HAZOP分析和LOPA-SIL定級在甲醇合成單元中的應用

李 陽 王佰亞 葛 陽 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

甲醇作為一種重要的化工原料，廣泛應用于各種產品領域，對工業發展有極其重要的意義。甲醇合成是典型的復合氣-固相催化反應過程，生產過程中存在易燃、易爆、高溫、中壓、有毒、窒息等危險有害因素，屬重點監管的危險化工工藝，在裝置中存在多處重大危險源，一旦發生安全事故將造成嚴重損失。隨著目前甲醇合成裝置規模的不斷擴大及安全生產要求的不斷提高，生產企業對甲醇合成裝置的工藝控制和優化有迫切需求。因此,有必要對于甲醇合成裝置的危險與可操作性及安全儀表配置進行深入分析，即進行HAZOP分析和SIL定級，審查裝置是否滿足相關規定與風險標準，安全設施是否可以有效控制風險，可操作性是否滿足需求等，以提高裝置的本質安全水平。

1 HAZOP分析和SIL定級方法簡介

1.1 HAZOP分析

HAZOP(危險和可操作性)分析是安全評價的方法之一，它是通過一組參數(如壓力、溫度、流量、液位等)與引導詞(如大、小、無、反向、異常等)組成有意義的偏差，系統地辨識裝置設計可能存在的導致安全或操作問題的設計缺陷，評估是否需要進一步的安全措施。HAZOP分析主要步驟為：① 根據P&ID，將工藝系統劃分為若干節點；② 小組成員根據事先確定的表1所示偏差矩陣，組成有意義的偏差，辨識產生偏差的原因并預計潛在的后果影響；③ 辨識已有的安全保護措施；④ 評價風險的嚴重性、可能性；⑤ 如果認為安全保護措施不足，進一步提出建議防護措施及落實方案。重復以上分析步驟，直到所有的偏差都應用和經過討論，一個節點的分析就完成。依此類推，繼續分析下一個節點，直到所有節點都被分析完為止[1][2]。

表1 偏差矩陣表

1.2 LOPA-SIL定級

SIL(Safety Integrity Level，安全完整性等級)即確定安全儀表系統(SIS)功能的安全完整性等級，評估安全儀表功能和其他保護層達到規定安全功能的可能性，是安全儀表系統安全性能的衡量標準。SIL定級的方法主要有矩陣法、矯正風險圖法、LOPA(保護層) 分析法。LOPA分析是在定性分析的基礎上，確定已發現事故場景的危險程度，半定量計算危害發生的概率，分析已有保護層的保護能力及失效概率，推算出需要補充的保護層等級，一定程度上可彌補HAZOP分析的不足。

LOPA-SIL定級工作基于HAZOP分析結果、設計資料、運行記錄、泄壓閥設計、MSDS(化學品安全技術說明書)等，逐一展開以下工作：① 利用HAZOP分析結果將可能發生的嚴重事故作為事故場景；② 根據后果嚴重程度劃分標準，確定當前事故場景的后果等級；③ 確定初始事件發生頻率及條件修正，列舉所有獨立保護層措施，確定事故發生風險等級；④ 根據剩余風險等級，提出切實可行的安全措施，直至達到可承受的風險等級范圍[3]。

2 安全評價標準

2.1 風險矩陣

本文以某工程甲醇合成裝置為例，安全評價工作按照國家標準《危險與可操作性分析(HAZOP分析)應用導則》(AQ/T3049-2013)進行，并參照建設單位風險可承受標準,確定以下風險標準，見圖1。

圖1 風險矩陣圖

如圖1所示，“E”區域為重特大風險區域,“H”區域為較大風險區域。在這兩個區域，除非特殊情況，風險是不可接受的。“M”區域為一般風險區域，在這個區域內,必須滿足以下條件之一時，風險才是可允許的：① 在當前的技術條件下，進一步降低風險不可行；② 降低風險所需的成本遠遠大于降低風險所獲得的收益。“L”區域為可接受風險區域，在該區域，剩余風險水平可忽略，一般不要求進一步采取措施降低風險[3]。

2.2 風險概率分級表

該裝置分析工作選用的風險概率分級表見表2[4]。

表2 風險概率分級表

2.3 事故后果嚴重程度分級表

該裝置分析選用的事故后果嚴重程度分級表見表3[5]。

表3 事故后果嚴重程度分級表

3 甲醇合成單元的HAZOP分析

3.1 工藝流程說明

工業上采用CO、CO2加壓催化氫化法合成甲醇，典型的流程包括原料氣制備和凈化、甲醇合成、粗甲醇精餾等工序，本文針對某項目甲醇裝置的甲醇合成單元進行分析。該甲醇合成單元工藝流程見圖2。

圖2 甲醇合成單元工藝流程圖

如圖2所示，來自前序工段的新鮮氣與氫回收裝置來的富氫氣混合后，經循環壓縮機壓縮段壓縮后，再與循環壓縮機循環段出口的循環氣混合，經中間換熱器殼程預熱，進入甲醇合成塔，在管間觸媒層進行甲醇合成反應。甲醇合成塔內的催化劑床層反應熱使管束中水汽混合物產生相變，水/汽混合物通過上升管匯聚到汽包將蒸汽閃蒸而出，實現反應移熱。水在汽包中沿下降管從合成塔底部再次進入甲醇合成塔的管束，實現水汽自然循環，所需中壓除氧水從汽包補入。反應后的出塔合成氣通過中間換熱器管程，將熱量傳遞給未反應氣體來提高未反應氣入塔溫度；再經空冷器、水冷器進一步降溫，進甲醇分離器分離甲醇；分離后的粗甲醇減壓進入閃蒸槽，解析出溶解氣體后送界外；甲醇閃蒸槽出來的閃蒸氣(解析氣)送至界外；分離后的循環氣體小部分放空，大部分經循環壓縮機循環段提壓后和壓縮機壓縮段來的補充氣混合，之后進入中間換熱器預熱，如此循環。

3.2 分析節點劃分

結合工藝流程特點，將甲醇合成單元劃分為5個節點，HAZOP分析節點劃分信息見表4。

表4 HAZOP分析節點劃分

3.3 HAZOP分析記錄(部分)及建議措施

該裝置HAZOP分析結果的匯總(部分)及建議措施詳見表5。

表5 HAZOP分析匯總表(部分)

通過以上對該甲醇合成單元的HAZOP分析可知，該裝置整體風險處于安全可控范圍，其中甲醇合成塔溫度、汽包液位、甲醇分離器液位是工藝操作的關鍵控制點，需進一步通過LOPA分析設計相應安全儀表等級的安全聯鎖系統；同時，本次分析選取建設單位風險矩陣風險概率分級最低為L<10-4，對部分偏差進行HAZOP分析后，存在風險矩陣“穿透”問題，導致部分風險無法進一步降至低風險(L)區間，經與建設單位溝通，根據ALARP原則接受本次分析中的部分一般風險(M)。

4 甲醇合成單元的LOPA-SIL定級

本次SIL定級根據分析范圍內裝置的復雜程度、風險特性以及SIL定級分析小組的經驗，確定使用保護層分析(LOPA)法。LOPA分析依托于該裝置的HAZOP分析結果，對該裝置的具體分析中，事故場景的后果嚴重性等級來源于HAZOP分析結果；初始事件的發生頻率、獨立保護層的失效頻率采用《保護層分析(LOPA)方法應用導則》AQ/T3054-2015附錄E中推薦的失效數據。最終定級結果匯總見表6。

表6 LOPA-SIL定級匯總表

5 結語

(1)本文對甲醇合成單元進行HAZOP分析，側重于甲醇合成單元工藝設計的完善或提出進一步分析研究的建議。本次分析共記錄節點5個，涉及9張管道儀表流程圖(P&ID)及相關的設備圖、儀表數據表、安全閥數據表等，共分析122項偏差(其中溫度28項，壓力31項，流量45項，液位14項，其他4項)，提出由設計單位、建設單位答復和落實的建議措施18項，發現少數較大風險，所提出的相關建議措施均被采納，建議措施落實后，剩余風險均可降低至更低水平。

(2)甲醇合成單元通過DCS控制實現對整個系統的集中監控，當操作條件不正常時，可自動調節并報警；同時，通過SIL定級，針對甲醇合成塔溫度、汽包液位、甲醇分離器液位、過濾器進出口壓差等關鍵控制點，設計具有相應安全儀表等級的安全聯鎖系統，保證在事故工況下，實現自動控制，使整個裝置安全停車，并保證所有調節閥在儀表空氣系統故障時均處于安全位置。

(3)本文采用HAZOP分析和LOPA-SIL定級定性和半定量結合的方法對甲醇合成單元進行安全評價。首先采用HAZOP分析方法對分析對象進行定性分析，提出相應的安全建議措施，同時篩選出后果嚴重性等級高的場景進行LOPA分析，然后結合HAZOP分析中確定的初始事件及獨立保護層進行風險概率計算，最終確定SIL等級，從而完成工藝裝置的風險決策，這種分析思路可以在其它工藝裝置的安全分析和評估中推廣使用。

(4) HAZOP分析和SIL定級的結論不僅可以幫助客戶更好地了解所分析的工藝系統的風險，為客戶的安全投入決策提供依據，還有助于客戶完善操作手冊，制定操作規程，幫助操作人員更好地理解工藝、了解風險，極大提升工作和學習效率；同時，可轉化為運行和開停車檢修時的工藝隱患排查標準,作業人員可以預先知道相關工藝偏差發生后可能帶來的事故后果,減少因操作人員知識不足造成的誤操作，有效避免事故發生和惡化,提高工藝裝置的整體安全水平。