基于HAZOP-LOPA評估技術的裂解制氫工藝風險評價

劉 凱 金 潮 蘧艷峰 杜旭紅

（中國輻射防護研究院，山西 太原 030006）

0 前言

我國現(xiàn)有鈾純化轉化設施位于西北某廠。該廠使用液氨經(jīng)高溫裂解的方法制取氫氣，用于鈾的轉化。該廠液氨貯存于廠房外的液氨儲罐內(nèi)，儲罐周圍還設有易燃可燃液體罐區(qū)。該廠的裂解制氫生產(chǎn)線具有不可替代性，安全程度不言而喻。

液氨具有腐蝕性且容易揮發(fā)，其化學事故發(fā)生率很高。氨進入人體后會引起神經(jīng)中毒，氨的職業(yè)接觸限值為30mg/m，若空氣中氨氣濃度超限可能導致人員急性中毒，甚至死亡。液氨與空氣混合會形成爆炸性混合物，遇明火、高熱會引起燃燒爆炸。氫氣是易燃易爆氣體。氨裂解制氫工藝一旦發(fā)生故障引發(fā)氨氣或氫氣泄漏，可導致人員中毒和火災爆炸事故的發(fā)生。因此裂解制氫工藝的可靠性和安全程度對核燃料循環(huán)體系至關重要。

而HAZOP僅限于定性評價，對事故場景的分析較為主觀。LOPA對重要事故場景可進行半定量評價，可使HAZOP研究更科學、系統(tǒng)和準確。該文使用HAZOP和LOPA相結合的方法，對液氨裂解工藝系統(tǒng)的風險進行評價，并提出必要的安全對策措施，以提高核燃料循環(huán)體系的本質安全程度，為鈾純化轉化企業(yè)的安全風險管理提供科學依據(jù)。

1 HAZOP-LOPA風險評價方法

1.1 HAZOP風險評價方法

危險和可操作性研究（HAZOP）是通過引導詞引導可能導致后果的各種偏差，識別系統(tǒng)現(xiàn)有保護措施并提出相應補充措施的定性評價方法。引導詞包括無、多、少、相逆、異常和隨著等。HAZOP采用結構化和系統(tǒng)化方式分析給定系統(tǒng)，分析結果有助于確定合適的補救措施。HAZOP本質是評估小組的頭腦風暴所產(chǎn)生的結果，可用于設計、試運行及技術改造等階段，該方法并不能取代相關國家標準規(guī)范等其他經(jīng)驗方法。HAZOP評價方法本身無法評估現(xiàn)有保護層的獨立性和有效性，無法對初始事件的后果嚴重程度進行量化評估，對較復雜的事故場景分析難度較大。

1.2 LOPA風險評價方法

LOPA風險評價方法可在HAZOP定性評價的前提條件下，評估現(xiàn)有保護措施的有效性，并進行定量風險計算。該方法可用于確定現(xiàn)有保護層是否可以將事故發(fā)生概率降至企業(yè)的可接受風險水平以下。LOPA風險評價方法通過對初始事件頻率、使能時間發(fā)生概率、條件修正和獨立保護層失效概率等進行賦值，以計算事故的發(fā)生頻率，進而通過數(shù)量級大小半定量地表達事故場景的風險等級。

LOPA風險評價方法的主要程序為場景識別與篩選、初始事件（IE）確認、獨立保護層（IPL）評估、場景頻率計算、風險評估與決策以及后續(xù)跟蹤和審查。

1.3 HAZOP和LOPA風險評估方法的結合

HAZOP風險評估方法可識別出所有有意義的偏差所造成的后果，并提出安全對策措施，但措施是否合理及經(jīng)濟，需要定量評估方法加以確定。對后果較為嚴重的事故場景，LOPA風險評估方法可對保護層的有效性進行定量評估，如果現(xiàn)有保護層無法將事故風險降低到企業(yè)的可接受水平，此時需要采取必要的安全措施對風險進行控制。因此，LOPA風險評估方法可作為HAZOP的改進及優(yōu)化。

HAZOP評估得出的風險較大的事故場景是LOPA分析的輸入，HAZOP得出的偏差可作為LOPA的事故場景描述，HAZOP分析出的原因可作為LOPA的初始事件，HAZOP所提出的安全對策措施可作為LOPA識別現(xiàn)有獨立保護層的基礎依據(jù)，HAZOP得出的建議措施可作為LOPA新增建議措施的參考。LOPA通過對初始事件、獨立保護層的發(fā)生頻率進行計算并修正，得出事故風險是否可接受，以此決定是否新增安全措施以降低風險。2種方法的結合可有效解決定性評估結果中產(chǎn)生的分歧，提高風險評估的準確性和合理性，并可有效降低企業(yè)冗余的安全投入，保障企業(yè)安全與效益雙收。HAZOP和LOPA風險評估方法結合的關系如圖1所示。

圖1 HAZOP和LOPA關系圖

2 氨裂解制氫HAZOP-LOPA評估過程

氨裂解工藝流程是液氨從液氨蒸發(fā)罐蒸出后，經(jīng)過汽化器進入氨裂解爐，裂解爐中裝有活化過的鎳觸媒，在鎳觸媒和700℃左右高溫的共同作用下裂解，生成鈾轉化所需的氫氣，裂解出的氣體在換熱器中與從汽化器來的氨氣進行換熱，換熱后溫度降低到250℃左右。換熱后的混合氣體經(jīng)純化器純化后經(jīng)管道送至UO還原工藝中。系統(tǒng)采用DCS自動控制系統(tǒng)。反應方程為2NH→N+3H。

氨裂解制氫工藝流程如圖2所示。圖中E-1為裂解爐，E-2為換熱器，E-3為汽化器，E-4為緩沖罐。液氨通過V-1控制閥以及FIQA流量計后進入E-3汽化器，氣化后經(jīng)過E-2換熱器進入E-1裂解爐內(nèi)進行裂解，生成氨氣和氫氣。裂解后的氣體再經(jīng)過E-2換熱器與新送入的氨氣換熱后送至E-4緩沖罐暫存。

圖2 氨裂解制氫工藝流程圖

2.1 評估前的準備

實施HAZOP-LOPA評估須成立研究組。組員應包括設計人員、操作人員、工藝人員、儀表工程師以及安全工程師等。收集氨裂解制氫的管道儀表流程圖、場所平面布置圖、人員的安全操作規(guī)程和類似的事故案例等。

為便于開展HAZOP-LOPA評估工作，該文選擇裂解反應單元（裂解爐部分）進行風險評估。

2.2 完成分析

首先，確定有意義的偏差，完成HAZOP評估。應用引導詞，對可能出現(xiàn)的偏差以及可能引起偏差的所有可能原因進行詳細分析，并討論出該偏差可能導致的最嚴重后果，基于現(xiàn)有的安全措施提出需要額外補充的安全措施，補充措施應從本質安全設計、基本過程控制系統(tǒng)、安全儀表功能、物理保護、釋放后保護設施、應急響應以及報警和人員響應等方面考慮?；贖AZOP評估方法對裂解反應單元（裂解爐部分）進行危險性分析，結果見表1。

表1 裂解反應單元的HAZOP評估結果

其次，根據(jù)事故場景嚴重程度，完成LOPA評估。評估小組根據(jù)HAZOP分析出的原因及后果選擇較為嚴重的事故場景的原因作為初始事件，識別該事件的現(xiàn)有保護措施和獨立保護層，并確定其失效概率。獨立保護層應具有獨立性、安全性和有效性，并且在有效的時間內(nèi)能及時響應。識別出所有保護層后進行事故場景的發(fā)生頻率計算如公式（1）所示。

式中：為初始事件的后果C的發(fā)生頻率，a；為初始事件i的發(fā)生頻率，a；為初始事件i中第個組織后果C發(fā)生的獨立保護層的失效概率。

在計算事故場景頻率時，一般需要對場景頻率進行參數(shù)修正。對毒性影響，初始事件導致人員中毒造成人員傷亡的頻率計算如公式（2）所示。

式中：為人員暴露概率；為人員受傷或死亡概率。

對火災場景，采用點火概率、人員暴露和具體傷害的概率對場景頻率進行修正，火災引起人員受傷或死亡的頻率計算如公式（3）所示。

式中：為點火概率。

接下來通過風險矩陣以及ALARP原則對初始事件的風險等級進行評估，并結合企業(yè)的風險可接受水平，確定該初始事件是否需要增加額外的安全保護措施。

由裂解反應單元的HAZOP評估得出氨氣進氣閥關閉或打不開、輸送管線泄漏、裂解爐破損以及BPCS儀表控制回路故障等原因均可導致裂解反應單元物料泄漏，造成爆炸或人員中毒等重大后果。

該文選擇管線泄漏作為初始事件，該事件的頻率值為10。

通過對裂解反應單元的保護層進行分析得知該單元設有氨氣進料緊急切斷系統(tǒng)，裂解爐設有安全閥。以上2層獨立保護層的失效概率分別為10、10。因該工藝正常情況下無人員現(xiàn)場操作，因此關鍵報警和人員響應不作為該單元的獨立保護層。

由于氨氣或氫氣泄漏可導致火災爆炸，氨氣泄漏還可導致人員中毒，造成人身傷亡，因此該文利用公式（2）和公式（3）分別計算毒性情景和火災情景的發(fā)生頻率。

該文設定為0.5，為0.5，為0.1，經(jīng)計算如下。

經(jīng)計算可知，管線泄漏造成人員中毒的發(fā)生頻率更高。

該文選擇中國石化的風險矩陣對該初始事件的風險等級進行確定。該風險矩陣從健康與安全影響、財產(chǎn)損失影響、非財務與社會影響將事故后果分為7個等級。后果發(fā)生的可能性由低到高分為8個等級。風險級別分為重大風險（紅色≥40）、較大風險（20≤橙色＜40）、一般風險（10≤黃色＜20）和低風險（藍色＜10）4個級別。風險矩陣見表2。

表2 風險矩陣示意表

因管線泄漏可導致人員中毒，造成園區(qū)內(nèi)人員傷亡，所以該初始事件的事故嚴重性等級定為E級。由風險矩陣可知，該初始事件發(fā)生的可能性等級為3級，該初始事件的風險級別為E4，為橙色區(qū)域的較大風險。在中國石化風險矩陣中，人員傷亡的可容許風險應不大于10/a。該單元僅需加裝失效概率小于0.1的獨立保護層即可滿足風險矩陣的要求。表1中所提出的1～4條措施均可滿足失效概率小于0.1的要求。因此，企業(yè)僅需設置其中一項措施即可將管線泄漏的風險降低到可接受水平。HAZOP-LOPA風險評估記錄表見表3。

表3 HAZOP-LOPA風險評估記錄表

最后，針對每一項危險程度較高的初始事件均進行LOPA風險評估，并編制HAZOP-LOPA風險評估報告。對提出的安全對策措施應與企業(yè)進行溝通，以選擇最恰當?shù)谋Ｗo措施。

3 結論

該文通過HAZOP-LOPA兩種方法結合進行風險評估，可提高系統(tǒng)運行的安全性和可操作性。通過對照風險矩陣，確定風險等級，以此判斷是否需要額外的安全對策措施，且安全對策措施的提出更加合理及經(jīng)濟。

該文基于HAZOP-LOPA風險評估方法對裂解制氫工藝的裂解反應單元進行了分析，由HAZOP分析出管線泄漏可導致人員中毒傷亡，危險程度較高。選擇管線泄漏作為初始事件進行LOPA定量評估，經(jīng)計算得出該初始事件的風險等級為較大風險，建議增設可聯(lián)鎖進料閥門起閉的氨氣泄漏探測報警儀，作為額外的安全對策措施。增加獨立保護層后，管線泄漏的風險等級降低為低風險。

通過裂解單元分析可知，HAZOP-LOPA風險評估方法可提高風險評估的客觀性和準確性，避免了企業(yè)盲目增加安全對策措施，降低了企業(yè)冗余成本，為企業(yè)的安全風險管理提供了科學依據(jù)。

對復雜的事故場景，進行LOPA定量評估時應確保保護層的獨立性和有效性，以避免事故風險虛低，為安全決策提供錯誤參考。