基于HAZOP方法的水煤浆气化工艺风险分析_

图 1 HAZOP 分析步骤简图
3 水煤浆气化工艺 HAZOP 分析过程
3．1 HAZOP 分析步骤 对水煤浆气化工艺进行 ＨＡＺＯＰ 分析，可将整个煤
气化工艺分成煤浆给料系统、氧气系统、烧嘴系统、气 化炉系统、烧嘴冷却水系统、闪蒸系统等节点。本文以 水煤浆气化炉作为一个节点，以“温度、压力、压差、液 位、组分变化、人员安全”等 １３ 个水煤浆气化炉的工 艺 参 数 与“ 高 、低 、逆 流 等 引 导 词 ”进 行 结 合 ，得 出 有 意 义 的 偏 差 ，进 而 分 析 导 致 偏 差 的 原 因 、偏 差 可 能 导 致 的 不 利 后 果 、现 有 的 保 护 措 施 ，并 提 出 相 应 的 建 议 措施。表 １ 为以气化系统高温、高压偏差为引导的 ＨＡＺＯＰ 分析结果。 3.2 HAZOP 分析中的 LOPA 保护层
ＬＯＰＡ 即保护层分析，是一种简化的风险评估方 法 ［２］，可 通 过 对 现 有 保 护 措 施 的 可 靠 性 进 行 量 化 的 评 估 ，确 定 其 消 除 或 降 低 风 险 的 能 力 。 保 护 层 分 析 的 思 想 ，可 以 用 一 个“ 洋 葱 ”来 形 象 地 描 述 其 模 型 ，每 一 层 洋葱皮就相当于一个保护层，由于所有的洋葱皮对内 核都起到独立保护作用，从而洋葱内核遭受外侵的风 险就大大降低。因此，在实际生产中，生产管理者必须 尽可能地设置有效的独立防护层，独立保护层的洋葱 模型示意图见图 ２。
收 稿 日 期 ： ２０１２－１２－０９ 作者简介：邹 杰（１９８３— ），男，山东烟台，在读研究生，工程师，２００７ 年本科毕业于青岛科技大学，现从事水煤浆气化生 产技术管理工作，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｏｕｊｉｅ＠ｙｔｐｕ．ｃｏｍ。
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煤化工
２０１３ 年第 ２ 期
可能导致的后果以及现有的控制措施，最终确定哪些 偏差可能导致危害或引起操作问题及提出改进意见。
因此将lopa融入hazop可使hazop分析更完善和全面是hazop分析的继续hazop分析步骤简图582013年4月参数引导词详细偏差原因后果保护措施高温气化炉温度高1热电偶长时间使用表面积灰积碳2热电偶存在指示值误差密封水泵供量不足或堵塞成气烧坏变形2托砖板上方耐火砖向下塌陷设有高温报警14个测温热偶各增温点以达到温度3选2联锁2密封水泵在设计上除能正常自启动外还应满足水量短时间内足够为托砖板降温的条件3在检修周期内对托砖板补水管道进行清洗并形成影像资料备用气化1建议提高热电偶寿命2将林德空分公司压力及流量信号引致dcs以判断氧气情况3考虑增加煤浆浓度黏度在线分析仪器4根据激冷水量及温度工艺气出口温度合成气量估算气化炉温度并将此部分计算结果在dcs显示高压气化2渣口严重堵塞3文丘里洗涤器压4气化炉压力存在假指示1导致氧流量减少2气化炉超压3炉砖受损1水洗塔放空阀稳定气化系统压力2气化炉水洗塔设有高压力报警以合成气放空阀除了设计两路放空阀外还应设置气化炉压力水洗塔压力及渣口压差选2联锁以保护气化炉高压闪蒸1高压闪蒸槽放空阀因故障关闭2焚烧管线存在碳铵结晶堵塞情况3存在气化系统高低压互窜特别是在旋风分离器液位手动控制的情况4仪表假指示5气化系统排水量瞬间大量增加1导致高压闪蒸槽超压损坏2导致高压闪蒸上部填料被吹翻3导致净化焚烧放空系统背压增加psa解析效果差1高压闪蒸槽有压力高限报警及调节阀自动控制2旋风分离器设有低液位报警3为测高压闪蒸槽压力设有现场压力在焚烧管线增加蒸汽伴热防止碳铵结晶堵塞管道2旋风分离器低液位与高压闪蒸槽入口压力控制阀门处设置串级关闭联锁3高压闪蒸槽应设计急放空阀门去火炬系统用于紧急联锁放空以维持压力1氧气压力高2煤浆浓度偏低煤浆泵出现问题导致送料量减少4测温热电偶表面被熔渣糊住导致测温不准5工艺热电偶假指1炉砖腐蚀加剧2损坏气化炉激冷3过氧严重时可能会引起爆炸1氧煤比高联锁停车2气化炉设有高温报警3煤浆管线上的冲洗水阀上盲板防止阀门内漏4制浆浓度定期检测分析5气化炉合成气组分在线监测不仅如此lopa分析对于复杂的事故场景更具生命力因为hazop只能识别事故场景的始发事件容易忽视一系列的中间事件和安全保护措施而lopa分析由于通过展开分析事故场景的全过程能很好地识别中间事件安全措施和事故后果因此其分析评价结果也更具客观性和准确性
（１）建议提高热电偶寿命 （２）将林德空分公司压力及流 量信号引致 ＤＣＳ，以判断氧气 情况 （３）考虑增加煤浆浓度 、黏 度 在线分析仪器 （４） 根据激冷水量及温度、工 艺气出口温度、合成气量，估 算气化炉温度，并将此部分计 算结果在 ＤＣＳ 闪蒸 槽压 力高
（１）气化炉后系统压 （１）导致氧流量减少 （１）水洗塔放空阀稳
２０１３ 年 ４ 月
邹 杰等：基于 HAZOP 方法的水煤浆气化工艺风险分析
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参数 ／ 引导词
高温
表 1 气化系统 HAZOP 分析结果
详细 偏差
原因
后果
保护措施
建议
气化炉 托砖板 温度高
（１）热电偶长时间使 （１）托砖板被高温合
用，表面积灰、积碳 成气烧坏变形
（２）热电偶存在指示 （２）托砖板上方耐火
（１）导致高压闪蒸槽 （１）高压闪蒸槽有压
超压损坏
力高限报警及调节
（２）导致高压闪蒸上 阀自动控制
部填料被吹翻
（２）旋风分离器设有
（３）导致净化焚烧放 低液位报警
空 系 统 背 压 增 加 ， （３）为测高压闪蒸槽
ＰＳＡ 解析效果差
压力，设有现场压力
表
（１） 在 焚 烧 管 线 增 加 蒸 汽 伴 热，防止碳铵结晶堵塞管道 （２）旋风分离器低液位与高压 闪蒸槽入口压力、控制阀门处 设置串级关闭联锁 （３）高压闪蒸槽应设计 １ 个紧 急放空阀门去火炬系统，用于 紧急联锁放空，以维持压力
根据表 １ 分析结果，按照 ＨＡＺＯＰ 分析模型，以气 化炉反应温度高为详细偏差，以高压煤浆泵打量出现 问题为事故链原因，结合气化系统已有的独立保护层 进行分析，以确认 ＬＯＰＡ 保护层是否有效，ＬＯＰＡ 保护 层分析列于表 ２。
气化 炉反 应温 度高
（１）氧气压力高 （２）煤浆浓度偏低 （３） 煤 浆 泵 出 现 问 题，导致送料量减少 （４）测温热电偶表面 被熔渣糊住，导致测 温不准 （５）工艺热电偶假指 示
（１）炉砖腐蚀加剧 （２）损坏气化炉激冷 环及下降管等内件 （３）过 氧 严 重 时 ，可 能会引起爆炸
（１）氧／煤 比 高 ，联 锁停车 （２）气化炉设有高温 报警 （３）煤浆管线上的冲 洗水阀上盲板，防止 阀门内漏 （４）制浆浓度定期检 测分析 （５）气化炉合成气组 分在线监测
水煤浆气化过程是在高温、高压操作条件下，水 煤浆和氧气在气化炉内发生激烈的氧化还原反应，生 成合成气。其中水煤浆气化炉是水煤浆气化工艺流程 的关键设备，炉内温度高达 １ ３００ ℃～１ ５００ ℃，压力 高达 ８．Ｏ ＭＰａ 以上，气化炉内的合成气是易燃 、易爆 的混合性气体，一旦发生事故，将对设备、人员和环境 的安全造成重大影响。本文基于 ＨＡＺＯＰ 安全评价方 法 ，引 入 ＬＯＰＡ （Ｌａｙｅｒ Ｏｆ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ，即 保 护层分析），对宁波万华聚氨酯有限公司（简称万华聚 氨 酯 公 司）的 煤 气 化 装 置 进 行 了 本 质 安 全 分 析 ，以 辨 别出煤气化过程中潜在的生产隐患，找出装置在工艺 设计、设备运行、操作及安全方面的不足。
力高
（２）气化炉超压
定气化系统压力
（２）渣口严重堵塞 （３）炉砖受损
（２）气 化 炉 、水 洗 塔
（３）文丘里洗涤器压
设有高压力报警以
差大
及渣口压差报警
（４）气化炉压力存在
假指示
合成气放空阀除了设计两路 放空阀外，还应设置气化炉压 力、水洗塔压力及渣口压差 ３ 选 ２ 联锁，以保护气化炉
（１）高压闪蒸槽放空 阀因故障关闭 （２）焚烧管线存在碳 铵结晶堵塞情况 （３）存在气化系统高 低压互窜，特别是在 旋风分离器液位手 动控制的情况 （４）仪表假指示 （５）气化系统排水量 瞬间大量增加
化 工 艺 的 复 杂 性 ，决 定 了 在 生 产 过 程 中 ，很 多 操 作 不 能实现完全的 ＤＣＳ 自动控制，只能依靠操作工的手动 干预。按照 ＨＡＺＯＰ 理论，报警越多、人工手动干预的成 分 愈 多 ，则 工 艺 生 产 中 的 保 护 层 失 效 的 几 率 越 大 。 为 了保证各个保护层独立、有效及检验 ＨＡＺＯＰ 分析中的 保护措施是否满足工艺安全，在 ＨＡＺＯＰ 分析中引入了 ＬＯＰＡ 保护层。 ３．２．１ ＬＯＰＡ 分析
随 着 煤 气 化 工 艺 的 不 断 发 展 、创 新 ，稳 定 生 产 的 各种保护措施已基本完善，特别是 ＥＳＤ（紧急停车联 锁）系统在国内同行业的生产运行中非常稳定。但在 正常运行过程中，由于煤质成分的复杂性、管道磨损、 烧嘴寿命及员工技能等因素，决定了只依靠 ＥＳＤ 系 统，无法保证煤气化工艺的稳定运转。而正是由于气
第 ２ 期（总第 １６５ 期） ２０１３ 年 ４ 月
煤化工
Coal Chemical Industry
No.2(Total No.165) Ａｐｒ． 2013
基于 HAZOP 方法的水煤浆气化工艺风险分析
邹 杰，张明时，张 彦，孙得浩
（宁波万华聚氨酯有限公司，浙江 宁波 315812）
摘 要 针对水煤浆煤气化工艺运行中的诸多风险，采用基于偏差思想的 ＨＡＺＯＰ 方法，以引导词为索引， 分析了煤气化工艺过程，并以分析结果为依据，导入 ＬＯＰＡ 保护层进行本质安全分析。结果表明： 在 ＨＡＺＯＰ 分析 中，融入 ＬＯＰＡ 方法，能实现对现有保护措施的可靠性的量化评估，确定其消除或降低风险的能力，从而确定是 否需要增加其他安全保护措施，以减少水煤浆气化工艺运行风险。
关键词 ＨＡＺＯＰ，ＬＯＰＡ，水煤浆气化，风险，偏差
文章编号：１００５－９５９８（２０１３）－０２－００５７－０４ 中图分类号：ＴＱ５３４．４ 文献标识码：Ｂ
引言
目前，ＨＡＺＯＰ（Ｈａｚａｒｄ ａｎｄ Ｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ Ｓｔｕｄｙ Ａｎａ－ ｌｙｓｉｓ，即危险与可操作性分析）是众多人工安全评估 分析方法中应用最广泛、最系统的一套评价方法，已 成为国外广泛应用的化工装置工艺过程危险性分析 方法。
值误差
砖向下塌陷
（３）给托砖板降温的
密封水泵供量不足
或堵塞
对 ４ 个托砖板温度 设有高温报警
（１）４ 个测温热偶各增 ２ 个测 温点，以达到温度 ３ 选 ２ 联锁 （２）密封水泵在设计上除能正 常自启动外，还应满足水量短 时间内足够为托砖板降温的 条件 （３）在检修周期内，对托砖 板 补水管道进行清洗并形成影 像资料备用
在一个典型的危险和操作性研究中，首先应成立 一个由设备 、工艺、仪表控制等工程技术人员，健康 （Ｈｅａｌｔｈ）、安 全（Ｓａｆｅｔｙ） 和 环 境（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）（简 称 ＨＳＥ）管理人员，操作人员等各方面专家组成的研究小 组。在分析之前，必须准备设计和操作的详细资料，并 经过研究小组系统地审核。然后将系统分成若干个节 点 ，对 每 一 个 节 点 ，都 以 正 常 的 工 艺 参 数 和 操 作 条 件 为 标 准 ，逐 项 分 析 可 能 发 生 的 各 种 偏 差 ，找 出 原 因 和 可能产生的后果。ＨＡＺＯＰ 分析步骤简图见图 １。
不仅如此，ＬＯＰＡ 分析对于复杂的事故场景更具生命 力，因为 ＨＡＺＯＰ 只能识别事故场景的始发事件，容易 忽视一系列的中间事件和安全保护措施，而 ＬＯＰＡ 分 析由于通过展开分析事故场景的全过程，能很好地识 别中间事件、安全措施和事故后果，因此，其分析评价 结果也更具客观性和准确性。 3.3 HAZOP 中的 LOPA 保护层应用
1 产业链流程
万华聚氨酯公司采用的水煤浆气化技术为国产
化的四喷嘴对置式水煤浆气化技术，该装置包括磨煤 单元、气化及初步净化单元、含渣水处理单元、变换及 热回收单元。正常生产期间，气化炉 ２ 开 １ 备，投煤量 为 ２×１ ０００ ｔ／ｄ，气化炉直径为 ３ ２００ ｍｍ，设计压力 ６．５ ＭＰａ，设计温度 １ ３００ ℃。煤气化反应生成的有效 气 ＣＯ 可作为甲醇合成及光气化反应制 ＭＤＩ （二苯基 甲 烷 二 异 氰 酸 酯 ） 过 程 中 光 气 的 原 料 ；生 成 的 有 效 气 氢 气 ，用 于 生 产 合 成 氨 进 而 氧 化 生 成 硝 酸 ，另 一 部 分 氢气用于硝基苯还原生成苯胺，以作为制 ＭＤＩ 的原 料；合成气中 ＣＯ２ 用于制取食品添加剂及造船行业。 整个产业链长且复杂，任何一环特别是煤气化工序发 生 异 常 ，将 会 导 致 整 个 产 业 链 瘫 痪 ，而 影 响 煤 气 化 反 应过程的因素极多，如操作温度 、操作压力 、煤质条 件、喷嘴状况、连续运行周期等，所以稳定的工艺运行 尤为重要。
2 HAZOP 方法
ＨＡＺＯＰ 是一种基于“偏差”思想，用引导词作为索 引，找出与技术意图不符、存在安全隐患、对操作有不 利影响的全部偏差的过程，可解决危险与操作两方面 问 题 的 结 构 化 、系 统 化 的 安 全 评 价 ［１］。 通 过 熟 悉 工 艺 过程、了解设计条件和意图，系统地检查工艺过程，以 找出对原设计条件可能发生的种种偏差， 分析偏差
图 2 独立保护层洋葱模型示意图
在对某个事故场景进行保护层分析时，确定哪些 保护层措施能够起到预防事故的目的尤为重要。 尤其需要考虑相互独立的保护层措施，即独立保护 层 （ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ，简 称 ＩＰＬ） 措 施 作为预防事故的安全保护措施。保护层分析的目的就 是通过各种安全保护措施及其失效概率（ Ｐｒｏｂａｂｉｌｉ－ ｔｙ ｏｆ Ｆａｉｌｕｒｅ ｏｎ Ｄｅｍａｎｄ，简称 ＰＦＤ） 将事故概率（ 或 频率） 降低到可接受范围内。在 ＬＯＰＡ 之前，应先编制 风险矩阵和确定风险等级，根据每年发生的次数，将 事故发生频率分成 ７ 个等级，将事故后果的严重程度 分为 ５ 类。 ３．２．２ ＬＯＰＡ 嵌入到 ＨＡＺＯＰ 分析
ＨＡＺＯＰ 分析的目的是通过对工艺单元进行分析， 识别出那些具有潜在危险的偏差，而在这一过程中，偏 差产生的事故风险有多大，已有的安全措施是否可以 有效地将风险抑制在允许范围之内，具体过程需要多 少种安全防护层，每一安全防护层可以减少多少风险 ， ＨＡＺＯＰ 分析都解决不了。因此，将 ＬＯＰＡ 融入 ＨＡＺＯＰ，可 使 ＨＡＺＯＰ 分析更完善和全面，是 ＨＡＺＯＰ 分析的继续［３］。