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甲醇制烯烴裝置 HAZOP 研究實(shí)例分析

瀏覽: 作者: 來(lái)源: 時(shí)間:2023-04-07 分類(lèi):新聞動(dòng)態(tài)
需進(jìn)一步采取建議措施的偏離場(chǎng)景中,經(jīng)風(fēng)險分析有8個(gè)為高風(fēng)險,60個(gè)中風(fēng)險,其中有27個(gè)為中風(fēng)險中較高的,33個(gè)為中風(fēng)險區中風(fēng)險較低的,為了節省LOPA分析的工作量,避免無(wú)謂的分析工時(shí),在LOPA分析前各參加方結合相關(guān)裝置實(shí)際操作的經(jīng)驗,對其中8個(gè)高風(fēng)險的場(chǎng)景和27個(gè)較高的中風(fēng)險場(chǎng)景進(jìn)行保護層分析LOPA分析

危險與可操作性分析是 60 年代由英國帝國化學(xué)公司基于系統工程的成果開(kāi)發(fā)的,是在設計特別是流程工業(yè)的工程設計中的一種結構化和系統化的審查方法,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 是一種基于引導詞的定性評價(jià)技術(shù),通過(guò) 1 個(gè)多專(zhuān)業(yè)小組組織一系列會(huì )議完成。隨著(zhù) HAZOP 分析 1970 年公布,在這之后持續改善、發(fā)展,在歐美各國已廣泛應用于各類(lèi)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(guò)立法手段強制其在工程建設項目中推廣應用,如英國標 準 :BS IEC 61882:2001Hazard and operability studies- Application guide。


HAZOP 分析在石油化工工程項目設計過(guò)程中的目的是識別、評估工程設計主要是工藝設計中存在的危害及操作相關(guān)問(wèn)題。分析團隊首先要解析工藝流程,包含所有相關(guān)設計條件和設計意圖,系統地檢查流程以找出對設計條件可能發(fā)生的所有偏離,然后確定哪些偏離可能導致危險或引起操作問(wèn)題,為項目及今后生產(chǎn)運行的 HSE 風(fēng)險管理提供依據 。隨著(zhù)石油化工裝置大型化,裝置處理規模越來(lái)越大,工藝流程越來(lái)越復雜,同時(shí)伴隨著(zhù)經(jīng)濟發(fā)展,我國對 HSE(健康、安全和環(huán)保)的要求也越來(lái)越嚴格,工程公司、設計院也將面臨著(zhù)巨大的壓力,這促使建設單位和設計單位都越來(lái)越重視 HSE 問(wèn)題,為了避免在裝置生命周期內各類(lèi)重大事故的發(fā)生。國內各個(gè)石油化工設計院陸續開(kāi)展了 HAZOP工作。

通過(guò)對某甲醇制烯烴裝置(簡(jiǎn)稱(chēng) MTO)進(jìn)行 HAZOP 分析,在實(shí)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(jiǎn)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(xiàn)是采用低成本資源制取烯烴的流程之一,目前的流程開(kāi)發(fā)和工業(yè)應用已成熟。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)基礎有機化工原料成為可能,這對于改變傳統煤化工的產(chǎn)品格局有著(zhù)決定性作用,也是實(shí)現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(jìn)行了 3 個(gè)階段的工業(yè)化試驗,從試驗中得到了完整的工業(yè)數據,積累了開(kāi)工和操作經(jīng)驗,為大型工業(yè)化裝置工程設計、建設和生產(chǎn)運行提供了理論基礎和技術(shù)保障。


    1.2 流程簡(jiǎn)述

經(jīng)典的 MTO 裝置一般包括反應 - 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器充分混合并發(fā)生反應。反應器出口物料經(jīng)反應氣第三級旋風(fēng)分離器并在降溫后進(jìn)入急冷塔。反應氣進(jìn)入急冷塔后與大量的飽和水接觸, 以進(jìn)一步脫除催化劑細粉后進(jìn)入分離塔。

由分離塔頂來(lái)的反應氣在 1 個(gè)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氣經(jīng)過(guò)水洗及堿洗處理脫除其中的酸性氣體及有機氧化物。反應氣壓縮機四段排出的物流與冷卻水換熱,再被冷劑進(jìn)一步冷卻,然后進(jìn)入干燥器進(jìn)料罐。共設有 2 個(gè)干燥器,其中 1 個(gè)運轉時(shí),另1 個(gè)進(jìn)行再生、備用。

來(lái)自反應氣干燥器的反應氣和烴凝液進(jìn)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(lái),液相作為塔頂回流,氣相進(jìn)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(jìn)入乙烯回收塔底部進(jìn)一步回收乙烯,然后作為燃料氣送出界區,塔釜物流被加熱后送入C2 加氫反應器,進(jìn)行C2 加氫, 以脫除物料中的乙炔。反應器出來(lái)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(lái)的物流進(jìn)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,乙烯塔側線(xiàn)采出乙烯產(chǎn)品送至界區外乙烯產(chǎn)品罐,乙烷從乙烯塔底抽出送出界區。

脫乙烷塔塔釜物料進(jìn)入脫丙烷塔,冷凝下來(lái)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(jìn)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(lèi)似于乙烯裂解裝置的雙塔系統,將進(jìn)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(kāi)發(fā)的危害識別技術(shù),它充分利用安全系統工程核心理論,也是目前工藝危害識別(PHA)中應用最廣泛的技術(shù)。多專(zhuān)業(yè)工程師組成 HAZOP 分析團隊,以會(huì )議的形式,對石油化工裝置工藝流程的危險和操作性問(wèn)題進(jìn)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(chēng)為“分析節點(diǎn)”,或工藝單元,或操作步驟。對于每一分析節點(diǎn),HAZOP 分析組以正常操作運行的工藝 ( 狀態(tài) ) 參數為標準值,兼顧開(kāi)停車(chē)工況,分析運行過(guò)程中工藝狀態(tài)參數的偏離,同時(shí)分析出現偏離故障的原因、后果及應采取的措施。HAZOP 實(shí)施過(guò)程可以分為以下 3 個(gè)主要階段 。


       2.1.1 HAZOP分析準備階段

HAZOP 分析的初始工作包括以下內容:

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人確定,并得到 HAZOP 分析小組領(lǐng)導的幫助認可。應當按照正確的分析方式和既定目標開(kāi)展分析工作,而且要確定典型事故場(chǎng)景,即事故演進(jìn)的過(guò)程。

2) 確定 HAZOP 主席

HAZOP 主席應做如下事情:挑選分析組員, 制定工作計劃,保證 HAZOP 分析有序、高效的進(jìn)行,報告的審查,整改措施的確認等。

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(shí)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)圖紙和參數應當在會(huì )議之前發(fā)到每個(gè)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)驗對確保分析結果的可信度和深度很重要,這就要求分析組的組織者應當負責組成有一定人數且有經(jīng)驗的分析組。HAZOP 分析小組應包括以下幾方面

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

根據分析的不同目的,HAZOP 分析的內容可能會(huì )有所差別,HAZOP 主席在初始工作階段可以初步確定分析節點(diǎn)并提出初步的偏離清單, 準備 1 份分析表格。

2) 安排會(huì )議

一旦初始工作完成,組長(cháng)就負責組織會(huì )議, 合理制定分析計劃。估算分析所需的時(shí)問(wèn),然后主席或建設單位可以開(kāi)始安排會(huì )議的時(shí)間,保證高效率的會(huì )議。


       2.1.2 召開(kāi)會(huì )議進(jìn)行HAZOP分析

初始工作完成之后,就需要召開(kāi) HAZOP 會(huì )議,分析流程和要點(diǎn),見(jiàn)圖 1。劃分節點(diǎn)是為了邏輯地、有效地進(jìn)行識別分析,要將 P&ID 按照逐個(gè)設備、管線(xiàn)或操作劃分為不同的分析節點(diǎn)。對于每個(gè)節點(diǎn)按照圖 1 所示,逐項分析并記錄。HAZOP 會(huì )議上,會(huì )議記錄人員將分析討論過(guò)程中所有重要的內容精確地記錄在事先設計好的工作表內。

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 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,即引導詞分析法。引導詞法是通過(guò)使用一系列引導詞來(lái)發(fā)現偏離的分析方法。將引導詞和工藝參數相結合,形成偏離,對偏離開(kāi)展分析。根據MTO 裝置 HAZOP 分析的要求,形成適合裝置的偏離列表,見(jiàn)表 1。

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建立偏離庫是為了避免遺漏而在分析開(kāi)始之前人為構造的,在分析過(guò)程中如遇到特殊的工藝參數(偏離庫中沒(méi)有)也應隨時(shí)構造,如果某個(gè)偏離在節點(diǎn)中沒(méi)有意義也無(wú)需展開(kāi)分析。


3. 分析情況匯總

    3.1 數據統計

將裝置按照功能劃分為不同分析節點(diǎn),以滿(mǎn)足 HAZOP 分析的要求,也可在同一段“硬節點(diǎn)” 內根據不同操作步驟劃分“軟”節點(diǎn)。本甲醇制烯烴系統裝置的 HAZOP 分析依據分析對象的實(shí)際情況及功能,將 170 張 P&ID 劃分為 63 個(gè)分析節點(diǎn),產(chǎn)生了 68 項建議措施,節點(diǎn)數與建議措施的比例接近 1:1,平均 1 個(gè)節點(diǎn)占 3 張 P&ID。建議措施中有 35 項需進(jìn)一步進(jìn)行 LOPA 分析 [3], 整個(gè)分析耗時(shí) 20 個(gè)工作日。


    3.2 數據整體分析

上述 68 項建議措施中有 3 項由建設單位完成,65 項由設計單位在后續設計階段落實(shí)。65 項中 62 項完全接受,有 3 項未采納 HAZOP 分析建議措施,設計單位根據現有類(lèi)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(shí),僅有不到 5% 的項目根據實(shí)際經(jīng)驗和設計另行調整。同時(shí),也可以看出設計單位負責的建議措施比例相當高,達到了 95.6%。這從另一個(gè)側面說(shuō)明要想做到安全,必須先從設計入手,才能盡可能做到本質(zhì)安全。

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    3.3 偏離數據分析

分析了 357 個(gè)偏離場(chǎng)景,平均每個(gè)節點(diǎn) 5.7個(gè)偏離,包括 8 個(gè)高風(fēng)險和 60 個(gè)中風(fēng)險場(chǎng)景。其余為低風(fēng)險場(chǎng)景。

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需進(jìn)一步采取建議措施的偏離場(chǎng)景中,經(jīng)風(fēng)險分析有 8 個(gè)為高風(fēng)險,60 個(gè)中風(fēng)險,其中有27 個(gè)為中風(fēng)險中較高的,33 個(gè)為中風(fēng)險區中風(fēng)險較低的,為了節省 LOPA 分析的工作量,避免無(wú)謂的分析工時(shí),在 LOPA 分析前各參加方結合相關(guān)裝置實(shí)際操作的經(jīng)驗,對其中 8 個(gè)高風(fēng)險的場(chǎng)景和 27 個(gè)較高的中風(fēng)險場(chǎng)景進(jìn)行保護層分析(LOPA 分析)。圖片



    3.4 部分結果分析

共分析了 357 個(gè)偏離場(chǎng)景,平均每個(gè)節點(diǎn)5.7 個(gè)偏離,包括 8 個(gè)高風(fēng)險和 60 個(gè)中風(fēng)險場(chǎng)景。其余為低風(fēng)險場(chǎng)景。由于篇幅有限,僅摘抄 2 組部分高風(fēng)險偏離場(chǎng)景。


         3.4.1 第24節點(diǎn)

脫丙烷塔釜泵故障,導致?lián)Q熱器碳四洗液量少,造成乙烯回收塔甲烷尾氣溫度過(guò)低。一段時(shí)間后低溫甲烷造成管線(xiàn)普通碳鋼部分低溫破裂。


         3.4.2 第29節點(diǎn)

丙烯機一段吸入罐調節閥液位調節閥故障導致丙烯機二段吸入罐液位過(guò)高,如長(cháng)時(shí)間不處理會(huì )造成液滴進(jìn)入壓縮機,壓縮機葉輪損壞。

從上述 2 段場(chǎng)景描述中可以看出:雖然HAZOP 分析識別出了發(fā)生危險的準確地點(diǎn),也較為詳細的描述了事故發(fā)展的過(guò)程,但對于初始事件發(fā)生多久后導致后續事件的發(fā)生、液位多高會(huì )導致帶液、帶液到什么程度才可能損壞壓縮機等問(wèn)題沒(méi)有給出具體答案。


4. HAZOP分析的優(yōu)缺點(diǎn)

    4.1 HAZOP分析的優(yōu)點(diǎn)及意義

由上述的數據分析可以看出:一套完整詳細的 HAZOP 分析對提高裝置的工藝管理水平有著(zhù)顯著(zhù)的幫助,主要表現在如下方面:

1) 在工程設計階段早期特別是基礎設計階段審查設計方案,及時(shí)修正設計中的缺陷或不足。

2) 能夠對在役裝置系統運行狀況進(jìn)行檢查,查找隱患問(wèn)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和操作手冊提供參考依據。

4) 制定應急處置預案時(shí)可參考作為假象事故。

5) 作為新員工培訓的一個(gè)重要環(huán)節,使其能夠更透徹地了解裝置流程。


    4.2 HAZOP分析的缺點(diǎn)

在歷時(shí) 1 個(gè)多月的分析中,發(fā)現 HAZOP 分析存在幾個(gè)方面的缺點(diǎn):

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(gè)半定量化的補充,無(wú)法回答如:漏多少,漏多長(cháng)時(shí)間,溫度高到什么程度等問(wèn)題;

2) 人腦在處理大型工藝系統時(shí)無(wú)法得出完備的危險識別結果,專(zhuān)家在場(chǎng)也會(huì )有遺漏,且評

審報告的質(zhì)量受審查成員的專(zhuān)業(yè)素養、工作經(jīng)驗及與會(huì )態(tài)度等影響,這些因素可能導致審查結果失去參考價(jià)值;

1) 會(huì )議討論方式會(huì )出現概念混亂,經(jīng)常需要主席協(xié)調;

2) 事故后果是通過(guò)構造偏離假設的,需要數據補充完善。


5. 建議

綜上所述,由上述的數據分析可以看出:一套完整詳細的 HAZOP 分析對提高裝置的工藝管理水平有著(zhù)顯著(zhù)的幫助,用 HAZOP 分析對偏離的模擬,得出在一定范圍內現有的安全措施可以對應到保護層的某一層,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。但對于裝置內原始風(fēng)險水平較高的部分以及由此引發(fā)的災難性后果,需要利用量化風(fēng)險分析的手段進(jìn)一步分析。而量化風(fēng)險(QRA)分析最大的優(yōu)點(diǎn)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(wú)法企及的,對產(chǎn)生危害的可能性進(jìn)行定量的描述(這是機器分析的長(cháng)處),其分析的目標更加具體明確,可信度也大大增加。定量分析的優(yōu)點(diǎn)是對比性強、可計算、客觀(guān)性,使得可以使用精準的方法加以控制。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(guò)程縮小。


作者:李少鵬 1,郭森榮 2,張 力11. 中國石化工程建設有限公司 ;2. 中國石油化工集團


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