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題進行詳細識別的過程，由一個小組完成，該小組包含工藝、管道、儀表、設備、電氣、安全等專業(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，并評估其風險等級。
在開始危險分析時，HAZOP分析組長和小組成員一起將接受分析的工藝系統(tǒng)劃分成若干個節(jié)點。并以節(jié)點為單位，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(jié)點及偏差選擇
2) 初始事件確認
3) 場景描述及后果
4) 嚴重度分析
5) 可能性分析
6) 確定風險等級
根據(jù)風險矩陣確定風險等級。風險評估矩陣見表1。
7) 剩余風險
若場景潛在風險等級為高、很高，為企業(yè)不可接受風險，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(jù)相應措施的類型，重新評估可能性和嚴重度；若場景潛在風險為低風險，則無需其他安全措施；若場景潛在風險為中風險，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，進一步對具體的場景的風險進行相對量化的研究，包括對場景的準確表述及識別已有的獨立保護層（IPL，Independent protection layer），從而判定該場景發(fā)生時系統(tǒng)所處的風險水平是否達到可容許風險標準的要求，并根據(jù)需要增加適當?shù)谋Ｗo層，以將風險降低至可容許風險標準所要求的水平。
2.1 LOPA基本程序包括
1）場景識別與篩選
2）初始事件（IE，Initiating event）確認
3）獨立保護層（IPL，Independent protection layer）評估
4）場景頻率計算
5）風險評估與決策
6）后續(xù)跟蹤與審查
HAZOP信息與LOPA信息兩者之間的關系見圖1。
場景頻率為初始事件發(fā)生頻率、所有保護層要求時失效概率（PFD，Probability of failure on demand）、使能事件或使能條件的發(fā)生概率、點火概率、暴露概率、致死率之積。
場景發(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，假如沒有使能事件或使能條件，則取1；
--條件修正因子，假如沒有任何條件修正，則取1；
--初始事件i中第j個阻止后果C的獨立保護層要求時的失效概率（PFD）。
初始事件概率數(shù)據(jù)見《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，要求時的失效概率）數(shù)據(jù)見《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，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，無色、無味。沸點-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(jù)《危險化學品目錄》（2015版）及其附件《危險化學品分類信息表》，天然氣（序號：2123；CAS號：8006-14-2）屬于危險化學品，其危險性類別為易燃氣體，類別1；加壓氣體。天然氣（首批：序號5）為重點監(jiān)管的危險化學品 。
3.2 LNG氣化站工藝流程簡述
LNG氣化站主要由卸車區(qū)、儲罐區(qū)、氣化調(diào)壓區(qū)等組成。其中儲罐區(qū)包括LNG儲罐&儲罐增壓器，內(nèi)含20m3低溫臥式儲罐1臺、200Nm3/h儲罐增壓器1臺；卸車區(qū)包括300Nm3/h卸車增壓器1臺 ；氣化調(diào)壓區(qū)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(diào)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(qū)小時供氣量為800Nm3//h。
LNG氣化站工藝流程簡述如下：
1)卸車流程：LNG由LNG槽車運至本站，在卸氣口通過LNG專用軟管連接槽車，平衡槽車和儲罐的氣相壓力或通過放散降低罐壓力后啟動卸車增壓器把槽車升壓至0.6Mpa，利用壓差將LNG送至LNG儲罐儲存。
2)氣化流程：通過儲罐增壓器和自動增壓調(diào)節(jié)閥將儲罐內(nèi)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，然后通過天然氣調(diào)壓計量加臭裝置接至用戶中壓管網(wǎng)。同時，考慮在冬季環(huán)境溫度低，空溫式氣化器無法保證出站天然氣的溫度，若氣態(tài)天然氣溫度過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，通過降壓調(diào)節(jié)閥自動排出罐頂?shù)臍怏w（BOG），這部分氣體經(jīng)BOG加熱器加熱、電加熱復熱器復熱，再通過調(diào)壓計量加臭后，調(diào)至0.09Mpa，接入用戶中壓管網(wǎng)。
4)放空處理：站內(nèi)設有緊急放空系統(tǒng)（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分析輸入資料見表3。
3.5 用戶風險可接受標準
用戶的風險可接受標準應考慮用戶的情況和本行業(yè)的特點。設定值過高，安全措施不到位無法有效保護裝置，設定值過低，安全措施過多，增加投資并且影響操作和維護。根據(jù)用戶裝置的特點，結合用戶實際情況，用戶風險可接受標準為中（可選擇性的采取行動）或低（不需采取行動）。
3.6 LNG氣化站HAZOP&LOPA分析結果
LNG氣化站HAZOP&LOPA分析結果分別見表4、表5。
四、結論
結合LNG氣化站工藝，通過開展HAZOP&LOPA分析，充分辨識LNG氣化站工藝設計缺陷、工藝過程危險及操作性問題，全面排查LNG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的安全隱患，提升裝置的可靠性，并為LNG氣化站工藝及自動化控制的安全設計提供理論依據(jù)。
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(jiān)管總局關于公布首批重點監(jiān)管的危險化學品名錄的通知》（安監(jiān)總管三〔2011〕95號）.
HAZOP分析是對危險與可操作性問題進行詳細識別的過程，由一個小組完成，該小組包含工藝、管道、儀表、設備、電氣、安全等專業(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，并評估其風險等級。
在開始危險分析時，HAZOP分析組長和小組成員一起將接受分析的工藝系統(tǒng)劃分成若干個節(jié)點。并以節(jié)點為單位，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(jié)點及偏差選擇
2) 初始事件確認
3) 場景描述及后果
4) 嚴重度分析
5) 可能性分析
6) 確定風險等級
根據(jù)風險矩陣確定風險等級。風險評估矩陣見表1。
7) 剩余風險
若場景潛在風險等級為高、很高，為企業(yè)不可接受風險，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(jù)相應措施的類型，重新評估可能性和嚴重度；若場景潛在風險為低風險，則無需其他安全措施；若場景潛在風險為中風險，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，進一步對具體的場景的風險進行相對量化的研究，包括對場景的準確表述及識別已有的獨立保護層（IPL，Independent protection layer），從而判定該場景發(fā)生時系統(tǒng)所處的風險水平是否達到可容許風險標準的要求，并根據(jù)需要增加適當?shù)谋Ｗo層，以將風險降低至可容許風險標準所要求的水平。
2.1 LOPA基本程序包括
1）場景識別與篩選
2）初始事件（IE，Initiating event）確認
3）獨立保護層（IPL，Independent protection layer）評估
4）場景頻率計算
5）風險評估與決策
6）后續(xù)跟蹤與審查
HAZOP信息與LOPA信息兩者之間的關系見圖1。
場景頻率為初始事件發(fā)生頻率、所有保護層要求時失效概率（PFD，Probability of failure on demand）、使能事件或使能條件的發(fā)生概率、點火概率、暴露概率、致死率之積。
場景發(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，假如沒有使能事件或使能條件，則取1；
--條件修正因子，假如沒有任何條件修正，則取1；
--初始事件i中第j個阻止后果C的獨立保護層要求時的失效概率（PFD）。
初始事件概率數(shù)據(jù)見《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，要求時的失效概率）數(shù)據(jù)見《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，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，無色、無味。沸點-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(jù)《危險化學品目錄》（2015版）及其附件《危險化學品分類信息表》，天然氣（序號：2123；CAS號：8006-14-2）屬于危險化學品，其危險性類別為易燃氣體，類別1；加壓氣體。天然氣（首批：序號5）為重點監(jiān)管的危險化學品 。
3.2 LNG氣化站工藝流程簡述
LNG氣化站主要由卸車區(qū)、儲罐區(qū)、氣化調(diào)壓區(qū)等組成。其中儲罐區(qū)包括LNG儲罐&儲罐增壓器，內(nèi)含20m3低溫臥式儲罐1臺、200Nm3/h儲罐增壓器1臺；卸車區(qū)包括300Nm3/h卸車增壓器1臺 ；氣化調(diào)壓區(qū)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(diào)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(qū)小時供氣量為800Nm3//h。
LNG氣化站工藝流程簡述如下：
1)卸車流程：LNG由LNG槽車運至本站，在卸氣口通過LNG專用軟管連接槽車，平衡槽車和儲罐的氣相壓力或通過放散降低罐壓力后啟動卸車增壓器把槽車升壓至0.6Mpa，利用壓差將LNG送至LNG儲罐儲存。
2)氣化流程：通過儲罐增壓器和自動增壓調(diào)節(jié)閥將儲罐內(nèi)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，然后通過天然氣調(diào)壓計量加臭裝置接至用戶中壓管網(wǎng)。同時，考慮在冬季環(huán)境溫度低，空溫式氣化器無法保證出站天然氣的溫度，若氣態(tài)天然氣溫度過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，通過降壓調(diào)節(jié)閥自動排出罐頂?shù)臍怏w（BOG），這部分氣體經(jīng)BOG加熱器加熱、電加熱復熱器復熱，再通過調(diào)壓計量加臭后，調(diào)至0.09Mpa，接入用戶中壓管網(wǎng)。
4)放空處理：站內(nèi)設有緊急放空系統(tǒng)（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分析輸入資料見表3。
3.5 用戶風險可接受標準
用戶的風險可接受標準應考慮用戶的情況和本行業(yè)的特點。設定值過高，安全措施不到位無法有效保護裝置，設定值過低，安全措施過多，增加投資并且影響操作和維護。根據(jù)用戶裝置的特點，結合用戶實際情況，用戶風險可接受標準為中（可選擇性的采取行動）或低（不需采取行動）。
3.6 LNG氣化站HAZOP&LOPA分析結果
LNG氣化站HAZOP&LOPA分析結果分別見表4、表5。
四、結論
結合LNG氣化站工藝，通過開展HAZOP&LOPA分析，充分辨識LNG氣化站工藝設計缺陷、工藝過程危險及操作性問題，全面排查LNG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的安全隱患，提升裝置的可靠性，并為LNG氣化站工藝及自動化控制的安全設計提供理論依據(jù)。
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(jiān)管總局關于公布首批重點監(jiān)管的危險化學品名錄的通知》（安監(jiān)總管三〔2011〕95號）.