劉 凱 金 潮 蘧艷峰 杜旭紅

（中國輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006）

0 前言

我國現(xiàn)有鈾純化轉(zhuǎn)化設(shè)施位于西北某廠。該廠使用液氨經(jīng)高溫裂解的方法制取氫氣，用于鈾的轉(zhuǎn)化。該廠液氨貯存于廠房外的液氨儲罐內(nèi)，儲罐周圍還設(shè)有易燃可燃液體罐區(qū)。該廠的裂解制氫生產(chǎn)線具有不可替代性，安全程度不言而喻。

液氨具有腐蝕性且容易揮發(fā)，其化學(xué)事故發(fā)生率很高。氨進(jìn)入人體后會引起神經(jīng)中毒，氨的職業(yè)接觸限值為30mg/m，若空氣中氨氣濃度超限可能導(dǎo)致人員急性中毒，甚至死亡。液氨與空氣混合會形成爆炸性混合物，遇明火、高熱會引起燃燒爆炸。氫氣是易燃易爆氣體。氨裂解制氫工藝一旦發(fā)生故障引發(fā)氨氣或氫氣泄漏，可導(dǎo)致人員中毒和火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。因此裂解制氫工藝的可靠性和安全程度對核燃料循環(huán)體系至關(guān)重要。

而HAZOP僅限于定性評價，對事故場景的分析較為主觀。LOPA對重要事故場景可進(jìn)行半定量評價，可使HAZOP研究更科學(xué)、系統(tǒng)和準(zhǔn)確。該文使用HAZOP和LOPA相結(jié)合的方法，對液氨裂解工藝系統(tǒng)的風(fēng)險進(jìn)行評價，并提出必要的安全對策措施，以提高核燃料循環(huán)體系的本質(zhì)安全程度，為鈾純化轉(zhuǎn)化企業(yè)的安全風(fēng)險管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 HAZOP-LOPA風(fēng)險評價方法

1.1 HAZOP風(fēng)險評價方法

危險和可操作性研究（HAZOP）是通過引導(dǎo)詞引導(dǎo)可能導(dǎo)致后果的各種偏差，識別系統(tǒng)現(xiàn)有保護(hù)措施并提出相應(yīng)補(bǔ)充措施的定性評價方法。引導(dǎo)詞包括無、多、少、相逆、異常和隨著等。HAZOP采用結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化方式分析給定系統(tǒng)，分析結(jié)果有助于確定合適的補(bǔ)救措施。HAZOP本質(zhì)是評估小組的頭腦風(fēng)暴所產(chǎn)生的結(jié)果，可用于設(shè)計、試運(yùn)行及技術(shù)改造等階段，該方法并不能取代相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等其他經(jīng)驗方法。HAZOP評價方法本身無法評估現(xiàn)有保護(hù)層的獨立性和有效性，無法對初始事件的后果嚴(yán)重程度進(jìn)行量化評估，對較復(fù)雜的事故場景分析難度較大。

1.2 LOPA風(fēng)險評價方法

LOPA風(fēng)險評價方法可在HAZOP定性評價的前提條件下，評估現(xiàn)有保護(hù)措施的有效性，并進(jìn)行定量風(fēng)險計算。該方法可用于確定現(xiàn)有保護(hù)層是否可以將事故發(fā)生概率降至企業(yè)的可接受風(fēng)險水平以下。LOPA風(fēng)險評價方法通過對初始事件頻率、使能時間發(fā)生概率、條件修正和獨立保護(hù)層失效概率等進(jìn)行賦值，以計算事故的發(fā)生頻率，進(jìn)而通過數(shù)量級大小半定量地表達(dá)事故場景的風(fēng)險等級。

LOPA風(fēng)險評價方法的主要程序為場景識別與篩選、初始事件（IE）確認(rèn)、獨立保護(hù)層（IPL）評估、場景頻率計算、風(fēng)險評估與決策以及后續(xù)跟蹤和審查。

1.3 HAZOP和LOPA風(fēng)險評估方法的結(jié)合

HAZOP風(fēng)險評估方法可識別出所有有意義的偏差所造成的后果，并提出安全對策措施，但措施是否合理及經(jīng)濟(jì)，需要定量評估方法加以確定。對后果較為嚴(yán)重的事故場景，LOPA風(fēng)險評估方法可對保護(hù)層的有效性進(jìn)行定量評估，如果現(xiàn)有保護(hù)層無法將事故風(fēng)險降低到企業(yè)的可接受水平，此時需要采取必要的安全措施對風(fēng)險進(jìn)行控制。因此，LOPA風(fēng)險評估方法可作為HAZOP的改進(jìn)及優(yōu)化。

HAZOP評估得出的風(fēng)險較大的事故場景是LOPA分析的輸入，HAZOP得出的偏差可作為LOPA的事故場景描述，HAZOP分析出的原因可作為LOPA的初始事件，HAZOP所提出的安全對策措施可作為LOPA識別現(xiàn)有獨立保護(hù)層的基礎(chǔ)依據(jù)，HAZOP得出的建議措施可作為LOPA新增建議措施的參考。LOPA通過對初始事件、獨立保護(hù)層的發(fā)生頻率進(jìn)行計算并修正，得出事故風(fēng)險是否可接受，以此決定是否新增安全措施以降低風(fēng)險。2種方法的結(jié)合可有效解決定性評估結(jié)果中產(chǎn)生的分歧，提高風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性和合理性，并可有效降低企業(yè)冗余的安全投入，保障企業(yè)安全與效益雙收。HAZOP和LOPA風(fēng)險評估方法結(jié)合的關(guān)系如圖1所示。

圖1 HAZOP和LOPA關(guān)系圖

2 氨裂解制氫HAZOP-LOPA評估過程

氨裂解工藝流程是液氨從液氨蒸發(fā)罐蒸出后，經(jīng)過汽化器進(jìn)入氨裂解爐，裂解爐中裝有活化過的鎳觸媒，在鎳觸媒和700℃左右高溫的共同作用下裂解，生成鈾轉(zhuǎn)化所需的氫氣，裂解出的氣體在換熱器中與從汽化器來的氨氣進(jìn)行換熱，換熱后溫度降低到250℃左右。換熱后的混合氣體經(jīng)純化器純化后經(jīng)管道送至UO還原工藝中。系統(tǒng)采用DCS自動控制系統(tǒng)。反應(yīng)方程為2NH→N+3H。

氨裂解制氫工藝流程如圖2所示。圖中E-1為裂解爐，E-2為換熱器，E-3為汽化器，E-4為緩沖罐。液氨通過V-1控制閥以及FIQA流量計后進(jìn)入E-3汽化器，氣化后經(jīng)過E-2換熱器進(jìn)入E-1裂解爐內(nèi)進(jìn)行裂解，生成氨氣和氫氣。裂解后的氣體再經(jīng)過E-2換熱器與新送入的氨氣換熱后送至E-4緩沖罐暫存。

圖2 氨裂解制氫工藝流程圖

2.1 評估前的準(zhǔn)備

實施HAZOP-LOPA評估須成立研究組。組員應(yīng)包括設(shè)計人員、操作人員、工藝人員、儀表工程師以及安全工程師等。收集氨裂解制氫的管道儀表流程圖、場所平面布置圖、人員的安全操作規(guī)程和類似的事故案例等。

為便于開展HAZOP-LOPA評估工作，該文選擇裂解反應(yīng)單元（裂解爐部分）進(jìn)行風(fēng)險評估。

2.2 完成分析

首先，確定有意義的偏差，完成HAZOP評估。應(yīng)用引導(dǎo)詞，對可能出現(xiàn)的偏差以及可能引起偏差的所有可能原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并討論出該偏差可能導(dǎo)致的最嚴(yán)重后果，基于現(xiàn)有的安全措施提出需要額外補(bǔ)充的安全措施，補(bǔ)充措施應(yīng)從本質(zhì)安全設(shè)計、基本過程控制系統(tǒng)、安全儀表功能、物理保護(hù)、釋放后保護(hù)設(shè)施、應(yīng)急響應(yīng)以及報警和人員響應(yīng)等方面考慮?；贖AZOP評估方法對裂解反應(yīng)單元（裂解爐部分）進(jìn)行危險性分析，結(jié)果見表1。

表1 裂解反應(yīng)單元的HAZOP評估結(jié)果

其次，根據(jù)事故場景嚴(yán)重程度，完成LOPA評估。評估小組根據(jù)HAZOP分析出的原因及后果選擇較為嚴(yán)重的事故場景的原因作為初始事件，識別該事件的現(xiàn)有保護(hù)措施和獨立保護(hù)層，并確定其失效概率。獨立保護(hù)層應(yīng)具有獨立性、安全性和有效性，并且在有效的時間內(nèi)能及時響應(yīng)。識別出所有保護(hù)層后進(jìn)行事故場景的發(fā)生頻率計算如公式（1）所示。

式中：為初始事件的后果C的發(fā)生頻率，a；為初始事件i的發(fā)生頻率，a；為初始事件i中第個組織后果C發(fā)生的獨立保護(hù)層的失效概率。

在計算事故場景頻率時，一般需要對場景頻率進(jìn)行參數(shù)修正。對毒性影響，初始事件導(dǎo)致人員中毒造成人員傷亡的頻率計算如公式（2）所示。

式中：為人員暴露概率；為人員受傷或死亡概率。

對火災(zāi)場景，采用點火概率、人員暴露和具體傷害的概率對場景頻率進(jìn)行修正，火災(zāi)引起人員受傷或死亡的頻率計算如公式（3）所示。

式中：為點火概率。

接下來通過風(fēng)險矩陣以及ALARP原則對初始事件的風(fēng)險等級進(jìn)行評估，并結(jié)合企業(yè)的風(fēng)險可接受水平，確定該初始事件是否需要增加額外的安全保護(hù)措施。

由裂解反應(yīng)單元的HAZOP評估得出氨氣進(jìn)氣閥關(guān)閉或打不開、輸送管線泄漏、裂解爐破損以及BPCS儀表控制回路故障等原因均可導(dǎo)致裂解反應(yīng)單元物料泄漏，造成爆炸或人員中毒等重大后果。

該文選擇管線泄漏作為初始事件，該事件的頻率值為10。

通過對裂解反應(yīng)單元的保護(hù)層進(jìn)行分析得知該單元設(shè)有氨氣進(jìn)料緊急切斷系統(tǒng)，裂解爐設(shè)有安全閥。以上2層獨立保護(hù)層的失效概率分別為10、10。因該工藝正常情況下無人員現(xiàn)場操作，因此關(guān)鍵報警和人員響應(yīng)不作為該單元的獨立保護(hù)層。

由于氨氣或氫氣泄漏可導(dǎo)致火災(zāi)爆炸，氨氣泄漏還可導(dǎo)致人員中毒，造成人身傷亡，因此該文利用公式（2）和公式（3）分別計算毒性情景和火災(zāi)情景的發(fā)生頻率。

該文設(shè)定為0.5，為0.5，為0.1，經(jīng)計算如下。

經(jīng)計算可知，管線泄漏造成人員中毒的發(fā)生頻率更高。

該文選擇中國石化的風(fēng)險矩陣對該初始事件的風(fēng)險等級進(jìn)行確定。該風(fēng)險矩陣從健康與安全影響、財產(chǎn)損失影響、非財務(wù)與社會影響將事故后果分為7個等級。后果發(fā)生的可能性由低到高分為8個等級。風(fēng)險級別分為重大風(fēng)險（紅色≥40）、較大風(fēng)險（20≤橙色＜40）、一般風(fēng)險（10≤黃色＜20）和低風(fēng)險（藍(lán)色＜10）4個級別。風(fēng)險矩陣見表2。

表2 風(fēng)險矩陣示意表

因管線泄漏可導(dǎo)致人員中毒，造成園區(qū)內(nèi)人員傷亡，所以該初始事件的事故嚴(yán)重性等級定為E級。由風(fēng)險矩陣可知，該初始事件發(fā)生的可能性等級為3級，該初始事件的風(fēng)險級別為E4，為橙色區(qū)域的較大風(fēng)險。在中國石化風(fēng)險矩陣中，人員傷亡的可容許風(fēng)險應(yīng)不大于10/a。該單元僅需加裝失效概率小于0.1的獨立保護(hù)層即可滿足風(fēng)險矩陣的要求。表1中所提出的1～4條措施均可滿足失效概率小于0.1的要求。因此，企業(yè)僅需設(shè)置其中一項措施即可將管線泄漏的風(fēng)險降低到可接受水平。HAZOP-LOPA風(fēng)險評估記錄表見表3。

表3 HAZOP-LOPA風(fēng)險評估記錄表

最后，針對每一項危險程度較高的初始事件均進(jìn)行LOPA風(fēng)險評估，并編制HAZOP-LOPA風(fēng)險評估報告。對提出的安全對策措施應(yīng)與企業(yè)進(jìn)行溝通，以選擇最恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。

3 結(jié)論

該文通過HAZOP-LOPA兩種方法結(jié)合進(jìn)行風(fēng)險評估，可提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可操作性。通過對照風(fēng)險矩陣，確定風(fēng)險等級，以此判斷是否需要額外的安全對策措施，且安全對策措施的提出更加合理及經(jīng)濟(jì)。

該文基于HAZOP-LOPA風(fēng)險評估方法對裂解制氫工藝的裂解反應(yīng)單元進(jìn)行了分析，由HAZOP分析出管線泄漏可導(dǎo)致人員中毒傷亡，危險程度較高。選擇管線泄漏作為初始事件進(jìn)行LOPA定量評估，經(jīng)計算得出該初始事件的風(fēng)險等級為較大風(fēng)險，建議增設(shè)可聯(lián)鎖進(jìn)料閥門起閉的氨氣泄漏探測報警儀，作為額外的安全對策措施。增加獨立保護(hù)層后，管線泄漏的風(fēng)險等級降低為低風(fēng)險。

通過裂解單元分析可知，HAZOP-LOPA風(fēng)險評估方法可提高風(fēng)險評估的客觀性和準(zhǔn)確性，避免了企業(yè)盲目增加安全對策措施，降低了企業(yè)冗余成本，為企業(yè)的安全風(fēng)險管理提供了科學(xué)依據(jù)。

對復(fù)雜的事故場景，進(jìn)行LOPA定量評估時應(yīng)確保保護(hù)層的獨立性和有效性，以避免事故風(fēng)險虛低，為安全決策提供錯誤參考。