基于LOPA分析方法的加氢工艺SIL等级确定研究_伊廷强.pdf

伊廷强基于 LOPA 分析方法的加氢工艺 SIL等级确定研究伊廷强（中核第四研究设计工程有限公司 医药化工所，河北 石家庄 050021）摘要：加氢反应是现代医药行业常见的工艺过程。以某项目 ZF 工序氢化釜为分析节点，采用保护层分析（LOPA），确定是否有必要增加额外的 SIS 系统。当确定需要增加 SIS 系统后，还需确定 SIS 系统是否达到降低风险的目标，这就需要计算 SIS 系统的安全完整性等级（SIL）。通过此次研究，为制药行业加氢工艺乃至其他危险工艺 SIS 系统的正确设置提供方法依据。关键词：加氢反应；保护层分析；安全完整性等级；安全仪表系统中图分类号：TQ 086文献标志码：A文章编号：2095-817X（2023）01-0001-004在现代石化、医药工业中，加氢反应是一种常见的工艺过程，用途广泛。而加氢反应的主反应物氢气的爆炸极限为 4%75%，又是放热过程，整个反应过程伴随着高温高压，因此，如果操作失误、设备泄漏或控制不当都极易引发爆炸 1。2009 年 6 月 12日国家安全生产监督管理总局发布了首批重点监管的危险化工工艺目录（116 号文），将加氢工艺列为首批重点监管的危险化工工艺，并将加氢工艺的安全控制措施作了详细的要求 2。保 护 层 分 析（Layers of Protection Analysis，LOPA）技术，可以解决 HAZOP 分析不能定量的问题，当 HAZOP 分析的结果存在重大风险时，或风险的现有保护措施代价过大的，均可采用 LOPA 分析。而进行 LOPA 分析的目的，主要就是为了验证现有保护是否足够，是否需要增加 SIS 系统，并确定增加SIS 系统以后，风险的降低程度。1 通知中对加氢工艺的要求1.1 加氢工艺危险特点（1）反应物料氢气具有燃烧爆炸危险性；（2）氢气在高温高压下与钢材内的碳反应，发生氢脆；（3）加氢反应尾气中的氢气和其他杂质在排放收稿日期：2022-11-02作者简介：伊廷强（1983），男，高级工程师，生物化工硕士，主要从事医药化工工艺设计。时易引发着火爆炸。1.2 加氢工艺安全控制的基本要求将反应釜的温度、压力与搅拌电流、氢气流量、夹套冷却水进水阀联锁，设立紧急停车系统。当反应釜内温度或压力超标或搅拌系统发生故障时自动停止加氢，泄压，并进入紧急状态。2 加氢工艺 LOPA 分析2.1 LOPA 方法介绍保护层分析（LOPA）是在 HAZOP 的基础上，进一步评估保护层的有效性（IPL），并进行风险决策的系统方法 3。其主要目的是确定是否有足够的保护层使风险满足企业或行业的风险标准。在事故场景后果严重，需要确定后果的发生频率，或者为确定安全仪表功能（SIF）的安全完整性等级（SIL）时采用此方法。2.2 LOPA 分析过程2.2.1 场景的识别与筛选场景选择时，每个所选场景应有唯一的初始事件（IE）及其对应的单一后果，当同一 IE 导致不同后果时，或多个 IE 导致同一后果时，均应假设多个场景。若之前已经过 HAZOP 分析，可将其分析的结果作为场景使用 4。2.2.2 IE 的确认通常包括外部事件、控制系统故障、设备故障、公用系统故障和人员失误等。但人员失误的根原因、1化 工 与 医 药 工 程第44卷第1期2023年2月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(1)化工工艺与工程设备不完善测试和维护等通常不作为 IE。2.2.3 IPL 评估具备独立保护层的需满足以下条件：独立性、有效性、安全性和可审查性。2.2.4 场景频率计算初始事件导致后果发生的频率为初始事件发生的频率和每一个 IPL 的失效概率（PFD）的乘积。公式如下：FC =FOPFD1PFD2PFDi初始事件发生的频率和 IPL 的 PFD 获取通常采用行业统计数据或企业历史统计数据。通常的条件修正取值为：点火概率为 1，人员暴露概率为 0.5，致死概率为 0.5。2.3 基于 ZF 工序加氢工艺 HAZOP 分析结果的LOPA 分析表 1 为 SIL 等级与独立 SIF 的 PDF 值对应表，表 2 为 LOPA 分析记录汇总表。图 1 为 ZF 加氢工艺管道及仪表流程图（含 SIS）。表 1 SIL 等级与独立 SIF 的 PFD 值对应表Tab.1 Corresponding table of PFD values of SIL and independent SIFSIL独立 SIF 的 PFD 范围40.000 01 0.000 130.000 1 0.00120.001 0.0110.01 0.1表 2 LOPA 分析记录汇总表Tab.2 Summary of LOPA analysis records序号场景后果IE条件修正IPL其他保护措施Fc可接受风险标准需求的SIL 等级备注描述等级描述FO点火概率人员暴露概率致死概率描述PFDPFDSIL1氢气流量调节阀 FV1103故 障 开 大，而人员未能及时响应手动关闭氢气进料阀加 剧 氢 化 反应，并 引 发氢化釜 R1101压 力 急 剧 上升，严重时会导 致 氢 化 釜R1101 爆炸IV-16，严重氢气调节阀FV1103故障开大0.110.50.51）BPCS系统2）安全阀 和 爆破片1）BPCS=0.32）安全阀=0.13）爆破片=1人员响应7.510-43.010-50.0412蒸 汽 管 道调节阀TV1101B 故障开大，而人员未能及时响应手动关闭蒸汽进料阀导 致 氢 化 釜R1101 加热升温过快，加剧加 氢 反 应 速率，并引发超温、超压，严重时会导致氢化釜爆炸IV-16，严重蒸汽管道调节阀TV1101B故障开大0.110.50.51）BPCS系统2）安 全阀 和爆 破片1）BPCS=0.32）安全阀=0.13）爆破片=1人员响应7.510-43.010-50.0413冷水进水阀TV1101A 故障开小，而人员未能及时响应手动全开冷水进料阀导 致 氢 化 釜R1101 温控失效，加剧加氢反应速率，并引发超温、超压，严重时会导致氢化釜爆炸IV-16，严重冷水进水阀TV1101A故障开小0.110.50.51）BPCS系统2）安 全阀 和爆 破片1）BPCS=0.32）安全阀=0.13）爆破片=1人员响应7.510-43.010-50.0412.3.1 事故场景一 LOPA 分析过程（1）事故场景一：氢气流量调节阀 FV1103 故障开大，而人员未能及时响应手动关闭氢气进料阀。（2）后果描述：加剧氢化反应，并引发氢化釜R1101 压力急剧上升，严重时会导致氢化釜 R1101爆炸。（3）后果等级：IV-16，严重。（4）IE：氢气调节阀 FV1103 故障开大。（5）IE 发生频率：FO=0.1。（6）IPL 评估：过程控制系统（BPCS）：蒸汽进料调节阀TV1101B 连锁关闭；冷水进料阀调节阀 TV1101A 连锁全开；氢化釜搅拌转速开至最大。安全阀泄放系统：安全阀和爆破片。（7）IPL 的 PFD 计算：PFDBPCS=0.32化 工 与 医 药 工 程第44卷第1期2023年2月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(1)图 1 ZF 加氢工艺管道及仪表流程图（含 SIS）Fig.1 Flow diagram of ZF hydrogenation process pipeline and instrument（including SIS）R1201制冷水供水循环水供水蒸汽循环水回水制冷水回水LWS-R110119-80-L1B-CCWS-R110120-80-L1BLS-R11013-50-L1B-HCHJ-R110116-40-P1EPL-R110123-50-P1ESTOPHHHHLCWR-R11011-80-L1BLWR-R11012-80-L1B-C放空管口高出 10 m 范围内的平台或建筑物顶 3.5 m 以上放空管口高出 10 m 范围内的平台或建筑物顶 3.5 m 以上至一层冷凝水回收罐SC-R110118-50-L1B-HVT-R110111-65-P1EVT-R110112-250-P1EPL-R110113-50-L6EETH-R110114-50-L6E管道伸至催化剂上方5真空氮气该阻火器安装位置低于放空口 0.5 m安全阀 DN 65整定压力 3.2 MPa此切断阀应保持常开，铅封爆破片 DN 250爆破压力 3.5 MPaDOHV1101HV1104FV1103V1105电磁阀HV1103HV1102V1102FV1101FV1102V1104TV1101BTV1101AV1103放空放空排污VT-R110124-50-L6EVT-R11017-50-P1EVE-R11018-40-L8ECN3-R11019-25-L1EH2-R110110-25-P1E催化剂来自配料桶物料去下步工序乙醇接原料桶物料接原料桶氢气来自厂区 PFD安全阀=0.1 PFD爆破片=1（8）场景频率 Fc计算：FC =FOPFD1PFD2PFDi0.25 =0.10.30.110.25=7.510-4（9）风险标准的选择：“国家安监总局第 40 号令”对危险化学品单位周边重要目标和敏感场所承受的个人风险做了规定，但对场内及人员暴露数量较少的情形尚无规定。业内人士也积极做了相关工作。针对化工企业 5-6，风险可接受标准可取 3.010-5；风险可忽略标准取 10-7。（10）安全仪表功能（SIF）的选择及 SIL 等级确定：针对氢气流量调节阀 FV1103 故障开大的场景频率（FC）和可接受标准的对比，需考虑增加一个独立的 SIF，用于氢气流量调节阀故障开大后的紧急关闭。此独立 SIF 的失效概率（PFDSIF）应小于等于（3.010-5）/（7.510-4）=410-2。根据表 1，针对此事故场景的 SIL 等级为 1 级，即 SIL-1。2.3.2 ZF 工序加氢工艺 LOPA 分析汇总 根据表 2 分析，氢气流量故障开大、蒸汽管路调节阀故障开大和冷水进水阀故障开小，在人员未能及时响应时，均有导致氢化釜爆炸的可能。场景发生的概率均未能满足行业内可接受的标准，因此需增加安全仪表系统（SIS）。此系统的安全仪表功能的失效概率为 0.04，也就是 SIL 等级为 1 级。3伊廷强.基于 LOPA 分析方法的加氢工艺 SIL 等级确定研究Study on SIL Level Determination of Hydrogenation Process Based on LOPA Analysis MethodYi Tingqiang（The Fourth Research and Design Engineering Corporation of CNNC,Pharmaceutical and Chemical Industry Department,Shijiazhuang,Hebei 050021,China）Abstract:Hydrogenation is a common process in modern pharmaceutical industry.A protective layer analysis(LOPA)was used to determine whether additional SIS systems were necessary with the hydrogenated reactor in ZF process of a project as the analytical node.After determining the need to add an SIS system,it is also necessary to determine whether the SIS system meets the risk reduction o