LNG生產工藝安全風險評價研究

彭堯　陳宇

摘? 要：液化天然氣（LNG）是一種極易燃的危險化學品，在LNG生產的吸附、液化流程中存在著泄露、點燃與爆炸風險，因此有必要分析LNG生產工藝的風險等級。該文通過危險與可操作性（HAZOP）分析確定工藝流程的潛在安全風險。在此基礎上，通過保護層分析（LOPA）對可能出現的過程事故因素、可能導致的嚴重后果和現有的保護措施進行定量評價，確定風險的類型與等級大小，分析獨立保護層關鍵控制措施對主要風險點是否有效，將生產中的危險性盡可能降低，進而提高LNG生產工藝的安全性。

關鍵詞：危險與可操作性分析? ?保護層分析? ?LNG? ?生產工藝? ?風險評估

中圖分類號：TQ241.14;TQ086? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）09（b）-0038-05

Study on Safety Risk Assessment of LNG Production Process

PENG Yao? CHEN Yu

（Mianyang Flight College of Civil Aviation Flight University of China， Mianyang， Sichuan Province， 621000? China）

Abstract： Liquefied natural gas （LNG） is an highly flammable and dangerous chemical. There are risks of leakage， ignition and explosion in the adsorption and liquefaction process of LNG production. Therefore， it is necessary to analyze the risk level of LNG production process. This paper determines the potential safety risks of the process flow through hazard and operability （HAZOP） analysis. On this basis， the possible process accident factors， possible serious consequences and existing protection measures are quantitatively evaluated by protective layer analysis （LOPA）， determine the type and level of risk， analyze whether the key control measures of independent protective layer are effective for the main risk points， reduce the risk in production as much as possible， and then improve the safety of LNG production process.

Key Words： Hazard and operability analysis; Layer of protection analysis; LNG; Production process; Risk assessment

液化天然氣（LNG）由于其易燃易爆與低溫高壓性質，屬于重點監管的危險化學品。某企業LNG液態設計產量為72 t/d（-135 ℃，0.6 MPa.（G）），構成了三級重大危險源。根據國家安全監管總局規定，凡是涉及“兩重點一重大”的生產工藝，須在全面開展過程危險分析的基礎上，通過風險分析確定安全儀表功能及其風險降低要求，并評估現有安全儀表功能是否滿足風險降低要求。

在工業安全評價分析過程中，學者們廣泛采用了危險與可操作性（HAZOP）分析與保護層分析（LOPA）方法，建立了相應的安全評價模型，并逐漸完善、改進了評價體系。王占頂等人[1]將HAZOP和LOPA聯合分析，評估硫磺回收裝置保護層的有效性，滿足風險管控標準。閆放等人[2]引入相離度值來定量表述風險后果的嚴重程度，定量化地表述LOPA分析結果。齊峰等人[3]計算事故場景的發生頻率與嚴重性時考慮事故的多米諾效應，增加評估結果的準確性與可靠性。高玉格等人[4]通過HAZOP和LOPA分析了涉氨企業最小隔離區域范圍，發現當保護措施有效時，最小隔離區域可劃分在企業范圍內。陶冶等人[5]引入削減系數與故障樹分析（FTA）集成的方法對傳統LOPA進行改進，避免了傳統方法過于保守的評價結果。宋高峰人[6]等研究儲罐腐蝕聲發射源特性，建立基于反向傳播（BP）神經網絡的安全評價模型，并證實了該方法的有效性。李元軍人[7]提出涵蓋工藝、設備和變更3個方面的HAZOP分析方法，確保分析的完整性，拓展了分析理念和方法的運用范圍。葉海旺等人[8]通過HAZOP分析臺階爆破中存在的危險因素，運用層次分析法（AHP）確定評價指標的權重，最后基于模糊理論得到臺階爆破安全評分等級。Meng Y等[9]利用HAZOP報告中隱藏的偏差傳播關系優化警報管理系統，建立了檢測硬件故障和不合理報警閾值的方法。胡川等人[10]計算修正因子時分析了人員暴露概率與IPL、后果場景的關系，使LOPA計算結果更準確。王雨茜[11]根據定性與定量的安全風險分析方法，開發風險計算軟件，提高了SIL計算的準確性。周曉穎等人[12]根據HAZOP分析結果為基礎構建工藝風險數據庫，實現分析結果與實時生產過程有機在線結合。李海峰等人[13]應用HAZOP分析了聚醚裝置聚合單元潛在的危害性因素，提供了隱患整改依據。邱澤陽等人[14]運用現場監測數據挖掘的方法建立了指標偏離度計算模型，分析結果與運行情況相符。

研究結果顯示，HAZOP分析對于確定危險和識別設計、操作對規范的偏離（如設計規范、標準、規程等）是非常有效的。同時，也可利用HAZOP分析找出可能引發事故的隱患并對其進行評估。在定性危害分析的基礎上，LOPA分析可以進一步評估保護層的有效性，對風險進行相對量化（準確到數量級）的研究，從而判斷在該場景發生時系統所處的風險水平是否達到可容許風險標準。因此，該文將HAZOP與LOPA兩個分析評價方法結合，對LNG生產工藝流程進行全面的安全評價分析。

1? 背景介紹

1.1 工藝流程

該企業LNG生產工藝主要包括分子篩吸附脫水和二氧化碳、活性炭吸附脫苯、氮氣循環的串聯增壓并聯膨脹的雙膨脹機液化流程。整個工藝系統包括原料氣壓縮系統、天然氣純化系統、天然氣純化系統的再生和天然氣液化系統等。

管道輸送來的原料天然氣首先進入分離器去除機械雜質和游離液體，經Y型過濾器進入原料氣壓縮機組;增壓后經水冷卻器，從出口分離器進入純化系統，在純化系統中脫除其中的芳香族化合物至小于1 ppm，經過粉塵過濾器后進入分子篩純化器脫除其中的H2O至小于1 ppm，CO2至小于50 ppm;然后通過粉塵過濾器，去除粉塵后進入液化冷箱。天然氣進入液化冷箱后，被返流的天然氣與氮氣冷卻至-143.9 ℃后形成中壓的LNG，經節流閥節流降壓后在罐中儲存。

1.2 現有控制系統

現有儀控系統采用中央集中監測控制為主，機旁盤和就地儀表監測控制相結合的原則。儀控系統采用DCS（集散型控制系統），天然氣壓縮機、氮壓機等各機組及各種泵的電機聯鎖保護均由DCS系統完成，當工藝參數超限時，能記憶、顯示、打印并報警。分子篩吸附器、膨脹機等設置儀表柜。分析室設置在線分析儀器柜，主要數據送入中控室DCS顯示、報警。設置就地控制系統4項，自動控制系統20項，報警連鎖系統31項，并配備氣體檢測報警系統、可燃氣體濃度超標檢測報警、聯鎖裝置停車。

2? 危險與可操作性分析

HAZOP（Hazard and Operability的英文縮寫）是對危險與可操作性的簡稱，采用該方法可以系統地分析復雜工藝過程和操作，以確定和評估由于錯誤操作、錯誤執行或偏離設計目的而引起的潛在危險和后果，以便將這些危險排除或進行有效控制。

該文中的HAZOP分析采取現場討論會的形式，通過分析裝置工藝管道及儀表流程圖來識別、判斷該項目中潛在的危險，對工藝過程中的危險源和可操作性等問題展開討論。在分析的結果基礎上，判斷LNG生產工藝過程現有風險水平是否達到可容許風險標準。經過核實設計數據、審查安全控制系統，發現現有控制手段基本滿足安全需要，可以規避對該項目的運行和安全方面可能產生的風險，滿足了安全設計和規范的要求。

該LNG項目的HAZOP分析中，殘余風險中沒有發現極高風險和高風險，對于識別出的個別風險等級較高的問題，需考慮采用工程措施予以完善和解決，降低風險。分析過程中采納的4項工程措施建議如表1所示。

HAZOP分析報告結束后須進行后期跟蹤，對提出的建議措施進行進一步的評估，根據風險管理的最低合理可行原則和可接受風險要求，對每條具體建議措施可采用完全接受、修改后接受或拒絕接受的形式。

3? 保護層分析過程

為了確定在安全措施下LPG充裝工藝事故概率是否在可接受范圍內，有必要采用LOPA分析該工藝過程，以期在HAZOP分析的基礎上，判斷LNG項目現有風險水平是否達到LOPA分析可容許風險標準。LOPA分析主要過程包括：場景識別與篩選;初始事件（IE）確認;獨立保護層（IPL）評估;場景頻率計算;風險評估與決策;后續跟蹤與審查。具體分析過程如下。

3.1 場景識別與篩選

場景信息來源于危險分析的結果，采用定性的方法（HAZOP）對場景后果的嚴重性進行評估，并根據后果嚴重性評估結果對場景進行篩選。該次保護層分析考慮的后果種類包括人員傷害、財產損失與環境影響。

3.2 初始事件（IE）確認

初始事件一般包括外部事件、設備故障和人員失誤。在確保IE為事件后果的有效且具體的原因前提下，該次保護層分析確認的初始事件主要包括：基本過程控制系統（BPCS）儀表控制回路失效、操作員失效（常規程序，較好培訓）與管道泄漏。

3.3 獨立保護層（IPL）評估

獨立保護層是一種設備、系統或行動，有效地防止場景向不期望的后果發展。保護層的獨立性是指執行能力不會受到初始事件或其他保護層失效的影響。該次保護層分析確認的獨立保護層及其所屬類型如表2所示。

3.4 場景頻率計算

場景的發生頻率計算方程如下：

場景的發生頻率計算方程如下：? ? ? ? （1）（1）

式（1）中，為初始事件i的后果C的發生頻率，a-1;為初始事件i的發生頻率，a-1;PFDij為初始事件i中第j個阻止后果C發生的獨立保護層的失效概率，a-1。

在計算場景頻率時，須根據場景的具體特征對頻率進行修正，主要修正因素有：點火概率、人員暴露頻率和其他傷害概率。該次LOPA分析初始事件發生頻率和獨立保護層的失效概率引用國家行業技術標準《保護層分析（LOPA）方法應用導則》，從保守角度出發，對失效頻率取其范圍的最大值或中間值。

3.5 風險評估與決策

參考《保護層分析（LOPA）方法應用導則》及《保護層分析（LOPA）應用指南》，結合企業實際安全理念，得到風險發生可能性與后果等級劃分結果見表3與表4。

根據場景頻率計算結果和后果等級，對事故場景風險使用定量數值風險標準、風險矩陣形式進行風險等級評估。計算結果見圖1。

在事故場景風險等級基礎上進行風險決策，該次風險決策采取“盡可能合理降低”原則將事故場景風險降低到可接受風險水平。按照該原則，風險區域可分為：（1）不可接受的風險區域（圖1中的高風險和很高風險區域），這個區域風險是不可接受的;（2）允許的風險區域（圖1中的中風險區域），該次分析的中風險區域均采取措施降低風險;（3）廣泛可接受的風險區域（圖1中的低風險區域），這個區域的剩余風險水平是可忽略的，該次分析不采取進一步措施降低風險。

3.6 分析結果

該次LOPA分析的目的是將LNG項目現有風險水平降低到低風險區域。LOPA分析后確定了安全風險主要包括LNG儲罐液位高高、LNG儲罐液位低低、LNG儲罐壓力高高、冷箱冷劑中斷場景。該文針對性地分析LNG生產工藝特有的冷箱冷劑中斷事故，其主要事故原因是增壓膨脹機停機，原料氣未冷卻，上游憋壓，嚴重情況可能導致天然氣泄漏，發生火災爆炸事故，對附近作業人員造成人身傷害。

根據事件后果及嚴重程度，確定了冷箱冷劑中斷的人員最高可接受風險程度為1.00E-05（見表5），為了減少風險，設置了三類現有獨立保護層，包括基本工藝控制（增壓膨脹機停機，流量低低聯鎖停天然氣壓縮機，出口放空，裝置停車）;報警及人員干預（冷箱進口壓力，液化換熱器壓差，氮氣流量低報警，人員響應，關天然氣壓縮機，出口放空，停生產裝置）;物理防護層（管線設置有安全閥）。在初始事件發生頻率與獨立保護層對事件的削減后，人員事故風險為8.33E-06，能滿足現有可接受風險水平。LNG儲罐液位高高、LNG儲罐液位低低、壓力高高同理。此外，企業應確保現有的工藝聯鎖可靠動作，加強人員培訓，報警時的人員響應，能夠積極正確應對處理相關偏差，能夠將事故頻率進一步消減，實現安全生產。

4? 結論

（1）通過HAZOP定性分析LNG生產工藝的風險，發現殘余風險中沒有極高風險和高風險，對于識別出的個別風險等級較高的問題，采取了相應的工程措施予以完善和解決，降低風險。

（2）在HAZOP分析的基礎上，通過LOPA定量分析了LNG的生產工藝的風險水平，確定了安全風險主要包括LNG儲罐液位高高、LNG儲罐液位低低、LNG儲罐壓力高高、冷箱冷劑中斷場景。

（3）針對冷箱冷劑中斷場景，分析發現初始事件發生的頻率及現有的獨立保護層（基本工藝控制、報警及人員干預、物理防護層）對事件的削減后，能滿足現有可接受風險水平，建議通過平時加強巡檢及安全管理，規范相關操作，以控制剩余風險。

參考文獻

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作者簡介：彭堯（1994—），男，碩士，助理工程師，研究方向油氣井工程。