HAZOP分析方法在天然氣接收站的應用

張東升

(江蘇中核華緯工程設計研究有限公司，南京 210019)

液化天然氣(LNG)是清潔、高效的新能源，原氣田的天然氣需要經過脫水、脫烴及脫酸等凈化處理，常壓下制冷降溫至-162℃左右液化儲存，使其體積縮小了近600倍，便于船舶和槽車長途運輸。隨著我國廣東珠海地區液化氣有限公司LNG接收站一期工程的投產運行，又在我國東南沿海地區建成了多個LNG接收站。為了保證LNG接收站裝置的安全運行，常采用一些安全評估方法，來確認LNG接收站現有的安全措施，評價其安全完整性等級(SIL)和安全儀表功能(SIF)，以避免危險狀態或減輕危險發生后的后果。

危險與可操作性(Hazard and Operability Studies，HAZOP)分析是一種被國際工業界廣泛采用的工藝危險與可操作分析方法，在工藝系統生命周期的不同階段(如研發、設計和運行(或改造)階段)均可進行HAZOP分析，而運行階段處于工藝系統生命周期中最漫長的階段。為此，江蘇中核華緯工程設計研究有限公司以廣東珠海某液化氣有限公司LNG接收站一期工程的優化過程為背景，采用HAZOP分析方法對其生產運行過程和設計的優化變更部分進行安全評估。

1 HAZOP分析方法①

HAZOP分析方法起源于20世紀60年代，在歐美發達國家得到長足的發展和改進，許多國家甚至已通過立法手段強制將其在工程項目中進行推廣應用。HAZOP分析方法從提出到至今，經歷了三個發展階段：人工HAZOP階段、計算機輔助HAZOP階段和定量HAZOP階段，其中人工HAZOP加輔助半定量分析是最為成熟并被廣泛認可的方法，而計算機輔助HAZOP分析方法和定量HAZOP分析方法尚不成熟，仍需改進。

HAZOP是一種系統的、結構性的分析方法，用于識別裝置系統中(研發、設計和操作運行維護程序中)的危害和防范措施，提出防護措施和建議，以提高裝置的安全性和可操作性。HAZOP分析方法包括危險分析和可操作性分析兩個方面，前者是為安全的目的；后者則側重于工藝系統是否能夠實現正常操作，是否便于開展維護和維修，甚至是否導致產品質量問題或影響收率。HAZOP分析方法適用于LNG接收站裝置運行生命周期的各個階段：初步設計、詳細設計之后、試車后/運行前、運行中及工藝變更后等。HAZOP分析方法從生產系統中的工藝狀態參數出發，運用啟發性的引導詞來研究工藝狀態參數的變動，從而進行危險的辨識，在此基礎上分析危險可能導致的后果并給出相應的防護建議措施。

1.1 偏差定義

偏差指偏離所期望的設計意圖，它由引導詞+工藝參數組成，引導詞(表1)一般用來限定和量化意圖，并聯合工藝參數來得到偏差。

表1 引導詞及其含義對照

(續表1)

工藝參數通常為溫度、壓力、液位、流量和成分，也包括時間、次數、長度、異常及反向等，因而工藝參數都有各自的安全操作范圍，如果超出該范圍都視為偏離了設計意圖，其偏差詳見表2。

1.2 節點設計

為方便HAZOP分析方法的進行，通常將復雜的工藝系統分解為若干個子系統，將每個子系統稱為一個節點，節點可能是子系統或重要的核心設備。節點劃分原則是：依據P&ID圖的工藝流程順序，設計意圖在下一個節點發生改變，工藝條件發生重大變化，以及重要的核心設備等。總之，依據HAZOP分析小組的水平，節點劃分不宜過大，也不宜過小。

表2 參數偏差統計

注：√表示有實際意義的偏差。

LNG接收站的主要功能是接收遠洋專用船運來LNG時，進行船運到岸的LNG卸船、LNG儲存、LNG升壓和汽化、蒸發氣處理、LNG槽車灌裝、天然氣(NG)計量和輸送。輸出的產品主要為汽化后的NG，以及通過槽車直接灌裝的LNG，NG通過管網送至燃氣電廠或城市用戶，LNG通過槽車送到各個LNG分站。

針對如圖1所示的LNG接收站流程，為便于HAZOP分析，根據HAZOP分析方法的節點原則，將其劃分為6個節點：

圖1 LNG接收站工藝流程簡圖

a. LNG從運輸船經卸載臂和卸載管線輸送到LNG儲罐；

b. LNG儲罐；

c. 低壓輸送泵-再冷凝器-高壓輸送泵入口、LNG循環管線；

d. LNG槽車裝車系統；

e. 高壓輸送泵、汽化器、計量站以及外輸管線；

f. 回船蒸發系統(BOG)、蒸發氣處理系統(BOG)和火炬系統。

如果有必要，分析工作安排的時間較為充裕，還可以增加第七個節點——汽化器用的海水給排水系統，這里省略，按6個節點進行分析。其節點對應的常見偏差見表3。

表3 常見節點和對應的偏差

注：√表示該節點可以考慮的偏差。

1.3 基本假設

在進行HAZOP分析時，基于下列假設：

a. 單一偏差。在分析某一原因和后果時，要假設其他工藝參數正常，以避免兩個或兩個以上的偏差同時存在。

b. 保護層失效。在風險分析時，一般要進行固有風險分析和殘余風險分析，在進行固有風險分析時，假設與該事件相關的保護層全部失效，依據最大的可能和最嚴重的后果來確定風險和安全度等級(SIL)，然后通過保護層分析確定殘余風險，確定殘余風險是否能接受，進而確定是否需要進一步提出相關安全措施的建議。

c. 設備機械完整性良好。除了分析節點破裂及泄漏等失效情況之外，在分析工藝偏差時，都是基于非直接相關一般設備、儀表和管道完整性良好的假設。HAZOP分析方法主要是針對工藝系統的風險評估，并非分析與識別一般的設備風險。

1.4 分析步驟

進行HAZOP分析的準備工作如下：

a. 明確分析的目的、對象、范圍和時間安排；

b. 設立分析小組，包括組長、秘書、工藝工程師、自控(儀表)工程師、安全工程師和操作工程師；

c. 需要準備的資料，包括P&ID圖、PFD圖、工藝說明書、物料平衡表、管道等級表、危險區域劃分圖、主要設備數據表、因果圖、聯鎖邏輯圖及操作規程等；

d. HAZOP分析小組在與業主的溝通中，依據風險理論和企業承受風險的能力確定風險矩陣。

本次HAZOP分析采用的風險矩陣見表4。

表4 HAZOP分析的風險矩陣

評估風險等級是HAZOP分析的重要環節。HAZOP分析方法是一種基于事故劇情的工藝危險評估技術，通過確定工藝系統可能發生的有意義的偏差，反向追溯導致偏差的特定出事條件(原因)，正向推理偏差可能導致的后果，并評估其在健康、環境、財產及聲譽等方面的后果嚴重程度，將事件后果進行分類、量化、分級，包括考慮已有措施降低事故風險的作用，必要時按照最低合理可行原則提出建議措施以進一步降低事故風險。

如果認為已有的安全措施已經可以把風險降低至可接受程度，那么此危險劇情的分析到此結束；如果分析團隊認為現有的安全措施不能使風險降低到可以被接受的程度，那么分析團隊要提出一個或若干個建議安全措施，這種判斷很大程度上要依靠HAZOP分析團隊的經驗、知識和能力，并且最終要取得一致的意見。

在劃分好節點并確定偏差的基礎上，要逐點進行HAZOP分析，其工作流程如圖2所示。

具體步驟如下：

a. 確定偏差。需選取在節點內有意義的偏差。

b. 原因分析。分析產生偏差的原因，一般從本節點或臨近節點的涉及控制失效、工藝介質中斷、堵塞、閥門誤開或誤關及泄漏等方面考慮。

c. 后果分析。在分析后果時，一般假定保護措施全部失效時系統所遭受到的后果，主要表現在人身傷害、環境破壞、裝置損壞及停產損失等。

圖2 HAZOP分析工作流程

d. 風險分析。考慮事故發生的可能性和嚴重程度，再根據風險矩陣確定風險等級。

e. 保護措施分析。保護措施包括防止偏差發生和減輕事故后果損失，主要包括儀表指示、控制、報警、冗余系統、泄壓系統及緊急停車系統等。

f. 建議。當分析小組認為現有的保護措施不足以把可能的風險降低到可接受的程度時，需要提出建議，增設新的保護措施，以降低裝置的風險并增強其可操作性。

g. 生成HAZOP分析報告。在HAZOP分析會議中，秘書以報表的形式記錄所有的結論，當所有節點的分析工作完成后，小組對整個HAZOP分析進行總結、討論和必要的修改，在此基礎上整理出一份完整的HAZOP分析報告。

2 采用HAZOP分析方法對LNG接收站進行風險評估

LNG接收站生產過程由于涉及到低溫、高壓、易燃及易爆等危險因素，可能發生因重要的設備、管線、閥門泄漏或破裂而引起的火災及爆炸等危險事故。為此，必須先對其工藝系統進行危險源辨識，確定SIL和防范措施，以指導LNG接收站的工程設計和生產過程，保障接收站工程的順利實施和安全運行。此處采用HAZOP分析辨識工藝危險源、分析后果并提出相應的對策。

根據圖1，LNG接收站的主要工藝設備有：LNG卸載臂、LNG儲罐、LNG高/低壓泵、BOG壓縮機、再冷凝器、海水汽化器和火炬。依據HAZOP分析流程以及節點劃分和偏差確定，以節點2(LNG儲罐)為例進行分析，相應的分析結果和改進建議見表5。

表5 節點2(LNG儲罐)分析結果和改進建議

(續表5)

表5僅對一個節點進行了分析，根據風險矩陣，確定其SIL為3級，給出了9條建議，通過對整個LNG接收站的6個節點的分析，總共給出了三十多條建議，有些建議的實施只需要很簡單的措施，而有些需要工藝和自控專業進行優化設計。

通過對LNG接收站的HAZOP分析最終解決了設計疏漏并完善了運行操作規程；采用HAZOP分析報告提出的建議改進措施，都會分配給最適合采取行動的一方，并通過跟蹤落實來監督執行情況，關閉所有的HAZOP分析方法和審查安全建議，并最終提交HAZOP關閉報告，真正地將安全落實到位；HAZOP分析方法與設計圖紙相結合，對整個工藝系統、安全控制方案、操作狀況和安全方面進行了定性和部分定量分析，如比較投資產生的安全效益可接受程度，具有很強的針對性和可靠性，避免了通用規范沒有涉及預測及后果分析等缺陷。

3 結束語

采用HAZOP分析方法探明了LNG接收站設計和運行在安全與操作性方面可能存在的技術缺陷，進一步明確了現有LNG接收站的SIL，以及ESD和FGS的運行狀況和所設計的保護層功能的作用，根據評價結果和分析現有防范措施的足夠程度，提高了LNG接收站設計和運行的安全性與可操作性，保障了LNG接收站順利的實施和運行。