石油与天然气化工  2013, Vol. 42 Issue (4): 347-352
天然气净化厂在役装置HAZOP分析工作实践
高晓根 1, 李劲 1, 计维安 1, 赵健 2, 刘蔷 1, 宋彬 1     
1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
2. 中国石油西南油气田公司川中油气矿净化厂
收稿日期：2013-04-01；修回日期：2013-05-21
作者简介：高晓根，男，31岁，硕士，工程师。2008年毕业于中国石油大学(北京)化学工程专业。现在中国石油西南油气田公司天然气研究院油气工程实验室主要从事天然气净化工艺研究、咨询评价与设计工作。地址：(610213)四川省成都市双流县华阳天研路218号天然气研究院。电话：(028)85604563。E-mail:gaoxiaogen@petrochina.com.cn.
摘要：介绍了HAZOP(Hazard and Operability Study：危害与可操作性分析)技术发展现状，结合天然气净化领域的生产工艺流程特点，尤其是在役生产装置的特点，以实例论述了HAZOP技术的工作过程和应用方法，总结了通过HAZOP分析工作发现的问题和提出的建议，并提出了开展天然气净化厂在役装置HAZOP分析需要注意的问题，为天然气净化厂提高装置运行的安全性和可操作性提供了改进方向，也为今后天然气净化厂乃至其他石油化工生产厂在役装置进行HAZOP分析提供了参考和借鉴。
关键词：天然气    安全    风险    HAZOP    SIL    
HAZOP practice of in-service units in natural gas purification plant
Gao Xiaogen1 , Li Jin1 , Ji Weian1 , Zhao Jian2 , Liu Qiang1 , Song Bin1     
1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610213, Sichuan, China;
2. Natural Gas Purification Plant of Central Sichuan Oil and Gas District, PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Suining 629000, Sichuan, China
Abstract: This paper introduces the development situation of Hazard and Operability Study(HAZOP). An example was given to discuss the working process and application method of HAZOP combining the characteristics of process flow in the natural gas purification areas, especially in-service units. And it summarizes the questions and gives suggestions on in-service units in the natural gas purification plant by HAZOP. It provides improvement direction to improve the safety and operability of the natural gas purification plant, as well as references to other natural gas purification plant, or even other in-service units in the petrochemical plant.
Key Words: natural gas    safety    risk    HAZOP    safety integrity level(SIL)    

随着天然气工业的快速发展，天然气生产的地面建设工程规模日趋扩大，工艺过程日趋复杂。为保证工程的优质建设、平稳投产、安全运营，传统的风险管理控制模式显然与新形势下的管理要求不相适应，因此在项目进行的各个阶段引入危险与可操作性(HAZOP)分析技术，从专业技术角度提出项目风险管理控制措施，以更加科学的方法去决策和管理项目，防范风险和隐患是很有必要的。

HAZOP(Hazard and Operability Study，以下简称HAZOP)分析是一种系统化和结构化的定性危险评价手段，用于探明生产装置和工艺过程中的危险及其原因，寻求必要对策。通过分析生产运行过程中工艺状态参数的变动，操作控制中可能出现的偏差，以及这些变动与偏差对系统的影响及可能导致的后果，找出出现变动偏差的原因，明确装置或系统内及生产过程中存在的主要危险、危害因素，并针对变动与偏差的后果提出应对措施，是一套行之有效的系统分析方法[1]。

HAZOP作为一种风险分析评价技术，自开发建立以来，已得到越来越广泛的应用。目前在国际上，HAZOP已被石油化工和工程建设公司视为确保设计和运行完整性的通用方法。通过HAZOP分析，可以发现设计方案和布局不合理、配套设施不完整、腐蚀及承压材料选择不当、安全仪表完整性等级不够等方面的问题，并提出建议和改进措施以弥补缺陷[2-5]。

然而，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，迄今国内外文献中鲜有报导，并无可借鉴的成熟经验。

近年来，中国石油西南油气田公司天然气研究院(以下简称“天然气研究院”)采用改进的HAZOP分析方法完成了10余套新建、在役装置的HAZOP分析，内容涉及集输、脱硫、脱水、脱烃、硫磺回收、LNG回收、提氦等多个专业领域，每套装置均找出数十个与安全或操作相关的问题，为天然气开发生产的工艺安全管理系统提供了技术支撑，对保障此类装置的安全运行起到了重要作用。

本文以天然气净化在役装置的HAZOP分析工作实践为例，介绍HAZOP技术的分析过程和应用效果，可为其他石油化工在役装置开展HAZOP分析工作提供思路和参考。

1 天然气净化厂在役装置HAZOP分析的必要性

天然气净化领域主要安全生产特点：一是原料天然气属于易燃、易爆、有毒气体，过程酸气属于H2S浓度较高的剧毒气体，一旦发生大面积泄漏，将导致重大安全事故，造成人员伤亡和经济损失，并引发环境污染事件。二是高温高压工况。天然气净化工艺通常是在高压下对原料天然气进行脱硫、脱水，在中温下进行脱硫、脱水溶剂的再生，并在高温下实现H2S转化为硫磺。因此，当装置出现意外引起高压窜低压时，可能会造成低压设备和管线发生爆裂，导致有毒或高温介质扩散[6]。

净化厂在役装置属于装置生命周期的操作和维护阶段，装置在役运行过程中，企业会根据生产情况和设备使用情况对装置进行局部改进。在执行任何可能影响系统安全性和可操作性或对环境有影响的改动之前，如果运用HAZOP分析，辨识装置上下游之间、局部与整体之间可能存在的矛盾，可预先采取措施消除因改动可能造成的潜在危害。此外，不少在役装置由于建设时间较长，设备和管线都存在一定的老化现象，而且根据早期的设计理念，大部分仪控系统安全等级选择较低，装置的安全可操控级别远低于当前的安全要求，因此为了及早发现装置存在的潜在安全风险，对在役装置开展HAZOP分析工作至关重要。

2 天然气净化厂在役装置HAZOP工作实例

2011年，天然气研究院负责实施了对西南油气田公司下属蜀南气矿隆昌天然气净化厂隆昌分厂等11个厂的8列20套净化装置的HAZOP分析。

天然气研究院接到HAZOP分析任务后，针对4个典型天然气净化厂分别成立了分析小组，各小组负责人均为参与集团公司HAZOP分析师培训人员。其严格遵守HAZOP分析方法要求并参考Q/SY 1364-2011《危害与可操作性分析技术指南》的规定，组织天然气研究院和上述在役装置所属二级单位的工艺、自控、设备、电子和安全等专业人员分别组成了各在役装置HAZOP分析小组。各小组成员的专业背景和从业经历经过严格审核，小组成员包括技术专家、生产管理人员、基层操作人员和天然气研究院分析人员等。

2.1 项目简介及分析对象[5]

本次HAZOP分析对象为西南油气田天然气净化在役装置，包括天然气MDEA脱硫、砜胺法脱硫、常规克劳斯硫磺回收、MCRC硫磺回收、CBA硫磺回收、LocatⅡ硫磺回收和TEG脱水等工艺，涵盖4个二级单位11个厂的8列20套装置，分析对象主体装置具体情况见表 1所示。

表 1    典型天然气净化厂HAZOP分析范围 Table 1    HAZOP analysis scope of typical natural gas purification plant

2.2 HAZOP工作流程
2.2.1 资料收集

HAZOP工作的开展，需要建立在完善﹑准确的工艺安全信息基础上，在役装置的HAZOP分析工作需要的主要技术资料包括:物料危害数据资料、设备设计资料、工艺设计资料以及相关技术协议。其中, 各项设计资料必须与当前工艺系统相吻合，相关技术协议主要包括装置历次分析评价的报告、相关的技改、技措记录和检维修记录、装置历次事故记录及调查报告、装置的现行操作规程和规章制度等。

由于装置在运行过程中，可能发生工艺或设备变更，存在资料不完善或与当前生产实际不吻合的情况，因此需要分析小组确认工艺安全信息资料与装置现场实际情况的符合性，以确保分析资料的真实、有效。

2.2.2 组建HAZOP分析小组

HAZOP分析小组的知识、技术与经验对确保分析结果的准确度和深度至关重要。本次HAZOP分析小组包括特邀天然气净化工艺技术专家、HSE专家、小组主持人、记录员、生产单位管理人员以及来自分析单位和生产单位的工艺工程师、设备工程师、仪表工程师、HSE工程师和操作技师等。

2.2.3 预分析

在已获得技术资料的基础上，小组成员在小范围内对分析对象进行了预分析。了解系统设计意图，明确装置运行过程中对系统进行的修改。通过对资料的预分析，初步了解分析对象的工艺流程和物料传递过程发生的物理或化学变化状态，确定系统中的重要或关键环节。

2.2.4 召开HAZOP分析评价会议

在完成现场初步调研、资料收集及预分析等准备工作后，于2011年9月~10月陆续召开了现场HAZOP分析会议。在HAZOP正式会议开始前，由小组主持人负责对参与HAZOP分析的小组成员进行HAZOP方法的培训。小组成员按照HAZOP分析方法的分析程序划分节点, 针对各节点逐个进行分析，确定偏差，分析偏差产生的原因，分析偏差导致的后果，列出现有的保护措施，评估风险等级，提出建议措施等。会议期间还对现场存在的一些技术和环境问题进行了讨论和分析。

2.2.5 单个偏差分析实例

以天然气净化装置中的脱硫、脱水吸收塔为例，吸收塔无液位偏差的分析过程如下。

(1) 偏差：脱硫、脱水吸收塔无液位；

(2) 原因：液位变送器(LT-01)失效显示虚假的高液位；

(3) 后果：高压天然气窜入低压再生系统，超压引发事故；

(4) 建议措施：经分析计算，原有安全系统等级偏低，建议设置独立的双回路控制、联锁，即增加LT-02。同时将LIA-01和ESD-01移至LIA-02和ESD-02位置，提升安全系统等级。

2.2.6 编制HAZOP分析报告

整理HAZOP分析会议记录，汇总分析记录表，按照HAZOP分析报告格式编制分析报告。

在分析会议完成后，各HAZOP分析项目组对记录表进行了整理，并将措施建议提交各生产单位确认。各单位分别就建议措施情况进行了逐条详细回复，并对不采纳项进行说明。此次工作共分析了4个典型天然气净化厂，装置20套，划分节点102个，偏差1 573项，提出措施建议171项，其中各二级单位接受或部分接受149项，接受率约为87%。

2.3 分析结论总结

随着近年来对安全环保要求的提升以及安全控制技术的进步，天然气处理厂(站)风险控制手段日趋完善。通过此次HAZOP分析发现，西南油气田公司在役装置建设时间跨度较大，部分老装置的风险控制手段还有待提高，目前主要存在的问题如下：

(1) 存在脱硫、脱水吸收塔高压天然气窜入低压系统的可能性；

(2) 常规及延伸类(包括MCRC和CBA)Claus硫磺回收装置中的燃烧炉燃烧器保护不足；

(3) Claus硫磺回收装置余热锅炉在停电情况下存在“烧干锅”的可能性；

(4) 关键阀门设计标识不清；

(5) 就地放空、排污，注水口、呼吸短节或公用工程甩头阀门后缺少盲板、盲法兰或堵头；

(6) 进入放空及排污管路的放空、排污未采用双阀控制；

(7) 就地指示及报警设置不足；

(8) 针对设备内漏的分析化验制度不完善；

(9) 可燃及有毒气体报警仪设置不足；

(10)干气中三甘醇夹带严重(通过工艺计算可分析原因)；

(11)三甘醇再生废气未焚烧排放；

(12)总图布置不合理，维修困难；

(13)消防泵未配备发电机。

以下将对部分典型问题进行详细说明：

(1) 脱硫、脱水吸收塔存在高压天然气窜入低压系统的可能性，如MDEA脱硫塔、三甘醇脱水塔自动化控制及联锁设计不足，脱硫、脱水吸收塔液位调节阀失效开将导致高压天然气窜入再生低压系统，引发事故，如图 1所示。

图 1     脱硫、脱水吸收塔导致高压窜低压示意图 Figure 1     Diagram of non-liquid level absorber leading higher pressure gas into lower pressure system

在常规分析的基础上引入SIL(Safety Integrity Level, 安全完整性等级)分析得出，吸收塔(脱硫、脱水)液位控制及联锁应设置独立的双回路控制和联锁系统。

(2) 常规及延伸类(包括MCRC和CBA)克劳斯硫回收工艺过程中的燃烧炉燃烧器保护不足问题。

燃烧炉中燃烧器的工作环境温度可达上千度，需要采用氮气冷却进行保护。如因阀门误关闭造成氮气断流或因阀门未全开造成氮气流量不足，会造成燃烧器损坏，进而导致装置停产。目前，分析的多数净化厂装置中该路氮气管线上仅设有就地流量检测仪表，不能有效地保证装置正常运行。建议在该路氮气管线上增加远传流量检测仪表，同时设置低流量报警，并将管路上阀门锁定开启状态以保证燃烧器能正常工作。

克劳斯硫回收装置燃烧炉中燃烧器保护氮气管路的现状与改造建议详见图 2。

图 2     燃烧器现状和改造对比图 Figure 2     Comparison diagram of burner before and after transformation

(3) Claus余热锅炉在停电情况下存在“烧干锅”的可能。图 3为典型常规克劳斯硫回收装置余热锅炉流程图。在停电时，硫回收装置余热锅炉除氧水会出现倒流现象，导致“烧干锅”，从而使余热锅炉损坏，酸气外泄造成人员中毒。

图 3     常规克劳斯硫回收装置余热锅炉典型流程图 Figure 3     Typical flow chart of waste heat boiler in conventional Claus recovery unit

建议在余热锅炉除氧水供水管道上设置单向阀。

(4) 部分关键阀门标识不清。在分析过程中发现，部分厂(站)关键阀门标识不清，设计图纸中未标明关键阀门应保持的状态，存在一定的安全隐患。以安全阀前后切断阀为例，安全阀为装置中重要的安全保护设施，若其前后切断阀关闭则不能起到保护作用，故应通过挂牌上锁确保其前后切断阀保持常开状态。

安全阀前后切断阀挂牌上锁保持锁开的改造建议详见图 4。

图 4     安全阀前后切断阀锁开改造流程图 Figure 4     Lock-open transformation flow chart of trip valve before and after safety valve

(5) 就地放空、排污或公用工程甩头阀门后缺盲板、盲法兰或堵头。天然气净化厂的主要工作介质为天然气和酸气等易燃、易爆、有毒气体，若发生泄漏会造成火灾、爆炸、人员中毒等二次伤害。为了降低泄漏发生的可能性，建议在易燃、易爆、有毒介质的就地排放或公用工程甩头单阀后设置盲法兰、盲板或堵头。通过图纸分析和现场核对，发现天然气净化厂中部分就地排放或公用工程甩头阀门后缺盲法兰、盲板或堵头。

在易燃、易爆、有毒介质的就地排放或公用工程甩头阀门后设置盲法兰、盲板或堵头的改造建议详见图 5所示。

图 5     增设盲法兰、盲板、堵头示意图 Figure 5     Schematic diagram of adding blank flange, blank plate and plug

(6) 进入管路的放空、排污未采用双阀控制。天然气厂(站)有相当数量的设备、管道为高压，其工作介质为有毒有害物质，若排污阀门失效将导致有毒有害物质进入排污系统，造成设备损坏、人员中毒等事故。

对于压力较高且输送介质有毒有害的放空或排污管道，建议设置双阀以降低事故发生的概率。

3 结论

此次HAZOP工作实践充分表明，将HAZOP分析方法运用于天然气净化厂在役装置分析，可以识别出装置在生产运行中潜在的危害因素，为在役装置工艺系统的安全操作与运行管理、更新操作规程、大修或技改提供指导意见。

在役装置有别于新建装置，在役装置HAZOP分析时应注意以下几方面问题：

(1) 经过技术改造的局部流程如与原设计不一致，需要对现行流程进行准确描述；

(2) 在现场进行HAZOP分析工作，不仅方便核实装置现状，也能将HAZOP分析方法向更多的现场技术人员进行推广，可在保证分析质量的同时，使HAZOP分析方法在生产实际中得到更加广泛的应用；

(3) 分析过程中，部分引入了工艺、设备计算方法(水合物形成预测和脱硫吸收塔计算等)、安全等级(SIL)和定量风险分析(QRA)等定量或半定量的分析方法，可有效地提高HAZOP这种定性分析方法的准确性。

参考文献
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