甲醇制烯烴裝置HAZOP分析實例

甲醇制烯烴裝置HAZOP分析實例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。HAZOP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)：BSIEC61882:2001Hazardandoperabilitystudies-Applicationguide。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。一、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。二、HAZOP

分析2.1HAZOP

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。（5）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。（6）安排會議一旦初始工作完成，組長就負責(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。三、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LOPA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)計單位負責(zé)的建議措施比例相當(dāng)高，達到了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）。經(jīng)LOPA分析進一步采取措施后，35項原始風(fēng)險為高/中風(fēng)險的項目中有14個降低為低風(fēng)險，其余的均保留在中風(fēng)險區(qū)。在原始風(fēng)險為高風(fēng)險的場景中，有6項跟液相丙烷/丙烯有關(guān)，4項（2項為重復(fù)計算）跟壓縮機相關(guān)。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。四、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，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。（3）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)。（4）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。五、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)