浅谈化工设计与安全评价对化工安全生产的重要影响

＊蔡建华

（云南曲靖麒麟煤化工有限公司 云南 655003）

1.前言

本文将结合自身的化工安全管理经验，一方面从设计角度分析如何提高化工生产的安全性，另一方面，将结合项目实例分析危险与可操作性（Hazard and Operability，HAZOP）与保护层分析（LOPA）安全评价分析方法的应用。

2.基于化工设计的化工安全生产保障

(1)原材料的安全性把控

原材料是化工生产的基础，通常为了确保工艺按照需求执行，应当使原材料可以完全反应，这就涉及到大量的化学反应。在化学反应过程中，难免会存在部分反应物在外部环境的影响下出现形态改变，并产生较大危害性。所以在安全生产过程中，必须对所有物料的潜在危险进行提前规划，这样才能确保工艺能够稳定、安全的运行。对原材料可能产生的危险需要提前做好安全防护措施。

(2)工艺设计的安全性把控

工艺设计是化工生产的灵魂，也是决定化工生产安全性的关键性因素。一些企业在进行化工工艺设计时，一味追求产量、品质的提升，忽略了安全性的考量，最终酿成恶果。工艺设计不仅仅是一门高度科学化、规范化的工作，同时也应当被作为提高化工生产安全性的屏障。在进行化工工艺设计时，需要结合大量试验数据对未考虑到的安全因素进行分析，提高工艺流程的安全性、可靠性，避免为后续化工生产埋下隐患。

(3)反应设备的安全性把控

化学反应是化工设备的核心，只有确保化学反应顺利进行，才能有效提高原材料转化率，同时才能保证化学反应的安全性。化学反应能否顺利进行，很大程度上取决于反应设备是否处于正常工作状态。设备因素所产生的安全事故时有发生，当设备出现老化、损坏等情况时，设备性能、温度等难以保持健康水平，这都是安全生产必须考虑到的因素。废物的排放清理、反应设备的定期检查等都是必备的日常管理工作，只有确保反应设备始终在正常状态工作，才能确保化学反应的正常发生。

3.基于安全评价的化工安全生产保障

绝大多数安全事故都可以在可靠的安全评价下被避免，这是因为化工设计只能确保从原理上不发生安全事故，但是实际化工生产与理论分析相差甚远，这一情况下化工安全评价的作用则显得至关重要。本节将结合工程案例对两种先进的安全评价技术进行分析。

(1)两种安全评价工具的基本原理

HAZOP安全评价方法的基本观点是首先找出各分析节点及单元中的状态参数，然后建立一系列的引导词，通过引导词和状态参数的结合来建立偏差，设想消除保护装置的情况下分析产生偏差的所有可能原因和造成的后果，采取相应的措施以削减风险，使其降低到可接受的程度。HAZOP分析方法的应用范围比较广泛，无论是新建装置还是在役的装置都可以使用该方法进行分析评价。新建装置进行HAZOP分析的时间节点一般选在设计方案确定之后，因为此时已经绘制出PID图，可以用来划分单元和节点，便于分析团队使用模板快速分析，而且这个阶段的设计也比较容易修改；没有进行安全评价的在役装置大多存在于老企业，一般也是运行时间较长的装置。随着设备的折旧、日常的技术改造等工作，其风险是呈上升趋势的，因此在安全环保日益受到重视的今天，有必要也必须对在役的老装置进行HAZOP分析。

保护层分析（LOPA）是一种过程危险性的半定量方法。它用于解决HAZOP分析过程中遇到的问题。例如：列举的安全措施是否足够；提出的措施是否会影响其它保护措施的执行效果；计算后果发生的概率并推算需要的保护措施的等级；定量的计算每项措施能够降低的风险值。LOPA分析是针对HAZOP分析过程中提出的风险控制措施和建议中除了SIS控制措施以外的措施进行的整体安全评价。是介于定量和半定量分析之间的一种分析工具。LOPA分析先假想一个事故场景，辨识其触发事件和后果事件，根据每个事件发生的频率计算潜在事故的发生频率并根据风险标准确定风险等级。然后识别独立保护层并参照一定的风险容许准则计算失效概率，根据残余风险提出控制措施，再次进行计算，直至风险等级达到可接受范围内。

将HAZOP分析与LOPA分析相结合，在重大化工事故场景利用HAZOP难以准确评价的基础上，采用LOPA分析法加以补充和完善，已经被论证是一种切实有效的安全评价工具。下面将结合实例进行讨论。

(2)加氢改质装置的安全评价——以A石化公司为例

①加氢改质装置进行HAZOP分析的必要性

加氢改质是一项典型的化工工艺，加氢改质装置的事故发生率极高，引起了社会的广泛关注。常见的加氢改质装置事故包括管线爆炸、分离器憋爆、高压油泵房氢气爆炸、炉膛起火、硫化氢中毒等。不同类型事故的后果都是很严重的，每一次事故都是血的教训。因此，从危险方面考虑，加氢装置有必要进行HAZOP分析。A石化公司从2005年至2020年柴油加氢改质装置共发生事故事件248起，其中未遂事件所占比例为18.95%，由于开停工、产品质量等因素在未遂事件中所占比例较小，如果忽略它们，那么在日常生产过程中大约有近20%的事件是很有可能发生的。另外如果把仪表故障、设备故障、操作失误这三个因素归结为可操作性方面的问题，则它们在未遂事件中所占的比例高达89.34%。

已发生的事件大多是事后采取补救措施，未免有些亡羊补牢，而且事件通报有时倾向于形式化，真正的原因及后果分析很少；而未遂事件由于没有发生，就更少拿到台面上来大家共同研究其未遂的真正原因，需要采取的技术措施及控制手段，在今后的生产中这些未遂事件发生的几率还是比较大的。例如：自2005年开始装置循环氢压缩机运行已经开始偏离正常工况，偶尔会轻微喘振，分析原因为部分部件年久失修，车间采取加强监护、采用自制的石墨垫嵌入易断裂部位如调速汽门连杆等方法维护压缩机运行，并对重点部件准备备件。由于循环氢压缩机没有备机，且是加氢装置的心脏部位，停机检修乃至更换都需要很长时间，会造成较大的损失，所以直至2008年大修都没有采取其它措施，2009年喘振现象逐渐明显，而且愈演愈烈，6月13日发生调速汽门连杆中断导致装置停车事件；还有，装置曾经发生过冬季由于放空线带液造成气阻导致管线掉架的事故，但目前部分设备与放空线仍仅以管线相连，很有可能再次发生类似事故。类似事件还有很多，如果能够真正的运用HAZOP方法，组织多个部门人员提前对可能发生的事故事件进行细致的分析，及时改进防护措施，大部分的事故是应该可以避免的。大事故往往都是由小事件逐渐积累而发生的，因此，笔者认为，从可操作性方面分析，装置更有必要进行HAZOP分析。

②加氢改质装置HAZOP分析

首先，构建HAZOP分析评估小组。HAZOP小组由A石化公司有关人员及专家共同组成。本次A石化公司加氢改质装置安全评价采用的是HAZOP分析方法。在HAZOP分析过程中，应用PHA-PRO记录软件如实的记录分析全过程。根据加氢改质装置特点，进行节点划分，按照节点编号、节点名称以及对应图纸号编制节点信息表。例如节点编号为节点01，节点名称为原料油经原料油过滤器至出口管线，对应图纸号为L8101-8-11；节点编号为节点02，节点名称为原料油分水罐、原料油缓冲罐、原料油进料泵部分，对应图纸号为L8101-8-12。对加氢改质装置HAZOP分析结果进行汇总，示例如表1所示。

表1 氢改质装置HAZOP分析结果汇总表（截取部分）

上述针对原料油缓冲罐液位过高为例进行了HAZOP分析，以原料油泵故障和进料控制回路故障两个原因事件为例，本装置基本上每个生产周期会出现一次，因此可能性定为4级，而超压爆炸、催化剂结焦的后果严重度根据财产损失和对人的危害定义为5级，这样一来，根据公司风险矩阵定义出风险等级为Ⅳ级，必须制定专门的方案以削减风险。因此提出如下建议：A.增加原料油泵出口流量低低联锁；B.增加FV2102阀位回讯系统。另外，在其它低等级风险中，由于泵出口流量突然增大，曾经发生过几次塔液位超高，柴油水冷器泄漏事件，若事先进行HAZOP分析，提出增加阀位回讯系统的建议，则此类事件是应该可以避免发生的。

③加氢改质装置LOPA分析

在进行针对加氢改质装置LOPA分析前，同样需要先构建评估小组。本次LOPA分析工作过程中所采用的风险准则内容是LOPA分析工作中常用的初始事件发生频率表、常见独立保护层失效频率表、LOPA风险标准（安全部分、环境部分、财产损失部分）。

假想事故情景描述：原料油泵P-1故障，导致泵出口高压原料油窜入低压缓冲罐D-6，造成缓冲罐超压破裂，原料油泄漏至外部环境，发生着火爆炸，引起人员伤亡。对于该假想事故情形来说，在现有的保护措施中没有找到能对该事故情形起作用的独立保护层。

在现有独立保护层的情况下导致假想事故后果的频率=初始事件频率×条件事件频率=1.0×10-1×1.0×0.5× 0.5×1.0=2.5×10-2。

新增独立保护层后导致假想事故后果的频率=在现有独立保护层的情况下导致假想事故后果的频率×新增独立保护层的失效频率=2.5×10-2×1.0×10-3=2.5×10-5。具体分析结果见表2。

表2 LOPA分析结果汇总表

说明：由LOPA风险标准可以对应得出相应的安全、环境、财产三种情况下的标准风险数值。

失效频率=标准风险频率/在现有独立保护层的情况下导致假想事故后果的频率。

当前风险倍数与残余风险倍数的数值均表示当前风险是标准风险的多少倍，大于1表示风险过高，小于1表示风险可以接受。

当前风险倍数=在现有独立保护层的情况下导致假想事故后果的频率/标准风险频率。

残余风险倍数=新增独立保护层后导致假想事故后果的频率/标准风险频率。

由表2可以看出，在现有独立保护层下发生事故的风险非常大，因此，建议保护层应为多重传感器和处理器，依据“常见独立保护层失效频率表”可以看出，其是一个SIL2级的独立保护层，1×10-3≤失效频率＜1×10-2，增加后计算其残余风险倍数达到可以接受程度。

针对HAZOP分析中三级以上的高风险，共讨论事故场景25项，并对每项事故场景下的初始风险进行了详细的分析，共提出建议措施21条，包括13条增设安全仪表连锁系统（SIS）的建议，并确定了SIL等级。

(3)安全评价总结

根据A石化公司的实际运行情况来看，装置正常生产过程中由于仪表故障、设备故障和操作失误这三种因素导致的事故事件占绝大多数，比例为76.29%，而HAZOP和LOPA的客观分析结果也恰恰说明了这三种因素是导致事故事件发生的主要原因，说明本次HAZOP和LOPA分析是贴近生产实际的。

4.总结

随着我国经济的快速增长，化工行业也经历着前所未有的发展。除了考量化工所带来的经济效益外，还应当充分关注化工安全生产问题。为了确保化工生产过程的安全性，必须从化工设计的各维度加强安全性的分析，从源头降低化工安全事故的发生概率。此外，应当高度重视安全评价在化工安全生产中的应用，积极采用先进的安全评价分析方法对潜在风险进行定性与定量的评价。本文总结了结合HAZOP和LOPA的安全评价分析框架，HAZOP分析是基础，LOPA分析是强化，二者结合可以实现由危害识别与风险评价到方案制定、资金保障、项目实施的闭环管理，为化工生产的安、稳、长、满、优运行奠定基础。