彭堯　陳宇

摘? 要：液化天然氣（LNG）是一種極易燃的危險(xiǎn)化學(xué)品，在LNG生產(chǎn)的吸附、液化流程中存在著泄露、點(diǎn)燃與爆炸風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要分析LNG生產(chǎn)工藝的風(fēng)險(xiǎn)等級。該文通過危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP）分析確定工藝流程的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。在此基礎(chǔ)上，通過保護(hù)層分析（LOPA）對可能出現(xiàn)的過程事故因素、可能導(dǎo)致的嚴(yán)重后果和現(xiàn)有的保護(hù)措施進(jìn)行定量評價(jià)，確定風(fēng)險(xiǎn)的類型與等級大小，分析獨(dú)立保護(hù)層關(guān)鍵控制措施對主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)是否有效，將生產(chǎn)中的危險(xiǎn)性盡可能降低，進(jìn)而提高LNG生產(chǎn)工藝的安全性。

關(guān)鍵詞：危險(xiǎn)與可操作性分析? ?保護(hù)層分析? ?LNG? ?生產(chǎn)工藝? ?風(fēng)險(xiǎn)評估

中圖分類號：TQ241.14;TQ086? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）09（b）-0038-05

Study on Safety Risk Assessment of LNG Production Process

PENG Yao? CHEN Yu

（Mianyang Flight College of Civil Aviation Flight University of China， Mianyang， Sichuan Province， 621000? China）

Abstract： Liquefied natural gas （LNG） is an highly flammable and dangerous chemical. There are risks of leakage， ignition and explosion in the adsorption and liquefaction process of LNG production. Therefore， it is necessary to analyze the risk level of LNG production process. This paper determines the potential safety risks of the process flow through hazard and operability （HAZOP） analysis. On this basis， the possible process accident factors， possible serious consequences and existing protection measures are quantitatively evaluated by protective layer analysis （LOPA）， determine the type and level of risk， analyze whether the key control measures of independent protective layer are effective for the main risk points， reduce the risk in production as much as possible， and then improve the safety of LNG production process.

Key Words： Hazard and operability analysis; Layer of protection analysis; LNG; Production process; Risk assessment

液化天然氣（LNG）由于其易燃易爆與低溫高壓性質(zhì)，屬于重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品。某企業(yè)LNG液態(tài)設(shè)計(jì)產(chǎn)量為72 t/d（-135 ℃，0.6 MPa.（G）），構(gòu)成了三級重大危險(xiǎn)源。根據(jù)國家安全監(jiān)管總局規(guī)定，凡是涉及“兩重點(diǎn)一重大”的生產(chǎn)工藝，須在全面開展過程危險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，通過風(fēng)險(xiǎn)分析確定安全儀表功能及其風(fēng)險(xiǎn)降低要求，并評估現(xiàn)有安全儀表功能是否滿足風(fēng)險(xiǎn)降低要求。

在工業(yè)安全評價(jià)分析過程中，學(xué)者們廣泛采用了危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP）分析與保護(hù)層分析（LOPA）方法，建立了相應(yīng)的安全評價(jià)模型，并逐漸完善、改進(jìn)了評價(jià)體系。王占頂?shù)热薣1]將HAZOP和LOPA聯(lián)合分析，評估硫磺回收裝置保護(hù)層的有效性，滿足風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)。閆放等人[2]引入相離度值來定量表述風(fēng)險(xiǎn)后果的嚴(yán)重程度，定量化地表述LOPA分析結(jié)果。齊峰等人[3]計(jì)算事故場景的發(fā)生頻率與嚴(yán)重性時(shí)考慮事故的多米諾效應(yīng)，增加評估結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。高玉格等人[4]通過HAZOP和LOPA分析了涉氨企業(yè)最小隔離區(qū)域范圍，發(fā)現(xiàn)當(dāng)保護(hù)措施有效時(shí)，最小隔離區(qū)域可劃分在企業(yè)范圍內(nèi)。陶冶等人[5]引入削減系數(shù)與故障樹分析（FTA）集成的方法對傳統(tǒng)LOPA進(jìn)行改進(jìn)，避免了傳統(tǒng)方法過于保守的評價(jià)結(jié)果。宋高峰人[6]等研究儲(chǔ)罐腐蝕聲發(fā)射源特性，建立基于反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的安全評價(jià)模型，并證實(shí)了該方法的有效性。李元軍人[7]提出涵蓋工藝、設(shè)備和變更3個(gè)方面的HAZOP分析方法，確保分析的完整性，拓展了分析理念和方法的運(yùn)用范圍。葉海旺等人[8]通過HAZOP分析臺(tái)階爆破中存在的危險(xiǎn)因素，運(yùn)用層次分析法（AHP）確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，最后基于模糊理論得到臺(tái)階爆破安全評分等級。Meng Y等[9]利用HAZOP報(bào)告中隱藏的偏差傳播關(guān)系優(yōu)化警報(bào)管理系統(tǒng)，建立了檢測硬件故障和不合理報(bào)警閾值的方法。胡川等人[10]計(jì)算修正因子時(shí)分析了人員暴露概率與IPL、后果場景的關(guān)系，使LOPA計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。王雨茜[11]根據(jù)定性與定量的安全風(fēng)險(xiǎn)分析方法，開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算軟件，提高了SIL計(jì)算的準(zhǔn)確性。周曉穎等人[12]根據(jù)HAZOP分析結(jié)果為基礎(chǔ)構(gòu)建工藝風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果與實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程有機(jī)在線結(jié)合。李海峰等人[13]應(yīng)用HAZOP分析了聚醚裝置聚合單元潛在的危害性因素，提供了隱患整改依據(jù)。邱澤陽等人[14]運(yùn)用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘的方法建立了指標(biāo)偏離度計(jì)算模型，分析結(jié)果與運(yùn)行情況相符。

研究結(jié)果顯示，HAZOP分析對于確定危險(xiǎn)和識別設(shè)計(jì)、操作對規(guī)范的偏離（如設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程等）是非常有效的。同時(shí)，也可利用HAZOP分析找出可能引發(fā)事故的隱患并對其進(jìn)行評估。在定性危害分析的基礎(chǔ)上，LOPA分析可以進(jìn)一步評估保護(hù)層的有效性，對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行相對量化（準(zhǔn)確到數(shù)量級）的研究，從而判斷在該場景發(fā)生時(shí)系統(tǒng)所處的風(fēng)險(xiǎn)水平是否達(dá)到可容許風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。因此，該文將HAZOP與LOPA兩個(gè)分析評價(jià)方法結(jié)合，對LNG生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行全面的安全評價(jià)分析。

1? 背景介紹

1.1 工藝流程

該企業(yè)LNG生產(chǎn)工藝主要包括分子篩吸附脫水和二氧化碳、活性炭吸附脫苯、氮?dú)庋h(huán)的串聯(lián)增壓并聯(lián)膨脹的雙膨脹機(jī)液化流程。整個(gè)工藝系統(tǒng)包括原料氣壓縮系統(tǒng)、天然氣純化系統(tǒng)、天然氣純化系統(tǒng)的再生和天然氣液化系統(tǒng)等。

管道輸送來的原料天然氣首先進(jìn)入分離器去除機(jī)械雜質(zhì)和游離液體，經(jīng)Y型過濾器進(jìn)入原料氣壓縮機(jī)組;增壓后經(jīng)水冷卻器，從出口分離器進(jìn)入純化系統(tǒng)，在純化系統(tǒng)中脫除其中的芳香族化合物至小于1 ppm，經(jīng)過粉塵過濾器后進(jìn)入分子篩純化器脫除其中的H2O至小于1 ppm，CO2至小于50 ppm;然后通過粉塵過濾器，去除粉塵后進(jìn)入液化冷箱。天然氣進(jìn)入液化冷箱后，被返流的天然氣與氮?dú)饫鋮s至-143.9 ℃后形成中壓的LNG，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓后在罐中儲(chǔ)存。

1.2 現(xiàn)有控制系統(tǒng)

現(xiàn)有儀控系統(tǒng)采用中央集中監(jiān)測控制為主，機(jī)旁盤和就地儀表監(jiān)測控制相結(jié)合的原則。儀控系統(tǒng)采用DCS（集散型控制系統(tǒng)），天然氣壓縮機(jī)、氮壓機(jī)等各機(jī)組及各種泵的電機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)均由DCS系統(tǒng)完成，當(dāng)工藝參數(shù)超限時(shí)，能記憶、顯示、打印并報(bào)警。分子篩吸附器、膨脹機(jī)等設(shè)置儀表柜。分析室設(shè)置在線分析儀器柜，主要數(shù)據(jù)送入中控室DCS顯示、報(bào)警。設(shè)置就地控制系統(tǒng)4項(xiàng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)20項(xiàng)，報(bào)警連鎖系統(tǒng)31項(xiàng)，并配備氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)、可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)檢測報(bào)警、聯(lián)鎖裝置停車。

2? 危險(xiǎn)與可操作性分析

HAZOP（Hazard and Operability的英文縮寫）是對危險(xiǎn)與可操作性的簡稱，采用該方法可以系統(tǒng)地分析復(fù)雜工藝過程和操作，以確定和評估由于錯(cuò)誤操作、錯(cuò)誤執(zhí)行或偏離設(shè)計(jì)目的而引起的潛在危險(xiǎn)和后果，以便將這些危險(xiǎn)排除或進(jìn)行有效控制。

該文中的HAZOP分析采取現(xiàn)場討論會(huì)的形式，通過分析裝置工藝管道及儀表流程圖來識別、判斷該項(xiàng)目中潛在的危險(xiǎn)，對工藝過程中的危險(xiǎn)源和可操作性等問題展開討論。在分析的結(jié)果基礎(chǔ)上，判斷LNG生產(chǎn)工藝過程現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)水平是否達(dá)到可容許風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過核實(shí)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、審查安全控制系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有控制手段基本滿足安全需要，可以規(guī)避對該項(xiàng)目的運(yùn)行和安全方面可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，滿足了安全設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求。

該LNG項(xiàng)目的HAZOP分析中，殘余風(fēng)險(xiǎn)中沒有發(fā)現(xiàn)極高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)，對于識別出的個(gè)別風(fēng)險(xiǎn)等級較高的問題，需考慮采用工程措施予以完善和解決，降低風(fēng)險(xiǎn)。分析過程中采納的4項(xiàng)工程措施建議如表1所示。

HAZOP分析報(bào)告結(jié)束后須進(jìn)行后期跟蹤，對提出的建議措施進(jìn)行進(jìn)一步的評估，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)管理的最低合理可行原則和可接受風(fēng)險(xiǎn)要求，對每條具體建議措施可采用完全接受、修改后接受或拒絕接受的形式。

3? 保護(hù)層分析過程

為了確定在安全措施下LPG充裝工藝事故概率是否在可接受范圍內(nèi)，有必要采用LOPA分析該工藝過程，以期在HAZOP分析的基礎(chǔ)上，判斷LNG項(xiàng)目現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)水平是否達(dá)到LOPA分析可容許風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。LOPA分析主要過程包括：場景識別與篩選;初始事件（IE）確認(rèn);獨(dú)立保護(hù)層（IPL）評估;場景頻率計(jì)算;風(fēng)險(xiǎn)評估與決策;后續(xù)跟蹤與審查。具體分析過程如下。

3.1 場景識別與篩選

場景信息來源于危險(xiǎn)分析的結(jié)果，采用定性的方法（HAZOP）對場景后果的嚴(yán)重性進(jìn)行評估，并根據(jù)后果嚴(yán)重性評估結(jié)果對場景進(jìn)行篩選。該次保護(hù)層分析考慮的后果種類包括人員傷害、財(cái)產(chǎn)損失與環(huán)境影響。

3.2 初始事件（IE）確認(rèn)

初始事件一般包括外部事件、設(shè)備故障和人員失誤。在確保IE為事件后果的有效且具體的原因前提下，該次保護(hù)層分析確認(rèn)的初始事件主要包括：基本過程控制系統(tǒng)（BPCS）儀表控制回路失效、操作員失效（常規(guī)程序，較好培訓(xùn)）與管道泄漏。

3.3 獨(dú)立保護(hù)層（IPL）評估

獨(dú)立保護(hù)層是一種設(shè)備、系統(tǒng)或行動(dòng)，有效地防止場景向不期望的后果發(fā)展。保護(hù)層的獨(dú)立性是指執(zhí)行能力不會(huì)受到初始事件或其他保護(hù)層失效的影響。該次保護(hù)層分析確認(rèn)的獨(dú)立保護(hù)層及其所屬類型如表2所示。

3.4 場景頻率計(jì)算

場景的發(fā)生頻率計(jì)算方程如下：

場景的發(fā)生頻率計(jì)算方程如下：? ? ? ? （1）（1）

式（1）中，為初始事件i的后果C的發(fā)生頻率，a-1;為初始事件i的發(fā)生頻率，a-1;PFDij為初始事件i中第j個(gè)阻止后果C發(fā)生的獨(dú)立保護(hù)層的失效概率，a-1。

在計(jì)算場景頻率時(shí)，須根據(jù)場景的具體特征對頻率進(jìn)行修正，主要修正因素有：點(diǎn)火概率、人員暴露頻率和其他傷害概率。該次LOPA分析初始事件發(fā)生頻率和獨(dú)立保護(hù)層的失效概率引用國家行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《保護(hù)層分析（LOPA）方法應(yīng)用導(dǎo)則》，從保守角度出發(fā)，對失效頻率取其范圍的最大值或中間值。

3.5 風(fēng)險(xiǎn)評估與決策

參考《保護(hù)層分析（LOPA）方法應(yīng)用導(dǎo)則》及《保護(hù)層分析（LOPA）應(yīng)用指南》，結(jié)合企業(yè)實(shí)際安全理念，得到風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性與后果等級劃分結(jié)果見表3與表4。

根據(jù)場景頻率計(jì)算結(jié)果和后果等級，對事故場景風(fēng)險(xiǎn)使用定量數(shù)值風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)險(xiǎn)矩陣形式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級評估。計(jì)算結(jié)果見圖1。

在事故場景風(fēng)險(xiǎn)等級基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策，該次風(fēng)險(xiǎn)決策采取“盡可能合理降低”原則將事故場景風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受風(fēng)險(xiǎn)水平。按照該原則，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域可分為：（1）不可接受的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域（圖1中的高風(fēng)險(xiǎn)和很高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域），這個(gè)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)是不可接受的;（2）允許的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域（圖1中的中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域），該次分析的中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域均采取措施降低風(fēng)險(xiǎn);（3）廣泛可接受的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域（圖1中的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域），這個(gè)區(qū)域的剩余風(fēng)險(xiǎn)水平是可忽略的，該次分析不采取進(jìn)一步措施降低風(fēng)險(xiǎn)。

3.6 分析結(jié)果

該次LOPA分析的目的是將LNG項(xiàng)目現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)水平降低到低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。LOPA分析后確定了安全風(fēng)險(xiǎn)主要包括LNG儲(chǔ)罐液位高高、LNG儲(chǔ)罐液位低低、LNG儲(chǔ)罐壓力高高、冷箱冷劑中斷場景。該文針對性地分析LNG生產(chǎn)工藝特有的冷箱冷劑中斷事故，其主要事故原因是增壓膨脹機(jī)停機(jī)，原料氣未冷卻，上游憋壓，嚴(yán)重情況可能導(dǎo)致天然氣泄漏，發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，對附近作業(yè)人員造成人身傷害。

根據(jù)事件后果及嚴(yán)重程度，確定了冷箱冷劑中斷的人員最高可接受風(fēng)險(xiǎn)程度為1.00E-05（見表5），為了減少風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)置了三類現(xiàn)有獨(dú)立保護(hù)層，包括基本工藝控制（增壓膨脹機(jī)停機(jī)，流量低低聯(lián)鎖停天然氣壓縮機(jī)，出口放空，裝置停車）;報(bào)警及人員干預(yù)（冷箱進(jìn)口壓力，液化換熱器壓差，氮?dú)饬髁康蛨?bào)警，人員響應(yīng)，關(guān)天然氣壓縮機(jī)，出口放空，停生產(chǎn)裝置）;物理防護(hù)層（管線設(shè)置有安全閥）。在初始事件發(fā)生頻率與獨(dú)立保護(hù)層對事件的削減后，人員事故風(fēng)險(xiǎn)為8.33E-06，能滿足現(xiàn)有可接受風(fēng)險(xiǎn)水平。LNG儲(chǔ)罐液位高高、LNG儲(chǔ)罐液位低低、壓力高高同理。此外，企業(yè)應(yīng)確保現(xiàn)有的工藝聯(lián)鎖可靠動(dòng)作，加強(qiáng)人員培訓(xùn)，報(bào)警時(shí)的人員響應(yīng)，能夠積極正確應(yīng)對處理相關(guān)偏差，能夠?qū)⑹鹿暑l率進(jìn)一步消減，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

4? 結(jié)論

（1）通過HAZOP定性分析LNG生產(chǎn)工藝的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)殘余風(fēng)險(xiǎn)中沒有極高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)，對于識別出的個(gè)別風(fēng)險(xiǎn)等級較高的問題，采取了相應(yīng)的工程措施予以完善和解決，降低風(fēng)險(xiǎn)。

（2）在HAZOP分析的基礎(chǔ)上，通過LOPA定量分析了LNG的生產(chǎn)工藝的風(fēng)險(xiǎn)水平，確定了安全風(fēng)險(xiǎn)主要包括LNG儲(chǔ)罐液位高高、LNG儲(chǔ)罐液位低低、LNG儲(chǔ)罐壓力高高、冷箱冷劑中斷場景。

（3）針對冷箱冷劑中斷場景，分析發(fā)現(xiàn)初始事件發(fā)生的頻率及現(xiàn)有的獨(dú)立保護(hù)層（基本工藝控制、報(bào)警及人員干預(yù)、物理防護(hù)層）對事件的削減后，能滿足現(xiàn)有可接受風(fēng)險(xiǎn)水平，建議通過平時(shí)加強(qiáng)巡檢及安全管理，規(guī)范相關(guān)操作，以控制剩余風(fēng)險(xiǎn)。

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作者簡介：彭堯（1994—），男，碩士，助理工程師，研究方向油氣井工程。