HAZOP-LOPA分析在工程類教學實驗室中的應用

邵倩倩， 許 諾， 李 旺

（1.廣東石油化工學院石油工程學院，廣東茂名 525000；2.國家石油天然氣管網集團西南管道公司分控中心，成都 610041）

0 引 言

為提高高校學生實踐能力，培養實踐型人才，實驗室作為高校教學與科研工作開展的重要場所，已成為高校發展建設中的重要部分。由于實驗室使用頻率高、人員流動大、危險因素多，實驗室安全一直困擾著各高校，也是高校日常安全管理工作的核心所在，如何對其進行安全管理一直是實驗室相關人員的研究重點［1-4］。盡管如此，實驗室安全事故仍時有發生［5］，如2015 年12 月北京某大學實驗室爆炸，導致1 名學生死亡；2018 年12 月北京某高校實驗室爆炸，導致3 名學生死亡［6-7］。事故分析顯示，這些高校實驗室事故的主要原因是相關人員安全意識不強、對實驗室危險識別不敏銳、實驗室管理機制不健全［8］。為此，許多研究者關于如何加強實驗室安全有針對性地提出了一些改進措施，包括健全安全責任體系、完善管理制度、改進安全硬件設施和進行安全培訓教育等［9-12］。

除了在高校實驗室管理制度等方面進行完善，根據學科性質對實驗裝置的安全性進行定期分析評估以保障實驗室安全也十分必要［13-15］。高校的實驗教學設備大體可以分為兩類：標準設備和非標設備。尤其對于工程類學科教學實驗室，學科性質導致實驗室內有較多非標設備。這些非標設備的介質可能為易燃易爆介質或危化品，操作條件可能為高壓高溫條件。因此，在該類非標設備進場前有必要進行安全評估，以確保該設備在實驗室內能夠安全有序地運行。但是目前絕大多數的高校實驗室對非標設備的安全評估并沒有一個完整且有效的體系，而且往往依靠專家的經驗進行評估，不能保證評估結果的完整性。HAZOP-LOPA分析是一種最早用于化工裝置設計階段和運行階段的評估體系。本文通過引進HAZOP-LOPA分析的方法，并考慮實驗室非標設備的特殊性，對該方法進行了一定程度的改進，以油氣儲運工程專業蒸發損耗實驗室為例進行HAZOP-LOPA分析，通過分析確定該實驗室是否處于安全平穩的運行狀態，并提出改進措施和方法，以期制定一套完整且具有一定公認性的評分及評價規則。

1 HAZOP-LOPA分析方法及發展

1.1 HAZOP和LOPA分析方法介紹

HAZOP（Hazard and Operability Analysis）是一種對危險和可操作性分析的方法，可以用于識別工藝缺陷、過程危險和操作性問題。該方法最早起源于20 世紀60 年代英國帝國化學公司（ICI）［16］。根據美國化工協會化學過程安全中心（CCPS）的介紹，HAZOP 對于確定危險和識別設計、操作對規范等的偏離是非常有效的。HAZOP分析還可以找到工藝裝置的隱患并對其進行評估分析，從而提出建議和改進措施。

目前HAZOP 分析有兩種方法，分別是引導詞法和經驗法。引導詞法是指利用引導詞來定性或定量地給出對設計意圖的偏離，以激發頭腦風暴式的思維，來發現偏離的誘因和后果，確定現有的安全措施，并提出建議［17］。經驗法是指利用專家的經驗，將工藝裝置和設計規范以及同類安全運行裝置進行比較，并利用相應的檢查表格或軟件來進行評估和分析。兩種方法各有優缺點，在石油化工行業都得到廣泛的應用。

LOPA（Layer of Protection Analysis）是對保護層分析的簡稱，是一種簡化的半定量風險分析方法［18-19］。LOPA通常使用初始事件頻率、后果嚴重程度和獨立保護層失效頻率的數量級大小來近似表征場景的風險，是對事故場景風險進行半定量評估的一種系統方法。

LOPA最早起源于20 世紀80 年代末，美國化學品制造協會提出將“足夠的保護層”作為有效的過程安全管理系統的一個組成部分。1993 年，CCPS 正式提出LOPA 方法［18］。隨著時間的推移，越來越多的協會、組織和規范采用LOPA 作為安全評估方法之一。目前LOPA方法已在全世界范圍得到了廣泛的應用，我國國家應急管理部發布了《保護層分析（LOPA）方法應用導則》（AQ/T 3054—2015）用以指導工藝裝置的LOPA分析。

1.2 HAZOP-LOPA分析方法改進

傳統的HAZOP 分析可以歸納為四個層面：分析因某個參數偏差而產生的危險源、分析危險源可能產生的后果、分析現有的手段能否緩解該偏差、對最后產生的后果進行危險定級，因此可以生成HAZOP 報告。針對HAZOP報告，再引入LOPA保護層的概念提出有效的預防和保護措施。

HAZOP和LOPA目前在工業中已經得到了廣泛的應用，但是在實驗室內應用較少。實驗室內裝置與工廠中的裝置在本質上雖屬于相同類型，但仍存在一定的差異。主要差異在于企業對風險的可接受能力要大于學校；同時企業的工藝裝置都有聯鎖保護，而實驗教學裝置的安全防護相對簡單，較少用到連鎖控制；與學校相比，企業對設備制造和設計單位資質的審核更為嚴格，對操作人員的培訓也更完善。因此不建議直接將HAZOP 和LOPA 方法運用到實驗室裝置的安全分析和確定，而應根據實驗室裝置的特殊性進行一定程度上的改進。

（1）后果嚴重性評定標準的改進。傳統的HAZOP分析對工藝裝置危險源的產生后果嚴重性判定往往通過3 個方面：員工傷害、財產損失和環境影響。每一個方面根據后果的嚴重程度設置5 個等級，構成后果嚴重性評定標準的風險矩陣圖。實驗室裝置規模要遠遠小于生產裝置，一般而言事故后果的嚴重程度要小于常規石油化工生產裝置，對其嚴重等級應重新劃分。重新劃分后，后果嚴重性評定標準見表1。

表1 基于實驗室裝置的事故后果嚴重性評定標準

此外還應當增加對實驗結果的影響。考慮到教學實驗室裝置大多規模較小，因此可以通過仿真軟件進行事故模擬。為了更直觀地表述事故后果，在改進中增加了定性分析，利用商業軟件PHAST對可能產生的事故后果進行模擬，從而能夠更好地判斷事故后果的嚴重性。

（2）事故可能性評定標準的改進。傳統的HAZOP分析中的事故可能性評定標準往往分為3 個方面，分別是硬件控制措施、軟件控制措施和事故發生頻率。在硬件控制措施上，需要考慮是否有被動防護系統（防護系統是否獨立）、是否有檢測程序、過程是否受控以及工藝安全操作規程是否完善。軟件控制措施包含了操作指導、紀律和培訓是否完善、員工操作是否熟練等。上述事故可能性評定標準在石油化工企業已經十分完善，但并不能完全應用于實驗室設備和裝置的評估。其主要原因是：實驗室裝置較石油化工企業裝置而言規模較小；教學類實驗更多是依靠學生操作，以達到鍛煉的目的，自動化程度相對企業裝置而言較低。因此根據實驗室的特殊性，做了如下調整：在硬件控制方面，增加實驗裝置操作手冊是否完善并上墻、是否有定期維護日志、實驗記錄本等日常管理文件是否齊全，同時實驗室內是否有防護裝置，如洗眼器、通排風設施、個人防護設施和消防器材等；在軟件控制措施上增加了是否在實驗前進行安全培訓，實驗過程中教師是否全程在場等。

1.3 實驗室HAZOP-LOPA分析方法

HAZOP-LOPA 分析方法在實驗室安全分析中的應用步驟如下：

（1）準備工作。確定分析的范圍，準備裝置的流程圖，收集相關資料，會議記錄和確定分析小組人員名單。

（2）節點劃分。根據工藝流程進行節點劃分，對各節點的設計意圖進行描述。

（3）HAZOP分析。確定偏差，分析引起偏差的原因和后果，列出安全保護措施，對風險的嚴重性和可能性進行定級，再根據風險矩陣圖進行最終評估，并提出合理建議措施。記錄分析過程，并循環上述分析過程直至所有節點都已使用。

（4）LOPA分析。根據HAZOP 分析結果，篩選出風險等級較高的偏差，確定初始事件（IE）頻率，評估獨立保護層（IPL）并確定其失效概率（PFD）。根據后果等級，使用風險矩陣圖確認場景風險的可接受頻率，將場景頻率計算結果與可接受頻率進行對比，進行風險評估與決策。當場景頻率計算值低于場景風險的可接受頻率，則可認為該場景為低風險，并且有充足的保護和減緩措施，可以進行實驗。反之，該實驗應暫停。待整改達到要求后，方可繼續實驗。

（5）根據HAZOP-LOPA 分析結果，編寫分析報告，并判斷該實驗裝置是否可以繼續使用。對不能繼續使用的實驗裝置，提出改進措施和建議。詳細步驟如圖1 所示。

圖1 HAZOP分析流程圖

2 HAZOP-LOPA 分析在蒸發損耗實驗室風險分析中的應用

2.1 蒸發損耗實驗內容

油氣儲運工程專業是綜合性較強的工程類專業，涉及長距離管道輸送、油庫、油氣集輸和城鎮燃氣等。其實驗涵蓋范圍較廣，大多實驗器材屬于非標設備。蒸發損耗實驗是油氣儲運工程專業本科生必修實驗課之一。該實驗旨在使學生對油罐由于溫度變化而引起的“小呼吸”損耗有所認識，并通過實測油罐蒸發損耗量來驗證《油庫設計與管理》課本中小呼吸損耗的理論計算公式［20］。儲罐“小呼吸”是指由于儲油罐內氣體空間溫度和油氣濃度的晝夜變化而引起的油品損耗。蒸發損耗實驗裝置如圖2 所示。裝置內的儲罐存放有0.065 m3的汽油，同時在實驗過程中需要對該儲罐進行加熱升溫，汽油揮發后容易與空氣混合形成可燃氣體混合物。我校該套設備購置于2010 年，設備老舊，使用人員多，因此存在一定的安全隱患，需要對其進行安全分析后方可繼續使用。

圖2 蒸發損耗實驗裝置示意圖

為了保證本次HAZOP 分析的權威性和公正性，特邀請了具有豐富HAZOP-LOPA 分析經驗的工程技術人員作為主席，對該實驗室內的安全進行評估，小組成員包含了多位專業教師、實驗員和高級工程師。

由于HAZOP需要對工藝與管道儀表流程圖進行分析，因此針對蒸發損耗實驗裝置，本文繪制了較為簡單的工藝與管道儀表流程圖，為后續分析做準備。繪制的工藝與管道儀表流程圖如圖3 所示。當儲罐受熱后，儲罐內氣體會通過罐頂閥門N2、N3和N4向外排出油氣混合物，通過流量計FG001 可以測量所揮發的油氣混合物體積，通過氣體分析儀可以測量其油氣濃度。

圖3 蒸發損耗實驗管道和儀表流程圖

根據《危險化學品重大危險源辨識》（GB18218—2009）中的規定，本實驗裝置汽油含量小，不屬于重大危險源，因此無須考慮設置SIS（安全儀表系統）等安全措施。

2.2 部分分析結果

根據本裝置的實際情況，本次分析采用溫度、壓力和液位3 個引導詞進行偏差分析。由于該裝置較小，本次只需要考慮一個節點即可，通過HAZOP 分析，發現潛在問題4 處，提出改進措施12 條。通過LOPA分析，提出具體建議4 條。以選取溫度高為例，來闡述HAZOP-LOPA在工程類教學實驗室的應用研究。

出現溫度高的可能原因如：加熱裝置加熱速度過快，學生和老師沒能及時觀察；實驗結束后加熱裝置忘記關閉，一直保持加熱狀態；測溫裝置失效，實際溫度遠超溫度計顯示讀數。上述原因可能引起的儲罐溫度過高會引發以下后果：出現更多的油氣混合物并排出至實驗室內，遇到實驗室內非防爆電器時，可能會引起爆炸。

為了更好地進行定量分析，以判斷事故后果，假設儲罐外界溫度在半小時內由20 ℃上升至60 ℃，正常情況下儲罐內汽油體積為0.065 m3，儲罐體積為0.26 m3。根據API 2000 第7 版可以估算出該小型儲罐呼出的氣體量為0.08 Nm3。利用PHAST軟件對該儲罐進行事故后果模擬，部分HAZOP 分析結果如表2所示。

表2 HAZOP分析部分結果

根據HAZOP 分析結果，繼續對上述場景進行LOPA分析，并進行半定量計算。LOPA分析如表3 所示，其中SIL為安全完整性等級。

表3 LOPA分析部分結果展示表

通過上述分析，可以判斷該實驗裝置存在一定的安全隱患，根據HAZOP-LOPA分析結論提出以下建議和改進措施。

（1）增加一套獨立的測溫裝置用于測量儲罐內溫度變化，便于與現有測溫裝置進行對比。

（2）該實驗室暫時不具備進行實驗的條件，增加通排風裝置，設置自動排風扇和專用萬向罩。

（3）增加可燃氣體報警裝置。

3 結 語

為對工科教學實驗室進行安全評估并提出防范措施，在HAZOP分析基礎上引入LOPA分析。基于實驗室裝置的特殊性，對HAZOP-LOPA 分析方法進行改進。為驗證所改進方法的可行性，對蒸發損耗實驗室進行安全分析。所改進的HAZOP-LOPA 分析方法不僅可以對實驗室風險進行量化分析，而且可以判斷現有的安全措施是否完善，是一種有效的實驗室安全分析方法，值得在工科院校推廣。

考慮到實驗室裝置老化的問題，建議每隔3 ～5 年進行一次HAZOP-LOPA分析以評估其安全性。此外，還需要規范實驗室內各項安全管理制度和條例。