HAZOP-LOPA分析在工程类教学实验室中的应用

邵倩倩， 许 诺， 李 旺

（1.广东石油化工学院石油工程学院，广东茂名 525000；2.国家石油天然气管网集团西南管道公司分控中心，成都 610041）

0 引 言

为提高高校学生实践能力，培养实践型人才，实验室作为高校教学与科研工作开展的重要场所，已成为高校发展建设中的重要部分。由于实验室使用频率高、人员流动大、危险因素多，实验室安全一直困扰着各高校，也是高校日常安全管理工作的核心所在，如何对其进行安全管理一直是实验室相关人员的研究重点［1-4］。尽管如此，实验室安全事故仍时有发生［5］，如2015 年12 月北京某大学实验室爆炸，导致1 名学生死亡；2018 年12 月北京某高校实验室爆炸，导致3 名学生死亡［6-7］。事故分析显示，这些高校实验室事故的主要原因是相关人员安全意识不强、对实验室危险识别不敏锐、实验室管理机制不健全［8］。为此，许多研究者关于如何加强实验室安全有针对性地提出了一些改进措施，包括健全安全责任体系、完善管理制度、改进安全硬件设施和进行安全培训教育等［9-12］。

除了在高校实验室管理制度等方面进行完善，根据学科性质对实验装置的安全性进行定期分析评估以保障实验室安全也十分必要［13-15］。高校的实验教学设备大体可以分为两类：标准设备和非标设备。尤其对于工程类学科教学实验室，学科性质导致实验室内有较多非标设备。这些非标设备的介质可能为易燃易爆介质或危化品，操作条件可能为高压高温条件。因此，在该类非标设备进场前有必要进行安全评估，以确保该设备在实验室内能够安全有序地运行。但是目前绝大多数的高校实验室对非标设备的安全评估并没有一个完整且有效的体系，而且往往依靠专家的经验进行评估，不能保证评估结果的完整性。HAZOP-LOPA分析是一种最早用于化工装置设计阶段和运行阶段的评估体系。本文通过引进HAZOP-LOPA分析的方法，并考虑实验室非标设备的特殊性，对该方法进行了一定程度的改进，以油气储运工程专业蒸发损耗实验室为例进行HAZOP-LOPA分析，通过分析确定该实验室是否处于安全平稳的运行状态，并提出改进措施和方法，以期制定一套完整且具有一定公认性的评分及评价规则。

1 HAZOP-LOPA分析方法及发展

1.1 HAZOP和LOPA分析方法介绍

HAZOP（Hazard and Operability Analysis）是一种对危险和可操作性分析的方法，可以用于识别工艺缺陷、过程危险和操作性问题。该方法最早起源于20 世纪60 年代英国帝国化学公司（ICI）［16］。根据美国化工协会化学过程安全中心（CCPS）的介绍，HAZOP 对于确定危险和识别设计、操作对规范等的偏离是非常有效的。HAZOP分析还可以找到工艺装置的隐患并对其进行评估分析，从而提出建议和改进措施。

目前HAZOP 分析有两种方法，分别是引导词法和经验法。引导词法是指利用引导词来定性或定量地给出对设计意图的偏离，以激发头脑风暴式的思维，来发现偏离的诱因和后果，确定现有的安全措施，并提出建议［17］。经验法是指利用专家的经验，将工艺装置和设计规范以及同类安全运行装置进行比较，并利用相应的检查表格或软件来进行评估和分析。两种方法各有优缺点，在石油化工行业都得到广泛的应用。

LOPA（Layer of Protection Analysis）是对保护层分析的简称，是一种简化的半定量风险分析方法［18-19］。LOPA通常使用初始事件频率、后果严重程度和独立保护层失效频率的数量级大小来近似表征场景的风险，是对事故场景风险进行半定量评估的一种系统方法。

LOPA最早起源于20 世纪80 年代末，美国化学品制造协会提出将“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。1993 年，CCPS 正式提出LOPA 方法［18］。随着时间的推移，越来越多的协会、组织和规范采用LOPA 作为安全评估方法之一。目前LOPA方法已在全世界范围得到了广泛的应用，我国国家应急管理部发布了《保护层分析（LOPA）方法应用导则》（AQ/T 3054—2015）用以指导工艺装置的LOPA分析。

1.2 HAZOP-LOPA分析方法改进

传统的HAZOP 分析可以归纳为四个层面：分析因某个参数偏差而产生的危险源、分析危险源可能产生的后果、分析现有的手段能否缓解该偏差、对最后产生的后果进行危险定级，因此可以生成HAZOP 报告。针对HAZOP报告，再引入LOPA保护层的概念提出有效的预防和保护措施。

HAZOP和LOPA目前在工业中已经得到了广泛的应用，但是在实验室内应用较少。实验室内装置与工厂中的装置在本质上虽属于相同类型，但仍存在一定的差异。主要差异在于企业对风险的可接受能力要大于学校；同时企业的工艺装置都有联锁保护，而实验教学装置的安全防护相对简单，较少用到连锁控制；与学校相比，企业对设备制造和设计单位资质的审核更为严格，对操作人员的培训也更完善。因此不建议直接将HAZOP 和LOPA 方法运用到实验室装置的安全分析和确定，而应根据实验室装置的特殊性进行一定程度上的改进。

（1）后果严重性评定标准的改进。传统的HAZOP分析对工艺装置危险源的产生后果严重性判定往往通过3 个方面：员工伤害、财产损失和环境影响。每一个方面根据后果的严重程度设置5 个等级，构成后果严重性评定标准的风险矩阵图。实验室装置规模要远远小于生产装置，一般而言事故后果的严重程度要小于常规石油化工生产装置，对其严重等级应重新划分。重新划分后，后果严重性评定标准见表1。

表1 基于实验室装置的事故后果严重性评定标准

此外还应当增加对实验结果的影响。考虑到教学实验室装置大多规模较小，因此可以通过仿真软件进行事故模拟。为了更直观地表述事故后果，在改进中增加了定性分析，利用商业软件PHAST对可能产生的事故后果进行模拟，从而能够更好地判断事故后果的严重性。

（2）事故可能性评定标准的改进。传统的HAZOP分析中的事故可能性评定标准往往分为3 个方面，分别是硬件控制措施、软件控制措施和事故发生频率。在硬件控制措施上，需要考虑是否有被动防护系统（防护系统是否独立）、是否有检测程序、过程是否受控以及工艺安全操作规程是否完善。软件控制措施包含了操作指导、纪律和培训是否完善、员工操作是否熟练等。上述事故可能性评定标准在石油化工企业已经十分完善，但并不能完全应用于实验室设备和装置的评估。其主要原因是：实验室装置较石油化工企业装置而言规模较小；教学类实验更多是依靠学生操作，以达到锻炼的目的，自动化程度相对企业装置而言较低。因此根据实验室的特殊性，做了如下调整：在硬件控制方面，增加实验装置操作手册是否完善并上墙、是否有定期维护日志、实验记录本等日常管理文件是否齐全，同时实验室内是否有防护装置，如洗眼器、通排风设施、个人防护设施和消防器材等；在软件控制措施上增加了是否在实验前进行安全培训，实验过程中教师是否全程在场等。

1.3 实验室HAZOP-LOPA分析方法

HAZOP-LOPA 分析方法在实验室安全分析中的应用步骤如下：

（1）准备工作。确定分析的范围，准备装置的流程图，收集相关资料，会议记录和确定分析小组人员名单。

（2）节点划分。根据工艺流程进行节点划分，对各节点的设计意图进行描述。

（3）HAZOP分析。确定偏差，分析引起偏差的原因和后果，列出安全保护措施，对风险的严重性和可能性进行定级，再根据风险矩阵图进行最终评估，并提出合理建议措施。记录分析过程，并循环上述分析过程直至所有节点都已使用。

（4）LOPA分析。根据HAZOP 分析结果，筛选出风险等级较高的偏差，确定初始事件（IE）频率，评估独立保护层（IPL）并确定其失效概率（PFD）。根据后果等级，使用风险矩阵图确认场景风险的可接受频率，将场景频率计算结果与可接受频率进行对比，进行风险评估与决策。当场景频率计算值低于场景风险的可接受频率，则可认为该场景为低风险，并且有充足的保护和减缓措施，可以进行实验。反之，该实验应暂停。待整改达到要求后，方可继续实验。

（5）根据HAZOP-LOPA 分析结果，编写分析报告，并判断该实验装置是否可以继续使用。对不能继续使用的实验装置，提出改进措施和建议。详细步骤如图1 所示。

图1 HAZOP分析流程图

2 HAZOP-LOPA 分析在蒸发损耗实验室风险分析中的应用

2.1 蒸发损耗实验内容

油气储运工程专业是综合性较强的工程类专业，涉及长距离管道输送、油库、油气集输和城镇燃气等。其实验涵盖范围较广，大多实验器材属于非标设备。蒸发损耗实验是油气储运工程专业本科生必修实验课之一。该实验旨在使学生对油罐由于温度变化而引起的“小呼吸”损耗有所认识，并通过实测油罐蒸发损耗量来验证《油库设计与管理》课本中小呼吸损耗的理论计算公式［20］。储罐“小呼吸”是指由于储油罐内气体空间温度和油气浓度的昼夜变化而引起的油品损耗。蒸发损耗实验装置如图2 所示。装置内的储罐存放有0.065 m3的汽油，同时在实验过程中需要对该储罐进行加热升温，汽油挥发后容易与空气混合形成可燃气体混合物。我校该套设备购置于2010 年，设备老旧，使用人员多，因此存在一定的安全隐患，需要对其进行安全分析后方可继续使用。

图2 蒸发损耗实验装置示意图

为了保证本次HAZOP 分析的权威性和公正性，特邀请了具有丰富HAZOP-LOPA 分析经验的工程技术人员作为主席，对该实验室内的安全进行评估，小组成员包含了多位专业教师、实验员和高级工程师。

由于HAZOP需要对工艺与管道仪表流程图进行分析，因此针对蒸发损耗实验装置，本文绘制了较为简单的工艺与管道仪表流程图，为后续分析做准备。绘制的工艺与管道仪表流程图如图3 所示。当储罐受热后，储罐内气体会通过罐顶阀门N2、N3和N4向外排出油气混合物，通过流量计FG001 可以测量所挥发的油气混合物体积，通过气体分析仪可以测量其油气浓度。

图3 蒸发损耗实验管道和仪表流程图

根据《危险化学品重大危险源辨识》（GB18218—2009）中的规定，本实验装置汽油含量小，不属于重大危险源，因此无须考虑设置SIS（安全仪表系统）等安全措施。

2.2 部分分析结果

根据本装置的实际情况，本次分析采用温度、压力和液位3 个引导词进行偏差分析。由于该装置较小，本次只需要考虑一个节点即可，通过HAZOP 分析，发现潜在问题4 处，提出改进措施12 条。通过LOPA分析，提出具体建议4 条。以选取温度高为例，来阐述HAZOP-LOPA在工程类教学实验室的应用研究。

出现温度高的可能原因如：加热装置加热速度过快，学生和老师没能及时观察；实验结束后加热装置忘记关闭，一直保持加热状态；测温装置失效，实际温度远超温度计显示读数。上述原因可能引起的储罐温度过高会引发以下后果：出现更多的油气混合物并排出至实验室内，遇到实验室内非防爆电器时，可能会引起爆炸。

为了更好地进行定量分析，以判断事故后果，假设储罐外界温度在半小时内由20 ℃上升至60 ℃，正常情况下储罐内汽油体积为0.065 m3，储罐体积为0.26 m3。根据API 2000 第7 版可以估算出该小型储罐呼出的气体量为0.08 Nm3。利用PHAST软件对该储罐进行事故后果模拟，部分HAZOP 分析结果如表2所示。

表2 HAZOP分析部分结果

根据HAZOP 分析结果，继续对上述场景进行LOPA分析，并进行半定量计算。LOPA分析如表3 所示，其中SIL为安全完整性等级。

表3 LOPA分析部分结果展示表

通过上述分析，可以判断该实验装置存在一定的安全隐患，根据HAZOP-LOPA分析结论提出以下建议和改进措施。

（1）增加一套独立的测温装置用于测量储罐内温度变化，便于与现有测温装置进行对比。

（2）该实验室暂时不具备进行实验的条件，增加通排风装置，设置自动排风扇和专用万向罩。

（3）增加可燃气体报警装置。

3 结 语

为对工科教学实验室进行安全评估并提出防范措施，在HAZOP分析基础上引入LOPA分析。基于实验室装置的特殊性，对HAZOP-LOPA 分析方法进行改进。为验证所改进方法的可行性，对蒸发损耗实验室进行安全分析。所改进的HAZOP-LOPA 分析方法不仅可以对实验室风险进行量化分析，而且可以判断现有的安全措施是否完善，是一种有效的实验室安全分析方法，值得在工科院校推广。

考虑到实验室装置老化的问题，建议每隔3 ～5 年进行一次HAZOP-LOPA分析以评估其安全性。此外，还需要规范实验室内各项安全管理制度和条例。