HAZOP分析结合LOPA分析方法在长输管道站场的应用研究

曹喜文 张伟伟 时婷婷

摘 要： HAZOP分析源于石化行业，近几年在管道板块开始推广应用，但是危险与可操作性分析方法（HAZOP）在实际应用中存在先天缺陷，现提出将保护层分析（LOPA）与HAZOP分析相结合，能进一步提高HAZOP分析的安全评价能力。首先介绍HAZOP和LOPA的基本原理和分析步骤，然后从两者信息互相共享、分析流程互相紧扣的特点，阐述两者集成的可行性，并给出HAZOP/LOPA的分析步骤，最后将其用于天然气长输管道站场安全分析。结果表明，HAZOP分析结合LOPA分析方法，可以用具体数值来量化风险的大小、评估安全措施的预防效果、确定现有风险是否可以接受以及是否还需要增加安全措施，极大地丰富了HAZOP的分析内容。

关 键 词：安全评价；HAZOP；LOPA；独立保护层IPL；长输管道站场

中图分类号：TE 88 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1917-04

Abstract： HAZOP analysis comes from petrochemical industry and it has been gradually applied to oil and gas pipeline field in these years， but HAZOP has many congenital defects. In this paper， its pointed out that introducing LOPA into HAZOP can greatly improve HAZOPs ability to prevent accidents. The basic principles and analysis steps of HAZOP and LOPA were introduced； the feasibility of introducing LOPA into HAZOP based on the information sharing between HAZOP and LOPA was discussed. At last， HAZOP/LOPA was used to assess the safety of a long distance gas pipeline station. The result shows that introducing LOPA into HAZOP can quantify the risk， assess the preventive effect of security measures and make sure if any more security measures are required， and the HAZOP/LOPA analysis enriches the contents of HAZOP greatly.

Key words： safety evaluation； HAZOP； LOPA； independent protection layer（IPL）； long-distance pipeline station

石油天然氣管道输送介质具有易燃、易爆、高压等特点，近年来因管道泄漏、爆炸等产生的安全问题也日益突出。目前中石油管道板块已开始对所有新建项目进行安全评价，采用的分析方法为HAZOP分析（Hazard and Operability Study，危险性与可操作性分析）。HAZOP分析被公认为是一种可提高项目生产安全性、运行可靠性的安全评价方法，它以“工艺参数+引导词”的形式来定义偏差，分析偏差产生的原因、评估偏差可能导致的事故后果、找出现有安全措施并对其提出建议。

但是，HAZOP分析作为一种定性分析方法，无法提供直观准确的分析结果。它的弊端体现在：（1）无法回答偏差导致事故风险的具体大小，以及是否在可接受值之内。（2）无法验证现有安全措施对事故预防是否有效，无法衡量预防作用的大小，以及是否需要增设安全措施 [1]。（3）HAZOP通常只考虑了初始事件而忽略了中间事件和后果修饰，从而降低了风险评价的准确性。随着人们对安全评估精度要求的提高，单一的HAZOP分析已经无法满足人们的要求。

LOPA分析（Layers of protection Analysis，保护层分析）是一种简化的过程风险评估方法，它根据初始事件频率、独立保护层（IPL）失效概率等数据，经过计算得到事故后果的发生频率，并结合事故后果严重程度达到量化事故风险目的。[2，3]它的主要特点是可以确定现有安全保护层是否足以防止事故后果发生，量化事故风险的大小。LOPA一般是在定性危害分析之后进行的，并且采用定性分析过程中所确定的场景。因此在HAZOP分析的基础上引入LOPA分析，可以克服HAZOP分析不能将事故风险定量化、忽视安全措施作用等缺点。可以说LOPA分析是对HAZOP分析的继承和发展，是HAZOP结果的数值具体化 [4]。

1 HAZOP和LOPA分析的关系

1.1 HAZOP分析方法

HAZOP分析是20世纪70年代由英国帝国化学公司创立的一种高度专业化的定性评价，它最初是用于解决除草剂生产过程中的危害，后来经过完善发展成为了目前应用最广泛的安全评估方法之一。HAZOP分析方法的基本理念是各个专业、具有不同知识背景的人员组成的分析团队，进行头脑风暴式的讨论分析，可以使小组成员更具有创造性、会议分析更具有系统性，能够找出更多的问题，提出更多的建议措施。

HAZOP分析方法的基本步骤[5]是：（1）分析准备。确定分析的对象、目的和范围；完成资料（主要有工艺流程图、工艺仪表流程图、装置设计资料、装置平面布置图等）收集工作；确定HAZOP分析小组；制定会议进程。（2）HAZOP分析会议。分析小组以节点为分析单元，由“工艺状态参数+引导词”描述节点的工艺参数偏差；以头脑风暴的形式分析偏差产生的原因、可能导致的后果；找出节点现有的安全保护措施，并提出建议措施。（3）编制分析报告。根据会议记录表，编写完整的分析报告。

1.2 LOPA分析方法

LOPA分析方法最早由美国化学理事会在20世纪80年代末提出，它起源于过程安全管理系统。LOPA分析是一种简单的、半定量的风险评估方法，它的主要目的是确定现有安全保护层是否足以防止事故后果发生，量化事故风险的大小。LOPA不仅可以用于评估风险的数量级，而且适用于较为复杂的事故场景。据统计，所有的场景都应进行定性分析，其中有10%～20%的场景需进行半定量分析，只有1%的场景需要进行完全的定量风险分析。因此，LOPA分析建立在HAZOP分析的基础上，是对HAZOP分析中部分场景的具体化。LOPA具体分析思路如图1所示。

LOPA分析方法的基本步骤是[5]：（1）筛选场景。LOPA一般在定性风险分析之后进行，定性分析的事故后果可以为LOPA分析事故场景的选择提供线索。（2）选择事故场景。LOPA事故场景中，事故原因和事故后果必须是单一的，即一次LOPA分析只考虑一个事故原因和一个事故后果。（3）识别场景初始事件，确定初始事件发生频率。（4）识别独立保护层，确定每个独立保护层的失效概率（PFD）。大多数公司提供了独立保护层的预设值，供分析人员在分析时根据特定场景选择失效概率。（5）根据相关数据计算场景风险，通常使用的计算方法如下：

1.3 HAZOP/LOPA集成的可行性

HAZOP分析将工艺过程划分为若干个节点，预估节点工艺参数可能出现的偏差，分析导致偏差的原因，预测每个原因可能导致的后果，并结合现有安全保护措施提出建议。LOPA分析是基于事故场景进行的，它的事故场景一般是从HAZOP分析结果中筛选得到的。一般情况下，HAZOP分析中一个节点偏差及其导致的单一后果可以为LOPA分析提供一个事故场景。因此，HAZOP和LOPA在内容和形式上都有着密切的联系。

总之，LOPA与HAZOP的集成主要体现在：（1）HAZOP分析中节点参数偏差导致事故后果经过筛选可以为LOPA分析的场景描述提供资料。（2）HAZOP分析中导致偏差产生的高风险原因对应于LOPA分析中的初始事件 [6，7]。（3）HAZOP分析中偏差导致的事故后果为LOPA分析初始事件导致的事故后果提供了依据。（4）HAZOP分析找出的满足IPL定义的安全措施相当于LOPA分析中的獨立保护层，而HAZOP给出的建议措施则相当于LOPA中为达到容许风险增加的独立保护层[8]。HAZOP和LOPA的具体关系如图2所示。

2 HAZOP/LOPA分析的具体步骤

（1）由HAZOP分析开始，按照常规的HAZOP分析流程，由分析小组对工艺过程中的偏差、事故后果、安全措施进行详细分析，得到HAZOP分析记录表。

（2）从HAZOP分析提供的事故后果中筛选出危害性较大的后果，并作为LOPA分析的事故场景。例如遇到高压引起的管线破裂等情况时，需要将其作为LOPA事故场景进一步分析。

（3）辨识事故场景的初始事件、条件事件和后果事件，查询相关数据库确定各事件的发生频率，计算潜在事故的发生频率并根据相关风险矩阵确定风险等级[9]。

（4）从安全措施中筛选出所有的独立保护层措施，查询相关数据库确定其失效概率，再根据独立保护层场景频率，选用相应的计算方法，最终确定剩余风险等级。

（5）根据剩余风险等级，参考企业风险可接受水平，确定是否需要增加其他安全措施[10-11]。

（6）根据LOPA与HAZOP的分析结果，编写HAZOP/LOPA记录表，其通常形式见表1。

3 应用实例

某长输管道分输站，分输调压放空流程如图3所示，采用两级调压，调压阀后有电动切断阀，调压阀后设备采用低压力等级设备，现对流程进行HAZOP分析，如果调压阀失效，将造成调压阀后流程压力超过设备设计压力，虽然有安全阀放空，但安全余量不够，一旦安全阀也失效，将造成调压阀后设备超压，部分分析结果见表2。

根据HAZOP矩阵评估方法对后果进行评估，后果等级为IV 级，为不可接受的严重风险，应立即采取措施。根据HAZOP分析结果，选择 LOPA 场景为调压阀失效，造成阀后设备超压，低压力等级阀门可能造成天然气泄漏，有可能导致火灾，调节阀失效为初始事件，根据文献[12]表5.1，其失效频率为0.1。

对HAZOP识别出的调压阀失效保护措施进行评估，确定独立保护层：

1）与调节阀后切断阀联锁，当调节阀失效超压时，切断阀动作切断，防止事故的发生，可作为独立保护层。

2）当管道内天然气超超压时，安全阀打开，通过向管道外部放空适量天然气达到降低压力的目的，可作为独立保护层。

3）当安全阀放空也失效时，增加ESD紧急放空旋塞阀，保护调节阀后设备不超压。

从表3可以看出，LOPA分析了设备超压导致天然气泄漏，引起火灾、爆炸和人员伤亡这一事故场景，并给出了具体的风险数据。首先，从HAZOP分析中可知设备超压引起火灾、爆炸的风险等级最高，需要立即制止，所以将其作为LOPA场景，考虑了条件事件、后果修饰的影响，得出了未减轻事件的频率（2×10-3 ）、频率等级（3）和风险等级（III）。查询风险容忍标准显示，该风险频率超过了可接受值（ 1×10-5），所以需要进一步考虑安全措施是否能够满足安全要求。选取安全阀泄放、截断阀联锁和ESD紧急泄放三个独立保护层，计算得到减轻事件的风险等级从III级降为I级，频率从2×10-3降为4×10-9，剩余频率在可接受值之内。根据中石油公司的风险矩阵，剩余风险等级已经处于风险非常低的区域，所以不需要再增加其他安全保护措施。

该实例仅考虑了简单的事故场景，即导致火灾、爆炸事故的初始事件只有调节阀失效。对于更复杂的事故场景，比如多初始事件导致相同事故后果、独立保护层处于高要求模式等，需要针对具体情况采用不同的计算方法。例如在多初始事件导致相同事故后果的情况下，如果各初始事件相关性越大，则总的风险频率取单个风险频率中的最大值；反之，取各单个风险频率之和[13，14]。如何根据LOPA场景，选择合理的剩余风险计算方法，需要进一步探讨。

4 结束语

（1）HAZOP分析是一种定性风险分析方法，分析结果依赖于分析人员的工程经验，不能给决策者提供直观准确的分析结果且无法验证现有安全措施对事故预防的效果。

（2）在HAZOP的基础上引入LOPA分析方法，可以通过数值来量化风险的大小、评估安全措施的预防效果、确定现有风险是否可以接受以及是否还需要增加安全措施，既克服了HAZOP的缺点又丰富了它的分析结果。

（3）在计算事故场景频率过程中，从提高分析结果准确性的角度来看，场景频率与IPL的要求频率有关、多重初始事件引发单事故的场景频率计算方法不同于单初始事件引发单事故场景，如何根据场景选择合适的计算方法，需要进一步探讨。

参考文献：

[1] Michela. Gentile ， John. Baik. A LOPA case study [J].Chemical News ， 2008（6）： 43-47.

[2] CCPS. Layer of Protection Analysis—Simplified Process Risk Assessment [M]. New York： American Institute of Chemical Engineers， Center for Chemical Process Safety， 2001.

[3] 周荣义，李石林，刘何清. HAZOP分析中LOPA的应用研究[J].中国安全科学学报，2010，20（7）：76-81.

[4] 朱常龙，蒋军成，袁雄军. 保护层分析探讨[J]. 工业安全与环保，2013，39（11）：39-41.

[5] IEC Commission.Hazard and operability studies（HAZOP studies） Application guide[S]. IEC 61882， 2001： 7

[6] Young G.G， Crowe S.G. Modifying LOPA for improved performance[C]. ASSE professional development conference and exposition， 2006.

[7] 李慧領，等. 基于HAZOP与LOPA的锅炉水处理系统风险评估方法及应用[J]. 化工进展，2015，34（2）：576-580.

[8] 沈郁. HAZOP和LOPA集成风险评估技术研究[J]. 安全、健康和环境，2014，14（11）：40-44.

[9] 许芝瑞，孙文勇，赵东风. HAZOP和LOPA两种安全评价方法的集成研究[J]. 安全与环境工程，2011，18（5）：65-68.

[10] 崔英，杨剑锋，刘文彬. 基于HAZOP和LOPA半定量风险评估方法的研究与应用[J]. 安全与环境工程，2014，21（3）：98-102.

[11] 李娜，孙文勇，宁信道. HAZOP、LOPA和SIL方法的应用分析[J]. 中国安全生产科学技术，2012，8（5）：101-106.

[12] 保护层分析（LOPA）应用指南[M]. 北京：国家安全生产监督管理总局，2010.

[13] 张其立. LOPA、F&EI、HAZOP的应用与集成研究[D]. 北京：清华大学化学工程系，2010.

[14] 靳江红，胡玢，赵寿堂. 保护层分析（LOPA）定量的若干问题研究[J]. 中国安全科学学报，2014，14（10）：82-87.