保護層分析在化工園區(qū)重大危險源事故風險分析中的應用

周 寧，孫 權，魏鈺人，畢海普，張冰冰，陳 黎

（1.常州大學江蘇省油氣儲運技術省重點實驗室，江蘇 常州 213016；2.昆山利通天然氣有限公司，江蘇 蘇州 215300）

保護層分析（Layer of Protection Analysis，LOPA）目前已經在石化行業(yè)得到了廣泛應用，并且已經成為過程安全的主要風險評估方法之一［1］。LOPA 通常運用更加嚴格、科學的方法進行風險等級評價，對已有的各個保護層措施進行合理的量化分析，并確定其降低風險的能力。隨著化工園區(qū)安全性要求的日益提高，目前園區(qū)整體安全性分析主要還是以單個事故場景為研究對象，而針對化工園區(qū)安全性的要求，通過對化工園區(qū)保護層進行合理劃分，可提高園區(qū)整體安全性與可靠性，從而為園區(qū)應急救援和日常安全管理提供可靠依據(jù)。

1 保護層分析方法

1.1 保護層分析

保護層分析（LOPA）方法是一種半定量風險分析方法，主要用于分析目前已有的安全措施能否保證事故風險處于可接受風險范圍內，以及判斷是否需要采取其他的安全措施來進一步降低危險發(fā)生概率，確保工藝和設備的風險水平符合國家、行業(yè)的安全標準［2］。

對于復雜的事故場景分析，LOPA 方法較HAZOP等分析方法有著明顯的優(yōu)勢，該方法可以將研究分析重點放在事故后果嚴重、事故發(fā)生頻率較高的事件上，并采取針對性的措施降低潛在危險事件發(fā)生的頻率和嚴重程度，更加節(jié)約時間。根據(jù)事件的嚴重程度和復雜性，一個事故場景可能需要一個或者多個保護層才能將風險降低至可接受水平。如圖1所示，事故場景中各個保護層中如果有一個保護層能夠發(fā)揮作用，則可以有效阻止事故繼續(xù)發(fā)展或降低事故后果的嚴重程度。

1.2 獨立保護層（IPLs）

獨立保護層（Independent Protection Layers，IPLs）［3］通常獨立于其他事件或保護層，是能夠有效阻止事故進一步惡化的行為、系統(tǒng)或設施。通常IPLs需具備獨立性、有效性、可審查性三個特性［4］。獨立保護層的獨立性主要是指保護層與其他各個保護層之間不會相互影響。獨立保護層的有效性主要指保護層的行為、措施、設施等均符合保護層分析要求。獨立保護層的可審查性主要是指為了確定防護措施是否能夠有效防止不期望后果的發(fā)生，判斷條件如下：是否能夠檢測到它需要采取行動的條件；是否及時檢測到條件以采取正確的行動防止不良后果的發(fā)生；在可用時間內，獨立保護層是否有足夠的能力采取所要求的行動［4］。

通過圖1保護層事件樹分析，可以計算不期望事故發(fā)生的頻率（fC），即由起始事件頻率（fI）乘以IPLs要求時的失效概率（PFD）［5］：

2 化工園區(qū)保護層分析

根據(jù)不同類型化工園區(qū)重大危險源的分布特征以及園區(qū)事故形式，化工園區(qū)整體事故風險主要由園區(qū)內危險源種類、狀態(tài)、數(shù)量、規(guī)劃布局以及園區(qū)安全保護層級效果等因素所決定［6］。針對化工園區(qū)重大危險源事故發(fā)生發(fā)展規(guī)律、事故后果以及獨立保護層的特征，化工園區(qū)保護層可以分為以下6層：①重大危險源本質安全設計保護層IPL1；②企業(yè)監(jiān)測預警保護層IPL2；③重大危險源安全設施保護層IPL3；④企業(yè)級應急響應保護層IPL4；⑤園區(qū)級應急響應保護層IPL5；⑥區(qū)域級應急響應保護層IPL6，如圖2所示。

2.1 重大危險源本質安全設計保護層IPL1

如果重大危險源自身的安全設計功能就能夠防止事故的發(fā)生，則本質安全功能就可以作為一個獨立保護層。

2.2 企業(yè)監(jiān)測預警保護層IPL2

企業(yè)的監(jiān)測預警系統(tǒng)通過對重大危險源的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，及時獲取和掌握重大危險源的狀態(tài)信息，根據(jù)狀態(tài)變化采取相應措施消除事故隱患，確保重大危險源處于安全狀態(tài)，則企業(yè)監(jiān)測預警系統(tǒng)可視為一種獨立保護層［7］。

2.3 重大危險源安全設施保護層IPL3

針對重大危險源事故征兆與初期事故控制的物理防護設施和安全設施，若這類設施能夠被正確的設計、維護與使用，可有效降低事故嚴重程度，則該類安全設施可視為一種獨立保護層。

2.4 企業(yè)級應急響應保護層IPL4

化工園區(qū)企業(yè)的事故應急救援力量、應急救援資源和應急預案等應急響應措施可以視為一種獨立保護層，該保護層在IPL1、IPL2、IPL3無法有效防止事故發(fā)生的情況下啟用，但是由于信息傳遞的延遲性、有效性等因素的影響，在一定程度上可能會影響它們的整體有效性。

2.5 園區(qū)級應急響應保護層IPL5

化工園區(qū)的應急救援力量、應急救援資源和應急預案等應急響應措施可視為一種獨立保護層，當企業(yè)級應急響應層啟用后無法撲救和控制事故時，將啟用園區(qū)級應急響應層進行事故控制和救援。

2.6 區(qū)域級應急響應保護層IPL6

化工園區(qū)周圍區(qū)域的應急救援力量、應急救援資源和應急預案等應急響應措施可視為一種獨立保護層，在發(fā)生可能影響到園區(qū)周邊區(qū)域的事故時，該保護層激活，以控制事故影響范圍和程度。

3 保護層分析在常州濱江經濟開發(fā)區(qū)的應用

3.1 案例分析

常州濱江經濟開發(fā)區(qū)主要以苯、氯堿工業(yè)、精細化工、生物化工為主要發(fā)展方向，化工園區(qū)具有重大危險源數(shù)量多、事故后果嚴重、事故易發(fā)性強的特點，將保護層分析法應用于該化工園區(qū)，可以為化工園區(qū)的安全決策提供更加科學的依據(jù)［8］。

本文以該化工園區(qū)某企業(yè)重大危險源泄漏事故為例，事故場景設置為重大危險源的溫度監(jiān)測設備失效，導致濃硫酸滴加過量，反應釜內化學反應加劇發(fā)生反應釜爆炸，引發(fā)周邊存放甲醇劇烈燃燒。針對本事故場景，運用化工園區(qū)LOPA 方法對各保護層的有效性進行分析，分析過程中假定信息傳遞均有效，不考慮信息傳遞的延遲性，

3.2 保護層分析

第一層保護層為重大危險源本質安全設計保護層（IPL1）。當重大危險源的溫度發(fā)生異常波動時，溫度監(jiān)控設備能及時探測顯示重大危險源的溫度變化并發(fā)出反饋信號、聲光報警，控制系統(tǒng)通過自動調節(jié)或人工調節(jié)的方式使重大危險源的狀態(tài)恢復正常。如該保護層失效，重大危險源的溫度將不斷上升，最終導致事故發(fā)生。

第二層保護層為企業(yè)監(jiān)測預警保護層（IPL2）。事故發(fā)生后，監(jiān)測傳感器檢測到異常信號，啟動應急消防措施，有效撲救早期事故或控制事故發(fā)展。如該保護層失效，將導致事故進一步擴大。

第三層保護層為重大危險源安全設施保護層（IPL3）。若事故在前兩層保護層作用下未能得到有效控制，重大危險源事故征兆與初期事故控制的物理防護設施（防火堤、阻火器、噴淋系統(tǒng)等）將啟用，可以有效控制事故擴大。如該保護層失效，事故影響將持續(xù)擴大。

第四層保護層為企業(yè)級應急響應保護層（IPL4）。在保護層IPL1、IPL2、IPL3未能有效控制事故的情況下，企業(yè)應急救援響應機制啟動，調集救援力量、資源開展事故應急救援。若該保護層失效，企業(yè)救援能力無法滿足事故救援需求，事故將進一步擴大。

第五層保護層為園區(qū)級應急響應保護層（IPL5）。若事故超出企業(yè)應急救援能力范圍，園區(qū)級應急響應機制啟動相應的應急救援程序進行事故救援，以有效阻止事故的進一步擴大。

第六層保護層為區(qū)域級應急響應保護層（IPL6）。當事故影響超過一定范圍時，化工園區(qū)指揮中心將事故情況上報區(qū)域級指揮中心，區(qū)域級指揮中心對事故救援情況進行監(jiān)控，隨時準備啟動區(qū)域級應急響應機制進行事故救援。

3.3 事故頻率計算

事故起始原因是重大危險源溫度監(jiān)測設備失效，工藝危害分析小組分析確認該事故每年發(fā)生頻率為1次，因此事故發(fā)生初始頻率為：fI=1／a。

由相關文獻和工業(yè)失效概率PFD 數(shù)據(jù)可得［9］：PFDIPL1為1×10-1，PFDIPLP2為1×10-2，PFDIPL3為1×10-1，PFDIPL4為1×10-1，PFDIPL5為1×10-1。事故現(xiàn)場泄漏物料著火概率Pig為1，事故現(xiàn)場人員出現(xiàn)概率為0.5，事故現(xiàn)場人員死亡概率為0.5。該事故場景下第一層至第三層保護層后人員死亡概率為

對于該類事故場景，國家、行業(yè)可容忍的風險值為：火災最大可容忍風險為1×10-6／a；致死傷害最大可容忍風險為1×10-6／a。

通過分析得第四層保護層啟動后人員死亡概率為2.5×10-6／a，第五層保護層啟動后人員死亡概率為2.5×10-7／a。因此，啟動第五保護層后能夠有效降低人員死亡概率，并符合國家、行業(yè)的風險標準。但通常對于該類事故場景，通過前三層保護層的安全措施即應將事故風險降低至可接受水平。

通過對前三層保護層的安全措施設置的分析，提出如下改進措施：

（1）重大危險源本質安全設計溫度監(jiān)控失效后無任何補救措施，可增加濃硫酸滴加過量自動切斷裝置。

（2）重大危險源附近存放了過量危險物料，當值人員違規(guī)操作，需加強人員崗位職責培訓。

查閱相關文獻資料得到自動切斷裝置PFD 為1.3×10-2，人員操作PFD［9］為2.5×10-2，計算增加改進措施后的該場景重大危險源安全設施保護層下人員死亡概率為

與已有風險標準進行對比，改進后的場景風險水平達到了火災和致死傷害最大風險的容忍標準。

4 結論

（1）借鑒應用于工藝和設備安全性評價的保護層分析的思想，建立了化工園區(qū)保護層分析（LOPA）方法，解決了化工園區(qū)安全有效性評價中重“點”輕“面”的問題。

（2）在進行化工園區(qū)保護層分析時，將重大危險源或企業(yè)作為分析對象，并根據(jù)獨立保護層具有的獨立性、有效性和可審查性3個特性將化工園區(qū)保護層分為6層級。

（3）通過實例展示了應用LOPA 方法對化工園區(qū)企業(yè)的保護層進行有效性分析，并根據(jù)評估結果采取針對性措施彌補現(xiàn)有保護層的不足，從而提升了化工園區(qū)的安全性。

［1］崔英，楊劍鋒，劉文彬.基于HAZOP 和LOPA 半定量風險評估方法的研究與應用［J］.安全與環(huán)境工程，2014，21（3）：98-102.

［2］許芝瑞，孫文勇，趙東風.HAZOP 和LOPA 兩種安全評價方法的集成研究［J］.安全與環(huán)境工程，2011，18（5）：65-68.

［3］萬古軍，黨文義，張廣文.化工企業(yè)典型保護層中獨立保護層的識別研究［J］.中國安全生產科學技術，2013，9（5）：106-111.

［4］白永忠，萬古軍，張廣文.保護層分析中獨立保護層的識別研究［J］.中國安全科學學報，2011，21（7）：74-78.

［5］萬古軍，張廣文，黨文義.保護層分析應用規(guī)則研究［J］.安全、健康和環(huán)境，2013，13（1）：14-16，21.

［6］孫云.淺談對重大危險源的有效控制［J］.安全與環(huán)境工程，2004，11（1）：74-76.

［7］賀廷偉，劉鵬剛.化工園區(qū)突發(fā)事件應急管理信息系統(tǒng)研究［J］.安全與環(huán)境工程，2012，19（2）：106-109.

［8］丁新國，趙云勝.危險源與危險源分類的研究［J］.安全與環(huán)境工程，2005，12（3）：87-90.

［9］馬建紅.重大危險源監(jiān)控系統(tǒng)概率風險評價方法研究［D］.北京：北京交通大學，2007：54-62.