HAZOP分析方法在天然氣接收站的應(yīng)用

張東升

(江蘇中核華緯工程設(shè)計研究有限公司，南京 210019)

液化天然氣(LNG)是清潔、高效的新能源，原氣田的天然氣需要經(jīng)過脫水、脫烴及脫酸等凈化處理，常壓下制冷降溫至-162℃左右液化儲存，使其體積縮小了近600倍，便于船舶和槽車長途運輸。隨著我國廣東珠海地區(qū)液化氣有限公司LNG接收站一期工程的投產(chǎn)運行，又在我國東南沿海地區(qū)建成了多個LNG接收站。為了保證LNG接收站裝置的安全運行，常采用一些安全評估方法，來確認LNG接收站現(xiàn)有的安全措施，評價其安全完整性等級(SIL)和安全儀表功能(SIF)，以避免危險狀態(tài)或減輕危險發(fā)生后的后果。

危險與可操作性(Hazard and Operability Studies，HAZOP)分析是一種被國際工業(yè)界廣泛采用的工藝危險與可操作分析方法，在工藝系統(tǒng)生命周期的不同階段(如研發(fā)、設(shè)計和運行(或改造)階段)均可進行HAZOP分析，而運行階段處于工藝系統(tǒng)生命周期中最漫長的階段。為此，江蘇中核華緯工程設(shè)計研究有限公司以廣東珠海某液化氣有限公司LNG接收站一期工程的優(yōu)化過程為背景，采用HAZOP分析方法對其生產(chǎn)運行過程和設(shè)計的優(yōu)化變更部分進行安全評估。

1 HAZOP分析方法①

HAZOP分析方法起源于20世紀60年代，在歐美發(fā)達國家得到長足的發(fā)展和改進，許多國家甚至已通過立法手段強制將其在工程項目中進行推廣應(yīng)用。HAZOP分析方法從提出到至今，經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：人工HAZOP階段、計算機輔助HAZOP階段和定量HAZOP階段，其中人工HAZOP加輔助半定量分析是最為成熟并被廣泛認可的方法，而計算機輔助HAZOP分析方法和定量HAZOP分析方法尚不成熟，仍需改進。

HAZOP是一種系統(tǒng)的、結(jié)構(gòu)性的分析方法，用于識別裝置系統(tǒng)中(研發(fā)、設(shè)計和操作運行維護程序中)的危害和防范措施，提出防護措施和建議，以提高裝置的安全性和可操作性。HAZOP分析方法包括危險分析和可操作性分析兩個方面，前者是為安全的目的；后者則側(cè)重于工藝系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)正常操作，是否便于開展維護和維修，甚至是否導致產(chǎn)品質(zhì)量問題或影響收率。HAZOP分析方法適用于LNG接收站裝置運行生命周期的各個階段：初步設(shè)計、詳細設(shè)計之后、試車后/運行前、運行中及工藝變更后等。HAZOP分析方法從生產(chǎn)系統(tǒng)中的工藝狀態(tài)參數(shù)出發(fā)，運用啟發(fā)性的引導詞來研究工藝狀態(tài)參數(shù)的變動，從而進行危險的辨識，在此基礎(chǔ)上分析危險可能導致的后果并給出相應(yīng)的防護建議措施。

1.1 偏差定義

偏差指偏離所期望的設(shè)計意圖，它由引導詞+工藝參數(shù)組成，引導詞(表1)一般用來限定和量化意圖，并聯(lián)合工藝參數(shù)來得到偏差。

表1 引導詞及其含義對照

(續(xù)表1)

工藝參數(shù)通常為溫度、壓力、液位、流量和成分，也包括時間、次數(shù)、長度、異常及反向等，因而工藝參數(shù)都有各自的安全操作范圍，如果超出該范圍都視為偏離了設(shè)計意圖，其偏差詳見表2。

1.2 節(jié)點設(shè)計

為方便HAZOP分析方法的進行，通常將復(fù)雜的工藝系統(tǒng)分解為若干個子系統(tǒng)，將每個子系統(tǒng)稱為一個節(jié)點，節(jié)點可能是子系統(tǒng)或重要的核心設(shè)備。節(jié)點劃分原則是：依據(jù)P&ID圖的工藝流程順序，設(shè)計意圖在下一個節(jié)點發(fā)生改變，工藝條件發(fā)生重大變化，以及重要的核心設(shè)備等。總之，依據(jù)HAZOP分析小組的水平，節(jié)點劃分不宜過大，也不宜過小。

表2 參數(shù)偏差統(tǒng)計

注：√表示有實際意義的偏差。

LNG接收站的主要功能是接收遠洋專用船運來LNG時，進行船運到岸的LNG卸船、LNG儲存、LNG升壓和汽化、蒸發(fā)氣處理、LNG槽車灌裝、天然氣(NG)計量和輸送。輸出的產(chǎn)品主要為汽化后的NG，以及通過槽車直接灌裝的LNG，NG通過管網(wǎng)送至燃氣電廠或城市用戶，LNG通過槽車送到各個LNG分站。

針對如圖1所示的LNG接收站流程，為便于HAZOP分析，根據(jù)HAZOP分析方法的節(jié)點原則，將其劃分為6個節(jié)點：

圖1 LNG接收站工藝流程簡圖

a. LNG從運輸船經(jīng)卸載臂和卸載管線輸送到LNG儲罐；

b. LNG儲罐；

c. 低壓輸送泵-再冷凝器-高壓輸送泵入口、LNG循環(huán)管線；

d. LNG槽車裝車系統(tǒng)；

e. 高壓輸送泵、汽化器、計量站以及外輸管線；

f. 回船蒸發(fā)系統(tǒng)(BOG)、蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)(BOG)和火炬系統(tǒng)。

如果有必要，分析工作安排的時間較為充裕，還可以增加第七個節(jié)點——汽化器用的海水給排水系統(tǒng)，這里省略，按6個節(jié)點進行分析。其節(jié)點對應(yīng)的常見偏差見表3。

表3 常見節(jié)點和對應(yīng)的偏差

注：√表示該節(jié)點可以考慮的偏差。

1.3 基本假設(shè)

在進行HAZOP分析時，基于下列假設(shè)：

a. 單一偏差。在分析某一原因和后果時，要假設(shè)其他工藝參數(shù)正常，以避免兩個或兩個以上的偏差同時存在。

b. 保護層失效。在風險分析時，一般要進行固有風險分析和殘余風險分析，在進行固有風險分析時，假設(shè)與該事件相關(guān)的保護層全部失效，依據(jù)最大的可能和最嚴重的后果來確定風險和安全度等級(SIL)，然后通過保護層分析確定殘余風險，確定殘余風險是否能接受，進而確定是否需要進一步提出相關(guān)安全措施的建議。

c. 設(shè)備機械完整性良好。除了分析節(jié)點破裂及泄漏等失效情況之外，在分析工藝偏差時，都是基于非直接相關(guān)一般設(shè)備、儀表和管道完整性良好的假設(shè)。HAZOP分析方法主要是針對工藝系統(tǒng)的風險評估，并非分析與識別一般的設(shè)備風險。

1.4 分析步驟

進行HAZOP分析的準備工作如下：

a. 明確分析的目的、對象、范圍和時間安排；

b. 設(shè)立分析小組，包括組長、秘書、工藝工程師、自控(儀表)工程師、安全工程師和操作工程師；

c. 需要準備的資料，包括P&ID圖、PFD圖、工藝說明書、物料平衡表、管道等級表、危險區(qū)域劃分圖、主要設(shè)備數(shù)據(jù)表、因果圖、聯(lián)鎖邏輯圖及操作規(guī)程等；

d. HAZOP分析小組在與業(yè)主的溝通中，依據(jù)風險理論和企業(yè)承受風險的能力確定風險矩陣。

本次HAZOP分析采用的風險矩陣見表4。

表4 HAZOP分析的風險矩陣

評估風險等級是HAZOP分析的重要環(huán)節(jié)。HAZOP分析方法是一種基于事故劇情的工藝危險評估技術(shù)，通過確定工藝系統(tǒng)可能發(fā)生的有意義的偏差，反向追溯導致偏差的特定出事條件(原因)，正向推理偏差可能導致的后果，并評估其在健康、環(huán)境、財產(chǎn)及聲譽等方面的后果嚴重程度，將事件后果進行分類、量化、分級，包括考慮已有措施降低事故風險的作用，必要時按照最低合理可行原則提出建議措施以進一步降低事故風險。

如果認為已有的安全措施已經(jīng)可以把風險降低至可接受程度，那么此危險劇情的分析到此結(jié)束；如果分析團隊認為現(xiàn)有的安全措施不能使風險降低到可以被接受的程度，那么分析團隊要提出一個或若干個建議安全措施，這種判斷很大程度上要依靠HAZOP分析團隊的經(jīng)驗、知識和能力，并且最終要取得一致的意見。

在劃分好節(jié)點并確定偏差的基礎(chǔ)上，要逐點進行HAZOP分析，其工作流程如圖2所示。

具體步驟如下：

a. 確定偏差。需選取在節(jié)點內(nèi)有意義的偏差。

b. 原因分析。分析產(chǎn)生偏差的原因，一般從本節(jié)點或臨近節(jié)點的涉及控制失效、工藝介質(zhì)中斷、堵塞、閥門誤開或誤關(guān)及泄漏等方面考慮。

c. 后果分析。在分析后果時，一般假定保護措施全部失效時系統(tǒng)所遭受到的后果，主要表現(xiàn)在人身傷害、環(huán)境破壞、裝置損壞及停產(chǎn)損失等。

圖2 HAZOP分析工作流程

d. 風險分析?？紤]事故發(fā)生的可能性和嚴重程度，再根據(jù)風險矩陣確定風險等級。

e. 保護措施分析。保護措施包括防止偏差發(fā)生和減輕事故后果損失，主要包括儀表指示、控制、報警、冗余系統(tǒng)、泄壓系統(tǒng)及緊急停車系統(tǒng)等。

f. 建議。當分析小組認為現(xiàn)有的保護措施不足以把可能的風險降低到可接受的程度時，需要提出建議，增設(shè)新的保護措施，以降低裝置的風險并增強其可操作性。

g. 生成HAZOP分析報告。在HAZOP分析會議中，秘書以報表的形式記錄所有的結(jié)論，當所有節(jié)點的分析工作完成后，小組對整個HAZOP分析進行總結(jié)、討論和必要的修改，在此基礎(chǔ)上整理出一份完整的HAZOP分析報告。

2 采用HAZOP分析方法對LNG接收站進行風險評估

LNG接收站生產(chǎn)過程由于涉及到低溫、高壓、易燃及易爆等危險因素，可能發(fā)生因重要的設(shè)備、管線、閥門泄漏或破裂而引起的火災(zāi)及爆炸等危險事故。為此，必須先對其工藝系統(tǒng)進行危險源辨識，確定SIL和防范措施，以指導LNG接收站的工程設(shè)計和生產(chǎn)過程，保障接收站工程的順利實施和安全運行。此處采用HAZOP分析辨識工藝危險源、分析后果并提出相應(yīng)的對策。

根據(jù)圖1，LNG接收站的主要工藝設(shè)備有：LNG卸載臂、LNG儲罐、LNG高/低壓泵、BOG壓縮機、再冷凝器、海水汽化器和火炬。依據(jù)HAZOP分析流程以及節(jié)點劃分和偏差確定，以節(jié)點2(LNG儲罐)為例進行分析，相應(yīng)的分析結(jié)果和改進建議見表5。

表5 節(jié)點2(LNG儲罐)分析結(jié)果和改進建議

(續(xù)表5)

表5僅對一個節(jié)點進行了分析，根據(jù)風險矩陣，確定其SIL為3級，給出了9條建議，通過對整個LNG接收站的6個節(jié)點的分析，總共給出了三十多條建議，有些建議的實施只需要很簡單的措施，而有些需要工藝和自控專業(yè)進行優(yōu)化設(shè)計。

通過對LNG接收站的HAZOP分析最終解決了設(shè)計疏漏并完善了運行操作規(guī)程；采用HAZOP分析報告提出的建議改進措施，都會分配給最適合采取行動的一方，并通過跟蹤落實來監(jiān)督執(zhí)行情況，關(guān)閉所有的HAZOP分析方法和審查安全建議，并最終提交HAZOP關(guān)閉報告，真正地將安全落實到位；HAZOP分析方法與設(shè)計圖紙相結(jié)合，對整個工藝系統(tǒng)、安全控制方案、操作狀況和安全方面進行了定性和部分定量分析，如比較投資產(chǎn)生的安全效益可接受程度，具有很強的針對性和可靠性，避免了通用規(guī)范沒有涉及預(yù)測及后果分析等缺陷。

3 結(jié)束語

采用HAZOP分析方法探明了LNG接收站設(shè)計和運行在安全與操作性方面可能存在的技術(shù)缺陷，進一步明確了現(xiàn)有LNG接收站的SIL，以及ESD和FGS的運行狀況和所設(shè)計的保護層功能的作用，根據(jù)評價結(jié)果和分析現(xiàn)有防范措施的足夠程度，提高了LNG接收站設(shè)計和運行的安全性與可操作性，保障了LNG接收站順利的實施和運行。