基于HAZOP和LOPA法的污泥薄層干化工藝安全性分析

康啟宇

（西安市長安基礎建設有限責任公司，陜西 西安 710100）

0 引言

污泥熱干化是目前工業(yè)界采用的主流污泥干化工藝，它可有效的實現(xiàn)污泥的減量化、無害化、穩(wěn)定化，為污泥的后續(xù)處置乃至資源化利用創(chuàng)造重要前提。與此同時，污泥熱干化工藝由于涉及高溫、加熱、干燥、造粒和儲存等過程，且污泥本身的成分復雜，在干化過程中可能伴隨有易燃有毒氣體，因而污泥熱干化工藝全過程也存在著一定的不安全因素。伴隨著國家對污泥處置要求越來越嚴格，污泥薄層干化工藝作為諸多污泥間接式熱干化工藝中的一種代表性工藝，近年來獲得了廣泛應用。從2012年至2020年，僅在國內上線的污泥薄層干化工藝線就多達70條，涉及石油化工、煤化工及市政環(huán)保等重要領域。因而對污泥薄層干化工藝的安全性分析就顯得十分必要。

1 HAZOP與LOPA分析方法

1.1 HAZOP分析方法

危險與可操作性分析（Hazard and Operability Study）又稱為HAZOP分析，是目前國內廣泛應用的安全性分析評價方法。它通過設定關鍵參數的引導詞，從設定關鍵工藝參數偏離出發(fā)，檢查偏離可能導致的不利后果，分析導致偏離的原因，同時結合系統(tǒng)現(xiàn)有安全措施進行風險評估，對不可承受的風險提出相應的安全改進措施。

1.2 LOPA分析方法

保護層分析（Layer of Protection Analysis）又稱為LOPA分析，它是以定性危害分析為基礎的半定量風險評估方法。它選取工藝中存在的特定事故場景，并對事故場景進行風險分析，通過采取相應的保護措施來將風險等級降低。其核心思想可通過“洋蔥”模型來概括，即每一層洋蔥皮為一個獨立保護層（IPL），所有洋蔥皮共同起到對內核的保護作用，從而讓保護對象遭受風險危害的可能性大大降低。LOPA分析中，未考慮安全措施的事件場景為未減輕事件，其風險為潛在風險。采取了獨立保護措施的事件場景為減輕事件，其風險為剩余風險。保護層分析將每一個獨立保護層的失效概率（Probability of Failure on Demand，PFD）進行量化，結合未減輕事件的潛在風險，在系統(tǒng)的獨立保護層失效時，相應事故發(fā)生的概率大小，從而獲知剩余風險及其等級，評估獨立保護措施的效果以及是否增加新的保護措施，進而將事故發(fā)生的風險降至最低。LOPA分析的具體思路見圖1［1］，LOPA分析的風險矩陣表見表1［2］，其中PFD的數據參考美國化學過程安全中心CCPS的數據［3］。

圖1 LOPA分析的具體思路

表1 LOPA法風險矩陣

1.3 HAZOP和LOPA相結合的分析方法

HAZOP法的優(yōu)點是可以有效地識別出系統(tǒng)中存在的潛在風險，但它對安全保護措施起到的風險降低程度及剩余風險大小卻不能定量化的說明。LOPA作為一種半定量的風險評估方法，可以天然銜接HAZOP法，針對性地選取HAZOP辨識出的事故場景來作為LOPA法分析對象，有效評估現(xiàn)有保護措施的效果，定量化描述風險的大小及可接受度。與此同時，LOPA法實施起來省時省力，可以作為HAZOP法的有效豐富和補充。HAZOP和LOPA的具體銜接關系見圖2［3］。

圖2 HAZOP和LOPA的銜接關系

HAZOP結合LOPA的分析方法具體步驟為：①前期準備及資料收集；②工藝節(jié)點劃分及節(jié)點描述；③HAZOP的具體實施；④HAZOP分析報告；⑤篩選特定事故場景進行LOPA分析；⑥LOPA的具體實施；⑦評估最終分析結果。

2 HAZOP結合LOPA法應用于污泥薄層干化工藝的安全分析

2.1 HAZOP分析

2.1.1 前期準備工作

前期工作主要是準備污泥薄層干化工藝的有關設計資料，具體包括：工藝流程說明、PFD、P&ID、自控說明書等。前期先建立一支分析小組，小組成員包括工藝工程師、儀表工程師、電氣工程師及設備工程師等，指定分析小組的組長及記錄員，通過會議方式來集體完成HAZOP分析的具體實施工作。

2.1.2 工藝主要節(jié)點劃分

通過對污泥薄層干化工藝流程的具體分析，該工藝可劃分為4個節(jié)點進行分析，分別為濕污泥儲存及輸送節(jié)點、污泥薄層干化節(jié)點、干污泥輸送機儲存節(jié)點、蒸發(fā)尾氣處理節(jié)點。具體的污泥薄層干化工藝流程框圖如下圖3所示。污泥薄層干化工藝相應的節(jié)點描述如下表2所示。

表2 HAZOP分析節(jié)點劃分

圖3 污泥薄層干化工藝流程

2.1.3 具體實施

HAZOP具體實施時先設定關鍵參數的引導詞，從設定關鍵工藝參數偏離出發(fā)，檢查偏離可能導致的不利后果，并分析可能導致偏離的原因，同時結合系統(tǒng)現(xiàn)有安全措施進行風險評估，對不可承受的風險提出相應的安全改進措施。污泥薄層干化工藝的關鍵工藝參數有：溫度、壓力、流量、液位、電流、轉速、氧含量等。引導詞有：多/過多、少/過少、無/空白、伴隨、部分、相反、異常、早、晚、先、后等。

2.1.4 HAZOP分析結果

HAZOP分析小組從設計偏差、生產運行偏差等方面進行設想，挖掘產生偏差的可能性原因，推測可能產生的后果，同時檢查現(xiàn)有工藝是否有相應的應對保障措施。表3是節(jié)選的有代表性的污泥薄層干化工藝的HAZOP分析結果。

表3 污泥薄層干化工藝的HAZOP分析結果（節(jié)選）

2.2 LOPA分析

基于LOPA風險矩陣對HAZOP分析結果的初步判斷可知，在未采取獨立保護措施的情況下，HAZOP分析結果的14個偏差中13個屬于低風險。屬于中風險的有1個，即干化后的污泥在輸送及暫存過程中，因冷卻螺旋的冷卻水失效，使干倉進泥溫度過高以致干倉燜燃，其具體工藝流程見圖4。為了更好的量化判斷所采用的保護措施對該風險的減輕程度，遂引入LOPA法對該中風險事故場景進行獨立分析，具體結果見表4。具體分析步驟如下：

表4 HAZOP和LOPA法聯(lián)合分析報告

圖4 干泥輸送及暫存的工藝流程

1）確定初始事件、中間事件和后果事件并確定其發(fā)生概率。選擇冷卻螺旋的冷卻水失效為初始事件，其概率為1×10-1。中間事件為進干倉的干泥溫度過高，其概率為1。后果事件為干泥在干倉中燜燃，其概率為1×10-1。

2）確定未減輕事件及其發(fā)生概率。未減輕事件為初始事件發(fā)生且所有保護層失效的情況下后果事件發(fā)生。未減輕事件的概率為初始事件、中間事件及后果事件發(fā)生概率的乘積，即未減輕事件的發(fā)生概率為1×10-2。

3）獨立保護層（IPL）的評估及其失效概率（PFD）。①干倉設置上、中、下3塊在線溫度檢測儀表并聯(lián)鎖報警；②干倉頂部設置CO檢測報警儀表并與氮氣聯(lián)鎖。這兩個均與初始事件無關聯(lián)，可作為獨立保護層。前者失效概率為1×10-2，后者失效概率為1×10-1。

4）考慮獨立保護層時，減輕事件的剩余風險及等級。剩余風險為未減輕事件的概率與獨立保護層失效概率的乘積。由此可知，剩余風險為1×10-5，相應的風險等級為L。

5）確定剩余風險是否可接受及是否要增加措施。經以上量化分析可知，剩余風險已降為低風險，風險接受度為可接受，無需再增加其他安全保護措施。

3 結論

1）本文將HAZOP法和LOPA法相結合并運用于污泥薄層干化工藝的安全性分析中，HAZOP法可有效識別系統(tǒng)中存在的潛在風險。LOPA法可以天然銜接HAZOP法，定量化描述風險大小，有效評估現(xiàn)有保護措施的效果和剩余風險的可接受度，是HAZOP法的有效豐富和補充。HAZOP法和LOPA法實現(xiàn)了功能上的互補，兩者相結合有助于獲得更清晰可靠的安全分析結果。

2）本文對HAZOP分析出的較為嚴重的事故場景進行LOPA法定量分析，可知對冷卻螺旋的冷卻水失效導致的干倉進泥溫度過高，進而導致干倉燜燃的風險，其采取的獨立保護層保護措施充分有效，可將風險降至可接受范圍內，無需再增加其他保護措施。通過HAZOP結合LOPA法的綜合分析可知，污泥薄層干化工藝是一套安全性很高的污泥處理工藝。