HAZOP-LOPA方法與SIL定級在電鍍廢水處理中的應(yīng)用

管 鋒

（南京造幣有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

電鍍工藝是利用電解原理在導(dǎo)體上鍍上一層金屬，目前，電鍍產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，電鍍工藝在國民經(jīng)濟(jì)中扮演著越來越重要的角色[1]。但是，由于電鍍工藝中涉及大量有毒有害危化品，如強(qiáng)酸堿、重金屬、氰化物等[2]，其廢水往往具有嚴(yán)重的污染性。在我國現(xiàn)行的污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)中，氰化物屬于第二類污染物，對氰化物的允許排放濃度有嚴(yán)格的規(guī)定。因此，采用有效的工藝評估方法，辨識含氰廢水處理的危險(xiǎn)性，并提出相應(yīng)的整改措施是很有必要的。

危險(xiǎn)與可操作性分析（Hazard and Operability Study，HAZOP）是一種廣泛使用的定性分析方法，主要用于工藝危險(xiǎn)性評估，采用“參數(shù)+引導(dǎo)詞”的方式，分析工藝中可能存在的偏差，以及這些偏差可能導(dǎo)致的危險(xiǎn)并提出對應(yīng)的措施[3]。但是，由于HAZOP分析只能定性分析，對于辨識出的風(fēng)險(xiǎn)，需要根據(jù)分析人員的經(jīng)驗(yàn)提出建議措施，對于提出的措施能否將風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受范圍內(nèi)，該方法無法給出定量評價(jià)。因此，在HAZOP分析的基礎(chǔ)上，引入一種半定量的風(fēng)險(xiǎn)分析方法，即保護(hù)層分析（Layer of Protection Analysis，LOPA）[4]，LOPA分析是對HAZOP分析中現(xiàn)有保護(hù)措施進(jìn)行半定量計(jì)算，確定該措施降低風(fēng)險(xiǎn)的能力[5]，并在此基礎(chǔ)上，對結(jié)果中過于危險(xiǎn)的場景提出安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented System，SIS）要求，通過LOPA分析結(jié)果，確定所需安全儀表等級（Safety Instrument Level，SIL），進(jìn)一步評估所提對策措施的有效性，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策。三者的關(guān)系可以總結(jié)為HAZOP分析是基礎(chǔ)，LOPA分析是HAZOP分析的延續(xù)，目的是彌補(bǔ)HAZOP分析方法無法定量分析的不足，是對HAZOP分析結(jié)果的補(bǔ)充與完善；SIL分析是在LOPA分析的基礎(chǔ)上，判斷風(fēng)險(xiǎn)較大的場景是否有安全儀表功能（Safety Instrument Function，SIF），進(jìn)一步確定SIL等級，并驗(yàn)證LOPA分析結(jié)果[6]。3種方法間有承啟關(guān)系并緊密聯(lián)系，通過結(jié)合使用，既可以定性定量評估工藝危險(xiǎn)的嚴(yán)重度，又可以根據(jù)需要提高安全儀表等級降低工藝危險(xiǎn)性。綜上，HAZOPLOPA-SIL分析流程，如圖1。

本文選取電鍍廢水處理工藝中的濃氰批處理槽作為節(jié)點(diǎn)，對其進(jìn)行HAZOP分析，然后在HAZOP分析結(jié)果基礎(chǔ)上采用LOPA分析方法進(jìn)一步定量評估保護(hù)層的有效性，最后通過確定SIL等級將風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受的范圍內(nèi)。

1 HAZOP分析

HAZOP分析方法是由英國帝國化學(xué)工業(yè)公司提出的一種系統(tǒng)危險(xiǎn)分析方法[7]，目前已廣泛應(yīng)用于工藝在設(shè)計(jì)及運(yùn)行階段的風(fēng)險(xiǎn)分析中。其目的是全面、系統(tǒng)地對工藝進(jìn)行詳細(xì)分析檢查，發(fā)現(xiàn)可能會導(dǎo)致不希望后果的偏差，然后針對導(dǎo)致后果發(fā)生的原因提出相應(yīng)的對策措施。HAZOP分析的主要思路是成立分析專家組，借助專家的知識，采用頭腦風(fēng)暴法，針對所要分析的單元，應(yīng)用引導(dǎo)詞技術(shù)找出所有的可能導(dǎo)致事故發(fā)生的偏差，再找出導(dǎo)致偏差的原因，分析偏差造成的后果，當(dāng)分析組發(fā)現(xiàn)對于這些偏差的保護(hù)措施不足時(shí)，需進(jìn)一步提出相應(yīng)的對策措施，因此，HAZOP分析是一種定性的、結(jié)構(gòu)化的風(fēng)險(xiǎn)分析方法。

圖1 HAZOP、LOPA與SIL分析流程圖Fig.1 HAZOP, LOPA and SIL analysis flow chart

2 LOPA分析

LOPA分析是20世紀(jì)80年代美國化學(xué)理事會提出的一種半定量的風(fēng)險(xiǎn)評估方法[8]，通過對定性分析的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行相對量化計(jì)算，辨識系統(tǒng)中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)是否處于可以接受的范圍，如果風(fēng)險(xiǎn)過大，需要增加合適的保護(hù)層來將風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受的范圍內(nèi)。

根據(jù)AQ/T 3054-2015《保護(hù)層分析（LOPA）方法應(yīng)用導(dǎo)則》[9]，LOPA分析的主要過程主要包括：

（1）場景識別與篩選。選取定性分析中后果嚴(yán)重的場景，篩選出后果嚴(yán)重性大的場景進(jìn)行分析。

（2）初始事件（Initiating Event，IE）確認(rèn)。確定篩選后場景的初始事件，如外部事件、人員行為失效、設(shè)備故障等。

（3）獨(dú)立保護(hù)層（Independent Protection Layer，IPL）評估。評估定性分析后的保護(hù)措施是否能夠滿足獨(dú)立層保護(hù)的要求。

（4）場景頻率計(jì)算。場景發(fā)生頻率計(jì)算公式如下：

式中：

fiC—初始事件i的后果C的發(fā)生頻率，/a；

fi

I—初始事件的發(fā)生頻率，/a；

PFDij—初始事件i中第j個(gè)阻止后果C發(fā)生的IPL的要求時(shí)的失效概率（Probability of Failure on Demand，PFD）。

在計(jì)算具體的場景頻率時(shí)，可以根據(jù)需要對場景頻率進(jìn)行修正。

（5）風(fēng)險(xiǎn)評估與決策。評估場景的風(fēng)險(xiǎn)，若風(fēng)險(xiǎn)較大，需確定是否采取措施降低風(fēng)險(xiǎn)。

3 風(fēng)險(xiǎn)分析矩陣

本方法用于確定潛在危害事故的風(fēng)險(xiǎn)級別。根據(jù)危害事故可能造成后果的嚴(yán)重程度，分為5個(gè)等級；再根據(jù)現(xiàn)有的能阻止危害事故發(fā)生的系統(tǒng)的失效頻率，分為7個(gè)等級。風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)矩陣，見表1，綜合后果和頻率確定總的風(fēng)險(xiǎn)等級，該風(fēng)險(xiǎn)等級用于確定建議措施的優(yōu)先次序。

表1 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)矩陣Tab.1 Risk assessment matrix

4 實(shí)例分析

某電鍍企業(yè)廢水處理涉及氰化物，引進(jìn)國際先進(jìn)的含氰廢水處理系統(tǒng)，采用堿性氯化法處理電鍍廢水，反應(yīng)方程式如下：

（a） CN-+ClO-+H2O→CNCl+2OH-

（b） CNCl+2OH-→CNO-+Cl-+H2O

（c） CNO-+3ClO-+H2O→3Cl-+N2↑+2CO2↑+2OH-

式（a）生成氯化氰的反應(yīng)瞬間即完成，且為劇毒物質(zhì)，因此必須控制PH＞11，以保證式（b）的CNO-瞬間完成（此時(shí)CNO-的毒性僅為CN-的1‰）。各類廢水集中到廢水處理站處理，處理達(dá)標(biāo)后排入河流。

電鍍廢水處理工藝過程簡化示意圖，如圖2，含有高濃度氰化物的鍍液排放至濃氰收集槽內(nèi)。根據(jù)濃氰批處理的速度，每處理一批完成后，從濃氰收集槽中將濃氰鍍液泵入帶攪拌的氰化物批處理槽，對濃氰進(jìn)行批處理，用PH控制儀控制氫氧化鈉的加入以此來維持溶液的PH值。通過ORP控制儀來控制次氯酸鈉泵加入足量的次氯酸鈉以維持設(shè)定的氧化還原反應(yīng)電極電位。批處理過程中將放出大量的熱量，通過槽內(nèi)的冷凝系統(tǒng)來控制批處理槽的溫度。處理后的溶液直接泵入含氰廢水漂洗平衡槽。

圖2 電鍍工藝廢水處理簡化示意圖Fig.2 Simpli fi ed schematic diagram of wastewater treatment in electroplating process

為了保障電鍍工藝的安全運(yùn)行，也要保證廢水排放的達(dá)標(biāo)，因此通過HAZOP-LOPA分析方法開展風(fēng)險(xiǎn)辨識評價(jià)，通過HAZOP分析劃分廢水處理工藝節(jié)點(diǎn)后可以看出，濃氰批處理槽節(jié)點(diǎn)由于處理含氰濃度較高的廢水，因此危險(xiǎn)性較大，故本文選擇濃氰批處理槽節(jié)點(diǎn)為例，闡述HAZOP-LOPA分析方法在電鍍廢水處理工藝中的應(yīng)用。

4.1 H A Z O P分析結(jié)果

針對濃氰批處理槽節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用HAZOP分析方法，對工藝危險(xiǎn)性進(jìn)行識別，引導(dǎo)詞選擇為過量，參數(shù)為濃氰批處理槽溫度及腐蝕量，分析結(jié)果，見表2（限于篇幅，本文僅選擇兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行HAZOP分析）。

4.2 L O P A分析

（1）場景識別與篩選。

根據(jù)上面HAZOP分析結(jié)果，選擇LOPA分析場景為濃氰批處理槽攪拌不充分或冷凝系統(tǒng)故障等原因使得槽罐溫度過高，槽罐失效泄漏導(dǎo)致中毒、火災(zāi)爆炸等事故。

表2 HAZOP分析結(jié)果Tab.2 HAZOP analysis results

（2）IE確認(rèn)。

選擇IE為濃氰批處理槽攪拌不均勻，即調(diào)節(jié)器失效，根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，調(diào)節(jié)器失效的故障頻率為0.1/a。

（3）IPL評估。

在本例中，人員行動不能作為IPL，因?yàn)椴僮魅藛T不能總是在現(xiàn)場，不能假設(shè)獨(dú)立于任何報(bào)警的操作人員行動能有效地檢測和組織釋放；兩路供電同時(shí)失效的概率為0.1；高溫聯(lián)鎖報(bào)警失效的概率為0.1。

（4）場景頻率計(jì)算。

由于濃氰批處理槽發(fā)生泄漏后可能造成的最大影響是中毒事件，因此，對式（1）進(jìn)行修正得到發(fā)生人員中毒事件的頻率方程如下所示：

式中：

—初始事件i為中毒事件的發(fā)生頻率，/a；

Pex—人員暴露概率；

Pd—人員受傷或死亡概率。

本例中，選擇人員暴露概率為0.5，人員傷亡概率為0.5，則中毒事件發(fā)生概率為：

（5）風(fēng)險(xiǎn)評估與決策。

濃氰批處理槽失效，槽罐發(fā)生泄漏，可能導(dǎo)致中毒、火災(zāi)和爆炸等事故，因此，后果等級為5，查表1風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)矩陣，根據(jù)后果等級5及發(fā)生頻率 ，可以確定事件的風(fēng)險(xiǎn)等級為高風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要增加保護(hù)措施使風(fēng)險(xiǎn)降至中風(fēng)險(xiǎn)或低風(fēng)險(xiǎn)，可以選擇一個(gè)獨(dú)立的安全儀表功能（SIF），用于阻止?jié)馇枧幚聿蹨囟冗^高失效。本例中，SIF可以采用獨(dú)立的溫度傳感器和有毒氣體報(bào)警儀，并與濃氰批處理槽入口控制閥及攪拌進(jìn)行聯(lián)鎖，當(dāng)檢測到槽內(nèi)溫度過高或存在有毒氣體時(shí)，該SIF聯(lián)鎖可以關(guān)閉入口流量控制閥，并控制攪拌速率。根據(jù)GB/T 50770-2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，該SIF的SIL等級為2（PFD為0.001），可以將中毒事件的發(fā)生頻率從 降低至 ，在風(fēng)險(xiǎn)矩陣中，事件的風(fēng)險(xiǎn)可由高降至低，從而使風(fēng)險(xiǎn)在可接受的范圍內(nèi)。HAZOP-LOPA分析結(jié)果，見表3。

表3 HAZOP-LOPA 分析結(jié)果表Tab.3 HAZOP-LOPA analysis results

5 結(jié)論

本文采用HAZOP-LOPA分析方法對電鍍廢水處理工藝中的濃氰批處理槽進(jìn)行分析，在HAZOP分析的基礎(chǔ)上，選擇危險(xiǎn)性較高的場景進(jìn)行進(jìn)一步的LOPA分析，根據(jù)LOPA風(fēng)險(xiǎn)等級決定SIL等級，從而定量分析風(fēng)險(xiǎn)是否處于可接受范圍內(nèi)。案例分析表明，該分析方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的量化分級，有利于電鍍企業(yè)提高風(fēng)險(xiǎn)辨識能力和安全管理水平，為電鍍企業(yè)的安全運(yùn)行提供保證。