HAZOP及LOPA分析技术在煤气化工艺安全评估中的应用

2018-03-01高峰青

安全 2018年2期

高峰青

国家安全生产监督管理总局培训中心

目前，我国对能源和化工产品的需求呈现高速增长态势，特别是煤化工在能源和化工领域已占有越来越重要的地位。煤气化是煤化工领域的重要组成部分，在煤化工生产中起着重要的作用[1]。煤的气化过程是煤或者煤焦与气化剂（空气、氧气、水蒸气、氢等）在高温下发生的化学反应，将煤或煤焦中有机物转变为煤气的过程。由于整个过程是在高压、高温环境下发生，且混合气属易燃易爆气体，所以一旦发生事故，将严重威胁人员、设备、环境的安全。本文将HAZOP和LOPA分析方法相结合，对煤气化装置进行工艺安全分析，通过辨识潜在的偏离设计目的的偏差，分析其可能的原因并评估相应的后果，提出整改措施建议，使得风险降低到可接受范围。该方法能够深层次排查治理系统隐患[2]，从而有效减少事故发生数量[3]，提高企业本质安全水平，减少非计划停车次数，进而提高生产效率。

1 HAZOP分析方法概述

危险与可操作性分析（Hazard and Operability Analysis，缩写HAZOP）是一种用于辨识工艺缺陷、工艺过程危险及操作性问题的定性分析方法。于20世纪60年代中期英国帝国化学公司（Imperial Chemical Industries，ICI）提出。目前，该方法是所有工艺危害分析中系统性、全面性、结构性较好的方法[4]，HAZOP分析方法已被欧美日等发达国家广泛用于各类工程项目的风险评估工作中，甚至被立法强制[5]。其在我国煤化工行业的应用尚属起步阶段。

一个典型的HAZOP分析实施过程分为三部分。首先是分析启动。主要是确定开展分析时间，指派分析组长，提供必要分析所需资源。其次是分析步骤，第一步，成立分析小组，该小组由工程技术人员，管理人员以及操作人员等组成，通常小组成员大于四人，明确分工，并对小组成员进行HAZOP培训，使得成员具备开展HAZOP分析的基础知识，以便顺利完成任务。第二步，确定分析范围和目标，HAZOP分析锁定范围所有危险与可操作性问题。目标应严格集中在辨识危险。资料收集，设计描述，工艺流程图，管道和仪表图，电路图，操作维护说明，系统管道布置图等。第三步，实施分析，对收集的资料严格审核，并将其划分出若干节点，针对每个节点比照正常的工艺参数和操作条件，确定引导词，并与工艺参数相结合，确定是否存在偏差。第四步，如果存在偏差，分析其发生的原因及后果，提出整改措施及建议，形成分析报告。最后，HAZOP分析审查[6]。分析程序和分析结果接受企业内部和监管部门的审查。

2 LOPA分析方法概述

在对过程工业进行HAZOP分析时，分析小组成员辨识与分析各种参数偏差发生的原因及产生的后果，以及提出的整改措施，进一步降低风险。在这个过程中，就安全整改措施能否足以降低到容忍风险标准之下，往往会有争论。为了更好地解决这类问题，20世纪80年代末，美国化学品制造商协会在《责任关怀——过程安全管理实施准则》一书中建议将“足够的保护层”作为有效的过程安全管理系统的一个组成部分，LOPA方法应运而生。2003年，国际电工委员会（IEC）将LOPA技术作为确定安全仪表系统完整性水平的推荐方法之一。

LOPA即保护层分析（Layer of Protection Analysis，简称LOPA）是在定性危害分析的基础上进一步评估保护层的有效性，并进行风险决策的系统方法[7]。其主要目的是确定是否有足够的保护层使风险满足企业的风险标准，是基于事故场景的一种半定量分析方法。保护层分析模型可以用洋葱模型来解释，每一层洋葱都是一个独立的保护层[8]，从里到外层层保护，大大降低了工艺风险。保护层分析的步骤主要有六步，如图1。首先应根据HAZOP分析、事故分析或者变更分析结果来选择场景，依据后果严重性等级来对场景进行筛选。确定场景后，识别可能的初始事件（IE，Initial Event），然后对特定的初始事件进行独立保护层（IPL，Independent Protective Layer）分析，按照有效性、独立性和可审查性确定独立保护层。计算事故发生频率，确定设立保护层后事故风险等级，建立风险容忍标准，将事故降低至企业可接受的标准，写出LOPA报告，接受审查。

将HAZOP和LOPA分析组合起来，进行联合分析，可以找出装置操作运行过程中的不安全因素[9]，使设计和操作人员更加全面深入地了解其性能，以便采取有针对性的保护措施。应用LOPA分析方法进行半定量的分析，可根据实际情况设置多重保护层，并确定是否有足够的保护层使得风险降至企业可接受风险范围，从而从本质上提高企业安全水平，可有效防止事故的发生或者减轻事故后果的影响[10]。

图1 保护层分析的步骤

3 水煤浆加料气化工艺简介

以目前技术较成熟且使用较广的Texaco气化工艺为例说明，该工艺以水煤浆为原料，以氧气为气化剂，将两者喷入气化炉后，首先被喷嘴雾化，煤颗粒均匀分散在气化剂里，部分煤燃烧为气化炉提供热量，使其温度升至1300℃以上，在高温高压下，生成以CO、H2为主要成分的粗煤气。粗煤气进入气化炉激冷室进行洗涤后进入炭洗环节，通过炭洗将粗煤气中夹带的细灰除去，在碳洗塔和气化炉流出的黑水被送往高压闪蒸罐，进行热量回收和细渣处理。富含细渣的黑水和灰水通过灰水系统，冷却水系统进一步澄清分离，最终澄清水进入系统循环，粗渣进入锁渣罐系统排渣。

4 水煤浆气化工艺HAZOP&LOPA分析过程

4.1 分析目的

从水煤浆气化工艺流程、操作参数、安全措施等方面着手，应用HAZOP分析，系统全面找出工艺、设备、仪表、操作等方面潜在的危险因素，找出工艺流程、设备运行及安全措施方面存在的不足，提供相应的控制措施，为装置安全运行提供保证。

4.2 准备文件

整个分析过程需要收集整理一下资料：制定《水煤浆气化工艺HAZOP分析实施方案》全面策划本企业HAZOP分析工作。包括管道和仪表流程图，工艺流程图，装置岗位操作规程，设备数据表，管道数据表，MSDS数据。

4.3 成立HAZOP分析工作项目小组

组长由企业安全总监担任，分析小组由工艺、装置设备设计、安全技术人员和电气、仪表技术员，记录员等相关人员组成。并对以上人员进行业务培训。

4.4 划分节点

整个水煤浆气化工艺流程可分为煤浆给料系统、气化炉烧嘴冷却水系统、炭黑水系统等节点。本文以气化炉系统作为节点进行分析。以温度、压力、液压差等作为气化炉的工艺参数，并与高、低等引导词进行结合，得出有意义的偏差，分析导致偏差的原因，得到后果，给出保护措施。本文以高温、低温、高压、低压、液位高、液位低偏差为引导进行分析，气化炉分析结果，见表1。

HAZOP分析结论只是针对装置设计及操作中存在的问题进行定性描述，对问题的严重程度及保护措施有效性的定量判断。为此，在HAZOP分析结果基础上，采用LOPA分析方法进一步分析，筛选出发生可能性高，后果严重程度大的事件逐一进行LOPA分析，可有效避免保护不足或者过保护。本文结合HAZOP分析结果，以气化炉为例进行LOPA分析，见表2，气化炉LOPA分析结果。

表1 气化炉HAZOP分析结果

表2 气化炉LOPA分析结果

采用前期进行的HAZOP分析作为场景信息来源，根据后果等级表进行场景筛选，确定气化炉高温导致下降管损坏为分析场景，由于下降管损坏产生泄漏，爆炸引起人员伤亡，风险等级5，发生频率为1E-02，为高风险，远远超过风险可接受值1E-06。因此需要加保护措施，以降低风险。企业在气化炉出口处设置气体高温连锁跳车SIF系统、高温报警和人员响应，可将发生频率由1E-02降至1E-05，风险为中等风险，可选择采取行动，如果再进一步采用保护措施，增加气化炉合成器组分在线监测，能有效防止煤氧比例高，可将发生频率降至1E-06，风险为低风险，可接受。因此在设立保护层后，有效降低了事故发生风险。

5 结束语

本文采用HAZOP&LOPA 综合分析方法，着重对气化炉部分进行系统安全分析，其 HAZOP 结果为：气化炉温度、压力、液位等要素发生偏差时，易引起气化炉超温、超压，进而发生炉砖损坏、炉壁鼓包、管道超温蠕变，导致工艺气泄漏、中毒、火灾或爆炸等重大事故，着重分析出设计及工艺管理方面的偏差危害因素，对其提出了有针对性的安全措施，并对其进行半定量分析，有针对性的设计保护层，确定保护层数量，以达到降低风险的目的。图2说明了HAZOP信息和LOPA信息的关系。