HAZOP分析在空分裝置風險分析運用的研究

邢文俊(盈德氣體(上海)有限公司，上海 200137)

0 引言

《危險化學品企業(yè)安全風險隱患排查治理導則》(應急〔2019〕78號)中規(guī)定：“2.4企業(yè)應對涉及“兩重點一重大”的生產(chǎn)、儲存裝置定期開展HAZOP分析”及“3.2.3企業(yè)對涉及“兩重點一重大”的生產(chǎn)、儲存裝置運用HAZOP方法進行安全風險辨識分析，一般每3年開展一次；對涉及“兩重點一重大”和首次工業(yè)化設計的建設項目，應在基礎設計階段開展HAZOP分析工作”。明確提出需要對空分裝置開展HAZOP分析后，政府執(zhí)法、企業(yè)運營對HAZOP分析的重視也在逐步提高[1-2]。但是目前更多的是從氧槽作為重大危險源的角度分析為主，對于空分自身工藝的分析不是很充分。

文章在詳細設計階段通過對新建空分裝置進行HAZOP分析，從設計源頭上嚴格分析，避免事故產(chǎn)生，進而保障空分裝置的穩(wěn)定運行。

1 空分裝置簡介

空分裝置是用來把空氣中的各組分氣體分離，分別生產(chǎn)空氣組分的氧氣、氮氣、氬氣等氣體的一套工業(yè)設備裝置。通常采用深度冷凍空氣分離技術，以空氣為原料，通過壓縮循環(huán)深度冷凍的方法把空氣變成液態(tài)，經(jīng)過低溫精餾根據(jù)不同沸點而從液態(tài)空氣中逐步分離生產(chǎn)出氧氣、氮氣及氬氣等惰性氣體的設備，廣泛應用于傳統(tǒng)的冶金、化工以及半導體器件制造等領域。

低溫精餾法是先將空氣冷卻至液化，然后在不同的沸騰溫度下選擇性地蒸餾成分。該工藝可以生產(chǎn)高純度氣體，能耗高。低溫分離過程要求熱交換器和分離塔緊密結合，以獲得良好的效率，所有制冷能量都由裝置入口的空氣壓縮機提供。為了達到較低的精餾溫度，利用膨脹機獲取大的等熵膨脹制冷量將空氣液化，并且冷設備必須保持在一個絕緣的外殼內(通常稱為“冷箱”)。自空壓機來的壓縮空氣，經(jīng)空氣預冷系統(tǒng)預冷凈化，分子篩除去水分、二氧化碳、碳氫化合物等雜質后，一部分空氣被直接送往精餾塔的上塔，另一部分則進入膨脹機經(jīng)膨脹制冷后被送往下塔。精餾塔中，上升蒸汽和下落液體經(jīng)熱量交換后，在上塔的頂部可得到純度很高的氮氣，在上塔底部可得到純度很高的氧氣。一般包括以下七個系統(tǒng)：

(1)壓縮系統(tǒng)：空氣壓縮系統(tǒng)包括空氣入口過濾器、空壓機、空壓機級間冷卻器、空壓機放空消音器等。(2)預冷系統(tǒng)：空氣預冷系統(tǒng)包括水冷塔、空冷塔、水泵、冷凍機等。(3)純化系統(tǒng)：分子篩純化系統(tǒng)包括分子篩吸附器、氮氣放空消音器等。(4)換熱系統(tǒng)：空分換熱系統(tǒng)包括主換熱器、過冷器等。(5)精餾系統(tǒng)：空分精餾系統(tǒng)包括精餾塔、冷凝蒸發(fā)器等。(6)產(chǎn)品送出系統(tǒng)：產(chǎn)品送出系統(tǒng)包括調壓站、計量站等。(7)液體儲存后備系統(tǒng)：后備系統(tǒng)包括液體儲罐、氣體儲罐、液體蒸發(fā)器等。

2 HAZOP分析過程

HAZOP是一種以系統(tǒng)工程為基礎、針對化工裝置而開發(fā)的定性的危險性分析方法。HAZOP用來識別和評估工藝過程安全方面的危險以及操作性問題，確切的說它是對生產(chǎn)工藝系統(tǒng)危險性與可操作性進行嚴格檢查的一種風險分析方法[3]。

HAZOP的基本步驟有：將工藝圖劃分節(jié)點，確定需要討論的偏差，逐項分析得到詳細偏差、原因、后果、現(xiàn)有保護措施、建議措施的結果。

3 基于HAZOP的某空分裝置危險性分析

結合P&ID圖紙及工藝流程，將HAZOP分析分為空氣壓縮及預冷系統(tǒng)、分子篩系統(tǒng)、膨脹機系統(tǒng)、高低壓換熱器、精餾塔系統(tǒng)、氧儲槽及后備系統(tǒng)、氮儲槽及后備系統(tǒng)、氬儲槽等節(jié)點。以流量相關的偏差為例，HAZOP的分析結果如下。

3.1 空氣壓縮及預冷系統(tǒng)

(1)偏差：無/少流量，即常溫水或低溫水進空冷塔流量低或無。由常溫水泵或低溫水泵故障不上量造成，會導致進分子篩的空氣溫度高，分子篩吸附二氧化碳、水能力降低，長時間會導致二氧化碳、水穿透分子篩進入冷箱，堵塞主換熱器，影響生產(chǎn)。屬于高風險，采取的保護措施為：出空冷塔設置有溫度點報警、分子篩后有在線二氧化碳分析儀高高延遲聯(lián)鎖空壓機卸載、常溫水泵設置有流量低起泵聯(lián)鎖，低溫水泵設置有流量低起泵聯(lián)鎖。削減后風險屬于低風險，建議出空冷塔溫度點增加溫度高高延遲停車聯(lián)鎖。

(2)偏差：多流量，即空氣出空冷塔流速大。原因是在開車時，人工操作往冷箱倒氣速度過快，導致短時間流速過快。從而使得空氣攜帶水分過大，超過分子篩的吸附能力，導致水分穿透分子篩，水分進入冷箱，堵塞主換熱器，影響生產(chǎn)。屬于高風險，采取的保護措施為：空冷塔設置有壓差高報警、分子篩后有在線二氧化碳分析儀高高延遲聯(lián)鎖空壓機卸載。削減后風險屬于低風險。

(3)偏差：逆流，即空壓機出口空氣逆流。因空壓機故障停機時放空閥未打開導致，會造成空壓機出口高壓空氣逆流，空壓機倒轉，損壞機組，進而造成財產(chǎn)損失。屬于高風險，應將空冷塔去水冷塔管線由手動閥改為自動控制，在空壓機跳車后閥門規(guī)定時間內未打開，則打開另一閥門進行泄壓。削減后風險屬于較高風險，建議前空分裝置檢修周期為1次/年，檢修時對放空閥進行維護。

(4)偏差：錯流，即水冷塔溢流管線有氮氣排出。原因是水冷塔液位控制回路故障，補水閥關閉，低溫水泵繼續(xù)運行，導致液位過低，如果有人員出現(xiàn)可能導致人員窒息。屬于高風險，采取的保護措施為：巡檢人員佩戴四合一報警儀、溢流管線處于開放空間。削減后風險屬于低風險。

3.2 膨脹機系統(tǒng)

(1)偏差：多流量，即進入膨脹機膨脹端流量大。由膨脹機入口噴嘴卡澀造成，會導致膨脹機超速，震動過大損壞設備。屬于高風險，采取的保護措施為：膨脹機設置有超速保護，聯(lián)鎖關閉入口緊急切斷閥、人工關閉增壓端入口手閥。削減后風險屬于低風險。建議膨脹機入口緊急切斷閥長期不動作，考慮增加部分行程測試功能并定期測試。

(2)偏差：逆流，即膨脹機膨脹端入口低溫氣體逆流回增壓端管線。由膨脹機卸載后回流閥全開造成，會使膨脹端管線低溫脆化損壞。屬于高風險，采取的保護措施為：膨脹機增壓端設置有止回閥，止回閥至膨脹機入口管線內低溫氣體殘余量較少，不足以造成低溫脆化、膨脹機停車后，人工關閉增壓端出口閥門。削減后風險屬于低風險。

(3)偏差：低溫，即膨脹機膨脹端入口低溫。由膨脹機長期停機再啟動時，入口閥前管線內氣體溫度低，導致膨脹機出口會產(chǎn)生大量液體，膨脹機損壞，影響生產(chǎn)。屬于高風險。采取的保護措施為：膨脹機入口管線設置有溫度點，當溫度低于一定數(shù)值時無法啟動；膨脹機設置有振動高聯(lián)鎖停車。

3.3 換熱系統(tǒng)

(1)偏差：低溫，即氣體管線溫度低。由空壓機卸載或停車時，箱內低溫介質倒流，會凍裂進冷箱空氣管線，導致生產(chǎn)中斷。屬于高風險，采取的保護措施有：空壓機卸載或停車信號會聯(lián)鎖關閉空氣進冷箱閥門及高壓液空節(jié)流閥；空壓機卸載或停車信號會聯(lián)鎖打開下塔液空進上塔液體閥門，下塔低液位后恢復液位自動控制。

(2)腐蝕/沖蝕，即閥門后管線沖蝕。由閥門后管線為節(jié)流兩相流沖刷，有減薄風險，導致液空泄漏，生產(chǎn)中斷。屬于高風險，采取的保護措施有：閥門后管線為加厚設計及有扒沙情況時，加強對此處管線進行檢查。

3.4 分餾塔

偏差：多流量，即氧氣送出閥流速過快。由外送氧氣時氧氣送出閥前后壓差過大，閥門開啟過快造成，會導致氧氣超速，有爆燃風險。屬于高風險，采取的保護措施為：氧氣送出閥設置有壓差大時無法打開，外送氧氣時，先打開均壓閥均壓。削減后風險屬于低風險。氧氣送出閥均壓閥現(xiàn)場觀察不便，建議改造。

3.5 精餾塔系統(tǒng)

偏差：逆流，即下塔液空逆流到分子篩。由冷開車時，分子篩壓力較低時打開分子篩出口閥門造成，會導致下塔中液空逆流，造成設備冷脆損壞。屬于高風險，采取的保護措施為：下塔壓力與分子篩出口壓力做差值，壓差大時，分子篩出口閥門失電無法打開。削減后風險屬于低風險。

4 結語

通過對該空分裝置HAZOP分析可以發(fā)現(xiàn)，對于大部分的分析項目，該空分裝置設有較為完備的安全措施以避免安全可靠性事故的發(fā)生。但仍可能由于一些小概率事件的發(fā)生，對安全穩(wěn)定生產(chǎn)造成不同程度的影響。

當前國內空分行業(yè)對空分裝置的HAZOP分析還不夠重視，是基于相關部門的文件要求以及河南義馬氣化廠“7·19”重大爆炸事故的后續(xù)影響開展此項工作，沒有將HAZOP與詳細設計相融合。但在設計階段對空分裝置進行HAZOP分析，將會將設計審查和現(xiàn)有空分裝置運行操作的事故預案結合起來，從源頭解決本質安全問題，從而保證空分裝置的運行可靠性。

隨著國內安全形勢要求越來越高，也越來越多的將國外先進的安全理念及工作方法在國內推廣或強制要求，HAZOP作為目前過程安全風險分析工具已經(jīng)在國外的相關行業(yè)驗證了有效性，將更廣泛地在國內化工等行業(yè)推廣，真正發(fā)揮提高安全可靠性的初衷。