矩陣及風險可接受標準，整理分析會議記錄，完善風險決策，確定SIF（安全儀表功能）回路，對需要增加安全儀表功能的控制點進行SIL（安全完整性等級）定級，整理識別當前風險已經(jīng)采取的降險措施，確定殘余風險，完成HAZOP分析報告，具體包括：HAZOP記錄表；LOPA（Layers Of Protection Analysis ,保護層分析）記錄表；SIL（Safety Integrity Level，安全完整性等級）計算表；SIS（Safety Instrumented System，安全儀表系統(tǒng)）說明書。

2 空分裝置的HAZOP分析應用

HAZOP分析以某國有大型煤化工新建3×100000Nm3/h O2空分裝置為分析實例，詳細介紹HAZOP分析的整個步驟、評論和結果。

2.1 工藝原理說明

圖2 空分裝置工藝流程圖Fig.2 Flow chart of air separation device

該空分裝置主要為煤氣化裝置提供8.5MPa（G）O2、為合成氣制乙二醇裝置和硫回收裝置提供0.7MPa（G）O2，并為煤氣化裝置、CO變換裝置、凈化裝置、硫回收裝置、甲醇合成裝置、合成氣制乙二醇裝置及其它生產裝置提供0.4 MPa（G）、0.85 MPa（G）、4.1 MPa（G）和8.1MPa（G）的N2，并且空氣增壓機一段抽取部分干燥空氣，做為全廠儀表空氣和工廠空氣氣源。其采用杭氧內壓縮制氧工藝包[3]，將過濾后的空氣進入空壓機加壓，進入到空冷塔和水冷塔冷卻，再進入到分子篩吸附器干燥，經(jīng)過空氣增壓機增壓，進入到主換熱器降溫，通過膨脹機膨脹端做功提高能量利用效率，進入到上、下塔和主冷冷卻降溫，最后通過過冷器液化得到主要的產品液氧和液氮，如圖2所示為整個空分裝置的工藝流程圖。其中空氣壓縮系統(tǒng)采用一拖二模式，即由一臺汽輪機同時拖動主空壓機和空氣增壓機。為節(jié)省水耗，空分裝置的主要耗水設備汽輪機表冷器采用空冷方式，空氣制動的中壓空氣增壓透平膨脹機為裝置提供冷量，膨脹后空氣進下塔，上下塔均采用規(guī)整填料，3套空分共用1套液氧、液氮后備系統(tǒng)，冷箱至液體貯槽管線采用真空管線保冷，其設備具備流程先進、技術成熟、運行安全可靠、操作方便、能耗低的特點，控制系統(tǒng)根據(jù)需要將具備自動變負荷、自啟動功能、快速變負荷等先進功能。

2.2 前期準備

HAZOP分析需要準確、完整的數(shù)據(jù)準備，確保整個分析過程的順暢以及分析結果的可靠詳實。此次分析過程涉及的資料主要包括工藝說明及操作規(guī)程、工藝流程圖（PFD）、管道和儀表流程圖（P&ID）、物料平衡圖、裝置及設備平面布置圖、聯(lián)鎖邏輯框圖、復雜控制回路圖、可燃及有毒氣體檢測器平面布置圖、安全儀表系統(tǒng)（SIS）規(guī)格書和壓縮機控制系統(tǒng)（CCS）規(guī)格書等。另外，通過借鑒國內同等規(guī)?？辗盅b置運行經(jīng)驗以及工藝參數(shù)，劃定評估分析合理的分析假設界限，預防“頭腦風暴”式的過度分析推演以及造成的分析結果過于復雜，提高風險評估分析的實用性和有效性。

2.3 風險矩陣標準

風險矩陣是對風險的可能性與嚴重性進行的概率統(tǒng)計，通過數(shù)理統(tǒng)計的方式進行風險的量化概率分析，進而判斷風險的可承受能力。此次HAZOP分析風險矩陣中后果分為人員傷害、財產損失、環(huán)境影響和聲譽影響等4類，每類后果按照其嚴重性從低到高依次分為5個等級，如表1所示為風險矩陣后果嚴重性等級劃分表。風險矩陣后果發(fā)生的可能性采用定性和半定量兩種分級形式，按照事故發(fā)生頻率從低到高依次分為6個等級，分別是：世界范圍內未發(fā)生過；世界范圍內發(fā)生過/石油石化行業(yè)內未發(fā)生過；石油石化行業(yè)發(fā)生過/世界范圍內發(fā)生過多次；系統(tǒng)內發(fā)生過/石油石化行業(yè)發(fā)生過多次；本企業(yè)發(fā)生過/系統(tǒng)內發(fā)生過多次；作業(yè)場所發(fā)生過/本企業(yè)發(fā)生過多次。

表2 風險矩陣表Table 2 Risk matrix table

2.4 風險矩陣確定

危害事件后果的可能性等級確定當有危害事件發(fā)生的頻率數(shù)據(jù)時，可采用半定量方法確定后果發(fā)生的可能性等級；無危害事件發(fā)生的頻率數(shù)據(jù)時，可采用風險矩陣中的定性描述，確定后果發(fā)生的可能性等級；對新工藝裝置（設施），可參照類比工藝發(fā)生事故的頻率進行后果發(fā)生的可能性等級判斷。在評估風險時，應分別評估人員傷害、財產損失、環(huán)境影響和聲譽影響4種風險，風險等級應取4種風險中的最高值，表2為風險矩陣表。

風險矩陣中可能性與嚴重性是一種相互制約的關系，可能性越高，嚴重性相對就較小，反之亦然。風險矩陣中風險可分為嚴重高風險、高風險、中風險和低風險4個等級。當風險處于E6、E5和D6區(qū)域時，如果發(fā)生人員死亡，則風險等級為高風險；當風險處于E3～E4、D4～D5和C5～C6區(qū)域時，如果發(fā)生人員死亡或財產損失、環(huán)境污染、聲譽影響等，則風險等級為高風險；當風險處于E1～E2、D2～D3、C3～C4、B5～B6區(qū)域時，如果發(fā)生財產損失、環(huán)境污染和聲譽影響，則風險等級為中風險；其它區(qū)域為低風險區(qū)。嚴重高風險和高風險的安全要求，對建設項目和科研開發(fā)的中試及放大裝置，應執(zhí)行嚴重高風險的安全要求，對在役裝置，企業(yè)應采取措施將風險降低到可接受風險區(qū)域。對不能及時消除的高風險，應提出充分的風險控制措施，并落實相應的責任人和完成時間，并確定風險可接受區(qū)域。中風險的安全要求，企業(yè)應按照實際情況，采取措施盡可能降低風險；當無法降低風險，企業(yè)應制定風險管理措施，防止風險進一步升級。低風險的安全要求，應按照業(yè)主HSE管理體系要求，保證其各項安全措施有效運行，防止風險進一步升級。

表1 風險矩陣后果嚴重性等級劃分表Table 1 Statement of severity classification of risk matrix consequences

2.5 HAZOP分析結果

該實例HAZOP分析選擇5個具有代表性的分析節(jié)點作為詳細分析的對象，表3為分析節(jié)點劃分和風險分析情況。表中羅列了節(jié)點描述、設計意圖、引導詞偏差、風險等級、保護措施和剩余風險等具體情況描述。節(jié)點1和2風險等級分別為C3、D3屬于中風險，通過在空壓機出口和空冷塔入口管線分別設置壓力高報壓力高高聯(lián)鎖停及開啟放空的聯(lián)鎖、增加2個安全閥SV13001/13002，剩余風險降為C1；通過在上塔T1602頂部設置PIAS16003壓力高報壓力高高聯(lián)鎖開啟放空聯(lián)鎖、增加2個安全閥PSV16203A/B，剩余風險降為D1。節(jié)點3～5風險等級為D4屬于高風險，通過采取相應的保護措施后，剩余風險降為D2，屬于中風險，需要進一步采取保護措施，將剩余風險降到低風險區(qū)域。

HAZOP分析為了降低節(jié)點回路的風險等級，實現(xiàn)風險預控的目的。HAZOP分析小組針對嚴重高風險、高風險和中風險區(qū)域節(jié)點回路，通過增加保護層、明確操作規(guī)范或提高設備安全等級等措施提出合理化建議措施，將剩余風險等級進一步降低到低風險區(qū)域，確保裝置安全運行，建議措施分別是：節(jié)點3，建議主冷碳氫化合物在線分析儀可在切換后對過濾器出口空氣中的碳氫化合物進行監(jiān)測，將剩余風險降為D1；節(jié)點4，建議將壓縮機潤滑油箱VES X1003000現(xiàn)場液位計LGL X1003001與遠傳液位指示LI1003000引壓線分開，將剩余風險降為D1；節(jié)點5，建議為壓縮機蒸汽側出口氣液分離器3個遠傳液位指示增加液位高聯(lián)鎖啟動凝液外送泵的聯(lián)鎖設置，增加液位高高2oo3聯(lián)鎖停壓縮機的聯(lián)鎖設置，將剩余風險降為D1。

3 結論

目前，HAZOP分析已經(jīng)廣泛應用于化工行業(yè)，尤其在大規(guī)模的空分制氧裝置上。本文以某國有大型煤化工新建3×100000Nm3/h O2空分裝置為例進行HAZOP分析，詳細介紹了整個風險分析的流程，以風險可接受標準為基礎確定了風險矩陣，進而劃分出不同等級的風險區(qū)域，通過細分分析節(jié)點的形式，逐一確認節(jié)點回路的風險等級，提出建議措施進行整改，提高整個空分裝置的安全等級，得出以下結論：

表3 節(jié)點劃分與風險分析Table 3 Node division and risk analysis

1）HAZOP分析是必要的。該空分裝置屬于易燃易爆易窒息的高危環(huán)境，由于特殊的工藝流程，要求成套供應商在設計階段必須充分考慮現(xiàn)場的操作環(huán)境，采取必要的安全措施降低工藝自身的風險等級，實現(xiàn)工藝設計的本質安全要求。

2）HAZOP分析是有效的。通過此次HAZOP分析，發(fā)現(xiàn)了40余項不同風險等級的潛在風險因素，經(jīng)過節(jié)點的劃分詳細羅列出現(xiàn)有風險等級的保護層，進行合理化建議措施，降低風險等級到低風險區(qū)域，有效滿足了業(yè)主及設計院的安全訴求。

3）HAZOP分析是有局限性的。在此次HAZOP分析過程中，存在局部過度分析的情況，影響到分析工作的正常進行，通過雙方溝通協(xié)商明確分析的界限和范圍，確保了分析質量和分析進程。