基于HAZOP和LOPA的氨制冷系统风险评估

2023-08-10宋坤陶婷婷廖磊张国涛

山东化工 2023年12期

宋坤,陶婷婷,廖磊,张国涛

(中钢集团武汉安全环保研究院有限公司,武汉 430081)

氨是一种有毒的刺激性物质,蒸发温度-33.5 ℃,爆炸极限15.7%～27.4%,临界储存量10 t,因其能提供良好的汽化潜热,在制冷行业得到广泛应用。氨在空气中泄漏易形成爆炸性混合物,且能造成人员中毒窒息,被我国列入危险化学品目录,根据监管要求,应采用HAZOP技术或多种方法组合,定期开展风险分析。因此利用HAZOP分析氨制冷系统存在的风险,结合LOPA半定量评估过程风险是否满足企业可接受的等级,对企业安全管理、合规经营具有重要意义。

近年来HAZOP和LOPA在石油、化工领域风险评估应用广泛,但在轻工行业氨制冷方面的研究较少。王素娟等[1]将氨制冷系统划分为五个节点,对不同节点给出HAZOP分析结果;王伟[2]利用HAZOP分析了制冷车间的制冷系统风险;周春香等[3]针对热氨融霜工艺进行了HAZOP风险研究;李军等[4]利用HAZOP分析了小型氨制冷装置的风险;王大震[5]利用SAFETI程序,在HAZOP分析的基础上模拟不同条件下液氨扩散的致死概率;李力等[6]在HAZOP和LOPA组合分析中引入风险概率降低值,评价氨制冷系统安全完整性等级;徐微等[7]采用HAZOP分析了低压循环桶高液位风险,利用LOPA计算该事故场景下的剩余风险在企业可接受范围内。

以储氨罐为研究对象,在HAZOP定性分析的基础上,筛选出高风险等级的事故场景,利用LOPA半定量计算事故场景发生频率,从而量化保护措施降低风险的能力,提高氨制冷系统风险评估的准确性。

1 分析方法概述

1.1 危险与可操作性分析(HAZOP)

HAZOP分析是一个详细识别危险和可操作性问题的过程,包括识别潜在的偏离设计目的的偏差,分析其可能的原因,并对相应后果进行评估。通常装置设计的目的是为了叙述正常运行条件下的参数设定和系统能实现的基本功能,未能考虑非正常工况的运行活动。但在HAZOP分析期间会考虑诸如强烈震动、管道水击、腐蚀冲刷等所有非正常运行活动和合理使用情景。通过结构化的分析,HAZOP能系统性识别潜在的安全风险[8]。

运用一套核心引导词,在分析组长的引导下,全面检查系统的运行情况,HAZOP分析的主要步骤包括:(1)按照工艺流程选择合适的节点进行划分;(2)应用引导词和参数的组合,找出合理的偏差;(3)分析产生的偏差,找出其原因和可能导致的后果;(4)评估后果和防护措施[9]。

1.2 保护层分析(LOPA)

LOPA方法是一种半定量的方法,通过识别场景风险并与可容许风险进行比较,用于确定现有安全措施是否可靠,以及是否需要新增加其他安全措施。通常采用初始事件频率、条件事件频率和独立保护层(IPL)失效频率的数量级,来近似表征场景的风险[10]。通过评价保护层的“要求时的失效频率(PFD)”来计算现有保护层是否能将特定场景下的风险降低到风险标准所要求的程度。

1.3 HAZOP和LOPA的组合关系

HAZOP通过识别工艺装置或设施中的各种潜在危险,并提出合理可行的措施减轻事故发生的可能性及后果,是一种定性分析方法。LOPA方法是在定性分析的结果的基础上,通过识别筛选HAZOP结果中的高风险事故场景,解决该场景保护措施和残余风险的量化问题。在使用HAZOP和LOPA组合分析时,两者的信息关系如图1。

图1 HAZOP和LOPA的信息关系

2 氨制冷系统工艺流程

构成氨能量转换的核心部件有压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器,共同组成了氨制冷系统的基本工艺流程。压缩机采用二段进气,设置中间冷却器,使一级排出气体温度降低,以降低能耗。油气分离器用于分离压缩机带出的冷却油,防止油膜降低冷凝器换热效率。储氨罐作为供液容器,收集换热后的常温高压液氨,通过调节阀节流降压后流入低压循环桶。低压循环桶内的液体经氨泵输送后,进入库房蒸发器换热吸收外部热量,经管道再次回到低压循环桶气相空间,最后由压缩机压缩后完成制冷循环流程[11]。氨制冷系统工艺流程图如图2。

图2 氨制冷系统工艺流程图

3 应用实例

本文选取氨制冷系统的储氨罐作为单个节点,以山东某蔬菜加工企业氨制冷系统为例进行分析。储氨罐上部空间安装有氨报警器和喷淋水系统,当氨浓度达到100×10-6时触发报警,浓度达到150×10-6时报警器联锁启动喷淋水。储氨罐示意图如图3。

图3 储氨罐安装示意图

3.1 风险矩阵

风险矩阵是HAZOP风险评估和LOPA场景筛选的标准,基于HAZOP分析结果,通过风险矩阵评估场景后果的严重性,并确定相应的风险等级。根据评估的事故场景风险等级程度,筛选出高风险场景进行后续LOPA分析,采用的风险矩阵见表1,风险矩阵中严重性的描述见表2。

表1 风险矩阵

表2 后果定性说明表

3.2 HAZOP和LOPA分析

以储氨罐作为节点,选取3个引导词(少、多、异常)与3个要素(压力、液位、泄漏)的组合为例,确定有意义的偏差,对偏差产生的原因和后果分析,得到的结果如表3所示。

表3 储氨罐HAZOP分析记录表

由表3分析结果可知:储氨罐压力、液位过高和异常泄漏为高风险;液位过低为中风险;压力过低为低风险。因此针对筛选出的三种高风险场景进行LOPA分析,分析过程中以场景唯一初始事件及其对应的后果为例,分析结果如表4所示。

表4 储氨罐LOPA分析记录表

从表4分析结果可以看出:(1)出液阀失效引起压力过大,造成的氨气泄漏事故,有安全阀、氨报警器和喷淋水系统作为独立保护层,通过计算得出事故场景减缓后的频率小于可容许后果的频率,安全完整性等级符合要求,不需要加装其他安全设施。(2)压缩机工作异常引起液位过高,造成的氨气泄漏事故,有浮球液位控制器、氨报警器和喷淋水系统作为独立保护层,事故场景减缓后的频率为1.2×10-4,大于可容许后果的频率1.0×10-4。因目标风险降低量介于1～10,其安全仪表功能(SIF)的安全完整性等级为SILA,可根据ALARP原则,进一步考虑是否增加控制措施。(3)管道腐蚀破裂造成的异常泄漏事故,只有氨报警器和喷淋水系统作为独立保护层,无法满足可容许后果的频率,需要增加安全完整性等级为1的设备,保障系统安全。根据《冷库设计标准》(GB50072)的要求,建议该企业增设机械通风设备,将机械通风设备作为独立保护层,其“要求时的失效频率”取值0.01,可以将事故场景减缓后的频率降低至可容许后果的频率以下。