作为天然气生产的重要组成部分，高含硫天然气的清洁开采和净化成为我国能源开发的主导方向之一[1]。四川盆地川东北地区是我国含油气盆地中已发现的高含硫天然气储量最大的地区，天然气中H2S体积分数平均约14%，部分高达17%[2]。高含硫天然气具有剧毒、易燃、储运风险高、对管线设备腐蚀性强、净化难度大等特征，生产过程中又涉及高压、高温操作，使净化装置的长周期运行面临极大的挑战。
天然气净化装置的长周期运行不仅能为企业节约维修费用、减少开停车过程的公用工程消耗和物料损失，而且还能有效地减小对环境的影响。在产品气气质和尾气排放双达标的实施背景下，根据相关安全和设计的规定、规范和标准[3-7]，所有的净化厂在工艺变更的情况下，均须进行工艺危害分析和仪表安全等级的评估。以川东北某高含硫天然气净化厂装置改造为例，就保证高含硫天然气净化装置长周期运行的HAZOP/LOPA/SIL风险评价技术的应用进行探讨。
川东北高含硫净化厂设计处理能力为30×108 m3/a，由3列相同的天然气处理装置(300×104 m3/d)组成，原料天然气中甲烷体积分数平均为82.8%，H2S体积分数平均为9.45%，CO2体积分数平均为6.61%[8]。在产品气质量升级和尾气治理改造工程中，主要对脱硫装置、硫磺回收装置、尾气处理装置及配套的公用工程设施进行适应性改造，以满足GB 17820-2018《天然气》及GB 39728-2020《陆上石油天然气开采工业大气污染物排放标准》的要求。
自集气末站来的原料天然气先进入脱硫装置(Sulfinol-X脱硫工艺)，脱除其所含的H2S和部分有机硫及CO2，湿净化气送至三甘醇(TEG)脱水装置进行脱水处理，脱水后的干净化天然气即产品天然气经商业计量后外输[9-10]。从脱硫装置出来的酸气送至硫磺回收装置，生成的液硫送至硫磺成型装置(钢带造粒)成型后包装外运销售。同时，根据市场需求，另建有液硫装车系统，可直接销售液硫产品。硫磺回收尾气送至尾气处理装置(串级SCOT工艺改造为标准SCOT工艺[11-12])，处理后的尾气送至尾气焚烧炉焚烧后经烟囱排入大气，酸性水则送至酸水汽提装置，汽提出的酸气返回硫磺回收装置，经汽提后的酸性水用作循环水补充水。具体流程图如图 1所示。
高含硫天然气净化装置自2016年开产至今已运行5年多时间，期间各种原因造成净化装置多次生产波动及非计划性减产、停车，将这些原因分类进行统计分析，如表 1所列。
从表 1可以看出，其故障率表现符合浴盆曲线[13]，开产初期故障率较高，开产初期装置非计划减产、停产次数较多，占比最高的为电力故障，达33%；设备、仪表故障，联锁停车占28%，主要原因是各类设备、仪表等联锁回路在设计时未很好匹配，开产初期还未调试到最佳状态，电力配套不完善等。随着装置运行时间和经验的累积，通过采取强化上下游协调、持续优化联锁逻辑、维护设备仪表、完善电力配套、加强员工培训等措施，装置非计划减产和停车的次数逐渐减少。进入2020年稳定期后，设备、仪表故障率和联锁停车占比达到80%。以上情况说明，对工艺系统安全的管理和评价十分重要，装置在进行改造升级的情况下尤其必要，可保证工艺系统安全、可靠和经济地运行。
HAZOP/LOPA/SIL联合分析法在石油天然气化工行业得到越来越广泛的应用。针对改造的天然气净化装置，利用偏差查找其产生的原因，分析偏差带来的后果，风险评估采用风险矩阵方法。然后，对节点偏差的当前残余风险进行分析，通过HAZOP-LOPA分析，共得出2项HAZOP-LOPA建议与31项设计建议[14]。通过SIL分析验证SIS安全性能，并评估找出降低风险的措施。
以下以SCOT再生塔液位低这个偏差为典型案例进行分析。
在分析SCOT再生塔液位低这个偏差时，其中一个原因为控制阀LV-0906故障关所导致的，具体见表 2所列。
在装置建设之初，对装置进行了HAZOP分析，当时的分析后果为“再生器液位较低可能导致低压贫胺液泵可用的NPSH较低，可能导致泵气穴、泵和泵密封故障、贫胺液泄漏、人员暴露的环境事件和资产损坏”，但未考虑到当塔内无液体时，酸气会窜漏到环境中，引起中毒伤亡等事件。该节点的工艺仪表流程示意图如图 2所示。
风险等级由5×5的风险矩阵确定[15]，具体如图 3所示。调节阀失效概率取1×10-1/a[16]，则事故概率等级为5，事故后果(员工伤害、财产损失、环境影响三方面)严重程度为3级(员工伤害后果为3级：一次死亡1~2人，或者3~9人中毒(重伤)；财产损失后果为1级：该泵费用为95 900元/台，一次造成直接经济损失人民币不足50万元；环境影响后果为1级：事故影响仅限于生产区域内，未对周边环境造成影响)。
由图 3可知，风险等级为Ⅳ级，则其可容许风险小于1×10-4/a。
独立保护层(IPL)是指能够阻止场景向不良后果继续发展的且独立于初始事件或场景中其他保护层的行动、设备或系统。独立保护层及其构成元素必须具备有效性、独立性和可审查性[17-19]。本案例中涉及的独立保护层包括以下两个方面：
(1) BPCS报警和人员响应行动。设置贫胺液泵P-0952中控室启停键，再生塔装有一个独立的液位集中指示及低限报警LIA-0951，内操可以干预关停P-0952，并旁通SCOT单元；外操作业为双人制，巡检时都配戴便携式H2S气体报警仪，装置区最高处设有风向标，一旦酸气泄漏，可以立即响应撤离现场，所以其失效概率取5×10-1/a。
(2) 安全仪表功能。SCOT再生塔LALL-0952/0959为2oo2液位联锁关停贫胺液泵P-0952，查询厂内资料，其失效概率为1×10-1/a。
根据工艺设计参数，酸气中H2S的体积分数 < 4%，其余主要成分为CO2和H2O，在其爆炸极限范围之外，故不考虑点火概率。
外操每4 h巡检一次，共70项记录点，其中贫胺液泵的记录点为6项，故影响区域内人员存在概率取0.1。
事故场景概率等于初始事件概率、修正因子和独立保护层要求时的失效概率的乘积，计算公式如式(1)所示。
式中：F为事故场景概率；F0为初始事件概率；fi为事故场景概率修正因子i的发生概率；Dj为第j个阻止事故场景发生的独立保护层的要求时的失效概率。
事故场景概率的计算结果见表 3。
风险决策经计算得出减轻事件的发生概率为5×10-4，大于可接受后果概率1×10-4，残余风险降为Ⅱ级，超过风险容许值，因此应采取降低风险的措施。
查阅相关资料，LALL-0952/0959变送器和执行机构的表决机制为2oo2，逻辑控制器的表决机制为2oo4D，初始设计时安全仪表等级为SIL1，现在对其验算，确定是否满足SIL1并找到可提高SIL等级的解决方式。
采用可靠性方框图法计算2oo2结构的失效概率[20]，见式(2)、式(3)；采用故障树法对2oo4D结构进行失效分析[21]，如图 4所示，其失效概率计算公式见式(2)~式(8)。
式中：C为诊断覆盖率，%；β为具有共同原因的、没有被检测到的失效分数；λD为子系统中一个通道的危险失效率，h-1；λDD为子系统中一个通道的被检测到的危险失效率，h-1；λDU为子系统中一个通道的未检测到的危险失效率，h-1；tCE为子系统中一个通道等效停止工作时间，h；λDUC为未检测到的共因危险失效率，h-1；λDUN为未检测到的非共因危险失效率，h-1；Tr为平均恢复时间，h；Tc为平均修理时间，h；TI为检验测试时间间隔，h；DSYS为系统的安全功能在要求时的平均失效概率；DS为传感器子系统的平均失效概率；DL为逻辑子系统的平均失效概率；DFE为最终元件子系统的平均失效概率。
各元件数据及验算结果如表 4所列。
从表 4可以得到：DS=1.49×10-2，DL=1.05×10-4+3.17×10-4+1.05×10-4=5.27×10-4，DFE=4.44×10-3。由式(9)可得，DSYS=1.99×10-2。经验算，该回路SIF等级为SIL1，如果要满足风险降低值的要求，其SIF等级应≥SIL2。
从图 2可以知道，目前LIA-0951具有远程显示和报警作用，如果将其与LALL-0952/0959整合，形成2oo3的表决机制，其计算公式见式(10)。经计算，DSYS=7.73×10-3，SIF等级大于SIL2，满足风险降低值的要求。
降低风险可以从独立保护层的8个方面去找到适用的方法，但一定要从安全性、经济性和可操作性入手。从厂里的实际情况考虑，既可以对泵采用双端面机械密封来解决(其失效概率为6×10-3，＜1×10-2，满足降低风险的要求[22-23]，而单端面机械密封的失效概率为6×10-2)，也可以从提高该SIF的SIL等级来解决。
目前，净化厂使用单端面机械密封的泵共计52台，主要用于主装置急冷水泵、冷凝液泵、锅炉房开工锅炉给水泵等。自2020年至今，故障率较高，累计80次，主要表现为摩擦副磨损、破裂，O型圈老化，弹簧疲劳失效、弹簧卡死等。共有42台双端面机械密封泵，主要用于胺液高压泵、半贫胺液泵等。双端面机械密封故障检修累计26次，主要表现为双端面机械密封中的次级密封隔离液泄漏导致隔离液压力降低引起报警。通过双端面机械密封故障结果来看，较单端面机械密封而言，双端面机械密封的使用寿命更长，稳定性更好，检修频率低；26次故障中未发生一起泵送危险介质泄漏，密封稳定性、安全性高；通过隔离液压力、温度报警设定，能第一时间发现机械密封故障，及时进行维修处理，有效地避免了机械密封故障进一步扩大造成运行设备故障而引起装置停产和人员伤害。
经过评估，天然气净化厂采纳了泵采用双端面机械密封的方式来达到本质安全，保证装置的长周期运行的措施。
其单、双面机械密封的结构如图 5所示，性能对比如表 5所列。
2020年12月，技改完成，商品气总硫和尾气SO2排放质量浓度均达到新的国家标准要求。贫胺液泵P-0952改造为双密封后运行至今，未发生过一次故障，有力地保障了装置的安全运行。
对达标改造的高含硫天然气净化装置进行安全风险评价，并用案例呈现了HAZOP、LOPA和SIL联合分析法在天然气净化厂中的应用过程，以此说明天然气净化厂可以通过风险评价技术查找长周期运行中的风险及限制条件，从而为实现净化装置长周期运行提供解决方案。
(1) 通过HAZOP分析，找到再生塔液位低工艺偏差下的危害后果。
(2) 根据风险矩阵和厂内8个方面独立保护层管理要求进行LOPA分析，定量评价场景减缓后的后果频率。
(3) 利用可靠性方框图和故障树方法对再生塔液位联锁回路进行SIL验证和计算，保证定量评价场景减缓后的后果频率满足风险容忍标准。
(4) 提供了从SIS层面提高SIL等级和从本质安全层面对泵采用双端面机械密封两个解决措施。厂内根据双端面机械密封泵的使用现状进行评估，采用双端面机械密封泵的方式以实现装置的长周期运行，现场使用效果良好。该工艺系统的安全评估和设备选型可为其他净化厂提供借鉴。
2022, Vol. 51 Issue (5): 145-150 2022, Vol. 51 Issue (5): 145-150