基于HAZOP和LOPA的氨制冷系統(tǒng)風險評估

宋坤,陶婷婷,廖磊,張國濤

(中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院有限公司,武漢 430081)

氨是一種有毒的刺激性物質(zhì),蒸發(fā)溫度-33.5 ℃,爆炸極限15.7%～27.4%,臨界儲存量10 t,因其能提供良好的汽化潛熱,在制冷行業(yè)得到廣泛應用。氨在空氣中泄漏易形成爆炸性混合物,且能造成人員中毒窒息,被我國列入危險化學品目錄,根據(jù)監(jiān)管要求,應采用HAZOP技術或多種方法組合,定期開展風險分析。因此利用HAZOP分析氨制冷系統(tǒng)存在的風險,結合LOPA半定量評估過程風險是否滿足企業(yè)可接受的等級,對企業(yè)安全管理、合規(guī)經(jīng)營具有重要意義。

近年來HAZOP和LOPA在石油、化工領域風險評估應用廣泛,但在輕工行業(yè)氨制冷方面的研究較少。王素娟等[1]將氨制冷系統(tǒng)劃分為五個節(jié)點,對不同節(jié)點給出HAZOP分析結果;王偉[2]利用HAZOP分析了制冷車間的制冷系統(tǒng)風險;周春香等[3]針對熱氨融霜工藝進行了HAZOP風險研究;李軍等[4]利用HAZOP分析了小型氨制冷裝置的風險;王大震[5]利用SAFETI程序,在HAZOP分析的基礎上模擬不同條件下液氨擴散的致死概率;李力等[6]在HAZOP和LOPA組合分析中引入風險概率降低值,評價氨制冷系統(tǒng)安全完整性等級;徐微等[7]采用HAZOP分析了低壓循環(huán)桶高液位風險,利用LOPA計算該事故場景下的剩余風險在企業(yè)可接受范圍內(nèi)。

以儲氨罐為研究對象,在HAZOP定性分析的基礎上,篩選出高風險等級的事故場景,利用LOPA半定量計算事故場景發(fā)生頻率,從而量化保護措施降低風險的能力,提高氨制冷系統(tǒng)風險評估的準確性。

1 分析方法概述

1.1 危險與可操作性分析(HAZOP)

HAZOP分析是一個詳細識別危險和可操作性問題的過程,包括識別潛在的偏離設計目的的偏差,分析其可能的原因,并對相應后果進行評估。通常裝置設計的目的是為了敘述正常運行條件下的參數(shù)設定和系統(tǒng)能實現(xiàn)的基本功能,未能考慮非正常工況的運行活動。但在HAZOP分析期間會考慮諸如強烈震動、管道水擊、腐蝕沖刷等所有非正常運行活動和合理使用情景。通過結構化的分析,HAZOP能系統(tǒng)性識別潛在的安全風險[8]。

運用一套核心引導詞,在分析組長的引導下,全面檢查系統(tǒng)的運行情況,HAZOP分析的主要步驟包括:(1)按照工藝流程選擇合適的節(jié)點進行劃分;(2)應用引導詞和參數(shù)的組合,找出合理的偏差;(3)分析產(chǎn)生的偏差,找出其原因和可能導致的后果;(4)評估后果和防護措施[9]。

1.2 保護層分析(LOPA)

LOPA方法是一種半定量的方法,通過識別場景風險并與可容許風險進行比較,用于確定現(xiàn)有安全措施是否可靠,以及是否需要新增加其他安全措施。通常采用初始事件頻率、條件事件頻率和獨立保護層(IPL)失效頻率的數(shù)量級,來近似表征場景的風險[10]。通過評價保護層的“要求時的失效頻率(PFD)”來計算現(xiàn)有保護層是否能將特定場景下的風險降低到風險標準所要求的程度。

1.3 HAZOP和LOPA的組合關系

HAZOP通過識別工藝裝置或設施中的各種潛在危險,并提出合理可行的措施減輕事故發(fā)生的可能性及后果,是一種定性分析方法。LOPA方法是在定性分析的結果的基礎上,通過識別篩選HAZOP結果中的高風險事故場景,解決該場景保護措施和殘余風險的量化問題。在使用HAZOP和LOPA組合分析時,兩者的信息關系如圖1。

圖1 HAZOP和LOPA的信息關系

2 氨制冷系統(tǒng)工藝流程

構成氨能量轉換的核心部件有壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器,共同組成了氨制冷系統(tǒng)的基本工藝流程。壓縮機采用二段進氣,設置中間冷卻器,使一級排出氣體溫度降低,以降低能耗。油氣分離器用于分離壓縮機帶出的冷卻油,防止油膜降低冷凝器換熱效率。儲氨罐作為供液容器,收集換熱后的常溫高壓液氨,通過調(diào)節(jié)閥節(jié)流降壓后流入低壓循環(huán)桶。低壓循環(huán)桶內(nèi)的液體經(jīng)氨泵輸送后,進入庫房蒸發(fā)器換熱吸收外部熱量,經(jīng)管道再次回到低壓循環(huán)桶氣相空間,最后由壓縮機壓縮后完成制冷循環(huán)流程[11]。氨制冷系統(tǒng)工藝流程圖如圖2。

圖2 氨制冷系統(tǒng)工藝流程圖

3 應用實例

本文選取氨制冷系統(tǒng)的儲氨罐作為單個節(jié)點,以山東某蔬菜加工企業(yè)氨制冷系統(tǒng)為例進行分析。儲氨罐上部空間安裝有氨報警器和噴淋水系統(tǒng),當氨濃度達到100×10-6時觸發(fā)報警,濃度達到150×10-6時報警器聯(lián)鎖啟動噴淋水。儲氨罐示意圖如圖3。

圖3 儲氨罐安裝示意圖

3.1 風險矩陣

風險矩陣是HAZOP風險評估和LOPA場景篩選的標準,基于HAZOP分析結果,通過風險矩陣評估場景后果的嚴重性,并確定相應的風險等級。根據(jù)評估的事故場景風險等級程度,篩選出高風險場景進行后續(xù)LOPA分析,采用的風險矩陣見表1,風險矩陣中嚴重性的描述見表2。

表1 風險矩陣

表2 后果定性說明表

3.2 HAZOP和LOPA分析

以儲氨罐作為節(jié)點,選取3個引導詞(少、多、異常)與3個要素(壓力、液位、泄漏)的組合為例,確定有意義的偏差,對偏差產(chǎn)生的原因和后果分析,得到的結果如表3所示。

表3 儲氨罐HAZOP分析記錄表

由表3分析結果可知:儲氨罐壓力、液位過高和異常泄漏為高風險;液位過低為中風險;壓力過低為低風險。因此針對篩選出的三種高風險場景進行LOPA分析,分析過程中以場景唯一初始事件及其對應的后果為例,分析結果如表4所示。

表4 儲氨罐LOPA分析記錄表

從表4分析結果可以看出:(1)出液閥失效引起壓力過大,造成的氨氣泄漏事故,有安全閥、氨報警器和噴淋水系統(tǒng)作為獨立保護層,通過計算得出事故場景減緩后的頻率小于可容許后果的頻率,安全完整性等級符合要求,不需要加裝其他安全設施。(2)壓縮機工作異常引起液位過高,造成的氨氣泄漏事故,有浮球液位控制器、氨報警器和噴淋水系統(tǒng)作為獨立保護層,事故場景減緩后的頻率為1.2×10-4,大于可容許后果的頻率1.0×10-4。因目標風險降低量介于1～10,其安全儀表功能(SIF)的安全完整性等級為SILA,可根據(jù)ALARP原則,進一步考慮是否增加控制措施。(3)管道腐蝕破裂造成的異常泄漏事故,只有氨報警器和噴淋水系統(tǒng)作為獨立保護層,無法滿足可容許后果的頻率,需要增加安全完整性等級為1的設備,保障系統(tǒng)安全。根據(jù)《冷庫設計標準》(GB50072)的要求,建議該企業(yè)增設機械通風設備,將機械通風設備作為獨立保護層,其“要求時的失效頻率”取值0.01,可以將事故場景減緩后的頻率降低至可容許后果的頻率以下。

4 結論

氨作為危險化學品在制冷行業(yè)仍有廣泛應用,辨識氨制冷系統(tǒng)風險,評估保護措施的可靠性有重要意義。

(1)HAZOP和LOPA技術的組合應用,可以系統(tǒng)識別氨制冷系統(tǒng)潛在的風險,LOPA能夠彌補HAZOP保護措施無法量化的不足,為增加完全儀表系統(tǒng)(SIS)及其完全完整性水平(SIL)提供依據(jù)。

(2)針對氨制冷系統(tǒng)儲氨罐裝置,給出了壓力、液位、異常泄漏偏差下的原因和后果分析,其中儲氨罐壓力、液位過高和異常泄漏為高風險;液位過低為中風險;壓力過低為低風險。

(3)針對三類高風險事故場景,得出安全閥、浮球液位控制、氨報警器和噴淋水作為獨立保護層,基本可以滿足壓力、液位過高導致的事故場景風險管控。管道腐蝕破裂引起異常泄漏時,只有氨報警器和噴淋水無法達到可容許后果的頻率,建議企業(yè)增加機械通風措施。