HAZOP分析方法在天然气接收站的应用

张东升

(江苏中核华纬工程设计研究有限公司，南京 210019)

液化天然气(LNG)是清洁、高效的新能源，原气田的天然气需要经过脱水、脱烃及脱酸等净化处理，常压下制冷降温至-162℃左右液化储存，使其体积缩小了近600倍，便于船舶和槽车长途运输。随着我国广东珠海地区液化气有限公司LNG接收站一期工程的投产运行，又在我国东南沿海地区建成了多个LNG接收站。为了保证LNG接收站装置的安全运行，常采用一些安全评估方法，来确认LNG接收站现有的安全措施，评价其安全完整性等级(SIL)和安全仪表功能(SIF)，以避免危险状态或减轻危险发生后的后果。

危险与可操作性(Hazard and Operability Studies，HAZOP)分析是一种被国际工业界广泛采用的工艺危险与可操作分析方法，在工艺系统生命周期的不同阶段(如研发、设计和运行(或改造)阶段)均可进行HAZOP分析，而运行阶段处于工艺系统生命周期中最漫长的阶段。为此，江苏中核华纬工程设计研究有限公司以广东珠海某液化气有限公司LNG接收站一期工程的优化过程为背景，采用HAZOP分析方法对其生产运行过程和设计的优化变更部分进行安全评估。

1 HAZOP分析方法①

HAZOP分析方法起源于20世纪60年代，在欧美发达国家得到长足的发展和改进，许多国家甚至已通过立法手段强制将其在工程项目中进行推广应用。HAZOP分析方法从提出到至今，经历了三个发展阶段：人工HAZOP阶段、计算机辅助HAZOP阶段和定量HAZOP阶段，其中人工HAZOP加辅助半定量分析是最为成熟并被广泛认可的方法，而计算机辅助HAZOP分析方法和定量HAZOP分析方法尚不成熟，仍需改进。

HAZOP是一种系统的、结构性的分析方法，用于识别装置系统中(研发、设计和操作运行维护程序中)的危害和防范措施，提出防护措施和建议，以提高装置的安全性和可操作性。HAZOP分析方法包括危险分析和可操作性分析两个方面，前者是为安全的目的；后者则侧重于工艺系统是否能够实现正常操作，是否便于开展维护和维修，甚至是否导致产品质量问题或影响收率。HAZOP分析方法适用于LNG接收站装置运行生命周期的各个阶段：初步设计、详细设计之后、试车后/运行前、运行中及工艺变更后等。HAZOP分析方法从生产系统中的工艺状态参数出发，运用启发性的引导词来研究工艺状态参数的变动，从而进行危险的辨识，在此基础上分析危险可能导致的后果并给出相应的防护建议措施。

1.1 偏差定义

偏差指偏离所期望的设计意图，它由引导词+工艺参数组成，引导词(表1)一般用来限定和量化意图，并联合工艺参数来得到偏差。

表1 引导词及其含义对照

(续表1)

工艺参数通常为温度、压力、液位、流量和成分，也包括时间、次数、长度、异常及反向等，因而工艺参数都有各自的安全操作范围，如果超出该范围都视为偏离了设计意图，其偏差详见表2。

1.2 节点设计

为方便HAZOP分析方法的进行，通常将复杂的工艺系统分解为若干个子系统，将每个子系统称为一个节点，节点可能是子系统或重要的核心设备。节点划分原则是：依据P&ID图的工艺流程顺序，设计意图在下一个节点发生改变，工艺条件发生重大变化，以及重要的核心设备等。总之，依据HAZOP分析小组的水平，节点划分不宜过大，也不宜过小。

表2 参数偏差统计

注：√表示有实际意义的偏差。

LNG接收站的主要功能是接收远洋专用船运来LNG时，进行船运到岸的LNG卸船、LNG储存、LNG升压和汽化、蒸发气处理、LNG槽车灌装、天然气(NG)计量和输送。输出的产品主要为汽化后的NG，以及通过槽车直接灌装的LNG，NG通过管网送至燃气电厂或城市用户，LNG通过槽车送到各个LNG分站。

针对如图1所示的LNG接收站流程，为便于HAZOP分析，根据HAZOP分析方法的节点原则，将其划分为6个节点：

图1 LNG接收站工艺流程简图

a. LNG从运输船经卸载臂和卸载管线输送到LNG储罐；

b. LNG储罐；

c. 低压输送泵-再冷凝器-高压输送泵入口、LNG循环管线；

d. LNG槽车装车系统；

e. 高压输送泵、汽化器、计量站以及外输管线；

f. 回船蒸发系统(BOG)、蒸发气处理系统(BOG)和火炬系统。

如果有必要，分析工作安排的时间较为充裕，还可以增加第七个节点——汽化器用的海水给排水系统，这里省略，按6个节点进行分析。其节点对应的常见偏差见表3。

表3 常见节点和对应的偏差

注：√表示该节点可以考虑的偏差。

1.3 基本假设

在进行HAZOP分析时，基于下列假设：

a. 单一偏差。在分析某一原因和后果时，要假设其他工艺参数正常，以避免两个或两个以上的偏差同时存在。

b. 保护层失效。在风险分析时，一般要进行固有风险分析和残余风险分析，在进行固有风险分析时，假设与该事件相关的保护层全部失效，依据最大的可能和最严重的后果来确定风险和安全度等级(SIL)，然后通过保护层分析确定残余风险，确定残余风险是否能接受，进而确定是否需要进一步提出相关安全措施的建议。

c. 设备机械完整性良好。除了分析节点破裂及泄漏等失效情况之外，在分析工艺偏差时，都是基于非直接相关一般设备、仪表和管道完整性良好的假设。HAZOP分析方法主要是针对工艺系统的风险评估，并非分析与识别一般的设备风险。

1.4 分析步骤

进行HAZOP分析的准备工作如下：

a. 明确分析的目的、对象、范围和时间安排；

b. 设立分析小组，包括组长、秘书、工艺工程师、自控(仪表)工程师、安全工程师和操作工程师；

c. 需要准备的资料，包括P&ID图、PFD图、工艺说明书、物料平衡表、管道等级表、危险区域划分图、主要设备数据表、因果图、联锁逻辑图及操作规程等；

d. HAZOP分析小组在与业主的沟通中，依据风险理论和企业承受风险的能力确定风险矩阵。

本次HAZOP分析采用的风险矩阵见表4。

表4 HAZOP分析的风险矩阵

评估风险等级是HAZOP分析的重要环节。HAZOP分析方法是一种基于事故剧情的工艺危险评估技术，通过确定工艺系统可能发生的有意义的偏差，反向追溯导致偏差的特定出事条件(原因)，正向推理偏差可能导致的后果，并评估其在健康、环境、财产及声誉等方面的后果严重程度，将事件后果进行分类、量化、分级，包括考虑已有措施降低事故风险的作用，必要时按照最低合理可行原则提出建议措施以进一步降低事故风险。

如果认为已有的安全措施已经可以把风险降低至可接受程度，那么此危险剧情的分析到此结束；如果分析团队认为现有的安全措施不能使风险降低到可以被接受的程度，那么分析团队要提出一个或若干个建议安全措施，这种判断很大程度上要依靠HAZOP分析团队的经验、知识和能力，并且最终要取得一致的意见。

在划分好节点并确定偏差的基础上，要逐点进行HAZOP分析，其工作流程如图2所示。

具体步骤如下：

a. 确定偏差。需选取在节点内有意义的偏差。

b. 原因分析。分析产生偏差的原因，一般从本节点或临近节点的涉及控制失效、工艺介质中断、堵塞、阀门误开或误关及泄漏等方面考虑。

c. 后果分析。在分析后果时，一般假定保护措施全部失效时系统所遭受到的后果，主要表现在人身伤害、环境破坏、装置损坏及停产损失等。

图2 HAZOP分析工作流程

d. 风险分析。考虑事故发生的可能性和严重程度，再根据风险矩阵确定风险等级。

e. 保护措施分析。保护措施包括防止偏差发生和减轻事故后果损失，主要包括仪表指示、控制、报警、冗余系统、泄压系统及紧急停车系统等。

f. 建议。当分析小组认为现有的保护措施不足以把可能的风险降低到可接受的程度时，需要提出建议，增设新的保护措施，以降低装置的风险并增强其可操作性。

g. 生成HAZOP分析报告。在HAZOP分析会议中，秘书以报表的形式记录所有的结论，当所有节点的分析工作完成后，小组对整个HAZOP分析进行总结、讨论和必要的修改，在此基础上整理出一份完整的HAZOP分析报告。

2 采用HAZOP分析方法对LNG接收站进行风险评估

LNG接收站生产过程由于涉及到低温、高压、易燃及易爆等危险因素，可能发生因重要的设备、管线、阀门泄漏或破裂而引起的火灾及爆炸等危险事故。为此，必须先对其工艺系统进行危险源辨识，确定SIL和防范措施，以指导LNG接收站的工程设计和生产过程，保障接收站工程的顺利实施和安全运行。此处采用HAZOP分析辨识工艺危险源、分析后果并提出相应的对策。

根据图1，LNG接收站的主要工艺设备有：LNG卸载臂、LNG储罐、LNG高/低压泵、BOG压缩机、再冷凝器、海水汽化器和火炬。依据HAZOP分析流程以及节点划分和偏差确定，以节点2(LNG储罐)为例进行分析，相应的分析结果和改进建议见表5。

表5 节点2(LNG储罐)分析结果和改进建议

(续表5)

表5仅对一个节点进行了分析，根据风险矩阵，确定其SIL为3级，给出了9条建议，通过对整个LNG接收站的6个节点的分析，总共给出了三十多条建议，有些建议的实施只需要很简单的措施，而有些需要工艺和自控专业进行优化设计。

通过对LNG接收站的HAZOP分析最终解决了设计疏漏并完善了运行操作规程；采用HAZOP分析报告提出的建议改进措施，都会分配给最适合采取行动的一方，并通过跟踪落实来监督执行情况，关闭所有的HAZOP分析方法和审查安全建议，并最终提交HAZOP关闭报告，真正地将安全落实到位；HAZOP分析方法与设计图纸相结合，对整个工艺系统、安全控制方案、操作状况和安全方面进行了定性和部分定量分析，如比较投资产生的安全效益可接受程度，具有很强的针对性和可靠性，避免了通用规范没有涉及预测及后果分析等缺陷。

3 结束语

采用HAZOP分析方法探明了LNG接收站设计和运行在安全与操作性方面可能存在的技术缺陷，进一步明确了现有LNG接收站的SIL，以及ESD和FGS的运行状况和所设计的保护层功能的作用，根据评价结果和分析现有防范措施的足够程度，提高了LNG接收站设计和运行的安全性与可操作性，保障了LNG接收站顺利的实施和运行。