陳冠杉 宋彬 冉文付 彭維茂 王鴻宇

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國石油西南油氣田公司川東北作業分公司

作為天然氣生產的重要組成部分，高含硫天然氣的清潔開采和凈化成為我國能源開發的主導方向之一[1]。四川盆地川東北地區是我國含油氣盆地中已發現的高含硫天然氣儲量最大的地區，天然氣中H2S體積分數平均約14%，部分高達17%[2]。高含硫天然氣具有劇毒、易燃、儲運風險高、對管線設備腐蝕性強、凈化難度大等特征，生產過程中又涉及高壓、高溫操作，使凈化裝置的長周期運行面臨極大的挑戰。

天然氣凈化裝置的長周期運行不僅能為企業節約維修費用、減少開停車過程的公用工程消耗和物料損失，而且還能有效地減小對環境的影響。在產品氣氣質和尾氣排放雙達標的實施背景下，根據相關安全和設計的規定、規范和標準[3-7]，所有的凈化廠在工藝變更的情況下，均須進行工藝危害分析和儀表安全等級的評估。以川東北某高含硫天然氣凈化廠裝置改造為例，就保證高含硫天然氣凈化裝置長周期運行的HAZOP/LOPA/SIL風險評價技術的應用進行探討。

1 裝置概況

川東北高含硫凈化廠設計處理能力為30×108m3/a，由3列相同的天然氣處理裝置(300×104m3/d)組成，原料天然氣中甲烷體積分數平均為82.8%，H2S體積分數平均為9.45%，CO2體積分數平均為6.61%[8]。在產品氣質量升級和尾氣治理改造工程中，主要對脫硫裝置、硫磺回收裝置、尾氣處理裝置及配套的公用工程設施進行適應性改造，以滿足GB 17820-2018《天然氣》及GB 39728-2020《陸上石油天然氣開采工業大氣污染物排放標準》的要求。

1.1 工藝流程介紹

自集氣末站來的原料天然氣先進入脫硫裝置(Sulfinol-X脫硫工藝)，脫除其所含的H2S和部分有機硫及CO2，濕凈化氣送至三甘醇(TEG)脫水裝置進行脫水處理，脫水后的干凈化天然氣即產品天然氣經商業計量后外輸[9-10]。從脫硫裝置出來的酸氣送至硫磺回收裝置，生成的液硫送至硫磺成型裝置(鋼帶造粒)成型后包裝外運銷售。同時，根據市場需求，另建有液硫裝車系統，可直接銷售液硫產品。硫磺回收尾氣送至尾氣處理裝置(串級SCOT工藝改造為標準SCOT工藝[11-12])，處理后的尾氣送至尾氣焚燒爐焚燒后經煙囪排入大氣，酸性水則送至酸水汽提裝置，汽提出的酸氣返回硫磺回收裝置，經汽提后的酸性水用作循環水補充水。具體流程圖如圖1所示。

1.2 長周期生產運行主要制約因素

高含硫天然氣凈化裝置自2016年開產至今已運行5年多時間，期間各種原因造成凈化裝置多次生產波動及非計劃性減產、停車，將這些原因分類進行統計分析，如表1所列。

表1 裝置非計劃減產、停車原因及次數統計 次

從表1可以看出，其故障率表現符合浴盆曲線[13]，開產初期故障率較高，開產初期裝置非計劃減產、停產次數較多，占比最高的為電力故障，達33%；設備、儀表故障，聯鎖停車占28%，主要原因是各類設備、儀表等聯鎖回路在設計時未很好匹配，開產初期還未調試到最佳狀態，電力配套不完善等。隨著裝置運行時間和經驗的累積，通過采取強化上下游協調、持續優化聯鎖邏輯、維護設備儀表、完善電力配套、加強員工培訓等措施，裝置非計劃減產和停車的次數逐漸減少。進入2020年穩定期后，設備、儀表故障率和聯鎖停車占比達到80%。以上情況說明，對工藝系統安全的管理和評價十分重要，裝置在進行改造升級的情況下尤其必要，可保證工藝系統安全、可靠和經濟地運行。

2 HAZOP/LOPA/SIL分析

HAZOP/LOPA/SIL聯合分析法在石油天然氣化工行業得到越來越廣泛的應用。針對改造的天然氣凈化裝置，利用偏差查找其產生的原因，分析偏差帶來的后果，風險評估采用風險矩陣方法。然后，對節點偏差的當前殘余風險進行分析，通過HAZOP-LOPA分析，共得出2項HAZOP-LOPA建議與31項設計建議[14]。通過SIL分析驗證SIS安全性能，并評估找出降低風險的措施。

以下以SCOT再生塔液位低這個偏差為典型案例進行分析。

2.1 HAZOP分析

在分析SCOT再生塔液位低這個偏差時，其中一個原因為控制閥LV-0906故障關所導致的，具體見表2所列。

表2 HAZOP 分析表

在裝置建設之初，對裝置進行了HAZOP分析，當時的分析后果為“再生器液位較低可能導致低壓貧胺液泵可用的NPSH較低，可能導致泵氣穴、泵和泵密封故障、貧胺液泄漏、人員暴露的環境事件和資產損壞”，但未考慮到當塔內無液體時，酸氣會竄漏到環境中，引起中毒傷亡等事件。該節點的工藝儀表流程示意圖如圖2所示。

2.2 確定風險等級

風險等級由5×5的風險矩陣確定[15]，具體如圖3所示。調節閥失效概率取1×10-1/a[16]，則事故概率等級為5，事故后果(員工傷害、財產損失、環境影響三方面)嚴重程度為3級(員工傷害后果為3級：一次死亡1～2人，或者3～9人中毒(重傷)；財產損失后果為1級：該泵費用為95 900元/臺，一次造成直接經濟損失人民幣不足50萬元；環境影響后果為1級：事故影響僅限于生產區域內，未對周邊環境造成影響)。

由圖3可知，風險等級為Ⅳ級，則其可容許風險小于1×10-4/a。

2.3 獨立保護層分析

獨立保護層(IPL)是指能夠阻止場景向不良后果繼續發展的且獨立于初始事件或場景中其他保護層的行動、設備或系統。獨立保護層及其構成元素必須具備有效性、獨立性和可審查性[17-19]。本案例中涉及的獨立保護層包括以下兩個方面：

(1)BPCS報警和人員響應行動。設置貧胺液泵P-0952中控室啟停鍵，再生塔裝有一個獨立的液位集中指示及低限報警LIA-0951，內操可以干預關停P-0952，并旁通SCOT單元；外操作業為雙人制，巡檢時都配戴便攜式H2S氣體報警儀，裝置區最高處設有風向標，一旦酸氣泄漏，可以立即響應撤離現場，所以其失效概率取5×10-1/a。

(2)安全儀表功能。SCOT再生塔LALL-0952/0959為2oo2液位聯鎖關停貧胺液泵P-0952，查詢廠內資料，其失效概率為1×10-1/a。

2.4 條件修正

根據工藝設計參數，酸氣中H2S的體積分數<4%，其余主要成分為CO2和H2O，在其爆炸極限范圍之外，故不考慮點火概率。

外操每4 h巡檢一次，共70項記錄點，其中貧胺液泵的記錄點為6項，故影響區域內人員存在概率取0.1。

2.5 事故場景概率計算

事故場景概率等于初始事件概率、修正因子和獨立保護層要求時的失效概率的乘積，計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：F為事故場景概率；F0為初始事件概率；fi為事故場景概率修正因子i的發生概率；Dj為第j個阻止事故場景發生的獨立保護層的要求時的失效概率。

事故場景概率的計算結果見表3。

表3 LOPA分析表

風險決策經計算得出減輕事件的發生概率為5×10-4，大于可接受后果概率1×10-4，殘余風險降為Ⅱ級，超過風險容許值，因此應采取降低風險的措施。

2.6 SIL驗證

查閱相關資料，LALL-0952/0959變送器和執行機構的表決機制為2oo2，邏輯控制器的表決機制為2oo4D，初始設計時安全儀表等級為SIL1，現在對其驗算，確定是否滿足SIL1并找到可提高SIL等級的解決方式。

采用可靠性方框圖法計算2oo2結構的失效概率[20]，見式(2)、式(3)；采用故障樹法對2oo4D結構進行失效分析[21]，如圖4所示，其失效概率計算公式見式(2)～式(8)。

λDU=λD(1-C)

(2)

λDD=λD×C

(3)

(4)

D2oo2avg=2λDtCE

(5)

λDUC=λDUβ

(6)

λDUN=λDU(1-β)

(7)

(8)

DSYS=DS+DL+DFE

(9)

式中：C為診斷覆蓋率，%；β為具有共同原因的、沒有被檢測到的失效分數；λD為子系統中一個通道的危險失效率，h-1；λDD為子系統中一個通道的被檢測到的危險失效率，h-1；λDU為子系統中一個通道的未檢測到的危險失效率，h-1；tCE為子系統中一個通道等效停止工作時間，h；λDUC為未檢測到的共因危險失效率，h-1；λDUN為未檢測到的非共因危險失效率，h-1；Tr為平均恢復時間，h；Tc為平均修理時間，h；TI為檢驗測試時間間隔，h；DSYS為系統的安全功能在要求時的平均失效概率；DS為傳感器子系統的平均失效概率；DL為邏輯子系統的平均失效概率；DFE為最終元件子系統的平均失效概率。

各元件數據及驗算結果如表4所列。

從表4可以得到：DS=1.49×10-2，DL=1.05×10-4+3.17×10-4+1.05×10-4=5.27×10-4，DFE=4.44×10-3。由式(9)可得，DSYS=1.99×10-2。經驗算，該回路SIF等級為SIL1，如果要滿足風險降低值的要求，其SIF等級應≥SIL2。

表4 數據及驗算結果表

從圖2可以知道，目前LIA-0951具有遠程顯示和報警作用，如果將其與LALL-0952/0959整合，形成2oo3的表決機制，其計算公式見式(10)。經計算，DSYS=7.73×10-3，SIF等級大于SIL2，滿足風險降低值的要求。

3(λDUN×Tc)2+(λDUN×TI)2+

3λDUN×Tc×λDUN×TI

(10)

降低風險可以從獨立保護層的8個方面去找到適用的方法，但一定要從安全性、經濟性和可操作性入手。從廠里的實際情況考慮，既可以對泵采用雙端面機械密封來解決(其失效概率為6×10-3，<1×10-2，滿足降低風險的要求[22-23]，而單端面機械密封的失效概率為6×10-2)，也可以從提高該SIF的SIL等級來解決。

3 現場應用

目前，凈化廠使用單端面機械密封的泵共計52臺，主要用于主裝置急冷水泵、冷凝液泵、鍋爐房開工鍋爐給水泵等。自2020年至今，故障率較高，累計80次，主要表現為摩擦副磨損、破裂，O型圈老化，彈簧疲勞失效、彈簧卡死等。共有42臺雙端面機械密封泵，主要用于胺液高壓泵、半貧胺液泵等。雙端面機械密封故障檢修累計26次，主要表現為雙端面機械密封中的次級密封隔離液泄漏導致隔離液壓力降低引起報警。通過雙端面機械密封故障結果來看，較單端面機械密封而言，雙端面機械密封的使用壽命更長，穩定性更好，檢修頻率低；26次故障中未發生一起泵送危險介質泄漏，密封穩定性、安全性高；通過隔離液壓力、溫度報警設定，能第一時間發現機械密封故障，及時進行維修處理，有效地避免了機械密封故障進一步擴大造成運行設備故障而引起裝置停產和人員傷害。

經過評估，天然氣凈化廠采納了泵采用雙端面機械密封的方式來達到本質安全，保證裝置的長周期運行的措施。

其單、雙面機械密封的結構如圖5所示，性能對比如表5所列。

表5 單、雙端面機械密封對比

2020年12月，技改完成，商品氣總硫和尾氣SO2排放質量濃度均達到新的國家標準要求。貧胺液泵P-0952改造為雙密封后運行至今，未發生過一次故障，有力地保障了裝置的安全運行。

4 結論

對達標改造的高含硫天然氣凈化裝置進行安全風險評價，并用案例呈現了HAZOP、LOPA和SIL聯合分析法在天然氣凈化廠中的應用過程，以此說明天然氣凈化廠可以通過風險評價技術查找長周期運行中的風險及限制條件，從而為實現凈化裝置長周期運行提供解決方案。

(1)通過HAZOP分析，找到再生塔液位低工藝偏差下的危害后果。

(2)根據風險矩陣和廠內8個方面獨立保護層管理要求進行LOPA分析，定量評價場景減緩后的后果頻率。

(3)利用可靠性方框圖和故障樹方法對再生塔液位聯鎖回路進行SIL驗證和計算，保證定量評價場景減緩后的后果頻率滿足風險容忍標準。

(4)提供了從SIS層面提高SIL等級和從本質安全層面對泵采用雙端面機械密封兩個解決措施。廠內根據雙端面機械密封泵的使用現狀進行評估，采用雙端面機械密封泵的方式以實現裝置的長周期運行，現場使用效果良好。該工藝系統的安全評估和設備選型可為其他凈化廠提供借鑒。