淺析精細化工裝置HAZOP 技術和工藝危害控制技術的應用

魏月琴

上海誼超化工咨詢有限公司 （上海 200233）

精細化工是以基礎化學工業(yè)生產的初級或次級化學品、生物質材料等為起始原料，進行深加工而制取具有特定功能、特定用途、小批量、多品種、附加值高和技術密集的產品的行業(yè)。精細化工行業(yè)的發(fā)展受到世界各國的重視，目前已成為我國化工產業(yè)發(fā)展的重要方向之一；但是，與發(fā)達國家相比，我國大部分精細化工企業(yè)規(guī)模比較小，整體技術水平偏低，生產過程控制技術落后，自動化和智能化程度低，安全可靠性不高，生產過程往往承載著很大的安全生產風險。近年來，我國發(fā)生了多起精細化工企業(yè)的安全生產事故，造成了嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。

在設計、建設和運行階段，采用合適的工藝危害分析技術對精細化工裝置進行分析，并根據(jù)結果采取有效的控制措施，同時利用自動化、智能化設備監(jiān)測生產過程，對預防事故發(fā)生，確保工藝安全、生產安全尤為重要，也越來越得到重視和認可。

1 精細化工行業(yè)HAZOP 技術的應用

1.1 HAZOP 技術簡介

危險與可操作性分析（HAZOP）技術主要研究生產裝置的工藝部分或操作步驟，分析過程以引導詞為引導，對過程中工藝狀態(tài)的變化（偏差）加以確定，找出生產裝置及過程中存在的危害，分析產生偏差的原因，評估風險等級，提出可接受風險標準的安全控制措施。常用于HAZOP 分析的工藝參數(shù)包括溫度、壓力、流量、液位、攪拌速率等，常用的引導詞有無、多、少、高、低等；精細化工生產裝置有間歇、半間歇式生產方式，遇到這種情況時需要考慮操作步驟的影響，相關的引導詞有早、晚、先、后等。

HAZOP 技術是在我國尤其是化工行業(yè)得到廣泛推廣和應用的一種工藝危害分析技術，對于識別、分析和消除精細化工生產過程潛在危險，降低安全風險水平，保證安全生產起到了非常重要的作用。國家相關部門多次發(fā)文，要求化工企業(yè)要定期采用包括HAZOP 在內的工藝危害分析技術進行風險辨識分析，對涉及重點監(jiān)管危險化學品、重點監(jiān)管危險化工工藝和危險化學品重大危險源（以下統(tǒng)稱“兩重點一重大”）的生產裝置，要采用HAZOP 技術每3 年進行一次工藝危害分析。

1.2 HAZOP 技術在精細化工生產中的應用

HAZOP 技術在精細化工生產裝置的設計、試生產、運行、工藝變更、退役等各階段都可以使用，尤其適用于識別系統(tǒng)缺陷。

1.2.1 HAZOP 分析準備工作

在采用HAZOP 技術對精細化工生產裝置實施工藝危害分析前，需要進行充分的準備工作，主要包括以下幾方面。

（1）組建HAZOP 分析小組，明確小組成員的分工和職責。分析小組要選擇一位訓練有素、富有經(jīng)驗的組長，小組成員應具有HAZOP 技術運用經(jīng)驗。

（2）收集HAZOP 分析所需資料?；举Y料包括：帶控制點工藝流程圖（P&ID），裝置設備和管道布置圖，操作規(guī)程，設備說明書。

（3）確定分析范圍和目標，劃分分析節(jié)點。對于連續(xù)的工藝操作過程，HAZOP 分析節(jié)點為工藝單元；而對于間歇操作過程，HAZOP 分析節(jié)點為操作步驟。首先研究分析出帶有危險因素的工藝單元或操作步驟，再將它們劃分為若干個便于分析的節(jié)點。

1.2.2 HAZOP 技術實踐應用

以某精細化工裝置的氧化單元為例來介紹HAZOP 技術在實踐中的應用。該精細化工裝置連續(xù)性生產，主要工藝單元分為原料預處理、氧化反應、吸收精制等。通過分析設計意圖，將氧化單元作為1個節(jié)點進行HAZOP 分析。

氧化單元主要工藝流程為：反應氣A（易燃氣體）、空氣和循環(huán)尾氣混合后進入氧化反應器，反應后氣體（易燃、具有腐蝕性）經(jīng)冷卻后進入下一工藝單元。氧化反應器中發(fā)生氧化反應，反應放熱，該工藝屬于重點監(jiān)管危險化工工藝“氧化工藝”。

氧化單元的主要生產設備包括反應氣A 緩沖罐、反應氣A 蒸發(fā)器、空氣預熱器、循環(huán)氣預熱器、熱媒鹽罐、反應物料混合器、氧化反應器、熱媒鹽循環(huán)泵、熱媒鹽冷卻器，以及設備之間的連接管線、閥門等。

確定需要考慮的參數(shù)，包括壓力、溫度、液位、流量，概念性參數(shù)包括腐蝕、泄漏、異常等。將每一個參數(shù)與引導詞組合形成可能的偏差，如“氧化反應器溫度高”。識別事故發(fā)生的原因，以氧化反應器為例，其溫度高的原因包括：熱媒鹽溫度控制回路故障，導致熱媒鹽管線閥門關閉或關??；熱媒鹽冷卻器液位儀表故障，導致循環(huán)冷卻水管線閥門關閉或關??；熱媒鹽循環(huán)泵故障；反應器溫度監(jiān)測儀表故障等。分析可導致的事故后果：氧化反應器溫度上升，嚴重時，反應飛溫，反應器壓力迅速上升，反應器爆炸。經(jīng)評估，事故風險程度為“高”。需要指出的是，考慮事故風險等級（包括事故后果和發(fā)生頻率）時，應先評估未采取任何安全控制措施的固有風險等級，再考慮采取安全控制措施后的剩余風險等級。

針對氧化反應器溫度控制，已采取的安全措施包括：設置溫度高、低限報警；溫度監(jiān)測與熱媒鹽管線閥門開度聯(lián)鎖；設置溫度超高、超低限聯(lián)鎖停車；溫度監(jiān)測儀表的冗余設置。為了進一步降低該風險，提高溫度監(jiān)測和控制的準確度，建議縮短儀表校準和控制、聯(lián)鎖回路的調試周期。

針對氧化反應器溫度的HAZOP 分析結果如表1 所示。

2 精細化工行業(yè)工藝危害控制技術

隨著計算機技術的不斷進步，為了提高精細化工生產的本質安全水平，實現(xiàn)對生產過程的精準化控制，使生產過程實現(xiàn)自動化、智能化，通過自動檢測和控制，監(jiān)測生產過程的運行，消除、減少工藝危害，設置生產工藝過程的自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)成為最可靠和有效的工藝危害控制技術。

自動化控制系統(tǒng)是指用一些自動控制裝置對生產中某些關鍵參數(shù)進行自動控制，使它們在因受到外界干擾(擾動)的影響而偏離正常狀態(tài)時，能夠自動地調節(jié)而回到工藝所要求的數(shù)值范圍內。目前，精細化工行業(yè)主要使用的自動化控制系統(tǒng)從功能上可以分為兩大類。

（1）過程控制系統(tǒng)，如分散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程邏輯控制器（PLC）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA），主要用于對生產過程的測量和控制，也可實現(xiàn)部分安全聯(lián)鎖保護功能。

（2）過程安全保護系統(tǒng)，如緊急停車系統(tǒng)（ESD）、安全儀表系統(tǒng)（SIS）。當生產過程出現(xiàn)異常時，可迅速進行干預，降低事故發(fā)生的可能性，保障生產安全。過程安全保護系統(tǒng)的安全等級比過程控制系統(tǒng)要高。

近年來，國家越來越重視精細化工裝置工藝安全控制，多個文件中規(guī)定精細化工生產裝置應配置自動化控制系統(tǒng)，對工藝復雜、危險性大、可能造成嚴重危害的生產裝置還應設置SIS、ESD 等。如中華人民共和國應急管理部（原國家安全生產監(jiān)督管理總局）公布了18 種重點監(jiān)管危險化工工藝，在《首批重點監(jiān)管的危險化工工藝安全控制要求、重點監(jiān)控參數(shù)及推薦的控制方案》（2009 年）、《第二批重點監(jiān)管的危險化工工藝安全控制要求、重點監(jiān)控參數(shù)及推薦的控制方案》（2013 年）中對工藝安全控制作出了明確要求。

表1 氧化反應器溫度HAZOP 分析記錄表

在自動化控制系統(tǒng)設計和實際運行中，應注意以下幾方面：

（1）采用危險化工工藝的新建生產裝置要由甲級資質化工設計單位進行設計。

（2）要明確控制系統(tǒng)過程安全要求、設計意圖和依據(jù)。根據(jù)工藝特點和工藝危害分析結果，確定重點監(jiān)控的工藝參數(shù)、控制回路?？刂葡到y(tǒng)需要采用容錯和冗余設計。

（3）ESD 系統(tǒng)、SIS 系統(tǒng)應獨立于過程控制系統(tǒng)（如 DCS、PIC）。

（4）對工藝過程所需安全儀表系統(tǒng)的功能性和完整性進行評估，根據(jù)評估結果選擇相應等級的儀表、元件等。

（5）加強過程報警管理，制定企業(yè)報警管理制度并嚴格執(zhí)行。

（6）制定控制系統(tǒng)的管理方案和定期檢驗測試計劃，并嚴格執(zhí)行。

另外，在確定裝置自動化程序的高低時，原則上應由裝置的運行要求及其技術經(jīng)濟性、可行性確定，如使裝置安全平穩(wěn)、經(jīng)濟運行，生產質量合格的產品，產量滿足裝置負荷要求。

3 結語

對于精細化工生產過程來說，加強工藝過程危害的識別、評估與控制，是實現(xiàn)安全生產的關鍵因素。采用HAZOP 技術對工藝流程和操作步驟可能出現(xiàn)的偏差及其原因進行分析，并根據(jù)分析結果采取有效的工藝控制方案，促進精細化工生產裝置自動化、智能化建設，是切實提高精細化工生產過程安全水平的有效途徑。