王淑祺 施琦皓 畢馨予 鄭 琰講師

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

0 引言

化工產(chǎn)業(yè)與人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)，化工產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展是推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要因素。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，由于原材料的特殊性、難控性以及可能發(fā)生劇烈、多變的化學(xué)反應(yīng)，化工生產(chǎn)過(guò)程中存在大量安全隱患。且隨著化工生產(chǎn)裝置不斷向大型化、自動(dòng)化、連續(xù)化發(fā)展，工藝流程中的不合理設(shè)計(jì)或相關(guān)技術(shù)人員微小的操作失誤都可能造成不可估量的危害和損失。為減少事故發(fā)生，保證人員安全，避免財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)工藝流程和化工生產(chǎn)裝置進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，采取安全措施做好相應(yīng)的事故防范就顯得尤為重要[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出多種安全評(píng)價(jià)方法，其中，危險(xiǎn)與可操作性分析(Hazard and Operability Analysis，HAZOP)是應(yīng)用最為廣泛且有效的定性分析方法之一[2]，它可以通過(guò)對(duì)設(shè)備及流程按照科學(xué)、可行的方法進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，得出工藝流程中的危險(xiǎn)來(lái)源及可能造成的后果。但由于HAZOP分析的結(jié)果僅能得出模糊的改進(jìn)方向而沒(méi)有具體的數(shù)據(jù)，故只能用于進(jìn)行定性的危險(xiǎn)性分析。而保護(hù)層分析(Layers of Protection Analysis，LOPA)則可以根據(jù)危險(xiǎn)事件和后果的發(fā)生概率來(lái)定量計(jì)算出分析對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)值。將兩者結(jié)合的HAZOP-LOPA分析法則可以在HAZOP定性分析的基礎(chǔ)上，借助LOPA分析法建立模型，定量計(jì)算得到具體的風(fēng)險(xiǎn)值。本文借助HAZOP-LOPA分析法對(duì)乙炔脫水工藝進(jìn)行危險(xiǎn)性分析，更有針對(duì)性地提出安全保護(hù)措施，有效預(yù)防事故發(fā)生，提高生產(chǎn)安全性。

1 HAZOP-LOPA分析方法

1.1 HAZOP分析方法

HAZOP方法主要用于分析、查找、預(yù)測(cè)化工過(guò)程中的設(shè)計(jì)缺陷、操作規(guī)程缺陷及其他可能存在的隱患，廣泛應(yīng)用于化工、石油、煉油、制藥等行業(yè)。HAZOP分析方法在識(shí)別缺陷上有明顯的優(yōu)勢(shì)，也可用于分析系統(tǒng)在各種情景狀態(tài)下的潛在風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。因此現(xiàn)階段HAZOP分析在軟件應(yīng)用、輸送系統(tǒng)以及檢查系統(tǒng)操作程序、評(píng)價(jià)特殊裝置(如醫(yī)療設(shè)備)等領(lǐng)域具有重要地位。

HAZOP分析方法的主要優(yōu)點(diǎn)包括：適用范圍廣泛；可操作性很強(qiáng)，有長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累[3]；可簡(jiǎn)化分析對(duì)象的工藝流程，降低分析難度；能提高分析人員專(zhuān)業(yè)水平等。

在具體的分析過(guò)程中，由安全工程師帶領(lǐng)分析小組，通過(guò)應(yīng)用引導(dǎo)詞和參數(shù)得到偏差，找出產(chǎn)生偏差的原因及可能導(dǎo)致的后果[4]，并提出具有針對(duì)性的安全建議，以降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生幾率，保障生產(chǎn)安全。

1.2 LOPA分析方法

LOPA分析方法是一種半定量的危險(xiǎn)性分析方法[5]。LOPA分析方法簡(jiǎn)單方便；靈活度高、可操作性強(qiáng)；受主觀人為因素的影響較??；尤其適合對(duì)復(fù)雜事故的危險(xiǎn)性分析。

LOPA分析方法可以用“洋蔥模型”表示，將防止事故發(fā)生的各種安全保護(hù)設(shè)備和安全保護(hù)措施視為各個(gè)保護(hù)層，將分析的工藝流程視為保護(hù)層的中心，中心被保護(hù)層一層層包裹，各個(gè)保護(hù)層對(duì)中心都有獨(dú)立的保護(hù)作用。

具體的分析流程如下：首先依據(jù)定性分析結(jié)果確定分析對(duì)象，研究該分析對(duì)象可能發(fā)生的危險(xiǎn)事件，分析各獨(dú)立保護(hù)層對(duì)危險(xiǎn)事件的防范作用和失效概率，由風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式得到分析對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)值。根據(jù)分析結(jié)果提出有針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)措施。

具體的計(jì)算公式如式(1)：

(1)

式中：

PFDij—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；

CM—修正系數(shù)。

1.3 HAZOP-LOPA分析方法步驟

在危險(xiǎn)性分析工作中，常常先借助HAZOP分析方法得到定性分析結(jié)果，再利用LOPA分析法對(duì)結(jié)果進(jìn)行定量分析[6]，兩者結(jié)合得到較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。詳細(xì)流程，如圖1。

2 乙炔脫水工藝

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，乙炔氣體中常含有少量水蒸氣，影響后續(xù)反應(yīng)甚至威脅生產(chǎn)安全，因此需要對(duì)乙炔進(jìn)行脫水操作[7]。

圖1 HAZOP-LOPA分析方法步驟Fig.1 HAZOP-LOPA analysis method steps

乙炔脫水工藝流程(如圖2)，氣體由壓縮單元U100通過(guò)閥門(mén)XV202進(jìn)入分離罐V-202，在罐中乙炔氣體與水分離后經(jīng)閥門(mén)PV202進(jìn)入下一工藝單元U300。分離罐中水達(dá)到一定量后，會(huì)經(jīng)閥門(mén)LV202輸送到廢水罐V-203，由泵P-203輸送到U700進(jìn)行處理。閥門(mén)XV202關(guān)閉時(shí)閥門(mén)XV201會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，將氣體輸送至U600。若分離罐V-202壓強(qiáng)持續(xù)增大，可通過(guò)安全閥PSV-202泄壓將氣體輸送至U600進(jìn)行處理。

圖2 乙炔脫水工藝流程圖Fig.2 The flow chart for the acetylene dehydration process

3 基于HAZOP-LOPA分析方法對(duì)乙炔脫水工藝的分析

3.1 HAZOP定性分析

首先建立HAZOP分析小組，采集乙炔脫水工藝的工藝流程圖和相關(guān)資料，組織成員學(xué)習(xí)乙炔脫水工藝的原理、反應(yīng)裝置和詳細(xì)操作步驟，確保組內(nèi)成員都對(duì)此工藝有全面深入的了解。依據(jù)工藝流程圖和管路裝置圖劃分分析節(jié)點(diǎn)，乙炔脫水工藝可以劃分為壓縮單元、氣液分離單元、工藝單元和處理單元4個(gè)分析節(jié)點(diǎn)。選擇合適的參數(shù)和引導(dǎo)詞以確定偏差，通過(guò)小組討論對(duì)偏差進(jìn)行分析，得到偏差產(chǎn)生的原因和可能造成的后果，提出相對(duì)應(yīng)的解決辦法或?qū)ΜF(xiàn)有保護(hù)措施進(jìn)行改進(jìn)。

本文以乙炔脫水工藝中的氣液分離單元為例進(jìn)行危險(xiǎn)性分析。基于HAZOP分析對(duì)氣液分離單元中氣液分離罐V-202，廢水罐V-203進(jìn)行危險(xiǎn)性分析，見(jiàn)表1。

表1 氣液分離單元的HAZOP分析結(jié)果Tab.1 Results of the HAZOP analysis on the gas-liquid separation unit

3.2 LOPA定量分析

首先根據(jù)HAZOP定性分析的結(jié)果確定LOPA定量分析的分析對(duì)象，本文選擇的分析對(duì)象為分離罐V-202出口管道上的開(kāi)關(guān)閥PV-202故障并關(guān)閉，分離罐V-202中壓力不斷升高，超過(guò)設(shè)備承受限度后發(fā)生乙炔泄漏，導(dǎo)致火災(zāi)爆炸。

確認(rèn)危險(xiǎn)事件為分離罐V-202出口管道上的開(kāi)關(guān)閥PV-202故障并關(guān)閉，該事件的發(fā)生概率為0.1。

對(duì)各保護(hù)層進(jìn)行分析。由于在實(shí)際工作中操作人員的安全意識(shí)和危險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力具有很大的不確定性，因此不能將操作人員的行為視作保護(hù)層。分離罐V-202壓力監(jiān)測(cè)裝置失效概率為0.1，泄壓裝置失效概率為0.1。

風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。由于乙炔泄漏造成的火災(zāi)或爆炸事故，可能會(huì)導(dǎo)致工作人員傷亡，因此需要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式進(jìn)行修正，如式(2)所示：

(2)

式中：

PFDij—事件i中第j個(gè)阻止發(fā)生火災(zāi)爆炸的獨(dú)立保護(hù)層的失效概率；

Pex—工作人員暴露的概率；

Pd—出現(xiàn)工作人員傷亡的概率。

本文選擇Pex為0.5，Pd為0.5，計(jì)算火災(zāi)爆炸事件發(fā)生的概率如下：

=0.1×0.1×0.1×0.5×0.5

=2.5×10-4

由于分離罐V-202出口管道上的開(kāi)關(guān)閥PV-202故障并關(guān)閉，乙炔發(fā)生泄漏，造成火災(zāi)爆炸事故，此后果等級(jí)為5，計(jì)算得到火災(zāi)爆炸事件發(fā)生概率為2.5×10-4，查風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣表格(見(jiàn)表2)可知，該事件為高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣表Tab.2 Risk evaluation matrix

應(yīng)采取針對(duì)性措施降低事故風(fēng)險(xiǎn)：在分離罐V-202處增設(shè)獨(dú)立的壓力變送器及開(kāi)關(guān)閥，當(dāng)變送器檢測(cè)到設(shè)備中的壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)料管道，停止輸送乙炔；在氣相出口管道上增設(shè)獨(dú)立的流量變送器及開(kāi)關(guān)閥，當(dāng)變送器檢測(cè)到管道中的流量低于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)料管道，停止輸送乙炔；在分離罐V-202處增設(shè)壓力報(bào)警裝置，檢測(cè)到設(shè)備內(nèi)的壓力到達(dá)設(shè)定值時(shí)自動(dòng)報(bào)警。

以上3個(gè)保護(hù)裝置失效的概率均為0.1，由此可將反應(yīng)器進(jìn)料管道上的開(kāi)關(guān)閥故障并關(guān)閉引發(fā)火災(zāi)爆炸事件的發(fā)生概率降低到2.5×10-7，由表2可知，該事件降至低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，處于可接受范圍內(nèi)。

HAZOP-LOPA分析結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 HAZOP-LOPA分析結(jié)果Tab.3 Results of the HAZOP-LOPA analysis

4 結(jié)論

(1)將HAZOP定性分析與LOPA定量分析進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，確定分析對(duì)象并建立數(shù)學(xué)模型，可由計(jì)算得到分析對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)值，確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)判斷風(fēng)險(xiǎn)是否在可接受范圍內(nèi)，是否需要采取有針對(duì)性的安全保護(hù)措施。

(2)本文基于HAZOP-LOPA分析方法對(duì)乙炔脫水工藝中的氣液分離單元進(jìn)行危險(xiǎn)性分析，由HAZOP定性分析得到氣液分離單元中可能存在的危險(xiǎn)及造成危險(xiǎn)的原因，其中危險(xiǎn)性較高、造成后果較為嚴(yán)重的分析對(duì)象為分離罐V-202。因此，選取分離罐V-202為分析對(duì)象，以分離罐V-202出口管道上的開(kāi)關(guān)閥PV-202故障并關(guān)閉這一事件為例進(jìn)行LOPA定量分析，計(jì)算得到該事件的風(fēng)險(xiǎn)值為2.5×10-4，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為高，需要采取安全保護(hù)措施降低風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)計(jì)算，采取增設(shè)獨(dú)立變送器和開(kāi)關(guān)閥、增設(shè)報(bào)警器的安全保護(hù)措施后，事件風(fēng)險(xiǎn)值可降為2.5×10-7，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為低。

(3)從本次案例分析可以看出，HAZOP-LOPA分析方法可以有效客觀地對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性和定量評(píng)價(jià)，幫助企業(yè)開(kāi)展安全管理和事故預(yù)防工作，有效提高生產(chǎn)工藝安全性，減少或消除生產(chǎn)中的不安全因素，將風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受范圍內(nèi)，避免事故發(fā)生，保障生產(chǎn)安全。