基于HAZOP和SAFETI的液氨泄漏風險評估

王大震

(首都經(jīng)濟貿(mào)易大學 管理工程學院，北京 100070)

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟快速發(fā)展，化工工業(yè)在社會各級逐步發(fā)展，化工企業(yè)正逐漸向著鞏固設備、提升效率、裝置智能化、技術(shù)整合化等方面邁進，以確保能源的可持續(xù)利用，確保社會環(huán)境文明的健康發(fā)展和工業(yè)經(jīng)濟的平穩(wěn)發(fā)展，因此對化工技術(shù)和生產(chǎn)條件的要求也在穩(wěn)步上升。一般來說，化工企業(yè)中多數(shù)化學品都具有一些危險特性，會造成十分嚴重的后果，例如易燃、易爆、有毒或易腐蝕等，其技術(shù)要求、生產(chǎn)條件通常伴隨著高溫、高壓等，因此需要對化工企業(yè)的風險進行評估和防控，以避免或降低對企業(yè)造成災難性后果的可能[1]。

化工企業(yè)使用風險評估方法來評估生產(chǎn)技術(shù)流程是確保系統(tǒng)安全運行的重要方法。目前，國內(nèi)外學者們已經(jīng)提出了多種安全分析和評價方法，例如故障樹分析(FTA)、事件樹分析(ETA)、預先危險性分析(PHA)、危險與可操作性分析(HAZOP)、安全檢查表分析技術(shù)(SCL)、故障類型和影響分析(FMEA)、帝國化學公司蒙德法和道化學公司法等。其中HAZOP是一種高度專業(yè)化、結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的定性安全評價方法[2]。它可以把某一系統(tǒng)視為連續(xù)的過程，分析該系統(tǒng)運行中的變量波動情況，判斷其中未知的危險，并識別導致該危險的因素及可能造成的危險后果，在風險評估工作中被廣泛應用。

本文將HAZOP分析和SAFETI軟件相結(jié)合，對注氨過程進行了風險分析，全面分析系統(tǒng)的操作危險性并進行精確量化，風險評估結(jié)果更具有實踐和理論意義。

1 風險評估方法

在化工企業(yè)中，不同的系統(tǒng)采用的風險評估方法不同。儲罐系統(tǒng)相對于其他化學工藝而言，風險影響因素更繁雜，環(huán)境也更惡劣，人為破壞風險高且易受侵蝕。此外，儲罐系統(tǒng)儲存的化學物質(zhì)大多危險性較高，造成傷害較強，一旦發(fā)生意外泄漏，極可能發(fā)生火災、爆炸等事故，造成人員中毒、傷亡等，還伴隨著不可估量的財產(chǎn)損失，對周邊的環(huán)境也有巨大的影響，所以選取合適的風險評估方法尤為重要。

1.1 危險可操作性分析(HAZOP)方法

HAZOP分析能從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，識別出存在的設計缺陷和潛在風險以及流程中的操作性問題。它可以把某一系統(tǒng)視為連續(xù)的過程，分析該系統(tǒng)運行中的變量波動情況，判斷其中未知的危險，并識別導致該危險的因素及可能造成的危險后果。

在進行HAZOP分析時，首先需要確定分析對象，即風險評估系統(tǒng)，了解并掌握工藝流程圖(PID)和工作原理，之后對系統(tǒng)進行劃分，得出多個合理的分析節(jié)點，再引入引導詞，結(jié)合每個節(jié)點的工藝參數(shù)，識別出可能存在的工藝參數(shù)波動。將不同引導詞結(jié)合各個工藝參數(shù)，就可以得出多個偏差。在此之后，對每個節(jié)點進行依次分析，結(jié)合不同的工藝參數(shù)指標，對這些偏差產(chǎn)生的原因、后果進行綜合分析，并提出應采用的管控措施。在采用HAZOP分析方法時，總體把握整個系統(tǒng)運作之后，要識別全流程中各節(jié)點的參數(shù)變化，并分析這些變化對整個系統(tǒng)帶來的影響。此外，需要假設企業(yè)原有的安全防護和監(jiān)管設施都處于失效的狀態(tài)，分析所有潛在的風險后果，并對其危險性進行評價[3]。HAZOP引導詞及含義，見表1。

表1 HAZOP引導詞及含義

1.2 SAFETI程序

危險可操作性分析(HAZOP)在風險評估中具有一定的不足。偏差具有模糊性、評價結(jié)果存在不準確性，而且分析過程的可操作性不足，采用HAZOP分析和SAFETI模擬相結(jié)合的方法。SAFETI的流程，如圖1。

SAFETI安全軟件包是由挪威船級社(DNV)公司開發(fā)的，用于定量風險分析和危險性評價。它可以模擬物質(zhì)的釋放、擴散過程，并通過在選擇特定事故情況(如設備斷裂、泄漏或管道破裂等)時，指定某些技術(shù)參數(shù)，從而得出其影響范圍和傷害程度；最后，事故的風險值可通過將該事件發(fā)生的概率與事件發(fā)生后果的風險值結(jié)合來計算[4]。

圖1 SAFETI模擬流程圖Fig.1 SAFETI simulation flow chart

2 液氨制冷系統(tǒng)工藝流程的風險識別

2.1 液氨制冷系統(tǒng)工藝流程

本文研究對象為某化工廠液氨制冷系統(tǒng)的儲罐。液氨制冷循環(huán)中，蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和節(jié)流閥是不可或缺的4大部分，通過管道連接為一個封閉循環(huán)系統(tǒng)，工作原理，如圖2。

圖2 液氨制冷工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of liquid ammonia refrigeration

在整個液氨制冷系統(tǒng)中，氨壓縮機作為輸入功的設備，主要用于輸送制冷劑蒸汽，還要確保蒸發(fā)器處于低壓運行狀態(tài)、冷凝器處于高壓運行的狀態(tài)；蒸發(fā)器是往向外傳輸冷量的設備，主要利用制冷劑在低溫低壓下蒸發(fā)來吸收外界熱量來達到制冷的效果；冷凝器是釋放熱量的設備，高壓狀態(tài)下，制冷劑蒸汽把從蒸發(fā)器吸收的熱量和壓縮功轉(zhuǎn)化的熱量共同傳遞給冷卻介質(zhì)，冷凝成較高溫度的液體；節(jié)流閥將經(jīng)過冷凝器冷凝的制冷劑液體進行節(jié)流降壓，并釋放進入蒸發(fā)器。在這一步通過控制和調(diào)節(jié)制冷劑的流量，可將系統(tǒng)分為高壓側(cè)和低壓側(cè)2部分。當然，為了增加系統(tǒng)的經(jīng)濟性、安全性和可靠性，在實際的制冷系統(tǒng)中還增加了很多輔助設備，例如氣液分離器、油分離器、油冷卻器、空氣分離器、貯液器、集油器、過濾器以及安全附件、閥門等。液氨冷卻時，從蒸發(fā)器中釋放出來的低溫氨蒸汽會首先進入壓縮機變?yōu)楦邷馗邏旱倪^熱蒸汽，隨后進入冷凝器。由于高溫高壓過熱氨氣的溫度高于其所處的環(huán)境介質(zhì)溫度，且壓力能使氨氣從冷凝變成液體狀態(tài)，因而排至冷凝器時，氨氣經(jīng)冷卻、冷凝成為高壓常溫的氨液。生成的高壓常溫氨液通過節(jié)流閥時，因節(jié)流而壓力降低。與此同時，氨液因沸騰蒸發(fā)吸熱使本身的溫度也相應下降，最終變成了低壓低溫的氨液。只要再把這種低壓低溫的氨液引入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)，即可使其周圍空氣及物料的溫度下降，從而達到制冷的目的。從蒸發(fā)器出來的低壓低溫氨氣再重新進入壓縮機，從而完成一個制冷循環(huán)。重復進行上述過程即可達到制冷的效果。在這個過程中冷卻水是不可缺少的，在帶走冷凝器放出的熱量后再到循環(huán)水冷卻塔完成重新冷卻，循環(huán)使用[5]。

2.2 液氨制冷系統(tǒng)HAZOP分析

在采用HAZOP方法研究液氨制冷系統(tǒng)時，以液氨儲罐、氨壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、閥門和管道為節(jié)點，采用的偏差，見表2。

表2 HAZOP組成的偏差

3 風險分析

該化工企業(yè)液氨制冷系統(tǒng)存在多種安全隱患，本文以液氨泄漏事故為研究對象，做出以下分析。

3.1 液氨泄漏事故可能性分析

液氨制冷系統(tǒng)泄漏部位多，泄漏形式多樣，對液氨制冷系統(tǒng)中可能發(fā)生氨泄漏的部位有管道、閥門、儲罐、接頭等。根據(jù)HAZOP分析的偏差選擇，結(jié)合可能發(fā)生氨泄漏的部位，討論分析得出氨泄漏事故的結(jié)果與原因，見表3。

表3 氨泄漏結(jié)果與原因分析

若液氨制冷系統(tǒng)中發(fā)生泄漏事故，可能會是部分管徑泄漏、全管徑泄漏和罐體局部泄漏，導致其發(fā)生的原因有儲罐破裂、管道破裂、閥門失效和接頭損壞等。

3.2 液氨泄漏事故后果分析

事故后果的模擬分析過程采用SAFETI軟件來進行。建立事故模型，本文的模擬對象為罐體發(fā)生泄漏的液氨儲罐。

(1)確定模擬參數(shù)。

泄漏對象：壓力容器；泄漏物料：AMMONIA(氨)，儲量為160kg；溫度為28℃；壓力為3MPa；泄漏高度：2m；泄漏孔徑：13mm；擴散距離：30、60、90m等3種。

氣候條件：天氣1：風速2m/s，大氣穩(wěn)定度D級(中性)；天氣2：風速5m/s，大氣穩(wěn)定度C級(中度不穩(wěn)定)。

(2)事故模擬及分析。

圖3、4給出了泄漏擴散側(cè)視圖和俯視圖。

圖3 泄漏擴散側(cè)視圖Fig.3 Side view of leakage diffusion

圖4 泄漏擴散俯視圖Fig.4 Top view of leak diffusion

在上述情況下液氨泄漏事故發(fā)生時順風方向的氨擴散范圍和最大順風距離。為了不對周邊的人員造成任何傷害，在天氣1的條件下，隔離距離應不小于50.6m，隔離寬度(以泄漏位置所在中心線為中點)應不小于18.4m，隔離高度應不低于11.5m；在天氣2的條件下，隔離距離應不小于22m，隔離寬度應不小于12m，隔離高度應不低于8.7m。

圖5給出了泄漏毒性死亡概率圖。在上述情況下液氨泄漏事故發(fā)生時順風方向的毒性致死率分布。最高致死率發(fā)生于天氣1時順風距離25m無建筑物空曠的位置，概率可高達0.58%。其次是天氣1時順風距離25m建筑物內(nèi)且通風的位置，概率為0.1%。

圖5 泄漏毒性死亡概率圖Fig.5 Probability diagram of leakage toxicity death

在天氣2的條件下，由于風速過大，泄漏的氨氣擴散速度會非?？欤潞舛葴魰r間也相對較短，從而使得致死率極低，可忽略不計。

4 風險評估結(jié)果及管控措施

4.1 風險評估結(jié)果

在該化工企業(yè)的液氨制冷系統(tǒng)工作過程中，可能會發(fā)生多種氨泄漏事故，導致人員中毒或傷亡。其中最主要原因是儲罐罐體的破裂或管路、設備的故障問題。其次，如果風險監(jiān)察裝置(如壓力表、溫度計、氨泄漏檢測裝置等)沒有配備或失效，也會導致無法及時發(fā)現(xiàn)氨氣泄漏，從而導致人員中毒或傷亡。

當儲罐發(fā)生氨泄漏后，不同的天氣條件和地理環(huán)境導致的傷害結(jié)果不同，造成的損失也不同。在上述模擬條件時，應安排如下應急行動：

(1)天氣1(風速2m/s，大氣穩(wěn)定度D級)發(fā)生儲罐氨泄漏事故，人員應盡快疏散至順風方向50.6m以外，隔離寬度大于18.4m，隔離高度大于11.5m。

(2)天氣2(風速5m/s，大氣穩(wěn)定度C級)發(fā)生儲罐氨泄漏事故，人員應盡快疏散至順風方向22m以外，隔離寬度大于12m，隔離高度大于8.7m。

管道、閥門或接頭處發(fā)生泄漏事故也是同理。

4.2 管控措施

根據(jù)上述風險評估過程，化工企業(yè)在安全管理方面需要做到以下幾點。

(1)液氨泄漏事故最主要原因是儲罐罐體的破裂或管路、設備的故障問題。風險監(jiān)察裝置(如壓力表、溫度計、氨泄漏檢測裝置等)沒有配備或失效是第二原因。儲罐需要設置壓力表，現(xiàn)場設置壓力指示高報警器；儲罐設置溫度計，現(xiàn)場設置溫度指示高報警器；儲罐設置液位計，現(xiàn)場設置液位指示高報警器；液氨系統(tǒng)設置多個安全閥，并且可以由工作人員遠程控制；現(xiàn)場設置自動噴淋系統(tǒng)、液氨泄漏檢測裝置等。制定嚴格的設備管理制度，定期檢查、維修罐體和管路設備等，也要核查監(jiān)督儀器(如壓力表、噴淋頭等)的功能。

(2)定期開展員工培訓及考核，增強安全意識，且確保其有充足的安全知識和獨立解決部分應急事件的能力。制定嚴格的監(jiān)管制度，按時安排安全專員對現(xiàn)場進行抽檢，避免人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)的存在。定期開展安全演練，提高員工的安全意識和應急防護能力。

(3)制定液氨儲罐泄漏應急預案。如果在該廠區(qū)發(fā)生液氨儲罐泄漏事故，一定要首先注意此時的風向及風速等自然條件。企業(yè)要在事故發(fā)生的第一時間，啟動應急方案，組織人員盡可能地沿逆風方向撤離和疏散，同時要清楚地了解需要撤離的安全距離；若附近有較高的地形或建筑，需要注意安全高度。此外，要確保致傷率、致死率高的區(qū)域沒有人員的存在。

5 結(jié)論

(1)采用HAZOP和SAFETI工具分析液氨泄漏風險。液氨泄漏的最主要原因是儲罐罐體的破裂或管路、設備的故障問題。風險監(jiān)察裝置(如壓力表、溫度計、氨泄漏檢測裝置等)沒有配備或失效，也會導致無法及時發(fā)現(xiàn)氨氣泄漏。

(2)運用SAFETI軟件進行事故模擬。通過設定參數(shù)值與環(huán)境條件，對不同的事故后果做直觀地定量地把握。當風速2m/s，大氣穩(wěn)定度D級時，發(fā)生儲罐氨泄漏事故，人員應盡快疏散至順風方向50.6m以外，隔離寬度大于18.4m，隔離高度大于11.5m；當風速5m/s，大氣穩(wěn)定度C級時，發(fā)生儲罐氨泄漏事故，人員應盡快疏散至順風方向22m以外，隔離寬度大于12m，隔離高度大于8.7m。

(3)風險管控措施要依據(jù)風險評估結(jié)果進行針對性改進，液氨泄漏應急預案要依據(jù)風險評估結(jié)果進行針對性的編制。