李 陽 王佰亞 葛 陽 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

甲醇作為一種重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品領(lǐng)域，對工業(yè)發(fā)展有極其重要的意義。甲醇合成是典型的復(fù)合氣-固相催化反應(yīng)過程，生產(chǎn)過程中存在易燃、易爆、高溫、中壓、有毒、窒息等危險有害因素，屬重點監(jiān)管的危險化工工藝，在裝置中存在多處重大危險源，一旦發(fā)生安全事故將造成嚴(yán)重?fù)p失。隨著目前甲醇合成裝置規(guī)模的不斷擴大及安全生產(chǎn)要求的不斷提高，生產(chǎn)企業(yè)對甲醇合成裝置的工藝控制和優(yōu)化有迫切需求。因此,有必要對于甲醇合成裝置的危險與可操作性及安全儀表配置進行深入分析，即進行HAZOP分析和SIL定級，審查裝置是否滿足相關(guān)規(guī)定與風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)，安全設(shè)施是否可以有效控制風(fēng)險，可操作性是否滿足需求等，以提高裝置的本質(zhì)安全水平。

1 HAZOP分析和SIL定級方法簡介

1.1 HAZOP分析

HAZOP(危險和可操作性)分析是安全評價的方法之一，它是通過一組參數(shù)(如壓力、溫度、流量、液位等)與引導(dǎo)詞(如大、小、無、反向、異常等)組成有意義的偏差，系統(tǒng)地辨識裝置設(shè)計可能存在的導(dǎo)致安全或操作問題的設(shè)計缺陷，評估是否需要進一步的安全措施。HAZOP分析主要步驟為：① 根據(jù)P&ID，將工藝系統(tǒng)劃分為若干節(jié)點；② 小組成員根據(jù)事先確定的表1所示偏差矩陣，組成有意義的偏差，辨識產(chǎn)生偏差的原因并預(yù)計潛在的后果影響；③ 辨識已有的安全保護措施；④ 評價風(fēng)險的嚴(yán)重性、可能性；⑤ 如果認(rèn)為安全保護措施不足，進一步提出建議防護措施及落實方案。重復(fù)以上分析步驟，直到所有的偏差都應(yīng)用和經(jīng)過討論，一個節(jié)點的分析就完成。依此類推，繼續(xù)分析下一個節(jié)點，直到所有節(jié)點都被分析完為止[1][2]。

表1 偏差矩陣表

1.2 LOPA-SIL定級

SIL(Safety Integrity Level，安全完整性等級)即確定安全儀表系統(tǒng)(SIS)功能的安全完整性等級，評估安全儀表功能和其他保護層達(dá)到規(guī)定安全功能的可能性，是安全儀表系統(tǒng)安全性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)。SIL定級的方法主要有矩陣法、矯正風(fēng)險圖法、LOPA(保護層) 分析法。LOPA分析是在定性分析的基礎(chǔ)上，確定已發(fā)現(xiàn)事故場景的危險程度，半定量計算危害發(fā)生的概率，分析已有保護層的保護能力及失效概率，推算出需要補充的保護層等級，一定程度上可彌補HAZOP分析的不足。

LOPA-SIL定級工作基于HAZOP分析結(jié)果、設(shè)計資料、運行記錄、泄壓閥設(shè)計、MSDS(化學(xué)品安全技術(shù)說明書)等，逐一展開以下工作：① 利用HAZOP分析結(jié)果將可能發(fā)生的嚴(yán)重事故作為事故場景；② 根據(jù)后果嚴(yán)重程度劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定當(dāng)前事故場景的后果等級；③ 確定初始事件發(fā)生頻率及條件修正，列舉所有獨立保護層措施，確定事故發(fā)生風(fēng)險等級；④ 根據(jù)剩余風(fēng)險等級，提出切實可行的安全措施，直至達(dá)到可承受的風(fēng)險等級范圍[3]。

2 安全評價標(biāo)準(zhǔn)

2.1 風(fēng)險矩陣

本文以某工程甲醇合成裝置為例，安全評價工作按照國家標(biāo)準(zhǔn)《危險與可操作性分析(HAZOP分析)應(yīng)用導(dǎo)則》(AQ/T3049-2013)進行，并參照建設(shè)單位風(fēng)險可承受標(biāo)準(zhǔn),確定以下風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)，見圖1。

圖1 風(fēng)險矩陣圖

如圖1所示，“E”區(qū)域為重特大風(fēng)險區(qū)域,“H”區(qū)域為較大風(fēng)險區(qū)域。在這兩個區(qū)域，除非特殊情況，風(fēng)險是不可接受的?！癕”區(qū)域為一般風(fēng)險區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi),必須滿足以下條件之一時，風(fēng)險才是可允許的：① 在當(dāng)前的技術(shù)條件下，進一步降低風(fēng)險不可行；② 降低風(fēng)險所需的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降低風(fēng)險所獲得的收益?！癓”區(qū)域為可接受風(fēng)險區(qū)域，在該區(qū)域，剩余風(fēng)險水平可忽略，一般不要求進一步采取措施降低風(fēng)險[3]。

2.2 風(fēng)險概率分級表

該裝置分析工作選用的風(fēng)險概率分級表見表2[4]。

表2 風(fēng)險概率分級表

2.3 事故后果嚴(yán)重程度分級表

該裝置分析選用的事故后果嚴(yán)重程度分級表見表3[5]。

表3 事故后果嚴(yán)重程度分級表

3 甲醇合成單元的HAZOP分析

3.1 工藝流程說明

工業(yè)上采用CO、CO2加壓催化氫化法合成甲醇，典型的流程包括原料氣制備和凈化、甲醇合成、粗甲醇精餾等工序，本文針對某項目甲醇裝置的甲醇合成單元進行分析。該甲醇合成單元工藝流程見圖2。

圖2 甲醇合成單元工藝流程圖

如圖2所示，來自前序工段的新鮮氣與氫回收裝置來的富氫氣混合后，經(jīng)循環(huán)壓縮機壓縮段壓縮后，再與循環(huán)壓縮機循環(huán)段出口的循環(huán)氣混合，經(jīng)中間換熱器殼程預(yù)熱，進入甲醇合成塔，在管間觸媒層進行甲醇合成反應(yīng)。甲醇合成塔內(nèi)的催化劑床層反應(yīng)熱使管束中水汽混合物產(chǎn)生相變，水/汽混合物通過上升管匯聚到汽包將蒸汽閃蒸而出，實現(xiàn)反應(yīng)移熱。水在汽包中沿下降管從合成塔底部再次進入甲醇合成塔的管束，實現(xiàn)水汽自然循環(huán)，所需中壓除氧水從汽包補入。反應(yīng)后的出塔合成氣通過中間換熱器管程，將熱量傳遞給未反應(yīng)氣體來提高未反應(yīng)氣入塔溫度；再經(jīng)空冷器、水冷器進一步降溫，進甲醇分離器分離甲醇；分離后的粗甲醇減壓進入閃蒸槽，解析出溶解氣體后送界外；甲醇閃蒸槽出來的閃蒸氣(解析氣)送至界外；分離后的循環(huán)氣體小部分放空，大部分經(jīng)循環(huán)壓縮機循環(huán)段提壓后和壓縮機壓縮段來的補充氣混合，之后進入中間換熱器預(yù)熱，如此循環(huán)。

3.2 分析節(jié)點劃分

結(jié)合工藝流程特點，將甲醇合成單元劃分為5個節(jié)點，HAZOP分析節(jié)點劃分信息見表4。

表4 HAZOP分析節(jié)點劃分

3.3 HAZOP分析記錄(部分)及建議措施

該裝置HAZOP分析結(jié)果的匯總(部分)及建議措施詳見表5。

表5 HAZOP分析匯總表(部分)

通過以上對該甲醇合成單元的HAZOP分析可知，該裝置整體風(fēng)險處于安全可控范圍，其中甲醇合成塔溫度、汽包液位、甲醇分離器液位是工藝操作的關(guān)鍵控制點，需進一步通過LOPA分析設(shè)計相應(yīng)安全儀表等級的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)；同時，本次分析選取建設(shè)單位風(fēng)險矩陣風(fēng)險概率分級最低為L<10-4，對部分偏差進行HAZOP分析后，存在風(fēng)險矩陣“穿透”問題，導(dǎo)致部分風(fēng)險無法進一步降至低風(fēng)險(L)區(qū)間，經(jīng)與建設(shè)單位溝通，根據(jù)ALARP原則接受本次分析中的部分一般風(fēng)險(M)。

4 甲醇合成單元的LOPA-SIL定級

本次SIL定級根據(jù)分析范圍內(nèi)裝置的復(fù)雜程度、風(fēng)險特性以及SIL定級分析小組的經(jīng)驗，確定使用保護層分析(LOPA)法。LOPA分析依托于該裝置的HAZOP分析結(jié)果，對該裝置的具體分析中，事故場景的后果嚴(yán)重性等級來源于HAZOP分析結(jié)果；初始事件的發(fā)生頻率、獨立保護層的失效頻率采用《保護層分析(LOPA)方法應(yīng)用導(dǎo)則》AQ/T3054-2015附錄E中推薦的失效數(shù)據(jù)。最終定級結(jié)果匯總見表6。

表6 LOPA-SIL定級匯總表

5 結(jié)語

(1)本文對甲醇合成單元進行HAZOP分析，側(cè)重于甲醇合成單元工藝設(shè)計的完善或提出進一步分析研究的建議。本次分析共記錄節(jié)點5個，涉及9張管道儀表流程圖(P&ID)及相關(guān)的設(shè)備圖、儀表數(shù)據(jù)表、安全閥數(shù)據(jù)表等，共分析122項偏差(其中溫度28項，壓力31項，流量45項，液位14項，其他4項)，提出由設(shè)計單位、建設(shè)單位答復(fù)和落實的建議措施18項，發(fā)現(xiàn)少數(shù)較大風(fēng)險，所提出的相關(guān)建議措施均被采納，建議措施落實后，剩余風(fēng)險均可降低至更低水平。

(2)甲醇合成單元通過DCS控制實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的集中監(jiān)控，當(dāng)操作條件不正常時，可自動調(diào)節(jié)并報警；同時，通過SIL定級，針對甲醇合成塔溫度、汽包液位、甲醇分離器液位、過濾器進出口壓差等關(guān)鍵控制點，設(shè)計具有相應(yīng)安全儀表等級的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，保證在事故工況下，實現(xiàn)自動控制，使整個裝置安全停車，并保證所有調(diào)節(jié)閥在儀表空氣系統(tǒng)故障時均處于安全位置。

(3)本文采用HAZOP分析和LOPA-SIL定級定性和半定量結(jié)合的方法對甲醇合成單元進行安全評價。首先采用HAZOP分析方法對分析對象進行定性分析，提出相應(yīng)的安全建議措施，同時篩選出后果嚴(yán)重性等級高的場景進行LOPA分析，然后結(jié)合HAZOP分析中確定的初始事件及獨立保護層進行風(fēng)險概率計算，最終確定SIL等級，從而完成工藝裝置的風(fēng)險決策，這種分析思路可以在其它工藝裝置的安全分析和評估中推廣使用。

(4) HAZOP分析和SIL定級的結(jié)論不僅可以幫助客戶更好地了解所分析的工藝系統(tǒng)的風(fēng)險，為客戶的安全投入決策提供依據(jù)，還有助于客戶完善操作手冊，制定操作規(guī)程，幫助操作人員更好地理解工藝、了解風(fēng)險，極大提升工作和學(xué)習(xí)效率；同時，可轉(zhuǎn)化為運行和開停車檢修時的工藝隱患排查標(biāo)準(zhǔn),作業(yè)人員可以預(yù)先知道相關(guān)工藝偏差發(fā)生后可能帶來的事故后果,減少因操作人員知識不足造成的誤操作，有效避免事故發(fā)生和惡化,提高工藝裝置的整體安全水平。