徐 微工程師 孫勝利高級工程師

(北京國信安科技術(shù)有限公司，北京 100160)

0 引言

近些年，隨著食品企業(yè)氨制冷系統(tǒng)泄漏、火災爆炸事故頻發(fā)，氨制冷系統(tǒng)的安全性得到了越來越多的關(guān)注[1]。因此，提前開展該類事故的原因分析、評估現(xiàn)有保護措施的有效性和足夠性、明確整個系統(tǒng)所處的風險狀態(tài)，對于食品企業(yè)氨制冷系統(tǒng)提高工藝安全管理(Process Safety Management，PSM)水平，降低事故發(fā)生概率，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

在我國，HAZOP(Hazard and Operability Studies，HAZOP)和LOPA(Layers of Protection Analysis，LOPA)兩種方法在石油、化工企業(yè)的風險評估中得到了較為廣泛的應(yīng)用[2]，但在食品企業(yè)的實踐研究卻不多見，僅有少數(shù)學者將HAZOP方法運用于氨制冷系統(tǒng)的分析中[3-4]。考慮到HAZOP這種單一的定性評估方法還無法量化現(xiàn)有保護措施降低風險的能力，難以得到準確的評估結(jié)果，將其用于食品企業(yè)安全管理決策的效果不甚理想。

為此，本文提出將HAZOP和LOPA兩種方法組合應(yīng)用到食品企業(yè)氨制冷系統(tǒng)的風險評估中，以提高評估結(jié)果的客觀性和準確性，實現(xiàn)超前預防，消除潛在風險，避免氨泄漏事故發(fā)生。

1 HAZOP與LOPA方法概述

危險與可操作性分析(HAZOP)是一種定性的風險評估方法，用于識別系統(tǒng)中潛在的危險與可操作性問題，尤其是識別可能導致各種事故的工藝缺陷、設(shè)備故障、操作失誤。通過辨識潛在的偏差、分析其可能的原因并評估相應(yīng)的后果、明確現(xiàn)有保護措施，對不可接受的風險提出建議措施，從而預防事故的發(fā)生[5]。

但鑒于HAZOP定性分析存在無法評估每個保護措施可以降低多少風險、量化剩余風險等弊端[6]，在HAZOP分析的基礎(chǔ)上引入保護層分析(LOPA)。

LOPA分析是以定性危害分析為輸入，進一步評估保護層的有效性、是否有足夠的保護層使風險降到企業(yè)可接受水平，從而進行風險決策的一種半定量的系統(tǒng)性風險評估方法[7]。LOPA分析主要程序包括：初步篩選出HAZOP分析結(jié)果中風險等級高或后果嚴重性高的事故劇情作為LOPA分析場景；將HAZOP分析中偏差產(chǎn)生的原因作為LOPA分析的初始事件(Initial Event，IE)；識別HAZOP分析中現(xiàn)有保護措施能作為獨立保護層(Independent Protection Layer，IPL)的部分，并評估其失效概率；計算場景頻率；與企業(yè)可接受風險標準對照，評估風險并作出決策[7-8]。由此，應(yīng)用LOPA分析的定量特性來彌補HAZOP分析的不足。

2 氨制冷系統(tǒng)工藝描述

液氨制冷是食品行業(yè)應(yīng)用較多的一種制冷系統(tǒng)，主要利用氨的氣液相轉(zhuǎn)化，不存在化學反應(yīng)。工藝過程主要是壓縮機吸入低壓循環(huán)桶內(nèi)分離的氨氣，進行壓縮后，成為高壓、高溫氨氣，經(jīng)油氣分離器進行油分離后進入蒸發(fā)式冷凝器冷卻，釋放熱量后成為高壓、常溫液氨，進入輔助貯氨器、高壓貯氨器，從高壓貯氨器來的液氨經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓后，進入低壓循環(huán)桶，經(jīng)氨泵進入蒸發(fā)器內(nèi)，在蒸發(fā)器內(nèi)吸收冷庫的熱量使冷庫降溫，而液氨則蒸發(fā)成氨氣，返回低壓循環(huán)桶，氣液分離，氨氣再進入壓縮機，如此往復循環(huán)制造冷量，工藝流程，如下圖。

氨制冷系統(tǒng)中的主要風險來源于氨泄漏，其中壓縮機(排氣出口)、輔助貯氨器、高壓貯氨器、蒸發(fā)式冷凝器及其相連接的管路中均含有高壓氣體，較容易發(fā)生氨氣泄漏，是防范的重點。另外，液氨中不凝介質(zhì)的存在、人為操作失誤等也是風險的來源。

圖 氨制冷系統(tǒng)工藝流程圖Fig. The process flow diagram of ammonia refrigeration system

3 實例應(yīng)用

本文選取氨制冷系統(tǒng)的一個節(jié)點進行HAZOP和LOPA分析，節(jié)點的工藝流程描述為：高壓貯氨器向低壓循環(huán)桶補充液位，經(jīng)氨出料泵送至各制冷區(qū)，循環(huán)回低壓循環(huán)桶，實現(xiàn)液相循環(huán)，氣相進入壓縮機。

3.1 企業(yè)風險評估矩陣

HAZOP和LOPA分析采用的風險評估矩陣，見表1，其中很高風險和高風險不可接受，需要立即采取行動；中風險根據(jù)ALARP原則可選擇性地采取行動，盡量將風險降至低風險水平；低風險可以接受，不需采取措施。風險矩陣中嚴重性的詳細描述，見表2，一般考慮人員、財產(chǎn)、環(huán)境、聲譽4個方面的影響。

表1 風險評估矩陣表Tab.1 Matrix table of risk assessment

表2 風險評估矩陣嚴重性說明表Tab.2 Severity statement of matrix

續(xù)表

3.2 HAZOP和LOPA分析結(jié)果

節(jié)選的低壓循環(huán)桶液位的HAZOP分析記錄，見表3，LOPA分析記錄，見表4。

表3 HAZOP分析記錄表(節(jié)選一個偏差)Tab.3 HAZOP records table(excerpt from a bias)

表4 LOPA分析記錄表(節(jié)選一個場景)Tab.4 LOPA record table(excerpt from a scenario)

從表3可以看出，HAZOP分析出了“進料閥門故障過度進料，導致低壓循環(huán)桶液位過高，壓縮機吸氣帶液，發(fā)生液擊，損壞壓縮機，嚴重時氨氣泄漏，遇火源發(fā)生火災爆炸”的后果。對該場景進行LOPA分析，見表4，其中進料閥門故障的失效概率為0.1；人員每2小時巡檢20min計算得到人員暴露頻率為0.16(20/120)；當前3個獨立保護層可以將風險頻率降至1.6×10-5(分析過程中判定低壓循環(huán)桶設(shè)有液位指示高報警聯(lián)鎖關(guān)閉進料閥為共因失效，不能作為IPL)，根據(jù)后果嚴重性為C4(1-2人死亡或喪失勞動能力；3-9人重傷)的可接受頻率宜10-6～10-5，由此可知，評估結(jié)果為SILA無特殊SIL等級需求，可選擇性增加建議措施。

4 措施建議

目前，食品企業(yè)氨氣制冷系統(tǒng)的自動化控制程度仍不完善，建議在裝置改擴建時按照《冷庫設(shè)計規(guī)范》(GB 50072-2010)等相關(guān)標準規(guī)范進行增設(shè)，如很多企業(yè)氨氣濃度高報警時還采用手動啟動水噴淋系統(tǒng)，但該措施并不能作為獨立保護層，改造時可選擇增設(shè)一臺應(yīng)急系統(tǒng)控制站，實現(xiàn)氨氣濃度高時自動聯(lián)鎖啟動水噴淋系統(tǒng)(水稀釋或吸收泄漏物趨于安全狀態(tài))，以消減風險頻率(1×10-1)，提高風險防控能力。另外，也可通過日常的管理措施預防事故發(fā)生，如壓力容器、壓力管道、儀表、安全附件的定期校驗等。

5 結(jié)論

氨是國家重點監(jiān)控的危險化學品(安監(jiān)總管三[2011]95號和安監(jiān)總管三[2013]12號)，一旦發(fā)生泄漏，可能存在對人員造成腐蝕、中毒，遇高溫火源發(fā)生爆炸的危害，因此，確保氨制冷過程的安全性是非常重要的。

(1)HAZOP與LOPA的融合，能夠更全面和系統(tǒng)地分析出氨制冷系統(tǒng)潛在的風險，彌補HAZOP分析難以量化的不足，提高了風險評估結(jié)果的準確性。

(2)LOPA分析得到的剩余風險值，有助于確定是否需要增加安全儀表系統(tǒng)(Safety Instrumented System，SIS)及其要求的安全完整性等級(Safety Integrity Level，SIL)，如本文實例結(jié)果為SILA表明現(xiàn)有的DCS控制系統(tǒng)基本滿足風險可接受水平，可不增設(shè)獨立的SIS系統(tǒng)，為食品企業(yè)安全管理決策提供科學依據(jù)。