HAZOP結合What-if方法在某延遲焦化裝置除焦中的應用

衣佳琳，王海彥，張繼國，吳 迪，袁 景

(1.遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001；2.遼寧石油化工大學 環境與安全工程學院，遼寧 撫順 113001；3.中國石油天然氣股份有限公司 撫順石化公司石油二廠，遼寧 撫順 113004；4.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580)

0 引言

HAZOP分析(危險與可操作性分析，即Hazard and Operability Analysis)是英國帝國化學工業公司(ICI)蒙德分部于20世紀60年代開發的1種以引導詞為核心的危險分析方法，經過幾十年的發展，HAZOP分析已成為過程工業應用最廣泛的分析方法之一[1-5]。在海外工程項目中，合同明確要求承包商應在設計階段開展HAZOP分析，而且作為1個非常重要的里程碑節點，整個分析過程有嚴格的跟蹤和審查流程。國內在該領域起步較晚，2013年，原國家安全監管總局和住房城鄉建設部《關于進一步加強危險化學品建設項目安全設計管理的通知》規定，涉及重點監管危險化工工藝、重點監管危險化學品和危險化學品重大危險源(簡稱“兩重點一重大”)和首次工業化設計的建設項目，必須在基礎設計階段開展HAZOP分析。同年，行業標準《危險與可操作性分析(HAZOP)應用導則》(AQ/T 3049—2013)發布并實施，明確了HAZOP分析的技術原理和工作流程[6]。2017年，國家標準《危險與可操作性分析(HAZOP)應用指南》(GB/T 35320—2017)出臺，體現了國家層面對該工作的重視程度不斷提高[7]。

HAZOP分析的理論依據是[8-11]：工藝流程的狀態參數(溫度、壓力、流量、液位等)一旦偏離設計意圖，就會發生問題或出現危險。HAZOP分析由不同專業和知識背景的技術人員組成的分析小組通過會議形式進行，即所謂的“頭腦風暴”。首先將工藝流程劃分為若干個節點，然后匹配引導詞(none,less,more等)和工藝參數(溫度、壓力、流量、液位等)，確定有意義的偏離，通過討論形式辨識偏離產生的原因，以及如果任由其發展將導致的后果。為避免危險發生，識別獨立有效的保護措施，確定風險級別，并判斷剩余風險是否可以接受。本偏離完成后再進行下一偏離分析，本節點內所有偏離完成后再分析下一節點。常規HAZOP分析流程如圖1所示。

圖1 常規HAZOP分析流程Fig.1 Procedure of traditional HAZOP analysis

目前，國內HAZOP分析相關研究和應用主要以工藝過程風險分析為主，對操作人員誤操作等人的不安全行為造成的風險關注較少。相關研究結果表明，絕大部分傷害事故是由于人的不安全行為造成的，僅少量是由不安全的環境和生產條件造成的(如杜邦公司的不安全行為造成傷害的比例為96%)[12-13]。另外，精細化工大量采用間歇操作的形式，相比于傳統的石油化工行業，人的參與度更高。因此，開展針對操作人員誤操作以及操作規程的風險分析有非常重要的意義。Schurman等[14]引入1套新的引導詞(錯過、時間不當)和參數(人、信息、行為)，將對人為因素可能引起的危險的分析整合到HAZOP分析中；Mushtaq等[15]提出將間歇過程分解為3個操作階段(加料、卸料和反應)的研究方法，加料和卸料被視為連續過程，而將反應分解為不同的操作，例如混合、加熱等；付建民等[12]結合實例開展針對操作規程的HAZOP分析，提出通常可取“未完成”、“部分完成”、“順序錯誤”作為引導詞。

本文提出采用HAZOP結合What-if(故障假設)的方法分析在操作過程中可能存在的危險與可操作性問題，系統說明該方法的技術原理以及與傳統HAZOP分析方法的區別，并在某延遲焦化裝置除焦操作的分析中應用該方法。

1 HAZOP結合What-if技術原理

人的不安全行為具有多樣性和不確定性，傳統HAZOP分析方法常用的“引導詞+參數”構成偏離的方法難以與操作過程中的不安全行為一一對應。例如簡單的打開閥門動作，可以識別出“開閥速度快”、“開閥速度慢”、“開閥順序顛倒”等多個場景，若采用傳統的HAZOP分析方法則無法識別以上場景。

HAZOP結合What-if方法是在傳統HAZOP分析的基礎上，引入What-if(故障假設)，其技術原理為進一步加深“頭腦風暴”，分析的基礎通常為操作規程或作業指導書，小組成員需要熟悉現場操作的過程和風險點，了解操作人員在壓力、不良情緒等消極因素影響下可能做出的誤判、誤操作等。分析過程中可以把操作規程/作業指導書的各步驟作為節點，偏離為企業管理缺陷類別(如“操作規程/作業指導書錯誤”和“操作規程/作業指導書不具體”等)以及人的不安全行為類別(如“操作人員未按操作規程/作業指導書執行”等)。場景的原因針對具體的操作內容，如“反應器入口閥1和閥2操作順序顛倒”、“反應器入口閥1開閥速度過快”等，原因導致的后果通常從財產損失、人員傷害、環境污染等方面進行識別，然后根據后果的嚴重程度提出改進措施，如優化操作規程/作業指導書、重要的操作步驟專人監督、增加自動控制或安全聯鎖等。

2 與傳統HAZOP分析方法的區別

2.1 分析對象不同

傳統HAZOP分析方法是基于連續流程工藝開發的危險分析方法，經過多年的發展，其工藝參數從最基礎的流量、液位、溫度、壓力不斷擴展，基本可以涵蓋連續流程工藝的各種場景。而且裝置的自動化程度大幅提升，大部分煉油化工裝置的連續運行周期為4 a甚至更長，以往需要操作人員干預的工藝過程，如催化劑再生、備用反應器切換等，大多已實現順序控制，因此，操作人員的不安全行為對連續流程工藝的影響逐漸減小。

但是，仍然有一些工藝過程在現階段難以實現自動控制，如延遲焦化裝置的除焦作業、精細化工行業的間歇操作等，這部分操作過程往往需要操作人員的頻繁干預，經過人為判斷后再進行下一步操作。其基本特征是工作量大、操作頻繁、重復性高，這些特征造成操作人員誤操作的可能性相對較大。本文提出的HAZOP結合What-if方法主要應用在此類領域。

2.2 分析側重點不同

傳統HAZOP分析方法以工藝管道和儀表流程圖(P & ID)為主，以操作規程/作業指導書為輔，重點關注連續流程工藝的控制方案和非正常工況下的保護措施。首先根據工藝目的和操作條件將流程分割為若干個節點，然后匹配引導詞和參數確定有意義的偏離，逐個場景進行分析，不斷循環，直到所有的節點和偏離分析結束。其基本思想是盡量降低操作人員對工藝過程的干預，采用工程技術措施消減風險。

HAZOP結合What-if方法以操作規程/作業指導書為主，以工藝管道和儀表流程圖(P & ID)為輔，通常將操作規程/作業指導書的各步驟作為分析節點，偏離為企業管理缺陷類別以及人的不安全行為類別，其分析過程重點關注操作過程中的不安全行為及相應的后果，對于后果嚴重程度較低的場景通過優化操作規程/作業指導書、專人監督操作等管理性措施解決，對于后果非常嚴重的場景，建議增加自動控制或安全聯鎖等工程技術措施。

2.3 分析小組角色不同

在傳統的HAZOP分析過程中，工藝、儀表專業等設計人員是分析的“主角”，因為傳統HAZOP分析更多關注工藝控制方案和聯鎖保護措施等，對這部分內容最熟悉的就是設計人員。操作人員在分析過程中一般充當“配角”，其更關注設備檢維修方案及操作的便利性。而在HAZOP結合What-if方法分析過程中，設計人員和操作人員的角色正好相反，即操作人員是“主角”，設計人員是“配角”，因為該方法的分析基礎是操作規程/作業指導書，操作人員更熟悉在操作過程中可能出現的誤判、誤操作等。

3 在某延遲焦化裝置除焦操作分析中的應用

某延遲焦化裝置設計公稱規模為240萬t/a，操作彈性為70%～130%。設計連續生產時間為4 a，年開工時間8 400 h，為2爐4塔設置，按24 h或36 h周期切換焦炭塔生產。裝置主要產品為焦化汽油、焦化柴油、焦化蠟油、凈化干氣、凈化液化氣及石油焦。

焦炭塔區是延遲焦化裝置的核心工段，操作溫度普遍高于物料的自燃點，火災危險性大，而且切換頻繁，操作復雜，經初步估計，1次完整的切換作業操作人員需要操作幾十個閥門，且閥門均為現場操作，發生誤操作的可能性較高。

根據企業提供的操作規程，1次完整的切換作業總共包括13個步驟：切換四通閥開始進料-生焦-切換四通閥停止進料-小吹汽-大吹汽-給水-泡焦-放水-開頂蓋、底蓋-除焦-關頂蓋、底蓋-趕空氣試壓-油氣暖塔。本文采用HAZOP結合What-if的方法，以其中的“給水-泡焦”為例，介紹該方法在延遲焦化裝置除焦操作分析中的應用。

“給水-泡焦”的詳細操作步驟如下：

1)打開冷焦水泵，控制給水流量；打開冷焦水管線DN100旁路閥(位于管線CCWS-2002上)；通過PI3001E的壓力顯示控制給水線調節閥調節給水流量，防止焦炭塔超壓。

2)關斷給汽線DN250主閥(位于管LS-1057上)。

3)開始小給水冷焦，記時器記時60 min(時間可根據裝置實際操作調整)。

4)切換大給水冷焦，打開冷焦水給水線DN350主閥(位于管CCWS-2002上)，關閉DN100的旁路閥，加大冷焦水泵給水量。開始大給水冷焦(大給水時間根據裝置實際操作確定)。

5)當焦炭塔冷焦水液位高高，慢慢打開冷焦溢流線上的閥門EVZ-127(位于管線CCWR-2002/1上)，排放冷焦水，排水時間計時60 min(該參數可根據裝置實際操作調整)，同時關閉吹汽放空閥EV-104A，防止水進放空塔。

6)當C-101A塔壁溫度中最高溫度小于100 ℃，并且壓力PI3001E小于0.030 MPa(該參數可根據裝置實際操作調整)，關斷冷焦水泵出口流量控制閥，停止冷焦供水。關斷給水線DN350主閥EVZ-104A(位于管線CCWS-2002上)。

7)打開第2道呼吸閥EVZ-109A，同時手動打開第1道呼吸閥EVZ-134A。

8)浸泡60 min(該參數可根據裝置實際操作調整)，允許開始冷焦水排放。

9)慢慢打開排水線上的DN350的閥門EVZ-105A(位于管線CCWR-2003上)，排放冷焦水，排水時間計時180 min(該參數可根據裝置實際操作調整)。

10)冷焦水排放完成后，關閉閥門EVZ-105A。

將“給水-泡焦”作為1個節點進行分析，根據HAZOP結合What-if方法的技術原理，偏離為企業管理缺陷類別(如“操作規程/作業指導書錯誤”、“操作規程/作業指導書不具體”等)以及人的不安全行為類別(如“操作人員未按操作規程/作業指導書執行”等)，場景的原因針對具體的操作內容，部分分析結果如表1所示。從表1可以看到，分析識別出本節點“操作規程錯誤”2項，“操作規程不具體”1項。企業反饋操作人員經過專項培訓且操作有專人監督，因此認為不存在“操作人員未按操作規程執行”的場景。根據建議措施，企業應對操作規程進行優化和完善，并納入變更管理，加強對操作人員的培訓，提升企業的生產安全水平。

表1 “給水-泡焦”節點部分分析結果Table 1 Partial analysis results of “feed water-coke soaking” node

4 結論

1)在傳統HAZOP分析的基礎上結合What-if(故障假設)，分析操作過程中的危險與可操作性問題。該方法可以定性識別復雜操作、間歇作業等過程中的隱患和風險。

2)針對具體操作開展HAZOP結合What-if分析，企業可以在以下3個方面受益：更新并完善操作規程/作業指導書，提高操作的安全性與合理性；根據風險評級，關鍵操作設置自動控制或安全聯鎖，降低誤操作的風險，提高本質安全水平；為操作人員上崗培訓提供生動素材，幫助其快速理解操作規程/作業指導書，改善培訓效果。

3)需要注意的是，HAZOP結合What-if分析仍然是1種定性分析方法，為保證分析的質量和效果，企業應組織各專業有經驗的操作人員參與到分析過程中。