应用HAZOP及保护层概念加强加氢工艺安全管理

应用HAZOP及保护层概念加强加氢工艺安全管理
周雄;宫业青
【摘要】本文简述了危险与可操作性分析(HAZOP)的起源和发展,同时介绍了我国现阶段安全生产相关法规的要求,并分析了国内企业对执行法规的错误理解和应用偏差.介绍了HAZOP分析及LOPA(保护层)分析的基本原理.研究了HAZOP及LOPA分析方法在石化加氢精制工厂中的实际指导意义.并结合安全仪表功能的生命周期分析了加氢项目的设计、采购、施工、验收、维护、改造等实际过程需要重视的环节,对工厂安全生产管理提出了建议.
【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2019(047)010
【总页数】4页(P201-204)
【关键词】HAZOP;LOPA;加氢精制;安全仪表功能
【作者】周雄;宫业青
【作者单位】武汉科林精细化工有限公司,湖北武汉430223;北京风控工程技术股份有限公司,北京100025
【正文语种】中文
【中图分类】TF687
危险与可操作性分析(HAZOP)是目前全球石油化工、化学工程、汽车、航空航天等领域广泛采用的工艺危害分析方法。

危险性分析及可操作性研究方法最早诞生于
英国，由T.克莱兹教授提出。

最早应用于英国帝国化学工业集团(ICI)，1977年英国化学工业协会(CIA)首次发布“可操作性研究和危险分析实施技术指南”，这一
方法于1983年正式命名为危险与可操作性分析(HAZOP)，国际上HAZOP分析
应用导则为IEC61882-2001，我们国家结合自身情况编制了AQ/T3049-2013《危险与可操作性分析(HAZOP分析)应用导则》。

LOPA全称叫保护层分析，是
一种半定量的风险分析和评估方法，在HAZOP分析的基础上，对生产装置的独
立保护层有效性进行评估从而确定安全仪表系统(SIS)的安全完整性等级(SIL)，目
前国内执行GBT 32857-2016 《保护层分析(LOPA)应用指南》。

这两种方法在新建项目安全风险管控及在役装置的安全生产管理上都具有实际意义，是北美、欧盟等国际推崇的工艺风险分析手段。

1 国内法规要求及行业现实情况
1.1 法规发展及要求
随着中国石油化工行业的发展，化工项目上马的速度如雨后春笋，推动国民经济发展的同时，随之而来的是频发的安全生产事故。

加氢反应通常是伴随着较大的放热反应，随着压力、温度的升高，氢气泄漏带来较大的隐患，加氢工艺也是国家安监总局首批重点监管的危险化工工艺之一[1]。

近年来国家对安全生产做出了明确要
求和指导意见，我们从业企业的安全生产管理意识越来越强，在企业生产过程中的安全投入及措施也逐渐提高，但是，一些问题依然困扰着生产企业和相关管理部门：究竟多安全为足够安全？如何才能达到安全管理要求标准？如何才能既满足安全要求又避免过保护。

国内安全管理的系统理论发展刚起步、理论推广应用相对滞后。

因此很多企业有了制度、条款，但没有形成一套系统而完善的安全管理体系。

近年来，基于风险的安全管理理念和相关风险分析方法逐渐在化工安全生产过程中显现出良好的效果和作用，危险与可操作性分析(HAZOP)和保护层分析(LOPA)是基于
风险分析的安全管理方法，正被化工生产企业在项目建设过程和生产运行过程中逐
渐推广应用。

我国从2008年开始正式提出应用危险与可操作性分析(HAZOP)提高生产装置的
潜在风险辨识能力。

2013年国家安全生产监督管理总局分别签发安监总管三76、88号文，“对涉及重点监管危险化学品、重点监管危险化工工艺和危险化学品重
大危险源的生产储存装置进行风险辨识分析，采用危险与可操作性分析(HAZOP)
技术每3年周期进行一次评价”[2]，“对两重点一重大项目在设计阶段必须进行HAZOP分析”[3]。

2014年发布116号文，强调涉及“两重点一重大”在役生产装置的化工企业和危险化学品储存单位要加快人才培养工作，培养一批具备专业技术能力、掌握相关标准规范的工程技术人员，满足开展和加强化工安全仪表系统功能安全管理工作的需要。

从2020年1月1日起，“两重点一重大”，及其他新
建化工装置、危险化学品储存设施安全仪表系统，应执行功能安全相关标准要求，设计符合要求的安全仪表系统[4]。

HAZOP分析、LOPA分析，作为工艺危害分析手段及安全完整性定级(SIL)的方法之一才逐渐让石油化工企业的管理者所了解。

1.2 行业存在的问题
国外从20世纪60年代开始使用工艺危害分析，但HAZOP分析方法在国内应用
时间不长。

大部分民营企业的安全生产管理者对工艺危害分析研究有限，同时对国内安全生产法律法规的跟踪解读能力也比较欠缺，加上行业HAZOP及安全完整
性定级应用还处于逐步应用阶段，导致部分企业对HAZOP分析及安全仪表系统
评估的理解存在片面、不准确的现象，甚至是错误的，突出表现为：
(1)错误的认为企业有了DCS系统，再做HAZOP分析，采购SIS系统，没有实际意义，反而因为系统复杂对安全生产是负担，主要目的是为了应付监管。

(2)错误的认为采用HAZOP分析，采购了SIS系统，就可以保证系统安全。

(3)企业在建设过程中因为不清楚究竟为什么做HAZOP分析，如何配置安全仪表
系统(SIS)，更谈不上利用HAZOP分析和LOPA方法指导项目的工艺安全设计管
理和实际的安全生产管理工作。

加之担心资金、精力投入过大，导致设计阶段安全风险分析工作流于形式。

项目建设过程中注重工艺设计而轻视安全风险评估，导致工艺设计中缺乏安全依据，存在经验主义。

某些设计与实施的过程缺失了IEC/GB 标准中要求的多个过程管理环节，安全风险控制技术上不满足标准要求，执行程序上不满足安监总局的法规要求。

(4)在役装置安全生产管理工作的体系不健全，安全管理组织构架不科学，从事安全生产管理的主要成员的工艺、安全理论水平及法律法规学习不足，工作分工往往是挂职式的模式。

日常全靠基层人员发现问题、反应问题，而基层人员的能力是有限的，往往发现的问题被正面响应时，该问题可能已经突破多个保护层，极有可能导致工艺危害发生。

2 HAZOP分析及LOPA分析的基本原理
从本质上说，HAZOP是用于工艺过程危险辨识的一种定性方法。

基本流程是资料收集，确立评估内容及目标，组织行业内有理论、懂工艺、懂操作的人员对工艺系统以偏差为基础进行分析，分析生产装置的异常工况场景、发生原因及后果，并根据所分析的事故发展链条确定保护措施，最后编制分析报告。

其采用的基本原理是应用工艺参数偏离、原因、后果、安全措施、建议措施进行潜在危险因素分析。

以4.0 MPa(G)石脑油加氢进料节点为例，具体见表1。

表1 对加氢进料缓冲罐HAZOP分析举例Table 1 Example of HAZOP of hydrogfining buffer tank偏差原因后果现有措施风险程度建议措施加氢进料缓冲罐液位低低进料调节阀回路故障或关闭泵抽空导致泵损坏液位低报警液位低低联锁泵停车中建议增加冗余液位变送器,采用二取一触发液位低低联锁高压窜入低压引发缓冲罐超压爆炸进料泵出口KV101切断阀联锁关闭高安全阀泄放计算考虑窜气超压。

确定加氢进料泵出口切断阀联锁关断的SIL级别
在HAZOP分析结果基础上，再采用保护层分析(LOPA)这一半定量的方法对上述
安全仪表系统中的相关SIF回路进行定级。

从而确定该工艺回路是否需要配置相关的SIF联锁回路，并确定配置何种SIL等级认证的安全仪表回路及系统。

表2 独立保护层Table 2 Independent protection layer总类分类包括内容控制保护类本质安全设备压力、材质等设计参数提高等级基本工艺控制(BPCS)变送器+PLC/DCS系统+执行机构报警及干预变送器+声光报警+人工干预SIS系统变送器+SIS系统+执行机构物理保护安全阀、爆破片防护类释放后防护有毒及可燃气体报警火灾报警围堰
一个典型的化工过程包含表2的各种保护层，如工艺设计(包括本质更安全概念)、基本过程控制系统(BPCS)、重要参数报警及人员干预、安全仪表系统(SIS)、被动防护措施(如安全阀、防火堤、防爆墙)等，这些保护层降低了事故发生的概率，或减缓事故发生的后果严重性[5]。

LOPA是安全完整性定级(SIL)的方法之一，基本原理是通过分析初始事件并确定初始事件发生频率，以每个独立的保护层有效性作为削减风险的计算依据，分析生产装置实际风险与企业风险可接受标准的差距。

通俗讲就是每个独立保护层失效时的概率进行叠加计算。

最后得出一个回路的失效系数，从而确定需要配置1～4级的中何种SIL等级，见表3。

表3 对加氢进料缓冲罐液位低低LOPA分析举例Table 3 Example of LOPA of hydrogfining buffer tank with low liquid level事故链号事故名SIF描述进料缓冲罐超压1.液位低低连锁停P-101加氢进料泵;2.泵停连锁切断KV-101
续表3
后果描述/分类高压反窜进料缓冲罐,罐超压,物料泄漏,引发火灾爆炸事故严重性:4级(重大事故)可容许风险(分类/频率)描述概率频率/(次/年)容许频率<1×10-5初始事件(一般给出频率)进料调节阀回路故障或关闭1×10-1使能事件或使能条件条件修正(如果适用)点火概率影响区域内人员存在的概率0.1致死概率1其它N/A减
缓前的后果频率1×10-2独立保护层基本控制(BPCS)报警与人员干预液位低报警
1×10-1安全仪表功能SIF联锁关闭KV101物理保护(释放措施)安全阀(不确定是
否考虑窜气超压计算,因此,不作为独立保护层)释放后物理保护可燃气体报警火灾报警其他N/A非独立保护层N/A所有独立保护层总PFD减缓后的后果频率1×10-
3后果是否满足可容许风险?(YES/NO)NO满足可容许风险需要采取的行动在没有SIF时,事故风险为1×10-3大于可容许风险,需要SIF的PFD<10-2,则该SIF的SIL 等级为SIL2级;如果将PSV泄放量按窜气超压工况设置,做为独立保护层,其削减能力为1×10-2,则该SIF回路的SIL级别会相应降低
3 HAZOP分析及LOPA分析方法对安全生产管理实际意义
企业可以借鉴安全仪表的生命周期概念，将石化加氢工艺的安全生产管理视作有周期的活动，同时把LOPA独立保护层的模型思想，外延到加氢企业的整个安全生
产管理过程中。

在LOPA分析方法中化工企业具备表2所示的典型独立保护层，
其包括两类，共6层。

安全仪表系统生命周期，包括设计阶段、采购阶段、工程
实施阶段、验收阶段、操作维护、技改、停用。

而安全管理周期可以类似的分为本质安全、运行维护、技术改造三阶段。

在这三个阶段分解工作层，制定有效的工作目标。

3.1 本质安全管理阶段
石油化工中采用的加氢工艺，涉及高温(250～400 ℃)、中高压(4～20 MPa)、并
且系统中为H2及H2S等可燃及有毒气体，因此在开停车、正常生产、检修过程
中存在很多风险，因此从初步设计中就应该有安全概念设计。

表4 加氢单元中常见风险辨识Table 4 Risks in hydrogenation processes设备
参数偏离可能后果风险等级进料缓冲罐液位压力高、高高超压,溢流,爆炸,火灾高低、低低设备损坏,串压导致爆炸高高、高高超压,爆炸,火灾高加氢加热炉出口温度高、高高炉管结焦、损坏,导致火灾爆炸高炉膛温度高、高高炉管损坏,导致火灾爆炸高
压差高、高高炉管结焦、损坏,导致火灾爆炸高循环氢压缩机出口压力高、高高超压,爆炸,火灾高出口温度高、高高设备损坏,爆炸,火灾高低压缓冲罐液位压力超压,
溢流,爆炸,火灾高低、低低设备损坏,窜压导致爆炸高高、高高超压,爆炸,火灾高水
冷却器泄漏火灾高空冷器泄漏火灾高
通过表4可以看出在加氢过程中每个设备都存在不同的危害风险，因此整个生产
过程都不能接受以上可能发生的危害。

从本质安全这个外延概念入手，生命周期的设计阶段开始设计方就应该在系统和设备的本质安全设计中应考虑设备的选型可靠性、计算参数的合理、腐蚀环境材质合理选择。

而作为使用方应从原料、设计参数、采购、施工、验收等多个环节提前介入，由技术和安全管理人员共同执行表5相
应的安全生产管理工作，确保新建系统的本质不带隐患。

表5 本质安全管理Table 5 Intrinsically safety management工作阶段分类典型内容工作目标设计认真审核PFD及PID,积极参与HAZOP,LOPA分析会议,针对提出的建议措施正确回应确保设计原则正确,设备选型合理、安全仪表功能完善,仪表SIL定级合理,并满足操作方便合理资料整理存档PFD、PID、压力容器、压力管道、安全附件计算书的存档存档目录清晰,查找方便,快捷,台账图纸一一对应,无缺失采购技术确认审核采购技术文件,提出必要的额外附加技术要求统一技术文件,并审核供
应商技术文件,签署最终技术文件制定详细的技术文件,同时考虑设备存在的技术、
安全风险对采购技术文件进行增补和完善,明确相关备品备件配置,保障运行维护
续表5
材料验收根据技术文件进行入场检验,确认。

提前发现供货偏差,对随货材质报告、
监检报告进行确认,存档。

对部分抽检材料进行取样见证。

确保随货严格按照签署
的技术文件执行,针对偏离提出应对及整改措施,发现严重问题应及时作出响应。

施
工验收过程管理审核施工方案,确认施工及验收标准,参与施工节点验收, 见证各类
比如探伤、强度、气密性施工验收,检查施工验收记录并会签见证各类施工验收的
真实有效性,确保施工质量监检对安全阀、压力表技术文件进行登记,送检。

对特种
设备进行登记备案取证。

制定台账、制定监检计划确保特种设备、安全附件满足工艺参数正确性,合法性。

3.2 运行维护阶段
表2列举了典型化工企业具体的独立保护层概念，作为安全生产管理的第二阶段
运行维护针对的就是指BPCS、SIS、物理层这三个主要保护层的运行维护、检验
校验，具体的工作见表6。

表6 运行维护阶段的管理Table 6 Management of operation maintenance stage工作阶段分类典型内容工作目标传感器温度、压力、液位参数信号的跟踪记录,偏差程度确认、故障的调校、故障元件的安全更换确保信号正确,灵敏现场仪表
温度、压力、液位参数的巡检,偏差程度确认、故障判断、故障元件的安全更换确
保数据正确,灵敏,能给传感器的校对,现场巡检提供真实有效的数据安全附件检查投用情况,定期巡检,确保安全附件有效投入,避免人为误操作确保安全阀,爆破片及其附属管路正常有效,处于对系统实时保护系统定期对SIS系统连锁投用情况进行核对,
针对未投用的应做登记签字确认。

并对错误信号进行在线检查,恢复。

对硬件损坏
应作出正确判断,安全更换确保SIS系统按设计正确投入,确保投入的状态参数合理,不发生误动作对系统造成附加灾害执行机构严格巡检制度,确保巡检有效性,针对执
行机构的状态、动作进行严格核对,对故障作出及时判断、正确的响应确保执行机
构的灵敏、有效
3.3 改造阶段
系统的升级改造阶段也应按本质安全阶段和运行维护阶段的制度原则进行循环作业，尤其要注意结合工艺风险分析及保护层思想对改造部分的安全投入或者旧系统的安全撤出必须进行分析。

往往很多的安全风险是在改造阶段或者改造后投入阶段发生重大危险事故的。

整个改造过程中可以按HAZOP及LOPA分析方法进行评估，
根据实际需要建立完整的操作管理流程，应急预案。

4 结语
企业作为安全生产管理的主体，安全生产管理工作应占主导地位，而非辅助地位，其包含了工艺、设备、仪表自动化、消防、安全应急、维护、培训等诸多过程中，为了找到一条长效的安全机制，仅仅停留在条款及制度层面是远远不够的，需要从理论体系的源头解决出路，从而指导安全生产管理。

HAZOP是一种工艺危害分析的定性分析方法，LOPA是安全完整性定级的一种半定量方法，是目前公认的最完善的工艺安全评价体系。

应用HAZOP进行分析，再对HAZOP提出的风险场景进行LOPA分析，可提高安全评价的准确性及客观性[6]。

它们的应用不仅仅体现在设计阶段，而在项目建设阶段、运行维护、技术改造过程中都可以应用类似的思想和方法进行安全管理工作，目的就是要建立适合企业自身的一套完善的安全管理体系。

参考文献
【相关文献】
[1] 赵庆贤.基于HAZOP方法的加氢工艺自动化安全控制[J].中国安全生产科学技
术,2010,6(6):169-172.
[2] 关于进一步加强危险化学品建设项目安全设计管理的通知[R].安监总管三[2013]76号.
[3] 关于加强化工过程安全管理的指导意见[R].安监总管三[2013]88号.
[4] 关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见[R].安监总管三[2014]116号.
[5] Center for Chemical Process Safety.保护层分析—简化的过程风险评估[M].白永忠,等译,中国石化出版社,2010.
[6] 许芝瑞.HAZOP和LOPA两种安全评价方法的集成研究[J].安全与环境工程,2011,18(5):65-68.。