天然氣大流量計量檢定站HAZOP技術研究

高志國

(中石化中原石油工程設計有限公司，河南 鄭州 450046)

中國石化股份有限公司已建成投產的國家石油天然氣大流量計量站武漢分站是具有原級標準的國家級天然氣實流檢定站。風險分析是安全儀表系統(tǒng)設計第一階段的首要任務，利用危險和可操作性分析(HAZOP)方法對天然氣檢定系統(tǒng)進行系統(tǒng)風險分析，通過保護層分析(LOPA)方法，對HAZOP分析識別出的危險偏差進行風險等級與風險評價指數(shù)確定，并在此基礎上針對危險偏差進行安全合理設計。

1　計量檢定站HAZOP分析

1.1　HAZOP分析流程

HAZOP分析過程包括： 分析準備、實施分析、編制分析結果報告三個階段。在分析過程中，根據(jù)分析需要，分析步驟可交替進行。

1) HAZOP分析準備階段。主要任務是確定分析的目的、對象和范圍，獲取必要的資料。

2) HAZOP分析實施階段。需要將不同工藝過程劃分為適當?shù)墓?jié)點，采用引導詞的方法，盡量找出偏離設計意圖的所有可能的偏差。分析過程的步驟如下：

a) 確定系統(tǒng)、熟悉系統(tǒng)，了解系統(tǒng)的定義、范圍、邊界條件以及在其壽命和生命周期中所處的階段，明確系統(tǒng)的保護目標，熟悉系統(tǒng)的設計和操作，并收集相關的資料。

b) 建立HAZOP分析計劃，明確分析的目的、分析過程以及設計分析工作表，建立風險矩陣，確定可以接受的風險程度，對系統(tǒng)進行適當?shù)膭澐郑_定分析的節(jié)點。

c) 選擇節(jié)點，明確節(jié)點的設計意圖，運用引導詞與參數(shù)相結合建立有意義的偏差，確定偏差的原因，偏差帶來的后果以及現(xiàn)有的安全措施。

d) 確定現(xiàn)有的安全措施是否足夠防止偏差所帶來的后果，確定偏差是否為危險偏差。如果不是危險偏差，則可以按照步驟c)對下一個引導詞與參數(shù)組成的偏差進行分析，直到該參數(shù)與所有引導詞的組合分析完畢，再進行下一個參數(shù)與引導詞組合成偏差進行分析；如果是危險偏差，則按照開始確定的風險矩陣進行風險評估，確定危險等級，并在此基礎上制訂建議的控制措施、編寫分析報告。

3) HAZOP編制分析結果報告。是分析的一個重要組成部分，通常HAZOP分析結果以表格的形式記錄。

1.2　HAZOP分析工藝參數(shù)及產生偏差原因

HAZOP通過對引導詞和工藝參數(shù)的組合進行分析，可以得到無數(shù)偏差，但HAZOP分析只關注并記錄有意義的偏差。有意義的偏差是指偏差產生的原因是可能實際發(fā)生的，其可能造成的后果會產生危險或帶來操作問題。典型的引導詞和參數(shù)及其生成的偏差見表1所列。

表1　典型的引導詞和參數(shù)及其生成的偏差

HAZOP分析涉及過程的各個方面，包括工藝、設備、儀表、控制、環(huán)境等。HAZOP分析可以使人們對整個生產、制造、儲存系統(tǒng)的危險性有個明確的認識，針對性地進行管理、檢查并消除安全隱患，制訂嚴格的操作規(guī)程并加強安全保護措施。

1.3　HAZOP分析風險矩陣

根據(jù)HAZOP分析列出風險矩陣，見表2所列。

表2　風險矩陣

1)E區(qū)域表示為特高風險區(qū)，H區(qū)域表示為高風險區(qū)，M區(qū)域為中等程度危險區(qū)，L區(qū)域為低危險區(qū)。

2) 表中各區(qū)域內的字母稱為加權指數(shù)，也稱為風險評價指數(shù)。風險評價指數(shù)是綜合危險事件的可能性和嚴重性確定的。最高風險指數(shù)定為E，表示對應的偏差幾乎肯定發(fā)生，并有災難性后果。最低風險指數(shù)定為L，表示對應的偏差幾乎不可能發(fā)生，其后果是輕微的。中間風險指數(shù)按風險等級賦值。

3) 風險大的偏差應給予特別關注，其對應的建議措施在落實響應時的優(yōu)先級別較高，在風險登記冊中屬于重點關注風險。反之，風險小的偏差及其對應的建議措施關注度和優(yōu)先級別則較低。

1.4　天然氣大流量計量檢定站HAZOP分析結果

根據(jù)天然氣大流量計量站的項目特性，天然氣經(jīng)過濾系統(tǒng)或加熱系統(tǒng)后進入壓力調節(jié)系統(tǒng)，壓力調節(jié)系統(tǒng)根據(jù)檢定需求分為大壓差壓力調節(jié)系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)。以下是以流程中的天然氣壓力調節(jié)系統(tǒng)為例進行的HAZOP分析，見表3～表5所列。

同樣，分別對站場的天然氣過濾系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、流量檢定系統(tǒng)、量值傳遞系統(tǒng)、流量調節(jié)系統(tǒng)、余氣回收系統(tǒng)、排污和放空系統(tǒng)進行了HAZOP分析。

2　計量檢定站LOPA分析

2.1　場景識別與篩選

采用前期進行的天然氣大流量計量檢定站HAZOP分析作為場景信息來源。以天然氣檢定系統(tǒng)壓力為例，對天然氣檢定系統(tǒng)的HAZOP分析結果進行篩選，提供進行LOPA分析的場景。天然氣檢定系統(tǒng)分析場景為天然氣檢定系統(tǒng)入口壓力過高造成下游檢定系統(tǒng)儀表設備損壞，引發(fā)天然氣泄漏或爆管，如果火氣報警控制盤失效且安全放空閥失效時，將導致大面積火災、爆炸事故，造成人員傷亡。

表3　天然氣大流量計量檢定站HAZOP分析結果(壓力)

表4　天然氣大流量計量檢定站HAZOP分析結果(溫度)

表5　天然氣大流量計量檢定站HAZOP分析結果(流量)

2.2　初始事件確認

選定初始事件為基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)壓力控制回路失效導致儀表控制回路失效，造成下游檢定系統(tǒng)儀表設備損壞，根據(jù)初始事件典型頻率值，其失效概率為1×10-1/a。

2.3　獨立保護層評估

1) BPCS報警和人員響應行動。人員響應行動不作為獨立保護層，由于BPCS壓力控制回路失效導致系統(tǒng)不能產生報警，從而不能提醒操作人員采取行動阻止天然氣壓力檢定系統(tǒng)壓力繼續(xù)升高。

2) 安全放空閥。發(fā)生天然氣超壓泄漏事件時，打開天然氣調壓系統(tǒng)和天然氣檢定系統(tǒng)的安全放空閥，能夠阻止天然氣泄漏事件。因此，對于該場景，安全放空閥是獨立保護層(IPL)，安全放空閥的PFD取1×10-1。

2.4　場景頻率計算

取點火概率為1，人員暴露概率為0.5，人員傷亡概率為0.5，則后果發(fā)生頻率為

(1×10-1)×(1×10-1)×(1×10-1)×
1×0.5×0.5=2.5×10-4

2.5　風險評估與決策

天然氣調壓系統(tǒng)的BPCS壓力控制回路失效導致天然氣檢定系統(tǒng)超壓，造成檢定系統(tǒng)儀表設備損壞，引發(fā)天然氣泄漏或爆管事件，如果火氣報警控制盤失效且緊急切斷閥門失效時，將導致火災、爆炸事故，造成人員的傷亡，事故發(fā)生的頻率為2.5×10-4/a。根據(jù)頻率可能性等級D，確定其風險等級為M： 中風險，即可選擇性的采取行動。

應在天然氣進站管道上設置1個獨立的安全儀表功能(SIF)回路，用于檢測和阻止天然氣過濾器超壓泄漏事件。該SIF采用獨立的壓力傳感器、邏輯控制器和獨立的緊急切斷閥門(ESDV)，其PFD不大于1×10-2。對于場景，SIF將釋放事件的頻率從2.5×10-4/a降低到2.5×10-6/a。在風險矩陣中，對于頻率為2.5×10-6/a的事件，其風險等級為L： 低風險，不需要采取行動。

2.6　LOPA記錄表

以天然氣調壓系統(tǒng)的BPCS壓力控制回路為例，根據(jù)分析做出場景LOPA分析記錄及采取措施前后LOPA分析結果，見表6、表7所列。

表6　天然氣調壓系統(tǒng)壓力控制回路失效場景LOPA分析記錄

表7　采取措施前后LOPA分析結果

從表7中可以得出： 天然氣調壓系統(tǒng)的BPCS壓力控制回路在未采取措施前的頻率為2.5×10-2，采取措施后的頻率為2.5×10-6，該壓

力控制回路可通過采取增加安全放空閥及安全儀表功能保障措施達到安全需求。

3　結束語

本文對國家石油天然氣大流量計量站武漢分站的工藝流程進行了HAZOP分析和LOPA分析。通過分析找出了各流程單元的風險點，并提出了防護措施，為站場的自動化控制系統(tǒng)及ESD的組態(tài)及運行提供了基礎分析數(shù)據(jù)，滿足了站場安全生產需要。

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