基于HAZOP-LOPA 的丙烯精餾單元安全風險評估

王嘉嘉，田野,2*

（1.內蒙古科技大學 經濟與管理學院，內蒙古包頭 014010；2.國能包頭煤化工有限責任公司，內蒙古包頭 014030）

煤炭是我國重要的能源資源之一。隨著國際原油價格的持續攀升，傳統化工行業的產能已無法滿足國內外市場對化工原料的需求，因此我國將發展現代煤化工作為能源發展戰略之一[1]。國能包頭煤化工有限責任公司煤制烯烴生產裝置屬世界首套、我國5個現代煤化工示范工程（煤制油、煤制烯烴、煤制二甲醚、煤制甲烷氣、煤制乙二醇）之一，作為國能包頭煤化工有限責任公司重要的生產裝置，烯烴分離裝置的工藝流程長、生產過程復雜，裝置中的物料大都是易燃易爆的介質，在生產過程中存在一定的危險性，因此對其進行全面、科學、準確的安全風險評價十分有必要[2]。《安全監管總局關于加強化工過程安全管理的指導意見》第五條規定，對涉及重點監管危險化學品、重點監管危險化工工藝和危險化學品重大危險源的生產儲存裝置進行風險辨識分析，要采用危險與可操作性分析（Hazard and Operability，HAZOP）技術，一般每3 年進行一次[3]。根據裝置的工藝特點，運用HAZOP 分析進行工藝危害的識別，找出系統中危險與可操作性問題，并提出解決辦法[4]。對于重大事故場景，引入保護層分析（Layers of Protection Analysis，LOPA），對事故場景進行半定量分析，提高了裝置評估的科學性與準確性[5]。

1 理論基礎

1.1 HAZOP 分析

危險與可操作性（HAZOP）分析是一種用于辨識設計缺陷、工藝過程危害及操作性問題的結構化分析方法，能夠識別危害和潛在的危險事件[6]。HAZOP分析通過將復雜的工藝系統劃分成節點，并將引導詞與參數組合使用，可以系統性地分析裝置生產運行過程中可能發生的各種異常工況，評估已有的安全管控措施，綜合分析各種事故劇情。生產運行階段的HAZOP 分析是企業建立隱患排查治理常態化機制的有效方式，系統識別和評估在役裝置潛在風險，排查事故隱患，為隱患治理提供依據[7]。HAZOP 分析的步驟主要包括確定引導詞與參數、節點劃分、找出偏差、分析產生的原因及后果、找出現有的安全管控措施[8]。

1.2 LOPA

保護層分析（LOPA）是一種簡化的、半定量的風險評估方法，它可以在定性分析后確定現有的保護層能否降低嚴重事故后果發生的可能性，對事故后果的風險進行量化[9]。LOPA 通常使用初始事件頻率、后果嚴重程度和獨立保護層（Independent protective layers，IPLs）要求時的失效概率（Probability of Failure of Demand，PFD）的數量級大小來近似表征場景的風險[10]。任何一個保護層都存在失效的概率，所以必須提供足夠的保護層將事故發生的風險降低到可接受水平，從而滿足企業的風險容許標準。如果場景的事故風險不可接受，LOPA 也可以提供減輕事故風險的方案[11]。LOPA 的主要過程包括識別與篩選事故場景、確認初始事件（Initial Event，IE）、評估獨立保護層（IPL）、計算場景頻率、風險評估與決策。

事故場景的后果發生頻率計算公式見式（1）。

1.3 HAZOP 分析聯合LOPA 的可行性

HAZOP 分析是一種定性的分析方法，無法確定現有的保護層是否有效，無法確定現有的保護層是否可以把風險降低到企業可接受程度，無法確定針對事故后果嚴重的場景提出的建議能否把當前風險降低到企業可接受程度。在HAZOP 分析的基礎上引入LOPA，可用LOPA 將HAZOP 分析中的偏差產生的后果作為事故場景，將HAZOP 分析中偏差產生的原因作為LOPA 的初始事件，識別HAZOP 分析中的現有安全措施是否可以作為獨立保護層，計算獨立保護層的失效概率與事故場景發生頻率，通過企業的風險矩陣，評估當前的風險是否可接受，不可接受時可以提出增加獨立保護層的建議，將事故的后果發生的可能性減輕，最終使事故的風險等級降低到企業可接受范圍內[13]。LOPA 聯合HAZOP 分析可以將事故風險后果進行量化，豐富HAZOP 分析的結果，可以使最終提出的建議具有科學性與可行性。HAZOP 分析與LOPA 的關系如圖1 所示。

圖1 HAZOP 分析與LOPA 的關系

2 HAZOP 分析聯合LOPA 在丙烯精餾單元的應用

2.1 丙烯精餾單元工藝流程

烯烴分離裝置包括壓縮、酸性氣體脫除、氣液相干燥、脫丙烷系統、脫甲烷塔、脫乙烷塔、乙炔加氫和乙烯精餾單元、丙烯精餾單元等。丙烯精餾單元是烯烴分離裝置工藝流程的重要組成部分，為了保證HAZOP 分析的合理性和可行性，本文以烯烴分離裝置的丙烯精餾單元作為分析對象進行安全風險分析，丙烯精餾單元流程如圖2 所示。丙烯精餾單元設置有兩個塔，丙烯精餾單元的進料為脫乙烷塔塔釜的物料，產品為聚合級丙烯和丙烷。丙烯精餾2 塔（T604）的塔頂設有循環水冷卻器，將塔頂物料冷凝之后回流罐V604，從而保證塔的操作壓力。丙烯精餾1 塔（T603）再沸器的熱量由水洗水提供。另外，丙烯精餾1 塔設置一臺備用的蒸汽再沸器，利用低壓蒸汽提供熱量。丙烯精餾2 塔再沸器的熱量由急冷水提供。丙烯產品經過E615 換熱器冷卻后，進入丙烯產品保護床D602A/B 精制去除甲醇和其他氧化物后送出界區儲存在丙烯產品球罐。從丙烯精餾1 塔塔底抽出的丙烷被分成兩股物流，一部分丙烷物流被冷卻后送到脫甲烷塔作為丙烷沖洗液，剩余的丙烷冷卻液化后送到界區外作為副產品外售。丙烯精餾1 塔在接近塔釜的位置設置一條側線抽出線。在事故情況下或當產品氣壓縮機四段注洗油的情況下，一些重烴會被帶入丙烷物料中，這時即可利用此條側線抽出線為脫甲烷塔提供丙烷洗物料。

圖2 丙烯精餾單元流程圖

2.2 風險矩陣

本文以丙烯精餾單元為例，在HAZOP 分析和LOPA 時采用的風險標準是中國石化安全風險矩陣，在此基礎上結合國家能源集團和化工板塊公司的要求對該矩陣進行了優化，安全風險矩陣中的字母A ～G 是從健康和安全影響、財產損失影響、非財務性影響與社會影響3 方面表示后果的嚴重程度，后果等級A 最輕，后果等級G 最重。數字1 ～8 表示事故發生的頻率，1 表示事故發生的可能性極低，8 表示事故在相同作業活動中經常發生。風險矩陣中的每一個具體數字代表該風險的風險指數值，對于風險的具體風險等級，采用后果嚴重性等級的代表字母與可能性等級數字組合表示，例如：后果等級為A，可能性等級為7，對應的風險等級為A7，安全風險矩陣見圖3。

圖3 安全風險矩陣

依據盡可能合理降低（As Low As Reasonably Practic，ALARP）原則，風險區域可分為3 部分。（1）不可接受的風險區域，即圖3 中重大風險區域。在這個區域，風險是不可接受的，應立即采取措施。（2）有條件容忍的風險區域，即圖3中較大風險和一般風險區域。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。（3）可接受的風險區域，即圖3 中低風險區域。在這個區域內，剩余風險水平是可忽略的，一般不要求進一步采取措施降低風險[14]。

2.3 丙烯精餾單元的HAZOP 分析

根據工藝流程的特點，將丙烯精餾單元劃分為丙烯精餾1 塔、丙烯精餾2 塔、丙烯產品保護床3 個節點，該單元的部分HAZOP 分析結果及建議措施見表1、表2、表3。

表1 丙烯精餾1 塔HAZOP 分析表

表2 丙烯精餾2 塔HAZOP 分析表

表3 丙烯產品保護床HAZOP 分析表

2.4 基于HAZOP 分析的LOPA

根據丙烯精餾單元的HAZOP 分析，找出各種偏差的原因、后果和現有保護措施，但對于事故后果嚴重的場景，無法得知現有保護層是否真正有用、是否能把后果降低到企業可接受水平。為了驗證現有安全措施的可靠性，在HAZOP 的分析結果的基礎上進一步進行LOPA。根據HAZOP 分析得到的結果，選擇丙烯精餾1 塔T603 壓力高、丙烯精餾2 塔T604 壓力高和回流罐V604 液位低這3 個偏差進行LOPA。本文使用的初始事件及獨立保護層的頻率采用根據保護層分析（LOPA）方法應用導則（AQ/T 3054—2015）中的數據，使能條件及其他各種條件概率取值為1。分析結果見表4。

表4 基于HAZOP 分析的LOPA 結果

2.4.1 丙烯精餾1 塔T603 壓力高場景

事故場景辨識：再沸器E611A/B 水洗水調節閥FV626 故障全開或人為誤開，造成丙烯精餾1 塔T603壓力高，出現超壓，導致泄漏，造成火災、爆炸。

初始事件（IE）：再沸器E611A/B 水洗水調節閥FV626 故障全開或人為誤開，其失效概率為1×10-1/a。

獨立保護層（IPL）評估：丙烯精餾1 塔T603 設有壓力高報警PI627，當BPCS 控制回路失效時，提醒操作人員及時操作，防止超壓，失效概率為1×10-1/a；丙烯精餾1 塔T603 設有壓力高高聯鎖PAHH627，當塔壓高高時，T603 系統停車，關閉E611A/B 水洗水切斷閥XV612，其失效概率為1×10-2/a；在易燃易爆物料泄露后，塔底裝設的可燃氣體報警儀及時報警，失效概率為1×10-1/a。

場景頻率計算：1×10-1×1×10-1×1×10-2×1×10-1=1×10-5/a。

風險決策與評估：再沸器E611A/B 水洗水調節閥FV626 故障全開或人為誤開，造成丙烯精餾1 塔T603壓力高，出現超壓，導致泄漏，造成火災、爆炸，事故后果嚴重性為D。通過LOPA 可知保護層失效概率為1×10-5/a，依據安全風險矩陣，場景事故等級確定為D3，剩余風險值為12，處于風險矩陣的風險可接受區域。

2.4.2 丙烯精餾2 塔T604 壓力高場景

事故場景辨識：再沸器E613A/B 急冷水調節閥FV635 故障全開或人為誤開，造成丙烯精餾2 塔T604壓力高，出現超壓，導致泄漏，造成火災、爆炸。

初始事件（IE）：再沸器E613A/B 急冷水調節閥FV635 故障全開或人為誤開，其失效概率為1×10-1/a。

獨立保護層（IPL）評估：丙烯精餾2 塔T604 設有壓力高報警PI634，當BPCS 控制回路失效時，提醒操作人員及時操作，防止超壓，其失效概率為1×10-1/a；丙烯精餾2 塔T604 設有壓力高高聯鎖PAHH634，當塔壓高高時，T604 系統停車，關閉E613A/B 急冷水切斷閥XV617，其失效概率為1×10-2/a；塔頂設有安全閥PSV630A/B，其失效概率為1×10-1/a，在易燃易爆物料泄露后，塔底裝設的可燃氣體報警儀及時報警，失效概率為1×10-1/a。

場景頻率計算：1×10-1×1×10-1×1×10-2×1×1×10-1×1×10-1=1×10-6/a。

風險決策與評估：再沸器E613A/B 急冷水調節閥FV635 故障全開或人為誤開，造成丙烯精餾2 塔T604壓力高，出現超壓，導致泄漏，造成火災、爆炸，事故后果嚴重性為D。通過LOPA 可知保護層失效概率為10-6/a，依據安全風險矩陣，場景事故等級確定為D2，剩余風險值為8，處于風險矩陣的低風險區域。

2.4.3 回流罐V604 液位過低場景

事故場景辨識：塔頂冷凝器E614A/B 循環水閥門故障全關，造成回流罐V604 液位過低，丙烯精餾2 塔T604 壓力過高，出現超壓，可燃物料泄露，發生火災、爆炸。

初始事件（IE）：塔頂冷凝器E614A/B 循環水閥門故障全關，其失效概率為1×10-1/a。

獨立保護層（IPL）評估：回流罐V604 液位低報警LI627，當BPCS 控制回路失效時提醒操作人員及時操作，防止超壓，其失效概率為1×10-1/a；丙烯精餾2塔T604 設有壓力高高聯鎖PAHH634，當塔壓高高時，T604 系統停車，關閉E613A/B 急冷水切斷閥XV617，其失效概率為1×10-2/a；塔頂設有安全閥PSV630A/B，其失效概率為1×10-1/a；回流罐V604 設有液位低低聯鎖關閉XV642，停P607A/B，其失效概率為1×10-2/a；在易燃易爆物料泄露后，塔底裝設的可燃氣體報警儀及時報警，失效概率為1×10-1/a。

場景頻率計算：1×10-1×1×10-1×1×10-2×1×10-1×10-2×1×10-1=1×10-8/a。

風險決策與評估：塔頂冷凝器E614A/B 循環水閥門故障全關，造成回流罐V604 液位過低，丙烯精餾2塔T604 壓力過高，出現超壓，可燃物料泄露，發生火災、爆炸，事故后果嚴重性為D。通過LOPA 可知保護層失效概率為10-8/a，依據安全風險矩陣，場景事故等級確定為D1，剩余風險值為5，處于風險矩陣的低風險區域。

3 結論

為了將風險量化，更直觀地進行風險決策，提高裝置的本質安全運行水平，采用HAZOP 分析聯合LOPA。首先用HAZOP 分析方法，通過分析偏差產生的原因、造成的后果及初始安全風險對丙烯精餾單元進行全面的安全風險評估，分析生產運行過程中存在的安全隱患，提出有針對性的建議。然后根據HAZOP分析得到的結果，選擇丙烯精餾1 塔T603 壓力高、丙烯精餾2 塔T604 壓力高和回流罐V604 液位低3 個偏差進行LOPA，進一步評估現有保護層的有效性，計算事故場景的發生頻率，結果表明現有的安全措施可以使剩余風險降低至企業可接受范圍之內。