基于HAZOP与LOPA的锅炉水处理系统风险评估方法及应用

李慧领，江楠，张建，邓波

（1华南理工大学化工机械与安全工程研究所，广东 广州 510641；2广东省特种设备检测研究院佛山检测院，广东 佛山 528000）

锅炉用水的质量严重影响着锅炉的安全与运行，水质不良将导致锅炉管道的结垢和腐蚀，直接影响锅炉的热效率和材料强度，缩短锅炉寿命甚至引发锅炉泄漏及爆炸事故。锅炉水处理工作即是采用物理化学方法除去给水中的各种杂质，防止锅炉水汽系统结垢、腐蚀和积盐等现象的发生，保证蒸汽品质，延长锅炉安全使用寿命。

锅炉水处理系统的正常运作与各阶段的处理效果密切相关。水处理后续阶段产生的问题，如：蒸汽钠、硅含量超标对用汽设备的不良影响，排污率偏高（排污率每增大1%，燃料的消耗量就增加0.3%[1]），凝结水对铁、铜材质设备的腐蚀等普遍存在。近年来，迅猛发展的新型水处理技术有效克服了常规水处理技术的缺点，同时为锅炉在防腐阻垢、节能环保状态下高效运行开辟了一条科学而行之有效的技术新途径[2-5]。

环境因素日渐动态多元化的今天，频繁多发的生产事故给社会带来了严重的生命财产损失并产生了难以估量的消极影响，因此，社会大众对风险的全程性研究进展越来越关注。纵观国内外在锅炉水处理方面的研究，通常集中在新技术、新工艺的探讨与实践上，而对锅炉水处理系统的风险评估和安全管理报道很少。为减少化工装置的事故风险，一些学者[6-7]将保护层分析法应用到化工装置中，有效地控制了化工装置安全事故的发生。本文将保护层分析（LOPA）法引入到电站锅炉水处理系统中，从化工过程安全的视野对锅炉水处理系统防腐阻垢性能进行风险评估，确定其工艺是否合理、保护层是否足够。

接连发生的重特大安全生产事故催人警醒，使人的生命安全被提上了新的日程。基于此，本文推荐“人本管理”作为企业的经营思想，结合运用LOPA法使相关企业的风险管理模式由传统的基于经验的管理转变到系统的、“以人为本”的工艺安全管理，使之能有效地控制和减少锅炉安全事故的发生，提高企业的风险管理水平。

1 保护层分析方法简介

1.1 HAZOP和LOPA

危险性和可操作性分析（hazard and operability，HAZOP）是一种用于设计安全审核的技术，可识别危险性和可操作性问题的形式化和系统化。然而，该方法不能将识别出的问题进行量化。自2000年以来，保护层分析[8]（layers of protection analysis，LOPA） 因具有客观、半定量、以风险为基础的特点，成为国际上广泛采用的一种安全设计和管理技术，并且可以有效地评估过程危险。LOPA法是HAZOP法的继续，可以弥补HAZOP分析中残余风险不能定量化的不足，并丰富和补充HAZOP分析结果。

1.2 LOPA的分析步骤和计算方法

LOPA在分析之前应先选择事故场景，然后确定事故场景的后果，编制风险矩阵并确定风险等级。本文在全面分析和系统总结国内外目前采用的风险矩阵评估方法的基础上，针对风险矩阵方法的不足，结合我国化工行业风险评估的客观实际和需要，对其作了适应性改进，如表1所示。该矩阵基于HAZOP，将事故发生频率分为7个等级、事故后果的严重程度分为5类、风险分为4个等级。

为了突出LOPA法的客观和半定量特点，进一步提高HAZOP的事故预防能力和丰富HAZOP的分析结果，本文将LOPA法融合在HAZOP分析中，并对LOPA的主要分析步骤进行了优化，见表2，以实现风险评估团队易操作该方法的目的。其中，事件概率和失效概率均可以通过统计资料的分析和技术判断获得[10]。

表1 风险评估矩阵新探讨

表2 LOPA主要分析步骤

在LOPA分析中，未减轻事件是指未考虑任何安全措施而发生事故的事件，其风险称为潜在风险；减轻事件是指采取独立保护层措施后，发生事故的事件，其风险称为剩余风险[11]。首先分析事件链的发展过程及各事件概率，确定未减轻事件的潜在风险水平；然后分析独立保护层措施及其失效概率（PFD），确定减轻事件的剩余风险水平。本文作者根据文献[12]相关结论，对未减轻事件和减轻事件发生频率的计算公式进行了优化，如式（1）、式（2）。

式中，fC是未减轻事件发生频率，a-1；fi是始发事件、条件事件、后果事件发生频率，a-1；fR是减轻事件发生频率，a-1；PFDj是各独立保护层措施（IPLs）失效概率，a-1。根据表1，由事故后果的严重等级和事故发生频率等级计算事故的风险等级，然后从表3[11]可获悉与之对应的建议措施。

2 LOPA法应用于锅炉水处理系统

本文以某电厂高压煤粉锅炉的水处理系统为例进行风险评估。该锅炉规格为220t/h、9.81MPa，其水处理工艺为：经过除氧器出口向锅炉给水（脱盐 水）中加入氨水，将pH值调整至8.8～9.3，使用联胺除氧、磷酸三钠除盐，分别由加药泵连续加入汽包。整套装置由原水过滤单元、凝结水除盐单元、除氧及炉水加药单元等组成，见图1。

表3 风险等级划分及应对措施[11]

图1 高压煤粉锅炉水处理工艺流程简图

2.1 锅炉水处理系统HAZOP分析

将锅炉水处理工艺各个单元如补给水处理系统、凝结水处理系统、给水及炉水加药系统等划分为节点，节点划分详见图1。对各节点的偏差、原因、后果、保护措施进行详尽的分析。该系统的HAZOP分析结果举例见表4。

2.2 锅炉水处理系统LOPA分析

经该厂风险管理层资料调查和会议讨论后决定：采用新型EWPT-6207/6351锅炉水处理剂替代原用的水处理剂（氨水、联胺和磷酸盐），在锅炉运行过程中对给水和炉水的水质状况进行日常监测，并对设备实施状态检修。如果1级防护层——锅炉水处理剂失效，将引起水质不良，造成管道等腐蚀、阻垢，腐蚀会引起炉管耐压强度下降，阻垢会引起流体阻力的增加，当腐蚀、阻垢进行到一定程度时，锅炉内压力的增加（但压力小于安全阀的开启压力），甚至正常运行时的压力都可能引起爆管等事件的发生。因此，风险管理层慎重考虑后，认为应把水质日常监测和状态检修作为2级和3级保护 层[13]。

表4 水处理系统的HAZOP分析结果（部分）

EWPT水处理剂避免了原药剂带来的负面影响，可有效稳定控制给水pH值，尽可能清除溶解氧，将蒸汽中的钠、硅等指标控制在规定的范围内，保证炉水的良好品质。另外，风险管理层摒弃传统的定期检修制度，采用状态检修。因EWPT水处理剂独立于其他保护措施，是专门针对控制腐蚀结垢而设计，同时对其进行定期的审核与检验，故属于本质安全设计保护层[14]；水质日常监测与设备状态检修有足够的响应时间，且任务具有单一性和可操作性，故属于操作人员行动保护层。其中，EWPT锅炉水处理技术的PFD为0.02，水质日常监测与设备状态检修的PFD均为0.1[13]。

表4虽然给出了水处理系统水质不良等偏差的原因、可能导致的后果及已有的安全措施，但看不到以下信息：事故场景的风险水平是多少、安全措施是否有效、是否需增加新的安全措施等。本文根据文献[13]中关于各初始事件的统计资料和技术判断，在HAZOP分析后，对事故场景——“水质不良导致蒸汽品质降低和锅炉结垢腐蚀”的发展过程及各阶段风险数据进行了LOPA分析，详见表5。

由表5可知，该事故场景的未减轻事件频率（2.00×10-3）超过了风险可接受值（1.00×10-5），因此，需要补充其他安全措施或变更工艺；当采取了“EWPT-6207/6351锅炉水处理剂、水质日常监测和状态检修”3级独立保护层后，该事故场景的风险发生频率从2.00×10-3明显地降低到了2.00×10-6，风险等级从7级降为4级，剩余风险被控制在可接受范围内。分析结果表明：此3级保护层已控制风险，不需要增加其他的安全措施。由此可见，LOPA分析进一步丰富了水处理系统的HAZOP分析结果，并且能够提出切实可行的安全对策措施。由LOPA法丰富后的HAZOP分析结果（部分）见表6。

表5 水处理系统的LOPA分析结果（部分）

表6 结合LOPA法的HAZOP分析结果（部分）

3 安全对策及建议

3.1 工艺流程及检修技术的建议

LOPA法侧重于对事故场景的工艺危害进行分析，能揭示以往定性分析方法未涉及的锅炉安全问题，为企业提供更精确的维护和维修信息。整个工艺流程应以计划为中心，熟悉并掌握锅炉系统的设计、运行及检测等信息，具体建议如下。

（1）控制和减少水垢的形成。企业应选择安全可靠、经济合理的水处理工艺，操作人员应严把给水质量关，将水质pH值控制在7.0～9.6范围[15]，发现锅炉系统缺水或失水立即采取措施并上报。

（2）找出系统的腐蚀薄弱点，采取措施提高抗蚀能力。针对现场锅炉系统的特点和出现的问题，给出切实可行的建议措施，例如对于燃煤锅炉，控制煤中的硫含量，能够有效减少和杜绝锅炉管道的烟侧腐蚀。

（3）状态检修。对高风险设备进行前景预测，由预测结果拟定检修内容和时间，真正做到“应修必修，修必修好”，尽量少拆设备，延长设备的使用 寿命。

3.2 人本管理和人员行动保护层的建议

人命关天，发展决不能以牺牲人的生命为代价。这必须作为一条不可逾越的红线[16]。从表象上看，锅炉安全事故的发生是由于生产空间、设备、设施和人为差错等因素所致，但深层分析近年来锅炉事故原因可知，其根源是管理的缺陷和漏洞。

（1）由于人的不安全行为是发生锅炉事故的主要原因，所以从企业安全的长远发展展望，“以人为本”的管理模式[17]可成为大趋势。

（2）安全是需要所有部门关注的问题，需要靠企业中每个人的努力来实现。LOPA法提供了一种可系统分析和评价的客观方法，产能企业风险管理层可参照亨利·法约尔[18]的“五大职能”论并结合LOPA分析结果对本单位的锅炉安全生产进行查漏补缺，保障安全信息流通的时效性和准确性。

（3）企业的最高管理层以身作则，从员工的心理生理性、行为性和锅炉设备的人性化操作等方面入手，建立学习型组织，将锅炉系统中不同专业人员的安全生产经验充分汇总起来，集思广益，从本质上对锅炉系统进行安全改造和完善，预防和控制锅炉安全事故的发生。

4 结 论

（1）用HAZOP与LOPA法对锅炉水处理系统进行了风险评估，从系统和全程对工业风险展开研究，将以往侧重于新技术新工艺的探索扩展到系统安全分析和风险评估的全过程，拓宽了锅炉水处理系统安全研究领域。

（2）绘制出新的风险评估矩阵并编制了简明合理的LOPA基本程序和计算公式，为锅炉重大安全事故的预防及风险评估提供了理论参考。

（3）从系统安全的角度对锅炉水处理系统危险与可操作性问题进行了归纳与梳理，提出了“LOPA+ 风险评估+人本管理”的安全运行新模式，为相关企业安全生产提供了技术参考和新的监控方法。

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