保护层分析在化工园区重大危险源事故风险分析中的应用

2015-12-05魏钰人毕海普张冰冰

安全与环境工程 2015年3期

周宁，孙权，魏钰人，毕海普，张冰冰，陈黎

（1.常州大学江苏省油气储运技术省重点实验室，江苏常州 213016；2.昆山利通天然气有限公司，江苏苏州 215300）

保护层分析（Layer of Protection Analysis，LOPA）目前已经在石化行业得到了广泛应用，并且已经成为过程安全的主要风险评估方法之一［1］。LOPA 通常运用更加严格、科学的方法进行风险等级评价，对已有的各个保护层措施进行合理的量化分析，并确定其降低风险的能力。随着化工园区安全性要求的日益提高，目前园区整体安全性分析主要还是以单个事故场景为研究对象，而针对化工园区安全性的要求，通过对化工园区保护层进行合理划分，可提高园区整体安全性与可靠性，从而为园区应急救援和日常安全管理提供可靠依据。

1 保护层分析方法

1.1 保护层分析

保护层分析（LOPA）方法是一种半定量风险分析方法，主要用于分析目前已有的安全措施能否保证事故风险处于可接受风险范围内，以及判断是否需要采取其他的安全措施来进一步降低危险发生概率，确保工艺和设备的风险水平符合国家、行业的安全标准［2］。

对于复杂的事故场景分析，LOPA 方法较HAZOP等分析方法有着明显的优势，该方法可以将研究分析重点放在事故后果严重、事故发生频率较高的事件上，并采取针对性的措施降低潜在危险事件发生的频率和严重程度，更加节约时间。根据事件的严重程度和复杂性，一个事故场景可能需要一个或者多个保护层才能将风险降低至可接受水平。如图1所示，事故场景中各个保护层中如果有一个保护层能够发挥作用，则可以有效阻止事故继续发展或降低事故后果的严重程度。

1.2 独立保护层（IPLs）

独立保护层（Independent Protection Layers，IPLs）［3］通常独立于其他事件或保护层，是能够有效阻止事故进一步恶化的行为、系统或设施。通常IPLs需具备独立性、有效性、可审查性三个特性［4］。独立保护层的独立性主要是指保护层与其他各个保护层之间不会相互影响。独立保护层的有效性主要指保护层的行为、措施、设施等均符合保护层分析要求。独立保护层的可审查性主要是指为了确定防护措施是否能够有效防止不期望后果的发生，判断条件如下：是否能够检测到它需要采取行动的条件；是否及时检测到条件以采取正确的行动防止不良后果的发生；在可用时间内，独立保护层是否有足够的能力采取所要求的行动［4］。

通过图1保护层事件树分析，可以计算不期望事故发生的频率（fC），即由起始事件频率（fI）乘以IPLs要求时的失效概率（PFD）［5］：

2 化工园区保护层分析

根据不同类型化工园区重大危险源的分布特征以及园区事故形式，化工园区整体事故风险主要由园区内危险源种类、状态、数量、规划布局以及园区安全保护层级效果等因素所决定［6］。针对化工园区重大危险源事故发生发展规律、事故后果以及独立保护层的特征，化工园区保护层可以分为以下6层：①重大危险源本质安全设计保护层IPL1；②企业监测预警保护层IPL2；③重大危险源安全设施保护层IPL3；④企业级应急响应保护层IPL4；⑤园区级应急响应保护层IPL5；⑥区域级应急响应保护层IPL6，如图2所示。

2.1 重大危险源本质安全设计保护层IPL1

如果重大危险源自身的安全设计功能就能够防止事故的发生，则本质安全功能就可以作为一个独立保护层。

2.2 企业监测预警保护层IPL2

企业的监测预警系统通过对重大危险源的状态进行实时监控，及时获取和掌握重大危险源的状态信息，根据状态变化采取相应措施消除事故隐患，确保重大危险源处于安全状态，则企业监测预警系统可视为一种独立保护层［7］。

2.3 重大危险源安全设施保护层IPL3

针对重大危险源事故征兆与初期事故控制的物理防护设施和安全设施，若这类设施能够被正确的设计、维护与使用，可有效降低事故严重程度，则该类安全设施可视为一种独立保护层。

2.4 企业级应急响应保护层IPL4

化工园区企业的事故应急救援力量、应急救援资源和应急预案等应急响应措施可以视为一种独立保护层，该保护层在IPL1、IPL2、IPL3无法有效防止事故发生的情况下启用，但是由于信息传递的延迟性、有效性等因素的影响，在一定程度上可能会影响它们的整体有效性。

2.5 园区级应急响应保护层IPL5

化工园区的应急救援力量、应急救援资源和应急预案等应急响应措施可视为一种独立保护层，当企业级应急响应层启用后无法扑救和控制事故时，将启用园区级应急响应层进行事故控制和救援。

2.6 区域级应急响应保护层IPL6

化工园区周围区域的应急救援力量、应急救援资源和应急预案等应急响应措施可视为一种独立保护层，在发生可能影响到园区周边区域的事故时，该保护层激活，以控制事故影响范围和程度。

3 保护层分析在常州滨江经济开发区的应用

3.1 案例分析

常州滨江经济开发区主要以苯、氯碱工业、精细化工、生物化工为主要发展方向，化工园区具有重大危险源数量多、事故后果严重、事故易发性强的特点，将保护层分析法应用于该化工园区，可以为化工园区的安全决策提供更加科学的依据［8］。

本文以该化工园区某企业重大危险源泄漏事故为例，事故场景设置为重大危险源的温度监测设备失效，导致浓硫酸滴加过量，反应釜内化学反应加剧发生反应釜爆炸，引发周边存放甲醇剧烈燃烧。针对本事故场景，运用化工园区LOPA 方法对各保护层的有效性进行分析，分析过程中假定信息传递均有效，不考虑信息传递的延迟性，

3.2 保护层分析

第一层保护层为重大危险源本质安全设计保护层（IPL1）。当重大危险源的温度发生异常波动时，温度监控设备能及时探测显示重大危险源的温度变化并发出反馈信号、声光报警，控制系统通过自动调节或人工调节的方式使重大危险源的状态恢复正常。如该保护层失效，重大危险源的温度将不断上升，最终导致事故发生。

第二层保护层为企业监测预警保护层（IPL2）。事故发生后，监测传感器检测到异常信号，启动应急消防措施，有效扑救早期事故或控制事故发展。如该保护层失效，将导致事故进一步扩大。

第三层保护层为重大危险源安全设施保护层（IPL3）。若事故在前两层保护层作用下未能得到有效控制，重大危险源事故征兆与初期事故控制的物理防护设施（防火堤、阻火器、喷淋系统等）将启用，可以有效控制事故扩大。如该保护层失效，事故影响将持续扩大。

第四层保护层为企业级应急响应保护层（IPL4）。在保护层IPL1、IPL2、IPL3未能有效控制事故的情况下，企业应急救援响应机制启动，调集救援力量、资源开展事故应急救援。若该保护层失效，企业救援能力无法满足事故救援需求，事故将进一步扩大。

第五层保护层为园区级应急响应保护层（IPL5）。若事故超出企业应急救援能力范围，园区级应急响应机制启动相应的应急救援程序进行事故救援，以有效阻止事故的进一步扩大。

第六层保护层为区域级应急响应保护层（IPL6）。当事故影响超过一定范围时，化工园区指挥中心将事故情况上报区域级指挥中心，区域级指挥中心对事故救援情况进行监控，随时准备启动区域级应急响应机制进行事故救援。

3.3 事故频率计算

事故起始原因是重大危险源温度监测设备失效，工艺危害分析小组分析确认该事故每年发生频率为1次，因此事故发生初始频率为：fI=1／a。

由相关文献和工业失效概率PFD 数据可得［9］：PFDIPL1为1×10-1，PFDIPLP2为1×10-2，PFDIPL3为1×10-1，PFDIPL4为1×10-1，PFDIPL5为1×10-1。事故现场泄漏物料着火概率Pig为1，事故现场人员出现概率为0.5，事故现场人员死亡概率为0.5。该事故场景下第一层至第三层保护层后人员死亡概率为

对于该类事故场景，国家、行业可容忍的风险值为：火灾最大可容忍风险为1×10-6／a；致死伤害最大可容忍风险为1×10-6／a。

通过分析得第四层保护层启动后人员死亡概率为2.5×10-6／a，第五层保护层启动后人员死亡概率为2.5×10-7／a。因此，启动第五保护层后能够有效降低人员死亡概率，并符合国家、行业的风险标准。但通常对于该类事故场景，通过前三层保护层的安全措施即应将事故风险降低至可接受水平。

通过对前三层保护层的安全措施设置的分析，提出如下改进措施：

（1）重大危险源本质安全设计温度监控失效后无任何补救措施，可增加浓硫酸滴加过量自动切断装置。

（2）重大危险源附近存放了过量危险物料，当值人员违规操作，需加强人员岗位职责培训。

查阅相关文献资料得到自动切断装置PFD 为1.3×10-2，人员操作PFD［9］为2.5×10-2，计算增加改进措施后的该场景重大危险源安全设施保护层下人员死亡概率为

与已有风险标准进行对比，改进后的场景风险水平达到了火灾和致死伤害最大风险的容忍标准。