HAZOP-LOPA分析方法在储罐风险评估中的应用

刘阳昊,周六顺,高艳霞,葛春涛,管振强

(1.中石化安全工程研究院有限公司，山东青岛 266104 2.中石化巴陵石油化工有限责任公司，湖南岳阳 414014)

0 前言

石化企业的快速发展，在带来技术提升和产能增长的同时，也增大了事故发生的风险，对人类安全和健康造成了威胁。尤其是储运罐区，一旦发生事故，带来的往往是无法弥补的损害。例如，2010年大连某油库输油管线爆裂泄漏，引燃103号罐体起火，由于工艺操作不当，造成爆炸事故，严重污染了内海环境[1]；2018年美国休斯顿某化工企业，由于储罐压力异常引起化学品储罐爆炸，造成人员伤亡[2]。近年来，储罐安全事故频发，很多事故的发生是由于缺乏对化工工艺和装置进行有效、精确的风险分析造成的，系统设计、实施和操作过程中任何一个小的失误都有可能带来严重的甚至是灾难性的后果。因此，在设计和运行阶段对企业工艺和装置进行合理有效的风险辨识、分析至关重要。

危险与可操作性分析(Hazard and Operability Analysis, HAZOP)是一种用于辨识工艺设计缺陷、工艺过程危险及操作性问题的定性分析方法[3]。HAZOP分析作为结构化的危险分析工具，通过分析生产过程中装置及工艺流程状态参数的异常变动，操作中可能出现的偏差，以及这些变动和偏差对系统安全运行的影响，找出原因、分析后果，并提出针对性的建议措施的一种方法。相关研究表明，国内外众多石油炼化企业及设计施工单位已使用HAZOP分析方法开展风险辨识及分析工作，对于企业识别潜在的风险，减少事故的发生具有重要意义。如，Da Costa，等[4]采用HAZOP分析方法，对印度尼西亚巴里卡某炼油厂C5-01反应器的安全完整性水平进行了计算，评估了每个组件的安全完整性等级(SIL)，确定温度为最不稳定的工艺参数；孙先长，等[5]应用HAZOP分析方法识别了某成品油库在役码头、储罐区、油气回收装置中潜在的设计缺陷，提出了削减风险的措施；陈明磊，等[6]对RDX硝化反应及氧化结晶工序运行中可能出现的偏差及导致的后果进行了分析，同时认为HAZOP技术在保障化工生产装置安全运行方面具有独特优势。然而，李娜，等[7]认为，在HAZOP分析的基础上，引入LOPA分析技术，可以解决HAZOP分析过程中存在的安全措施导致的风险降低和残余风险不能定量化等问题。LOPA分析方法通常应用在HAZOP分析方法定性分析之后，使用初始事件频率、后果严重程度和独立保护层(IPLS)失效频率的数量级大小来近似表征场景的风险，其作为半定量分析方法能够有效弥补HAZOP分析环节的弊端[8,9]。目前，基于HAZOP和LOPA联合分析方法对工艺过程进行定性及半定量分析的案例鲜有报道。

以某一设计阶段的1×104m3航煤储罐为分析对象，创新性地将HAZOP和LOPA联合分析方法运用于储罐工艺安全风险的评价，辨识储罐是否存在设计缺陷，储运过程中是否存在安全隐患，为企业提出合理的控制或整改措施，进而减小事故危害发生的可能性。

1 方法简介

HAZOP分析方法是将化学工业生产环节的各个工序拆分，通过会议讨论的形式，分析当前阶段在生产环节存在的主要安全风险隐患[10,11]，能够为当前阶段所有安全生产风险进行定性，并且可以对单一危险源进行风险预测，评估风险来源对应的损失后果，进而显著提升化工企业在危化品加工处理上的安全操作系数。LOPA分析方法一般应用在定性风险分析(HAZOP、PHA)之后，进一步评估保护层的有效性，并进行决策分析的系统方法，其主要目的是确定保护层是否具有足够的能力使风险降为可接受的等级。

在风险分析中，用HAZOP和LOPA联合分析方法可以减小仅采用定性分析方法带来的误差。通过HAZOP进行定性分析之后，针对初始风险等级较高的场景利用LOPA分析方法，依据风险可接受准则(ALARP准则)，对事故风险进行评估。ALARP准则推荐在合理可行的情况下，把风险降低到“尽可能低”。如果风险处于高风险及以上，则风险是不可接受的，应采取措施把它降低到可接受风险；在可接受的低风险水平，不需要进一步降低风险，但有必要保持警惕以确保风险维持在这一水平；如果风险水平处于高风险，可考虑降低风险的成本和利益，采取措施使风险水平“尽可能低”[12,13]。

从石化行业安全风险矩阵图[14]可以看出HAZOP和LOPA联合分析方法的信息关系。HAZOP分析方法得到的偏差可作为LOPA分析的事故场景，并经过筛选得到重大危险场景，是LOPA分析的基础信息；HAZOP分析得到的严重后果及严重程度，为LOPA分析影响事件及事件严重程度提供重要信息；HAZOP分析方法总结出的现存的安全措施，可经筛选作为LOPA分析的独立保护层，并为PFD提供直接信息；HAZOP分析方法提出的建议措施，是LOPA分析保护层设计的备选方案。因此，LOPA分析方法是HAZOP分析方法的补充，可以使HAZOP分析方法更精确和完善。HAZOP信息与LOPA信息关系图如图1所示。

2 应用案例

2.1 储罐工艺简介

某化工企业拟新建一台1×104m3的航煤储罐及配套工艺，为了实现本质安全，合理设计储罐安全设施及联锁控制，拟对该新建油品储罐开展HAZOP分析，在设计阶段提出安全控制措施设计建议。该储罐储存介质为航空煤油，储罐操作条件为常压、40 ℃，介质密度为776 kg·m-3，闪点为43～72 ℃，主要工艺流程有：进罐流程、装车流程、倒罐流程，储罐工艺设置及流程见图2。

2.2 HAZOP方法的应用

将航煤储罐整体作为1个节点来进行分析，选取了“液位”、“压力”、“组分异常”及“泄漏”作为引导词，共分析了13个偏差。由HAZOP分析结果可以得出，航煤储罐设计阶段主要有以下几个危险点及问题：

a) 航煤储罐液位过低，导致储罐被抽空，浮盘落底，如遇点火源易发生火灾，严重时造成人员伤亡；还可能导致航煤装车泵抽空气蚀，装车泵密封损坏，物料泄漏，如遇点火源易发生火灾。

图1 HAZOP信息与LOPA信息的关系[15]

图2 航煤储罐设施组成及工艺流程示意

b) 氮气压力控制回路旁路未设限流孔板，当压力控制阀门故障时不能及时补氮，导致储罐压力过高，超压泄漏情况的发生。

c) 储罐压力过高时通过呼吸阀直排大气，导致环境污染。

具体改进建议措施如下：

a) 航煤储罐应设置液位低低联锁停抽出泵，及时关闭储罐出料阀门，防止储罐液位过低。补氮压力控制回路副线应增设限流孔板，补氮管线入罐管嘴处增设手阀与止回阀，便于检维修及防治氮气污染。

b) 建议航煤储罐废气收集输送至附近VOC处理设施，或者使用新型浮盘保证VOC排放达标，保护环境。

c) 对于氮封密闭储罐尽量减少现场检尺、测温、采样等工作，若必须进行相关操作，应完善操作规程并采取有效防护措施。

2.3 HAZOP和LOPA联合分析方法的应用

HAZOP分析得到了储罐存在的风险，但无法获得风险是否处于可接受水平，若风险等级超出可接受水平，则需要添加相应的防护措施，这时需要采用LOPA分析方法对分析过程进行完善。基于中国石化PHAMS分析系统，以该储罐液位过高这一偏差为例，HAZOP和LOPA联合分析方法的分析过程为：

a) 根据HAZOP分析结果可知，造成储罐发生火灾的主要原因是储罐液位过高，造成物料冒罐，煤油泄漏至环境中，遇点火源发生火灾。以该原因作为初始事件，根据化工过程安全中心(CCPS)数据，条件概率即点火概率取0.1。

b) 独立保护层储罐液位高高联锁(BPCS)：液位高高报警开关与高精度雷达液位计、伺服液位计组成2oo3联锁逻辑，当液位高高时，联锁关罐入口根部连锁阀，避免油罐跑、冒油事件的发生。经过对该保护层有效性、独立性和可审查性的考查，可作为独立保护层。可燃气体报警仪可作为爆炸抑制系统类保护层。

c) 根据化工过程安全中心(CCPS)的PFD数据，初始事件液位指示计故障发生的概率为0.01，修正因子即点火概率为0.1，因此，为减轻事件发生的概率到0.001，联锁(BPCS)的PFD通常为0.05，可燃气体报警仪为0.1，所以，由场景后果频率计算公式可计算出，初始事件“液位指示计故障”减轻后的后果发生概率为5×10-6。

d) 分析完成后生成航煤储罐HAZOP及LOPA联合分析报告，部分分析结果见表1。由表1可以看出，初始场景“液位指示计”故障导致储罐液位过高，物料冒罐，遇点火源发生火灾，造成人员伤亡和财产损失。根据风险矩阵[14]，这一场景未减轻事件的初始风险等级中对人员伤害(S，Safety)为D4，财产损失(A，Assets)为E4，分别为一般风险和较大风险。在已有保护措施中，联锁和可燃气体报警仪可作为保护层，降低后风险等级在可接受范围内，说明已有保护措施起到了降低风险的作用。如果系统无保护措施，或添加保护措施后风险仍不可接受，如表1中“液位过低”中“泄漏”这一偏差分析结果，则应添加安全措施，将风险降为可接受水平。

表1 航煤储罐HAZOP和LOPA风险联合分析报告1(部分结果)

表1 航煤储罐HAZOP和LOPA风险联合分析报告2(部分结果)

可见，HAZOP-LOPA联合分析方法可以定量和完善HAZOP分析的内容，使分析结果更精确可靠。

3 结论

a) 将航煤储罐这一风险较高的化工装置作为分析对象，通过HAZOP分析发现储罐具有液位过低、压力过高、储罐进出料管线管嘴连接处泄漏等风险隐患。继而，通过LOPA分析方法对其进行定量风险评估，结果发现初始等级为Ⅳ级的风险隐患降为Ⅱ级，初始等级为Ⅴ级的风险隐患降为Ⅲ级。在提出相应的建议措施后，该航煤储罐设计阶段的初始风险均降为可接受风险等级，有助于企业优先整改高风险的隐患。

b) HAZOP和LOPA联合分析方法的使用，可最大程度的发挥两个方法的优势。LOPA分析方法需要建立在HAZOP定性分析的基础上，HAZOP分析方法为LOPA分析方法筛选出分析场景，LOPA分析方法作为半定量的风险分析方法，可以为HAZOP分析的结果进行完善，减小分析结果的误差，达到了技术上的突破。两者结合的方法可以直接弥补HAZOP方法的量化缺陷，在设计和生产阶段全面消除或降低安全隐患，便于为化工企业提供更准确的安全生产决策。随着国内外对石化企业安全生产监管要求的不断提高，HAZOP和LOPA联合分析方法的应用领域将会持续拓展。