劉陽昊,周六順,高艷霞,葛春濤,管振強(qiáng)

(1.中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104 2.中石化巴陵石油化工有限責(zé)任公司，湖南岳陽 414014)

0 前言

石化企業(yè)的快速發(fā)展，在帶來技術(shù)提升和產(chǎn)能增長的同時，也增大了事故發(fā)生的風(fēng)險，對人類安全和健康造成了威脅。尤其是儲運(yùn)罐區(qū)，一旦發(fā)生事故，帶來的往往是無法彌補(bǔ)的損害。例如，2010年大連某油庫輸油管線爆裂泄漏，引燃103號罐體起火，由于工藝操作不當(dāng)，造成爆炸事故，嚴(yán)重污染了內(nèi)海環(huán)境[1]；2018年美國休斯頓某化工企業(yè)，由于儲罐壓力異常引起化學(xué)品儲罐爆炸，造成人員傷亡[2]。近年來，儲罐安全事故頻發(fā)，很多事故的發(fā)生是由于缺乏對化工工藝和裝置進(jìn)行有效、精確的風(fēng)險分析造成的，系統(tǒng)設(shè)計、實(shí)施和操作過程中任何一個小的失誤都有可能帶來嚴(yán)重的甚至是災(zāi)難性的后果。因此，在設(shè)計和運(yùn)行階段對企業(yè)工藝和裝置進(jìn)行合理有效的風(fēng)險辨識、分析至關(guān)重要。

危險與可操作性分析(Hazard and Operability Analysis, HAZOP)是一種用于辨識工藝設(shè)計缺陷、工藝過程危險及操作性問題的定性分析方法[3]。HAZOP分析作為結(jié)構(gòu)化的危險分析工具，通過分析生產(chǎn)過程中裝置及工藝流程狀態(tài)參數(shù)的異常變動，操作中可能出現(xiàn)的偏差，以及這些變動和偏差對系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響，找出原因、分析后果，并提出針對性的建議措施的一種方法。相關(guān)研究表明，國內(nèi)外眾多石油煉化企業(yè)及設(shè)計施工單位已使用HAZOP分析方法開展風(fēng)險辨識及分析工作，對于企業(yè)識別潛在的風(fēng)險，減少事故的發(fā)生具有重要意義。如，Da Costa，等[4]采用HAZOP分析方法，對印度尼西亞巴里卡某煉油廠C5-01反應(yīng)器的安全完整性水平進(jìn)行了計算，評估了每個組件的安全完整性等級(SIL)，確定溫度為最不穩(wěn)定的工藝參數(shù)；孫先長，等[5]應(yīng)用HAZOP分析方法識別了某成品油庫在役碼頭、儲罐區(qū)、油氣回收裝置中潛在的設(shè)計缺陷，提出了削減風(fēng)險的措施；陳明磊，等[6]對RDX硝化反應(yīng)及氧化結(jié)晶工序運(yùn)行中可能出現(xiàn)的偏差及導(dǎo)致的后果進(jìn)行了分析，同時認(rèn)為HAZOP技術(shù)在保障化工生產(chǎn)裝置安全運(yùn)行方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。然而，李娜，等[7]認(rèn)為，在HAZOP分析的基礎(chǔ)上，引入LOPA分析技術(shù)，可以解決HAZOP分析過程中存在的安全措施導(dǎo)致的風(fēng)險降低和殘余風(fēng)險不能定量化等問題。LOPA分析方法通常應(yīng)用在HAZOP分析方法定性分析之后，使用初始事件頻率、后果嚴(yán)重程度和獨(dú)立保護(hù)層(IPLS)失效頻率的數(shù)量級大小來近似表征場景的風(fēng)險，其作為半定量分析方法能夠有效彌補(bǔ)HAZOP分析環(huán)節(jié)的弊端[8,9]。目前，基于HAZOP和LOPA聯(lián)合分析方法對工藝過程進(jìn)行定性及半定量分析的案例鮮有報道。

以某一設(shè)計階段的1×104m3航煤儲罐為分析對象，創(chuàng)新性地將HAZOP和LOPA聯(lián)合分析方法運(yùn)用于儲罐工藝安全風(fēng)險的評價，辨識儲罐是否存在設(shè)計缺陷，儲運(yùn)過程中是否存在安全隱患，為企業(yè)提出合理的控制或整改措施，進(jìn)而減小事故危害發(fā)生的可能性。

1 方法簡介

HAZOP分析方法是將化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各個工序拆分，通過會議討論的形式，分析當(dāng)前階段在生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在的主要安全風(fēng)險隱患[10,11]，能夠為當(dāng)前階段所有安全生產(chǎn)風(fēng)險進(jìn)行定性，并且可以對單一危險源進(jìn)行風(fēng)險預(yù)測，評估風(fēng)險來源對應(yīng)的損失后果，進(jìn)而顯著提升化工企業(yè)在?；芳庸ぬ幚砩系陌踩僮飨禂?shù)。LOPA分析方法一般應(yīng)用在定性風(fēng)險分析(HAZOP、PHA)之后，進(jìn)一步評估保護(hù)層的有效性，并進(jìn)行決策分析的系統(tǒng)方法，其主要目的是確定保護(hù)層是否具有足夠的能力使風(fēng)險降為可接受的等級。

在風(fēng)險分析中，用HAZOP和LOPA聯(lián)合分析方法可以減小僅采用定性分析方法帶來的誤差。通過HAZOP進(jìn)行定性分析之后，針對初始風(fēng)險等級較高的場景利用LOPA分析方法，依據(jù)風(fēng)險可接受準(zhǔn)則(ALARP準(zhǔn)則)，對事故風(fēng)險進(jìn)行評估。ALARP準(zhǔn)則推薦在合理可行的情況下，把風(fēng)險降低到“盡可能低”。如果風(fēng)險處于高風(fēng)險及以上，則風(fēng)險是不可接受的，應(yīng)采取措施把它降低到可接受風(fēng)險；在可接受的低風(fēng)險水平，不需要進(jìn)一步降低風(fēng)險，但有必要保持警惕以確保風(fēng)險維持在這一水平；如果風(fēng)險水平處于高風(fēng)險，可考慮降低風(fēng)險的成本和利益，采取措施使風(fēng)險水平“盡可能低”[12,13]。

從石化行業(yè)安全風(fēng)險矩陣圖[14]可以看出HAZOP和LOPA聯(lián)合分析方法的信息關(guān)系。HAZOP分析方法得到的偏差可作為LOPA分析的事故場景，并經(jīng)過篩選得到重大危險場景，是LOPA分析的基礎(chǔ)信息；HAZOP分析得到的嚴(yán)重后果及嚴(yán)重程度，為LOPA分析影響事件及事件嚴(yán)重程度提供重要信息；HAZOP分析方法總結(jié)出的現(xiàn)存的安全措施，可經(jīng)篩選作為LOPA分析的獨(dú)立保護(hù)層，并為PFD提供直接信息；HAZOP分析方法提出的建議措施，是LOPA分析保護(hù)層設(shè)計的備選方案。因此，LOPA分析方法是HAZOP分析方法的補(bǔ)充，可以使HAZOP分析方法更精確和完善。HAZOP信息與LOPA信息關(guān)系圖如圖1所示。

2 應(yīng)用案例

2.1 儲罐工藝簡介

某化工企業(yè)擬新建一臺1×104m3的航煤儲罐及配套工藝，為了實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，合理設(shè)計儲罐安全設(shè)施及聯(lián)鎖控制，擬對該新建油品儲罐開展HAZOP分析，在設(shè)計階段提出安全控制措施設(shè)計建議。該儲罐儲存介質(zhì)為航空煤油，儲罐操作條件為常壓、40 ℃，介質(zhì)密度為776 kg·m-3，閃點(diǎn)為43～72 ℃，主要工藝流程有：進(jìn)罐流程、裝車流程、倒罐流程，儲罐工藝設(shè)置及流程見圖2。

2.2 HAZOP方法的應(yīng)用

將航煤儲罐整體作為1個節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行分析，選取了“液位”、“壓力”、“組分異常”及“泄漏”作為引導(dǎo)詞，共分析了13個偏差。由HAZOP分析結(jié)果可以得出，航煤儲罐設(shè)計階段主要有以下幾個危險點(diǎn)及問題：

a) 航煤儲罐液位過低，導(dǎo)致儲罐被抽空，浮盤落底，如遇點(diǎn)火源易發(fā)生火災(zāi)，嚴(yán)重時造成人員傷亡；還可能導(dǎo)致航煤裝車泵抽空氣蝕，裝車泵密封損壞，物料泄漏，如遇點(diǎn)火源易發(fā)生火災(zāi)。

圖1 HAZOP信息與LOPA信息的關(guān)系[15]

圖2 航煤儲罐設(shè)施組成及工藝流程示意

b) 氮?dú)鈮毫刂苹芈放月肺丛O(shè)限流孔板，當(dāng)壓力控制閥門故障時不能及時補(bǔ)氮，導(dǎo)致儲罐壓力過高，超壓泄漏情況的發(fā)生。

c) 儲罐壓力過高時通過呼吸閥直排大氣，導(dǎo)致環(huán)境污染。

具體改進(jìn)建議措施如下：

a) 航煤儲罐應(yīng)設(shè)置液位低低聯(lián)鎖停抽出泵，及時關(guān)閉儲罐出料閥門，防止儲罐液位過低。補(bǔ)氮壓力控制回路副線應(yīng)增設(shè)限流孔板，補(bǔ)氮管線入罐管嘴處增設(shè)手閥與止回閥，便于檢維修及防治氮?dú)馕廴尽?/p>

b) 建議航煤儲罐廢氣收集輸送至附近VOC處理設(shè)施，或者使用新型浮盤保證VOC排放達(dá)標(biāo)，保護(hù)環(huán)境。

c) 對于氮封密閉儲罐盡量減少現(xiàn)場檢尺、測溫、采樣等工作，若必須進(jìn)行相關(guān)操作，應(yīng)完善操作規(guī)程并采取有效防護(hù)措施。

2.3 HAZOP和LOPA聯(lián)合分析方法的應(yīng)用

HAZOP分析得到了儲罐存在的風(fēng)險，但無法獲得風(fēng)險是否處于可接受水平，若風(fēng)險等級超出可接受水平，則需要添加相應(yīng)的防護(hù)措施，這時需要采用LOPA分析方法對分析過程進(jìn)行完善。基于中國石化PHAMS分析系統(tǒng)，以該儲罐液位過高這一偏差為例，HAZOP和LOPA聯(lián)合分析方法的分析過程為：

a) 根據(jù)HAZOP分析結(jié)果可知，造成儲罐發(fā)生火災(zāi)的主要原因是儲罐液位過高，造成物料冒罐，煤油泄漏至環(huán)境中，遇點(diǎn)火源發(fā)生火災(zāi)。以該原因作為初始事件，根據(jù)化工過程安全中心(CCPS)數(shù)據(jù)，條件概率即點(diǎn)火概率取0.1。

b) 獨(dú)立保護(hù)層儲罐液位高高聯(lián)鎖(BPCS)：液位高高報警開關(guān)與高精度雷達(dá)液位計、伺服液位計組成2oo3聯(lián)鎖邏輯，當(dāng)液位高高時，聯(lián)鎖關(guān)罐入口根部連鎖閥，避免油罐跑、冒油事件的發(fā)生。經(jīng)過對該保護(hù)層有效性、獨(dú)立性和可審查性的考查，可作為獨(dú)立保護(hù)層?？扇?xì)怏w報警儀可作為爆炸抑制系統(tǒng)類保護(hù)層。

c) 根據(jù)化工過程安全中心(CCPS)的PFD數(shù)據(jù)，初始事件液位指示計故障發(fā)生的概率為0.01，修正因子即點(diǎn)火概率為0.1，因此，為減輕事件發(fā)生的概率到0.001，聯(lián)鎖(BPCS)的PFD通常為0.05，可燃?xì)怏w報警儀為0.1，所以，由場景后果頻率計算公式可計算出，初始事件“液位指示計故障”減輕后的后果發(fā)生概率為5×10-6。

d) 分析完成后生成航煤儲罐HAZOP及LOPA聯(lián)合分析報告，部分分析結(jié)果見表1。由表1可以看出，初始場景“液位指示計”故障導(dǎo)致儲罐液位過高，物料冒罐，遇點(diǎn)火源發(fā)生火災(zāi)，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。根據(jù)風(fēng)險矩陣[14]，這一場景未減輕事件的初始風(fēng)險等級中對人員傷害(S，Safety)為D4，財產(chǎn)損失(A，Assets)為E4，分別為一般風(fēng)險和較大風(fēng)險。在已有保護(hù)措施中，聯(lián)鎖和可燃?xì)怏w報警儀可作為保護(hù)層，降低后風(fēng)險等級在可接受范圍內(nèi)，說明已有保護(hù)措施起到了降低風(fēng)險的作用。如果系統(tǒng)無保護(hù)措施，或添加保護(hù)措施后風(fēng)險仍不可接受，如表1中“液位過低”中“泄漏”這一偏差分析結(jié)果，則應(yīng)添加安全措施，將風(fēng)險降為可接受水平。

表1 航煤儲罐HAZOP和LOPA風(fēng)險聯(lián)合分析報告1(部分結(jié)果)

表1 航煤儲罐HAZOP和LOPA風(fēng)險聯(lián)合分析報告2(部分結(jié)果)

可見，HAZOP-LOPA聯(lián)合分析方法可以定量和完善HAZOP分析的內(nèi)容，使分析結(jié)果更精確可靠。

3 結(jié)論

a) 將航煤儲罐這一風(fēng)險較高的化工裝置作為分析對象，通過HAZOP分析發(fā)現(xiàn)儲罐具有液位過低、壓力過高、儲罐進(jìn)出料管線管嘴連接處泄漏等風(fēng)險隱患。繼而，通過LOPA分析方法對其進(jìn)行定量風(fēng)險評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)初始等級為Ⅳ級的風(fēng)險隱患降為Ⅱ級，初始等級為Ⅴ級的風(fēng)險隱患降為Ⅲ級。在提出相應(yīng)的建議措施后，該航煤儲罐設(shè)計階段的初始風(fēng)險均降為可接受風(fēng)險等級，有助于企業(yè)優(yōu)先整改高風(fēng)險的隱患。

b) HAZOP和LOPA聯(lián)合分析方法的使用，可最大程度的發(fā)揮兩個方法的優(yōu)勢。LOPA分析方法需要建立在HAZOP定性分析的基礎(chǔ)上，HAZOP分析方法為LOPA分析方法篩選出分析場景，LOPA分析方法作為半定量的風(fēng)險分析方法，可以為HAZOP分析的結(jié)果進(jìn)行完善，減小分析結(jié)果的誤差，達(dá)到了技術(shù)上的突破。兩者結(jié)合的方法可以直接彌補(bǔ)HAZOP方法的量化缺陷，在設(shè)計和生產(chǎn)階段全面消除或降低安全隱患，便于為化工企業(yè)提供更準(zhǔn)確的安全生產(chǎn)決策。隨著國內(nèi)外對石化企業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)管要求的不斷提高，HAZOP和LOPA聯(lián)合分析方法的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)掷m(xù)拓展。