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        基于HAZOP和SAFETI的液氨泄漏風險評估

        2020-08-27 02:17:48王大震
        安全 2020年7期
        關鍵詞:液氨制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器

        王大震

        (首都經濟貿易大學 管理工程學院,北京 100070)

        0 引言

        隨著國內經濟快速發(fā)展,化工工業(yè)在社會各級逐步發(fā)展,化工企業(yè)正逐漸向著鞏固設備、提升效率、裝置智能化、技術整合化等方面邁進,以確保能源的可持續(xù)利用,確保社會環(huán)境文明的健康發(fā)展和工業(yè)經濟的平穩(wěn)發(fā)展,因此對化工技術和生產條件的要求也在穩(wěn)步上升。一般來說,化工企業(yè)中多數(shù)化學品都具有一些危險特性,會造成十分嚴重的后果,例如易燃、易爆、有毒或易腐蝕等,其技術要求、生產條件通常伴隨著高溫、高壓等,因此需要對化工企業(yè)的風險進行評估和防控,以避免或降低對企業(yè)造成災難性后果的可能[1]。

        化工企業(yè)使用風險評估方法來評估生產技術流程是確保系統(tǒng)安全運行的重要方法。目前,國內外學者們已經提出了多種安全分析和評價方法,例如故障樹分析(FTA)、事件樹分析(ETA)、預先危險性分析(PHA)、危險與可操作性分析(HAZOP)、安全檢查表分析技術(SCL)、故障類型和影響分析(FMEA)、帝國化學公司蒙德法和道化學公司法等。其中HAZOP是一種高度專業(yè)化、結構化、系統(tǒng)化的定性安全評價方法[2]。它可以把某一系統(tǒng)視為連續(xù)的過程,分析該系統(tǒng)運行中的變量波動情況,判斷其中未知的危險,并識別導致該危險的因素及可能造成的危險后果,在風險評估工作中被廣泛應用。

        本文將HAZOP分析和SAFETI軟件相結合,對注氨過程進行了風險分析,全面分析系統(tǒng)的操作危險性并進行精確量化,風險評估結果更具有實踐和理論意義。

        1 風險評估方法

        在化工企業(yè)中,不同的系統(tǒng)采用的風險評估方法不同。儲罐系統(tǒng)相對于其他化學工藝而言,風險影響因素更繁雜,環(huán)境也更惡劣,人為破壞風險高且易受侵蝕。此外,儲罐系統(tǒng)儲存的化學物質大多危險性較高,造成傷害較強,一旦發(fā)生意外泄漏,極可能發(fā)生火災、爆炸等事故,造成人員中毒、傷亡等,還伴隨著不可估量的財產損失,對周邊的環(huán)境也有巨大的影響,所以選取合適的風險評估方法尤為重要。

        1.1 危險可操作性分析(HAZOP)方法

        HAZOP分析能從系統(tǒng)結構出發(fā),識別出存在的設計缺陷和潛在風險以及流程中的操作性問題。它可以把某一系統(tǒng)視為連續(xù)的過程,分析該系統(tǒng)運行中的變量波動情況,判斷其中未知的危險,并識別導致該危險的因素及可能造成的危險后果。

        在進行HAZOP分析時,首先需要確定分析對象,即風險評估系統(tǒng),了解并掌握工藝流程圖(PID)和工作原理,之后對系統(tǒng)進行劃分,得出多個合理的分析節(jié)點,再引入引導詞,結合每個節(jié)點的工藝參數(shù),識別出可能存在的工藝參數(shù)波動。將不同引導詞結合各個工藝參數(shù),就可以得出多個偏差。在此之后,對每個節(jié)點進行依次分析,結合不同的工藝參數(shù)指標,對這些偏差產生的原因、后果進行綜合分析,并提出應采用的管控措施。在采用HAZOP分析方法時,總體把握整個系統(tǒng)運作之后,要識別全流程中各節(jié)點的參數(shù)變化,并分析這些變化對整個系統(tǒng)帶來的影響。此外,需要假設企業(yè)原有的安全防護和監(jiān)管設施都處于失效的狀態(tài),分析所有潛在的風險后果,并對其危險性進行評價[3]。HAZOP引導詞及含義,見表1。

        表1 HAZOP引導詞及含義

        1.2 SAFETI程序

        危險可操作性分析(HAZOP)在風險評估中具有一定的不足。偏差具有模糊性、評價結果存在不準確性,而且分析過程的可操作性不足,采用HAZOP分析和SAFETI模擬相結合的方法。SAFETI的流程,如圖1。

        SAFETI安全軟件包是由挪威船級社(DNV)公司開發(fā)的,用于定量風險分析和危險性評價。它可以模擬物質的釋放、擴散過程,并通過在選擇特定事故情況(如設備斷裂、泄漏或管道破裂等)時,指定某些技術參數(shù),從而得出其影響范圍和傷害程度;最后,事故的風險值可通過將該事件發(fā)生的概率與事件發(fā)生后果的風險值結合來計算[4]。

        圖1 SAFETI模擬流程圖Fig.1 SAFETI simulation flow chart

        2 液氨制冷系統(tǒng)工藝流程的風險識別

        2.1 液氨制冷系統(tǒng)工藝流程

        本文研究對象為某化工廠液氨制冷系統(tǒng)的儲罐。液氨制冷循環(huán)中,蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和節(jié)流閥是不可或缺的4大部分,通過管道連接為一個封閉循環(huán)系統(tǒng),工作原理,如圖2。

        圖2 液氨制冷工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of liquid ammonia refrigeration

        在整個液氨制冷系統(tǒng)中,氨壓縮機作為輸入功的設備,主要用于輸送制冷劑蒸汽,還要確保蒸發(fā)器處于低壓運行狀態(tài)、冷凝器處于高壓運行的狀態(tài);蒸發(fā)器是往向外傳輸冷量的設備,主要利用制冷劑在低溫低壓下蒸發(fā)來吸收外界熱量來達到制冷的效果;冷凝器是釋放熱量的設備,高壓狀態(tài)下,制冷劑蒸汽把從蒸發(fā)器吸收的熱量和壓縮功轉化的熱量共同傳遞給冷卻介質,冷凝成較高溫度的液體;節(jié)流閥將經過冷凝器冷凝的制冷劑液體進行節(jié)流降壓,并釋放進入蒸發(fā)器。在這一步通過控制和調節(jié)制冷劑的流量,可將系統(tǒng)分為高壓側和低壓側2部分。當然,為了增加系統(tǒng)的經濟性、安全性和可靠性,在實際的制冷系統(tǒng)中還增加了很多輔助設備,例如氣液分離器、油分離器、油冷卻器、空氣分離器、貯液器、集油器、過濾器以及安全附件、閥門等。液氨冷卻時,從蒸發(fā)器中釋放出來的低溫氨蒸汽會首先進入壓縮機變?yōu)楦邷馗邏旱倪^熱蒸汽,隨后進入冷凝器。由于高溫高壓過熱氨氣的溫度高于其所處的環(huán)境介質溫度,且壓力能使氨氣從冷凝變成液體狀態(tài),因而排至冷凝器時,氨氣經冷卻、冷凝成為高壓常溫的氨液。生成的高壓常溫氨液通過節(jié)流閥時,因節(jié)流而壓力降低。與此同時,氨液因沸騰蒸發(fā)吸熱使本身的溫度也相應下降,最終變成了低壓低溫的氨液。只要再把這種低壓低溫的氨液引入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā),即可使其周圍空氣及物料的溫度下降,從而達到制冷的目的。從蒸發(fā)器出來的低壓低溫氨氣再重新進入壓縮機,從而完成一個制冷循環(huán)。重復進行上述過程即可達到制冷的效果。在這個過程中冷卻水是不可缺少的,在帶走冷凝器放出的熱量后再到循環(huán)水冷卻塔完成重新冷卻,循環(huán)使用[5]。

        2.2 液氨制冷系統(tǒng)HAZOP分析

        在采用HAZOP方法研究液氨制冷系統(tǒng)時,以液氨儲罐、氨壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、閥門和管道為節(jié)點,采用的偏差,見表2。

        表2 HAZOP組成的偏差

        3 風險分析

        該化工企業(yè)液氨制冷系統(tǒng)存在多種安全隱患,本文以液氨泄漏事故為研究對象,做出以下分析。

        3.1 液氨泄漏事故可能性分析

        液氨制冷系統(tǒng)泄漏部位多,泄漏形式多樣,對液氨制冷系統(tǒng)中可能發(fā)生氨泄漏的部位有管道、閥門、儲罐、接頭等。根據HAZOP分析的偏差選擇,結合可能發(fā)生氨泄漏的部位,討論分析得出氨泄漏事故的結果與原因,見表3。

        表3 氨泄漏結果與原因分析

        若液氨制冷系統(tǒng)中發(fā)生泄漏事故,可能會是部分管徑泄漏、全管徑泄漏和罐體局部泄漏,導致其發(fā)生的原因有儲罐破裂、管道破裂、閥門失效和接頭損壞等。

        3.2 液氨泄漏事故后果分析

        事故后果的模擬分析過程采用SAFETI軟件來進行。建立事故模型,本文的模擬對象為罐體發(fā)生泄漏的液氨儲罐。

        (1)確定模擬參數(shù)。

        泄漏對象:壓力容器;泄漏物料:AMMONIA(氨),儲量為160kg;溫度為28℃;壓力為3MPa;泄漏高度:2m;泄漏孔徑:13mm;擴散距離:30、60、90m等3種。

        氣候條件:天氣1:風速2m/s,大氣穩(wěn)定度D級(中性);天氣2:風速5m/s,大氣穩(wěn)定度C級(中度不穩(wěn)定)。

        (2)事故模擬及分析。

        圖3、4給出了泄漏擴散側視圖和俯視圖。

        圖3 泄漏擴散側視圖Fig.3 Side view of leakage diffusion

        圖4 泄漏擴散俯視圖Fig.4 Top view of leak diffusion

        在上述情況下液氨泄漏事故發(fā)生時順風方向的氨擴散范圍和最大順風距離。為了不對周邊的人員造成任何傷害,在天氣1的條件下,隔離距離應不小于50.6m,隔離寬度(以泄漏位置所在中心線為中點)應不小于18.4m,隔離高度應不低于11.5m;在天氣2的條件下,隔離距離應不小于22m,隔離寬度應不小于12m,隔離高度應不低于8.7m。

        圖5給出了泄漏毒性死亡概率圖。在上述情況下液氨泄漏事故發(fā)生時順風方向的毒性致死率分布。最高致死率發(fā)生于天氣1時順風距離25m無建筑物空曠的位置,概率可高達0.58%。其次是天氣1時順風距離25m建筑物內且通風的位置,概率為0.1%。

        圖5 泄漏毒性死亡概率圖Fig.5 Probability diagram of leakage toxicity death

        在天氣2的條件下,由于風速過大,泄漏的氨氣擴散速度會非???,致害濃度滯留時間也相對較短,從而使得致死率極低,可忽略不計。

        4 風險評估結果及管控措施

        4.1 風險評估結果

        在該化工企業(yè)的液氨制冷系統(tǒng)工作過程中,可能會發(fā)生多種氨泄漏事故,導致人員中毒或傷亡。其中最主要原因是儲罐罐體的破裂或管路、設備的故障問題。其次,如果風險監(jiān)察裝置(如壓力表、溫度計、氨泄漏檢測裝置等)沒有配備或失效,也會導致無法及時發(fā)現(xiàn)氨氣泄漏,從而導致人員中毒或傷亡。

        當儲罐發(fā)生氨泄漏后,不同的天氣條件和地理環(huán)境導致的傷害結果不同,造成的損失也不同。在上述模擬條件時,應安排如下應急行動:

        (1)天氣1(風速2m/s,大氣穩(wěn)定度D級)發(fā)生儲罐氨泄漏事故,人員應盡快疏散至順風方向50.6m以外,隔離寬度大于18.4m,隔離高度大于11.5m。

        (2)天氣2(風速5m/s,大氣穩(wěn)定度C級)發(fā)生儲罐氨泄漏事故,人員應盡快疏散至順風方向22m以外,隔離寬度大于12m,隔離高度大于8.7m。

        管道、閥門或接頭處發(fā)生泄漏事故也是同理。

        4.2 管控措施

        根據上述風險評估過程,化工企業(yè)在安全管理方面需要做到以下幾點。

        (1)液氨泄漏事故最主要原因是儲罐罐體的破裂或管路、設備的故障問題。風險監(jiān)察裝置(如壓力表、溫度計、氨泄漏檢測裝置等)沒有配備或失效是第二原因。儲罐需要設置壓力表,現(xiàn)場設置壓力指示高報警器;儲罐設置溫度計,現(xiàn)場設置溫度指示高報警器;儲罐設置液位計,現(xiàn)場設置液位指示高報警器;液氨系統(tǒng)設置多個安全閥,并且可以由工作人員遠程控制;現(xiàn)場設置自動噴淋系統(tǒng)、液氨泄漏檢測裝置等。制定嚴格的設備管理制度,定期檢查、維修罐體和管路設備等,也要核查監(jiān)督儀器(如壓力表、噴淋頭等)的功能。

        (2)定期開展員工培訓及考核,增強安全意識,且確保其有充足的安全知識和獨立解決部分應急事件的能力。制定嚴格的監(jiān)管制度,按時安排安全專員對現(xiàn)場進行抽檢,避免人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)的存在。定期開展安全演練,提高員工的安全意識和應急防護能力。

        (3)制定液氨儲罐泄漏應急預案。如果在該廠區(qū)發(fā)生液氨儲罐泄漏事故,一定要首先注意此時的風向及風速等自然條件。企業(yè)要在事故發(fā)生的第一時間,啟動應急方案,組織人員盡可能地沿逆風方向撤離和疏散,同時要清楚地了解需要撤離的安全距離;若附近有較高的地形或建筑,需要注意安全高度。此外,要確保致傷率、致死率高的區(qū)域沒有人員的存在。

        5 結論

        (1)采用HAZOP和SAFETI工具分析液氨泄漏風險。液氨泄漏的最主要原因是儲罐罐體的破裂或管路、設備的故障問題。風險監(jiān)察裝置(如壓力表、溫度計、氨泄漏檢測裝置等)沒有配備或失效,也會導致無法及時發(fā)現(xiàn)氨氣泄漏。

        (2)運用SAFETI軟件進行事故模擬。通過設定參數(shù)值與環(huán)境條件,對不同的事故后果做直觀地定量地把握。當風速2m/s,大氣穩(wěn)定度D級時,發(fā)生儲罐氨泄漏事故,人員應盡快疏散至順風方向50.6m以外,隔離寬度大于18.4m,隔離高度大于11.5m;當風速5m/s,大氣穩(wěn)定度C級時,發(fā)生儲罐氨泄漏事故,人員應盡快疏散至順風方向22m以外,隔離寬度大于12m,隔離高度大于8.7m。

        (3)風險管控措施要依據風險評估結果進行針對性改進,液氨泄漏應急預案要依據風險評估結果進行針對性的編制。

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