基于HAZOP和LOPA法的污泥薄层干化工艺安全性分析

康启宇

（西安市长安基础建设有限责任公司，陕西 西安 710100）

0 引言

污泥热干化是目前工业界采用的主流污泥干化工艺，它可有效的实现污泥的减量化、无害化、稳定化，为污泥的后续处置乃至资源化利用创造重要前提。与此同时，污泥热干化工艺由于涉及高温、加热、干燥、造粒和储存等过程，且污泥本身的成分复杂，在干化过程中可能伴随有易燃有毒气体，因而污泥热干化工艺全过程也存在着一定的不安全因素。伴随着国家对污泥处置要求越来越严格，污泥薄层干化工艺作为诸多污泥间接式热干化工艺中的一种代表性工艺，近年来获得了广泛应用。从2012年至2020年，仅在国内上线的污泥薄层干化工艺线就多达70条，涉及石油化工、煤化工及市政环保等重要领域。因而对污泥薄层干化工艺的安全性分析就显得十分必要。

1 HAZOP与LOPA分析方法

1.1 HAZOP分析方法

危险与可操作性分析（Hazard and Operability Study）又称为HAZOP分析，是目前国内广泛应用的安全性分析评价方法。它通过设定关键参数的引导词，从设定关键工艺参数偏离出发，检查偏离可能导致的不利后果，分析导致偏离的原因，同时结合系统现有安全措施进行风险评估，对不可承受的风险提出相应的安全改进措施。

1.2 LOPA分析方法

保护层分析（Layer of Protection Analysis）又称为LOPA分析，它是以定性危害分析为基础的半定量风险评估方法。它选取工艺中存在的特定事故场景，并对事故场景进行风险分析，通过采取相应的保护措施来将风险等级降低。其核心思想可通过“洋葱”模型来概括，即每一层洋葱皮为一个独立保护层（IPL），所有洋葱皮共同起到对内核的保护作用，从而让保护对象遭受风险危害的可能性大大降低。LOPA分析中，未考虑安全措施的事件场景为未减轻事件，其风险为潜在风险。采取了独立保护措施的事件场景为减轻事件，其风险为剩余风险。保护层分析将每一个独立保护层的失效概率（Probability of Failure on Demand，PFD）进行量化，结合未减轻事件的潜在风险，在系统的独立保护层失效时，相应事故发生的概率大小，从而获知剩余风险及其等级，评估独立保护措施的效果以及是否增加新的保护措施，进而将事故发生的风险降至最低。LOPA分析的具体思路见图1［1］，LOPA分析的风险矩阵表见表1［2］，其中PFD的数据参考美国化学过程安全中心CCPS的数据［3］。

图1 LOPA分析的具体思路

表1 LOPA法风险矩阵

1.3 HAZOP和LOPA相结合的分析方法

HAZOP法的优点是可以有效地识别出系统中存在的潜在风险，但它对安全保护措施起到的风险降低程度及剩余风险大小却不能定量化的说明。LOPA作为一种半定量的风险评估方法，可以天然衔接HAZOP法，针对性地选取HAZOP辨识出的事故场景来作为LOPA法分析对象，有效评估现有保护措施的效果，定量化描述风险的大小及可接受度。与此同时，LOPA法实施起来省时省力，可以作为HAZOP法的有效丰富和补充。HAZOP和LOPA的具体衔接关系见图2［3］。

图2 HAZOP和LOPA的衔接关系

HAZOP结合LOPA的分析方法具体步骤为：①前期准备及资料收集；②工艺节点划分及节点描述；③HAZOP的具体实施；④HAZOP分析报告；⑤筛选特定事故场景进行LOPA分析；⑥LOPA的具体实施；⑦评估最终分析结果。

2 HAZOP结合LOPA法应用于污泥薄层干化工艺的安全分析

2.1 HAZOP分析

2.1.1 前期准备工作

前期工作主要是准备污泥薄层干化工艺的有关设计资料，具体包括：工艺流程说明、PFD、P&ID、自控说明书等。前期先建立一支分析小组，小组成员包括工艺工程师、仪表工程师、电气工程师及设备工程师等，指定分析小组的组长及记录员，通过会议方式来集体完成HAZOP分析的具体实施工作。

2.1.2 工艺主要节点划分

通过对污泥薄层干化工艺流程的具体分析，该工艺可划分为4个节点进行分析，分别为湿污泥储存及输送节点、污泥薄层干化节点、干污泥输送机储存节点、蒸发尾气处理节点。具体的污泥薄层干化工艺流程框图如下图3所示。污泥薄层干化工艺相应的节点描述如下表2所示。

表2 HAZOP分析节点划分

图3 污泥薄层干化工艺流程

2.1.3 具体实施

HAZOP具体实施时先设定关键参数的引导词，从设定关键工艺参数偏离出发，检查偏离可能导致的不利后果，并分析可能导致偏离的原因，同时结合系统现有安全措施进行风险评估，对不可承受的风险提出相应的安全改进措施。污泥薄层干化工艺的关键工艺参数有：温度、压力、流量、液位、电流、转速、氧含量等。引导词有：多/过多、少/过少、无/空白、伴随、部分、相反、异常、早、晚、先、后等。

2.1.4 HAZOP分析结果

HAZOP分析小组从设计偏差、生产运行偏差等方面进行设想，挖掘产生偏差的可能性原因，推测可能产生的后果，同时检查现有工艺是否有相应的应对保障措施。表3是节选的有代表性的污泥薄层干化工艺的HAZOP分析结果。

表3 污泥薄层干化工艺的HAZOP分析结果（节选）

2.2 LOPA分析

基于LOPA风险矩阵对HAZOP分析结果的初步判断可知，在未采取独立保护措施的情况下，HAZOP分析结果的14个偏差中13个属于低风险。属于中风险的有1个，即干化后的污泥在输送及暂存过程中，因冷却螺旋的冷却水失效，使干仓进泥温度过高以致干仓焖燃，其具体工艺流程见图4。为了更好的量化判断所采用的保护措施对该风险的减轻程度，遂引入LOPA法对该中风险事故场景进行独立分析，具体结果见表4。具体分析步骤如下：

表4 HAZOP和LOPA法联合分析报告

图4 干泥输送及暂存的工艺流程

1）确定初始事件、中间事件和后果事件并确定其发生概率。选择冷却螺旋的冷却水失效为初始事件，其概率为1×10-1。中间事件为进干仓的干泥温度过高，其概率为1。后果事件为干泥在干仓中焖燃，其概率为1×10-1。

2）确定未减轻事件及其发生概率。未减轻事件为初始事件发生且所有保护层失效的情况下后果事件发生。未减轻事件的概率为初始事件、中间事件及后果事件发生概率的乘积，即未减轻事件的发生概率为1×10-2。

3）独立保护层（IPL）的评估及其失效概率（PFD）。①干仓设置上、中、下3块在线温度检测仪表并联锁报警；②干仓顶部设置CO检测报警仪表并与氮气联锁。这两个均与初始事件无关联，可作为独立保护层。前者失效概率为1×10-2，后者失效概率为1×10-1。

4）考虑独立保护层时，减轻事件的剩余风险及等级。剩余风险为未减轻事件的概率与独立保护层失效概率的乘积。由此可知，剩余风险为1×10-5，相应的风险等级为L。

5）确定剩余风险是否可接受及是否要增加措施。经以上量化分析可知，剩余风险已降为低风险，风险接受度为可接受，无需再增加其他安全保护措施。

3 结论

1）本文将HAZOP法和LOPA法相结合并运用于污泥薄层干化工艺的安全性分析中，HAZOP法可有效识别系统中存在的潜在风险。LOPA法可以天然衔接HAZOP法，定量化描述风险大小，有效评估现有保护措施的效果和剩余风险的可接受度，是HAZOP法的有效丰富和补充。HAZOP法和LOPA法实现了功能上的互补，两者相结合有助于获得更清晰可靠的安全分析结果。

2）本文对HAZOP分析出的较为严重的事故场景进行LOPA法定量分析，可知对冷却螺旋的冷却水失效导致的干仓进泥温度过高，进而导致干仓焖燃的风险，其采取的独立保护层保护措施充分有效，可将风险降至可接受范围内，无需再增加其他保护措施。通过HAZOP结合LOPA法的综合分析可知，污泥薄层干化工艺是一套安全性很高的污泥处理工艺。