HAZOP與LOPA聯合分析在PTA生產裝置中的應用

謝 萍

(中國昆侖工程公司，北京100037)

精對苯二甲酸(PTA)是重要的大宗化工原料之一，主要用于生產聚酯纖維(滌綸)、聚酯薄膜和聚酯瓶片。PTA生產裝置工藝流程復雜，設備數量眾多，操作條件苛刻，操作介質具有易燃、易爆、有毒、腐蝕等特性，屬于典型的大型高危化工生產裝置，PTA生產系統的安全評估越來越受到人們的重視。作者利用危險及可操作性(HAZOP)分析方法與保護層分析(LOPA)方法相結合的方式，對PTA生產裝置設計過程中的潛在風險進行定性和半定量分析，并提出相應的風險控制方案。

1HAZOP與LOPA分析方法

1.1 概述

HAZOP是一種用于辨識設計缺陷、工藝過程危害及操作性問題的定性分析方法［1］。該方法通過系列的會議，以引導詞為核心，并由各專業人員組成的分析小組進行工藝設計圖紙及操作規程進行分析，以識別運行過程中可能出現的工藝參數變動及偏差，查找變動與偏差產生的原因，分析偏差對系統的影響及可能產生的后果，以此明確裝置或系統內及生產過程中存在的主要危險、危害因素，并針對變動與偏差的后果提出應采取的安全措施［2－3］。

LOPA是以定性危害分析為基礎的半定量風險評估方法，是溝通定性分析和定量分析的重要橋梁與紐帶。該方法用始發事件頻率等級、后果嚴重程度以及獨立保護層的失效概率，來評定事故場景的風險大小，目的在于確定是否存在足夠的獨立保護層［4］。

1.2 HAZOP與LOPA的關系

傳統的HAZOP分析只能定性的分析生產過程中存在的主要危險、危害因素，不能對風險進行量化。在HAZOP定性分析的基礎上引入半定量分析的LOPA方法，實現HAZOP與LOPA分析方法的有機結合與互相補充，可提高風險評估的科學性、全面性及可用性。

由HAZOP分析初步篩選出風險較大的事故場景作為LOPA的基礎;HAZOP分析中偏差產生的原因以及原因發生的可能概率則成為LOPA的始發事件及其概率估算的直接信息［3－5］，HAZOP中偏差的后果危險程度為LOPA中事故場景的后果及其嚴重程度提供了判斷依據;HAZOP中提列出的現有安全措施是LOPA中識別現有獨立保護層及其保護效果的基礎依據［6］。

2 HAZOP與LOPA聯合分析步驟

HAZOP是LOPA工作開展的基礎，LOPA是HAZOP分析結果的延伸與優化，兩者聯合分析的主要步驟如下:

(1)分析前的準備工作，包括各種資料的收集及人員的組織工作;(2)利用HAZOP進行節點分析，識別工藝系統內的偏差事件、偏差原因及結果;(3)初步判斷事件后果嚴重程度，找出后果嚴重事件，作為LOPA分析的事故場景事件;(4)確定事故場景起始事件頻率、保護層失效頻率及事件的后果，利用風險矩陣法計算事故場景事件的風險，根據企業的風險承受標準判斷該風險能否接受［3］;(5)對風險無法接受的場景事件，提出應增設的保護措施，按照步驟(4)重新計算該事故場景事件的風險，判斷增設的保護措施是否有效降低該事件的風險，以及風險水平能否接受，對于風險仍無法接受的，應考慮增設其他措施或改用其他工藝方法［3］。

3 HAZOP與LOPA聯合分析的應用

以1 200 kt/a PTA裝置為研究對象，應用HAZOP和LOPA聯合分析對該裝置進行風險評價，共劃分25個節點，分析各種偏差403項，提出相關安全建議措施46條。選取PTA生產中氧化反應單元作為分析節點，以此闡述HAZOP和LOPA聯合分析在PTA生產裝置中的應用。

3.1 分析準備工作

分析準備工作如下:組建HAZOP與LOPA聯合分析小組;準備必要資料，并發放到分析小組成員手中;確定分析過程中使用的嚴重等級、頻率等級及風險矩陣表。由于PTA生產裝置的復雜性，分析確定使用后果嚴重等級、頻率等級以及7×7風險矩陣見表1，表2，表3。

表1 后果嚴重等級Tab.1 Severity of consequences

表2 頻率等級Tab.2 Probability level

表3 風險矩陣Tab.3 Risk matrix

3.2 氧化反應節點

PTA氧化反應過程具有反應放熱強烈、反應傳質快，反應過程涉及氧化反應、氣液固三相傳質與平衡、以及物料在富氧狀態下易燃易爆的特征。節點流程見圖3。

圖1 PTA氧化單元節點流程示意Fig.1 PFD of PTA oxidation unit

在PTA氧化反應中，原料對二甲苯(PX)在以醋酸為溶劑，鈷、錳催化劑以及溴促進劑的作用下，經空氣氧化成粗對苯二甲酸(CTA)，反應壓力為0.9～1.5 MPa，反應溫度為180～210 ℃。反應后的尾氣經過多級冷凝后，一部分液相通過回流泵返回氧化反應器，另一部分液相通過流量控制送入溶劑脫水單元;氣相通過壓力控制送入尾氣處理單元;反應生成的漿料通過液位控制送入氧化結晶器。

3.3 氧化反應節點的HAZOP分析

(1)選擇的分析參數包括:反應器進料流量、反應器溫度、壓力、反應器液位等;(2)引導詞包括:無(none)、高(more)、低(less)、增加(as well as)、減少(part of)、邏輯相反(reverse)等;(3)分析小組成員通過會議集體討論，對PTA氧化反應系統可能出現的偏差事件、偏差原因及后果進行全面分析，列舉系統已有保護措施，識別出復雜的事故場景。根據表2所示的后果嚴重等級表確定事故嚴重性等級，根據偏差發生的原因確定始發事件頻率，并通過風險矩陣確定事故風險等級。

3.4 氧化反應節點的LOPA分析

對于HAZOP分析結果中嚴重性等級大于等于3的作為LOPA分析的事故場景，進一步辨識事故場景的起始事件、中間事件和后果事件。根據HAZOP分析列舉的已有保護措施識別系統獨立保護層，確定其失效概率;根據起始事件頻率及保護層失效概率，計算潛在事故消減后的發生頻率及頻率等級(見表2);并根據風險矩陣(見表3)確定當前保護措施下的風險等級，對風險不在可承受范圍內的，需要增加其他保護措施，并計算消減后的事故發生頻率，直至風險在可接受的范圍內［7］。

3.5 氧化反應節點HAZOP與LOPA聯合分析

從表4可知，通過對現有工藝節點的分析，氧化反應器壓力高的偏差會導致反應器壓力增高，嚴重時會導致反應器超壓泄漏(嚴重等級4)，已有安全措施包括壓力高報及安全閥保護等，消減后的事故頻率為1×10－5，風險在可接受范圍內，不需增加額外保護措施;對于空氣進料流量低的偏差，根據現有保護措施，消減后事故頻率為1×10－4，風險不能接受，建議增加相應安全措施，比如增加空氣分支管閥門的小開度限位等。

表4HAZOP與LOPA聯合分析報告Tab.4 HAZOP and LOPA combination analysis report

4 結論

a.通過對HAZOP與LOPA分析方法各自本質特點的分析以及對兩者關系的研究，將HAZOP與LOPA分析方法有機結合，實現兩者數據和信息的共享，解決了傳統的HAZOP分析中安全措施的有效性和風險等級不能量化的問題。

b.以PTA裝置中的關鍵生產單元氧化反應系統為示例節點，闡述了HAZOP與LOPA聯合分析方法在PTA生產裝置中的運用。按照HAZOP與LOPA聯合分析步驟，不僅可以辨識系統存在的危害因素和風險，提供可能發生的事故場景，并且能對現有保護措施的有效性進行半定量評估，并提出需要增加的安全措施，從而提高PTA生產裝置安全評價的科學性和全面性。

［1］ Kletz T A.HAZOP-Past and future［J］.Reliab Eng Sys Safety，1997，55(3):263 －266.

［2］ 王秀軍，陶輝.HAZOP分析方法在石油化工生產裝置中的應用［J］.安全、健康和環境，2005，5(2):6.

［3］ 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院.HAZOP分析指南［M］.北京:中國石化出版社，2008:120－122.

［4］ 張其立，邱彤，趙勁松，等.3種安全評價方法的集成研究［J］.計算機與應用化學，2009，26(8):963.

［5］ 周榮義，李石林，劉伺清.HAZOP分析中 LOPA的應用研究［1］.中國安全科學學報，2010，20(7):76 －81.

［6］ 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］.安全與環境工程，2014，21(3):99.

［7］ 劉國強.結合LOPA的HAZOP分析在油田火筒式加熱爐中的應用［J］.風險評價，2013，13(9):41.