三聚氰胺生产装置氨冷凝回收系统风险分析与量化评估

牛 刚

（河南能源集团哈密投资有限公司，新疆 哈密 839000）

DH公司三聚氰胺生产装置以尿素为原料，在压力8.0 MPa、温度350℃工艺条件下，尿素发生分解、聚合等反应生成三聚氰胺。反应过程中有国家重点监管危险化学品氨，根据《危险化学品企业安全风险隐患排查治理导则》3.2.3规定，需对氨冷凝回收装置采用危险和可操作性（HAZOP）分析法进行安全风险辨识分析。氨冷凝回收系统负责整套三聚氰胺生产系统含氨溶液的回收利用，高温高压的工作条件，设备、阀门、管线的复杂连接和物料的危险特性，使得对其进行工艺安全性分析具有重要的现实意义[1]。

本文主要选取HAZOP研究法对DH公司三聚氰胺生产装置的氨冷凝回收系统进行工艺安全分析，同时针对HAZOP分析不能量化的特点，运用保护层分析法（LOPA）对装置的风险进行半定量分析[2-4]，以提高装置风险评估的准确性。

1 氨冷凝回收工艺

1.1 工艺原理及流程

氨冷凝回收工艺系统主要采用连续精馏原理，将液体混合物在氨汽提塔塔盘上进行多次部分汽化和冷凝，最终实现溶液中的易挥发的氨、二氧化碳和不易挥发的副产物OAT（主要为三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺）、三聚氰胺、尿素的分离。氨冷凝回收工艺流程示意图见图1。

图1 氨冷凝回收工艺流程示意图

离心机母液由泵输送到氨汽提塔顶部，氨汽提塔再沸器壳侧高压蒸汽是汽提塔的热量来源，可以将塔内温度加热到207℃，这个温度能够将母液中的氨、二氧化碳汽提出来。汽提后的溶液从汽提塔底部排出，在流量控制装置控制下进入闪蒸槽闪蒸，闪蒸槽的压力低于氨汽提塔，因此饱和溶液可以转变为低压条件下的部分饱和蒸汽和饱和溶液。从氨汽提塔顶出来的气体是较高浓度的氨和二氧化碳，经过氨汽提塔冷凝器冷凝后，降温至90℃进入氨塔精馏，通过多次部分汽化和冷凝，获得较高浓度的氨。氨经氨塔冷凝器冷凝后，温度降到约43℃，进入氨塔收集槽，一部分氨由氨塔回流泵返回氨塔作为回流氨，另一部分由水解塔氨给料泵送往水解塔。

1.2 主要设备及其参数

氨冷凝回收系统的主要设备及工艺参数见表1。

表1 氨冷凝回收系统的主要设备及参数

2 HAZOP分析

DH公司氨冷凝回收工艺系统安全分析共划分5个节点，分别是氨汽提节点、冷凝节点、精馏节点、氨收集节点及闪蒸节点。在5个节点的HAZOP分析中，共对设定的29个偏差进行分析，根据DH公司现有安全措施进行风险评估，得到各节点风险等级分布情况，见表2。

表2 现有安全措施下各节点风险等级分布

由表2可知，在29个风险点中汽提节点存在9个风险点，风险点数量最多；氨收集节点存在2个高风险点，风险程度最高，说明现有防护措施虽然能在一定程度上防止事故发生，但仍有可以改进的地方。

针对上述风险点，HAZOP系统提出相应改进建议项后，得到的各节点风险等级分布见表3。

由表3可知，针对现有防护措施提出改进后，氨冷凝回收系统风险点的风险明显降低，主要体现在有12个中风险点转变为低风险点，且低风险点在整个氨冷凝回收系统风险点位占比超过一半。

表3 改进后各节点风险等级分布

3 LOPA分析

针对HAZOP分析不能量化的缺点，采用LOPA分析法对氨冷凝回收系统进行半定量分析。氨冷凝回收安全仪表系统（SIS）的安全完整性等级（SIL）定级分析建立在氨冷凝回收的HAZOP分析基础上，采用LOPA对危险等级较高的事故情景进行分析，并确定其回路安全仪表功能的完整性等级。HAZOP分析过程中，氨收集节点液位过高和温度过高两个偏差造成的后果严重，风险评估为高风险，现对两个高风险点进行LOPA分析。

用LOPA进行分析的计算公式见式（1）[5]：

PFDij——初始事件i中第j个阻止后果发生的独立保护层(IPL)的失效概率；

Pex——人员暴露概率；

Pd——人员受伤或造成死亡概率。

3.1 温度过高风险点的LOPA分析

利用HAZOPkit软件对氨收集节点的温度过高偏差进行LOPA分析，可以较为直接地从软件分析中得到：（1）人员现场操作为每8 h有不超过4 h在现场，可计算人员暴露概率Pex=0.5；（2）装置有泄漏监测和报警，人员容易撤离，Pd=0.5；（3）考虑到装置运行时间修正、引燃可能性修正，设修正系数为ε=0.5。

温度过高偏差的原因是外界气温过高和冷凝器故障致物料温度过高。以冷凝器故障为初始事件，根据软件直接得到初始事件频率为0.08。

DH公司现有保护措施“安装有高压报警装置、氨气泄漏报警装置、高液位报警器，设有温度联锁控制装置”可确定为独立保护层，温度过高偏差可导致液位升高、压力增大，甚至导致容器破裂，氨气泄漏。联锁控制装置可以在偏差发生时警报，工作人员及时响应，其失效概率PFD1=0.1。

在现有独立保护层的基础上，得出需要增加SIL-1等级的安全功能回路（SIF）才能降低风险到可接受范围。新增建议项为设置自动喷淋SIS，温度超过45℃时自动喷淋，该保护层的失效概率PFD2=0.01。

表4 冷凝器故障的LOPA分析

3.2 液位过高风险点的LOPA分析

利用HAZOPkit软件对氨收集节点的液位过高偏差进行LOPA分析，可以较为直接地从软件分析中得到：（1）人员现场操作为每8 h有不超过4 h在现场，可计算人员暴露概率Pex=0.5；（2）装置有泄漏监测和报警，人员容易撤离，Pd=0.5；（3）考虑到装置运行时间修正、引燃可能性修正，设修正系数为ε=0.5。

造成液位过高的因素是液位计故障，则初始事件为液位计故障，初始事件频率为0.1。

液位过高偏差与温度过高偏差分析对象是氨收集槽，现有独立保护层相同，故失效概率相等，PFD1=0.1。

在现有独立保护层的基础上，得出需要增加SIL-2等级的SIF回路才能降低风险到可接受范围。新增建议项为设置液位高高联锁切断罐进料阀，该保护层的失效频率PFD2=0.008。

表5 液位计故障的LOPA分析

通过对高风险点进行LOPA分析，由HSE风险识别矩阵可知，温度过高偏差综合后果发生频率从1×10-3降低到1×10-5，风险等级由D4高风险变为D2中风险；液位过高偏差综合后果发生频率从1.25×10-3降低到1×10-5，风险等级由D3高风险变为D2中风险。LOPA分析结果满足风险标准。

4 结 语

通过HAZOP与LOPA结合的方式系统地分析了DH公司三聚氰胺生产装置中氨冷凝回收工艺系统存在的潜在风险，有效弥补了HAZOP分析难以量化的不足，大大提高了风险评估结果的准确性。通过LOPA分析得到的综合后果发生频率，有助于判别是否需要增加安全仪表系统及其安全完整性等级，可为企业的安全管理决策提供科学的依据。