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        HAZOP-LOPA方法與SIL定級(jí)在電鍍廢水處理中的應(yīng)用

        2019-08-15 11:58:08
        安全 2019年7期
        關(guān)鍵詞:批處理分析方法電鍍

        管 鋒

        (南京造幣有限公司,江蘇 南京 211100)

        0 引言

        電鍍工藝是利用電解原理在導(dǎo)體上鍍上一層金屬,目前,電鍍產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步,電鍍工藝在國民經(jīng)濟(jì)中扮演著越來越重要的角色[1]。但是,由于電鍍工藝中涉及大量有毒有害?;?,如強(qiáng)酸堿、重金屬、氰化物等[2],其廢水往往具有嚴(yán)重的污染性。在我國現(xiàn)行的污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)中,氰化物屬于第二類污染物,對(duì)氰化物的允許排放濃度有嚴(yán)格的規(guī)定。因此,采用有效的工藝評(píng)估方法,辨識(shí)含氰廢水處理的危險(xiǎn)性,并提出相應(yīng)的整改措施是很有必要的。

        危險(xiǎn)與可操作性分析(Hazard and Operability Study,HAZOP)是一種廣泛使用的定性分析方法,主要用于工藝危險(xiǎn)性評(píng)估,采用“參數(shù)+引導(dǎo)詞”的方式,分析工藝中可能存在的偏差,以及這些偏差可能導(dǎo)致的危險(xiǎn)并提出對(duì)應(yīng)的措施[3]。但是,由于HAZOP分析只能定性分析,對(duì)于辨識(shí)出的風(fēng)險(xiǎn),需要根據(jù)分析人員的經(jīng)驗(yàn)提出建議措施,對(duì)于提出的措施能否將風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受范圍內(nèi),該方法無法給出定量評(píng)價(jià)。因此,在HAZOP分析的基礎(chǔ)上,引入一種半定量的風(fēng)險(xiǎn)分析方法,即保護(hù)層分析(Layer of Protection Analysis,LOPA)[4],LOPA分析是對(duì)HAZOP分析中現(xiàn)有保護(hù)措施進(jìn)行半定量計(jì)算,確定該措施降低風(fēng)險(xiǎn)的能力[5],并在此基礎(chǔ)上,對(duì)結(jié)果中過于危險(xiǎn)的場景提出安全儀表系統(tǒng)(Safety Instrumented System,SIS)要求,通過LOPA分析結(jié)果,確定所需安全儀表等級(jí)(Safety Instrument Level,SIL),進(jìn)一步評(píng)估所提對(duì)策措施的有效性,并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策。三者的關(guān)系可以總結(jié)為HAZOP分析是基礎(chǔ),LOPA分析是HAZOP分析的延續(xù),目的是彌補(bǔ)HAZOP分析方法無法定量分析的不足,是對(duì)HAZOP分析結(jié)果的補(bǔ)充與完善;SIL分析是在LOPA分析的基礎(chǔ)上,判斷風(fēng)險(xiǎn)較大的場景是否有安全儀表功能(Safety Instrument Function,SIF),進(jìn)一步確定SIL等級(jí),并驗(yàn)證LOPA分析結(jié)果[6]。3種方法間有承啟關(guān)系并緊密聯(lián)系,通過結(jié)合使用,既可以定性定量評(píng)估工藝危險(xiǎn)的嚴(yán)重度,又可以根據(jù)需要提高安全儀表等級(jí)降低工藝危險(xiǎn)性。綜上,HAZOPLOPA-SIL分析流程,如圖1。

        本文選取電鍍廢水處理工藝中的濃氰批處理槽作為節(jié)點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行HAZOP分析,然后在HAZOP分析結(jié)果基礎(chǔ)上采用LOPA分析方法進(jìn)一步定量評(píng)估保護(hù)層的有效性,最后通過確定SIL等級(jí)將風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受的范圍內(nèi)。

        1 HAZOP分析

        HAZOP分析方法是由英國帝國化學(xué)工業(yè)公司提出的一種系統(tǒng)危險(xiǎn)分析方法[7],目前已廣泛應(yīng)用于工藝在設(shè)計(jì)及運(yùn)行階段的風(fēng)險(xiǎn)分析中。其目的是全面、系統(tǒng)地對(duì)工藝進(jìn)行詳細(xì)分析檢查,發(fā)現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致不希望后果的偏差,然后針對(duì)導(dǎo)致后果發(fā)生的原因提出相應(yīng)的對(duì)策措施。HAZOP分析的主要思路是成立分析專家組,借助專家的知識(shí),采用頭腦風(fēng)暴法,針對(duì)所要分析的單元,應(yīng)用引導(dǎo)詞技術(shù)找出所有的可能導(dǎo)致事故發(fā)生的偏差,再找出導(dǎo)致偏差的原因,分析偏差造成的后果,當(dāng)分析組發(fā)現(xiàn)對(duì)于這些偏差的保護(hù)措施不足時(shí),需進(jìn)一步提出相應(yīng)的對(duì)策措施,因此,HAZOP分析是一種定性的、結(jié)構(gòu)化的風(fēng)險(xiǎn)分析方法。

        圖1 HAZOP、LOPA與SIL分析流程圖Fig.1 HAZOP, LOPA and SIL analysis flow chart

        2 LOPA分析

        LOPA分析是20世紀(jì)80年代美國化學(xué)理事會(huì)提出的一種半定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[8],通過對(duì)定性分析的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行相對(duì)量化計(jì)算,辨識(shí)系統(tǒng)中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)是否處于可以接受的范圍,如果風(fēng)險(xiǎn)過大,需要增加合適的保護(hù)層來將風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受的范圍內(nèi)。

        根據(jù)AQ/T 3054-2015《保護(hù)層分析(LOPA)方法應(yīng)用導(dǎo)則》[9],LOPA分析的主要過程主要包括:

        (1)場景識(shí)別與篩選。選取定性分析中后果嚴(yán)重的場景,篩選出后果嚴(yán)重性大的場景進(jìn)行分析。

        (2)初始事件(Initiating Event,IE)確認(rèn)。確定篩選后場景的初始事件,如外部事件、人員行為失效、設(shè)備故障等。

        (3)獨(dú)立保護(hù)層(Independent Protection Layer,IPL)評(píng)估。評(píng)估定性分析后的保護(hù)措施是否能夠滿足獨(dú)立層保護(hù)的要求。

        (4)場景頻率計(jì)算。場景發(fā)生頻率計(jì)算公式如下:

        式中:

        fiC—初始事件i的后果C的發(fā)生頻率,/a;

        fi

        I—初始事件的發(fā)生頻率,/a;

        PFDij—初始事件i中第j個(gè)阻止后果C發(fā)生的IPL的要求時(shí)的失效概率(Probability of Failure on Demand,PFD)。

        在計(jì)算具體的場景頻率時(shí),可以根據(jù)需要對(duì)場景頻率進(jìn)行修正。

        (5)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與決策。評(píng)估場景的風(fēng)險(xiǎn),若風(fēng)險(xiǎn)較大,需確定是否采取措施降低風(fēng)險(xiǎn)。

        3 風(fēng)險(xiǎn)分析矩陣

        本方法用于確定潛在危害事故的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。根據(jù)危害事故可能造成后果的嚴(yán)重程度,分為5個(gè)等級(jí);再根據(jù)現(xiàn)有的能阻止危害事故發(fā)生的系統(tǒng)的失效頻率,分為7個(gè)等級(jí)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣,見表1,綜合后果和頻率確定總的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),該風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)用于確定建議措施的優(yōu)先次序。

        表1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣Tab.1 Risk assessment matrix

        4 實(shí)例分析

        某電鍍企業(yè)廢水處理涉及氰化物,引進(jìn)國際先進(jìn)的含氰廢水處理系統(tǒng),采用堿性氯化法處理電鍍廢水,反應(yīng)方程式如下:

        (a) CN-+ClO-+H2O→CNCl+2OH-

        (b) CNCl+2OH-→CNO-+Cl-+H2O

        (c) CNO-+3ClO-+H2O→3Cl-+N2↑+2CO2↑+2OH-

        式(a)生成氯化氰的反應(yīng)瞬間即完成,且為劇毒物質(zhì),因此必須控制PH>11,以保證式(b)的CNO-瞬間完成(此時(shí)CNO-的毒性僅為CN-的1‰)。各類廢水集中到廢水處理站處理,處理達(dá)標(biāo)后排入河流。

        電鍍廢水處理工藝過程簡化示意圖,如圖2,含有高濃度氰化物的鍍液排放至濃氰收集槽內(nèi)。根據(jù)濃氰批處理的速度,每處理一批完成后,從濃氰收集槽中將濃氰鍍液泵入帶攪拌的氰化物批處理槽,對(duì)濃氰進(jìn)行批處理,用PH控制儀控制氫氧化鈉的加入以此來維持溶液的PH值。通過ORP控制儀來控制次氯酸鈉泵加入足量的次氯酸鈉以維持設(shè)定的氧化還原反應(yīng)電極電位。批處理過程中將放出大量的熱量,通過槽內(nèi)的冷凝系統(tǒng)來控制批處理槽的溫度。處理后的溶液直接泵入含氰廢水漂洗平衡槽。

        圖2 電鍍工藝廢水處理簡化示意圖Fig.2 Simpli fi ed schematic diagram of wastewater treatment in electroplating process

        為了保障電鍍工藝的安全運(yùn)行,也要保證廢水排放的達(dá)標(biāo),因此通過HAZOP-LOPA分析方法開展風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)評(píng)價(jià),通過HAZOP分析劃分廢水處理工藝節(jié)點(diǎn)后可以看出,濃氰批處理槽節(jié)點(diǎn)由于處理含氰濃度較高的廢水,因此危險(xiǎn)性較大,故本文選擇濃氰批處理槽節(jié)點(diǎn)為例,闡述HAZOP-LOPA分析方法在電鍍廢水處理工藝中的應(yīng)用。

        4.1 H A Z O P分析結(jié)果

        針對(duì)濃氰批處理槽節(jié)點(diǎn),運(yùn)用HAZOP分析方法,對(duì)工藝危險(xiǎn)性進(jìn)行識(shí)別,引導(dǎo)詞選擇為過量,參數(shù)為濃氰批處理槽溫度及腐蝕量,分析結(jié)果,見表2(限于篇幅,本文僅選擇兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行HAZOP分析)。

        4.2 L O P A分析

        (1)場景識(shí)別與篩選。

        根據(jù)上面HAZOP分析結(jié)果,選擇LOPA分析場景為濃氰批處理槽攪拌不充分或冷凝系統(tǒng)故障等原因使得槽罐溫度過高,槽罐失效泄漏導(dǎo)致中毒、火災(zāi)爆炸等事故。

        表2 HAZOP分析結(jié)果Tab.2 HAZOP analysis results

        (2)IE確認(rèn)。

        選擇IE為濃氰批處理槽攪拌不均勻,即調(diào)節(jié)器失效,根據(jù)參考文獻(xiàn)[8],調(diào)節(jié)器失效的故障頻率為0.1/a。

        (3)IPL評(píng)估。

        在本例中,人員行動(dòng)不能作為IPL,因?yàn)椴僮魅藛T不能總是在現(xiàn)場,不能假設(shè)獨(dú)立于任何報(bào)警的操作人員行動(dòng)能有效地檢測和組織釋放;兩路供電同時(shí)失效的概率為0.1;高溫聯(lián)鎖報(bào)警失效的概率為0.1。

        (4)場景頻率計(jì)算。

        由于濃氰批處理槽發(fā)生泄漏后可能造成的最大影響是中毒事件,因此,對(duì)式(1)進(jìn)行修正得到發(fā)生人員中毒事件的頻率方程如下所示:

        式中:

        —初始事件i為中毒事件的發(fā)生頻率,/a;

        Pex—人員暴露概率;

        Pd—人員受傷或死亡概率。

        本例中,選擇人員暴露概率為0.5,人員傷亡概率為0.5,則中毒事件發(fā)生概率為:

        (5)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與決策。

        濃氰批處理槽失效,槽罐發(fā)生泄漏,可能導(dǎo)致中毒、火災(zāi)和爆炸等事故,因此,后果等級(jí)為5,查表1風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣,根據(jù)后果等級(jí)5及發(fā)生頻率 ,可以確定事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn),因此,需要增加保護(hù)措施使風(fēng)險(xiǎn)降至中風(fēng)險(xiǎn)或低風(fēng)險(xiǎn),可以選擇一個(gè)獨(dú)立的安全儀表功能(SIF),用于阻止?jié)馇枧幚聿蹨囟冗^高失效。本例中,SIF可以采用獨(dú)立的溫度傳感器和有毒氣體報(bào)警儀,并與濃氰批處理槽入口控制閥及攪拌進(jìn)行聯(lián)鎖,當(dāng)檢測到槽內(nèi)溫度過高或存在有毒氣體時(shí),該SIF聯(lián)鎖可以關(guān)閉入口流量控制閥,并控制攪拌速率。根據(jù)GB/T 50770-2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10],該SIF的SIL等級(jí)為2(PFD為0.001),可以將中毒事件的發(fā)生頻率從 降低至 ,在風(fēng)險(xiǎn)矩陣中,事件的風(fēng)險(xiǎn)可由高降至低,從而使風(fēng)險(xiǎn)在可接受的范圍內(nèi)。HAZOP-LOPA分析結(jié)果,見表3。

        表3 HAZOP-LOPA 分析結(jié)果表Tab.3 HAZOP-LOPA analysis results

        5 結(jié)論

        本文采用HAZOP-LOPA分析方法對(duì)電鍍廢水處理工藝中的濃氰批處理槽進(jìn)行分析,在HAZOP分析的基礎(chǔ)上,選擇危險(xiǎn)性較高的場景進(jìn)行進(jìn)一步的LOPA分析,根據(jù)LOPA風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)決定SIL等級(jí),從而定量分析風(fēng)險(xiǎn)是否處于可接受范圍內(nèi)。案例分析表明,該分析方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的量化分級(jí),有利于電鍍企業(yè)提高風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)能力和安全管理水平,為電鍍企業(yè)的安全運(yùn)行提供保證。

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