高峰青

國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局培訓(xùn)中心

目前，我國對能源和化工產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢，特別是煤化工在能源和化工領(lǐng)域已占有越來越重要的地位。煤氣化是煤化工領(lǐng)域的重要組成部分，在煤化工生產(chǎn)中起著重要的作用[1]。煤的氣化過程是煤或者煤焦與氣化劑（空氣、氧氣、水蒸氣、氫等）在高溫下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，將煤或煤焦中有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹獾倪^程。由于整個過程是在高壓、高溫環(huán)境下發(fā)生，且混合氣屬易燃易爆氣體，所以一旦發(fā)生事故，將嚴(yán)重威脅人員、設(shè)備、環(huán)境的安全。本文將HAZOP和LOPA分析方法相結(jié)合，對煤氣化裝置進(jìn)行工藝安全分析，通過辨識潛在的偏離設(shè)計目的的偏差，分析其可能的原因并評估相應(yīng)的后果，提出整改措施建議，使得風(fēng)險降低到可接受范圍。該方法能夠深層次排查治理系統(tǒng)隱患[2]，從而有效減少事故發(fā)生數(shù)量[3]，提高企業(yè)本質(zhì)安全水平，減少非計劃停車次數(shù)，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。

1 HAZOP分析方法概述

危險與可操作性分析（Hazard and Operability Analysis，縮寫HAZOP）是一種用于辨識工藝缺陷、工藝過程危險及操作性問題的定性分析方法。于20世紀(jì)60年代中期英國帝國化學(xué)公司（Imperial Chemical Industries，ICI）提出。目前，該方法是所有工藝危害分析中系統(tǒng)性、全面性、結(jié)構(gòu)性較好的方法[4]，HAZOP分析方法已被歐美日等發(fā)達(dá)國家廣泛用于各類工程項目的風(fēng)險評估工作中，甚至被立法強(qiáng)制[5]。其在我國煤化工行業(yè)的應(yīng)用尚屬起步階段。

一個典型的HAZOP分析實施過程分為三部分。首先是分析啟動。主要是確定開展分析時間，指派分析組長，提供必要分析所需資源。其次是分析步驟，第一步，成立分析小組，該小組由工程技術(shù)人員，管理人員以及操作人員等組成，通常小組成員大于四人，明確分工，并對小組成員進(jìn)行HAZOP培訓(xùn)，使得成員具備開展HAZOP分析的基礎(chǔ)知識，以便順利完成任務(wù)。第二步，確定分析范圍和目標(biāo)，HAZOP分析鎖定范圍所有危險與可操作性問題。目標(biāo)應(yīng)嚴(yán)格集中在辨識危險。資料收集，設(shè)計描述，工藝流程圖，管道和儀表圖，電路圖，操作維護(hù)說明，系統(tǒng)管道布置圖等。第三步，實施分析，對收集的資料嚴(yán)格審核，并將其劃分出若干節(jié)點，針對每個節(jié)點比照正常的工藝參數(shù)和操作條件，確定引導(dǎo)詞，并與工藝參數(shù)相結(jié)合，確定是否存在偏差。第四步，如果存在偏差，分析其發(fā)生的原因及后果，提出整改措施及建議，形成分析報告。最后，HAZOP分析審查[6]。分析程序和分析結(jié)果接受企業(yè)內(nèi)部和監(jiān)管部門的審查。

2 LOPA分析方法概述

在對過程工業(yè)進(jìn)行HAZOP分析時，分析小組成員辨識與分析各種參數(shù)偏差發(fā)生的原因及產(chǎn)生的后果，以及提出的整改措施，進(jìn)一步降低風(fēng)險。在這個過程中，就安全整改措施能否足以降低到容忍風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)之下，往往會有爭論。為了更好地解決這類問題，20世紀(jì)80年代末，美國化學(xué)品制造商協(xié)會在《責(zé)任關(guān)懷——過程安全管理實施準(zhǔn)則》一書中建議將“足夠的保護(hù)層”作為有效的過程安全管理系統(tǒng)的一個組成部分，LOPA方法應(yīng)運(yùn)而生。2003年，國際電工委員會（IEC）將LOPA技術(shù)作為確定安全儀表系統(tǒng)完整性水平的推薦方法之一。

LOPA即保護(hù)層分析（Layer of Protection Analysis，簡稱LOPA）是在定性危害分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步評估保護(hù)層的有效性，并進(jìn)行風(fēng)險決策的系統(tǒng)方法[7]。其主要目的是確定是否有足夠的保護(hù)層使風(fēng)險滿足企業(yè)的風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)，是基于事故場景的一種半定量分析方法。保護(hù)層分析模型可以用洋蔥模型來解釋，每一層洋蔥都是一個獨立的保護(hù)層[8]，從里到外層層保護(hù)，大大降低了工藝風(fēng)險。保護(hù)層分析的步驟主要有六步，如圖1。首先應(yīng)根據(jù)HAZOP分析、事故分析或者變更分析結(jié)果來選擇場景，依據(jù)后果嚴(yán)重性等級來對場景進(jìn)行篩選。確定場景后，識別可能的初始事件（IE，Initial Event），然后對特定的初始事件進(jìn)行獨立保護(hù)層（IPL，Independent Protective Layer）分析，按照有效性、獨立性和可審查性確定獨立保護(hù)層。計算事故發(fā)生頻率，確定設(shè)立保護(hù)層后事故風(fēng)險等級，建立風(fēng)險容忍標(biāo)準(zhǔn)，將事故降低至企業(yè)可接受的標(biāo)準(zhǔn)，寫出LOPA報告，接受審查。

將HAZOP和LOPA分析組合起來，進(jìn)行聯(lián)合分析，可以找出裝置操作運(yùn)行過程中的不安全因素[9]，使設(shè)計和操作人員更加全面深入地了解其性能，以便采取有針對性的保護(hù)措施。應(yīng)用LOPA分析方法進(jìn)行半定量的分析，可根據(jù)實際情況設(shè)置多重保護(hù)層，并確定是否有足夠的保護(hù)層使得風(fēng)險降至企業(yè)可接受風(fēng)險范圍，從而從本質(zhì)上提高企業(yè)安全水平，可有效防止事故的發(fā)生或者減輕事故后果的影響[10]。

圖1 保護(hù)層分析的步驟

3 水煤漿加料氣化工藝簡介

以目前技術(shù)較成熟且使用較廣的Texaco氣化工藝為例說明，該工藝以水煤漿為原料，以氧氣為氣化劑，將兩者噴入氣化爐后，首先被噴嘴霧化，煤顆粒均勻分散在氣化劑里，部分煤燃燒為氣化爐提供熱量，使其溫度升至1300℃以上，在高溫高壓下，生成以CO、H2為主要成分的粗煤氣。粗煤氣進(jìn)入氣化爐激冷室進(jìn)行洗滌后進(jìn)入炭洗環(huán)節(jié)，通過炭洗將粗煤氣中夾帶的細(xì)灰除去，在碳洗塔和氣化爐流出的黑水被送往高壓閃蒸罐，進(jìn)行熱量回收和細(xì)渣處理。富含細(xì)渣的黑水和灰水通過灰水系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)進(jìn)一步澄清分離，最終澄清水進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)，粗渣進(jìn)入鎖渣罐系統(tǒng)排渣。

4 水煤漿氣化工藝HAZOP&LOPA分析過程

4.1 分析目的

從水煤漿氣化工藝流程、操作參數(shù)、安全措施等方面著手，應(yīng)用HAZOP分析，系統(tǒng)全面找出工藝、設(shè)備、儀表、操作等方面潛在的危險因素，找出工藝流程、設(shè)備運(yùn)行及安全措施方面存在的不足，提供相應(yīng)的控制措施，為裝置安全運(yùn)行提供保證。

4.2 準(zhǔn)備文件

整個分析過程需要收集整理一下資料：制定《水煤漿氣化工藝HAZOP分析實施方案》全面策劃本企業(yè)HAZOP分析工作。包括管道和儀表流程圖，工藝流程圖，裝置崗位操作規(guī)程，設(shè)備數(shù)據(jù)表，管道數(shù)據(jù)表，MSDS數(shù)據(jù)。

4.3 成立HAZOP分析工作項目小組

組長由企業(yè)安全總監(jiān)擔(dān)任，分析小組由工藝、裝置設(shè)備設(shè)計、安全技術(shù)人員和電氣、儀表技術(shù)員，記錄員等相關(guān)人員組成。并對以上人員進(jìn)行業(yè)務(wù)培訓(xùn)。

4.4 劃分節(jié)點

整個水煤漿氣化工藝流程可分為煤漿給料系統(tǒng)、氣化爐燒嘴冷卻水系統(tǒng)、炭黑水系統(tǒng)等節(jié)點。本文以氣化爐系統(tǒng)作為節(jié)點進(jìn)行分析。以溫度、壓力、液壓差等作為氣化爐的工藝參數(shù)，并與高、低等引導(dǎo)詞進(jìn)行結(jié)合，得出有意義的偏差，分析導(dǎo)致偏差的原因，得到后果，給出保護(hù)措施。本文以高溫、低溫、高壓、低壓、液位高、液位低偏差為引導(dǎo)進(jìn)行分析，氣化爐分析結(jié)果，見表1。

HAZOP分析結(jié)論只是針對裝置設(shè)計及操作中存在的問題進(jìn)行定性描述，對問題的嚴(yán)重程度及保護(hù)措施有效性的定量判斷。為此，在HAZOP分析結(jié)果基礎(chǔ)上，采用LOPA分析方法進(jìn)一步分析，篩選出發(fā)生可能性高，后果嚴(yán)重程度大的事件逐一進(jìn)行LOPA分析，可有效避免保護(hù)不足或者過保護(hù)。本文結(jié)合HAZOP分析結(jié)果，以氣化爐為例進(jìn)行LOPA分析，見表2，氣化爐LOPA分析結(jié)果。

表1 氣化爐HAZOP分析結(jié)果

表2 氣化爐LOPA分析結(jié)果

采用前期進(jìn)行的HAZOP分析作為場景信息來源，根據(jù)后果等級表進(jìn)行場景篩選，確定氣化爐高溫導(dǎo)致下降管損壞為分析場景，由于下降管損壞產(chǎn)生泄漏，爆炸引起人員傷亡，風(fēng)險等級5，發(fā)生頻率為1E-02，為高風(fēng)險，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過風(fēng)險可接受值1E-06。因此需要加保護(hù)措施，以降低風(fēng)險。企業(yè)在氣化爐出口處設(shè)置氣體高溫連鎖跳車SIF系統(tǒng)、高溫報警和人員響應(yīng)，可將發(fā)生頻率由1E-02降至1E-05，風(fēng)險為中等風(fēng)險，可選擇采取行動，如果再進(jìn)一步采用保護(hù)措施，增加氣化爐合成器組分在線監(jiān)測，能有效防止煤氧比例高，可將發(fā)生頻率降至1E-06，風(fēng)險為低風(fēng)險，可接受。因此在設(shè)立保護(hù)層后，有效降低了事故發(fā)生風(fēng)險。

5 結(jié)束語

本文采用HAZOP&LOPA 綜合分析方法，著重對氣化爐部分進(jìn)行系統(tǒng)安全分析，其 HAZOP 結(jié)果為：氣化爐溫度、壓力、液位等要素發(fā)生偏差時，易引起氣化爐超溫、超壓，進(jìn)而發(fā)生爐磚損壞、爐壁鼓包、管道超溫蠕變，導(dǎo)致工藝氣泄漏、中毒、火災(zāi)或爆炸等重大事故，著重分析出設(shè)計及工藝管理方面的偏差危害因素，對其提出了有針對性的安全措施，并對其進(jìn)行半定量分析，有針對性的設(shè)計保護(hù)層，確定保護(hù)層數(shù)量，以達(dá)到降低風(fēng)險的目的。圖2說明了HAZOP信息和LOPA信息的關(guān)系。

圖2 HAZOP信息與LOPA信息的關(guān)系

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