HAZOP分析在3×100000Nm3/h O2空分装置上的应用与研究

景宇富，何晓靓

（1.神华榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 719300；2.西安西电电力电容器有限责任公司，西安 710082）

0 引言

现代科学技术和工业生产的迅猛发展，在丰富了人类物质生活的同时，也带来了众多的潜在风险因素。世界上每年都发生许多因存储或使用易燃、易爆、有毒、有害物质而发生的燃烧爆炸或泄漏中毒事故，造成大批人员伤亡、大量财产损失或环境破坏。近来，随着国家对能源企业安全生产的高度重视，对化工行业提出了更高的安全指标和要求，尤其是在风险预控方面，增加了危险因素的识别和鉴别环节，目的是在工艺流程的设计阶段，优化设计方案，增加保护措施，降低自身风险等级，实现本质安全。因此，能够利用现有手段进行危险与可操作性的分析评估已经成为整个行业的集体诉求。

1 HAZOP分析原理

1.1 概述

危险与可操作性分析（HAZOP，Hazard and Operability Analysis）于1974年由英国帝国化学工业公司首次提出，严格按照科学的程序和方法，从系统学的角度出发对工程项目或生产装置工艺流程中潜在的危险因素进行预先的识别、分析和评价，分别提出生产装置设计、操作和维修方案，并提出改进意见和建议，用以提高生产装置工艺过程的安全性和可操作性，为制定基本的防灾抗害措施和应急预案决策提供可靠依据，其主要目的是对生产装置工艺流程的安全性和操作性进行技术设计审查。

1.2 分析原理

HAZOP分析是一个详细的危险与可操作性问题的辨识过程，一种结构化的危险分析工具，对设计目的潜在偏离的辨识，对偏离原因的检查和对偏离后果的评估，适用于项目详细设计阶段后期对操作设施进行检查或者在现有设施做出变更时进行分析[1]。其核心是“引导词检查”，是对设计目的偏离的一个从容谨慎的调查。为了方便检查，将系统进行细分，分割的方法是各个部分的设计目的都能被恰当的定义。选择的大小可能依赖于系统的复杂程度和危险严重程度，其中复杂系统或高风险部分设计的范围较小，简易系统或低风险部分采用范围扩大分析。系统给定部分的设计目的用于传达基本特征和自然分割元件表示，被检查的元件选择在某些程度上依赖于主观决定，其可能是过程或电气系统等的控制系统、设备或组成中的一个过程，单独的信号和设备元件中离散的步骤或阶段。

1.3 分析方法

HAZOP分析方法可分为分析准备、讨论分析、完成分析、编写分析报告。其中，个别步骤可以根据业主和设计院的实际情况调整，具体步骤：第一步，资料准备，确定风险矩阵，会议组织，经验分享；第二步，分析组进行HAZOP讨论分析；第三步，形成分析结果文件，提出整改措施；第四步，汇总偏差、原因、后果、安全保护和建议措施等内容。

1.3.1 分析准备

HAZOP分析准备在整个分析过程中占据着重要位置，其包括前期分析工作的组织、资料的准备以及整个会议的协调，主要是确定分析的目的、对象和范围，评价组的构成，分析资料清单。

1.3.2 分析完成

HAZOP分析需要将工艺图或操作程序划分为分析节点或操作步骤，然后用引导词找出过程中存在的风险，图1为HAZOP分析流程图。

分析组对每个节点或操作步骤使用引导词进行分析，得到分析结果分别是：偏差的原因、后果、保护装置、建议措施；需要更多的资料才能对偏差进行进一步分析；每个偏差的分析及建议措施完成之后，再进行下一偏差的分析；在考虑采取某种措施以提高安全性之前，应对与分析节点有关的所有危险进行分析[2]。

图1 HAZOP分析流程图Fig.1 HAZOP Analysis flowchart

1.3.3 分析报告

HAZOP分析完成后，结合风险矩阵及风险可接受标准，整理分析会议记录，完善风险决策，确定SIF（安全仪表功能）回路，对需要增加安全仪表功能的控制点进行SIL（安全完整性等级）定级，整理识别当前风险已经采取的降险措施，确定残余风险，完成HAZOP分析报告，具体包括：HAZOP记录表；LOPA（Layers Of Protection Analysis ,保护层分析）记录表；SIL（Safety Integrity Level，安全完整性等级）计算表；SIS（Safety Instrumented System，安全仪表系统）说明书。

2 空分装置的HAZOP分析应用

HAZOP分析以某国有大型煤化工新建3×100000Nm3/h O2空分装置为分析实例，详细介绍HAZOP分析的整个步骤、评论和结果。

2.1 工艺原理说明

图2 空分装置工艺流程图Fig.2 Flow chart of air separation device

该空分装置主要为煤气化装置提供8.5MPa（G）O2、为合成气制乙二醇装置和硫回收装置提供0.7MPa（G）O2，并为煤气化装置、CO变换装置、净化装置、硫回收装置、甲醇合成装置、合成气制乙二醇装置及其它生产装置提供0.4 MPa（G）、0.85 MPa（G）、4.1 MPa（G）和8.1MPa（G）的N2，并且空气增压机一段抽取部分干燥空气，做为全厂仪表空气和工厂空气气源。其采用杭氧内压缩制氧工艺包[3]，将过滤后的空气进入空压机加压，进入到空冷塔和水冷塔冷却，再进入到分子筛吸附器干燥，经过空气增压机增压，进入到主换热器降温，通过膨胀机膨胀端做功提高能量利用效率，进入到上、下塔和主冷冷却降温，最后通过过冷器液化得到主要的产品液氧和液氮，如图2所示为整个空分装置的工艺流程图。其中空气压缩系统采用一拖二模式，即由一台汽轮机同时拖动主空压机和空气增压机。为节省水耗，空分装置的主要耗水设备汽轮机表冷器采用空冷方式，空气制动的中压空气增压透平膨胀机为装置提供冷量，膨胀后空气进下塔，上下塔均采用规整填料，3套空分共用1套液氧、液氮后备系统，冷箱至液体贮槽管线采用真空管线保冷，其设备具备流程先进、技术成熟、运行安全可靠、操作方便、能耗低的特点，控制系统根据需要将具备自动变负荷、自启动功能、快速变负荷等先进功能。

2.2 前期准备

HAZOP分析需要准确、完整的数据准备，确保整个分析过程的顺畅以及分析结果的可靠详实。此次分析过程涉及的资料主要包括工艺说明及操作规程、工艺流程图（PFD）、管道和仪表流程图（P&ID）、物料平衡图、装置及设备平面布置图、联锁逻辑框图、复杂控制回路图、可燃及有毒气体检测器平面布置图、安全仪表系统（SIS）规格书和压缩机控制系统（CCS）规格书等。另外，通过借鉴国内同等规模空分装置运行经验以及工艺参数，划定评估分析合理的分析假设界限，预防“头脑风暴”式的过度分析推演以及造成的分析结果过于复杂，提高风险评估分析的实用性和有效性。

2.3 风险矩阵标准

风险矩阵是对风险的可能性与严重性进行的概率统计，通过数理统计的方式进行风险的量化概率分析，进而判断风险的可承受能力。此次HAZOP分析风险矩阵中后果分为人员伤害、财产损失、环境影响和声誉影响等4类，每类后果按照其严重性从低到高依次分为5个等级，如表1所示为风险矩阵后果严重性等级划分表。风险矩阵后果发生的可能性采用定性和半定量两种分级形式，按照事故发生频率从低到高依次分为6个等级，分别是：世界范围内未发生过；世界范围内发生过/石油石化行业内未发生过；石油石化行业发生过/世界范围内发生过多次；系统内发生过/石油石化行业发生过多次；本企业发生过/系统内发生过多次；作业场所发生过/本企业发生过多次。

表2 风险矩阵表Table 2 Risk matrix table

2.4 风险矩阵确定

危害事件后果的可能性等级确定当有危害事件发生的频率数据时，可采用半定量方法确定后果发生的可能性等级；无危害事件发生的频率数据时，可采用风险矩阵中的定性描述，确定后果发生的可能性等级；对新工艺装置（设施），可参照类比工艺发生事故的频率进行后果发生的可能性等级判断。在评估风险时，应分别评估人员伤害、财产损失、环境影响和声誉影响4种风险，风险等级应取4种风险中的最高值，表2为风险矩阵表。

风险矩阵中可能性与严重性是一种相互制约的关系，可能性越高，严重性相对就较小，反之亦然。风险矩阵中风险可分为严重高风险、高风险、中风险和低风险4个等级。当风险处于E6、E5和D6区域时，如果发生人员死亡，则风险等级为高风险；当风险处于E3～E4、D4～D5和C5～C6区域时，如果发生人员死亡或财产损失、环境污染、声誉影响等，则风险等级为高风险；当风险处于E1～E2、D2～D3、C3～C4、B5～B6区域时，如果发生财产损失、环境污染和声誉影响，则风险等级为中风险；其它区域为低风险区。严重高风险和高风险的安全要求，对建设项目和科研开发的中试及放大装置，应执行严重高风险的安全要求，对在役装置，企业应采取措施将风险降低到可接受风险区域。对不能及时消除的高风险，应提出充分的风险控制措施，并落实相应的责任人和完成时间，并确定风险可接受区域。中风险的安全要求，企业应按照实际情况，采取措施尽可能降低风险；当无法降低风险，企业应制定风险管理措施，防止风险进一步升级。低风险的安全要求，应按照业主HSE管理体系要求，保证其各项安全措施有效运行，防止风险进一步升级。

表1 风险矩阵后果严重性等级划分表Table 1 Statement of severity classification of risk matrix consequences

2.5 HAZOP分析结果

该实例HAZOP分析选择5个具有代表性的分析节点作为详细分析的对象，表3为分析节点划分和风险分析情况。表中罗列了节点描述、设计意图、引导词偏差、风险等级、保护措施和剩余风险等具体情况描述。节点1和2风险等级分别为C3、D3属于中风险，通过在空压机出口和空冷塔入口管线分别设置压力高报压力高高联锁停及开启放空的联锁、增加2个安全阀SV13001/13002，剩余风险降为C1；通过在上塔T1602顶部设置PIAS16003压力高报压力高高联锁开启放空联锁、增加2个安全阀PSV16203A/B，剩余风险降为D1。节点3～5风险等级为D4属于高风险，通过采取相应的保护措施后，剩余风险降为D2，属于中风险，需要进一步采取保护措施，将剩余风险降到低风险区域。

HAZOP分析为了降低节点回路的风险等级，实现风险预控的目的。HAZOP分析小组针对严重高风险、高风险和中风险区域节点回路，通过增加保护层、明确操作规范或提高设备安全等级等措施提出合理化建议措施，将剩余风险等级进一步降低到低风险区域，确保装置安全运行，建议措施分别是：节点3，建议主冷碳氢化合物在线分析仪可在切换后对过滤器出口空气中的碳氢化合物进行监测，将剩余风险降为D1；节点4，建议将压缩机润滑油箱VES X1003000现场液位计LGL X1003001与远传液位指示LI1003000引压线分开，将剩余风险降为D1；节点5，建议为压缩机蒸汽侧出口气液分离器3个远传液位指示增加液位高联锁启动凝液外送泵的联锁设置，增加液位高高2oo3联锁停压缩机的联锁设置，将剩余风险降为D1。

3 结论

目前，HAZOP分析已经广泛应用于化工行业，尤其在大规模的空分制氧装置上。本文以某国有大型煤化工新建3×100000Nm3/h O2空分装置为例进行HAZOP分析，详细介绍了整个风险分析的流程，以风险可接受标准为基础确定了风险矩阵，进而划分出不同等级的风险区域，通过细分分析节点的形式，逐一确认节点回路的风险等级，提出建议措施进行整改，提高整个空分装置的安全等级，得出以下结论：

表3 节点划分与风险分析Table 3 Node division and risk analysis

1）HAZOP分析是必要的。该空分装置属于易燃易爆易窒息的高危环境，由于特殊的工艺流程，要求成套供应商在设计阶段必须充分考虑现场的操作环境，采取必要的安全措施降低工艺自身的风险等级，实现工艺设计的本质安全要求。

2）HAZOP分析是有效的。通过此次HAZOP分析，发现了40余项不同风险等级的潜在风险因素，经过节点的划分详细罗列出现有风险等级的保护层，进行合理化建议措施，降低风险等级到低风险区域，有效满足了业主及设计院的安全诉求。

3）HAZOP分析是有局限性的。在此次HAZOP分析过程中，存在局部过度分析的情况，影响到分析工作的正常进行，通过双方沟通协商明确分析的界限和范围，确保了分析质量和分析进程。