基于2GW-HAZOP与偏离度的输气站降压排污作业风险评估*

孙艺博，刘佳玮，李威君

(1.山东海普安全环保技术股份有限公司，山东 青岛 266001；2.山东科技大学 安全与环境工程学院 安全与应急管理学院，山东 青岛 266590)

0 引言

输气站是天然气集输系统的枢纽，担负着天然气的运输、调压、计量等功能。随着我国天然气管网越来越密集，输气站的枢纽作用越来越凸显。为保障天然气的正常供应，输气站的安全问题是天然气稳定输送的关键。然而，由于物料的易燃易爆性、工艺的复杂性、人为误操作等影响，输气站场往往成为输气管网的高风险区域。站场一旦发生事故，不仅影响天然气的稳定供应，极易造成火灾爆炸、环境污染等事故，甚至可能产生不良的政治影响。例如，2017年12月，奥地利鲍姆加滕输气站场发生爆炸，造成向意大利、斯洛文尼亚和匈牙利的输气中断[1]。因此，保证输气站场的安全运行意义重大。

目前国内外针对输气站的风险分析研究多针对其工艺流程或设备，较少涉及作业过程。例如，在设备风险分析方面，吴赟等[2]、黄亮亮等[3]、Zarei等[4]主要采用失效模式与影响分析法、T-S模糊故障树、定量RBI技术进行研究。在输气站工艺单元方面，郑明等[5]通过经验指数计算得到输气站各功能单元的失效概率等级；姚安林等[6]引入Go法分析输气站的可靠性，该方法能够将停工、维修和备用等环节故障的复杂相关性进行表征；马跃[7]结合层次分析与灰色聚类法构建输气站场的风险评价模型；曲莎等[8]指出输气站的作业活动对整个输气系统的安全性影响较大，但其对输气站的安全评价仍以设备设施为分析单元，未从作业过程风险的角度进行研究。事故调查研究发现，许多事故起因并非是设备或工艺自身失效，更多与错误的作业过程有关。作业过程的风险因素众多，既涉及工艺设备，又与人的行为因素密切相关。而传统的HAZOP方法主要以工艺过程为分析节点，较少考虑作业行为、顺序等受人为因素干扰较大的影响因素。鉴于此，提出以输气站中的降压排污作业过程为分析对象，构建适用于作业过程的HAZOP分析方法，实现对作业偏差的定义与分析，为输气站降压排污作业过程的事故预防提供借鉴。

1 作业过程风险评估模型

1.1 2GW-HAZOP

危险与可操作性分析(Hazard and Operability Analysis，HAZOP)方法是评估过程风险有效的方法之一，被广泛地应用于石油化工行业。国内外针对HAZOP的研究主要集中在对工艺参数偏差的分析，对作业过程偏差的定义与应用尚不足[9-11]。近年来，一些专家学者通过将HAZOP与其他方法进行结合实现对HAZOP的改进，例如基于多目标决策支持的HAZOP[12]、模糊层次分析HAZOP[13]等，但仍将其应用领域局限在工艺过程而非作业过程的风险分析。究其原因，作业过程的主要风险因素在于人因失误(如操作、管理等)，因此传统的工艺参数偏差引导词已不再适用，需要重新定义其偏差分析的引导词。此外，传统HAZOP分析方法的引导词过多，使得风险分析过程过于复杂，成为制约HAZOP应用的1个重要因素[14]。

将传统7种工艺参数偏差引导词映射到1个偏差二元组中，形成适用于作业过程风险分析的方法——2GW-HAZOP(2 Guide Word Hazard and Operability)。该方法采用节点跨越和节点功能偏离2种引导词，其与传统HAZOP的映射关系如图1所示。

图1 2GW-HAZOP引导词Fig.1 Guide words of 2GW-HAZOP

进一步，对2种引导词进行如下定义：

1)节点跨越：节点未被执行。

2)节点功能偏离：节点被错误地执行。其中包括执行速度(过快或过慢)、执行程度(部分或过度)、执行顺序(提前或推迟)以及造成执行错误的其他情形。

从引导词的定义中可以看出，2GW-HAZOP方法中的引导词既可以涵盖传统HAZOP的所有引导词，减少风险情景的遗漏，又可以针对作业过程风险的特点对引导词进行简化，节省HAZOP评估的时间。

1.2 偏离度

在作业过程风险分析中，可用偏离度来衡量实际作业情景偏离正常作业情景的程度，偏离度大小即反映作业活动的风险水平。偏离度的数学表达式如式(1)所示：

(1)

式中：ζ为偏离度函数；A为理想情景；X为实际情景。

根据安全系统工程因果分析的基本原理，控制措施对风险具有一定的削减作用。因此，偏离既包括作业过程节点功能的偏离，又包括预防性控制措施的偏离。因此，分别从节点功能和控制措施2方面对偏离度进行界定。

1)节点功能偏离度

根据2GW-HAZOP中对作业过程节点功能偏差的定义，偏离度值可分为以下几种情形：正常作业情况下，节点被完全执行，则说明无偏离，即偏离度值为0；若节点不被执行，则说明完全偏离，此时偏离度为1；当作业情况介于二者之间时，偏离度为0与1之间的数值，该情况所包含的子偏离较多。节点功能偏差定义及偏离度表示见表1。

表1 作业节点功能偏离度Table 1 Functional deviation degrees of operation nodes

2)控制措施偏离度

单纯依靠节点功能偏离度并不能完全反映作业过程的风险水平，采取适当的控制措施可减少由作业活动引起的偏离。对比已有措施与风险分析得到的预防性措施，若无相关措施，则偏离度为1；若已有措施符合或者超出预防性措施的要求，则偏离度为0；否则，偏离度为0与1之间的数值，偏离程度与偏离度值的对应关系与表1相同。

3)总偏离度

计算总偏离度即是对节点功能偏离度和控制措施偏离度2种偏离度进行加权耦合[15]，权重的大小取决于控制措施的实施难易程度。计算公式如式(2)所示：

R=∂ζ2+(1-∂)ζ1

(2)

式中：R为总偏离度；ζ1为节点功能偏离度；ζ2为控制措施偏离度；∂为控制措施的权重系数。

同样采用半定量的方法定义∂的值，控制措施的实施难易程度与权重对应关系见表2。需要注意的是，当存在多种不同类型的控制措施时，选取实施程度较难的措施对应的权重作为保守值。

表2 控制措施的实施难易程度与权重对应关系Table 2 Corresponding relation between degree of implementation difficulty and weight for control measures

2 降压排污作业过程节点划分

降压排污作业是输气站的重要作业过程之一。输气站上游来气往往混有杂质，影响站内设备及管道的正常使用及寿命。因此，输气站中设置有分离除尘器及排污系统对天然气中的杂质进行处理。尤其在输气站运行初期，排污作业较为频繁，以减少管道施工过程中的残留杂质对输气站生产运行的影响。以过滤分离为主要功能的输气站工艺简图如图2所示。图2中虚线框内的部分为降压排污过程的主要作业对象，从图2中可以直观地观察降压排污作业过程中物质的流经路径：天然气从分离器进口进入，分离产生污水流经分离器出口阀门和管线，最后汇入排污池，分离产生的气体输入管汇，多余天然气由放空管线排出。

图2 以过滤分离为主要功能的输气站工艺简图Fig.2 Process diagram of gas transmission station with filtration and separation as main functions

为探究降压排污作业过程风险产生的位置及影响，需要首先对作业过程进行分解。分解的主要依据是作业操作规程。降压排污作业过程的详细作业步骤如下：

1)排污池环境检查，确保50 m范围无火源；

2)排污池检查，确认排污池容量，且液位高于排污管口0.1 m；

3)切断分离器进出口阀门；

4)将分离器放空至1.0 MPa；

5)全开分离器排污管线球阀，缓慢开启排污阀；

6)排污结束立即关闭排污阀，全关球阀；

7)检查阀门和排污池，确保无气体泄漏，排污作业结束。

每个作业步骤可视为作业过程2GW-HAZOP分析的节点，则每个步骤的功能即为节点的参数。可以看出，与工艺过程的参数设定不同，作业过程参数主要受人员操作行为的影响。

3 应用与结果

2GW-HAZOP方法的应用过程与传统HAZOP分析过程类似，采用“参数+引导词=偏差”的结构形式生成偏差描述。以降压排污作业过程中节点1)为例，偏差分析过程如下：

1)作业节点1)功能 +引导词1(节点跨越)=偏差(未对环境进行检查)

2)作业节点1)功能 +引导词2(节点功能偏离)=偏差(环境检查后周边仍存在火源)

由此，每1种偏差描述即为1种可能的风险情景。以某输气站降压排污作业为例，通过建立HAZOP专家小组分析每种风险情景的原因和后果，制定预防性应对措施。然后按照偏离度赋值标准进行半定量分析，得到总偏离度值。降压排污作业过程的风险分析结果见表3。

将分析得到的3组偏离度值分别绘制折线图，如图3所示，横坐标表示表3中所列的13种偏离情景，分别对应1～13的序列编号，纵坐标表示偏离度。图3直观地反映各个作业节点的风险水平，偏离度越大，说明风险越高。由图3和表3可知，在现有的作业状况下，分离器放空不充分(偏离度为0.96)、排污池液位过高或过低(偏离度为0.92)、排污结束未检查泄漏情况(偏离度为0.8)3种偏离的风险最大，在实施作业前需要采取风险控制措施降低偏离度。

图3 偏离度折线图Fig.3 Line chart of deviation degrees

根据风险分析结果可知，输气站降压排污作业过程一旦出现偏差，轻则影响设备设施的安全性，重则导致泄漏、火灾、爆炸等事故的发生。通过2GW-HAZOP与偏离度的方法，能够对每个作业节点可能出现的偏离进行详细的分析，进而能够辨识更多的风险情景，减少风险情景的遗漏。在作业过程事故预防方面，对于操作者个人失误、管理者未下达指令等人员和管理上的风险致因，主要从加强人员培训的角度进行控制；此外，通过增加安全联锁系统可有效地保障作业过程节点功能的实现。

4 结论

1)采用2GW-HAZOP方法分析输气站降压排污作业过程的风险，以作业过程节点功能作为参量，结合节点跨越和节点功能偏离2种引导词构建节点功能偏差，有助于实现对每个作业节点偏离的详细分析，辨识更多的作业风险情景。

2)通过定义功能偏离度和控制措施偏离度对2GW-HAZOP分析得到的偏差进行量化处理，能够考虑措施对风险的削减作用，可以较好地表征作业过程节点的风险水平；同时可在风险分析结果中更加直观地观察到作业的目标功能和目标控制措施，有助于采取更有针对性的风险控制措施。

3)将2GW-HAZOP用于作业过程风险分析可充分利用“引导词+偏差”的分析模式，与传统的作业过程风险分析方法(例如作业安全分析、What-If等)相比，使分析过程更加具有系统性和结构性。