HAZOP方法在氫氣壓縮機(jī)風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用

摘" " " 要：相比于傳統(tǒng)的化石能源，氫能具有零排放、高熱值等一系列優(yōu)勢(shì)，因此世界各國(guó)都相繼加快了對(duì)氫能的研發(fā)和應(yīng)用步伐。氫氣壓縮機(jī)是我國(guó)加氫站建設(shè)的關(guān)鍵，也是確保加氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫環(huán)節(jié)暢通無阻的關(guān)鍵設(shè)備。由于氫氣易燃易爆的特性，一旦氫氣壓縮機(jī)發(fā)生故障，極有可能會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)停機(jī)、氣體泄漏等危險(xiǎn)，甚至引發(fā)火災(zāi)和爆炸。因此迫切需要對(duì)氫氣壓縮機(jī)可能面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，辨識(shí)氫氣壓縮機(jī)運(yùn)行中的危險(xiǎn)因素，查明可能的故障原因并制定相應(yīng)的保護(hù)措施。以氫氣壓縮機(jī)為研究對(duì)象，采用HAZOP方法對(duì)氫氣壓縮機(jī)進(jìn)行了危險(xiǎn)辨識(shí)與后果評(píng)估，保障了其安全平穩(wěn)運(yùn)行。結(jié)果表明：氫氣壓縮機(jī)面臨入口過濾器壓差過高、一級(jí)進(jìn)氣緩沖罐壓力過低以及一級(jí)排氣溫度過高等風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)考慮增設(shè)報(bào)警裝置。

關(guān)" 鍵" 詞：氫氣壓縮機(jī)；自動(dòng)化安全控制；HAZOP

中圖分類號(hào)：TQ086" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " "文章編號(hào)： 1004-0935（2023）05-0669-04

在大規(guī)模的氣體化工過程中，壓縮機(jī)的應(yīng)用十分普遍。在氫能網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中，需要將氫氣壓縮至高壓狀態(tài)，以便用于存儲(chǔ)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)以及氫燃料電池汽車。氫氣壓縮機(jī)通常會(huì)面臨頻繁的啟動(dòng)停機(jī)過程，進(jìn)排氣壓力的波動(dòng)范圍大，維護(hù)頻率低，維護(hù)難度大。因此需要明確氫氣壓縮機(jī)可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)狀況與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，提前制定維護(hù)措施與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施，提高其安全平穩(wěn)運(yùn)行能力。

作為一種風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的安全評(píng)價(jià)方法，目前危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP）方法已經(jīng)有著明確的使用規(guī)范和諸多成熟應(yīng)用?！段ｋU(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP分析）應(yīng)用導(dǎo)則》（AQ/T 3049—2013）[1]、《危險(xiǎn)與可操作性分析實(shí)施導(dǎo)則》（Q/SH" " " 0559—2013）[2]以及《中國(guó)石化安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指導(dǎo)意見》（集團(tuán)工單安風(fēng) [2018] 38號(hào)）[3]都明確了開展HAZOP分析的必要性，并對(duì)HAZOP方法的應(yīng)用場(chǎng)景與使用規(guī)范做出了相應(yīng)規(guī)定。吉衛(wèi)云[4]等針對(duì)某氨制冷裝置，采用HAZOP分析了其運(yùn)行過程中工藝狀態(tài)參數(shù)的變動(dòng)以及操作控制中可能出現(xiàn)的偏差，找出了變動(dòng)和偏差的原因，識(shí)別了氨制冷裝置運(yùn)行過程中存在的潛在危險(xiǎn)。趙燕[5]等將HAZOP方法應(yīng)用于某污水處理裝置，對(duì)其在生產(chǎn)過程中所涉及的工藝及設(shè)備危險(xiǎn)性進(jìn)行了分析，針對(duì)分析中發(fā)現(xiàn)的問題制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施。針對(duì)某煉油廠爆炸事故，ISIMITE[6]等研究了導(dǎo)致事故發(fā)生的動(dòng)態(tài)模型，復(fù)制了事故當(dāng)天異構(gòu)化裝置啟動(dòng)期間的過程變量，并將生成的仿真模型用在HAZOP方法中。在制氫研究方面，李靖[7]等以火力發(fā)電廠的制氫站為例，運(yùn)用HAZOP技術(shù)對(duì)火電制氫過程中涉及到的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行危險(xiǎn)因素辨析，分析了火電廠制氫站的制氫系統(tǒng)，探明了生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全隱患。鮑文志[8]應(yīng)用HAZOP于水電解制氫過程，對(duì)工藝過程進(jìn)行了系統(tǒng)化結(jié)構(gòu)化審查，辨明了其中的危險(xiǎn)因素并提出改進(jìn)措施。針對(duì)氨分解制氫過程，楊文良[9]分析了生產(chǎn)工藝狀態(tài)參數(shù)的變動(dòng)及操作控制中可能出現(xiàn)的偏差，指出了偏差原因，分析了裝置的安全缺陷，提出了相應(yīng)的整改措施?；谖墨I(xiàn)綜述，本文發(fā)現(xiàn)目前HAZOP方法在壓縮機(jī)設(shè)備[10-11]、LNG廠區(qū)[12-13]以及化工裝置[14-19]等方面都有成熟應(yīng)用，然而針對(duì)氫氣壓縮機(jī)這一特殊的設(shè)備，目前還缺乏針對(duì)性的實(shí)踐。因此本文旨在將HAZOP分析應(yīng)用于氫氣壓縮機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，辨識(shí)危險(xiǎn)因素，深入分析危險(xiǎn)情景，針對(duì)防范薄弱環(huán)節(jié)給出改進(jìn)措施。

1" 氫氣壓縮機(jī)工藝流程簡(jiǎn)介

界區(qū)外來的氫氣經(jīng)氫壓機(jī)入口過濾器過濾后進(jìn)入一級(jí)進(jìn)氣緩沖罐，緩沖后進(jìn)入氫壓機(jī)一級(jí)壓縮，壓縮后經(jīng)一級(jí)排氣冷卻器，冷卻后進(jìn)入一級(jí)排氣緩沖罐，緩沖后進(jìn)入氫壓機(jī)二級(jí)壓縮，壓縮后進(jìn)入二級(jí)排氣緩沖罐，緩沖后部分送往加氫反應(yīng)器，一部分經(jīng)旁路冷卻器冷卻后返回。氫壓機(jī)潤(rùn)滑油自潤(rùn)滑油泵抽出送往油冷卻器，冷卻后經(jīng)油過濾器過濾后一路返回，另兩路分別去往壓縮機(jī)一級(jí)及二級(jí)軸承。循環(huán)水自管網(wǎng)來，分別進(jìn)入氫壓機(jī)一級(jí)、二級(jí)以及作為冷卻水分別進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，最終返回循環(huán)水管網(wǎng)。氫氣壓縮機(jī)工藝流程如圖1所示。

2" HAZOP分析方法

HAZOP分析是一種國(guó)際安全評(píng)估的通用方法，也是一種用于辨識(shí)設(shè)計(jì)缺陷、工藝過程危害及操作性問題的結(jié)構(gòu)化分析方法，目前在項(xiàng)目安全管理、風(fēng)險(xiǎn)防范等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。HAZOP會(huì)議以小組為單位進(jìn)行，通過一系列的會(huì)議來進(jìn)行偏差分析進(jìn)而綜合評(píng)估整個(gè)工藝過程。因此HAZOP的評(píng)估結(jié)果更具有創(chuàng)造性和系統(tǒng)性。HAZOP方法以引導(dǎo)詞為引導(dǎo)，再結(jié)合工藝過程中的參數(shù)變化，對(duì)可能出現(xiàn)的偏差加以分析，對(duì)相應(yīng)的后果進(jìn)行辨識(shí)與定級(jí)。HAZOP的結(jié)果是制定相應(yīng)安全措施的依據(jù)。常用的HAZOP術(shù)語如表1所示。

HAZOP分析主要過程包括分析界定、組建分析小組、分析準(zhǔn)備、分析會(huì)議、分析報(bào)告及HAZOP審查6個(gè)關(guān)鍵步驟。

在分析界定階段要確定分析范圍和目標(biāo)以及分析對(duì)象的界區(qū)范圍，確定可用的資料及其詳細(xì)準(zhǔn)確程度、已開展過的相關(guān)分析等。組建分析小組時(shí)首先要確定HAZOP主席/組長(zhǎng)，組員應(yīng)該由記錄員、設(shè)計(jì)人員、工藝工程師、設(shè)備工程師、安全工程師以及有經(jīng)驗(yàn)的操作人員等組成。分析準(zhǔn)備需要制定分析計(jì)劃、資料準(zhǔn)備以及分析培訓(xùn)。在分析會(huì)議中要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選擇、設(shè)置工藝條件、選擇引導(dǎo)詞、記錄偏差、識(shí)別原因以及后果等。HAZOP分析會(huì)議結(jié)束后，HAZOP主席在記錄員協(xié)助下整理HAZOP報(bào)告，形成初稿并由組員共同審閱。HAZOP分析報(bào)告終稿完成后，應(yīng)進(jìn)行HAZOP審查工作。由項(xiàng)目委托方、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人對(duì)HAZOP分析報(bào)告中提出的建議措施進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)估。HAZOP分析流程如圖2所示。

3" HAZOP節(jié)點(diǎn)劃分以及偏差說明

本文以氫氣壓縮機(jī)的主要設(shè)備作為節(jié)點(diǎn)，以流量、壓力、溫度等物理特性作為偏差，進(jìn)而開展HAZOP分析。

主要設(shè)備：氫壓機(jī)入口過濾器、一級(jí)進(jìn)氣緩沖罐、一級(jí)排氣冷卻器、一級(jí)排氣緩沖罐、二級(jí)排氣緩沖罐、油冷卻器、油過濾器、旁路冷卻器。

主要參數(shù)：氫壓機(jī)入口過濾器壓差；一級(jí)進(jìn)氣緩沖罐壓力；一級(jí)排氣溫度；一級(jí)排氣冷卻器內(nèi)漏；一級(jí)排氣緩沖罐壓力；二級(jí)排氣緩沖罐溫度、壓力；旁路冷卻器內(nèi)漏；油冷卻器內(nèi)漏；油過濾器壓差，潤(rùn)滑油溫度、壓力；曲軸箱潤(rùn)滑油液位；循環(huán)水流量。HAZOP分析使用的偏差及說明見表2。

4" 風(fēng)險(xiǎn)分析

在明確了HAZOP節(jié)點(diǎn)以及偏差后，開展HAZOP分析記錄。氫氣壓縮機(jī)裝置HAZOP分析記錄如表3所示。

5" 結(jié) 論

通過HAZOP分析，本文總結(jié)分析出了氫氣壓縮機(jī)的主要問題以及建議措施，可以得出氫氣壓縮機(jī)最主要風(fēng)險(xiǎn)如下：

1）氫壓機(jī)入口過濾器壓差過高，可能導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣量減少，壓縮機(jī)壓比增高，一級(jí)排氣溫度升高，壓縮機(jī)膜頭密封圈損壞，氫氣泄漏，可能引起火災(zāi)。

2）一級(jí)進(jìn)氣緩沖罐壓力過低，可能導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣量減少，壓縮機(jī)壓比增高，一級(jí)排氣溫度升高，壓縮機(jī)膜頭密封圈損壞，氫氣泄漏，可能引起火災(zāi)。

3）一級(jí)排氣溫度過高，可能損壞壓縮機(jī)膜頭密封圈，氫氣泄漏，可能引起火災(zāi)。

4）一級(jí)排氣緩沖罐壓力過低，可能導(dǎo)致壓縮機(jī)二級(jí)吸氣量減少，壓縮機(jī)壓比增高，二級(jí)排氣溫度升高，壓縮機(jī)膜頭密封圈損壞，氫氣泄漏，可能引起火災(zāi)。

5）二級(jí)排氣緩沖罐溫度過高，可能導(dǎo)致壓縮機(jī)膜頭密封圈損壞，氫氣泄漏，可能引起火災(zāi)。去壓縮機(jī)膜頭循環(huán)水流量過低或無，可能導(dǎo)致膜頭撤熱不足，嚴(yán)重時(shí)設(shè)備損壞。

通過對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的有效監(jiān)測(cè)預(yù)警，可以防范杜絕重大危險(xiǎn)事件的發(fā)生。同時(shí)，本文使用HAZOP進(jìn)行過程安全風(fēng)險(xiǎn)分析，以氫氣壓縮機(jī)運(yùn)行過程為研究對(duì)象，對(duì)其在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行分析，辨識(shí)最大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，從源頭上解決本質(zhì)安全問題，確保氫氣壓縮機(jī)安全運(yùn)行。

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Abstract：" Compared with traditional fossil energy， hydrogen energy has a series of advantages， such as zero emission and high calorific value. Therefore， countries all over the world have accelerated the pace of development and application of hydrogen energy. Hydrogen compressor is the key to the construction of hydrogenation stations in China， and it is also the key equipment to ensure that the hydrogen filling， hydrogen storage and hydrogen transportation links are unimpeded. Due to the flammable and explosive characteristics of hydrogen， once the hydrogen compressor fails， it is very likely to cause compressor shutdown， gas leakage and other hazards， and even fire and explosion. Therefore， it is urgent to evaluate the possible safety risks faced by the hydrogen compressor， identify the risk factors in the operation of the hydrogen compressor， identify the possible fault causes and formulate corresponding protection measures. Taking the hydrogen compressor as the research object， HAZOP method was used to carry out hazard identification and consequence assessment for the hydrogen compressor， to ensure its safe and stable operation. The results showed that the hydrogen compressor faced the risks of high inlet filter pressure difference， low primary inlet buffer tank pressure and high primary exhaust temperature， so it should be considered to add alarm devices.

Key words： Hydrogen compressor; Automatic safety control; HAZOP