高志國

(中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450046)

中國石化股份有限公司已建成投產(chǎn)的國家石油天然氣大流量計(jì)量站武漢分站是具有原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的國家級(jí)天然氣實(shí)流檢定站。風(fēng)險(xiǎn)分析是安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一階段的首要任務(wù)，利用危險(xiǎn)和可操作性分析(HAZOP)方法對(duì)天然氣檢定系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析，通過保護(hù)層分析(LOPA)方法，對(duì)HAZOP分析識(shí)別出的危險(xiǎn)偏差進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)確定，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)危險(xiǎn)偏差進(jìn)行安全合理設(shè)計(jì)。

1　計(jì)量檢定站HAZOP分析

1.1　HAZOP分析流程

HAZOP分析過程包括： 分析準(zhǔn)備、實(shí)施分析、編制分析結(jié)果報(bào)告三個(gè)階段。在分析過程中，根據(jù)分析需要，分析步驟可交替進(jìn)行。

1) HAZOP分析準(zhǔn)備階段。主要任務(wù)是確定分析的目的、對(duì)象和范圍，獲取必要的資料。

2) HAZOP分析實(shí)施階段。需要將不同工藝過程劃分為適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)，采用引導(dǎo)詞的方法，盡量找出偏離設(shè)計(jì)意圖的所有可能的偏差。分析過程的步驟如下：

a) 確定系統(tǒng)、熟悉系統(tǒng)，了解系統(tǒng)的定義、范圍、邊界條件以及在其壽命和生命周期中所處的階段，明確系統(tǒng)的保護(hù)目標(biāo)，熟悉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作，并收集相關(guān)的資料。

b) 建立HAZOP分析計(jì)劃，明確分析的目的、分析過程以及設(shè)計(jì)分析工作表，建立風(fēng)險(xiǎn)矩陣，確定可以接受的風(fēng)險(xiǎn)程度，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭澐?，確定分析的節(jié)點(diǎn)。

c) 選擇節(jié)點(diǎn)，明確節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)意圖，運(yùn)用引導(dǎo)詞與參數(shù)相結(jié)合建立有意義的偏差，確定偏差的原因，偏差帶來的后果以及現(xiàn)有的安全措施。

d) 確定現(xiàn)有的安全措施是否足夠防止偏差所帶來的后果，確定偏差是否為危險(xiǎn)偏差。如果不是危險(xiǎn)偏差，則可以按照步驟c)對(duì)下一個(gè)引導(dǎo)詞與參數(shù)組成的偏差進(jìn)行分析，直到該參數(shù)與所有引導(dǎo)詞的組合分析完畢，再進(jìn)行下一個(gè)參數(shù)與引導(dǎo)詞組合成偏差進(jìn)行分析；如果是危險(xiǎn)偏差，則按照開始確定的風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定危險(xiǎn)等級(jí)，并在此基礎(chǔ)上制訂建議的控制措施、編寫分析報(bào)告。

3) HAZOP編制分析結(jié)果報(bào)告。是分析的一個(gè)重要組成部分，通常HAZOP分析結(jié)果以表格的形式記錄。

1.2　HAZOP分析工藝參數(shù)及產(chǎn)生偏差原因

HAZOP通過對(duì)引導(dǎo)詞和工藝參數(shù)的組合進(jìn)行分析，可以得到無數(shù)偏差，但HAZOP分析只關(guān)注并記錄有意義的偏差。有意義的偏差是指偏差產(chǎn)生的原因是可能實(shí)際發(fā)生的，其可能造成的后果會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)或帶來操作問題。典型的引導(dǎo)詞和參數(shù)及其生成的偏差見表1所列。

表1　典型的引導(dǎo)詞和參數(shù)及其生成的偏差

HAZOP分析涉及過程的各個(gè)方面，包括工藝、設(shè)備、儀表、控制、環(huán)境等。HAZOP分析可以使人們對(duì)整個(gè)生產(chǎn)、制造、儲(chǔ)存系統(tǒng)的危險(xiǎn)性有個(gè)明確的認(rèn)識(shí)，針對(duì)性地進(jìn)行管理、檢查并消除安全隱患，制訂嚴(yán)格的操作規(guī)程并加強(qiáng)安全保護(hù)措施。

1.3　HAZOP分析風(fēng)險(xiǎn)矩陣

根據(jù)HAZOP分析列出風(fēng)險(xiǎn)矩陣，見表2所列。

表2　風(fēng)險(xiǎn)矩陣

1)E區(qū)域表示為特高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，H區(qū)域表示為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，M區(qū)域?yàn)橹械瘸潭任ｋU(xiǎn)區(qū)，L區(qū)域?yàn)榈臀ｋU(xiǎn)區(qū)。

2) 表中各區(qū)域內(nèi)的字母稱為加權(quán)指數(shù)，也稱為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)是綜合危險(xiǎn)事件的可能性和嚴(yán)重性確定的。最高風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)定為E，表示對(duì)應(yīng)的偏差幾乎肯定發(fā)生，并有災(zāi)難性后果。最低風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)定為L，表示對(duì)應(yīng)的偏差幾乎不可能發(fā)生，其后果是輕微的。中間風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)按風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)賦值。

3) 風(fēng)險(xiǎn)大的偏差應(yīng)給予特別關(guān)注，其對(duì)應(yīng)的建議措施在落實(shí)響應(yīng)時(shí)的優(yōu)先級(jí)別較高，在風(fēng)險(xiǎn)登記冊(cè)中屬于重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)險(xiǎn)。反之，風(fēng)險(xiǎn)小的偏差及其對(duì)應(yīng)的建議措施關(guān)注度和優(yōu)先級(jí)別則較低。

1.4　天然氣大流量計(jì)量檢定站HAZOP分析結(jié)果

根據(jù)天然氣大流量計(jì)量站的項(xiàng)目特性，天然氣經(jīng)過濾系統(tǒng)或加熱系統(tǒng)后進(jìn)入壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)檢定需求分為大壓差壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)。以下是以流程中的天然氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例進(jìn)行的HAZOP分析，見表3～表5所列。

同樣，分別對(duì)站場的天然氣過濾系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、流量檢定系統(tǒng)、量值傳遞系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、余氣回收系統(tǒng)、排污和放空系統(tǒng)進(jìn)行了HAZOP分析。

2　計(jì)量檢定站LOPA分析

2.1　場景識(shí)別與篩選

采用前期進(jìn)行的天然氣大流量計(jì)量檢定站HAZOP分析作為場景信息來源。以天然氣檢定系統(tǒng)壓力為例，對(duì)天然氣檢定系統(tǒng)的HAZOP分析結(jié)果進(jìn)行篩選，提供進(jìn)行LOPA分析的場景。天然氣檢定系統(tǒng)分析場景為天然氣檢定系統(tǒng)入口壓力過高造成下游檢定系統(tǒng)儀表設(shè)備損壞，引發(fā)天然氣泄漏或爆管，如果火氣報(bào)警控制盤失效且安全放空閥失效時(shí)，將導(dǎo)致大面積火災(zāi)、爆炸事故，造成人員傷亡。

表3　天然氣大流量計(jì)量檢定站HAZOP分析結(jié)果(壓力)

表4　天然氣大流量計(jì)量檢定站HAZOP分析結(jié)果(溫度)

表5　天然氣大流量計(jì)量檢定站HAZOP分析結(jié)果(流量)

2.2　初始事件確認(rèn)

選定初始事件為基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)壓力控制回路失效導(dǎo)致儀表控制回路失效，造成下游檢定系統(tǒng)儀表設(shè)備損壞，根據(jù)初始事件典型頻率值，其失效概率為1×10-1/a。

2.3　獨(dú)立保護(hù)層評(píng)估

1) BPCS報(bào)警和人員響應(yīng)行動(dòng)。人員響應(yīng)行動(dòng)不作為獨(dú)立保護(hù)層，由于BPCS壓力控制回路失效導(dǎo)致系統(tǒng)不能產(chǎn)生報(bào)警，從而不能提醒操作人員采取行動(dòng)阻止天然氣壓力檢定系統(tǒng)壓力繼續(xù)升高。

2) 安全放空閥。發(fā)生天然氣超壓泄漏事件時(shí)，打開天然氣調(diào)壓系統(tǒng)和天然氣檢定系統(tǒng)的安全放空閥，能夠阻止天然氣泄漏事件。因此，對(duì)于該場景，安全放空閥是獨(dú)立保護(hù)層(IPL)，安全放空閥的PFD取1×10-1。

2.4　場景頻率計(jì)算

取點(diǎn)火概率為1，人員暴露概率為0.5，人員傷亡概率為0.5，則后果發(fā)生頻率為

(1×10-1)×(1×10-1)×(1×10-1)×
1×0.5×0.5=2.5×10-4

2.5　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與決策

天然氣調(diào)壓系統(tǒng)的BPCS壓力控制回路失效導(dǎo)致天然氣檢定系統(tǒng)超壓，造成檢定系統(tǒng)儀表設(shè)備損壞，引發(fā)天然氣泄漏或爆管事件，如果火氣報(bào)警控制盤失效且緊急切斷閥門失效時(shí)，將導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸事故，造成人員的傷亡，事故發(fā)生的頻率為2.5×10-4/a。根據(jù)頻率可能性等級(jí)D，確定其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為M： 中風(fēng)險(xiǎn)，即可選擇性的采取行動(dòng)。

應(yīng)在天然氣進(jìn)站管道上設(shè)置1個(gè)獨(dú)立的安全儀表功能(SIF)回路，用于檢測和阻止天然氣過濾器超壓泄漏事件。該SIF采用獨(dú)立的壓力傳感器、邏輯控制器和獨(dú)立的緊急切斷閥門(ESDV)，其PFD不大于1×10-2。對(duì)于場景，SIF將釋放事件的頻率從2.5×10-4/a降低到2.5×10-6/a。在風(fēng)險(xiǎn)矩陣中，對(duì)于頻率為2.5×10-6/a的事件，其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為L： 低風(fēng)險(xiǎn)，不需要采取行動(dòng)。

2.6　LOPA記錄表

以天然氣調(diào)壓系統(tǒng)的BPCS壓力控制回路為例，根據(jù)分析做出場景LOPA分析記錄及采取措施前后LOPA分析結(jié)果，見表6、表7所列。

表6　天然氣調(diào)壓系統(tǒng)壓力控制回路失效場景LOPA分析記錄

表7　采取措施前后LOPA分析結(jié)果

從表7中可以得出： 天然氣調(diào)壓系統(tǒng)的BPCS壓力控制回路在未采取措施前的頻率為2.5×10-2，采取措施后的頻率為2.5×10-6，該壓

力控制回路可通過采取增加安全放空閥及安全儀表功能保障措施達(dá)到安全需求。

3　結(jié)束語

本文對(duì)國家石油天然氣大流量計(jì)量站武漢分站的工藝流程進(jìn)行了HAZOP分析和LOPA分析。通過分析找出了各流程單元的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并提出了防護(hù)措施，為站場的自動(dòng)化控制系統(tǒng)及ESD的組態(tài)及運(yùn)行提供了基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)，滿足了站場安全生產(chǎn)需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖建榮.工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全[M].北京： 電子工業(yè)出版社，2015： 34-178.

[2]潘彥.算法設(shè)計(jì)與分析基礎(chǔ)[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2015： 76-178.

[3]高飛.Matlab智能算法超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京： 人民郵電出版社，2014: 56-164.

[4]余勝威.Matlab優(yōu)化算法案例分析與應(yīng)用[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2014: 44-98.

[5]張建國.安全儀表系統(tǒng)在過程工業(yè)中的應(yīng)用[M].北京： 中國電力出版社，2010: 121-175.

[6]陽憲惠，郭海濤.安全儀表系統(tǒng)的功能安全[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2007: 56-123.

[7]董文庚，劉慶洲，蘇昭桂.安全檢測技術(shù)與儀表[M].北京： 煤炭工業(yè)出版社，2007: 88-102.

[8]徐菁.安全防范系統(tǒng)檢測與故障處理[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2015: 62-99.

[9]陳端陽.工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2011: 135-168.

[10]工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)編輯委員會(huì).工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)手冊(cè)[M].北京： 中國電力出版社，2008: 212-296.