摘要：以采用醇胺法的天然气净化厂为对象，探讨了装置节点划分、偏差确定方法和公用工程分析方法等HAZOP分析的有关问题，并相应地提出了改进建议。文章指出，在役装置的HAZOP分析应发展成为净化厂资产完整性评价的一个组成部分。
关键词：天然气净化 HAZOP分析 风险评价 资产完整性管理
Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Chengdu 610213, Sichuan
Abstract: Taking gas purification plant by alcohol amine method as the study object, this paper discusses the related problems in HAZOP analysis, such as the device node divided, deviation determining method and utilities analysis method, etc. Furthermore, some improving suggestions are proposed correspondingly. The paper points out that HAZOP analysis for existing devices should be developed into a part of assets integrated evaluation of gas purification plant.
Key words:
natural gas purification plant HAZOP analysis risk assessment assets integrated management
进入二十一世纪以来，中国石油西南油气田公司对处于设计阶段的和/或在役的天然气净化厂开展了一系列危险与可操作性(HAZOP)分析，对保障此类装置的安全运行起到了重要作用。但是，我国目前还没有一套完整的实施HAZOP分析的方法。对天然气净化厂(含脱硫、脱碳、脱水、硫磺回收、尾气处理和必要的公用工程及服务设施)的HAZOP分析及其相关的风险评估，迄今国内外文献中很少报导，并无可借鉴的成熟经验，因而在节点划分、偏差确定与报告编制等方面均存在一些值得商榷的问题。
1 对现行节点划分方法的认识
表 1至表 3均摘录自处理高含硫天然气的A净化厂在设计阶段完成的一份HAZOP分析报告(2004年)。该净化厂的规模为600×104 m3/d，分为两个系列。采用的是醇胺法脱硫工艺，克劳斯法回收硫磺、还原吸收(SCOT)法处理尾气以及三甘醇脱水工艺。
表 1
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表 1 A净化厂的单元和节点划分
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表 2
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表 2 脱硫装置涉及溶液循环的五个主要节点
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表 3
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表 3 锅炉房单元的三个节点
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从表 1的数据可以看出，该报告把A净化厂的各类设施按其在生产过程中的功能划分为12个单元：主体工艺部分4个单元，公用工程及辅助设施8个单元。每个单元中又进一步划分为若干个节点，全厂共划分为62个节点：其中主体工艺部分49个，公用工程及服务设施部分13个。表 2示出了脱硫装置(1100单元)中涉及溶液循环的五个主要节点。表 3所示则为公用工程部分的锅炉房单元，后者又划分为表中所示的3个节点。
醇胺法脱硫是一种连续的工艺操作过程，此类工艺的分析节点原则上应按工艺单元划分，后者通常是指具有确定边界的设备单元。但从表 1至表 3的内容可以清楚地看出，表中所示的节点划分方法存在以下不足[1]:
(1) 未遵循HAZOP分析应“按照工艺流程(图)进行”的总原则。此原则规定：HAZOP分析过程的程序应该从工艺管道及仪表流程图(PID)上的入口管线开始，继续至设计意图的改变，或继续至工艺条件的改变，或继续至PID图上所示的下一个设备(或下一段管线)。上述情况的改变即为一个分析节点的结束，然后进入下一个节点。
(2) 表 2所示的5个节点是构成脱硫溶液循环的主要节点，但这些节点中均涉及多个设备和/或多段管线，HAZOP分析的具体对象不甚明确。以其中“150”节点为例，该节点涉及后冷器、主吸收塔和闪蒸气吸收塔等3个塔类设备以及1个能量回收泵(透平)。
(3) 节点的划分(或设置)缺乏明确的界限和分析目标，因而在多个节点中都出现了同一个设备。例如表 2中“060”节点，其分析项目中涉及的2个设备是能量回收泵和闪蒸罐，但它们也同样分别出现在“150”和“090”两个节点之中。同时，令人费解的是在该单元中另有一个“070”节点(表 2中未列出)，其分析项目也是“富液从能量回收泵到闪蒸罐”，而且同样附加了“本节点包含在节点‘050’之中”的注释。既然“060”和“070”两个节点都包含在“050”节点之中，为何又分成3个节点来加以说明？
(4) 对于公用工程及辅助设施，采用与主体工艺单元同样的节点划分原则和方法是不妥的。因为此类设施皆为完成某一个特定功能而设置，一般不可能以设计意图的改变、工艺条件的改变或PID图上所示的下一个设备等原则来划分节点；实质上也根本没有必要对锅炉、火炬及放空系统等设施进一步划分HAZOP分析节点(参见表 3)。总体而言，对此类设施进行HAZOP(偏差)分析的核心是其失效原因、失效所产生的后果以及应采取的安全措施。
2 对天然气净化厂工艺装置节点划分的建议
上文讨论的天然气净化厂中主体工艺所涉及的醇胺法脱硫等4类装置皆属化工(类型)的装置，且均存在火灾、爆炸、毒物泄漏等重大事故隐患。因此，通过(在可研阶段完成的)安全预评价发现问题，并将危险消灭在基础设计阶段是HAZOP分析的主要目的。
众所周知，化工工艺基础设计的核心是确定工艺流程图(PFD)、工艺设备表、公用物料流程图(UFD)和PID。因此，在天然气净化厂中，按不同工艺单元的PFD或PID来划分节点是理所当然的。
图 1所示为天然气净化厂中醇胺法脱硫装置(即表中的1100单元)的工艺流程示意图[2]。如图 1所示，酸性烃类气由吸收塔底部进入，与由塔顶进入的贫胺液逆流接触而脱除其中的H2S、CO2和有机硫等酸性组分后，处理过的烃类气作为净化气出吸收塔，然后净化气进入脱水装置(1200单元)。
吸收酸性气体后的富胺液进入闪蒸罐，降压闪蒸出少量烃类和酸性气体后，富液经贫富液热交换器升温后进入再生塔。在再生塔内，富胺液经由重沸器提供的蒸汽汽提而释放出其中的酸气组分，后者由再生塔顶排出，经冷凝器和回流罐而进入克劳斯法硫磺回收装置(1300单元)。
离开重沸器的贫胺液经贫富液热交换器冷却后进入胺液储罐，再用(循环)泵将其送入贫胺液后冷器进一步冷却后，进入吸收塔顶部，从而完成溶液循环。
根据醇胺法脱硫装置、克劳斯法硫磺回收装置等主体工艺的流程图和设备表，笔者建议天然气净化厂采用表 4所示的节点类型。在任何化工装置上，每一台设备，每一段管线都有其特定的设计意图及操作参数，故每一个节点原则上就是一台设备或一段管线；只有在某些特殊情况下才采用如表 4中所示的(简单)组合方式。因此，装置的HAZOP分析节点的划分应该体现4个基本原则：
(1) 按工艺流程图进行划分；
(2) 必须有合理的切断点和明确的边界；
(3) 特定的设计意图和工艺目标；
(4) 同一工艺单元内划分方法的一致性。
表 4
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表 4 天然气净化厂常见节点类型表
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3 对偏差确定方法的认识
3.1 方法的分类
HAZOP分析通常有以下三种确定偏差的方法。
(1) 引导词法：最常用的基本方法。对每一个节点，HAZOP分析小组以装置正常运行的工艺参数为标准值，分析运行过程中参数发生变动(偏差)的原因、后果、应采取的安全保护和建议的措施；而这些偏差是通过引导词和工艺参数引出，即：偏差=引导词+工艺参数。
(2) 基于偏差库的方法：本质上可以视为引导词法的一个发展方向。一般在HAZOP分析会议前，由HAZOP小组主持人或记录员对标准偏差库或规范性的偏差矩阵进行调查，从而确定特定装置的每个节点应进行哪些偏差分析。由于天然气净化厂开展HAZOP分析的时间不长，积累的经验不多，以往的事故案例也未形成数据库，故目前还不具备实施本方法的条件。
(3) 基于知识的方法：一种特殊的基于引导词的HAZOP分析。此种分析方法所使用引导词的部分或全部来自分析小组的知识和特殊的检查表；并且要求分析小组成员对大量设计标准和/或对工艺装置的操作非常熟悉。此法不但可以应用于净化厂的初步设计审查，而且特别适用于在役装置的HAZOP分析，针对装置操作中的特殊问题进行分析。
在应用中，上述三种偏差确定方法宜针对特定分析对象(流程或设备)结合起来使用，从而确定出有实际意义的分析偏差。
工艺参数一般可以分为两类。一类是具体(专业)参数(如温度、压力、流量)；另一类是概念性参数(泄漏、破裂、腐蚀)。针对这两种不同类型的参数，由7个同样的英文引导词所导出的偏差含意是有所区别的(参见表 5和表 6)。
表 5
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表 5 参数型引导词定义表
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表 6
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表 6 概念型引导型定义表
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3.3 对引导词As Well As的认识
表 7摘录自B和C两个天然气净化厂HAZOP报告，从表 7可以看出目前HAZOP分析报告中，对引导词As Well As的理解存在概念不清的问题。
表 7
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表 7 引导词As Well As的应用
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从表 5和表 6规定的定义可以看出，引导词As Well As的用法比较复杂，当它作为参数型引导词使用时，宜翻译为“而且”，其含意为“质的增加”；而作为概念型引导词使用时才翻译为“伴随”，其含意为“在完成预定功能的同时，伴随多余事件的发生”。
3.4 引导词与参数的搭配
表 8摘录自A和C两天然气净化厂的HAZOP分析报告，从中可以看出引导词与参数的搭配存在以下问题。
表 8
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表 8 引导词与参数的搭配不当示例
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(1) 引导词Other Than不能翻译为“其它异常”；且此引导词不宜与具体的工艺参数搭配，否则其含意不明确。
(2) 对腐蚀(包括冲蚀)、维修等概念性的参数，不能生硬地与参数型引导词“多”或“少”搭配；更重要的是此类偏差宜使用基于知识的方法确定；并逐步形成规范性的偏差矩阵。
(3) 公用工程不宜使用引导词法进行拉偏，更不宜与上述7个引导词相搭配，原则上也是宜使用基于知识的方法确定偏差。表 9和表 10所列分别为文献介绍的石油化工厂公用工程及其生产工艺参数进行HAZOP分析时的偏差示例，笔者认为对天然气净化厂的HAZOP分析很有参考价值。
表 9
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表 9 石油化工厂公用工程HAZOP分析示例
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表 10
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表 10 石油化工生产工艺参数偏差示例
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4 对在役天然气净化厂HAZOP分析的认识
在役天然气净化厂的HAZOP分析可以视为资产完整性管理(AIM)的一种支撑技术。据文献报导，在资产形成过程中的设计阶段，通过HAZOP分析可以减少29%由设计原因及6%由操作原因而产生的事故。同时，对在役装置进行HAZOP分析，则不仅可以进一步找出设计中存在的缺陷，而且还可以通过风险分析与评价，解决其可操作性问题，从而构成以基于风险的检验(RBI)、以可靠性为中心的维修(RCM)及系统完整性评估(SIL)三者与在役装置HAZOP分析相结合的天然气净化厂资产完整性评价体系[4]，并以此为基础逐步形成切合实际的资产完整性管理方案(参见图 2)。另一方面，这样的结合也弥补了HAZOP分析经常产生大量文件且不能给出风险等级等缺陷[5]。
在役净化厂HAZOP分析的基本理念不同于设计阶段，其风险分析宜以解决可操作性问题为主线，尽可能采用基于知识的方法确定偏差及其数据库。对于醇胺法脱硫装置之类风险性(相对)较高的装置，在具体进行HAZOP分析的过程中，宜特别关注诸如降解、腐蚀、发泡等具典型性的操作问题(参见图 3和图 4)[6-7]。在表 11中给出了天然气净化厂脱硫装置吸收塔基于知识法确定偏差的一个有关示例。
表 11
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表 11 基于知识法确定偏差示例
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2011, Vol. 40