HAZOP技术分析透平膨胀机运行中造成的工艺危害研究

曾晓飞 邹秋桂 胡晖 高岗

(1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司 安徽马鞍山 243000； 2.金属矿山安全与健康国家重点实验室 安徽马鞍山 243000； 3.中钢集团马鞍山矿院工程勘察设计有限公司 安徽马鞍山 243000； 4.马鞍山钰坤医疗器械有限公司 安徽马鞍山 243000)

0 引言

增压透平膨胀机是深冷法分离空气中液氧和液氮时获取冷量所必需的关键设备之一，主要由膨胀机通流部分、增压机部分和机体3部分组成[1]。透平膨胀机作用原理为高压气体在膨胀机中膨胀端通过绝热膨胀向外做功使得气体本身压力降低，温度下降。透平膨胀机运行过程中，如果不能有效的分析引起其工作的流程，很容易造成工艺危害，引起事故。目前国内针对透平膨胀机的工艺危害分析相关文献不多。

HAZOP一词是于20世纪70年代早期由ICI公司提出的，其含义是危险与可操作分析(Hazard and Operability Analysis, 简称HAZOP)。可操作性分析也称为安全操作研究，是以系统工程为基础的危险分析方法。该方法采用表格式分析形式，具有专家分析法的特性，主要适用于连续性生产系统的安全分析与评价，是一种启发性的、实用性的定性分析方法[2]。本文以安徽长江钢铁股份有限公司20 000 m3/h制氧机组中的透平膨胀机为例，采用HAZOP分析的方法识别透平膨胀机组运行过程潜在的事故原因，发现设计缺陷，提出安全对策措施，从而达到降低工艺系统的风险的目的[3]，提高透平膨胀机组工艺过程的安全性和可操作性。

1 透平膨胀机的工艺流程

安徽长江钢铁股份有限公司20 000 m3/h制氧机组由中国空分工程有限公司设计，由预冷系统、纯化系统、膨胀机系统、分馏塔系统以及配套储运系统组成。膨胀机系统的工艺流程为纯化系统出来的空气其中一股相对于膨胀量的空气引入增压风机中增压，然后被冷却水冷却至常温后进入主换热器，再从主换热器中抽出进入透平膨胀机中，膨胀后送入上塔参与精馏，其工艺流程见图1。

2 HAZOP分析流程

HAZOP 是指危险与可操作性研究或危险与可操作性分析，是一种用于辨识工艺缺陷、工艺过程危险及可操作性问题的定性分析方法[3]，由工艺、设备、电气仪表、操作人员等人员组成的HAZOP分析小组以会议讨论的形式，按照工艺流程系统地对工艺过程与操作进行分析。分析过程主要有划分节点、描述设计意图、确定偏差、识别偏差偏离的原因和后果、提出建议措施[4]。目前HAZOP 分析方法已成为国外广泛应用的化工装置工艺过程危险性分析方法[5]。

2.1 划分节点

HAZOP分析的节点通常以工艺单元或操作步骤来划分，连续的工艺操作分析节点为工艺单元，间歇的操作过程节点为操作步骤，本次分析以膨胀机作为单个节点分析。

2.2 描述设计意图

来自主换热器的空气在膨胀机增压端B401增压后，将动能转变为势能，进入主换热器换热冷却后进入膨胀端ET401绝热膨胀后去主塔参与精馏。

2.3 确定偏差

偏差由“引导词+工艺参数”组成，膨胀机系统可能导致危险的工艺参数和偏差如表1所示。

表1 工艺参数、偏差情况

2.4 分析过程

本次分析的对象为制氧机组的透平膨胀机，其节点功能为实现气体的降温，控制参数主要包括温度、压力、转速，其HAZOP 分析结果见表2所示。

表2 20 000 m3/h制氧机组透平膨胀机HAZOP分析

3 建议措施

针对HAZOP分析的结果，提高膨胀机的自动化水平是防范透平膨胀机发生安全事故主要安全措施，针对温度、压力、转速工艺控制参数提出以下控制要点。

3.1 轴承保护措施

在供油系统故障的情况下为避免轴承润滑效果不良造成轴承研磨，应设置以下安全措施：

(1)机组轴承设有温度监测报警和联锁，TIAS405A、TIAS406A温度高时报警，温度超过联锁值时关闭膨胀端入口紧急切断阀AV405A,停膨胀机，压缩端进口流量调节阀V404A全开。

(2)供油系统设置压力监测报警和联锁，轴承进油压力低时报警，低于联锁时关闭膨胀端入口紧急切断阀AV405A,停膨胀机；压缩端进口流量调节阀V404A全开。

3.2 防喘振措施

喘振是透平式压缩机在流量减少到一定程度时所产生的一种非正常工况下的振动[6]。防喘振的安全措施有：

(1)增压端出口设回流阀V404A，增压端入口压力低于设定值时打开V404A。

(2)增压端出口设置压力监测、报警及联锁，压力高于设定值时关闭紧急切断阀AV405A,停膨胀机。

3.3 转速保护措施

转速高可造成轴承温度升高，同时也会发生喘振，损坏膨胀机。限定转速是保护膨胀机安全运行的主要措施之一。膨胀机应设置转速监测、高低报警和联锁关闭膨胀端入口紧急切断阀AV405A,停膨胀机。

3.4 供油系统控制措施

供油系统工艺控制参数为油温和油压，供油系统出现故障也会对膨胀机组产生危害，严重时造成转子烧坏。

(1)油压控制：在设置备用泵的同时，重点监控供油压力，轴承进油压力高或低时报警，低于联锁时关闭膨胀端入口紧急切断阀AV405A,停膨胀机；同时为防止润滑油泵停泵互启情况出现，修改了岗位操作流程。

(2)油温控制：对供油油箱油温提出了控制措施，增加温度控制系统，温度低于设定值时自动启动电加热器，当温度高于设定值时，自动关闭电加热器。

为防止润滑油进入冷箱，对密封气的压力控制：设置密封气压力检测报警，压力低于设定值时报警，压力低于联锁值时停油泵，关闭紧急切断阀AV405A,停膨胀机。

4 结语

本文以安徽长江钢铁股份有限公司20 000 m3/h制氧机组透平膨胀机为例进行了 HAZOP 分析，展示了膨胀机轴承温度高、膨胀机密封气压力低、供油系统油压低、膨胀机转速高等偏差的分析结果并在轴承保护、转速保护、供油系统油压和温度控制等方面提出相应的安全对策措施。膨胀机是空分装置的关键设备，因此确保透平膨胀机的工艺安全是非常重要的。从此次分析结果来看，HAZOP 技术可用于透平膨胀机的工艺危害分析，能系统地辨识透平膨胀机存在的事故，有助于提高装置工艺安全水平。