基于HAZOP-LOPA分析方法的乙炔脱水工艺危险性分析

王淑祺 施琦皓 毕馨予 郑 琰讲师

(沈阳化工大学 环境与安全工程学院，辽宁 沈阳 110142)

0 引言

化工产业与人们的生产生活密切相关，化工产业的健康发展是推动我国经济建设的重要因素。在化工生产过程中，由于原材料的特殊性、难控性以及可能发生剧烈、多变的化学反应，化工生产过程中存在大量安全隐患。且随着化工生产装置不断向大型化、自动化、连续化发展，工艺流程中的不合理设计或相关技术人员微小的操作失误都可能造成不可估量的危害和损失。为减少事故发生，保证人员安全，避免财产损失，对工艺流程和化工生产装置进行危险性评价，采取安全措施做好相应的事故防范就显得尤为重要[1]。

目前，国内外学者已提出多种安全评价方法，其中，危险与可操作性分析(Hazard and Operability Analysis，HAZOP)是应用最为广泛且有效的定性分析方法之一[2]，它可以通过对设备及流程按照科学、可行的方法进行危险性评价，得出工艺流程中的危险来源及可能造成的后果。但由于HAZOP分析的结果仅能得出模糊的改进方向而没有具体的数据，故只能用于进行定性的危险性分析。而保护层分析(Layers of Protection Analysis，LOPA)则可以根据危险事件和后果的发生概率来定量计算出分析对象的风险值。将两者结合的HAZOP-LOPA分析法则可以在HAZOP定性分析的基础上，借助LOPA分析法建立模型，定量计算得到具体的风险值。本文借助HAZOP-LOPA分析法对乙炔脱水工艺进行危险性分析，更有针对性地提出安全保护措施，有效预防事故发生，提高生产安全性。

1 HAZOP-LOPA分析方法

1.1 HAZOP分析方法

HAZOP方法主要用于分析、查找、预测化工过程中的设计缺陷、操作规程缺陷及其他可能存在的隐患，广泛应用于化工、石油、炼油、制药等行业。HAZOP分析方法在识别缺陷上有明显的优势，也可用于分析系统在各种情景状态下的潜在风险问题。因此现阶段HAZOP分析在软件应用、输送系统以及检查系统操作程序、评价特殊装置(如医疗设备)等领域具有重要地位。

HAZOP分析方法的主要优点包括：适用范围广泛；可操作性很强，有长期的经验积累[3]；可简化分析对象的工艺流程，降低分析难度；能提高分析人员专业水平等。

在具体的分析过程中，由安全工程师带领分析小组，通过应用引导词和参数得到偏差，找出产生偏差的原因及可能导致的后果[4]，并提出具有针对性的安全建议，以降低风险发生几率，保障生产安全。

1.2 LOPA分析方法

LOPA分析方法是一种半定量的危险性分析方法[5]。LOPA分析方法简单方便；灵活度高、可操作性强；受主观人为因素的影响较小；尤其适合对复杂事故的危险性分析。

LOPA分析方法可以用“洋葱模型”表示，将防止事故发生的各种安全保护设备和安全保护措施视为各个保护层，将分析的工艺流程视为保护层的中心，中心被保护层一层层包裹，各个保护层对中心都有独立的保护作用。

具体的分析流程如下：首先依据定性分析结果确定分析对象，研究该分析对象可能发生的危险事件，分析各独立保护层对危险事件的防范作用和失效概率，由风险计算公式得到分析对象的风险值。根据分析结果提出有针对性的风险防护措施。

具体的计算公式如式(1)：

(1)

式中：

PFDij—事件i中第j个阻止后果C发生的独立保护层的失效概率；

CM—修正系数。

1.3 HAZOP-LOPA分析方法步骤

在危险性分析工作中，常常先借助HAZOP分析方法得到定性分析结果，再利用LOPA分析法对结果进行定量分析[6]，两者结合得到较为准确的分析结果。详细流程，如图1。

2 乙炔脱水工艺

实际生产过程中，乙炔气体中常含有少量水蒸气，影响后续反应甚至威胁生产安全，因此需要对乙炔进行脱水操作[7]。

图1 HAZOP-LOPA分析方法步骤Fig.1 HAZOP-LOPA analysis method steps

乙炔脱水工艺流程(如图2)，气体由压缩单元U100通过阀门XV202进入分离罐V-202，在罐中乙炔气体与水分离后经阀门PV202进入下一工艺单元U300。分离罐中水达到一定量后，会经阀门LV202输送到废水罐V-203，由泵P-203输送到U700进行处理。阀门XV202关闭时阀门XV201会自动打开，将气体输送至U600。若分离罐V-202压强持续增大，可通过安全阀PSV-202泄压将气体输送至U600进行处理。

图2 乙炔脱水工艺流程图Fig.2 The flow chart for the acetylene dehydration process

3 基于HAZOP-LOPA分析方法对乙炔脱水工艺的分析

3.1 HAZOP定性分析

首先建立HAZOP分析小组，采集乙炔脱水工艺的工艺流程图和相关资料，组织成员学习乙炔脱水工艺的原理、反应装置和详细操作步骤，确保组内成员都对此工艺有全面深入的了解。依据工艺流程图和管路装置图划分分析节点，乙炔脱水工艺可以划分为压缩单元、气液分离单元、工艺单元和处理单元4个分析节点。选择合适的参数和引导词以确定偏差，通过小组讨论对偏差进行分析，得到偏差产生的原因和可能造成的后果，提出相对应的解决办法或对现有保护措施进行改进。

本文以乙炔脱水工艺中的气液分离单元为例进行危险性分析。基于HAZOP分析对气液分离单元中气液分离罐V-202，废水罐V-203进行危险性分析，见表1。

表1 气液分离单元的HAZOP分析结果Tab.1 Results of the HAZOP analysis on the gas-liquid separation unit

3.2 LOPA定量分析

首先根据HAZOP定性分析的结果确定LOPA定量分析的分析对象，本文选择的分析对象为分离罐V-202出口管道上的开关阀PV-202故障并关闭，分离罐V-202中压力不断升高，超过设备承受限度后发生乙炔泄漏，导致火灾爆炸。

确认危险事件为分离罐V-202出口管道上的开关阀PV-202故障并关闭，该事件的发生概率为0.1。

对各保护层进行分析。由于在实际工作中操作人员的安全意识和危险应对能力具有很大的不确定性，因此不能将操作人员的行为视作保护层。分离罐V-202压力监测装置失效概率为0.1，泄压装置失效概率为0.1。

风险计算。由于乙炔泄漏造成的火灾或爆炸事故，可能会导致工作人员伤亡，因此需要对风险计算公式进行修正，如式(2)所示：

(2)

式中：

PFDij—事件i中第j个阻止发生火灾爆炸的独立保护层的失效概率；

Pex—工作人员暴露的概率；

Pd—出现工作人员伤亡的概率。

本文选择Pex为0.5，Pd为0.5，计算火灾爆炸事件发生的概率如下：

=0.1×0.1×0.1×0.5×0.5

=2.5×10-4

由于分离罐V-202出口管道上的开关阀PV-202故障并关闭，乙炔发生泄漏，造成火灾爆炸事故，此后果等级为5，计算得到火灾爆炸事件发生概率为2.5×10-4，查风险评价矩阵表格(见表2)可知，该事件为高风险等级。

表2 风险评价矩阵表Tab.2 Risk evaluation matrix

应采取针对性措施降低事故风险：在分离罐V-202处增设独立的压力变送器及开关阀，当变送器检测到设备中的压力达到设定值时，自动关闭进料管道，停止输送乙炔；在气相出口管道上增设独立的流量变送器及开关阀，当变送器检测到管道中的流量低于设定值时，自动关闭进料管道，停止输送乙炔；在分离罐V-202处增设压力报警装置，检测到设备内的压力到达设定值时自动报警。

以上3个保护装置失效的概率均为0.1，由此可将反应器进料管道上的开关阀故障并关闭引发火灾爆炸事件的发生概率降低到2.5×10-7，由表2可知，该事件降至低风险等级，处于可接受范围内。

HAZOP-LOPA分析结果，见表3。

表3 HAZOP-LOPA分析结果Tab.3 Results of the HAZOP-LOPA analysis

4 结论

(1)将HAZOP定性分析与LOPA定量分析进行有机结合，确定分析对象并建立数学模型，可由计算得到分析对象的风险值，确定风险评价等级，依据风险评价等级判断风险是否在可接受范围内，是否需要采取有针对性的安全保护措施。

(2)本文基于HAZOP-LOPA分析方法对乙炔脱水工艺中的气液分离单元进行危险性分析，由HAZOP定性分析得到气液分离单元中可能存在的危险及造成危险的原因，其中危险性较高、造成后果较为严重的分析对象为分离罐V-202。因此，选取分离罐V-202为分析对象，以分离罐V-202出口管道上的开关阀PV-202故障并关闭这一事件为例进行LOPA定量分析，计算得到该事件的风险值为2.5×10-4，风险评价等级为高，需要采取安全保护措施降低风险。经计算，采取增设独立变送器和开关阀、增设报警器的安全保护措施后，事件风险值可降为2.5×10-7，风险评价等级为低。

(3)从本次案例分析可以看出，HAZOP-LOPA分析方法可以有效客观地对风险进行定性和定量评价，帮助企业开展安全管理和事故预防工作，有效提高生产工艺安全性，减少或消除生产中的不安全因素，将风险控制在可接受范围内，避免事故发生，保障生产安全。