HAZOP、LOPA和CFD分析方法在海上平臺中的應(yīng)用

荊 波

(中國石化勝利油田分公司海洋采油廠，山東東營 257237)

0 前言

在能源需求不斷增加、陸地上油氣資源日漸枯竭等背景因素作用下，近年來海洋油氣勘探開發(fā)得到快速發(fā)展，自動化水平和規(guī)模復(fù)雜度不斷提升，同時海上平臺作業(yè)環(huán)境惡劣、設(shè)備設(shè)施集中度高、多工序復(fù)雜交叉的特點，極易造成嚴重的惡性事故，導(dǎo)致巨大的人員財產(chǎn)損失和海洋環(huán)境破壞，因此各大能源公司普遍對海上設(shè)施開展了風(fēng)險評估工作，針對生產(chǎn)過程中存在的不安全因素和工藝風(fēng)險進行管控。危險與可操作性分析(HAZOP)是石油化工領(lǐng)域比較常用的工藝風(fēng)險分析方法，在海上油氣平臺也得到廣泛應(yīng)用，但是該方法存在較為依靠分析人員經(jīng)驗、保護措施分析不夠深入等弊病，針對這一問題，引入保護層分析(LOPA)方法對保護措施進行獨立保護層分析。同時，由于海上自然風(fēng)環(huán)境對可燃氣體探測系統(tǒng)影響較大，因此使用計算流體力學(xué)(CFD)分析方法對平臺的可燃氣擴散過程進行數(shù)值模擬，量化計算現(xiàn)有可燃氣探測布點方案的有效性，進一步提高了分析的準確性。

1 分析方法簡介

HAZOP分析將所研究的過程根據(jù)設(shè)計目的分為多個邏輯上可管理的部件(或節(jié)點)，建立偏差，并對偏差進行潛在原因、后果進行分析，評估可能造成人員傷害、財產(chǎn)損失、環(huán)境破壞、聲譽損害等風(fēng)險。

LOPA分析通常建立在定性危害分析的基礎(chǔ)上，通過進一步評估保護措施，判斷保護層的有效性，進行風(fēng)險控制與決策。LOPA的主要目的是確定保護層是否足夠，剩余風(fēng)險是否滿足企業(yè)的風(fēng)險可接受標準。獨立保護層通常從5個方面進行確定：①獨立性；②有效性；③安全性；④變更管理；⑤可審查性。

CFD分析是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所作的分析。通過這種數(shù)值模擬，可以得到各種復(fù)雜流場內(nèi)各個位置或時間點上的物理量。

在HAZOP分析過程中，評估保護措施時通?；趥€人經(jīng)驗和孤立的案例，更關(guān)注保護措施的類型和數(shù)量而忽視保護措施的相互聯(lián)系和有效性，往往高估了保護措施的實際作用。通過將HAZOP與LOPA和CFD分析相結(jié)合，可以在HAZOP分析基礎(chǔ)上對保護措施的有效性進行定量評估，確定保護層具有保護和消除事故風(fēng)險的能力。

2 分析流程

在HAZOP分析工作基礎(chǔ)上引入LOPA和CFD分析方法，主要包括以下內(nèi)容：①劃分分析單元；②闡述設(shè)計意圖和操作步驟過程；③對每個單元的流程逐個選取分析節(jié)點，并設(shè)定偏差及引導(dǎo)詞，進行HAZOP 偏差分析；④根據(jù)偏差后果的嚴重性、可能性和風(fēng)險矩陣進行風(fēng)險分析評價，確定可能事故場景的風(fēng)險等級，辨識與篩選等級和復(fù)雜程度較高的場景進行LOPA分析；⑤辨識出系統(tǒng)獨立的安全保護層和安全保護措施，并確定保護層失效的概率，判斷這些保護層能否預(yù)防事故發(fā)生和降低事故發(fā)生概率，并對其有效性、獨立性和合理性進行分析；⑥建立海上平臺三維模型，根據(jù)典型泄漏場景下的設(shè)備工況計算可燃氣體泄漏影響范圍，分析可燃氣體探測系統(tǒng)的有效性；⑦根據(jù)評價結(jié)果確定是否增加新的保護層和安全保護措施。

3 應(yīng)用案例

3.1 三相分離器單元工藝流程簡介

海管來油進入兩臺并聯(lián)的三相分離器進行油、氣、水分離，水相由操作人員通過手閥控制分水量，以保證外輸泵處原油黏度不超過其運行范圍。三相分離器分離出的氣相排放至天然氣洗滌器脫水，再經(jīng)過聚結(jié)式過濾器過濾液滴后由海管送至中心二號平臺，水排放至生產(chǎn)水處理系統(tǒng)，油進入原油換熱器。

三相分離器的壓力、溫度、液位等操作參數(shù)是各平臺所關(guān)注的重點和控制的核心，直接影響油田的產(chǎn)量，所以選擇三相分離器中的“壓力”參數(shù)作為偏差進行分析。

3.2 HAZOP分析和LOPA保護層劃分

為了對可燃氣體探測系統(tǒng)的有效性進行量化分析，選擇了兩個造成可燃氣體泄漏的場景，即“自上游流程來液瞬時伴生氣量高引起三相分離器壓力高”和“PIC2004A回路故障，PV2004A關(guān)小(FC)”進行分析，其中PIC2004A為三相分離器壓力指示控制儀表位號，PAH2004A為壓力高限報警儀表位號，PSV2001A為壓力安全閥位號，PV2004A為壓力控制閥位號。風(fēng)險等級判斷依據(jù)國際常用風(fēng)險矩陣，兩個場景的HAZOP分析結(jié)果如表1所示。

進一步進行LOPA分析，表1中提到的保護措施部分不能成為獨立保護層(IPL)，如：

表1 三相分離器HAZOP分析結(jié)果

a) PAH2004A的高壓報警與PIC2004A的壓力控制是響應(yīng)同一傳感器來的信號，不滿足IPL獨立性要求，因此不可以視為兩個IPL。

b) 消防和應(yīng)急難以確保其要求時的失效概率(PFD)滿足要求，因此本措施視為不滿足IPL有效性要求，不能視為IPL。

c) 可燃氣體報警的有效性取決于探測器的覆蓋率，如果覆蓋率不足導(dǎo)致不能有效檢測到響應(yīng)，則該保護措施不滿足IPL有效性要求。因此有必要通過CFD建模模擬安裝位置不同對覆蓋率的影響，分析可燃氣體探測器的有效性。

3.3 CFD建模分析

圖1為根據(jù)平臺設(shè)備布置圖所建立的擴散分析用的平臺三維模型，可燃氣體探測器安裝分布在平臺各層甲板，表2中各探測器坐標是以海平面(計算域底部)A1柱中心點為坐標原點。

表2 可燃氣體探測器在各層平臺位置 m

圖1 平臺幾何模型

各種算例泄漏后擴散影響范圍如圖2、圖3所示，其中圖2為云圖的三維顯示，圖3為泄漏點高度所在水平面的可燃氣體(主要成分為CH)濃度分布圖。

圖2 可燃氣體擴散范圍

圖3 泄漏點高度水平面可燃氣體擴散范圍

通過CFD方法模擬了不同泄漏位置、不同泄漏方向、不同泄漏速率、穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)下的可燃氣體泄漏的擴散影響范圍。穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果更為保守，故各泄漏位置、方向均做穩(wěn)態(tài)計算；由于上下層甲板對擴散的限制相同，取豎直向上方向的泄漏方向；結(jié)合泄漏點位情況，分別取水平向左、向右的泄漏方向；由于計算風(fēng)向為南風(fēng)，故取水平向南的泄漏方向。選取方向遵守總的原則就是可燃氣體向平臺內(nèi)部擴散可能會導(dǎo)致燃爆風(fēng)險的場景，如果直接飄向平臺外部則忽略。14個算例的計算工況如表3所示。

表3 算例統(tǒng)計

根據(jù)計算結(jié)果可以分析出三相分離器發(fā)生泄漏后，可燃氣體探測器能否及時有效的探測并響應(yīng)。計算結(jié)果表明(表4)，平臺開排層甲板的4個探測器(GD-1101、GD-1102、GD-1103、GD-1104)、底層甲板的2個探測器(GD-1207、GD-1208)、中層甲板的2個探測器(GD-1301、GD-1302)、頂層甲板的全部7個探測器(GD-1401、GD-1402、GD-1403、GD-1404、GD-1405、GD-1406、GD-1407)在所有算例中都沒有被觸發(fā)響應(yīng)；小泄漏、中泄漏(算例1、2、8、9)的場景下絕大多數(shù)探測器點位無響應(yīng)，僅算例9的6號探測器有響應(yīng)；大泄漏、完全泄漏場景下響應(yīng)的點位數(shù)隨工況變化較大；泄漏發(fā)生時，通常其所在甲板層的探測器有響應(yīng)，當可燃氣體產(chǎn)生跨平臺層擴散現(xiàn)象時，其他層位的探測器也會有響應(yīng)，如算例6、13；而算例1、2、5、8、12沒有觸發(fā)任何探測器響應(yīng)。

表4 可燃氣體探測器點位對各場景響應(yīng)情況(閾值定為20%的爆炸下限，即1%體積濃度)

根據(jù)模擬計算結(jié)果統(tǒng)計，在上述三相分離器發(fā)生泄漏(即使是完全泄漏)的情況下，可燃氣體探測的有效覆蓋率僅為64%，這說明三相分離器發(fā)生泄漏且在平臺范圍進行擴散的情況下觸發(fā)報警的可能性不大于64%，PFD>0.1，不滿足IPL中對PFD的要求，因此可燃氣體探測器不能視為一個獨立保護層。

3.4 LOPA分析結(jié)果修正

對比表1中的保護措施和表5中的獨立保護層可以看出，由于通過CFD分析得到可燃氣體探測器不能作為獨立保護層，不能對風(fēng)險進行消減，因此這兩個場景減緩后的事故頻率等級由1調(diào)整為3。可見在HAZOP分析的基礎(chǔ)上進一步進行LOPA和CFD分析能夠更加準確地判斷IPL，提高對保護措施評估的精準性，避免引入新的風(fēng)險。

表5 三相分離器LOPA分析結(jié)果

4 結(jié)語

通過應(yīng)用案例可以看出各風(fēng)險評價方法在實施過程中側(cè)重點各有不同，利用HAZOP方法將工藝系統(tǒng)內(nèi)所有可能出現(xiàn)的風(fēng)險場景進行梳理，并找出相應(yīng)的保護措施，再運用LOPA方法對于HAZOP中提出的保護措施的有效性進行判斷和事故場景的剩余風(fēng)險分析，在進行可燃氣體探測系統(tǒng)保護層有效性評估時，借助CFD技術(shù)進行數(shù)值建模深入論證，才能滿足企業(yè)對于工藝系統(tǒng)中的潛在風(fēng)險的量化分析和精準管控的需要。

由此可見，HAZOP結(jié)合LOPA和CFD的分析方法滿足海洋石油平臺的安全評價需要，能夠提高分析精度，為平臺上可燃氣探測器布點提供了更加科學(xué)合理的依據(jù)，有效提升了海洋石油平臺科學(xué)管控自身風(fēng)險的水平。