HAZOP技術(shù)分析透平膨脹機(jī)運(yùn)行中造成的工藝危害研究

曾曉飛 鄒秋桂 胡暉 高崗

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司 安徽馬鞍山 243000； 2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽馬鞍山 243000； 3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦院工程勘察設(shè)計(jì)有限公司 安徽馬鞍山 243000； 4.馬鞍山鈺坤醫(yī)療器械有限公司 安徽馬鞍山 243000)

0 引言

增壓透平膨脹機(jī)是深冷法分離空氣中液氧和液氮時(shí)獲取冷量所必需的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要由膨脹機(jī)通流部分、增壓機(jī)部分和機(jī)體3部分組成[1]。透平膨脹機(jī)作用原理為高壓氣體在膨脹機(jī)中膨脹端通過(guò)絕熱膨脹向外做功使得氣體本身壓力降低，溫度下降。透平膨脹機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，如果不能有效的分析引起其工作的流程，很容易造成工藝危害，引起事故。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)透平膨脹機(jī)的工藝危害分析相關(guān)文獻(xiàn)不多。

HAZOP一詞是于20世紀(jì)70年代早期由ICI公司提出的，其含義是危險(xiǎn)與可操作分析(Hazard and Operability Analysis, 簡(jiǎn)稱(chēng)HAZOP)?？刹僮餍苑治鲆卜Q(chēng)為安全操作研究，是以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)的危險(xiǎn)分析方法。該方法采用表格式分析形式，具有專(zhuān)家分析法的特性，主要適用于連續(xù)性生產(chǎn)系統(tǒng)的安全分析與評(píng)價(jià)，是一種啟發(fā)性的、實(shí)用性的定性分析方法[2]。本文以安徽長(zhǎng)江鋼鐵股份有限公司20 000 m3/h制氧機(jī)組中的透平膨脹機(jī)為例，采用HAZOP分析的方法識(shí)別透平膨脹機(jī)組運(yùn)行過(guò)程潛在的事故原因，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，提出安全對(duì)策措施，從而達(dá)到降低工藝系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)的目的[3]，提高透平膨脹機(jī)組工藝過(guò)程的安全性和可操作性。

1 透平膨脹機(jī)的工藝流程

安徽長(zhǎng)江鋼鐵股份有限公司20 000 m3/h制氧機(jī)組由中國(guó)空分工程有限公司設(shè)計(jì)，由預(yù)冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、膨脹機(jī)系統(tǒng)、分餾塔系統(tǒng)以及配套儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)組成。膨脹機(jī)系統(tǒng)的工藝流程為純化系統(tǒng)出來(lái)的空氣其中一股相對(duì)于膨脹量的空氣引入增壓風(fēng)機(jī)中增壓，然后被冷卻水冷卻至常溫后進(jìn)入主換熱器，再?gòu)闹鲹Q熱器中抽出進(jìn)入透平膨脹機(jī)中，膨脹后送入上塔參與精餾，其工藝流程見(jiàn)圖1。

2 HAZOP分析流程

HAZOP 是指危險(xiǎn)與可操作性研究或危險(xiǎn)與可操作性分析，是一種用于辨識(shí)工藝缺陷、工藝過(guò)程危險(xiǎn)及可操作性問(wèn)題的定性分析方法[3]，由工藝、設(shè)備、電氣儀表、操作人員等人員組成的HAZOP分析小組以會(huì)議討論的形式，按照工藝流程系統(tǒng)地對(duì)工藝過(guò)程與操作進(jìn)行分析。分析過(guò)程主要有劃分節(jié)點(diǎn)、描述設(shè)計(jì)意圖、確定偏差、識(shí)別偏差偏離的原因和后果、提出建議措施[4]。目前HAZOP 分析方法已成為國(guó)外廣泛應(yīng)用的化工裝置工藝過(guò)程危險(xiǎn)性分析方法[5]。

2.1 劃分節(jié)點(diǎn)

HAZOP分析的節(jié)點(diǎn)通常以工藝單元或操作步驟來(lái)劃分，連續(xù)的工藝操作分析節(jié)點(diǎn)為工藝單元，間歇的操作過(guò)程節(jié)點(diǎn)為操作步驟，本次分析以膨脹機(jī)作為單個(gè)節(jié)點(diǎn)分析。

2.2 描述設(shè)計(jì)意圖

來(lái)自主換熱器的空氣在膨脹機(jī)增壓端B401增壓后，將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能，進(jìn)入主換熱器換熱冷卻后進(jìn)入膨脹端ET401絕熱膨脹后去主塔參與精餾。

2.3 確定偏差

偏差由“引導(dǎo)詞+工藝參數(shù)”組成，膨脹機(jī)系統(tǒng)可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的工藝參數(shù)和偏差如表1所示。

表1 工藝參數(shù)、偏差情況

2.4 分析過(guò)程

本次分析的對(duì)象為制氧機(jī)組的透平膨脹機(jī)，其節(jié)點(diǎn)功能為實(shí)現(xiàn)氣體的降溫，控制參數(shù)主要包括溫度、壓力、轉(zhuǎn)速，其HAZOP 分析結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 20 000 m3/h制氧機(jī)組透平膨脹機(jī)HAZOP分析

3 建議措施

針對(duì)HAZOP分析的結(jié)果，提高膨脹機(jī)的自動(dòng)化水平是防范透平膨脹機(jī)發(fā)生安全事故主要安全措施，針對(duì)溫度、壓力、轉(zhuǎn)速工藝控制參數(shù)提出以下控制要點(diǎn)。

3.1 軸承保護(hù)措施

在供油系統(tǒng)故障的情況下為避免軸承潤(rùn)滑效果不良造成軸承研磨，應(yīng)設(shè)置以下安全措施：

(1)機(jī)組軸承設(shè)有溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警和聯(lián)鎖，TIAS405A、TIAS406A溫度高時(shí)報(bào)警，溫度超過(guò)聯(lián)鎖值時(shí)關(guān)閉膨脹端入口緊急切斷閥AV405A,停膨脹機(jī)，壓縮端進(jìn)口流量調(diào)節(jié)閥V404A全開(kāi)。

(2)供油系統(tǒng)設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)報(bào)警和聯(lián)鎖，軸承進(jìn)油壓力低時(shí)報(bào)警，低于聯(lián)鎖時(shí)關(guān)閉膨脹端入口緊急切斷閥AV405A,停膨脹機(jī)；壓縮端進(jìn)口流量調(diào)節(jié)閥V404A全開(kāi)。

3.2 防喘振措施

喘振是透平式壓縮機(jī)在流量減少到一定程度時(shí)所產(chǎn)生的一種非正常工況下的振動(dòng)[6]。防喘振的安全措施有：

(1)增壓端出口設(shè)回流閥V404A，增壓端入口壓力低于設(shè)定值時(shí)打開(kāi)V404A。

(2)增壓端出口設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)、報(bào)警及聯(lián)鎖，壓力高于設(shè)定值時(shí)關(guān)閉緊急切斷閥AV405A,停膨脹機(jī)。

3.3 轉(zhuǎn)速保護(hù)措施

轉(zhuǎn)速高可造成軸承溫度升高，同時(shí)也會(huì)發(fā)生喘振，損壞膨脹機(jī)。限定轉(zhuǎn)速是保護(hù)膨脹機(jī)安全運(yùn)行的主要措施之一。膨脹機(jī)應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、高低報(bào)警和聯(lián)鎖關(guān)閉膨脹端入口緊急切斷閥AV405A,停膨脹機(jī)。

3.4 供油系統(tǒng)控制措施

供油系統(tǒng)工藝控制參數(shù)為油溫和油壓，供油系統(tǒng)出現(xiàn)故障也會(huì)對(duì)膨脹機(jī)組產(chǎn)生危害，嚴(yán)重時(shí)造成轉(zhuǎn)子燒壞。

(1)油壓控制：在設(shè)置備用泵的同時(shí)，重點(diǎn)監(jiān)控供油壓力，軸承進(jìn)油壓力高或低時(shí)報(bào)警，低于聯(lián)鎖時(shí)關(guān)閉膨脹端入口緊急切斷閥AV405A,停膨脹機(jī)；同時(shí)為防止?jié)櫥捅猛１没⑶闆r出現(xiàn)，修改了崗位操作流程。

(2)油溫控制：對(duì)供油油箱油溫提出了控制措施，增加溫度控制系統(tǒng)，溫度低于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)電加熱器，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉電加熱器。

為防止?jié)櫥瓦M(jìn)入冷箱，對(duì)密封氣的壓力控制：設(shè)置密封氣壓力檢測(cè)報(bào)警，壓力低于設(shè)定值時(shí)報(bào)警，壓力低于聯(lián)鎖值時(shí)停油泵，關(guān)閉緊急切斷閥AV405A,停膨脹機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以安徽長(zhǎng)江鋼鐵股份有限公司20 000 m3/h制氧機(jī)組透平膨脹機(jī)為例進(jìn)行了 HAZOP 分析，展示了膨脹機(jī)軸承溫度高、膨脹機(jī)密封氣壓力低、供油系統(tǒng)油壓低、膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速高等偏差的分析結(jié)果并在軸承保護(hù)、轉(zhuǎn)速保護(hù)、供油系統(tǒng)油壓和溫度控制等方面提出相應(yīng)的安全對(duì)策措施。膨脹機(jī)是空分裝置的關(guān)鍵設(shè)備，因此確保透平膨脹機(jī)的工藝安全是非常重要的。從此次分析結(jié)果來(lái)看，HAZOP 技術(shù)可用于透平膨脹機(jī)的工藝危害分析，能系統(tǒng)地辨識(shí)透平膨脹機(jī)存在的事故，有助于提高裝置工藝安全水平。