基于HAZOP与模糊扩展蝴...型的甲烷化装置系统风险分析_王华.pdf

引用格式：王华，罗绍锋基于 与模糊扩展蝴蝶结模型的甲烷化装置系统风险分析安全与环境工程，（）：，y y y （）y d ，（）：基于 与模糊扩展蝴蝶结模型的甲烷化装置系统风险分析王华，罗绍锋（湖北聚平注册安全工程师事务所有限公司，湖北 武汉 ）摘要：作为清洁能源的甲烷，具有很大的发展潜力。为保证甲烷化装置系统的安全稳定运行，基于危险和可操作性（）分析与模糊扩展蝴蝶结（）模型对托普索甲烷化工艺装置系统进行了风险分析。先使用 分析和风险矩阵对该甲烷化装置系统进行了风险辨识和风险等级划分，再使用 模型对该甲烷化装置系统中管道或容器内发生火灾爆炸事故的基础事件和安全屏障事件发生的可能性进行了计算。结果表明：该甲烷化装置系统中管道或容器发生火灾爆炸事故的风险管控排序最为优先；人为误操作和机械工艺方面的法兰密封失效是直接导致事故场景发生的主要促成事件。该研究结果为该甲烷化装置系统在日常安全管理中指明了关键事件，并验证了 分析和风险矩阵以及 模型在化工装置系统风险分析中的有效性。关键词：甲烷化装置系统；风险分析；分析；风险矩阵；模糊扩展蝴蝶结（）模型中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：作者简介：王华（），男，高级工程师，一级安全评价师，注册安全工程师，主要从事新型化工工艺的安全风险辨识与安全风险管控方面的研究工作。：y o o o o （）o ，（d y .，d.，）：y ，y ，y y，y y y y y （）y y y ：y；y y y y y ，y ，y o ：y ；y ；y ；y （）年月，国家发展改革委、国家能源局在“十四五”现代能源体系规划 中提出：“十四五”时期将从战略安全、运行安全、应急安全等维度，加强能源综合保障能力建设。作为清洁能源的甲烷，具第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 y 有很大的发展潜力。为了得到甲烷，从煤、焦炉气等原料中制取甲烷的甲烷化装置系统一直是安全管理的重点。甲烷化反应属于强放热反应，在反应的过程中不仅释放大量的热量，而且有着较快的反应速率，这对甲烷化装置系统提出了较高的结构安全的要求。同时，甲烷化装置系统中还存在着 、等多种易燃易爆及窒息中毒的气体，若危险源辨识不深入、安全隐患排查不彻底、安全管理不到位，则很容易引发生产安全事故，带来生命和财产的损失。在化工装置系统风险辨识方面，学者们提出了多种安全评估方法来识别化工装置系统的风险，如安全检查表（）、预先危险性分析（）、故障树分析（）、故障模式和影响分析（）以及危险和可操作性（）分析等方法，并根据识别出的风险制定有效的安全管理办法，有助于消除安全隐患，积极预防事故，减少损失。目前，在上述安全评估方法中，分析是一种系统危险和可操作性问题的定性评估方法，最初由英国帝国化学工业集团在 世纪 年代中期开发。随着 分析方法的不断完善，该方法的可靠性和实用性已得到世界上大多数国家的认可。同时，在 分析中引入了风险矩阵。风险矩阵最早是由美国空军电子系统中心于 年首次开发，这种测量方法根据识别风险的频率和严重程度对风险等级进行排序，由于风险矩阵的良好性质，其已被广泛应用于过程设备和过程工业等各个领域的风险评估。在化工装置系统风险评估方面，学者们根据化工装置系统事故发生的特点提出了不同的风险评估方法。在过去的几十年里，尤其是蝴蝶结（，）图在提高过程系统的安全水平方面发挥了重要的作用。是一个稳健的模型，它为事故场景提供了透明和全面的因果建模。然而，受到假设和认知不确定性的影响，在 模型中使用一般故障数据可能会严重损害工艺系统风险评估结果的准确性 和 可 靠 性，尤 其 是 在 事 故 发 生 的 可 能 性 方面。为 了 能 够 提 供 清 晰 的 事 故 发 生 的 可 能性，等 和 等 使用了直觉模糊集来处理不确定性的影响，并建议将直觉模糊集用于风险评估方法中；等使用直觉模糊数（y ，）来提高风险矩阵的性能。故为了提高风险评估的准确性，将直觉模糊集引入到 中，从而有了模糊扩展蝴蝶结（y ，）方法。通过对以上文献的回顾，本文依据我国 年月新修订的 安全生产法 中关于安全风险分级管控和隐患排查治理双重预防机制的要求，针对我国使用的托普索甲烷化工艺装置系统安全，开展了甲烷化装置系统的风险辨识和风险评估。其中，使用 分析和风险矩阵对该甲烷化装置系统进行了风险辨识，并在此基础上对风险值最大的风险，使用 模型中引入直觉模糊集的方法对该甲烷化装置系统进行了风险评估。该研究结果可指导托普索甲烷化工艺装置系统的安全操作和隐患整改，从而提高系统的安全性和可靠性。甲烷化装置系统描述托普索甲烷化工艺技术起步于 世纪 年代后期，主要任务是将由净化装置来的甲烷合成气经过第一、二、三、四甲烷化反应器生产出纯度合格的天然气。其主要设备有脱硫塔、原料预热器、气体调节器、甲烷化反应器、废热锅炉、空气冷却器等。将托普索甲烷化工艺按照关键设备、发生反应的工艺以及方便后续评估工作等 分析节点划分原则进行了节点划分，分为个节点，即合成气脱硫、第一和第二甲烷反应器、第三和第四甲烷反应器，如图所示。第节点是为了防止甲烷化催化剂中毒，合成气首先通过一个脱硫床去除微量的硫化物；第节点主要是第一和第二甲烷反应器；第节点主要是第三和第四甲烷反应器。风险分析模型的构建 基于 分析和风险矩阵的风险辨识 分析主要用于识别和评估必不可少的设备或整个系统的潜在危险。分析涉及的风险矩阵是一个二维矩阵图。甲烷化装置系统风险的严重性和可能性分类描述，见表和表。根据表和表中甲烷化装置系统风险的严重性和可能性分类标准，可以通过计算该甲烷化装置系统的严重性（）和可能性（）来获得风险矩阵，即使用“风险（）严重性（）可能性（）”得到该甲烷化装置系统的风险矩阵，见图，对图的解释见表。安全与环境工程 ：第 卷脱硫罐脱硫罐预热器罐体调节器预热器体调节器器一高压废热锅炉预一器体调节器器二高压废热锅炉器一蒸汽过滤器器二蒸汽过滤器器一锅炉给水预热器进出硫换热器器一低压废热锅炉高压废锅炉器二低压废热锅炉工艺冷凝水预热器器一脱盐水预热器器一空罐冷却器器一工艺罐液分离器预二器体调节器预蒸器体调节器器二锅炉给水预热器末级进出硫换热器器二脱盐水加热器器二工艺罐液分离器SNG合成器脱硫预热汽一器体调节器过器三、四甲烷反应器图托普索甲烷化工艺流程图 表甲烷化装置系统风险的严重性（）分类描述 y y y 风险严重性（）分类等级具体描述可以忽略不计的对设备、员工和环境的影响可以忽略或没有影响少数的在安全操作过程中对设备有潜在的影响，对员工和环境没有安全威胁适度的设备存在多处损坏，导致甲烷化装置系统部分功能失效，但不会对操作人员和环境造成不良的影响不好的甲烷化装置系统设备严重损坏，导致完全故障或甲烷等易燃易爆气体轻微泄漏灾难性的甲烷化装置系统设备的灾难性损坏，导致甲烷等易燃易爆气体大量泄漏表甲烷化装置系统风险（）可能性（）分类描述 y y（）y 风险可能性（）分类等级具体指示具体描述不可能发生的 该事件几乎不可能在设施寿命期间发生可能发生的 该事件有可能在设施寿命期间发生发生次数很少 该事件可能在设施寿命期间发生，但次数不多发生多次 在操作过程中，可能会发生多次事件风险分类和风险矩阵表明，在确定该甲烷化装置系统风险严重性和可能性的基础上，可以通过风险矩阵来评估其风险水平。第期王华等：基于 与模糊扩展蝴蝶结模型的甲烷化装置系统风险分析L4LLL321S1S2S3S4S5可能性可能性图甲烷化装置系统的风险矩阵 y 表甲烷化装置系统的风险矩阵描述 y 风险描述风险水平风险定义可以接受不需要采取任何措施来降低风险可以控制安全防护措施落实后合格难以接受需要实施安全防护措施，将风险降低到级以下不可接受的必须采取风险控制方法，将风险降低到级以下 基于模糊扩展蝴蝶结（）模型的风险评估在风险评估中，当缺乏足够的客观故障数据时，专家的估计则是适当的数据来源。在模糊扩展蝴蝶结（）模型研究中，专家意见的汇总分为个步骤：基于专家知识（基于位专家、和）获得事件发生的定性术语；将定性术语转换为相应的直觉模糊数（），见表；使用方程式（）在模糊环境下计算模糊失效概率。表风险等级和相应的直觉模糊数（在 基础上修改）y 风险等级对应的直觉模糊数（）非常低（）（，；，）低（）（，；，）较低（）（，；，）中（）（，；，）较高（）（，；，）高（）（，；，）非常高（）（，；，）考虑到三角形 为（，；，），并根据每位专家的权重，相似性聚合度量（）程序在方程式（）中总结提供的不同步骤中应用。具体方程式为?（）式中：?为聚合模糊数；为专家数量（位）；?表示第位专家对直觉模糊数 的意见（每年）；为第位专家的权重。将干扰因素转化为单个标量的过程称为反模糊化。可使用以下公式（）对每个事件获得的故障可能性进行解模糊，以获得清晰的可能性分数。具体公式为（）（）（）（）（）（）其中，为事件的失效可能性，可转换为事件的失效概率 方程：（）.（）式中：为每个事件的模糊失效概率；为一个常数值；为模糊失效可能性；为模糊失效可能性分数。最后，在 模型中，将获得的模糊失效概率指定为事件和安全屏障的失效概率。实例应用与分析本文将 分析和风险矩阵结合对甲烷化装置系统进行风险辨识，并使用 模型对其进行风险评估，从而对该甲烷化装置提出有针对性的安全管控措施。基于 分析和风险矩阵的风险辨识危害分析首先需要确定危害识别的范围和对象，明确信号系统的边界，从而确定危害的识别范围。主要涉及以下个步骤：（）使用 分析方法识别甲烷化装置系统中的所有危险源，见表；（）通过考虑危险源的功能、偏离、原因和后果对甲烷化装置系统的影响，提供完整的危险源定性视角；（）通过指定风险严重性、概率，以及对每个危险源的检测级别，以获得每个危险源的风险优先级，见表。该甲烷化装置系统各偏差和可能原因的（y，严重性）、（y ，可能性）和（，风险评级）值由该领域的专家确定，可得到该甲烷化装置系统中所有危险源的风险值，见表。由表可知，该甲烷化装置系统中设备连接处泄漏为最坏情况下的事故场景（值最高）。安全与环境工程 ：第 卷表甲烷化装置系统的 偏差 y 节点参数无空白少减量多过量合成气流量无流量流量过低流量过高第节点：合成气脱硫原料预热器出口温度温度过低温度过高合成气压力真空丧失压力过低压力过高第一甲烷反应器入口温度温度过低温度过高第一甲烷反应器出口温度温度过低温度过高循环气压缩机进口温度温度过低温度过高进第二甲烷反应器流量无流量流量过低流量过高第二甲烷反应器进口温度温度过低温度过高第节点：第一、二甲烷反应器第二甲烷反应器出口温度温度过低温度过高气体调节器流量无流量流量过低流量过高第一高压废热锅炉压力真空丧失压力过低压力过高第二高压废热锅炉压力真空丧失压力过低压力过高蒸汽过滤器流量无流量流量过低流量过高循环压缩机压力真空丧失压力过低压力过高循环压缩机温度温度过低温度过高第三甲烷反应器进口温度温度过低温度过高第四甲烷反应器进口温度温度过低温度过高第二低压废热锅炉压力真空丧失压力过低压力过高第节点：第三、四甲烷反应器冷凝水预热器温度温度过低温度过高脱盐水预热器温度温度过低温度过高空气冷却器进口温度温度过低温度过高空气冷却器出口温度温度过低温度过高气液分离器进口温度温度过低温度过高表 分析方法和风险矩阵对该甲烷化装置系统的风险辨识结果 y y y 参数偏差可能原因后果保护措施 上游流量高设备负荷大，出口温度低通过流量仪表进行监控偏高流量显示仪表故障，显示流量偏高会引起操作人员的误操作对流量显示仪表设置上限、上上限报警流量后续工段停车会造成短时间内流量偏高，对设备造成冲击当后续工段跳车后，打开阀门泄压上游流量低设备负荷小，出口温度高通过流量仪表监控偏低无流量显示仪表故障，显示流量偏低会对操作人员造成误导，影响后续工段的操作对流量显示仪表设置下限、下下限报警偏高温度显示仪表故障影响产品质量对温度显示仪表设置设定点温度蒸汽量大通过手动阀门调节蒸汽压力偏低温度显示仪表故障影响产品质量对温度显示仪表设置设定点蒸汽量小通过手动阀门调节蒸汽压力偏高压力偏高通过压力显示