趙振峰，胡 川

（中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266101）

近幾年，隨著煉油化工企業(yè)規(guī)模越來越大，裝置越來越密集，煉化企業(yè)裝置事故風(fēng)險(xiǎn)也越來越大。筆者根據(jù)近年來HAZOP 分析[1]統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)企業(yè)中很多裝置存在高壓串低壓工況的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是加氫裝置，但很多人對相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)及防控措施認(rèn)識不足，潛在高壓串低壓導(dǎo)致容器破裂，發(fā)生人員傷亡的危險(xiǎn)。

鑒于當(dāng)前情況，本文根據(jù)實(shí)際案例運(yùn)用保護(hù)層分析（LOPA）[2]分析方法系統(tǒng)分析高壓串低壓事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，并提出相應(yīng)的措施。

1 保護(hù)層分析（LOPA）簡介

保護(hù)層分析分析是一種半定量分析方法，通過保護(hù)層分析分析能夠幫助分析人員更加直觀的了解裝置工藝系統(tǒng)與操作中存在的隱患與缺陷，從而更好的預(yù)防事故發(fā)生。

保護(hù)層分析（LOPA）技術(shù)是在危險(xiǎn)識別的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步評估事故場景中保護(hù)措施的有效性，確保事故場景的風(fēng)險(xiǎn)減少到可接受水平的一種方法，其典型的分析過程見圖1。

圖1 典型的LOPA 分析圖

2 事故案例分析

2.1 某煉油廠加氫裝置低壓分離器超壓爆炸事故

1）事故經(jīng)過

某時，某煉油廠加氫裝置高低氣液壓分離器因超壓導(dǎo)致爆炸，最終發(fā)生大火。事故導(dǎo)致1 人死亡，裝置損壞嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)7850 多萬美元。

2）事故分析

原因：加氫裝置處于待進(jìn)料狀態(tài)，高壓氣液分離器和低壓氣液分離器聯(lián)通管線液位控制閥為手動操作狀態(tài)，且液位控制閥處于全開位置。

后果：由于高壓分離器尚未進(jìn)料，高壓分離器沒有進(jìn)料來源，因此高壓分離器液位被快速壓空，高壓分離器（操作壓力為15MPa）的高壓氣體串至低壓分離器（設(shè)計(jì)壓力遠(yuǎn)為3.0MPa），存在高壓串低壓風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致低壓分離器嚴(yán)重超壓，最終造成容器破裂，遇點(diǎn)火源發(fā)生爆炸火災(zāi)。

3）保護(hù)層分析

保護(hù)層分為預(yù)防性措施和減緩性措施。本次事故中的保護(hù)層情況如下：

該裝置防止事故發(fā)生的保護(hù)層有2 個，任何一個保護(hù)層有效，都可避免事故發(fā)生，但都因操作失誤或設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致保護(hù)層失效。具體失效原因如下：

①保護(hù)層：高壓分離器液位低報(bào)警及人員響應(yīng)，通知人員手動遙控關(guān)閉通往低壓分離器的液位調(diào)節(jié)閥。

失效原因：雖然為防止液位過低，在高壓分離器設(shè)置了液位低報(bào)警及人員響應(yīng)。但該液位報(bào)警長期處于失效狀態(tài)，沒有及時手動遙控關(guān)閉液位調(diào)節(jié)閥，因此改保護(hù)層沒有起到應(yīng)有的保護(hù)作用。

②保護(hù)層：低壓分離器安全閥

失效原因：由于裝置尚未開始進(jìn)料，低壓分離器出口閥處于關(guān)閉狀態(tài)。因低壓分離器的安全閥沒有考慮此種高壓串低壓工況下排放量。盡管低壓分離器安全閥已起跳泄壓，但因安全閥泄放能力不足，無法阻止低壓分離器壓力急劇上升，導(dǎo)致低壓分離器嚴(yán)重超壓，最終造成容器破裂，遇點(diǎn)火源發(fā)生爆炸火災(zāi)。

2.2 某石化企業(yè)加氫裝置原料緩沖罐超壓爆炸事故

1）事故經(jīng)過

某石化企業(yè)加氫裝置的原料緩沖罐（設(shè)計(jì)壓力0.38MPa）發(fā)生嚴(yán)重超壓，原料緩沖罐破裂，導(dǎo)致原料緩沖罐爆炸著火，最終導(dǎo)致2 人死亡、1 人輕傷。

2）事故分析

原因：循環(huán)氫壓縮機(jī)因潤滑油壓力低低聯(lián)鎖，觸發(fā)循環(huán)氫壓縮機(jī)停機(jī)和原料進(jìn)料泵停泵，但因原料進(jìn)料泵出口管線止回閥失效，人員誤操作，未及時關(guān)閉泵出口手閥，且原料進(jìn)料泵出口管線未設(shè)置緊急切斷閥，未能及時阻斷加氫反應(yīng)器物料反串。

后果：加氫反應(yīng)器（操作壓力5.7MPa）內(nèi)高壓介質(zhì)通過原料進(jìn)料泵出入口倒竄入加氫原料緩沖罐（設(shè)計(jì)壓力0.38MPa），發(fā)生高壓串低壓事故，導(dǎo)致加氫原料緩沖罐嚴(yán)重超壓，緩沖罐破裂損壞，最終發(fā)生爆炸著火，人員傷亡事故。

3）保護(hù)層分析

①保護(hù)層：進(jìn)料泵停狀態(tài)指示報(bào)警及人員響應(yīng)失效原因：操作人員失誤，未及時響應(yīng)報(bào)警信號，及時關(guān)閉泵出口手閥。

②保護(hù)層：泵出口前設(shè)有止回閥

失效原因：泵出口前止回閥管理不善，止回效果差，導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)物料大量串至原料緩沖罐。

③保護(hù)層：原料緩沖罐安全閥

失效原因：原料緩沖罐的安全閥沒有高壓串低壓工況下泄放量考慮。盡管原料緩沖罐破裂前安全閥已動作，但泄放不足而無法阻止原料緩沖罐壓力急劇上升，最終導(dǎo)致緩沖罐超壓爆炸著火。

3 運(yùn)用保護(hù)層分析高壓串低壓工況

以某煉油廠加氫裝置低壓分離器超壓爆炸事故為例，使用LOPA 分析方法確定裝置高壓串低壓工況下保護(hù)層設(shè)置情況。

在本次分析中首先假設(shè)以下幾個條件：

1）后果嚴(yán)重性為“1～2 人死亡”，根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)》（GB 36894-2018） （2019-3-1 實(shí)施）[3]中低密度區(qū)域個人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)概率值為1×10-5。

2）初始事件的原因：液位控制回路故障概率PFD 為0.1；

3）初始事件僅考慮一個原因，其他未展示（選取最大頻率計(jì)算）；

4）高壓分離器液位低報(bào)警（報(bào)警設(shè)定值、報(bào)警響應(yīng)時間）故障概率PFD 為0.1；

5）人員暴露概率：高壓分離器液位低報(bào)警時，人員可能進(jìn)入裝置檢查，此時人員暴露概率為1；

6）未設(shè)置低壓分離器壓力高高聯(lián)鎖或高壓分離器液位低低聯(lián)鎖回路，不進(jìn)行削減。

7）低壓分離器設(shè)置安全閥，但未考慮高壓串低壓工況下的泄放能力（不可作為保護(hù)層），不進(jìn)行削減。

保護(hù)層事故率統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 保護(hù)層事故概率情況表

根據(jù)保護(hù)層事故概率計(jì)算公式：

通過計(jì)算，此事故場景最終概率為1×10-3，而個人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)概率值為1×10-5，大于《13 號令》中個人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)概率值，此時的保護(hù)層不足，需要增加保護(hù)層，根據(jù)實(shí)際情況要求，建議增加一個SIF 回路聯(lián)鎖，當(dāng)?shù)蛪悍蛛x器壓力過高或高壓分離器液位低低時，切斷低壓分離器進(jìn)料管線。通過計(jì)算后，該回路的安全完整性等級（SIL）為SIL2。

一般SIL2 的聯(lián)鎖回路費(fèi)用較高，若是在設(shè)計(jì)過程中將低壓分離器的安全閥泄放量按照高壓串低壓工況考慮，則此回路的安全完整性等級（SIL）可按照SIL 回路考慮。

例如，國內(nèi)某企業(yè)加氫裂化裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)緩沖罐液位傳感器失效，緩沖罐液位已為零液面，但DCS 系統(tǒng)畫面中液位指示仍為50%，但最后緩沖罐設(shè)置的液位低低聯(lián)鎖及時觸發(fā)，進(jìn)行緊急泄壓，裝置停工，避免爆炸火災(zāi)事故發(fā)生。此案例與案例中煉油廠加氫裝置低壓分離器超壓爆炸事故中場景一樣，高壓側(cè)物料串至低壓側(cè)儲罐，但因?yàn)榫彌_罐設(shè)置液位低低聯(lián)鎖，關(guān)閉低壓罐進(jìn)料閥，僅引發(fā)裝置停車，阻止了事故進(jìn)一步發(fā)生。

4 保護(hù)層設(shè)置及管理要求

1）保護(hù)層管理是在充分辨識風(fēng)險(xiǎn)情況下完成的，很多事故是由于對裝置高壓竄低壓的風(fēng)險(xiǎn)識別不足。因此在開展LOPA 分析時，要先進(jìn)行足夠的危險(xiǎn)辨識分析。

2）在LOPA 中，需要對提出或提供的獨(dú)立防護(hù)層的有效性進(jìn)行分析驗(yàn)證。這些保護(hù)層綜合的效果將會與可接受風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對。如果滿足企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)則不需要提供額外的風(fēng)險(xiǎn)降低措施。如果其不符合風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)則需要增加額外的風(fēng)險(xiǎn)降低措施。這種額外的風(fēng)險(xiǎn)降低可以通過提高安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的SIL 等級或是增加更多的保護(hù)層來達(dá)到。

3）對于已有保護(hù)層，應(yīng)加強(qiáng)管理，所有保護(hù)層都要充分考慮能否有效阻止事故發(fā)生。同時對于風(fēng)險(xiǎn)較大的事故場景（1～2 人死亡），各級保護(hù)層經(jīng)按照下列要求設(shè)置。

①針對事故場景，在適當(dāng)?shù)那闆r下，提高設(shè)備設(shè)施性能，使裝置達(dá)到本質(zhì)安全設(shè)計(jì)。

②定期對控制回路進(jìn)行檢測檢驗(yàn)，提高儀表安全可靠性。

③事故場景中的涉及的報(bào)警信號應(yīng)按照“最高優(yōu)先級”設(shè)置，同時制定相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，確保事故發(fā)生時，操作人員響應(yīng)，第一時間阻止事故進(jìn)一步發(fā)展。

④在現(xiàn)有保護(hù)層不足時，可增加SIS 聯(lián)鎖，但要對SIF 功能回路進(jìn)行定級及驗(yàn)證，以滿足實(shí)際保護(hù)層的要求。

同時還要考慮不同聯(lián)鎖回路間，聯(lián)鎖動作是否全面或沖突等。例如某石化企業(yè)柴油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)因潤滑油壓力低低聯(lián)鎖，觸發(fā)循環(huán)氫壓縮機(jī)停機(jī)和原料進(jìn)料泵停泵，應(yīng)設(shè)置原料進(jìn)料泵出口管線壓力或流量低低聯(lián)鎖關(guān)閉泵出口閥門，若設(shè)置類似聯(lián)鎖，可以有效降低裝置的風(fēng)險(xiǎn)。

⑤安全閥要按照事故最大泄放量考慮。

設(shè)備超壓工況下，安全閥是一個有效的保護(hù)措施，但事故案例中的安全閥都沒有按照事故最大泄放量考慮，導(dǎo)致即使安全起跳，也不能阻止設(shè)備超壓，最終發(fā)生爆炸事故。

5 結(jié)語

本文結(jié)合加氫裝置高壓串低壓的風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)用LOPA 分析方法，系統(tǒng)分析此工況下保護(hù)層的有效性。高壓串低壓工況是裝置生產(chǎn)中一個風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，通過對事故案例使讀者對保護(hù)層有一個完整的認(rèn)識，運(yùn)用LOPA 分析方法，針對性的實(shí)施防范措施，能夠盡可能減少事故發(fā)生，有效保障化工裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行。