曾曉飛 鄒秋桂 胡暉 高崗

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司 安徽馬鞍山 243000； 2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室 安徽馬鞍山 243000； 3.中鋼集團馬鞍山礦院工程勘察設(shè)計有限公司 安徽馬鞍山 243000； 4.馬鞍山鈺坤醫(yī)療器械有限公司 安徽馬鞍山 243000)

0 引言

增壓透平膨脹機是深冷法分離空氣中液氧和液氮時獲取冷量所必需的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要由膨脹機通流部分、增壓機部分和機體3部分組成[1]。透平膨脹機作用原理為高壓氣體在膨脹機中膨脹端通過絕熱膨脹向外做功使得氣體本身壓力降低，溫度下降。透平膨脹機運行過程中，如果不能有效的分析引起其工作的流程，很容易造成工藝危害，引起事故。目前國內(nèi)針對透平膨脹機的工藝危害分析相關(guān)文獻不多。

HAZOP一詞是于20世紀(jì)70年代早期由ICI公司提出的，其含義是危險與可操作分析(Hazard and Operability Analysis, 簡稱HAZOP)?？刹僮餍苑治鲆卜Q為安全操作研究，是以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)的危險分析方法。該方法采用表格式分析形式，具有專家分析法的特性，主要適用于連續(xù)性生產(chǎn)系統(tǒng)的安全分析與評價，是一種啟發(fā)性的、實用性的定性分析方法[2]。本文以安徽長江鋼鐵股份有限公司20 000 m3/h制氧機組中的透平膨脹機為例，采用HAZOP分析的方法識別透平膨脹機組運行過程潛在的事故原因，發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，提出安全對策措施，從而達到降低工藝系統(tǒng)的風(fēng)險的目的[3]，提高透平膨脹機組工藝過程的安全性和可操作性。

1 透平膨脹機的工藝流程

安徽長江鋼鐵股份有限公司20 000 m3/h制氧機組由中國空分工程有限公司設(shè)計，由預(yù)冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、膨脹機系統(tǒng)、分餾塔系統(tǒng)以及配套儲運系統(tǒng)組成。膨脹機系統(tǒng)的工藝流程為純化系統(tǒng)出來的空氣其中一股相對于膨脹量的空氣引入增壓風(fēng)機中增壓，然后被冷卻水冷卻至常溫后進入主換熱器，再從主換熱器中抽出進入透平膨脹機中，膨脹后送入上塔參與精餾，其工藝流程見圖1。

2 HAZOP分析流程

HAZOP 是指危險與可操作性研究或危險與可操作性分析，是一種用于辨識工藝缺陷、工藝過程危險及可操作性問題的定性分析方法[3]，由工藝、設(shè)備、電氣儀表、操作人員等人員組成的HAZOP分析小組以會議討論的形式，按照工藝流程系統(tǒng)地對工藝過程與操作進行分析。分析過程主要有劃分節(jié)點、描述設(shè)計意圖、確定偏差、識別偏差偏離的原因和后果、提出建議措施[4]。目前HAZOP 分析方法已成為國外廣泛應(yīng)用的化工裝置工藝過程危險性分析方法[5]。

2.1 劃分節(jié)點

HAZOP分析的節(jié)點通常以工藝單元或操作步驟來劃分，連續(xù)的工藝操作分析節(jié)點為工藝單元，間歇的操作過程節(jié)點為操作步驟，本次分析以膨脹機作為單個節(jié)點分析。

2.2 描述設(shè)計意圖

來自主換熱器的空氣在膨脹機增壓端B401增壓后，將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽?，進入主換熱器換熱冷卻后進入膨脹端ET401絕熱膨脹后去主塔參與精餾。

2.3 確定偏差

偏差由“引導(dǎo)詞+工藝參數(shù)”組成，膨脹機系統(tǒng)可能導(dǎo)致危險的工藝參數(shù)和偏差如表1所示。

表1 工藝參數(shù)、偏差情況

2.4 分析過程

本次分析的對象為制氧機組的透平膨脹機，其節(jié)點功能為實現(xiàn)氣體的降溫，控制參數(shù)主要包括溫度、壓力、轉(zhuǎn)速，其HAZOP 分析結(jié)果見表2所示。

表2 20 000 m3/h制氧機組透平膨脹機HAZOP分析

3 建議措施

針對HAZOP分析的結(jié)果，提高膨脹機的自動化水平是防范透平膨脹機發(fā)生安全事故主要安全措施，針對溫度、壓力、轉(zhuǎn)速工藝控制參數(shù)提出以下控制要點。

3.1 軸承保護措施

在供油系統(tǒng)故障的情況下為避免軸承潤滑效果不良造成軸承研磨，應(yīng)設(shè)置以下安全措施：

(1)機組軸承設(shè)有溫度監(jiān)測報警和聯(lián)鎖，TIAS405A、TIAS406A溫度高時報警，溫度超過聯(lián)鎖值時關(guān)閉膨脹端入口緊急切斷閥AV405A,停膨脹機，壓縮端進口流量調(diào)節(jié)閥V404A全開。

(2)供油系統(tǒng)設(shè)置壓力監(jiān)測報警和聯(lián)鎖，軸承進油壓力低時報警，低于聯(lián)鎖時關(guān)閉膨脹端入口緊急切斷閥AV405A,停膨脹機；壓縮端進口流量調(diào)節(jié)閥V404A全開。

3.2 防喘振措施

喘振是透平式壓縮機在流量減少到一定程度時所產(chǎn)生的一種非正常工況下的振動[6]。防喘振的安全措施有：

(1)增壓端出口設(shè)回流閥V404A，增壓端入口壓力低于設(shè)定值時打開V404A。

(2)增壓端出口設(shè)置壓力監(jiān)測、報警及聯(lián)鎖，壓力高于設(shè)定值時關(guān)閉緊急切斷閥AV405A,停膨脹機。

3.3 轉(zhuǎn)速保護措施

轉(zhuǎn)速高可造成軸承溫度升高，同時也會發(fā)生喘振，損壞膨脹機。限定轉(zhuǎn)速是保護膨脹機安全運行的主要措施之一。膨脹機應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)速監(jiān)測、高低報警和聯(lián)鎖關(guān)閉膨脹端入口緊急切斷閥AV405A,停膨脹機。

3.4 供油系統(tǒng)控制措施

供油系統(tǒng)工藝控制參數(shù)為油溫和油壓，供油系統(tǒng)出現(xiàn)故障也會對膨脹機組產(chǎn)生危害，嚴(yán)重時造成轉(zhuǎn)子燒壞。

(1)油壓控制：在設(shè)置備用泵的同時，重點監(jiān)控供油壓力，軸承進油壓力高或低時報警，低于聯(lián)鎖時關(guān)閉膨脹端入口緊急切斷閥AV405A,停膨脹機；同時為防止?jié)櫥捅猛１没⑶闆r出現(xiàn)，修改了崗位操作流程。

(2)油溫控制：對供油油箱油溫提出了控制措施，增加溫度控制系統(tǒng)，溫度低于設(shè)定值時自動啟動電加熱器，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時，自動關(guān)閉電加熱器。

為防止?jié)櫥瓦M入冷箱，對密封氣的壓力控制：設(shè)置密封氣壓力檢測報警，壓力低于設(shè)定值時報警，壓力低于聯(lián)鎖值時停油泵，關(guān)閉緊急切斷閥AV405A,停膨脹機。

4 結(jié)語

本文以安徽長江鋼鐵股份有限公司20 000 m3/h制氧機組透平膨脹機為例進行了 HAZOP 分析，展示了膨脹機軸承溫度高、膨脹機密封氣壓力低、供油系統(tǒng)油壓低、膨脹機轉(zhuǎn)速高等偏差的分析結(jié)果并在軸承保護、轉(zhuǎn)速保護、供油系統(tǒng)油壓和溫度控制等方面提出相應(yīng)的安全對策措施。膨脹機是空分裝置的關(guān)鍵設(shè)備，因此確保透平膨脹機的工藝安全是非常重要的。從此次分析結(jié)果來看，HAZOP 技術(shù)可用于透平膨脹機的工藝危害分析，能系統(tǒng)地辨識透平膨脹機存在的事故，有助于提高裝置工藝安全水平。