基于HAZOP的保护层分析在渣油加氢装置设计中的应用*

蔡明锋

(中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东青岛 266071)

基于HAZOP的保护层分析在渣油加氢装置设计中的应用*

蔡明锋

(中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东青岛266071)

介绍了国内对HAZOP和LOPA的要求和规定，通过对比各自的优缺点得出了二者的互补性，提出了二者综合评估的可行性，对炼油厂渣油加氢装置基础设计进行综合评估的分析。

HAZOP 保护层分析 渣油加氢装置设计 风险矩阵 失效频率

HAZOP分析结合保护层分析(Layer of Protection Analysis，LOPA)在近期国内风险评估中有较多应用，LOPA是HAZOP方法的有机补充，是HAZOP方法的深入[1]，可以大大提高分析的准确性，也是国内安监部门、大型石油公司等单位的推荐方法之一。

1 国家的政策要求及大型石化企业的规定

国家安监总局、工业和信息化部《关于危险化学品企业贯彻落实<国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知>的实施意见》(安监总管三〔2010〕186号)要求，“大型和采用危险化工工艺的装置在初步设计完成后要进行HAZOP分析”。

根据国家安监总局、住房城乡建设部《关于进一步加强危险化学品建设项目安全设计管理的通知》(安监总管三〔2013〕76号)要求，“建设单位在建设项目设计合同中应主动要求设计单位对设计进行危险与可操作性(HAZOP)审查。涉及两重点一重大的建设项目，必须在基础设计阶段开展HAZOP分析。”

《中国石油天然气集团公司危险与可操作性分析工作管理规定》要求，对于初步设计阶段未进行HAZOP分析工作的项目，不得进行初步设计审查。

《中国石化安全仪表系统安全完整性等级评估管理规定(试行)》要求，各单位应将建设项目安全完整性评估纳入建设项目设计管理。

国家安全生产监督管理总局于2013年6月8日发布了AQ/T 3049-2013《危险与可操作性分析(HAZOP分析)应用导则》，该导则已于2013年10月1日正式实施。

中国石油天然气集团公司2011年3月30日发布了Q/SY 1364-2011《危险与可操作性分析技术指南》，该指南已于2011年5月1日正式实施。

国家安全生产监督管理总局已组织编写了《保护层分析(LOPA)方法应用导则》，该导则已于2015年9月1日实施。

2 HAZOP和LOPA分析方法对比

2.1 HAZOP分析

HAZOP分析是目前过程危险分析方法(PHA)中应用最广泛的分析方法，具有鲜明的特点，优点不一一赘述，主要简单概述存在的局限性。

首先，风险等级的准确性依赖于分析人员的技术水平、阅历，不同的分析人员会得出不同的风险等级，是一种定性分析，准确性不高，需要进一步采用半定量或定量的方法进行分析。

其次，很难辨识现有的安全防护措施或建议措施是否可以对所有原因、偏差和后果起到应有的削减作用，不能保证建议措施可以满足要求。

此外，HAZOP分析得到的原因和后果往往不够深入，缺乏对部分中间事件的分析，导致建议措施不能完整覆盖事故链。

2.2 LOPA分析

事故剧情中的保护层结构见图1。相对于定性和定量危险分析方法，LOPA具有以下明显的优点：①与定性分析(例如HAZOP)相比，LOPA提供了更可靠的风险辨识，并赋予了剧情频率和后果的具体数值；②与定量分析(例如故障树分析)相比，花费时间较少，分析简单，可以提高危险分析的效率。

当然，LOPA分析也有自身的局限性：①LOPA本身并不是一个完整的过程危险分析工具，依赖于定性分析方法(比如HAZOP)才能最大化的发挥自身优势；②目前国外石油公司(比如BP)都有自己的风险分析失效频率库，数据来自系统内所有工厂统计的设备失效频率，数据真实有效；而国内目前尚没有一家石油公司统计自己的设备失效频率，因此国内LOPA分析只能借助于国外数据库，导致分析必然会存在误差。

图1 事故剧情中的保护层

2.3 对比分析

通过两种分析方法对比可知，二者存在很强的互补性(表1)，通过有机结合可以取长补短，使分析更完善和全面，可以更好地辨识中间事件、已有安全措施等，得到的结论也更为准确和客观。

表1 HAZOP输出信息和LOPA输入信息的结合

3 基于HAZOP的LOPA分析在渣油加氢装置设计阶段的应用

国内某炼油项目目前处于基础设计阶段，采用HAZOP、LOPA综合评估方法进行分析。

3.1 HAZOP分析

渣油加氢装置包括反应与脱硫、分馏部分，本次HAZOP分析共使用参数25个，偏离39个，共划分为29个节点。

渣油加氢装置属于高温高压装置，高温高压部分主要集中在反应部分，且反应部分存在油气、氢气、硫化氢等易燃易爆、有毒有害物料，因此重点进行了分析。

反应部分的节点6主要设备为热高压分离器、热低压分离器等，反应产物出反应器经换热后进入热高压分离器进行气液分离，分离出的高压液体经反应进料泵的液力透平降压回收能量后去热低压分离器。热高压分离器分离出的高温气体换热后去空冷器冷却。此节点范围内存在高温、高压物料(油气、氢气、硫化氢)，热高压分离器操作温度为350 ℃，操作压力为16.4 MPa；热低压分离器操作温度为350 ℃，操作压力为2.8 MPa。由于热高压和热低压分离器压差很大，存在高压窜低压的危险，所以选取热低压分离器压力高为偏离进行分析(表2)。

通过表2可以看出，导致热低压分离器压力高的主要原因是热高压分离器液位控制回路故障，导致热高压分离器液位为零，高压气体窜入热低压分离器。热低压分离器的承压能力难以承受16.4 MPa气体的高压，发生物理爆炸。

通过定性分析，参考风险矩阵(图2)，该偏离的初始风险等级为11，属于不可接受的风险，需要评估已有的安全措施是否可以将初始风险降到可以接受的风险等级。

针对选定的偏离，通过P&ID可知，现有的安全措施为设置有热高压分离器液位低低联锁以及热低压分离器安全阀。现有的安全措施是否能够将初始风险消减到可接受的范围，分析结果很大程度上受专家经验的影响。

3.2 LOPA评估

在已有的HAZOP分析基础上运用LOPA进行分析可以解决上述问题。假设初始事件为控制回路故障，阀门开大，根据失效频率库，初始频率为0.1。且假设此时有巡检工人，通过分析，人员暴露概率为0.3(根据巡检频率确定)，此时BPCS失效(初始事件即控制回路故障)，因此BPCS以及操作与报警无法起到保护作用。但是，已有的安全阀以及联锁可以作为独立保护层削减事故频率，最终事件发生频率消减为3×10-7。

表2 HAZOP记录

基于HAZOP的LOPA评估后的剩余风险见表3。

通过表3可以看出，通过LOPA分析后事件发生概率已减轻为3×10-7，小于10-6，已经将风险从红色削减为绿色，根据风险矩阵属于可接受风险，因此无需再提高联锁的SIL等级。

图2 风险矩阵

参数偏离原因后果频率严重性风险等级安全措施剩余风险热低压分离器压力热低压分离器压力高热高分离器液位控制回路故障热低分离器超压爆炸10-1～10-2611设置有热高分液位低低联锁(3取2)；热低分设置有安全阀7

4 结语和建议

4.1 结语

a)通过实例应用可以看出，HAZOP分析能够完整地分析出偏离的原因和后果，可以针对性地从原因到后果的各个环节分析，分析是否设有安全保护措施。但仅通过HAZOP定性分析，很难确定现有的保护措施是否能提供足够的保护。

b)在HAZOP分析的基础上引入LOPA评估，可以半定量地分析计算出已有的安全措施削减后的风险频率，通过风险矩阵可知剩余风险是否为可接受风险，可以辨识是否需要新增安全保护设施，可以为工艺仪表设计提供设计依据。

c)目前国内大型炼油设计院参与的国外项目皆以LOPA以及SIL评估方法来确定安全仪表等级，而有些设计院还是凭经验进行设计，导致不必要的设计冗余，造成过保护，浪费投资。

d)国内目前尚没有可靠的设备失效频率，LOPA分析时参考国外公司的设备失效频率库，是否完全适用于国内项目仍有争论，导致分析必然会存在误差。

4.2 建议

a)目前国内政府及部分石化公司都对危险性较大的工艺装置强制进行HAZOP分析，建议在国内普及LOPA评估方法，技术成熟的条件下强制进行LOPA评估，以提高设计的安全性。

b)建议国内政府机构主导统计我国的炼化企业设备失效频率，只有把安全基础工作做细做好，才能从根本上提高我国的石油化工设计以及运行的安全水平。

[1] 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.

[2] 吴重光主编.危险与可操作性分析(HAZOP)应用指南[M].北京：中国石化出版社，2012.

[3] Center for Chemical Process Safety.保护层分析-简化的过程风险评估[M].白永忠，党文义，于安峰,译.北京：中国石化出版社，2010.

[4] 李奇，白永忠，万古军，等.基于HAZOP的保护层技术分析研究[J].安全、健康和环境，2010，10(9):34-37.

HAZOPAnalysisBasedontheApplicationoftheProtectiveLayerinResidHydrotreatingUnitDesign

Cai Mingfeng

(China Petroleum Engineering Construction Corporation, East China Design Branch,Shandong, Qingdao, 266071)

This paper Introduced the domestic safety supervision department requirements and key petrochemical enterprises HAZOP and LOPA provisions derived by comparing the advantages and disadvantages of the two complementary, presented a comprehensive assessment of the feasibility of both. With examples of basic design stage of refinery residue hydrotreating unit, a brief description of the comprehensive analysis assessment is listed in this paper. We recommend continuous improvement at the design stage assessment methods, to make it more suitable for home design projects to improve the safety units integrity of domestic design, ensuring the smooth operation of the safety device.

HAZOP; layer of protection analysis; resid hydrotreating unit design; risk matrix; failure frequency

2015-12-23

蔡明锋，工程师，注册安全工程师，2011年毕业于山东科技大学安全技术及工程专业，目前就职于中国石油工程建设公司华东设计分公司，主要从事安全设计、研究及管理工作。

中国石油重大科技专项(2010E-20);中国石油工程建设公司科学研究与技术开发项目(CPECC2012KJ13)。