王淑祺 施琦皓 畢馨予 鄭 琰講師

(沈陽化工大學 環(huán)境與安全工程學院，遼寧 沈陽 110142)

0 引言

化工產(chǎn)業(yè)與人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)，化工產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展是推動我國經(jīng)濟建設(shè)的重要因素。在化工生產(chǎn)過程中，由于原材料的特殊性、難控性以及可能發(fā)生劇烈、多變的化學反應(yīng)，化工生產(chǎn)過程中存在大量安全隱患。且隨著化工生產(chǎn)裝置不斷向大型化、自動化、連續(xù)化發(fā)展，工藝流程中的不合理設(shè)計或相關(guān)技術(shù)人員微小的操作失誤都可能造成不可估量的危害和損失。為減少事故發(fā)生，保證人員安全，避免財產(chǎn)損失，對工藝流程和化工生產(chǎn)裝置進行危險性評價，采取安全措施做好相應(yīng)的事故防范就顯得尤為重要[1]。

目前，國內(nèi)外學者已提出多種安全評價方法，其中，危險與可操作性分析(Hazard and Operability Analysis，HAZOP)是應(yīng)用最為廣泛且有效的定性分析方法之一[2]，它可以通過對設(shè)備及流程按照科學、可行的方法進行危險性評價，得出工藝流程中的危險來源及可能造成的后果。但由于HAZOP分析的結(jié)果僅能得出模糊的改進方向而沒有具體的數(shù)據(jù)，故只能用于進行定性的危險性分析。而保護層分析(Layers of Protection Analysis，LOPA)則可以根據(jù)危險事件和后果的發(fā)生概率來定量計算出分析對象的風險值。將兩者結(jié)合的HAZOP-LOPA分析法則可以在HAZOP定性分析的基礎(chǔ)上，借助LOPA分析法建立模型，定量計算得到具體的風險值。本文借助HAZOP-LOPA分析法對乙炔脫水工藝進行危險性分析，更有針對性地提出安全保護措施，有效預防事故發(fā)生，提高生產(chǎn)安全性。

1 HAZOP-LOPA分析方法

1.1 HAZOP分析方法

HAZOP方法主要用于分析、查找、預測化工過程中的設(shè)計缺陷、操作規(guī)程缺陷及其他可能存在的隱患，廣泛應(yīng)用于化工、石油、煉油、制藥等行業(yè)。HAZOP分析方法在識別缺陷上有明顯的優(yōu)勢，也可用于分析系統(tǒng)在各種情景狀態(tài)下的潛在風險問題。因此現(xiàn)階段HAZOP分析在軟件應(yīng)用、輸送系統(tǒng)以及檢查系統(tǒng)操作程序、評價特殊裝置(如醫(yī)療設(shè)備)等領(lǐng)域具有重要地位。

HAZOP分析方法的主要優(yōu)點包括：適用范圍廣泛；可操作性很強，有長期的經(jīng)驗積累[3]；可簡化分析對象的工藝流程，降低分析難度；能提高分析人員專業(yè)水平等。

在具體的分析過程中，由安全工程師帶領(lǐng)分析小組，通過應(yīng)用引導詞和參數(shù)得到偏差，找出產(chǎn)生偏差的原因及可能導致的后果[4]，并提出具有針對性的安全建議，以降低風險發(fā)生幾率，保障生產(chǎn)安全。

1.2 LOPA分析方法

LOPA分析方法是一種半定量的危險性分析方法[5]。LOPA分析方法簡單方便；靈活度高、可操作性強；受主觀人為因素的影響較??；尤其適合對復雜事故的危險性分析。

LOPA分析方法可以用“洋蔥模型”表示，將防止事故發(fā)生的各種安全保護設(shè)備和安全保護措施視為各個保護層，將分析的工藝流程視為保護層的中心，中心被保護層一層層包裹，各個保護層對中心都有獨立的保護作用。

具體的分析流程如下：首先依據(jù)定性分析結(jié)果確定分析對象，研究該分析對象可能發(fā)生的危險事件，分析各獨立保護層對危險事件的防范作用和失效概率，由風險計算公式得到分析對象的風險值。根據(jù)分析結(jié)果提出有針對性的風險防護措施。

具體的計算公式如式(1)：

(1)

式中：

PFDij—事件i中第j個阻止后果C發(fā)生的獨立保護層的失效概率；

CM—修正系數(shù)。

1.3 HAZOP-LOPA分析方法步驟

在危險性分析工作中，常常先借助HAZOP分析方法得到定性分析結(jié)果，再利用LOPA分析法對結(jié)果進行定量分析[6]，兩者結(jié)合得到較為準確的分析結(jié)果。詳細流程，如圖1。

2 乙炔脫水工藝

實際生產(chǎn)過程中，乙炔氣體中常含有少量水蒸氣，影響后續(xù)反應(yīng)甚至威脅生產(chǎn)安全，因此需要對乙炔進行脫水操作[7]。

圖1 HAZOP-LOPA分析方法步驟Fig.1 HAZOP-LOPA analysis method steps

乙炔脫水工藝流程(如圖2)，氣體由壓縮單元U100通過閥門XV202進入分離罐V-202，在罐中乙炔氣體與水分離后經(jīng)閥門PV202進入下一工藝單元U300。分離罐中水達到一定量后，會經(jīng)閥門LV202輸送到廢水罐V-203，由泵P-203輸送到U700進行處理。閥門XV202關(guān)閉時閥門XV201會自動打開，將氣體輸送至U600。若分離罐V-202壓強持續(xù)增大，可通過安全閥PSV-202泄壓將氣體輸送至U600進行處理。

圖2 乙炔脫水工藝流程圖Fig.2 The flow chart for the acetylene dehydration process

3 基于HAZOP-LOPA分析方法對乙炔脫水工藝的分析

3.1 HAZOP定性分析

首先建立HAZOP分析小組，采集乙炔脫水工藝的工藝流程圖和相關(guān)資料，組織成員學習乙炔脫水工藝的原理、反應(yīng)裝置和詳細操作步驟，確保組內(nèi)成員都對此工藝有全面深入的了解。依據(jù)工藝流程圖和管路裝置圖劃分分析節(jié)點，乙炔脫水工藝可以劃分為壓縮單元、氣液分離單元、工藝單元和處理單元4個分析節(jié)點。選擇合適的參數(shù)和引導詞以確定偏差，通過小組討論對偏差進行分析，得到偏差產(chǎn)生的原因和可能造成的后果，提出相對應(yīng)的解決辦法或?qū)ΜF(xiàn)有保護措施進行改進。

本文以乙炔脫水工藝中的氣液分離單元為例進行危險性分析。基于HAZOP分析對氣液分離單元中氣液分離罐V-202，廢水罐V-203進行危險性分析，見表1。

表1 氣液分離單元的HAZOP分析結(jié)果Tab.1 Results of the HAZOP analysis on the gas-liquid separation unit

3.2 LOPA定量分析

首先根據(jù)HAZOP定性分析的結(jié)果確定LOPA定量分析的分析對象，本文選擇的分析對象為分離罐V-202出口管道上的開關(guān)閥PV-202故障并關(guān)閉，分離罐V-202中壓力不斷升高，超過設(shè)備承受限度后發(fā)生乙炔泄漏，導致火災(zāi)爆炸。

確認危險事件為分離罐V-202出口管道上的開關(guān)閥PV-202故障并關(guān)閉，該事件的發(fā)生概率為0.1。

對各保護層進行分析。由于在實際工作中操作人員的安全意識和危險應(yīng)對能力具有很大的不確定性，因此不能將操作人員的行為視作保護層。分離罐V-202壓力監(jiān)測裝置失效概率為0.1，泄壓裝置失效概率為0.1。

風險計算。由于乙炔泄漏造成的火災(zāi)或爆炸事故，可能會導致工作人員傷亡，因此需要對風險計算公式進行修正，如式(2)所示：

(2)

式中：

PFDij—事件i中第j個阻止發(fā)生火災(zāi)爆炸的獨立保護層的失效概率；

Pex—工作人員暴露的概率；

Pd—出現(xiàn)工作人員傷亡的概率。

本文選擇Pex為0.5，Pd為0.5，計算火災(zāi)爆炸事件發(fā)生的概率如下：

=0.1×0.1×0.1×0.5×0.5

=2.5×10-4

由于分離罐V-202出口管道上的開關(guān)閥PV-202故障并關(guān)閉，乙炔發(fā)生泄漏，造成火災(zāi)爆炸事故，此后果等級為5，計算得到火災(zāi)爆炸事件發(fā)生概率為2.5×10-4，查風險評價矩陣表格(見表2)可知，該事件為高風險等級。

表2 風險評價矩陣表Tab.2 Risk evaluation matrix

應(yīng)采取針對性措施降低事故風險：在分離罐V-202處增設(shè)獨立的壓力變送器及開關(guān)閥，當變送器檢測到設(shè)備中的壓力達到設(shè)定值時，自動關(guān)閉進料管道，停止輸送乙炔；在氣相出口管道上增設(shè)獨立的流量變送器及開關(guān)閥，當變送器檢測到管道中的流量低于設(shè)定值時，自動關(guān)閉進料管道，停止輸送乙炔；在分離罐V-202處增設(shè)壓力報警裝置，檢測到設(shè)備內(nèi)的壓力到達設(shè)定值時自動報警。

以上3個保護裝置失效的概率均為0.1，由此可將反應(yīng)器進料管道上的開關(guān)閥故障并關(guān)閉引發(fā)火災(zāi)爆炸事件的發(fā)生概率降低到2.5×10-7，由表2可知，該事件降至低風險等級，處于可接受范圍內(nèi)。

HAZOP-LOPA分析結(jié)果，見表3。

表3 HAZOP-LOPA分析結(jié)果Tab.3 Results of the HAZOP-LOPA analysis

4 結(jié)論

(1)將HAZOP定性分析與LOPA定量分析進行有機結(jié)合，確定分析對象并建立數(shù)學模型，可由計算得到分析對象的風險值，確定風險評價等級，依據(jù)風險評價等級判斷風險是否在可接受范圍內(nèi)，是否需要采取有針對性的安全保護措施。

(2)本文基于HAZOP-LOPA分析方法對乙炔脫水工藝中的氣液分離單元進行危險性分析，由HAZOP定性分析得到氣液分離單元中可能存在的危險及造成危險的原因，其中危險性較高、造成后果較為嚴重的分析對象為分離罐V-202。因此，選取分離罐V-202為分析對象，以分離罐V-202出口管道上的開關(guān)閥PV-202故障并關(guān)閉這一事件為例進行LOPA定量分析，計算得到該事件的風險值為2.5×10-4，風險評價等級為高，需要采取安全保護措施降低風險。經(jīng)計算，采取增設(shè)獨立變送器和開關(guān)閥、增設(shè)報警器的安全保護措施后，事件風險值可降為2.5×10-7，風險評價等級為低。

(3)從本次案例分析可以看出，HAZOP-LOPA分析方法可以有效客觀地對風險進行定性和定量評價，幫助企業(yè)開展安全管理和事故預防工作，有效提高生產(chǎn)工藝安全性，減少或消除生產(chǎn)中的不安全因素，將風險控制在可接受范圍內(nèi)，避免事故發(fā)生，保障生產(chǎn)安全。