基于HAZOP-LOPA的炼化装置风险评估

周波

摘要：为了实现炼化装置的定量风险评估。首先介绍了 HAZOP 和 LOPA 分析方法，以及两者之间的互补性和结合机理。然后将HAZOP风险评估技术应用到聚乙烯装置中，找出了偏差产生的原因和可能导致的后果，评估了风险等级，并提出相应的控制措施。最后针对较高风险场景开展了进一步的LOPA定量分析，利用 LOPA方法的半定性风险评估识别危险源和保护层并进行量化，得出固有风险和剩余风险，并提出更全面的风险控制方案。结果表明，HAZOP-LOPA 分析应用于炼化装置能有效地实现风险定量评估，可以为炼化装置的操作可靠性和安全环保经济运行提供保障。

关键词：炼化装置;HAZOP;LOPA;风险评估;定量分析

0 引言

炼化企业中，炼化设备是风险的主要载体。炼化设备的失效不仅对于企业的生产运营造成严重的经济损失，而且会带来严重的人员伤亡和环境危害[1]。就炼化行业本身来说，这是一个易燃易爆等安全事故频发的行业，如何能够保证炼化设备的持续、安全高效的运行，避免炼化设备的非计划性停产，对炼化企业来说是十分重要的。对炼化设备进行定量风险评估可以保证炼化设备的安全、高效运行，能够从很大层面上改善炼化企业面临的这些问题。因此，炼化设备的定量风险评估对于炼化设备发生的风险事故做到提前预防，制定合理的检维修计划，提高企业的效益有着重大意义。随着科技的进步，石油炼化装置日趋大型化、自动化和复杂化，随着生产技术不断发展，安全问题也日益突出，生产过程中很小的失误就有可能造成极其严重的事故，造成不可估量的损失[2]。因此，针对炼化装置开展风险评估，并提出有效的建议措施对于识别装置潜在风险、降低过程风险具有重要意义。汪洋[3]采用HAZOP对炼化在役装置进行风险评估，并对在役装置开展HAZOP的前景做出了展望;常庆涛[4]从过程风险控制和过程风险评估两个方面建立了炼化装置过程风险预警模型;孔令峰[5]在炼化企业设备风险的基础上，开展了设备完整性管理体系研究;靳江红[6]为指导保护层分析方法的应用，分析了LOPA 定量中存在的问题;白永忠[7]将HAZOP分析方法和风险矩阵结合，构建了HAZOP+风险矩阵的组合方法。

HAZOP方法（Hazard and Operability Study，HAZOP）是目前危险识别方面应用最广泛的分析方法之一，但单一的HAZOP分析存在一定的不足。而在HAZOP方法的基础之上引入LOPA方法（Layer of Protection Analysis，LOPA），可以弥补HAZOP分析方法存在的不足，使HAZOP分析更加全面、系统、科学。将HAZOP方法与LOPA方法相结合，这种定量风险评估方法应用在炼化装置风险评估中对于炼化装置的风险管理、提高风险分析的准确度具有现实的意义。

1 HAZOP和LOPA的结合机理

1.1 HAZOP和LOPA

HAZOP方法是由英国帝国化学公司（ICI）于20世纪60年代提出的以引导词（Guide Words）为核心的系统危险分析方法之一[8]。HAZOP分析的本质是通过一系列的会议对工艺图纸和操作规程进行分析，在分析过程中评价小组成员系统的对每一个评价单元研究，利用引导词来建立有意义的偏差，分析偏差所导致的危险和可操作性问题，以及它们的原因和可能引发的后果及保护措施，据此提出相应的建议措施。

LOPA分析方法是一种特殊事件树形式的风险评估方法，通过评估现有的保护层的可靠性，确定其消除或降低风险的能力[9]。LOPA方法是以“事故场景”为风险分析的对象，在进行风险评估时，要先辨识工艺过程中所有可能的事故场景，揭示事故场景的触发事件、事故发生的后果和可能性，其中事故场景是发生事故的事件链。LOPA分析方法的内容包括：

（1）描述所选择的事故场景，分析事故发生后果;

（2）确定事故场景的严重程度;

（3）识别现有的独立保护层，评估其失效概率，确定事故场景的剩余风险;

（4）评估事故场景风险的可接受性。

HZAOP 分析作为一种定量分析方法，无法在场景风险量化方面起作用，而 LOPA 分析方法作为一种半定量评估方法，是定性分析结果的延续，大大地提高分析结果的完整性和系统性。LOPA 方法后续分析选取 HAZOP 分析结果中风险较高场景，HAZOP 分析中产生偏差的原因及发生的概率、偏差导致后果及严重程度，以及现有的安全保护措施等为 LOPA 分析提供数据和信息，两者具体对应关系见表1。

1.2 HAZOP和LOPA的联系

HAZOP方法是目前应用最为广泛的过程危险分析方法之一，该方法系统、全面，但是也存在以下不足：①主观性较强;②无法确认现有的独立保护层的有效性，不能解决剩余风险不能量化的问题[10]。

而LOPA方法作为一种半定量风险评估方法，不仅能够评估事故场景的风险，还能够识别保护层的有效性，从而确定事故场景的剩余风险[11]。因此，有必要在HAZOP分析的基础上引入LOPA分析，这样可以提高HAZOP分析过程的准确性和客观性，从而确认现有的保护措施是否足够、剩余风险是否达到可接受范围之内。可见，LOPA分析是HAZOP分析的继续和优化。是在 HAZOP 基础上进一步提出和核实安全措施的有效性和重要性，能提高HAZOP分析的准确性、客观性。因此，有必要在HAZOP分析的基础上引入LOPA分析

2 HAZOP-LOPA组合模型

通过HAZOP分析辨识出生产单元的危险，从管理的角度来说还需要通过风险评估理论来确定这些危險对应的风险程度大小。对不同程度的危险采取不同的应对措施对其进行管理，以保证不会发生重大的工艺安全事故。在此，提出了“HAZOP-LOPA”的组合定量风险评估方法。在HAZOP分析的基础上，将LOPA应用于风险定量分析，并形成一种组合的分析方法“HAZOP-LOPA”风险评估模型。HAZOP分析结果利用事故后果严重等级和事故发生可能性计算事故的风险等级，按照风险等级采取相对应的对策措施，将风险控制在可接受的范围之内，对重大工艺安全事故的预防和生产起到重要的作用，为安全决策提供理论依据和技术支持。

HAZOP分析和LOPA分析的关系体现在：由HAZOP分析所初步筛选出的风险较大的事故场景，是LOPA分析的基础;HAZOP分析中偏差产生的原因以及原因发生的可能概率，则成为LOPA的始发事件及其概率估算的直接信息;HAZOP分析中偏差的后果危险程度，为LOPA分析中事故场景的后果及其严重程度提供了判断依据;HAZOP分析中提列出的现有安全措施，是LOPA分析中识别现有独立保护层及其保护效果的基础依据，见图1。HAZOP分析是LOPA分析的基础和依据，应用LOPA分析的定量特征可以进一步识别现有HAZOP风险被控制的程度。

3 HAZOP-LOPA组合模型的应用

以某聚乙烯装置为研究对象，该装置采用德国HOECHST公司的技术，利用浆液聚合生产高密度的聚乙烯，包括聚合、回收、造粒、成品四个工段。由于生产工程中的原料大多具有易燃易爆的性质，因此该装置属于甲类火灾危险装置，火灾、爆炸是装置的重大隐患。

针对该装置采用HAZOP-LOPA组合方法进行风险评估。本次风险评估共划分了42个节点，将发生事故的可能性L与事故发生的严重性S结合，计算出R的值，在风险矩阵中界定风险等级，根据等级辨识现有的安全措施能否避免不良后果的产生，并对不足的措施提出相应的建议，如实分析全过程，共讨论、分析问题905项，提出了28条建议，分析讨论了25个重要事故场景，并有针对性地提出建议措施21条。由于聚乙烯装置分析节点较多，现仅选取节点10来讨论，分析结果见表2。该节点设计意图为污水处理，稀释剂回收。主要流程工艺为：聚合A、B线装置内的污水、落地粉末及稀释剂等物料进入地沟，流入回收污水池，经污水泵15001A/B进入污水收集罐15002，水、粉末、稀释剂在15002内分离，水通过鹅颈流入DB8号井，顶部稀释剂间歇导入15004搪瓷釜内，蒸馏回收。

通过HAZOP分析，装置主要存在以下几个方面问题：部分工艺控制不合理;可操作性不强;安全保护措施不完善;报警设置不足;对泵的保护措施不足等。保护层分析（Layer of Protection Analysis，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。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。LOPA分析是近年来应用广泛且行之有效的一种安全防护措施设计的系统科学方法。根据 HAZOP 风险矩阵定级，该风险等级为Ⅲ级，为不可接受风险等级，所以必须立即采取安全防护措施。根据表 2选取事故场景为：PIC71403故障，氮气含量波动，导致罐15002超压，油气泄漏，遇点火源着火爆炸;15004温度过高，F171202故障，导致罐15004超压，油气泄漏，遇点火源爆炸。从该节点HAZOP分析结果中选取15002氮气流量和15004温度检测节点进行LOPA分析，具体分析结果见表 3。

由表3可以得知，LOPA对事故场景的分析考虑了初始事件、使能事件和独立保护层得出装置未削减概率为0.05，超过了风险可接受标准 0.02。在考虑独立保护层后风险降为 0.025。剩余风险虽已接近可接受风险，但是仍在可接受风险之外，故应提出其他建议措施，具体建议措施见表3。

运用HAZOP-LOPA结合的分析方法对某聚乙烯装置危险和可操作性问题进行分析，分析了现有措施的有效性和充分性，基于HAZOP-LOPA的组合模型系统总结了聚乙烯装置的典型重大风险，并根据事故风险等级提出了可行的建议措施。分析结果表明聚乙烯装置的重大火灾爆炸风险需要引起高度重视，需要进一步完善安全监控检测措施，提高装置自控水平，加强安全管理，对温度、气体流量等开展专项评估和论证，进一步降低装置安全运行风险。

4 结论

（1）对某炼化企业的聚乙烯装置开展HAZOP风险评估，全面地辨识装置初步设计、技术改造等各个阶段存在的风险，查找各类生产安全事故事件产生的原因，共划分42个节点，分析问题905项，提出28条建议，分析讨论25个重要事故场景，并针对重要事故场景提出建议措施21条，依此制定了防范措施，并在此基础上适时地修订装置应急预案，可以有效地预防事故的发生，提高装置的安全管理水平。

（2）提出了基于HAZOP-LOPA的炼化装置定量风险评估方法。通过对聚乙烯装置节点10采用HAZOP-LOPA组合模型进行分析，从系统的角度对聚乙烯装置节点10危险与可操作性问题进行了全面分析，识别出了存在的工艺安全问题，定量地识别出安全风险并提出建议措施，对整个装置重大工艺安全事故的预防和安全平稳运行将起到非常重要的作用。

（3）通过对典型炼化装置的实例分析，对HAZOP和LOPA方法的具体应用过程进行了研究。在HAZOP分析的基础上结合了LOPA分析，HAZOP-LOPA组合风险评估方法既利用了HAZOP方法进行风险评估，也应用LOPA方法进行剩余风险分析以及对现有保护措施的有效性进行了量化，从而提高了装置工艺危险分析过程的客观性、准确性和科学性，避免了传统HAZOP分析中对风险评估过低或过高的情况，并可提出合理、有效的安全建议与措施，以为企业安全风险管理提供依据。

参考文献

赵积明， 赵积智. 炼油企业安全生产管理特点研究[J]. 当代化工研究， 2018（10）：65-66..

ZHAO Jiming， ZHAO Jizhi. Research on the Characteristics of Safety Production Management in Oil Refining Enterprises [J]. Contemporary Chemical Research， 2018（10）：65-66..

李璐. 典型煉化装置缺陷弯管强度分析与管道寿命预测[D]. 北京化工大学， 2017.

LI Lu. Strength Analysis of Defective Elbows and Prediction of Pipeline Life in Typical Refining and Chemical Plant [D]. Beijing University of Chemical Technology， 2017.

汪洋. 炼化在役装置的HAZOP风险评估技术[J]. 石油化工安全环保技术， 2013， 29（6）：45-48+9.

WANG Yang. HAZOP Risk Assessment Technology for Refining and Chemical In-service Plants [J]. Petrochemical safety and environmental protection technology， 2013， 29（6）：45-48+9.

常庆涛. 基于炼化装置的风险预警模型探讨[J].安全、健康和环境， 2018， 18（11）：40-43.

CHANG Qingtao. Discussion on Risk Warning Model Based on Refining Plant [J]. Safety， health and environment， 2018， 18（11）：40-43.

孔令峰. 基于风险的炼化设备完整性管理体系研究[D]. 中国石油大学（华东）， 2015.

KONG Lingfeng. Research on the Integrity Management System of Refining and Chemical Equipment Based on Risk [D]. China University of Petroleum， 2015.

靳江红， 胡玢， 赵寿堂. 保护层分析（LOPA）定量的若干问题研究[J]. 中国安全科学学报， 2014， 24（10）：82-87.

JIN Jianghong， HU Fen， ZHAO Shoutang. Research on Several Questions of Quantification of Layer of Protection Analysis （LOPA） [J]. China Safety Science Journal， 2014， 24（10）：82-87.

白永忠， 蒋军成. HAZOP与风险矩阵组合技术应用研究[J]. 中国安全生产科学技术， 2012， 8（8）：121-126.

BAI Yongzhong， JIANG Juncheng. Application Research on Combination Technology of HAZOP and Risk Matrix [J]. China Safety Science Journal， 2012， 8（8）：121-126.

马思亮. 基于风险的检验技术（RBI）在石化装置上的应用分析研究[D]. 北京化工大学， 2013.

MA Siliang. Application analysis and research of risk-based inspection technology （RBI） in petrochemical plants [D]. Beijing University of Chemical Technology， 2013.

朱锟.基于HAZOP分析的多因素耦合风险评估应用[J].山东化工， 2020， 49（12）：109-111.

ZHU Kun. Application of Multi-factor Coupling Risk Assessment Based on HAZOP Analysis [J]. Shandong Chemical Industry， 2020， 49（12）：109-111.

李金林. 基于HAZOP分析的系統安全性研究与实现[D]. 江苏科技大学， 2018.

LI Jinlin. Research and Implementation of System Security Based on HAZOP Analysis[D]. Jiangsu University of Science and Technology， 2018.

耿语晗， 卿黎， 张胜跃等. 基于轨迹交叉论和LOPA的锅炉腐蚀失效风险评估方法及应用[J].工业炉， 2017， 39（3）：27-31.

GENG Yuhan， QING Li， ZHANG Shengyue. The Method and Application of Boiler Corrosion Failure Risk Assessment Based on Trajectory Intersection Theory and LOPA [J]. Industrial furnace， 2017， 39（3）：27-31.