基于HAZOP-LOPA 的丙烯精馏单元安全风险评估

王嘉嘉，田野,2*

（1.内蒙古科技大学 经济与管理学院，内蒙古包头 014010；2.国能包头煤化工有限责任公司，内蒙古包头 014030）

煤炭是我国重要的能源资源之一。随着国际原油价格的持续攀升，传统化工行业的产能已无法满足国内外市场对化工原料的需求，因此我国将发展现代煤化工作为能源发展战略之一[1]。国能包头煤化工有限责任公司煤制烯烃生产装置属世界首套、我国5个现代煤化工示范工程（煤制油、煤制烯烃、煤制二甲醚、煤制甲烷气、煤制乙二醇）之一，作为国能包头煤化工有限责任公司重要的生产装置，烯烃分离装置的工艺流程长、生产过程复杂，装置中的物料大都是易燃易爆的介质，在生产过程中存在一定的危险性，因此对其进行全面、科学、准确的安全风险评价十分有必要[2]。《安全监管总局关于加强化工过程安全管理的指导意见》第五条规定，对涉及重点监管危险化学品、重点监管危险化工工艺和危险化学品重大危险源的生产储存装置进行风险辨识分析，要采用危险与可操作性分析（Hazard and Operability，HAZOP）技术，一般每3 年进行一次[3]。根据装置的工艺特点，运用HAZOP 分析进行工艺危害的识别，找出系统中危险与可操作性问题，并提出解决办法[4]。对于重大事故场景，引入保护层分析（Layers of Protection Analysis，LOPA），对事故场景进行半定量分析，提高了装置评估的科学性与准确性[5]。

1 理论基础

1.1 HAZOP 分析

危险与可操作性（HAZOP）分析是一种用于辨识设计缺陷、工艺过程危害及操作性问题的结构化分析方法，能够识别危害和潜在的危险事件[6]。HAZOP分析通过将复杂的工艺系统划分成节点，并将引导词与参数组合使用，可以系统性地分析装置生产运行过程中可能发生的各种异常工况，评估已有的安全管控措施，综合分析各种事故剧情。生产运行阶段的HAZOP 分析是企业建立隐患排查治理常态化机制的有效方式，系统识别和评估在役装置潜在风险，排查事故隐患，为隐患治理提供依据[7]。HAZOP 分析的步骤主要包括确定引导词与参数、节点划分、找出偏差、分析产生的原因及后果、找出现有的安全管控措施[8]。

1.2 LOPA

保护层分析（LOPA）是一种简化的、半定量的风险评估方法，它可以在定性分析后确定现有的保护层能否降低严重事故后果发生的可能性，对事故后果的风险进行量化[9]。LOPA 通常使用初始事件频率、后果严重程度和独立保护层（Independent protective layers，IPLs）要求时的失效概率（Probability of Failure of Demand，PFD）的数量级大小来近似表征场景的风险[10]。任何一个保护层都存在失效的概率，所以必须提供足够的保护层将事故发生的风险降低到可接受水平，从而满足企业的风险容许标准。如果场景的事故风险不可接受，LOPA 也可以提供减轻事故风险的方案[11]。LOPA 的主要过程包括识别与筛选事故场景、确认初始事件（Initial Event，IE）、评估独立保护层（IPL）、计算场景频率、风险评估与决策。

事故场景的后果发生频率计算公式见式（1）。

1.3 HAZOP 分析联合LOPA 的可行性

HAZOP 分析是一种定性的分析方法，无法确定现有的保护层是否有效，无法确定现有的保护层是否可以把风险降低到企业可接受程度，无法确定针对事故后果严重的场景提出的建议能否把当前风险降低到企业可接受程度。在HAZOP 分析的基础上引入LOPA，可用LOPA 将HAZOP 分析中的偏差产生的后果作为事故场景，将HAZOP 分析中偏差产生的原因作为LOPA 的初始事件，识别HAZOP 分析中的现有安全措施是否可以作为独立保护层，计算独立保护层的失效概率与事故场景发生频率，通过企业的风险矩阵，评估当前的风险是否可接受，不可接受时可以提出增加独立保护层的建议，将事故的后果发生的可能性减轻，最终使事故的风险等级降低到企业可接受范围内[13]。LOPA 联合HAZOP 分析可以将事故风险后果进行量化，丰富HAZOP 分析的结果，可以使最终提出的建议具有科学性与可行性。HAZOP 分析与LOPA 的关系如图1 所示。

图1 HAZOP 分析与LOPA 的关系

2 HAZOP 分析联合LOPA 在丙烯精馏单元的应用

2.1 丙烯精馏单元工艺流程

烯烃分离装置包括压缩、酸性气体脱除、气液相干燥、脱丙烷系统、脱甲烷塔、脱乙烷塔、乙炔加氢和乙烯精馏单元、丙烯精馏单元等。丙烯精馏单元是烯烃分离装置工艺流程的重要组成部分，为了保证HAZOP 分析的合理性和可行性，本文以烯烃分离装置的丙烯精馏单元作为分析对象进行安全风险分析，丙烯精馏单元流程如图2 所示。丙烯精馏单元设置有两个塔，丙烯精馏单元的进料为脱乙烷塔塔釜的物料，产品为聚合级丙烯和丙烷。丙烯精馏2 塔（T604）的塔顶设有循环水冷却器，将塔顶物料冷凝之后回流罐V604，从而保证塔的操作压力。丙烯精馏1 塔（T603）再沸器的热量由水洗水提供。另外，丙烯精馏1 塔设置一台备用的蒸汽再沸器，利用低压蒸汽提供热量。丙烯精馏2 塔再沸器的热量由急冷水提供。丙烯产品经过E615 换热器冷却后，进入丙烯产品保护床D602A/B 精制去除甲醇和其他氧化物后送出界区储存在丙烯产品球罐。从丙烯精馏1 塔塔底抽出的丙烷被分成两股物流，一部分丙烷物流被冷却后送到脱甲烷塔作为丙烷冲洗液，剩余的丙烷冷却液化后送到界区外作为副产品外售。丙烯精馏1 塔在接近塔釜的位置设置一条侧线抽出线。在事故情况下或当产品气压缩机四段注洗油的情况下，一些重烃会被带入丙烷物料中，这时即可利用此条侧线抽出线为脱甲烷塔提供丙烷洗物料。

图2 丙烯精馏单元流程图

2.2 风险矩阵

本文以丙烯精馏单元为例，在HAZOP 分析和LOPA 时采用的风险标准是中国石化安全风险矩阵，在此基础上结合国家能源集团和化工板块公司的要求对该矩阵进行了优化，安全风险矩阵中的字母A ～G 是从健康和安全影响、财产损失影响、非财务性影响与社会影响3 方面表示后果的严重程度，后果等级A 最轻，后果等级G 最重。数字1 ～8 表示事故发生的频率，1 表示事故发生的可能性极低，8 表示事故在相同作业活动中经常发生。风险矩阵中的每一个具体数字代表该风险的风险指数值，对于风险的具体风险等级，采用后果严重性等级的代表字母与可能性等级数字组合表示，例如：后果等级为A，可能性等级为7，对应的风险等级为A7，安全风险矩阵见图3。

图3 安全风险矩阵

依据尽可能合理降低（As Low As Reasonably Practic，ALARP）原则，风险区域可分为3 部分。（1）不可接受的风险区域，即图3 中重大风险区域。在这个区域，风险是不可接受的，应立即采取措施。（2）有条件容忍的风险区域，即图3中较大风险和一般风险区域。在这个区域内，必须满足以下条件之一时，风险才是可允许的：①在当前的技术条件下，进一步降低风险不可行；②降低风险所需的成本远远大于降低风险所获得的收益。（3）可接受的风险区域，即图3 中低风险区域。在这个区域内，剩余风险水平是可忽略的，一般不要求进一步采取措施降低风险[14]。

2.3 丙烯精馏单元的HAZOP 分析

根据工艺流程的特点，将丙烯精馏单元划分为丙烯精馏1 塔、丙烯精馏2 塔、丙烯产品保护床3 个节点，该单元的部分HAZOP 分析结果及建议措施见表1、表2、表3。

表1 丙烯精馏1 塔HAZOP 分析表

表2 丙烯精馏2 塔HAZOP 分析表

表3 丙烯产品保护床HAZOP 分析表

2.4 基于HAZOP 分析的LOPA

根据丙烯精馏单元的HAZOP 分析，找出各种偏差的原因、后果和现有保护措施，但对于事故后果严重的场景，无法得知现有保护层是否真正有用、是否能把后果降低到企业可接受水平。为了验证现有安全措施的可靠性，在HAZOP 的分析结果的基础上进一步进行LOPA。根据HAZOP 分析得到的结果，选择丙烯精馏1 塔T603 压力高、丙烯精馏2 塔T604 压力高和回流罐V604 液位低这3 个偏差进行LOPA。本文使用的初始事件及独立保护层的频率采用根据保护层分析（LOPA）方法应用导则（AQ/T 3054—2015）中的数据，使能条件及其他各种条件概率取值为1。分析结果见表4。

表4 基于HAZOP 分析的LOPA 结果

2.4.1 丙烯精馏1 塔T603 压力高场景

事故场景辨识：再沸器E611A/B 水洗水调节阀FV626 故障全开或人为误开，造成丙烯精馏1 塔T603压力高，出现超压，导致泄漏，造成火灾、爆炸。

初始事件（IE）：再沸器E611A/B 水洗水调节阀FV626 故障全开或人为误开，其失效概率为1×10-1/a。

独立保护层（IPL）评估：丙烯精馏1 塔T603 设有压力高报警PI627，当BPCS 控制回路失效时，提醒操作人员及时操作，防止超压，失效概率为1×10-1/a；丙烯精馏1 塔T603 设有压力高高联锁PAHH627，当塔压高高时，T603 系统停车，关闭E611A/B 水洗水切断阀XV612，其失效概率为1×10-2/a；在易燃易爆物料泄露后，塔底装设的可燃气体报警仪及时报警，失效概率为1×10-1/a。

场景频率计算：1×10-1×1×10-1×1×10-2×1×10-1=1×10-5/a。

风险决策与评估：再沸器E611A/B 水洗水调节阀FV626 故障全开或人为误开，造成丙烯精馏1 塔T603压力高，出现超压，导致泄漏，造成火灾、爆炸，事故后果严重性为D。通过LOPA 可知保护层失效概率为1×10-5/a，依据安全风险矩阵，场景事故等级确定为D3，剩余风险值为12，处于风险矩阵的风险可接受区域。

2.4.2 丙烯精馏2 塔T604 压力高场景

事故场景辨识：再沸器E613A/B 急冷水调节阀FV635 故障全开或人为误开，造成丙烯精馏2 塔T604压力高，出现超压，导致泄漏，造成火灾、爆炸。

初始事件（IE）：再沸器E613A/B 急冷水调节阀FV635 故障全开或人为误开，其失效概率为1×10-1/a。

独立保护层（IPL）评估：丙烯精馏2 塔T604 设有压力高报警PI634，当BPCS 控制回路失效时，提醒操作人员及时操作，防止超压，其失效概率为1×10-1/a；丙烯精馏2 塔T604 设有压力高高联锁PAHH634，当塔压高高时，T604 系统停车，关闭E613A/B 急冷水切断阀XV617，其失效概率为1×10-2/a；塔顶设有安全阀PSV630A/B，其失效概率为1×10-1/a，在易燃易爆物料泄露后，塔底装设的可燃气体报警仪及时报警，失效概率为1×10-1/a。

场景频率计算：1×10-1×1×10-1×1×10-2×1×1×10-1×1×10-1=1×10-6/a。

风险决策与评估：再沸器E613A/B 急冷水调节阀FV635 故障全开或人为误开，造成丙烯精馏2 塔T604压力高，出现超压，导致泄漏，造成火灾、爆炸，事故后果严重性为D。通过LOPA 可知保护层失效概率为10-6/a，依据安全风险矩阵，场景事故等级确定为D2，剩余风险值为8，处于风险矩阵的低风险区域。

2.4.3 回流罐V604 液位过低场景

事故场景辨识：塔顶冷凝器E614A/B 循环水阀门故障全关，造成回流罐V604 液位过低，丙烯精馏2 塔T604 压力过高，出现超压，可燃物料泄露，发生火灾、爆炸。

初始事件（IE）：塔顶冷凝器E614A/B 循环水阀门故障全关，其失效概率为1×10-1/a。

独立保护层（IPL）评估：回流罐V604 液位低报警LI627，当BPCS 控制回路失效时提醒操作人员及时操作，防止超压，其失效概率为1×10-1/a；丙烯精馏2塔T604 设有压力高高联锁PAHH634，当塔压高高时，T604 系统停车，关闭E613A/B 急冷水切断阀XV617，其失效概率为1×10-2/a；塔顶设有安全阀PSV630A/B，其失效概率为1×10-1/a；回流罐V604 设有液位低低联锁关闭XV642，停P607A/B，其失效概率为1×10-2/a；在易燃易爆物料泄露后，塔底装设的可燃气体报警仪及时报警，失效概率为1×10-1/a。

场景频率计算：1×10-1×1×10-1×1×10-2×1×10-1×10-2×1×10-1=1×10-8/a。

风险决策与评估：塔顶冷凝器E614A/B 循环水阀门故障全关，造成回流罐V604 液位过低，丙烯精馏2塔T604 压力过高，出现超压，可燃物料泄露，发生火灾、爆炸，事故后果严重性为D。通过LOPA 可知保护层失效概率为10-8/a，依据安全风险矩阵，场景事故等级确定为D1，剩余风险值为5，处于风险矩阵的低风险区域。

3 结论

为了将风险量化，更直观地进行风险决策，提高装置的本质安全运行水平，采用HAZOP 分析联合LOPA。首先用HAZOP 分析方法，通过分析偏差产生的原因、造成的后果及初始安全风险对丙烯精馏单元进行全面的安全风险评估，分析生产运行过程中存在的安全隐患，提出有针对性的建议。然后根据HAZOP分析得到的结果，选择丙烯精馏1 塔T603 压力高、丙烯精馏2 塔T604 压力高和回流罐V604 液位低3 个偏差进行LOPA，进一步评估现有保护层的有效性，计算事故场景的发生频率，结果表明现有的安全措施可以使剩余风险降低至企业可接受范围之内。