HAZOP&LOPA分析在LNG气化站工艺设计中的应用
HAZOP&LOPA分析在LNG气化站工艺设计中的应用
一、危险与可操作性分析（HAZOP，Hazard and operability studies）方法
HAZOP分析是对危险与可操作性问题进行详细识别的过程，由一个小组完成，该小组包含工艺、管道、仪表、设备、电气、安全等专业。HAZOP分析包括辨识潜在的偏离设计目的的偏差，分析其可能性和严重度，并评估其风险等级。
在开始危险分析时，HAZOP分析组长和小组成员一起将接受分析的工艺系统划分成若干个节点。并以节点为单位，运用“引导词”的导引完成分析工作。
1.1 HAZOP分析的基本步骤
1) 节点及偏差选择
2) 初始事件确认
3) 场景描述及后果
4) 严重度分析
5) 可能性分析
6) 确定风险等级
根据风险矩阵确定风险等级。风险评估矩阵见表1。
7) 剩余风险
若场景潜在风险等级为高、很高，为企业不可接受风险，则必须采取相应的措施，可以选取预防性保护措施、减缓性保护措施、限制和控制措施，然后根据相应措施的类型，重新评估可能性和严重度；若场景潜在风险为低风险，则无需其他安全措施；若场景潜在风险为中风险，则企业可采用成本效益分析，决定是否需要增加新的安全措施。
二、保护层分析（LOPA，Layer of protection analysis）方法
LOPA分析是在定性危险分析的基础上，进一步对具体的场景的风险进行相对量化的研究，包括对场景的准确表述及识别已有的独立保护层（IPL，Independent protection layer），从而判定该场景发生时系统所处的风险水平是否达到可容许风险标准的要求，并根据需要增加适当的保护层，以将风险降低至可容许风险标准所要求的水平。
2.1 LOPA基本程序包括
1）场景识别与筛选
2）初始事件（IE，Initiating event）确认
3）独立保护层（IPL，Independent protection layer）评估
4）场景频率计算
5）风险评估与决策
6）后续跟踪与审查
HAZOP信息与LOPA信息两者之间的关系见图1。
场景频率为初始事件发生频率、所有保护层要求时失效概率（PFD，Probability of failure on demand）、使能事件或使能条件的发生概率、点火概率、暴露概率、致死率之积。
场景发生频率按式（1）计算：
--初始事件i造成后果C的频率，单位为次每年；
--初始事件i的发生频率，单位为次每年；
--使能事件或使能条件发生的概率，假如没有使能事件或使能条件，则取1；
--条件修正因子，假如没有任何条件修正，则取1；
--初始事件i中第j个阻止后果C的独立保护层要求时的失效概率（PFD）。
初始事件概率数据见《保护层分析（LOPA）方法应用导则》（AQ/T3054-2015）表E.1、表E.2[1]，IPL的PFD（Probability of failure on demand，要求时的失效概率）数据见《保护层分析（LOPA）方法应用导则》（AQ/T3054-2015）表E.3。
三、HAZOP&LOPA分析在LNG气化站工艺设计中的应用
3.1 LNG的主要危险特性
LNG是液化天然气的缩写，主要成分为甲烷，其体积为天然气的1/600。天然气属于极易燃气体，无色、无味。沸点-161.5℃，相对蒸气密度（空气=1）0.6，相对密度（水=1）0.42(-164℃)，饱和蒸气压53.32kPa(-168.8℃)，爆炸极限5.0%～16%（体积比）。
根据《危险化学品目录》（2015版）及其附件《危险化学品分类信息表》，天然气（序号：2123；CAS号：8006-14-2）属于危险化学品，其危险性类别为易燃气体，类别1；加压气体。天然气（首批：序号5）为重点监管的危险化学品 。
3.2 LNG气化站工艺流程简述
LNG气化站主要由卸车区、储罐区、气化调压区等组成。其中储罐区包括LNG储罐&储罐增压器，内含20m3低温卧式储罐1台、200Nm3/h储罐增压器1台；卸车区包括300Nm3/h卸车增压器1台 ；气化调压区包括2150Nm3/h空温式气化器1台、1500Nm3/h空温式气化器1台、1000Nm3/h复热器1台、1000Nm3/h调压计量加臭撬1台、300Nm3/h BOG加热器1台、200Nm3/h EAG加热器1台。
LNG气化站气化区小时供气量为800Nm3//h。
LNG气化站工艺流程简述如下：
1)卸车流程：LNG由LNG槽车运至本站，在卸气口通过LNG专用软管连接槽车，平衡槽车和储罐的气相压力或通过放散降低罐压力后启动卸车增压器把槽车升压至0.6Mpa，利用压差将LNG送至LNG储罐储存。
2)气化流程：通过储罐增压器和自动增压调节阀将储罐内气相空间压力升至0.6Mpa，利用压力差将LNG送至空温式气化器完成气化流程，然后通过天然气调压计量加臭装置接至用户中压管网。同时，考虑在冬季环境温度低，空温式气化器无法保证出站天然气的温度，若气态天然气温度过低将损坏后段输配管网，故增加一台复热器，将气化后的天然气温度加热至5℃，以保证后段输配管网的正常使用。
3)BOG（Boil Off Gas）处理：为保证储罐的安全，通过降压调节阀自动排出罐顶的气体（BOG），这部分气体经BOG加热器加热、电加热复热器复热，再通过调压计量加臭后，调至0.09Mpa，接入用户中压管网。
4)放空处理：站内设有紧急放空系统（EAG），将LNG储罐和管道上的放散管道汇集并经EAG空温式加热器加热，加热后的气体与常温安全阀放散的气体汇集后至放散总管排放。
3.3 LNG气化站涉及的工艺设备
LNG气化站涉及的工艺设备见表2。
3.4 LNG气化站HAZOP&LOPA分析输入资料
HAZOP&LOPA分析输入资料见表3。
3.5 用户风险可接受标准
用户的风险可接受标准应考虑用户的情况和本行业的特点。设定值过高，安全措施不到位无法有效保护装置，设定值过低，安全措施过多，增加投资并且影响操作和维护。根据用户装置的特点，结合用户实际情况，用户风险可接受标准为中（可选择性的采取行动）或低（不需采取行动）。
3.6 LNG气化站HAZOP&LOPA分析结果
LNG气化站HAZOP&LOPA分析结果分别见表4、表5。
四、结论
结合LNG气化站工艺，通过开展HAZOP&LOPA分析，充分辨识LNG气化站工艺设计缺陷、工艺过程危险及操作性问题，全面排查LNG气化站在基础设计阶段存在的不足，从源头上努力减少设计缺陷带来的安全隐患，提升装置的可靠性，并为LNG气化站工艺及自动化控制的安全设计提供理论依据。
参考文献：
[1]《保护层分析（LOPA）方法应用导则》（AQ/T3054-2015）.
[2]《国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化学品名录的通知》（安监总管三〔2011〕95号）.
HAZOP分析是对危险与可操作性问题进行详细识别的过程，由一个小组完成，该小组包含工艺、管道、仪表、设备、电气、安全等专业。HAZOP分析包括辨识潜在的偏离设计目的的偏差，分析其可能性和严重度，并评估其风险等级。
在开始危险分析时，HAZOP分析组长和小组成员一起将接受分析的工艺系统划分成若干个节点。并以节点为单位，运用“引导词”的导引完成分析工作。
1.1 HAZOP分析的基本步骤
1) 节点及偏差选择
2) 初始事件确认
3) 场景描述及后果
4) 严重度分析
5) 可能性分析
6) 确定风险等级
根据风险矩阵确定风险等级。风险评估矩阵见表1。
7) 剩余风险
若场景潜在风险等级为高、很高，为企业不可接受风险，则必须采取相应的措施，可以选取预防性保护措施、减缓性保护措施、限制和控制措施，然后根据相应措施的类型，重新评估可能性和严重度；若场景潜在风险为低风险，则无需其他安全措施；若场景潜在风险为中风险，则企业可采用成本效益分析，决定是否需要增加新的安全措施。
二、保护层分析（LOPA，Layer of protection analysis）方法
LOPA分析是在定性危险分析的基础上，进一步对具体的场景的风险进行相对量化的研究，包括对场景的准确表述及识别已有的独立保护层（IPL，Independent protection layer），从而判定该场景发生时系统所处的风险水平是否达到可容许风险标准的要求，并根据需要增加适当的保护层，以将风险降低至可容许风险标准所要求的水平。
2.1 LOPA基本程序包括
1）场景识别与筛选
2）初始事件（IE，Initiating event）确认
3）独立保护层（IPL，Independent protection layer）评估
4）场景频率计算
5）风险评估与决策
6）后续跟踪与审查
HAZOP信息与LOPA信息两者之间的关系见图1。
场景频率为初始事件发生频率、所有保护层要求时失效概率（PFD，Probability of failure on demand）、使能事件或使能条件的发生概率、点火概率、暴露概率、致死率之积。
场景发生频率按式（1）计算：
--初始事件i造成后果C的频率，单位为次每年；
--初始事件i的发生频率，单位为次每年；
--使能事件或使能条件发生的概率，假如没有使能事件或使能条件，则取1；
--条件修正因子，假如没有任何条件修正，则取1；
--初始事件i中第j个阻止后果C的独立保护层要求时的失效概率（PFD）。
初始事件概率数据见《保护层分析（LOPA）方法应用导则》（AQ/T3054-2015）表E.1、表E.2[1]，IPL的PFD（Probability of failure on demand，要求时的失效概率）数据见《保护层分析（LOPA）方法应用导则》（AQ/T3054-2015）表E.3。
三、HAZOP&LOPA分析在LNG气化站工艺设计中的应用
3.1 LNG的主要危险特性
LNG是液化天然气的缩写，主要成分为甲烷，其体积为天然气的1/600。天然气属于极易燃气体，无色、无味。沸点-161.5℃，相对蒸气密度（空气=1）0.6，相对密度（水=1）0.42(-164℃)，饱和蒸气压53.32kPa(-168.8℃)，爆炸极限5.0%～16%（体积比）。
根据《危险化学品目录》（2015版）及其附件《危险化学品分类信息表》，天然气（序号：2123；CAS号：8006-14-2）属于危险化学品，其危险性类别为易燃气体，类别1；加压气体。天然气（首批：序号5）为重点监管的危险化学品 。
3.2 LNG气化站工艺流程简述
LNG气化站主要由卸车区、储罐区、气化调压区等组成。其中储罐区包括LNG储罐&储罐增压器，内含20m3低温卧式储罐1台、200Nm3/h储罐增压器1台；卸车区包括300Nm3/h卸车增压器1台 ；气化调压区包括2150Nm3/h空温式气化器1台、1500Nm3/h空温式气化器1台、1000Nm3/h复热器1台、1000Nm3/h调压计量加臭撬1台、300Nm3/h BOG加热器1台、200Nm3/h EAG加热器1台。
LNG气化站气化区小时供气量为800Nm3//h。
LNG气化站工艺流程简述如下：
1)卸车流程：LNG由LNG槽车运至本站，在卸气口通过LNG专用软管连接槽车，平衡槽车和储罐的气相压力或通过放散降低罐压力后启动卸车增压器把槽车升压至0.6Mpa，利用压差将LNG送至LNG储罐储存。
2)气化流程：通过储罐增压器和自动增压调节阀将储罐内气相空间压力升至0.6Mpa，利用压力差将LNG送至空温式气化器完成气化流程，然后通过天然气调压计量加臭装置接至用户中压管网。同时，考虑在冬季环境温度低，空温式气化器无法保证出站天然气的温度，若气态天然气温度过低将损坏后段输配管网，故增加一台复热器，将气化后的天然气温度加热至5℃，以保证后段输配管网的正常使用。
3)BOG（Boil Off Gas）处理：为保证储罐的安全，通过降压调节阀自动排出罐顶的气体（BOG），这部分气体经BOG加热器加热、电加热复热器复热，再通过调压计量加臭后，调至0.09Mpa，接入用户中压管网。
4)放空处理：站内设有紧急放空系统（EAG），将LNG储罐和管道上的放散管道汇集并经EAG空温式加热器加热，加热后的气体与常温安全阀放散的气体汇集后至放散总管排放。
3.3 LNG气化站涉及的工艺设备
LNG气化站涉及的工艺设备见表2。
3.4 LNG气化站HAZOP&LOPA分析输入资料
HAZOP&LOPA分析输入资料见表3。
3.5 用户风险可接受标准
用户的风险可接受标准应考虑用户的情况和本行业的特点。设定值过高，安全措施不到位无法有效保护装置，设定值过低，安全措施过多，增加投资并且影响操作和维护。根据用户装置的特点，结合用户实际情况，用户风险可接受标准为中（可选择性的采取行动）或低（不需采取行动）。
3.6 LNG气化站HAZOP&LOPA分析结果
LNG气化站HAZOP&LOPA分析结果分别见表4、表5。
四、结论
结合LNG气化站工艺，通过开展HAZOP&LOPA分析，充分辨识LNG气化站工艺设计缺陷、工艺过程危险及操作性问题，全面排查LNG气化站在基础设计阶段存在的不足，从源头上努力减少设计缺陷带来的安全隐患，提升装置的可靠性，并为LNG气化站工艺及自动化控制的安全设计提供理论依据。
参考文献：
[1]《保护层分析（LOPA）方法应用导则》（AQ/T3054-2015）.
[2]《国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化学品名录的通知》（安监总管三〔2011〕95号）.