HAZOP、LOPA和CFD分析方法在海上平台中的应用

荆 波

(中国石化胜利油田分公司海洋采油厂，山东东营 257237)

0 前言

在能源需求不断增加、陆地上油气资源日渐枯竭等背景因素作用下，近年来海洋油气勘探开发得到快速发展，自动化水平和规模复杂度不断提升，同时海上平台作业环境恶劣、设备设施集中度高、多工序复杂交叉的特点，极易造成严重的恶性事故，导致巨大的人员财产损失和海洋环境破坏，因此各大能源公司普遍对海上设施开展了风险评估工作，针对生产过程中存在的不安全因素和工艺风险进行管控。危险与可操作性分析(HAZOP)是石油化工领域比较常用的工艺风险分析方法，在海上油气平台也得到广泛应用，但是该方法存在较为依靠分析人员经验、保护措施分析不够深入等弊病，针对这一问题，引入保护层分析(LOPA)方法对保护措施进行独立保护层分析。同时，由于海上自然风环境对可燃气体探测系统影响较大，因此使用计算流体力学(CFD)分析方法对平台的可燃气扩散过程进行数值模拟，量化计算现有可燃气探测布点方案的有效性，进一步提高了分析的准确性。

1 分析方法简介

HAZOP分析将所研究的过程根据设计目的分为多个逻辑上可管理的部件(或节点)，建立偏差，并对偏差进行潜在原因、后果进行分析，评估可能造成人员伤害、财产损失、环境破坏、声誉损害等风险。

LOPA分析通常建立在定性危害分析的基础上，通过进一步评估保护措施，判断保护层的有效性，进行风险控制与决策。LOPA的主要目的是确定保护层是否足够，剩余风险是否满足企业的风险可接受标准。独立保护层通常从5个方面进行确定：①独立性；②有效性；③安全性；④变更管理；⑤可审查性。

CFD分析是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析。通过这种数值模拟，可以得到各种复杂流场内各个位置或时间点上的物理量。

在HAZOP分析过程中，评估保护措施时通常基于个人经验和孤立的案例，更关注保护措施的类型和数量而忽视保护措施的相互联系和有效性，往往高估了保护措施的实际作用。通过将HAZOP与LOPA和CFD分析相结合，可以在HAZOP分析基础上对保护措施的有效性进行定量评估，确定保护层具有保护和消除事故风险的能力。

2 分析流程

在HAZOP分析工作基础上引入LOPA和CFD分析方法，主要包括以下内容：①划分分析单元；②阐述设计意图和操作步骤过程；③对每个单元的流程逐个选取分析节点，并设定偏差及引导词，进行HAZOP 偏差分析；④根据偏差后果的严重性、可能性和风险矩阵进行风险分析评价，确定可能事故场景的风险等级，辨识与筛选等级和复杂程度较高的场景进行LOPA分析；⑤辨识出系统独立的安全保护层和安全保护措施，并确定保护层失效的概率，判断这些保护层能否预防事故发生和降低事故发生概率，并对其有效性、独立性和合理性进行分析；⑥建立海上平台三维模型，根据典型泄漏场景下的设备工况计算可燃气体泄漏影响范围，分析可燃气体探测系统的有效性；⑦根据评价结果确定是否增加新的保护层和安全保护措施。

3 应用案例

3.1 三相分离器单元工艺流程简介

海管来油进入两台并联的三相分离器进行油、气、水分离，水相由操作人员通过手阀控制分水量，以保证外输泵处原油黏度不超过其运行范围。三相分离器分离出的气相排放至天然气洗涤器脱水，再经过聚结式过滤器过滤液滴后由海管送至中心二号平台，水排放至生产水处理系统，油进入原油换热器。

三相分离器的压力、温度、液位等操作参数是各平台所关注的重点和控制的核心，直接影响油田的产量，所以选择三相分离器中的“压力”参数作为偏差进行分析。

3.2 HAZOP分析和LOPA保护层划分

为了对可燃气体探测系统的有效性进行量化分析，选择了两个造成可燃气体泄漏的场景，即“自上游流程来液瞬时伴生气量高引起三相分离器压力高”和“PIC2004A回路故障，PV2004A关小(FC)”进行分析，其中PIC2004A为三相分离器压力指示控制仪表位号，PAH2004A为压力高限报警仪表位号，PSV2001A为压力安全阀位号，PV2004A为压力控制阀位号。风险等级判断依据国际常用风险矩阵，两个场景的HAZOP分析结果如表1所示。

进一步进行LOPA分析，表1中提到的保护措施部分不能成为独立保护层(IPL)，如：

表1 三相分离器HAZOP分析结果

a) PAH2004A的高压报警与PIC2004A的压力控制是响应同一传感器来的信号，不满足IPL独立性要求，因此不可以视为两个IPL。

b) 消防和应急难以确保其要求时的失效概率(PFD)满足要求，因此本措施视为不满足IPL有效性要求，不能视为IPL。

c) 可燃气体报警的有效性取决于探测器的覆盖率，如果覆盖率不足导致不能有效检测到响应，则该保护措施不满足IPL有效性要求。因此有必要通过CFD建模模拟安装位置不同对覆盖率的影响，分析可燃气体探测器的有效性。

3.3 CFD建模分析

图1为根据平台设备布置图所建立的扩散分析用的平台三维模型，可燃气体探测器安装分布在平台各层甲板，表2中各探测器坐标是以海平面(计算域底部)A1柱中心点为坐标原点。

表2 可燃气体探测器在各层平台位置 m

图1 平台几何模型

各种算例泄漏后扩散影响范围如图2、图3所示，其中图2为云图的三维显示，图3为泄漏点高度所在水平面的可燃气体(主要成分为CH)浓度分布图。

图2 可燃气体扩散范围

图3 泄漏点高度水平面可燃气体扩散范围

通过CFD方法模拟了不同泄漏位置、不同泄漏方向、不同泄漏速率、稳态/瞬态下的可燃气体泄漏的扩散影响范围。稳态计算结果更为保守，故各泄漏位置、方向均做稳态计算；由于上下层甲板对扩散的限制相同，取竖直向上方向的泄漏方向；结合泄漏点位情况，分别取水平向左、向右的泄漏方向；由于计算风向为南风，故取水平向南的泄漏方向。选取方向遵守总的原则就是可燃气体向平台内部扩散可能会导致燃爆风险的场景，如果直接飘向平台外部则忽略。14个算例的计算工况如表3所示。

表3 算例统计

根据计算结果可以分析出三相分离器发生泄漏后，可燃气体探测器能否及时有效的探测并响应。计算结果表明(表4)，平台开排层甲板的4个探测器(GD-1101、GD-1102、GD-1103、GD-1104)、底层甲板的2个探测器(GD-1207、GD-1208)、中层甲板的2个探测器(GD-1301、GD-1302)、顶层甲板的全部7个探测器(GD-1401、GD-1402、GD-1403、GD-1404、GD-1405、GD-1406、GD-1407)在所有算例中都没有被触发响应；小泄漏、中泄漏(算例1、2、8、9)的场景下绝大多数探测器点位无响应，仅算例9的6号探测器有响应；大泄漏、完全泄漏场景下响应的点位数随工况变化较大；泄漏发生时，通常其所在甲板层的探测器有响应，当可燃气体产生跨平台层扩散现象时，其他层位的探测器也会有响应，如算例6、13；而算例1、2、5、8、12没有触发任何探测器响应。

表4 可燃气体探测器点位对各场景响应情况(阈值定为20%的爆炸下限，即1%体积浓度)

根据模拟计算结果统计，在上述三相分离器发生泄漏(即使是完全泄漏)的情况下，可燃气体探测的有效覆盖率仅为64%，这说明三相分离器发生泄漏且在平台范围进行扩散的情况下触发报警的可能性不大于64%，PFD>0.1，不满足IPL中对PFD的要求，因此可燃气体探测器不能视为一个独立保护层。

3.4 LOPA分析结果修正

对比表1中的保护措施和表5中的独立保护层可以看出，由于通过CFD分析得到可燃气体探测器不能作为独立保护层，不能对风险进行消减，因此这两个场景减缓后的事故频率等级由1调整为3。可见在HAZOP分析的基础上进一步进行LOPA和CFD分析能够更加准确地判断IPL，提高对保护措施评估的精准性，避免引入新的风险。

表5 三相分离器LOPA分析结果

4 结语

通过应用案例可以看出各风险评价方法在实施过程中侧重点各有不同，利用HAZOP方法将工艺系统内所有可能出现的风险场景进行梳理，并找出相应的保护措施，再运用LOPA方法对于HAZOP中提出的保护措施的有效性进行判断和事故场景的剩余风险分析，在进行可燃气体探测系统保护层有效性评估时，借助CFD技术进行数值建模深入论证，才能满足企业对于工艺系统中的潜在风险的量化分析和精准管控的需要。

由此可见，HAZOP结合LOPA和CFD的分析方法满足海洋石油平台的安全评价需要，能够提高分析精度，为平台上可燃气探测器布点提供了更加科学合理的依据，有效提升了海洋石油平台科学管控自身风险的水平。