HAZOP分析和LOPA-SIL定級在甲醇合成單元中的應(yīng)用

李 陽 王佰亞 葛 陽 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

甲醇作為一種重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品領(lǐng)域，對工業(yè)發(fā)展有極其重要的意義。甲醇合成是典型的復(fù)合氣-固相催化反應(yīng)過程，生產(chǎn)過程中存在易燃、易爆、高溫、中壓、有毒、窒息等危險有害因素，屬重點(diǎn)監(jiān)管的危險化工工藝，在裝置中存在多處重大危險源，一旦發(fā)生安全事故將造成嚴(yán)重?fù)p失。隨著目前甲醇合成裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大及安全生產(chǎn)要求的不斷提高，生產(chǎn)企業(yè)對甲醇合成裝置的工藝控制和優(yōu)化有迫切需求。因此,有必要對于甲醇合成裝置的危險與可操作性及安全儀表配置進(jìn)行深入分析，即進(jìn)行HAZOP分析和SIL定級，審查裝置是否滿足相關(guān)規(guī)定與風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)，安全設(shè)施是否可以有效控制風(fēng)險，可操作性是否滿足需求等，以提高裝置的本質(zhì)安全水平。

1 HAZOP分析和SIL定級方法簡介

1.1 HAZOP分析

HAZOP(危險和可操作性)分析是安全評價的方法之一，它是通過一組參數(shù)(如壓力、溫度、流量、液位等)與引導(dǎo)詞(如大、小、無、反向、異常等)組成有意義的偏差，系統(tǒng)地辨識裝置設(shè)計(jì)可能存在的導(dǎo)致安全或操作問題的設(shè)計(jì)缺陷，評估是否需要進(jìn)一步的安全措施。HAZOP分析主要步驟為：① 根據(jù)P&ID，將工藝系統(tǒng)劃分為若干節(jié)點(diǎn)；② 小組成員根據(jù)事先確定的表1所示偏差矩陣，組成有意義的偏差，辨識產(chǎn)生偏差的原因并預(yù)計(jì)潛在的后果影響；③ 辨識已有的安全保護(hù)措施；④ 評價風(fēng)險的嚴(yán)重性、可能性；⑤ 如果認(rèn)為安全保護(hù)措施不足，進(jìn)一步提出建議防護(hù)措施及落實(shí)方案。重復(fù)以上分析步驟，直到所有的偏差都應(yīng)用和經(jīng)過討論，一個節(jié)點(diǎn)的分析就完成。依此類推，繼續(xù)分析下一個節(jié)點(diǎn)，直到所有節(jié)點(diǎn)都被分析完為止[1][2]。

表1 偏差矩陣表

1.2 LOPA-SIL定級

SIL(Safety Integrity Level，安全完整性等級)即確定安全儀表系統(tǒng)(SIS)功能的安全完整性等級，評估安全儀表功能和其他保護(hù)層達(dá)到規(guī)定安全功能的可能性，是安全儀表系統(tǒng)安全性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)。SIL定級的方法主要有矩陣法、矯正風(fēng)險圖法、LOPA(保護(hù)層) 分析法。LOPA分析是在定性分析的基礎(chǔ)上，確定已發(fā)現(xiàn)事故場景的危險程度，半定量計(jì)算危害發(fā)生的概率，分析已有保護(hù)層的保護(hù)能力及失效概率，推算出需要補(bǔ)充的保護(hù)層等級，一定程度上可彌補(bǔ)HAZOP分析的不足。

LOPA-SIL定級工作基于HAZOP分析結(jié)果、設(shè)計(jì)資料、運(yùn)行記錄、泄壓閥設(shè)計(jì)、MSDS(化學(xué)品安全技術(shù)說明書)等，逐一展開以下工作：① 利用HAZOP分析結(jié)果將可能發(fā)生的嚴(yán)重事故作為事故場景；② 根據(jù)后果嚴(yán)重程度劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定當(dāng)前事故場景的后果等級；③ 確定初始事件發(fā)生頻率及條件修正，列舉所有獨(dú)立保護(hù)層措施，確定事故發(fā)生風(fēng)險等級；④ 根據(jù)剩余風(fēng)險等級，提出切實(shí)可行的安全措施，直至達(dá)到可承受的風(fēng)險等級范圍[3]。

2 安全評價標(biāo)準(zhǔn)

2.1 風(fēng)險矩陣

本文以某工程甲醇合成裝置為例，安全評價工作按照國家標(biāo)準(zhǔn)《危險與可操作性分析(HAZOP分析)應(yīng)用導(dǎo)則》(AQ/T3049-2013)進(jìn)行，并參照建設(shè)單位風(fēng)險可承受標(biāo)準(zhǔn),確定以下風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)，見圖1。

圖1 風(fēng)險矩陣圖

如圖1所示，“E”區(qū)域?yàn)橹靥卮箫L(fēng)險區(qū)域,“H”區(qū)域?yàn)檩^大風(fēng)險區(qū)域。在這兩個區(qū)域，除非特殊情況，風(fēng)險是不可接受的。“M”區(qū)域?yàn)橐话泔L(fēng)險區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi),必須滿足以下條件之一時，風(fēng)險才是可允許的：① 在當(dāng)前的技術(shù)條件下，進(jìn)一步降低風(fēng)險不可行；② 降低風(fēng)險所需的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降低風(fēng)險所獲得的收益?！癓”區(qū)域?yàn)榭山邮茱L(fēng)險區(qū)域，在該區(qū)域，剩余風(fēng)險水平可忽略，一般不要求進(jìn)一步采取措施降低風(fēng)險[3]。

2.2 風(fēng)險概率分級表

該裝置分析工作選用的風(fēng)險概率分級表見表2[4]。

表2 風(fēng)險概率分級表

2.3 事故后果嚴(yán)重程度分級表

該裝置分析選用的事故后果嚴(yán)重程度分級表見表3[5]。

表3 事故后果嚴(yán)重程度分級表

3 甲醇合成單元的HAZOP分析

3.1 工藝流程說明

工業(yè)上采用CO、CO2加壓催化氫化法合成甲醇，典型的流程包括原料氣制備和凈化、甲醇合成、粗甲醇精餾等工序，本文針對某項(xiàng)目甲醇裝置的甲醇合成單元進(jìn)行分析。該甲醇合成單元工藝流程見圖2。

圖2 甲醇合成單元工藝流程圖

如圖2所示，來自前序工段的新鮮氣與氫回收裝置來的富氫氣混合后，經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)壓縮段壓縮后，再與循環(huán)壓縮機(jī)循環(huán)段出口的循環(huán)氣混合，經(jīng)中間換熱器殼程預(yù)熱，進(jìn)入甲醇合成塔，在管間觸媒層進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)。甲醇合成塔內(nèi)的催化劑床層反應(yīng)熱使管束中水汽混合物產(chǎn)生相變，水/汽混合物通過上升管匯聚到汽包將蒸汽閃蒸而出，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)移熱。水在汽包中沿下降管從合成塔底部再次進(jìn)入甲醇合成塔的管束，實(shí)現(xiàn)水汽自然循環(huán)，所需中壓除氧水從汽包補(bǔ)入。反應(yīng)后的出塔合成氣通過中間換熱器管程，將熱量傳遞給未反應(yīng)氣體來提高未反應(yīng)氣入塔溫度；再經(jīng)空冷器、水冷器進(jìn)一步降溫，進(jìn)甲醇分離器分離甲醇；分離后的粗甲醇減壓進(jìn)入閃蒸槽，解析出溶解氣體后送界外；甲醇閃蒸槽出來的閃蒸氣(解析氣)送至界外；分離后的循環(huán)氣體小部分放空，大部分經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)循環(huán)段提壓后和壓縮機(jī)壓縮段來的補(bǔ)充氣混合，之后進(jìn)入中間換熱器預(yù)熱，如此循環(huán)。

3.2 分析節(jié)點(diǎn)劃分

結(jié)合工藝流程特點(diǎn)，將甲醇合成單元劃分為5個節(jié)點(diǎn)，HAZOP分析節(jié)點(diǎn)劃分信息見表4。

表4 HAZOP分析節(jié)點(diǎn)劃分

3.3 HAZOP分析記錄(部分)及建議措施

該裝置HAZOP分析結(jié)果的匯總(部分)及建議措施詳見表5。

表5 HAZOP分析匯總表(部分)

通過以上對該甲醇合成單元的HAZOP分析可知，該裝置整體風(fēng)險處于安全可控范圍，其中甲醇合成塔溫度、汽包液位、甲醇分離器液位是工藝操作的關(guān)鍵控制點(diǎn)，需進(jìn)一步通過LOPA分析設(shè)計(jì)相應(yīng)安全儀表等級的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)；同時，本次分析選取建設(shè)單位風(fēng)險矩陣風(fēng)險概率分級最低為L<10-4，對部分偏差進(jìn)行HAZOP分析后，存在風(fēng)險矩陣“穿透”問題，導(dǎo)致部分風(fēng)險無法進(jìn)一步降至低風(fēng)險(L)區(qū)間，經(jīng)與建設(shè)單位溝通，根據(jù)ALARP原則接受本次分析中的部分一般風(fēng)險(M)。

4 甲醇合成單元的LOPA-SIL定級

本次SIL定級根據(jù)分析范圍內(nèi)裝置的復(fù)雜程度、風(fēng)險特性以及SIL定級分析小組的經(jīng)驗(yàn)，確定使用保護(hù)層分析(LOPA)法。LOPA分析依托于該裝置的HAZOP分析結(jié)果，對該裝置的具體分析中，事故場景的后果嚴(yán)重性等級來源于HAZOP分析結(jié)果；初始事件的發(fā)生頻率、獨(dú)立保護(hù)層的失效頻率采用《保護(hù)層分析(LOPA)方法應(yīng)用導(dǎo)則》AQ/T3054-2015附錄E中推薦的失效數(shù)據(jù)。最終定級結(jié)果匯總見表6。

表6 LOPA-SIL定級匯總表

5 結(jié)語

(1)本文對甲醇合成單元進(jìn)行HAZOP分析，側(cè)重于甲醇合成單元工藝設(shè)計(jì)的完善或提出進(jìn)一步分析研究的建議。本次分析共記錄節(jié)點(diǎn)5個，涉及9張管道儀表流程圖(P&ID)及相關(guān)的設(shè)備圖、儀表數(shù)據(jù)表、安全閥數(shù)據(jù)表等，共分析122項(xiàng)偏差(其中溫度28項(xiàng)，壓力31項(xiàng)，流量45項(xiàng)，液位14項(xiàng)，其他4項(xiàng))，提出由設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位答復(fù)和落實(shí)的建議措施18項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)少數(shù)較大風(fēng)險，所提出的相關(guān)建議措施均被采納，建議措施落實(shí)后，剩余風(fēng)險均可降低至更低水平。

(2)甲醇合成單元通過DCS控制實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的集中監(jiān)控，當(dāng)操作條件不正常時，可自動調(diào)節(jié)并報(bào)警；同時，通過SIL定級，針對甲醇合成塔溫度、汽包液位、甲醇分離器液位、過濾器進(jìn)出口壓差等關(guān)鍵控制點(diǎn)，設(shè)計(jì)具有相應(yīng)安全儀表等級的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，保證在事故工況下，實(shí)現(xiàn)自動控制，使整個裝置安全停車，并保證所有調(diào)節(jié)閥在儀表空氣系統(tǒng)故障時均處于安全位置。

(3)本文采用HAZOP分析和LOPA-SIL定級定性和半定量結(jié)合的方法對甲醇合成單元進(jìn)行安全評價。首先采用HAZOP分析方法對分析對象進(jìn)行定性分析，提出相應(yīng)的安全建議措施，同時篩選出后果嚴(yán)重性等級高的場景進(jìn)行LOPA分析，然后結(jié)合HAZOP分析中確定的初始事件及獨(dú)立保護(hù)層進(jìn)行風(fēng)險概率計(jì)算，最終確定SIL等級，從而完成工藝裝置的風(fēng)險決策，這種分析思路可以在其它工藝裝置的安全分析和評估中推廣使用。

(4) HAZOP分析和SIL定級的結(jié)論不僅可以幫助客戶更好地了解所分析的工藝系統(tǒng)的風(fēng)險，為客戶的安全投入決策提供依據(jù)，還有助于客戶完善操作手冊，制定操作規(guī)程，幫助操作人員更好地理解工藝、了解風(fēng)險，極大提升工作和學(xué)習(xí)效率；同時，可轉(zhuǎn)化為運(yùn)行和開停車檢修時的工藝隱患排查標(biāo)準(zhǔn),作業(yè)人員可以預(yù)先知道相關(guān)工藝偏差發(fā)生后可能帶來的事故后果,減少因操作人員知識不足造成的誤操作，有效避免事故發(fā)生和惡化,提高工藝裝置的整體安全水平。