王淑祺 施琦皓 畢馨予 鄭 琰講師

(沈陽化工大學 環(huán)境與安全工程學院，遼寧 沈陽 110142)

0 引言

化工產(chǎn)業(yè)與人們的生產(chǎn)生活密切相關，化工產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展是推動我國經(jīng)濟建設的重要因素。在化工生產(chǎn)過程中，由于原材料的特殊性、難控性以及可能發(fā)生劇烈、多變的化學反應，化工生產(chǎn)過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、自動化、連續(xù)化發(fā)展，工藝流程中的不合理設計或相關技術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，避免財產(chǎn)損失，對工藝流程和化工生產(chǎn)裝置進行危險性評價，采取安全措施做好相應的事故防范就顯得尤為重要[1]。

目前，國內(nèi)外學者已提出多種安全評價方法，其中，危險與可操作性分析(Hazard and Operability Analysis，HAZOP)是應用最為廣泛且有效的定性分析方法之一[2]，它可以通過對設備及流程按照科學、可行的方法進行危險性評價，得出工藝流程中的危險來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方向而沒有具體的數(shù)據(jù)，故只能用于進行定性的危險性分析。而保護層分析(Layers of Protection Analysis，LOPA)則可以根據(jù)危險事件和后果的發(fā)生概率來定量計算出分析對象的風險值。將兩者結(jié)合的HAZOP-LOPA分析法則可以在HAZOP定性分析的基礎上，借助LOPA分析法建立模型，定量計算得到具體的風險值。本文借助HAZOP-LOPA分析法對乙炔脫水工藝進行危險性分析，更有針對性地提出安全保護措施，有效預防事故發(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、預測化工過程中的設計缺陷、操作規(guī)程缺陷及其他可能存在的隱患，廣泛應用于化工、石油、煉油、制藥等行業(yè)。HAZOP分析方法在識別缺陷上有明顯的優(yōu)勢，也可用于分析系統(tǒng)在各種情景狀態(tài)下的潛在風險問題。因此現(xiàn)階段HAZOP分析在軟件應用、輸送系統(tǒng)以及檢查系統(tǒng)操作程序、評價特殊裝置(如醫(yī)療設備)等領域具有重要地位。

HAZOP分析方法的主要優(yōu)點包括：適用范圍廣泛；可操作性很強，有長期的經(jīng)驗積累[3]；可簡化分析對象的工藝流程，降低分析難度；能提高分析人員專業(yè)水平等。

在具體的分析過程中，由安全工程師帶領分析小組，通過應用引導詞和參數(shù)得到偏差，找出產(chǎn)生偏差的原因及可能導致的后果[4]，并提出具有針對性的安全建議，以降低風險發(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性分析方法[5]。LOPA分析方法簡單方便；靈活度高、可操作性強；受主觀人為因素的影響較小；尤其適合對復雜事故的危險性分析。

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

具體的分析流程如下：首先依據(jù)定性分析結(jié)果確定分析對象，研究該分析對象可能發(fā)生的危險事件，分析各獨立保護層對危險事件的防范作用和失效概率，由風險計算公式得到分析對象的風險值。根據(jù)分析結(jié)果提出有針對性的風險防護措施。

具體的計算公式如式(1)：

(1)

式中：

PFDij—事件i中第j個阻止后果C發(fā)生的獨立保護層的失效概率；

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分析法對結(jié)果進行定量分析[6]，兩者結(jié)合得到較為準確的分析結(jié)果。詳細流程，如圖1。

2 乙炔脫水工藝

實際生產(chǎn)過程中，乙炔氣體中常含有少量水蒸氣，影響后續(xù)反應甚至威脅生產(chǎn)安全，因此需要對乙炔進行脫水操作[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通過閥門XV202進入分離罐V-202，在罐中乙炔氣體與水分離后經(jīng)閥門PV202進入下一工藝單元U300。分離罐中水達到一定量后，會經(jīng)閥門LV202輸送到廢水罐V-203，由泵P-203輸送到U700進行處理。閥門XV202關閉時閥門XV201會自動打開，將氣體輸送至U600。若分離罐V-202壓強持續(xù)增大，可通過安全閥PSV-202泄壓將氣體輸送至U600進行處理。

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資料，組織成員學習乙炔脫水工藝的原理、反應裝置和詳細操作步驟，確保組內(nèi)成員都對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，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個分析節(jié)點。選擇合適的參數(shù)和引導詞以確定偏差，通過小組討論對偏差進行分析，得到偏差產(chǎn)生的原因和可能造成的后果，提出相對應的解決辦法或?qū)ΜF(xiàn)有保護措施進行改進。

本文以乙炔脫水工藝中的氣液分離單元為例進行危險性分析。基于HAZOP分析對氣液分離單元中氣液分離罐V-202，廢水罐V-203進行危險性分析，見表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定量分析的分析對象，本文選擇的分析對象為分離罐V-202出口管道上的開關閥PV-202故障并關閉，分離罐V-202中壓力不斷升高，超過設備承受限度后發(fā)生乙炔泄漏，導致火災爆炸。

確認危險事件為分離罐V-202出口管道上的開關閥PV-202故障并關閉，該事件的發(fā)生概率為0.1。

對各保護層進行分析。由于在實際工作中操作人員的安全意識和危險應對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層。分離罐V-202壓力監(jiān)測裝置失效概率為0.1，泄壓裝置失效概率為0.1。

風險計算。由于乙炔泄漏造成的火災或爆炸事故，可能會導致工作人員傷亡，因此需要對風險計算公式進行修正，如式(2)所示：

(2)

式中：

PFDij—事件i中第j個阻止發(fā)生火災爆炸的獨立保護層的失效概率；

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，計算火災爆炸事件發(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出口管道上的開關閥PV-202故障并關閉，乙炔發(fā)生泄漏，造成火災爆炸事故，此后果等級為5，計算得到火災爆炸事件發(fā)生概率為2.5×10-4，查風險評價矩陣表格(見表2)可知，該事件為高風險等級。

表2 風險評價矩陣表Tab.2 Risk evaluation matrix

應采取針對性措施降低事故風險：在分離罐V-202處增設獨立的壓力變送器及開關閥，當變送器檢測到設備中的壓力達到設定值時，自動關閉進料管道，停止輸送乙炔；在氣相出口管道上增設獨立的流量變送器及開關閥，當變送器檢測到管道中的流量低于設定值時，自動關閉進料管道，停止輸送乙炔；在分離罐V-202處增設壓力報警裝置，檢測到設備內(nèi)的壓力到達設定值時自動報警。

以上3個保護裝置失效的概率均為0.1，由此可將反應器進料管道上的開關閥故障并關閉引發(fā)火災爆炸事件的發(fā)生概率降低到2.5×10-7，由表2可知，該事件降至低風險等級，處于可接受范圍內(nèi)。

HAZOP-LOPA分析結(jié)果，見表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定量分析進行有機結(jié)合，確定分析對象并建立數(shù)學模型，可由計算得到分析對象的風險值，確定風險評價等級，依據(jù)風險評價等級判斷風險是否在可接受范圍內(nèi)，是否需要采取有針對性的安全保護措施。

(2)本文基于HAZOP-LOPA分析方法對乙炔脫水工藝中的氣液分離單元進行危險性分析，由HAZOP定性分析得到氣液分離單元中可能存在的危險及造成危險的原因，其中危險性較高、造成后果較為嚴重的分析對象為分離罐V-202。因此，選取分離罐V-202為分析對象，以分離罐V-202出口管道上的開關閥PV-202故障并關閉這一事件為例進行LOPA定量分析，計算得到該事件的風險值為2.5×10-4，風險評價等級為高，需要采取安全保護措施降低風險。經(jīng)計算，采取增設獨立變送器和開關閥、增設報警器的安全保護措施后，事件風險值可降為2.5×10-7，風險評價等級為低。

(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風險進行定性和定量評價，幫助企業(yè)開展安全管理和事故預防工作，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，將風險控制在可接受范圍內(nèi)，避免事故發(fā)生，保障生產(chǎn)安全。