HAZOP&LOPA分析在LNG氣化站工藝設計中的應用
HAZOP&LOPA分析在LNG氣化站工藝設計中的應用
一、危險與可操作性分析（HAZOP，Hazard and operability studies）方法
HAZOP分析是對危險與可操作性問(wèn)題進(jìn)行詳細識別的過(guò)程，由一個(gè)小組完成，該小組包含工藝、管道、儀表、設備、電氣、安全等專(zhuān)業(yè)。HAZOP分析包括辨識潛在的偏離設計目的的偏差，分析其可能性和嚴重度，并評估其風(fēng)險等級。
在開(kāi)始危險分析時(shí)，HAZOP分析組長(cháng)和小組成員一起將接受分析的工藝系統劃分成若干個(gè)節點(diǎn)。并以節點(diǎn)為單位，運用“引導詞”的導引完成分析工作。
1.1 HAZOP分析的基本步驟
1) 節點(diǎn)及偏差選擇
2) 初始事件確認
3) 場(chǎng)景描述及后果
4) 嚴重度分析
5) 可能性分析
6) 確定風(fēng)險等級
根據風(fēng)險矩陣確定風(fēng)險等級。風(fēng)險評估矩陣見(jiàn)表1。
7) 剩余風(fēng)險
若場(chǎng)景潛在風(fēng)險等級為高、很高，為企業(yè)不可接受風(fēng)險，則必須采取相應的措施，可以選取預防性保護措施、減緩性保護措施、限制和控制措施，然后根據相應措施的類(lèi)型，重新評估可能性和嚴重度；若場(chǎng)景潛在風(fēng)險為低風(fēng)險，則無(wú)需其他安全措施；若場(chǎng)景潛在風(fēng)險為中風(fēng)險，則企業(yè)可采用成本效益分析，決定是否需要增加新的安全措施。
二、保護層分析（LOPA，Layer of protection analysis）方法
LOPA分析是在定性危險分析的基礎上，進(jìn)一步對具體的場(chǎng)景的風(fēng)險進(jìn)行相對量化的研究，包括對場(chǎng)景的準確表述及識別已有的獨立保護層（IPL，Independent protection layer），從而判定該場(chǎng)景發(fā)生時(shí)系統所處的風(fēng)險水平是否達到可容許風(fēng)險標準的要求，并根據需要增加適當的保護層，以將風(fēng)險降低至可容許風(fēng)險標準所要求的水平。
2.1 LOPA基本程序包括
1）場(chǎng)景識別與篩選
2）初始事件（IE，Initiating event）確認
3）獨立保護層（IPL，Independent protection layer）評估
4）場(chǎng)景頻率計算
5）風(fēng)險評估與決策
6）后續跟蹤與審查
HAZOP信息與LOPA信息兩者之間的關(guān)系見(jiàn)圖1。
場(chǎng)景頻率為初始事件發(fā)生頻率、所有保護層要求時(shí)失效概率（PFD，Probability of failure on demand）、使能事件或使能條件的發(fā)生概率、點(diǎn)火概率、暴露概率、致死率之積。
場(chǎng)景發(fā)生頻率按式（1）計算：
--初始事件i造成后果C的頻率，單位為次每年；
--初始事件i的發(fā)生頻率，單位為次每年；
--使能事件或使能條件發(fā)生的概率，假如沒(méi)有使能事件或使能條件，則取1；
--條件修正因子，假如沒(méi)有任何條件修正，則取1；
--初始事件i中第j個(gè)阻止后果C的獨立保護層要求時(shí)的失效概率（PFD）。
初始事件概率數據見(jiàn)《保護層分析（LOPA）方法應用導則》（AQ/T3054-2015）表E.1、表E.2[1]，IPL的PFD（Probability of failure on demand，要求時(shí)的失效概率）數據見(jiàn)《保護層分析（LOPA）方法應用導則》（AQ/T3054-2015）表E.3。
三、HAZOP&LOPA分析在LNG氣化站工藝設計中的應用
3.1 LNG的主要危險特性
LNG是液化天然氣的縮寫(xiě)，主要成分為甲烷，其體積為天然氣的1/600。天然氣屬于極易燃氣體，無(wú)色、無(wú)味。沸點(diǎn)-161.5℃，相對蒸氣密度（空氣=1）0.6，相對密度（水=1）0.42(-164℃)，飽和蒸氣壓53.32kPa(-168.8℃)，爆炸極限5.0%～16%（體積比）。
根據《危險化學(xué)品目錄》（2015版）及其附件《危險化學(xué)品分類(lèi)信息表》，天然氣（序號：2123；CAS號：8006-14-2）屬于危險化學(xué)品，其危險性類(lèi)別為易燃氣體，類(lèi)別1；加壓氣體。天然氣（首批：序號5）為重點(diǎn)監管的危險化學(xué)品 。
3.2 LNG氣化站工藝流程簡(jiǎn)述
LNG氣化站主要由卸車(chē)區、儲罐區、氣化調壓區等組成。其中儲罐區包括LNG儲罐&儲罐增壓器，內含20m3低溫臥式儲罐1臺、200Nm3/h儲罐增壓器1臺；卸車(chē)區包括300Nm3/h卸車(chē)增壓器1臺 ；氣化調壓區包括2150Nm3/h空溫式氣化器1臺、1500Nm3/h空溫式氣化器1臺、1000Nm3/h復熱器1臺、1000Nm3/h調壓計量加臭撬1臺、300Nm3/h BOG加熱器1臺、200Nm3/h EAG加熱器1臺。
LNG氣化站氣化區小時(shí)供氣量為800Nm3//h。
LNG氣化站工藝流程簡(jiǎn)述如下：
1)卸車(chē)流程：LNG由LNG槽車(chē)運至本站，在卸氣口通過(guò)LNG專(zhuān)用軟管連接槽車(chē)，平衡槽車(chē)和儲罐的氣相壓力或通過(guò)放散降低罐壓力后啟動(dòng)卸車(chē)增壓器把槽車(chē)升壓至0.6Mpa，利用壓差將LNG送至LNG儲罐儲存。
2)氣化流程：通過(guò)儲罐增壓器和自動(dòng)增壓調節閥將儲罐內氣相空間壓力升至0.6Mpa，利用壓力差將LNG送至空溫式氣化器完成氣化流程，然后通過(guò)天然氣調壓計量加臭裝置接至用戶(hù)中壓管網(wǎng)。同時(shí)，考慮在冬季環(huán)境溫度低，空溫式氣化器無(wú)法保證出站天然氣的溫度，若氣態(tài)天然氣溫度過(guò)低將損壞后段輸配管網(wǎng)，故增加一臺復熱器，將氣化后的天然氣溫度加熱至5℃，以保證后段輸配管網(wǎng)的正常使用。
3)BOG（Boil Off Gas）處理：為保證儲罐的安全，通過(guò)降壓調節閥自動(dòng)排出罐頂的氣體（BOG），這部分氣體經(jīng)BOG加熱器加熱、電加熱復熱器復熱，再通過(guò)調壓計量加臭后，調至0.09Mpa，接入用戶(hù)中壓管網(wǎng)。
4)放空處理：站內設有緊急放空系統（EAG），將LNG儲罐和管道上的放散管道匯集并經(jīng)EAG空溫式加熱器加熱，加熱后的氣體與常溫安全閥放散的氣體匯集后至放散總管排放。
3.3 LNG氣化站涉及的工藝設備
LNG氣化站涉及的工藝設備見(jiàn)表2。
3.4 LNG氣化站HAZOP&LOPA分析輸入資料
HAZOP&LOPA分析輸入資料見(jiàn)表3。
3.5 用戶(hù)風(fēng)險可接受標準
用戶(hù)的風(fēng)險可接受標準應考慮用戶(hù)的情況和本行業(yè)的特點(diǎn)。設定值過(guò)高，安全措施不到位無(wú)法有效保護裝置，設定值過(guò)低，安全措施過(guò)多，增加投資并且影響操作和維護。根據用戶(hù)裝置的特點(diǎn)，結合用戶(hù)實(shí)際情況，用戶(hù)風(fēng)險可接受標準為中（可選擇性的采取行動(dòng)）或低（不需采取行動(dòng)）。
3.6 LNG氣化站HAZOP&LOPA分析結果
LNG氣化站HAZOP&LOPA分析結果分別見(jiàn)表4、表5。
四、結論
結合LNG氣化站工藝，通過(guò)開(kāi)展HAZOP&LOPA分析，充分辨識LNG氣化站工藝設計缺陷、工藝過(guò)程危險及操作性問(wèn)題，全面排查L(cháng)NG氣化站在基礎設計階段存在的不足，從源頭上努力減少設計缺陷帶來(lái)的安全隱患，提升裝置的可靠性，并為L(cháng)NG氣化站工藝及自動(dòng)化控制的安全設計提供理論依據。
參考文獻：
[1]《保護層分析（LOPA）方法應用導則》（AQ/T3054-2015）.
[2]《國家安全監管總局關(guān)于公布首批重點(diǎn)監管的危險化學(xué)品名錄的通知》（安監總管三〔2011〕95號）.
HAZOP分析是對危險與可操作性問(wèn)題進(jìn)行詳細識別的過(guò)程，由一個(gè)小組完成，該小組包含工藝、管道、儀表、設備、電氣、安全等專(zhuān)業(yè)。HAZOP分析包括辨識潛在的偏離設計目的的偏差，分析其可能性和嚴重度，并評估其風(fēng)險等級。
在開(kāi)始危險分析時(shí)，HAZOP分析組長(cháng)和小組成員一起將接受分析的工藝系統劃分成若干個(gè)節點(diǎn)。并以節點(diǎn)為單位，運用“引導詞”的導引完成分析工作。
1.1 HAZOP分析的基本步驟
1) 節點(diǎn)及偏差選擇
2) 初始事件確認
3) 場(chǎng)景描述及后果
4) 嚴重度分析
5) 可能性分析
6) 確定風(fēng)險等級
根據風(fēng)險矩陣確定風(fēng)險等級。風(fēng)險評估矩陣見(jiàn)表1。
7) 剩余風(fēng)險
若場(chǎng)景潛在風(fēng)險等級為高、很高，為企業(yè)不可接受風(fēng)險，則必須采取相應的措施，可以選取預防性保護措施、減緩性保護措施、限制和控制措施，然后根據相應措施的類(lèi)型，重新評估可能性和嚴重度；若場(chǎng)景潛在風(fēng)險為低風(fēng)險，則無(wú)需其他安全措施；若場(chǎng)景潛在風(fēng)險為中風(fēng)險，則企業(yè)可采用成本效益分析，決定是否需要增加新的安全措施。
二、保護層分析（LOPA，Layer of protection analysis）方法
LOPA分析是在定性危險分析的基礎上，進(jìn)一步對具體的場(chǎng)景的風(fēng)險進(jìn)行相對量化的研究，包括對場(chǎng)景的準確表述及識別已有的獨立保護層（IPL，Independent protection layer），從而判定該場(chǎng)景發(fā)生時(shí)系統所處的風(fēng)險水平是否達到可容許風(fēng)險標準的要求，并根據需要增加適當的保護層，以將風(fēng)險降低至可容許風(fēng)險標準所要求的水平。
2.1 LOPA基本程序包括
1）場(chǎng)景識別與篩選
2）初始事件（IE，Initiating event）確認
3）獨立保護層（IPL，Independent protection layer）評估
4）場(chǎng)景頻率計算
5）風(fēng)險評估與決策
6）后續跟蹤與審查
HAZOP信息與LOPA信息兩者之間的關(guān)系見(jiàn)圖1。
場(chǎng)景頻率為初始事件發(fā)生頻率、所有保護層要求時(shí)失效概率（PFD，Probability of failure on demand）、使能事件或使能條件的發(fā)生概率、點(diǎn)火概率、暴露概率、致死率之積。
場(chǎng)景發(fā)生頻率按式（1）計算：
--初始事件i造成后果C的頻率，單位為次每年；
--初始事件i的發(fā)生頻率，單位為次每年；
--使能事件或使能條件發(fā)生的概率，假如沒(méi)有使能事件或使能條件，則取1；
--條件修正因子，假如沒(méi)有任何條件修正，則取1；
--初始事件i中第j個(gè)阻止后果C的獨立保護層要求時(shí)的失效概率（PFD）。
初始事件概率數據見(jiàn)《保護層分析（LOPA）方法應用導則》（AQ/T3054-2015）表E.1、表E.2[1]，IPL的PFD（Probability of failure on demand，要求時(shí)的失效概率）數據見(jiàn)《保護層分析（LOPA）方法應用導則》（AQ/T3054-2015）表E.3。
三、HAZOP&LOPA分析在LNG氣化站工藝設計中的應用
3.1 LNG的主要危險特性
LNG是液化天然氣的縮寫(xiě)，主要成分為甲烷，其體積為天然氣的1/600。天然氣屬于極易燃氣體，無(wú)色、無(wú)味。沸點(diǎn)-161.5℃，相對蒸氣密度（空氣=1）0.6，相對密度（水=1）0.42(-164℃)，飽和蒸氣壓53.32kPa(-168.8℃)，爆炸極限5.0%～16%（體積比）。
根據《危險化學(xué)品目錄》（2015版）及其附件《危險化學(xué)品分類(lèi)信息表》，天然氣（序號：2123；CAS號：8006-14-2）屬于危險化學(xué)品，其危險性類(lèi)別為易燃氣體，類(lèi)別1；加壓氣體。天然氣（首批：序號5）為重點(diǎn)監管的危險化學(xué)品 。
3.2 LNG氣化站工藝流程簡(jiǎn)述
LNG氣化站主要由卸車(chē)區、儲罐區、氣化調壓區等組成。其中儲罐區包括LNG儲罐&儲罐增壓器，內含20m3低溫臥式儲罐1臺、200Nm3/h儲罐增壓器1臺；卸車(chē)區包括300Nm3/h卸車(chē)增壓器1臺 ；氣化調壓區包括2150Nm3/h空溫式氣化器1臺、1500Nm3/h空溫式氣化器1臺、1000Nm3/h復熱器1臺、1000Nm3/h調壓計量加臭撬1臺、300Nm3/h BOG加熱器1臺、200Nm3/h EAG加熱器1臺。
LNG氣化站氣化區小時(shí)供氣量為800Nm3//h。
LNG氣化站工藝流程簡(jiǎn)述如下：
1)卸車(chē)流程：LNG由LNG槽車(chē)運至本站，在卸氣口通過(guò)LNG專(zhuān)用軟管連接槽車(chē)，平衡槽車(chē)和儲罐的氣相壓力或通過(guò)放散降低罐壓力后啟動(dòng)卸車(chē)增壓器把槽車(chē)升壓至0.6Mpa，利用壓差將LNG送至LNG儲罐儲存。
2)氣化流程：通過(guò)儲罐增壓器和自動(dòng)增壓調節閥將儲罐內氣相空間壓力升至0.6Mpa，利用壓力差將LNG送至空溫式氣化器完成氣化流程，然后通過(guò)天然氣調壓計量加臭裝置接至用戶(hù)中壓管網(wǎng)。同時(shí)，考慮在冬季環(huán)境溫度低，空溫式氣化器無(wú)法保證出站天然氣的溫度，若氣態(tài)天然氣溫度過(guò)低將損壞后段輸配管網(wǎng)，故增加一臺復熱器，將氣化后的天然氣溫度加熱至5℃，以保證后段輸配管網(wǎng)的正常使用。
3)BOG（Boil Off Gas）處理：為保證儲罐的安全，通過(guò)降壓調節閥自動(dòng)排出罐頂的氣體（BOG），這部分氣體經(jīng)BOG加熱器加熱、電加熱復熱器復熱，再通過(guò)調壓計量加臭后，調至0.09Mpa，接入用戶(hù)中壓管網(wǎng)。
4)放空處理：站內設有緊急放空系統（EAG），將LNG儲罐和管道上的放散管道匯集并經(jīng)EAG空溫式加熱器加熱，加熱后的氣體與常溫安全閥放散的氣體匯集后至放散總管排放。
3.3 LNG氣化站涉及的工藝設備
LNG氣化站涉及的工藝設備見(jiàn)表2。
3.4 LNG氣化站HAZOP&LOPA分析輸入資料
HAZOP&LOPA分析輸入資料見(jiàn)表3。
3.5 用戶(hù)風(fēng)險可接受標準
用戶(hù)的風(fēng)險可接受標準應考慮用戶(hù)的情況和本行業(yè)的特點(diǎn)。設定值過(guò)高，安全措施不到位無(wú)法有效保護裝置，設定值過(guò)低，安全措施過(guò)多，增加投資并且影響操作和維護。根據用戶(hù)裝置的特點(diǎn)，結合用戶(hù)實(shí)際情況，用戶(hù)風(fēng)險可接受標準為中（可選擇性的采取行動(dòng)）或低（不需采取行動(dòng)）。
3.6 LNG氣化站HAZOP&LOPA分析結果
LNG氣化站HAZOP&LOPA分析結果分別見(jiàn)表4、表5。
四、結論
結合LNG氣化站工藝，通過(guò)開(kāi)展HAZOP&LOPA分析，充分辨識LNG氣化站工藝設計缺陷、工藝過(guò)程危險及操作性問(wèn)題，全面排查L(cháng)NG氣化站在基礎設計階段存在的不足，從源頭上努力減少設計缺陷帶來(lái)的安全隱患，提升裝置的可靠性，并為L(cháng)NG氣化站工藝及自動(dòng)化控制的安全設計提供理論依據。
參考文獻：
[1]《保護層分析（LOPA）方法應用導則》（AQ/T3054-2015）.
[2]《國家安全監管總局關(guān)于公布首批重點(diǎn)監管的危險化學(xué)品名錄的通知》（安監總管三〔2011〕95號）.