危險與可操作性分析是 60 年代由英國帝國化學(xué)公司基于系統(tǒng)工程的成果開發(fā)的，是在設(shè)計特別是流程工業(yè)的工程設(shè)計中的一種結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化的審查方法，目的在于識別、分級和定性可能造成人員傷害或財產(chǎn)損失的風(fēng)險 。 是一種基于引導(dǎo)詞的定性評價技術(shù)，通過 1 個多專業(yè)小組組織一系列會議完成。隨著 HAZOP 分析 1970 年公布，在這之后持續(xù)改善、發(fā)展，在歐美各國已廣泛應(yīng)用于各類工藝流程和項目的定性風(fēng)險評估工作中。在很多國家，也通過立法手段強制其在工程建設(shè)項目中推廣應(yīng)用，如英國標(biāo) 準(zhǔn) ：BS IEC 61882:2001Hazard and operability studies- Application guide。
HAZOP 分析在石油化工工程項目設(shè)計過程中的目的是識別、評估工程設(shè)計主要是工藝設(shè)計中存在的危害及操作相關(guān)問題。分析團隊首先要解析工藝流程，包含所有相關(guān)設(shè)計條件和設(shè)計意圖，系統(tǒng)地檢查流程以找出對設(shè)計條件可能發(fā)生的所有偏離，然后確定哪些偏離可能導(dǎo)致危險或引起操作問題，為項目及今后生產(chǎn)運行的 HSE 風(fēng)險管理提供依據(jù) 。隨著石油化工裝置大型化，裝置處理規(guī)模越來越大，工藝流程越來越復(fù)雜，同時伴隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國對 HSE（健康、安全和環(huán)保）的要求也越來越嚴(yán)格，工程公司、設(shè)計院也將面臨著巨大的壓力，這促使建設(shè)單位和設(shè)計單位都越來越重視 HSE 問題，為了避免在裝置生命周期內(nèi)各類重大事故的發(fā)生。國內(nèi)各個石油化工設(shè)計院陸續(xù)開展了 HAZOP工作。
通過對某甲醇制烯烴裝置（簡稱 MTO）進行 HAZOP 分析，在實例中深入探討 HAZOP 分析的目的、意義、工作程序及注意事項。
1. 工藝簡介
1.1 技術(shù)概況
由甲醇出發(fā)制乙烯、丙烯等低碳烯烴的路線是采用低成本資源制取烯烴的流程之一，目前的流程開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用已成熟。MTO 技術(shù)在近年工業(yè)化，使得煤炭或天然氣經(jīng)氣化生產(chǎn)基礎(chǔ)有機化工原料成為可能，這對于改變傳統(tǒng)煤化工的產(chǎn)品格局有著決定性作用，也是實現(xiàn)煤化工或天然氣化工走向與石油化工聯(lián)合發(fā)展的有效途徑。
中國石化從 2007 年 11 月 4 日~2008 年 6 月30 日、2010 年 10 月~12 月期間進行了 3 個階段的工業(yè)化試驗，從試驗中得到了完整的工業(yè)數(shù)據(jù)，積累了開工和操作經(jīng)驗，為大型工業(yè)化裝置工程設(shè)計、建設(shè)和生產(chǎn)運行提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障。
1.2 流程簡述
經(jīng)典的 MTO 裝置一般包括反應(yīng) - 再生單元和烯烴回收等 2 大部分。自氣態(tài)甲醇與催化劑在反應(yīng)器充分混合并發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)器出口物料經(jīng)反應(yīng)氣第三級旋風(fēng)分離器并在降溫后進入急冷塔。反應(yīng)氣進入急冷塔后與大量的飽和水接觸， 以進一步脫除催化劑細(xì)粉后進入分離塔。
由分離塔頂來的反應(yīng)氣在 1 個四段離心式壓縮機中被壓縮，在壓縮機三段和四段之間反應(yīng)氣經(jīng)過水洗及堿洗處理脫除其中的酸性氣體及有機氧化物。反應(yīng)氣壓縮機四段排出的物流與冷卻水換熱，再被冷劑進一步冷卻，然后進入干燥器進料罐。共設(shè)有 2 個干燥器，其中 1 個運轉(zhuǎn)時，另1 個進行再生、備用。
來自反應(yīng)氣干燥器的反應(yīng)氣和烴凝液進入下游脫乙烷塔。脫乙烷塔頂氣相部分被冷劑降溫冷凝下來，液相作為塔頂回流，氣相進入下游脫甲烷塔，而塔釜液相送入脫丙烷塔。
丙烯冷劑將脫甲烷塔頂氣相部分冷凝，液相作為脫甲烷塔回流，氣相進入乙烯回收塔底部進一步回收乙烯，然后作為燃料氣送出界區(qū)，塔釜物流被加熱后送入C2 加氫反應(yīng)器，進行C2 加氫， 以脫除物料中的乙炔。反應(yīng)器出來的產(chǎn)物先被冷卻后再被送入分子篩保護床干燥器，從干燥器出來的物流進入乙烯塔。乙烯精餾塔頂氣相被丙烯冷劑冷凝并回流到塔內(nèi)，乙烯塔側(cè)線采出乙烯產(chǎn)品送至界區(qū)外乙烯產(chǎn)品罐，乙烷從乙烯塔底抽出送出界區(qū)。
脫乙烷塔塔釜物料進入脫丙烷塔，冷凝下來的液體部分作為回流，部分送入下游丙烯精餾塔。塔底物料一部分作為脫戊烷塔進料，另一部分作為乙烯回收塔吸收劑，送入乙烯回收塔頂部。丙烯精餾塔運用類似于乙烯裂解裝置的雙塔系統(tǒng)，將進料分離成聚合級丙烯產(chǎn)品和丙烷塔底物流。該塔操作壓力使得第二丙烯精餾塔的塔頂氣相由冷卻水全部冷凝。急冷水向丙烯精餾塔提供再沸器熱量。聚合級丙烯產(chǎn)品經(jīng)由回流泵送至球罐，為下一步聚合做好準(zhǔn)備。
2. HAZOP分析
2.1 HAZOP分析方法
危險與可操作性分析技術(shù)是石油化工領(lǐng)域開發(fā)的危害識別技術(shù)，它充分利用安全系統(tǒng)工程核心理論，也是目前工藝危害識別（PHA）中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。多專業(yè)工程師組成 HAZOP 分析團隊，以會議的形式，對石油化工裝置工藝流程的危險和操作性問題進行分析。HAZOP 分析的直接對象是 P&ID 圖上的具有獨立功能的單元， 這些單元稱為“分析節(jié)點”，或工藝單元，或操作步驟。對于每一分析節(jié)點，HAZOP 分析組以正常操作運行的工藝 ( 狀態(tài) ) 參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值，兼顧開停車工況，分析運行過程中工藝狀態(tài)參數(shù)的偏離，同時分析出現(xiàn)偏離故障的原因、后果及應(yīng)采取的措施。HAZOP 實施過程可以分為以下 3 個主要階段 。
2.1.1 HAZOP分析準(zhǔn)備階段
HAZOP 分析的初始工作包括以下內(nèi)容：
1） 確定分析目的、對象和范圍
確定分析目的、對象和范圍，盡可能清晰明確。分析范圍通常由裝置和項目的負(fù)責(zé)人確定，并得到 HAZOP 分析小組領(lǐng)導(dǎo)的幫助認(rèn)可。應(yīng)當(dāng)按照正確的分析方式和既定目標(biāo)開展分析工作，而且要確定典型事故場景，即事故演進的過程。
2） 確定 HAZOP 主席
HAZOP 主席應(yīng)做如下事情：挑選分析組員， 制定工作計劃，保證 HAZOP 分析有序、高效的進行，報告的審查，整改措施的確認(rèn)等。
3） 獲取必要的資料
最重要的資料就是工藝管道和儀表流程圖(P&ID)，有時還需要總平面布置圖、平面布置圖、工藝流程圖（PFD）、物料平衡、操作手冊、儀表控制圖、聯(lián)鎖邏輯圖，有關(guān)圖紙和參數(shù)應(yīng)當(dāng)在會議之前發(fā)到每個參與人員的手中。
4） 挑選 HAZOP 小組組員
HAZOP 分析小組的背景、技術(shù)與經(jīng)驗對確保分析結(jié)果的可信度和深度很重要，這就要求分析組的組織者應(yīng)當(dāng)負(fù)責(zé)組成有一定人數(shù)且有經(jīng)驗的分析組。HAZOP 分析小組應(yīng)包括以下幾方面
的人員：工藝工程師、儀表工程師、HSE 工程師、操作工藝工程師、操作儀表／控制工程師、記錄工程師。
1） 確定分析程序
根據(jù)分析的不同目的，HAZOP 分析的內(nèi)容可能會有所差別，HAZOP 主席在初始工作階段可以初步確定分析節(jié)點并提出初步的偏離清單， 準(zhǔn)備 1 份分析表格。
2） 安排會議
一旦初始工作完成，組長就負(fù)責(zé)組織會議， 合理制定分析計劃。估算分析所需的時問，然后主席或建設(shè)單位可以開始安排會議的時間，保證高效率的會議。
2.1.2 召開會議進行HAZOP分析
初始工作完成之后，就需要召開 HAZOP 會議，分析流程和要點，見圖 1。劃分節(jié)點是為了邏輯地、有效地進行識別分析，要將 P&ID 按照逐個設(shè)備、管線或操作劃分為不同的分析節(jié)點。對于每個節(jié)點按照圖 1 所示，逐項分析并記錄。HAZOP 會議上，會議記錄人員將分析討論過程中所有重要的內(nèi)容精確地記錄在事先設(shè)計好的工作表內(nèi)。
2.1.3 分析偏離庫的建立
本次分析采用經(jīng)典的 HAZOP 分析方法，即引導(dǎo)詞分析法。引導(dǎo)詞法是通過使用一系列引導(dǎo)詞來發(fā)現(xiàn)偏離的分析方法。將引導(dǎo)詞和工藝參數(shù)相結(jié)合，形成偏離，對偏離開展分析。根據(jù)MTO 裝置 HAZOP 分析的要求，形成適合裝置的偏離列表，見表 1。
建立偏離庫是為了避免遺漏而在分析開始之前人為構(gòu)造的，在分析過程中如遇到特殊的工藝參數(shù)（偏離庫中沒有）也應(yīng)隨時構(gòu)造，如果某個偏離在節(jié)點中沒有意義也無需展開分析。
3. 分析情況匯總
3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計
將裝置按照功能劃分為不同分析節(jié)點，以滿足 HAZOP 分析的要求，也可在同一段“硬節(jié)點” 內(nèi)根據(jù)不同操作步驟劃分“軟”節(jié)點。本甲醇制烯烴系統(tǒng)裝置的 HAZOP 分析依據(jù)分析對象的實際情況及功能，將 170 張 P&ID 劃分為 63 個分析節(jié)點，產(chǎn)生了 68 項建議措施，節(jié)點數(shù)與建議措施的比例接近 1:1，平均 1 個節(jié)點占 3 張 P&ID。建議措施中有 35 項需進一步進行 分析 [3]， 整個分析耗時 20 個工作日。
3.2 數(shù)據(jù)整體分析
上述 68 項建議措施中有 3 項由建設(shè)單位完成，65 項由設(shè)計單位在后續(xù)設(shè)計階段落實。65 項中 62 項完全接受，有 3 項未采納 HAZOP 分析建議措施，設(shè)計單位根據(jù)現(xiàn)有類似裝置提出了不同的做法。
從圖 2 中可以看出：95.6% 的項目均已得到落實，僅有不到 5% 的項目根據(jù)實際經(jīng)驗和設(shè)計另行調(diào)整。同時，也可以看出設(shè)計單位負(fù)責(zé)的建議措施比例相當(dāng)高，達(dá)到了 95.6%。這從另一個側(cè)面說明要想做到安全，必須先從設(shè)計入手，才能盡可能做到本質(zhì)安全。
3.3 偏離數(shù)據(jù)分析
分析了 357 個偏離場景，平均每個節(jié)點 5.7個偏離，包括 8 個高風(fēng)險和 60 個中風(fēng)險場景。其余為低風(fēng)險場景。
需進一步采取建議措施的偏離場景中，經(jīng)風(fēng)險分析有 8 個為高風(fēng)險，60 個中風(fēng)險，其中有27 個為中風(fēng)險中較高的，33 個為中風(fēng)險區(qū)中風(fēng)險較低的，為了節(jié)省 LOPA 分析的工作量，避免無謂的分析工時，在 LOPA 分析前各參加方結(jié)合相關(guān)裝置實際操作的經(jīng)驗，對其中 8 個高風(fēng)險的場景和 27 個較高的中風(fēng)險場景進行保護層分析（LOPA 分析）。
3.4 部分結(jié)果分析
共分析了 357 個偏離場景，平均每個節(jié)點5.7 個偏離，包括 8 個高風(fēng)險和 60 個中風(fēng)險場景。其余為低風(fēng)險場景。由于篇幅有限，僅摘抄 2 組部分高風(fēng)險偏離場景。
3.4.1 第24節(jié)點
脫丙烷塔釜泵故障，導(dǎo)致?lián)Q熱器碳四洗液量少，造成乙烯回收塔甲烷尾氣溫度過低。一段時間后低溫甲烷造成管線普通碳鋼部分低溫破裂。
3.4.2 第29節(jié)點
丙烯機一段吸入罐調(diào)節(jié)閥液位調(diào)節(jié)閥故障導(dǎo)致丙烯機二段吸入罐液位過高，如長時間不處理會造成液滴進入壓縮機，壓縮機葉輪損壞。
從上述 2 段場景描述中可以看出：雖然HAZOP 分析識別出了發(fā)生危險的準(zhǔn)確地點，也較為詳細(xì)的描述了事故發(fā)展的過程，但對于初始事件發(fā)生多久后導(dǎo)致后續(xù)事件的發(fā)生、液位多高會導(dǎo)致帶液、帶液到什么程度才可能損壞壓縮機等問題沒有給出具體答案。
4. HAZOP分析的優(yōu)缺點
4.1 HAZOP分析的優(yōu)點及意義
由上述的數(shù)據(jù)分析可以看出：一套完整詳細(xì)的 HAZOP 分析對提高裝置的工藝管理水平有著顯著的幫助，主要表現(xiàn)在如下方面：
1） 在工程設(shè)計階段早期特別是基礎(chǔ)設(shè)計階段審查設(shè)計方案，及時修正設(shè)計中的缺陷或不足。
2） 能夠?qū)υ谝垩b置系統(tǒng)運行狀況進行檢查，查找隱患問題，為以后的檢修維護、技改提出建議。
3） 能夠為完善操作指標(biāo)和操作手冊提供參考依據(jù)。
4） 制定應(yīng)急處置預(yù)案時可參考作為假象事故。
5） 作為新員工培訓(xùn)的一個重要環(huán)節(jié)，使其能夠更透徹地了解裝置流程。
4.2 HAZOP分析的缺點
在歷時 1 個多月的分析中，發(fā)現(xiàn) HAZOP 分析存在幾個方面的缺點：
1） 所有的偏離均由定性的方式表達(dá)，之后的風(fēng)險分析也僅僅是一個半定量化的補充，無法回答如：漏多少，漏多長時間，溫度高到什么程度等問題；
2） 人腦在處理大型工藝系統(tǒng)時無法得出完備的危險識別結(jié)果，專家在場也會有遺漏，且評
審報告的質(zhì)量受審查成員的專業(yè)素養(yǎng)、工作經(jīng)驗及與會態(tài)度等影響，這些因素可能導(dǎo)致審查結(jié)果失去參考價值；
1） 會議討論方式會出現(xiàn)概念混亂，經(jīng)常需要主席協(xié)調(diào)；
2） 事故后果是通過構(gòu)造偏離假設(shè)的，需要數(shù)據(jù)補充完善。
5. 建議
綜上所述，由上述的數(shù)據(jù)分析可以看出：一套完整詳細(xì)的 HAZOP 分析對提高裝置的工藝管理水平有著顯著的幫助，用 HAZOP 分析對偏離的模擬，得出在一定范圍內(nèi)現(xiàn)有的安全措施可以對應(yīng)到保護層的某一層，優(yōu)先順序是從里到外。對偏離采取的措施要對事故的發(fā)生起到一定阻止、減緩作用。但對于裝置內(nèi)原始風(fēng)險水平較高的部分以及由此引發(fā)的災(zāi)難性后果，需要利用量化風(fēng)險分析的手段進一步分析。而量化風(fēng)險（QRA）分析最大的優(yōu)點就是人的大腦具有定性分析的邏輯能力，這是機器或人工智能無法企及的，對產(chǎn)生危害的可能性進行定量的描述（這是機器分析的長處），其分析的目標(biāo)更加具體明確，可信度也大大增加。定量分析的優(yōu)點是對比性強、可計算、客觀性，使得可以使用精準(zhǔn)的方法加以控制。而量化風(fēng)險分析也可以把 HAZOP 作為量化風(fēng)險分析的識別過程縮小。
作者：李少鵬 1，郭森榮 2，張 力1（1. 中國石化工程建設(shè)有限公司 ；2. 中國石油化工集團）
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