三甘醇脱水装置的HAZOP分析

邱星栋　黄　坤　陈彰兵　宋凌燕

1.西南石油大学石油与天然气工程学院　2.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司3.中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司

邱星栋等.三甘醇脱水装置的HAZOP分析.天然气工业，2016， 36（9）: 123-128.

三甘醇脱水装置的HAZOP分析

邱星栋1黄坤1陈彰兵2宋凌燕3

1.西南石油大学石油与天然气工程学院2.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司3.中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司

邱星栋等.三甘醇脱水装置的HAZOP分析.天然气工业，2016， 36（9）: 123-128.

危险与可操作性分析（Hazardand Operability Analysis，HAZOP）经过40余年的发展，作为防止重大事故发生的一种安全评价方法，在世界范围内已得到十分广泛的应用。脱水工艺作为天然气净化过程中不可或缺的一个环节，其设备可靠性以及工艺流程安全性得到了越来越多人的关注。为此，利用HAZOP方法，系统分析了三甘醇脱水装置的安全现状和潜在风险。介绍了HAZOP分析方法的理论概念和应用现状，并以某天然气净化厂600×104m3/d三甘醇脱水装置为例，阐述了HAZOP分析的工作过程和应用方法。结合设计标准和具体设备，系统识别了三甘醇脱水装置的工艺危险与可操作性问题，利用风险矩阵评估了不同失效模式下的风险等级，并提出了相应的改进意见。最后，得出了三甘醇脱水装置不同节点的失效特点和风险评价结论，并总结了HAZOP分析在实际应用中需要注意的问题，该项研究成果为可今后三甘醇脱水装置乃至其他石油化工装置进行HAZOP分析提供参考。

HAZOP分析安全评价方法天然气净化处理三甘醇脱水节点风险矩阵失效模式风险评价

由于天然气净化处理过程存在着高温、高压、易燃、易爆、有毒气体扩散，以及其他诸如H2S应力腐蚀开裂、天然气水合物堵塞、低温冷脆等危险工况。因此，为了防止重大事故发生或减轻事故危害程度，在项目设计过程中引入HAZOP分析，对整个工艺流程或重要单元进行风险分析，找出缺陷，并根据分析结果确定防范措施，使装置不断完善、生产过程运行更加安全［1］。脱水工艺作为天然气净化过程中必不可少的环节，重要程度不言而喻。然而，针对脱水装置的HAZOP研究还不多见。相比其他脱水方法，三甘醇脱水工艺具有流程简单、技术成熟、露点降大、热稳定性好和易于再生等优点。因此在现役天然气净化厂中得到了广泛应用。为此，以某天然气净化厂600×104m3/d三甘醇脱水装置为例，探究了HAZOP分析在设计阶段的应用及其效果。

1　HAZOP分析技术

1.1应用现状

HAZOP分析是一种用于辨识设计缺陷、工艺过程危害及操作性问题的结构化、系统化分析方法，用来检查设计的安全以及危害的因果来源［2-5］。目前，HAZOP分析已成为HSE管理体系中的重要应用方法，也是工艺安全管理的重要手段。很多国家已将石油化工项目应用HAZOP分析作为防止重大事故发生的一个重要部分［6］。

在我国，随着安全理念不断深入人心，采用HAZOP分析方法成为企业提高装置运行安全性与稳定性的一种发展趋势［7］。近年来，相关部门相继颁布了多项规定。国家安全生产监督总局提出“中央企业要在重点化工装置生产过程中开展HAZOP分析”［8］；中国石油天然气集团公司也在2010年颁布的《中国石油天然气集团公司危险与可操作性分析工作管理规定》中要求对现役装置进行HAZOP分析，并且要求5年执行1次［9］；中国石油化工集团公司2013年发布的《中国石化危险与可操作性分析实施管理规定（试行）》通知也要求高含硫天然气净化工艺装置和储运系统的关键单元，至少每6年开展1HAZOP分析。

1.2分析流程

HAZOP分析需要将工艺流程图或操作程序划分为分析节点或操作步骤，然后选择引导词和工艺参数，建立有意义的偏差，识别出具有潜在危险的偏差，并对偏差原因、后果及控制措施等进行分析［10］。图1为基于引导词法的HAZOP分析流程图。

图1　HAZOP分析流程图

2　三甘醇脱水装置的HAZOP分析应用

2.1工艺流程

图2为TEG脱水工艺流程图，如图2所示，从脱硫装置来的压力约为6.57 MPa、温度约为41.7 ℃的湿净化天然气，自下部进入TEG吸收塔，自下而上与TEG贫液逆流接触，天然气中的饱和水被TEG吸收而脱除。脱除水分的天然气出塔后经产品气分离器分离出少量凝液后再经产品气聚结器进一步分离，然后外输。

从TEG吸收塔下部出来的TEG富液经塔底液位调节阀减压后，先经TEG再生器富液精馏柱顶换热盘管换热，然后进入TEG闪蒸罐闪蒸，闪蒸出的闪蒸气调压后进入燃料气系统用作工厂燃料气。此后，TEG富液则先经过TEG预过滤器，再经过TEG活性炭过滤器和TEG后过滤器除去溶液中的机械杂质和降解产物。过滤后的富液经TEG贫/富液换热器换热后进入TEG再生器富液精馏柱。TEG溶液在TEG再生器中被加热至200 ℃左右提浓再生。再生后的TEG溶液经精馏柱、缓冲罐进入TEG贫/富液换热器中与过滤后的TEG富液换热至80 ℃，再经循环泵增压，然后经贫液冷却器进一步冷却至52 ℃，最后被送至吸收塔顶部完成吸收、再生循环的过程。

图2　TEG脱水工艺流程图

TEG富液再生产生的再生气，在再生气管道仅为保温的情况下，增设TEG再生气分液罐，然后经TEG再生气分液罐分液后，由蒸汽喷射器送至尾气处理装置。

2.2分析准备工作

分析的准备工作包括：①确定分析目的及分析对象；②确定分析小组人员组成；③必要的资料收集；④资料整理及拟定分析顺序；⑤安排会议［11］。通常，HAZOP分析小组由4～8人组成，包含组长、秘书、工艺工程师、设备工程师、仪表工程师、HSE工程师、操作技师和相关设计人员等。HAZOP分析是由各专业人员组成的专家小组以一系列会议形式基于引导词来实现的定性分析方法［12］，其分析结果不仅受到分析小组成员的专业素质影响，还依赖于分析资料的完整性与准确性。此次分析中用到的资料包括：物料危害数据资料、装置的工艺物料平衡图（PFD图）、工艺管线及仪表控制流程图（PID图）、装置的平面布置图、设备设计资料、自控及电气设计资料和安全报警参数等。

2.3分析流程

2.3.1分析范围

HAZOP分析的范围是三甘醇脱水系统中湿净化天然气脱水部分、TEG富液闪蒸过滤部分、TEG溶液再生及再生气部分、TEG溶液再生循环部分、TEG回收部分中包含的所有的管道、泵、换热器、塔器、控制回路及阀门等。

2.3.2节点划分

HAZOP分析节点的划分一般按照工艺流程进行，主要考虑工艺单元的目的与功能、工艺单元的物料。基于此原则，分析小组以PID图为主要依据，对三甘醇脱水装置进行节点划分。通过分析可知，三甘醇脱水装置从功能上可划分为混合吸收、加热过滤、再生循环等工艺部分。为了有效地进行HAZOP分析，结合装置的具体情况，将整个脱水装置划分为5个分析节点，节点主要信息如表1所示。

2.3.3确定偏差

对于每一个节点，HAZOP分析小组以正常操作运行的参数为标准值，分析运行过程中参数的变动（即偏差）。这些偏差通过引导词和参数引出［13］，即：偏差=引导词+工艺参数。如湿净化气流量过高导致TEG吸收塔压力升高，TEG闪蒸罐破裂泄漏导致物料泄漏，造成人员伤亡、火灾爆炸事故等。

在天然气净化处理过程的不同阶段中，均存在对人员身体健康、人员与设施安全和生态环境等不同程度和不同形式的影响和危害［14］。但针对不同的分析对象，由于其主要危险及有害因素不同，HAZOP分析重点往往不同。以脱水装置为例，在该工艺单元的HAZOP分析中，需要重点关注管道、压力容器因窜气、超压和腐蚀泄漏引发的潜在危险。此外，三甘醇循环泵、补充泵等设备存在噪声危害，高温管道和高温设备存在烫伤危害，在分析时也应考虑到。

2.4评价风险等级

进行HAZOP分析的目的并不是找出系统可能出现的所有偏差，而是结合已有安全保护措施，分析偏差导致事故发生的概率及后果的严重程度。对任一节点的任一偏差，分别确定事故的后果等级和事故原因的频率等级，然后通过风险矩阵图就能确定该事故的风险等级［15］。结合评价结果，对系统每个环节进行风险排序，从而确定分析结论中每项改进措施的“轻重缓急”。

表1　HAZOP分析节点划分表

表2　事故概率等级划分表

在本次HAZOP分析中，结合项目实际情况，考虑地理环境、人口密度、装置选型等多重因素，采用如图3所示的风险矩阵。

图3　风险矩阵图图3　风险矩阵图

其中，事故后果按照严重程度分为5个等级，涉及的因素包含人员伤亡、财产损失、环境影响等；事故发生概率也分为5个等级，具体划分标准如表2、表3所示。

表3　事故后果等级划分表

对于某一具体的危害事故，当确定了发生概率与后果严重程度，也就相应地得到了其风险等级（即R= L×S）。如某一事件每50年发生一次，可能造成2人死亡或者500万元的直接经济损失，则对应的L值取4，S值取3，故该事件风险等级为Ⅲ。在风险矩阵中，将风险等级划分为Ⅰ～Ⅳ的4个等级，针对不同的风险等级应采取不同的风险削减措施，保证系统风险始终保持在可接受范围内。具体做法可参照表4。

2.5HAZOP分析结果

HAZOP分析结果通常以分析记录表的形式呈现，主要包括节点序号、节点描述、设计意图、偏差、原因、后果、现有保护措施、风险分析、行动建议等内容。笔者将以产品气聚结器为例，详细阐述“产品气流量低”这一偏差的HAZOP分析过程。假设产品气流量过低，则可能的原因为产品气聚结器堵塞，所造成的后果为聚结器液位上升、聚结器内部压力升高等。图4为产品气聚结器的PID图，如图4所示，已有的保护措施包括液位指示报警装置LIA109、差压指示报警装置PDIA105以及压力安全阀PSV1306。经计算分析，原有安全系统等级偏低，为了防止该偏差造成上游产品气分离器液位升高，压力增大，严重时导致设备超压损坏、气体泄漏等不良后果，在已有保护措施的基础上，建议在产品气分离器上增加DCS（分布式控制系统）压力指示装置，提升安全等级。

表4　风险削减措施建议表

图4　产品气聚结器的PID图

本次三甘醇脱水装置HAZOP分析，着重对工艺流程安全、装置运行安全、环境影响以及人生伤害等方面进行讨论，在合理划分节点的基础上，共计开展有意义的偏差分析100余条，提出改进意见30余条。表5列举了部分典型的分析结果。

表5　三甘醇脱水装置HAZOP分析结果表

3　结论

通过对某天然气净化厂三甘醇脱水装置进行HAZOP分析，系统识别了设计中潜在的漏洞，并通过提出相应的改进意见，削减了风险等级，为提升整个脱水工艺流程的安全性和可靠性提供了帮助。

1）在本次分析所获得的100余条偏差中，后果风险等级为4的偏差0条，风险等级为3的8条，风险等级为2的26条，其余风险等级为1。后果风险等级较高（大于等于2）的原因，主要集中在：①因流量波动引起的设备超压损坏；②因回路故障引起的设备超压损坏；③因管线破裂引起的介质泄漏。因此，在对三甘醇脱水装置进行HAZOP预分析时，应着重分析超压和窜气对系统造成的危害。

2）对比不同节点的HAZOP分析情况，发现风险等级较高（不小于2）的后果主要分布在湿净化天然气脱水部分（9条）、TEG富液闪蒸过滤部分（11条）和TEG溶液再生及再生气处理部分（12条）。因此，在实际操作中，应着重分析相关管线和设备，尤其是TEG吸收塔、TEG闪蒸罐和TEG再生器。

3）由于三甘醇吸收塔液位控制及联锁失效时高压气会窜入低压再生系统，受影响的低压设备数量很多，危害相当严重。如当TEG吸收塔液位降低时，可导致湿净化气窜入下游设备，造成设备超压损坏。因此，建议对三甘醇吸收塔及液位控制方案进行SIL评估，以保证装置的安全性。

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（修改回稿日期 2016-07-06 编辑 何明）

HAZOP analysis on a TEG dehydration unit: A case study

Qiu Xingdong1， Huang Kun1， Chen Zhangbing2， Song Lingyan3
（1. School of Oil & Natural Gas Engineering， Southwest Petroleum Uniνersity， Chengdu， Sichuan 610500， China；2. Southwest Company of China Petroleum Engineering Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan 610041，China； 3. Beijing Company of China Petroleum Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100085， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 9， pp.123-128， 9/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

After over 40 years of development， Hazard and Operability Analysis （HAZOP）， as a safety assessment method to prevent major accidents， has been widely applied worldwide. Dehydration process is an indispensable section in natural gas purification， and its equipment reliability and process safety have gained more and more attention. In this paper， therefore， the safety status and potential risks of a TEG （triethylene glycol） dehydration unit were analyzed systematically by using HAZOP analysis. Firstly， the theoretical concept and application status of the HAZOP analysis method was introduced. Secondly， the working process and application situations of the HAZOP method were elaborated by taking the TEG dehydration unit （600×104m3/d） in a certain natural gas purification plant as an example. Thirdly， the technological hazard and operability problems of the TEG dehydration unit were identified for specified apparatus according to the design criteria. Fourthly， the risk level in different failure modes was assessed by using the risk matrix， and the corresponding improvement suggestions were put forward. And finally， the failure characteristics and risk assessment on all nodes of the TEG dehydration unit were summarized， and the considerations of HAZOP analysis in actual application were pointed out. This research result provides a reference for the HAZOP analysis of a TEG dehydration unit and other petrochemical equipments.

HAZOP； Safety assessment method； Natural gas purification； TEG dehydration； Node； Risk matrix； Failure patterns； Risk assessment

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.09.015

邱星栋，1991年生，硕士；主要从事油气储运安全工程、完整性评价技术等方面的研究工作。地址：（610500）四川省成都市新都区新都大道8号西南石油大学石油与天然气工程学院。电话：18328082533。ORCID: 0000-0003-3156-6261。E-mail: qiuxingdong1017@163.com