基于HAZOP與LOPA的鍋爐水處理系統風險評估方法及應用

李慧領，江楠，張建，鄧波

（1華南理工大學化工機械與安全工程研究所，廣東 廣州 510641；2廣東省特種設備檢測研究院佛山檢測院，廣東 佛山 528000）

鍋爐用水的質量嚴重影響著鍋爐的安全與運行，水質不良將導致鍋爐管道的結垢和腐蝕，直接影響鍋爐的熱效率和材料強度，縮短鍋爐壽命甚至引發鍋爐泄漏及爆炸事故。鍋爐水處理工作即是采用物理化學方法除去給水中的各種雜質，防止鍋爐水汽系統結垢、腐蝕和積鹽等現象的發生，保證蒸汽品質，延長鍋爐安全使用壽命。

鍋爐水處理系統的正常運作與各階段的處理效果密切相關。水處理后續階段產生的問題，如：蒸汽鈉、硅含量超標對用汽設備的不良影響，排污率偏高（排污率每增大1%，燃料的消耗量就增加0.3%[1]），凝結水對鐵、銅材質設備的腐蝕等普遍存在。近年來，迅猛發展的新型水處理技術有效克服了常規水處理技術的缺點，同時為鍋爐在防腐阻垢、節能環保狀態下高效運行開辟了一條科學而行之有效的技術新途徑[2-5]。

環境因素日漸動態多元化的今天，頻繁多發的生產事故給社會帶來了嚴重的生命財產損失并產生了難以估量的消極影響，因此，社會大眾對風險的全程性研究進展越來越關注。縱觀國內外在鍋爐水處理方面的研究，通常集中在新技術、新工藝的探討與實踐上，而對鍋爐水處理系統的風險評估和安全管理報道很少。為減少化工裝置的事故風險，一些學者[6-7]將保護層分析法應用到化工裝置中，有效地控制了化工裝置安全事故的發生。本文將保護層分析（LOPA）法引入到電站鍋爐水處理系統中，從化工過程安全的視野對鍋爐水處理系統防腐阻垢性能進行風險評估，確定其工藝是否合理、保護層是否足夠。

接連發生的重特大安全生產事故催人警醒，使人的生命安全被提上了新的日程。基于此，本文推薦“人本管理”作為企業的經營思想，結合運用LOPA法使相關企業的風險管理模式由傳統的基于經驗的管理轉變到系統的、“以人為本”的工藝安全管理，使之能有效地控制和減少鍋爐安全事故的發生，提高企業的風險管理水平。

1 保護層分析方法簡介

1.1 HAZOP和LOPA

危險性和可操作性分析（hazard and operability，HAZOP）是一種用于設計安全審核的技術，可識別危險性和可操作性問題的形式化和系統化。然而，該方法不能將識別出的問題進行量化。自2000年以來，保護層分析[8]（layers of protection analysis，LOPA） 因具有客觀、半定量、以風險為基礎的特點，成為國際上廣泛采用的一種安全設計和管理技術，并且可以有效地評估過程危險。LOPA法是HAZOP法的繼續，可以彌補HAZOP分析中殘余風險不能定量化的不足，并豐富和補充HAZOP分析結果。

1.2 LOPA的分析步驟和計算方法

LOPA在分析之前應先選擇事故場景，然后確定事故場景的后果，編制風險矩陣并確定風險等級。本文在全面分析和系統總結國內外目前采用的風險矩陣評估方法的基礎上，針對風險矩陣方法的不足，結合我國化工行業風險評估的客觀實際和需要，對其作了適應性改進，如表1所示。該矩陣基于HAZOP，將事故發生頻率分為7個等級、事故后果的嚴重程度分為5類、風險分為4個等級。

為了突出LOPA法的客觀和半定量特點，進一步提高HAZOP的事故預防能力和豐富HAZOP的分析結果，本文將LOPA法融合在HAZOP分析中，并對LOPA的主要分析步驟進行了優化，見表2，以實現風險評估團隊易操作該方法的目的。其中，事件概率和失效概率均可以通過統計資料的分析和技術判斷獲得[10]。

表1 風險評估矩陣新探討

表2 LOPA主要分析步驟

在LOPA分析中，未減輕事件是指未考慮任何安全措施而發生事故的事件，其風險稱為潛在風險；減輕事件是指采取獨立保護層措施后，發生事故的事件，其風險稱為剩余風險[11]。首先分析事件鏈的發展過程及各事件概率，確定未減輕事件的潛在風險水平；然后分析獨立保護層措施及其失效概率（PFD），確定減輕事件的剩余風險水平。本文作者根據文獻[12]相關結論，對未減輕事件和減輕事件發生頻率的計算公式進行了優化，如式（1）、式（2）。

式中，fC是未減輕事件發生頻率，a-1；fi是始發事件、條件事件、后果事件發生頻率，a-1；fR是減輕事件發生頻率，a-1；PFDj是各獨立保護層措施（IPLs）失效概率，a-1。根據表1，由事故后果的嚴重等級和事故發生頻率等級計算事故的風險等級，然后從表3[11]可獲悉與之對應的建議措施。

2 LOPA法應用于鍋爐水處理系統

本文以某電廠高壓煤粉鍋爐的水處理系統為例進行風險評估。該鍋爐規格為220t/h、9.81MPa，其水處理工藝為：經過除氧器出口向鍋爐給水（脫鹽 水）中加入氨水，將pH值調整至8.8～9.3，使用聯胺除氧、磷酸三鈉除鹽，分別由加藥泵連續加入汽包。整套裝置由原水過濾單元、凝結水除鹽單元、除氧及爐水加藥單元等組成，見圖1。

表3 風險等級劃分及應對措施[11]

圖1 高壓煤粉鍋爐水處理工藝流程簡圖

2.1 鍋爐水處理系統HAZOP分析

將鍋爐水處理工藝各個單元如補給水處理系統、凝結水處理系統、給水及爐水加藥系統等劃分為節點，節點劃分詳見圖1。對各節點的偏差、原因、后果、保護措施進行詳盡的分析。該系統的HAZOP分析結果舉例見表4。

2.2 鍋爐水處理系統LOPA分析

經該廠風險管理層資料調查和會議討論后決定：采用新型EWPT-6207/6351鍋爐水處理劑替代原用的水處理劑（氨水、聯胺和磷酸鹽），在鍋爐運行過程中對給水和爐水的水質狀況進行日常監測，并對設備實施狀態檢修。如果1級防護層——鍋爐水處理劑失效，將引起水質不良，造成管道等腐蝕、阻垢，腐蝕會引起爐管耐壓強度下降，阻垢會引起流體阻力的增加，當腐蝕、阻垢進行到一定程度時，鍋爐內壓力的增加（但壓力小于安全閥的開啟壓力），甚至正常運行時的壓力都可能引起爆管等事件的發生。因此，風險管理層慎重考慮后，認為應把水質日常監測和狀態檢修作為2級和3級保護 層[13]。

表4 水處理系統的HAZOP分析結果（部分）

EWPT水處理劑避免了原藥劑帶來的負面影響，可有效穩定控制給水pH值，盡可能清除溶解氧，將蒸汽中的鈉、硅等指標控制在規定的范圍內，保證爐水的良好品質。另外，風險管理層摒棄傳統的定期檢修制度，采用狀態檢修。因EWPT水處理劑獨立于其他保護措施，是專門針對控制腐蝕結垢而設計，同時對其進行定期的審核與檢驗，故屬于本質安全設計保護層[14]；水質日常監測與設備狀態檢修有足夠的響應時間，且任務具有單一性和可操作性，故屬于操作人員行動保護層。其中，EWPT鍋爐水處理技術的PFD為0.02，水質日常監測與設備狀態檢修的PFD均為0.1[13]。

表4雖然給出了水處理系統水質不良等偏差的原因、可能導致的后果及已有的安全措施，但看不到以下信息：事故場景的風險水平是多少、安全措施是否有效、是否需增加新的安全措施等。本文根據文獻[13]中關于各初始事件的統計資料和技術判斷，在HAZOP分析后，對事故場景——“水質不良導致蒸汽品質降低和鍋爐結垢腐蝕”的發展過程及各階段風險數據進行了LOPA分析，詳見表5。

由表5可知，該事故場景的未減輕事件頻率（2.00×10-3）超過了風險可接受值（1.00×10-5），因此，需要補充其他安全措施或變更工藝；當采取了“EWPT-6207/6351鍋爐水處理劑、水質日常監測和狀態檢修”3級獨立保護層后，該事故場景的風險發生頻率從2.00×10-3明顯地降低到了2.00×10-6，風險等級從7級降為4級，剩余風險被控制在可接受范圍內。分析結果表明：此3級保護層已控制風險，不需要增加其他的安全措施。由此可見，LOPA分析進一步豐富了水處理系統的HAZOP分析結果，并且能夠提出切實可行的安全對策措施。由LOPA法豐富后的HAZOP分析結果（部分）見表6。

表5 水處理系統的LOPA分析結果（部分）

表6 結合LOPA法的HAZOP分析結果（部分）

3 安全對策及建議

3.1 工藝流程及檢修技術的建議

LOPA法側重于對事故場景的工藝危害進行分析，能揭示以往定性分析方法未涉及的鍋爐安全問題，為企業提供更精確的維護和維修信息。整個工藝流程應以計劃為中心，熟悉并掌握鍋爐系統的設計、運行及檢測等信息，具體建議如下。

（1）控制和減少水垢的形成。企業應選擇安全可靠、經濟合理的水處理工藝，操作人員應嚴把給水質量關，將水質pH值控制在7.0～9.6范圍[15]，發現鍋爐系統缺水或失水立即采取措施并上報。

（2）找出系統的腐蝕薄弱點，采取措施提高抗蝕能力。針對現場鍋爐系統的特點和出現的問題，給出切實可行的建議措施，例如對于燃煤鍋爐，控制煤中的硫含量，能夠有效減少和杜絕鍋爐管道的煙側腐蝕。

（3）狀態檢修。對高風險設備進行前景預測，由預測結果擬定檢修內容和時間，真正做到“應修必修，修必修好”，盡量少拆設備，延長設備的使用 壽命。

3.2 人本管理和人員行動保護層的建議

人命關天，發展決不能以犧牲人的生命為代價。這必須作為一條不可逾越的紅線[16]。從表象上看，鍋爐安全事故的發生是由于生產空間、設備、設施和人為差錯等因素所致，但深層分析近年來鍋爐事故原因可知，其根源是管理的缺陷和漏洞。

（1）由于人的不安全行為是發生鍋爐事故的主要原因，所以從企業安全的長遠發展展望，“以人為本”的管理模式[17]可成為大趨勢。

（2）安全是需要所有部門關注的問題，需要靠企業中每個人的努力來實現。LOPA法提供了一種可系統分析和評價的客觀方法，產能企業風險管理層可參照亨利·法約爾[18]的“五大職能”論并結合LOPA分析結果對本單位的鍋爐安全生產進行查漏補缺，保障安全信息流通的時效性和準確性。

（3）企業的最高管理層以身作則，從員工的心理生理性、行為性和鍋爐設備的人性化操作等方面入手，建立學習型組織，將鍋爐系統中不同專業人員的安全生產經驗充分匯總起來，集思廣益，從本質上對鍋爐系統進行安全改造和完善，預防和控制鍋爐安全事故的發生。

4 結 論

（1）用HAZOP與LOPA法對鍋爐水處理系統進行了風險評估，從系統和全程對工業風險展開研究，將以往側重于新技術新工藝的探索擴展到系統安全分析和風險評估的全過程，拓寬了鍋爐水處理系統安全研究領域。

（2）繪制出新的風險評估矩陣并編制了簡明合理的LOPA基本程序和計算公式，為鍋爐重大安全事故的預防及風險評估提供了理論參考。

（3）從系統安全的角度對鍋爐水處理系統危險與可操作性問題進行了歸納與梳理，提出了“LOPA+ 風險評估+人本管理”的安全運行新模式，為相關企業安全生產提供了技術參考和新的監控方法。

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