HAZOP、LOPA半定量风险评估方法及其在酚醛树脂生产装置上的应用

邓曼（江苏中安科技服务有限公司，江苏南京210046）

于志鹏（中国中材国际工程股份有限公司（南京），江苏南京 211100）

HAZOP、LOPA半定量风险评估方法及其在酚醛树脂生产装置上的应用

邓曼（江苏中安科技服务有限公司，江苏南京210046）

于志鹏（中国中材国际工程股份有限公司（南京），江苏南京 211100）

对HAZOP分析、LOPA分析方法进行了介绍，并说明其应用范围、意义，分析两种方法之间的关联。文章对目前国内这两种方法的应用现状及前景进行了分析，并以某化工企业酚醛树脂生产装置为例，列举其中一个节点进行了HAZOP分析和LOPA分析，说明LOPA分析在装置SIL等级划分方面的应用，通过LOPA分析，可以得出在建或拟建装置是否需要设置独立的安全仪表系统（SIS）。

HAZOP分析；安全仪表系统；保护层分析

HAZOP分析与LOPA分析是一种对石油化工生产装置进行半定量风险评估的有效方法，但国内一直以来只在大型石油化工企业，比如中石化、中石油等单位进行了广泛使用，在一般化工企业还未普及。随着我国经济和科技水平飞速发展，在政府部门及化工企业对本质安全高度重视的情况下，化工企业逐步树立主动进行工艺危险分析及采取本质安全技术防护措施的意识，积极配合设计单位进行新建或在建装置的工艺危险分析及隐患自查活动。近两年安监部门开始要求化工企业危险化工装置进行安全仪表系统改造，并进行SIL等级划分。而安全仪表系统SIL定级的一个很常用的方法就是利用LOPA分析进行风险评估，在风险评估结果的基础上确定装置的安全仪表系统所需的等级要求。

1 HAZOP分析方法

1.1 HAZOP分析目的及适用范围

HAZOP分析即危险与可操作性分析，是一种用于石油化工生产装置及工艺过程的风险评估方法。HAZOP分析方法是英国帝国化学工业公司（ICI）为解决除草剂制造过程中的危害，于1974年发展起来的一套以引导词为主体的危害分析方法[1]。HAZOP分析的目的主要是识别系统中潜在的危险及识别系统中潜在的可操作性问题，尤其是识别可能导致各种事故的生产操作失误与设备故障[2]。

该方法可应用于石油化工装置整个生命周期，但最为有效以及最为普遍的是在装置设计阶段进行，通过对装置工艺流程及控制节点的分析，找出装置拟采取的工艺自动控制及安全联锁系统的不足，提出改进建议，在设计中落实，进一步提高装置的本质安全水平。在生产装置的在役期间，也可通过HAZOP分析方法对整个装置进行风险评估，分析装置内采取的所有安全措施的充分性及可靠性，从而判断装置采取的现有安全控制措施能否满足安全需求及现有的法律法规及安全标准要求。

1.2 HAZOP分析步骤

HAZOP分析是对危险与可操作性问题进行详细识别的过程，由一个小组完成。HAZOP分析包括辨识潜在的偏离设计目的的偏差、分析其可能的原因并评估相应的后果。

HAZOP分析的主要步骤:(1)划分节点。节点一般由分析组长在HAZOP分析团队会议之前选定，节点是在工艺流程图中所对应实际过程的一个位置，在该位置上可以通过施加偏离进行安全分析，比如从一个过程向另一个过程输送物料的管道或一个储罐。（2）选择工艺参数，确定偏差。选择适用于所有节点的工艺参数，一般选择系统的温度、压力、流量、液位等参数。偏差是指设计目的的偏离，通过应用一系列引导词来系统地辨识各种潜在的偏差，比如增加＋温度＝温度过高；减少＋流量＝流量过小。（3）确定风险矩阵，分析偏差的原因和后果。根据各公司事故统计情况及可接受的风险程度，制定该公司适用的风险矩阵。分析每个节点的偏差发生的原因及可能导致的后果，根据风险矩阵，确定风险等级。（4）提出建议措施。通过HAZOP分析，审查设计的安全措施或现有的安全措施是否足够，若风险等级高，可提出合理可行的控制和降低危害后果的建议措施。

2 LOPA分析方法

2.1 LOPA分析目的

保护层分析（Layer of protection analysis，简称LOPA）是在HAZOP或PHA等定性危害分析的基础上，进一步评估保护层的有效性，并进行风险决策的系统方法，其主要目的是确定是否有足够的保护层使过程风险满足企业的风险可接受标准。LOPA是一种半定量的风险评估技术，通常使用初始事件频率、后果严重程度和独立保护层（IPL）失效概率的数量级大小来近似表征事故的风险[3]。一个典型的化工过程包含各种保护层，如本质安全设计、基本过程控制系统（BPCS）、报警与人员干预、安全仪表系统（SIS）、安全泄放设施（安全阀）、物理保护、应急响应等，可用图2-1的洋葱模型来表示，目前先进的、具有国际水平的工艺装置基本上采用了洋葱模型的防护策略。

2.2 LOPA分析步骤及与HAZOP分析的关联

图2 -1洋葱模型图【4】

LOPA分析的基本步骤包括：（1）场景识别与筛选。场景信息来源于HAZOP分析方法进行危害分析的结果，一般为HAZOP分析结果中的偏差及导致的后果，即事故场景。（2）初始事件（IE）确认及发生频率确定。IE一般包括外部事件、设备故障和人员失误，IE的选择一般与HAZOP分析结果表中导致偏差的原因一致，一般选取导致偏差的发生概率最大的原因事件。初始事件的发生频率可采用行业统计数据、历史统计数据以及其他一些评价方法计算得出的数据。目前最常用的方法是参考《保护层分析方法应用导则》（AQ/T3054-2015）附录E中列举的数值。（3）独立保护层（IPL）评估。IPL一般为HAZOP分析结果中，装置采取的现有安全保护措施，即洋葱模型中的各种保护层。选取的保护层应具有独立性，若保护层失效与导致事故的初始事件一样，则不能作为保护层。独立保护层的失效概率（PFD）为现有各个独立保护层的失效概率的乘积。（4）场景风险评估与决策。将后果、IE频率和IPL的PFD等相关数据进行计算，确定场景风险；根据风险评估结果，对照被评估企业所预先设定的可接受风险值，确定是否还需要采取相应措施降低风险。若计算出的风险值大于企业预选设定的可接受风险值，则需要提出可行的措施即附加保护层（比如独立的安全仪表系统SIS），直至将剩余风险降低至可接受水平[5]。

表3 -1 HAZOP分析结果表（以其中一个节点的场景为例）

表3 -2 LOPA分析结果表（以其中一个节点的场景为例）

3 HAZOP、LOPA分析的应用

3.1 HAZOP及LOPA分析方法的应用现状

我国HAZOP分析方法的研究及使用起步较晚，最初只广泛应用于中石化及中石油等大型石油化工生产装置。但是随着我国经济和科技水平飞速发展，以及石油化工生产行业的安全事故频发，国家越来越重视安全生产，促进了安全科学研究水平的快速发展，目前国内在逐步普及HAZOP分析法在新建及已建化工生产装置风险评估的应用。

2013年我国安监总局发布的《国家安全监管总局办公厅关于印发危险化学品建设项目安全设施设计专篇编制导则的通知》（安监总厅管三〔2013〕39号）以及《国家安全监管总局住房城乡建设部关于进一步加强危险化学品建设项目安全设计管理的通知》（安监总管三〔2013〕76号）文中，明确要求设计单位在项目的安全设施设计专篇编制中采用HAZOP分析等方法进行内部安全设计审查。近两年，国家安监总局组织开展了一系列工作，如中央企业HAZOP试点工作，HAZOP培训、HAZOP调研交流等，极大的促进了HAZOP在我国的推广应用。

目前HAZOP分析方法的应用已基本在建设项目安全设施设计报告审查阶段得以实施，企业也逐步树立主动进行工艺危险分析的意识，积极配合设计单位进行新建或在建装置的工艺危险分析及隐患自查活动。但相对于HAZOP分析方法的使用及认识程度，对利用LOPA分析方法进行SIL定级的使用，国内一般化工生产企业还未全面开展起来。近年来安监部门开始要求化工企业危险化工装置进行安全仪表系统改造，并进行SIL定级。而SIL定级的一个很常用的方法就是利用LOPA分析进行风险评估，因此，今后LOPA分析方法将在政府部门的推动下得到广泛使用。

3.2 HAZOP及LOPA分析方法在酚醛树脂生产装置上的应用

本文以某化工厂酚醛树脂装置（以甲醛与苯酚缩聚反应生产酚醛树脂）为例，在HAZOP分析的基础上，应用LOPA分析法进一步评估装置保护层的有效性，并进行风险决策，确定是否有足够的保护层使风险降低到企业可接受标准。另外，通过保护层分析（LOPA），可以辨识出酚醛树脂装置中的安全联锁及其需求的SIL等级，对LOPA分析中未分配其安全完整性等级的联锁回路，即无SIL等级需求，定为SIL0，此类SIF通过配置独立的SIS系统实现或通过DCS系统实现均可。

通过分析，该装置工艺流程主要分为入料、聚合、脱水、成型、废水提浓等，目前采用的是DCS控制系统，部分节点设置了安全联锁控制。该装置的分析节点一共选取16个，事故场景110个。本文选择其中一个节点的进行分析，即液体酚醛树脂反应釜R-A110升温作业这个节点，并选取“升温过快树脂溢至V-A115，可能堵塞管线，造成装置停工2～3天”这一事故场景进行分析。HAZOP分析及LOPA分析过程及结果表格如下：（表3-1、表3-2所示）

根据上表中的LOPA分析结果，可以看出，在冷却水阀门误关，导致无法正常冷却反应釜物料的情况下，酚醛树脂反应釜内温度升高会过快，导致管线堵塞，可能导致装置意外停车，造成财产损失。该事故发生的可能性，在采取了温度报警以及温度高高联锁启动纯水真空泵（该装置采取的紧急冷却措施）的安全措施后，可以消减为1E-3/yr（10-3）。对照该化工厂设定的不同事故严重性级别对应的可容许的风险频率，严重性等级为4级的事故，该厂可容许的风险频率为＜10-3，因此，酚醛树脂反应釜温度升高事故的风险在现有自动控制措施条件下，即在现有保护层的保证下，可以降低到企业可接受标准。该联锁控制回路需要的安全完整性等级定为SIL0，该回路的安全仪表功能SIF可以通过DCS系统实现即可。按以上单个节点及联锁控制回路的分析的方法，对该装置的其他节点及联锁控制回路进行分析，结果显示，酚醛树脂装置已采取的DCS控制系统已能满足安全需求，无需再设置独立的安全仪表系统（SIS）。

4 结语

（1）HAZOP分析与LOPA分析是一种有效的对化工生产工艺系统进行风险识别以及进行半定量风险评估的方法，能指导工艺装置在设计阶段在哪些控制节点采取合理有效的监测、控制方式，提高系统的本质安全水平，降低事故发生的概率。

（2）本文列举了某化工厂酚醛树脂生产装置进行HAZOP分析及LOPA分析的结果，表明在基于风险评估以及保护层分析的基础上，该装置现有DCS控制系统已能满足企业设定的风险可接受水平，不需要再设置独立的安全仪表系统（SIS）。

（3）在政府的推动以及化工生产企业对装置本质安全水平越来越重视的情况下，越来越多的化工生产企业已逐步开始将HAZOP分析方法应用于装置的整个生命周期。在国家安监部门对企业化工生产装置自动化控制水平越来越高的要求下，LOPA分析作为对HAZOP分析的补充，可评估企业现有装置或拟建装置是否需要设置独立的安全仪表系统或者需设置的安全仪表系统等级是否能满足需求，可为安全监管部门提供一定的技术支持。

[1]李娜,孙文勇,宁信道.HAZOP、LOPA和SIL方法的应用分析[J].中国安全生产科学技术，2012.5.

[2]AQ/T3049-2013《危险与可操作性（HAZOP）分析应用导则》[S].

[3]AQ/T3054-2015《保护层分析（LOPA）方法应用导则》[S].

[4]IEC61511-2003，Functional safety-safety instrumented systems for the process industry sector[S]，2003.

[5]周荣义，李石林，刘何清.HAZOP分析中LOPA的应用研究[J].中国安全科学学报，2010.7.