康啟宇

（西安市長(zhǎng)安基礎(chǔ)建設(shè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710100）

0 引言

污泥熱干化是目前工業(yè)界采用的主流污泥干化工藝，它可有效的實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、無(wú)害化、穩(wěn)定化，為污泥的后續(xù)處置乃至資源化利用創(chuàng)造重要前提。與此同時(shí)，污泥熱干化工藝由于涉及高溫、加熱、干燥、造粒和儲(chǔ)存等過(guò)程，且污泥本身的成分復(fù)雜，在干化過(guò)程中可能伴隨有易燃有毒氣體，因而污泥熱干化工藝全過(guò)程也存在著一定的不安全因素。伴隨著國(guó)家對(duì)污泥處置要求越來(lái)越嚴(yán)格，污泥薄層干化工藝作為諸多污泥間接式熱干化工藝中的一種代表性工藝，近年來(lái)獲得了廣泛應(yīng)用。從2012年至2020年，僅在國(guó)內(nèi)上線的污泥薄層干化工藝線就多達(dá)70條，涉及石油化工、煤化工及市政環(huán)保等重要領(lǐng)域。因而對(duì)污泥薄層干化工藝的安全性分析就顯得十分必要。

1 HAZOP與LOPA分析方法

1.1 HAZOP分析方法

危險(xiǎn)與可操作性分析（Hazard and Operability Study）又稱(chēng)為HAZOP分析，是目前國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的安全性分析評(píng)價(jià)方法。它通過(guò)設(shè)定關(guān)鍵參數(shù)的引導(dǎo)詞，從設(shè)定關(guān)鍵工藝參數(shù)偏離出發(fā)，檢查偏離可能導(dǎo)致的不利后果，分析導(dǎo)致偏離的原因，同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)現(xiàn)有安全措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)不可承受的風(fēng)險(xiǎn)提出相應(yīng)的安全改進(jìn)措施。

1.2 LOPA分析方法

保護(hù)層分析（Layer of Protection Analysis）又稱(chēng)為L(zhǎng)OPA分析，它是以定性危害分析為基礎(chǔ)的半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。它選取工藝中存在的特定事故場(chǎng)景，并對(duì)事故場(chǎng)景進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，通過(guò)采取相應(yīng)的保護(hù)措施來(lái)將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降低。其核心思想可通過(guò)“洋蔥”模型來(lái)概括，即每一層洋蔥皮為一個(gè)獨(dú)立保護(hù)層（IPL），所有洋蔥皮共同起到對(duì)內(nèi)核的保護(hù)作用，從而讓保護(hù)對(duì)象遭受風(fēng)險(xiǎn)危害的可能性大大降低。LOPA分析中，未考慮安全措施的事件場(chǎng)景為未減輕事件，其風(fēng)險(xiǎn)為潛在風(fēng)險(xiǎn)。采取了獨(dú)立保護(hù)措施的事件場(chǎng)景為減輕事件，其風(fēng)險(xiǎn)為剩余風(fēng)險(xiǎn)。保護(hù)層分析將每一個(gè)獨(dú)立保護(hù)層的失效概率（Probability of Failure on Demand，PFD）進(jìn)行量化，結(jié)合未減輕事件的潛在風(fēng)險(xiǎn)，在系統(tǒng)的獨(dú)立保護(hù)層失效時(shí)，相應(yīng)事故發(fā)生的概率大小，從而獲知剩余風(fēng)險(xiǎn)及其等級(jí)，評(píng)估獨(dú)立保護(hù)措施的效果以及是否增加新的保護(hù)措施，進(jìn)而將事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。LOPA分析的具體思路見(jiàn)圖1［1］，LOPA分析的風(fēng)險(xiǎn)矩陣表見(jiàn)表1［2］，其中PFD的數(shù)據(jù)參考美國(guó)化學(xué)過(guò)程安全中心CCPS的數(shù)據(jù)［3］。

圖1 LOPA分析的具體思路

表1 LOPA法風(fēng)險(xiǎn)矩陣

1.3 HAZOP和LOPA相結(jié)合的分析方法

HAZOP法的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地識(shí)別出系統(tǒng)中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，但它對(duì)安全保護(hù)措施起到的風(fēng)險(xiǎn)降低程度及剩余風(fēng)險(xiǎn)大小卻不能定量化的說(shuō)明。LOPA作為一種半定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，可以天然銜接HAZOP法，針對(duì)性地選取HAZOP辨識(shí)出的事故場(chǎng)景來(lái)作為L(zhǎng)OPA法分析對(duì)象，有效評(píng)估現(xiàn)有保護(hù)措施的效果，定量化描述風(fēng)險(xiǎn)的大小及可接受度。與此同時(shí)，LOPA法實(shí)施起來(lái)省時(shí)省力，可以作為HAZOP法的有效豐富和補(bǔ)充。HAZOP和LOPA的具體銜接關(guān)系見(jiàn)圖2［3］。

圖2 HAZOP和LOPA的銜接關(guān)系

HAZOP結(jié)合LOPA的分析方法具體步驟為：①前期準(zhǔn)備及資料收集；②工藝節(jié)點(diǎn)劃分及節(jié)點(diǎn)描述；③HAZOP的具體實(shí)施；④HAZOP分析報(bào)告；⑤篩選特定事故場(chǎng)景進(jìn)行LOPA分析；⑥LOPA的具體實(shí)施；⑦評(píng)估最終分析結(jié)果。

2 HAZOP結(jié)合LOPA法應(yīng)用于污泥薄層干化工藝的安全分析

2.1 HAZOP分析

2.1.1 前期準(zhǔn)備工作

前期工作主要是準(zhǔn)備污泥薄層干化工藝的有關(guān)設(shè)計(jì)資料，具體包括：工藝流程說(shuō)明、PFD、P&ID、自控說(shuō)明書(shū)等。前期先建立一支分析小組，小組成員包括工藝工程師、儀表工程師、電氣工程師及設(shè)備工程師等，指定分析小組的組長(zhǎng)及記錄員，通過(guò)會(huì)議方式來(lái)集體完成HAZOP分析的具體實(shí)施工作。

2.1.2 工藝主要節(jié)點(diǎn)劃分

通過(guò)對(duì)污泥薄層干化工藝流程的具體分析，該工藝可劃分為4個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，分別為濕污泥儲(chǔ)存及輸送節(jié)點(diǎn)、污泥薄層干化節(jié)點(diǎn)、干污泥輸送機(jī)儲(chǔ)存節(jié)點(diǎn)、蒸發(fā)尾氣處理節(jié)點(diǎn)。具體的污泥薄層干化工藝流程框圖如下圖3所示。污泥薄層干化工藝相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)描述如下表2所示。

表2 HAZOP分析節(jié)點(diǎn)劃分

圖3 污泥薄層干化工藝流程

2.1.3 具體實(shí)施

HAZOP具體實(shí)施時(shí)先設(shè)定關(guān)鍵參數(shù)的引導(dǎo)詞，從設(shè)定關(guān)鍵工藝參數(shù)偏離出發(fā)，檢查偏離可能導(dǎo)致的不利后果，并分析可能導(dǎo)致偏離的原因，同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)現(xiàn)有安全措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)不可承受的風(fēng)險(xiǎn)提出相應(yīng)的安全改進(jìn)措施。污泥薄層干化工藝的關(guān)鍵工藝參數(shù)有：溫度、壓力、流量、液位、電流、轉(zhuǎn)速、氧含量等。引導(dǎo)詞有：多/過(guò)多、少/過(guò)少、無(wú)/空白、伴隨、部分、相反、異常、早、晚、先、后等。

2.1.4 HAZOP分析結(jié)果

HAZOP分析小組從設(shè)計(jì)偏差、生產(chǎn)運(yùn)行偏差等方面進(jìn)行設(shè)想，挖掘產(chǎn)生偏差的可能性原因，推測(cè)可能產(chǎn)生的后果，同時(shí)檢查現(xiàn)有工藝是否有相應(yīng)的應(yīng)對(duì)保障措施。表3是節(jié)選的有代表性的污泥薄層干化工藝的HAZOP分析結(jié)果。

表3 污泥薄層干化工藝的HAZOP分析結(jié)果（節(jié)選）

2.2 LOPA分析

基于LOPA風(fēng)險(xiǎn)矩陣對(duì)HAZOP分析結(jié)果的初步判斷可知，在未采取獨(dú)立保護(hù)措施的情況下，HAZOP分析結(jié)果的14個(gè)偏差中13個(gè)屬于低風(fēng)險(xiǎn)。屬于中風(fēng)險(xiǎn)的有1個(gè)，即干化后的污泥在輸送及暫存過(guò)程中，因冷卻螺旋的冷卻水失效，使干倉(cāng)進(jìn)泥溫度過(guò)高以致干倉(cāng)燜燃，其具體工藝流程見(jiàn)圖4。為了更好的量化判斷所采用的保護(hù)措施對(duì)該風(fēng)險(xiǎn)的減輕程度，遂引入LOPA法對(duì)該中風(fēng)險(xiǎn)事故場(chǎng)景進(jìn)行獨(dú)立分析，具體結(jié)果見(jiàn)表4。具體分析步驟如下：

表4 HAZOP和LOPA法聯(lián)合分析報(bào)告

圖4 干泥輸送及暫存的工藝流程

1）確定初始事件、中間事件和后果事件并確定其發(fā)生概率。選擇冷卻螺旋的冷卻水失效為初始事件，其概率為1×10-1。中間事件為進(jìn)干倉(cāng)的干泥溫度過(guò)高，其概率為1。后果事件為干泥在干倉(cāng)中燜燃，其概率為1×10-1。

2）確定未減輕事件及其發(fā)生概率。未減輕事件為初始事件發(fā)生且所有保護(hù)層失效的情況下后果事件發(fā)生。未減輕事件的概率為初始事件、中間事件及后果事件發(fā)生概率的乘積，即未減輕事件的發(fā)生概率為1×10-2。

3）獨(dú)立保護(hù)層（IPL）的評(píng)估及其失效概率（PFD）。①干倉(cāng)設(shè)置上、中、下3塊在線溫度檢測(cè)儀表并聯(lián)鎖報(bào)警；②干倉(cāng)頂部設(shè)置CO檢測(cè)報(bào)警儀表并與氮?dú)饴?lián)鎖。這兩個(gè)均與初始事件無(wú)關(guān)聯(lián)，可作為獨(dú)立保護(hù)層。前者失效概率為1×10-2，后者失效概率為1×10-1。

4）考慮獨(dú)立保護(hù)層時(shí)，減輕事件的剩余風(fēng)險(xiǎn)及等級(jí)。剩余風(fēng)險(xiǎn)為未減輕事件的概率與獨(dú)立保護(hù)層失效概率的乘積。由此可知，剩余風(fēng)險(xiǎn)為1×10-5，相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為L(zhǎng)。

5）確定剩余風(fēng)險(xiǎn)是否可接受及是否要增加措施。經(jīng)以上量化分析可知，剩余風(fēng)險(xiǎn)已降為低風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)接受度為可接受，無(wú)需再增加其他安全保護(hù)措施。

3 結(jié)論

1）本文將HAZOP法和LOPA法相結(jié)合并運(yùn)用于污泥薄層干化工藝的安全性分析中，HAZOP法可有效識(shí)別系統(tǒng)中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)。LOPA法可以天然銜接HAZOP法，定量化描述風(fēng)險(xiǎn)大小，有效評(píng)估現(xiàn)有保護(hù)措施的效果和剩余風(fēng)險(xiǎn)的可接受度，是HAZOP法的有效豐富和補(bǔ)充。HAZOP法和LOPA法實(shí)現(xiàn)了功能上的互補(bǔ)，兩者相結(jié)合有助于獲得更清晰可靠的安全分析結(jié)果。

2）本文對(duì)HAZOP分析出的較為嚴(yán)重的事故場(chǎng)景進(jìn)行LOPA法定量分析，可知對(duì)冷卻螺旋的冷卻水失效導(dǎo)致的干倉(cāng)進(jìn)泥溫度過(guò)高，進(jìn)而導(dǎo)致干倉(cāng)燜燃的風(fēng)險(xiǎn)，其采取的獨(dú)立保護(hù)層保護(hù)措施充分有效，可將風(fēng)險(xiǎn)降至可接受范圍內(nèi)，無(wú)需再增加其他保護(hù)措施。通過(guò)HAZOP結(jié)合LOPA法的綜合分析可知，污泥薄層干化工藝是一套安全性很高的污泥處理工藝。