石油化工是我国的重要支柱产业之一, 关系到国民经济能源、化工材料合成等许多方面, 同时它也是危险性很大的产业。合成氨尿素生产是化工氮肥制造业的基础, 是石油化工生产行业的重要组成部分, 在国民经济中具有重要意义。尿素合成工艺是化肥生产的主要工艺之一, 目前普遍使用氨或二氧化碳合成法。工业上用液氨和二氧化碳为原料, 在高温高压条件下直接合成尿素。整个生产操作过程中, 采用高温高压的工艺条件, 副产品多为易燃易爆和有毒有害物质, 且工艺流程长, 连续性强, 设备长期承受高温高压外, 还承受着内部介质的冲刷、渗透以及外部环境的腐蚀作用等, 各类事故的发生率较高, 极易发生火灾和爆炸事故。因此装置的安全稳定运行是企业发展的重要课题。
针对装置潜在的安全风险, 也为了进一步落实安全生产主体责任, 公司总部主管安全、生产、设备的负责人高度重视, 结合国务院《关于进一步加强企业安全生产工作的通知》 (国发[2010]23号) 要求, 以创建安全标准化一级达标企业为契机, 在一化装置范围内开展危险与可操作性分析 (以下简称“HAZOP分析”) 。分析的目的旨在系统识别在役装置的潜在风险, 为隐患治理提供依据;有效评估现有控制风险的安全措施, 进一步提出改进建议;识别和分析可操作性问题, 进一步完善装置过程安全信息, 为优化操作规程提供依据。
以下就是针对一化尿素装置的全系统HAZOP分析研究的总结, 并在分析总结的基础上就完善操作规程、改进设备设施、加强管理监督和提高应急预防等方面做出必要的安全控制措施, 以期达到实现本质安全的目的。
HAZOP (Hazardandoperabilitystudy) 分析最早于20世纪60年代由英国帝国化学工业集团 (ICI) 的工程师们以识别工艺偏离的方式对化工工艺系统进行可操作性分析而发明得来, 是一种用于辨识设计缺陷、工艺过程危害及操作性问题结构化分析的方法。其本质是一种基于“偏差”来寻找系统潜在危险与可操作性分析, 从而解决危险与可操作两方面问题的结构化、系统化的安全评价方法, 是一种定性的、结构化的头脑风暴式评价方法[1]。
HAZOP分析由于其具有系统性、科学性、方法简便易学, 辨识危险源具体, 风险控制针对性和可操作性强的特点, 成为了工艺安全管理中最常用的一种工业危害分析方法之一[3]。但是, 我们也看到, 单一使用HAZOP分析法, 只能定性的分析装置存在的潜在风险, 并不利于操作人员进行故障诊断且无法实现定量分析, 具有一定的局限性。因此在实际分析中, 往往将HAZOP分析法与其他定量风险分析法结合使用, 以获得更好的风险辨识和控制效果。建峰一化尿素装置在进行HAZOP分析时, 按照集团内部推广惯用的定量分析方法, 采用通过管理方面风险系数A修正的方法与作业条件危险性评价法相结合的方法进行评价。
重庆建峰化工一化尿素装置引进意大利斯纳木氨汽提法尿素工艺, 设计生产能力为1750t/d, 所用原料氨和二氧化碳均来自于合成界区。该工艺采用较高的NH3/CO2 (3.3~3.7) , 温度186~189℃, 压力15.6MPa的条件下, 以获得较高的CO2转化率 (62%~65%) 。未反应物与高压合成基本等压的状态下, 通过汽提塔以氨作为自汽提气的汽提过程而大量分解, 并在高压甲铵冷凝器冷凝后再次返回尿素合成塔, 形成甲铵溶液的高压内部循环。其余未分解的甲铵经中低压及真空系统逐级减压分离和回收, 并最终送入高压系统。经过高压分解、中压、低压、蒸发分解浓缩浓度达99.7%以上的熔融尿液进入造粒塔, 在造粒塔内与逆流空气接触换热, 落入塔底的为颗粒尿素, 经刮料机及各级皮带送入散库或包装。
尿素装置工艺流程简图如图2所示。
尿素装置提供密闭排放碳铵液储槽 (300TK04) 用来收集装置各处含氨、二氧化碳排放液。槽内液经封闭排放回收泵 (300P16A/B) 送入300TK02。
来自低压蒸汽用户的冷凝液收集在蒸汽冷凝液槽300V10中通过压力控制使它保持0.1Mpa, 120℃。
300V10内蒸汽冷凝液用蒸汽冷凝液泵 (300P13A/B) 送往300E04用于副产低压蒸汽。过剩的冷凝液在高压甲铵预热器300E05中冷却到100℃, 然后送出界区。一部分经300P10、300P11升压作为系统冲洗用水。
一般而言, HAZOP分析包括4个基本步骤:分析界定、前期准备、分析评价会议和后续跟踪落实。分析界定是对进行HAZOP分析的目标、范围进行确定, 明确分析的装置或区域, 确保不偏离与目标无关的区域以外。前期准备主要是进行分析评价会议前的工作, 包括组成评价小组、确定成员分工、制定会议计划、明确分析和评价方法、收集主要参考P&ID图, 准备会议使用工具等。分析评价是HAZOP分析的重点过程, 也是依赖于小组领导能力和多专业背景人员判断与合作能力的创造性过程[5]。在此过程中, 分析小组成员主要根据P&ID图, 辅助参考工艺流程图和操作规程, 以划分的单一节点入手, 在引导词的带领下用有价值的偏差寻找产生这一偏离的原因。如果该偏离会导致危险发生, 再运用风险评价进行定量风险评估, 确定其风险大小, 并比照现有安全措施, 检查措施的充分性, 提出更有效更完善的安全保障措施。如此反复对装置的每段工艺反复分析, 直到每段工艺每台设备都被充分详实讨论后, 分析工作才算完成。最后对讨论内容加以记录、整理和汇总, 总结出对装置安全运行有益的措施建议, 形成HAZOP分析报告, 并后续跟踪建议措施的整改完成, 形成有益于安全生产运行的良性循环。
建峰一化尿素装置的HAZOP分析过程中, HAZOP分析只能定性分析出潜在的危险, 至于风险的危害程度还需要结合某一定量分析法加以确定, 从而根据风险大小制定相应的安全措施。通过筛选现有常用的评价方法, 如作业条件危险性评价法、风险矩阵法等, 综合考虑人员运用分析方法的熟练程度和在公司内推广的程度, 最后确定采用通过管理方面风险系数A修正的方法及作业条件危险性评价法相结合的方法进行评价, 并根据公司制定的《风险控制管理规定》文件制度确定, D<75分的为可接受风险, D≥300分的为重大风险。将一个危险源按综合评价点来进行评估分为五步进行, 最终结果以综合评价点D来表示, 即:D=L×E×C×A。其中, D为风险量化的数值;L为事件发生的可能性;E为作业人员出现的频率;C为事件后果的严重程度;A为现场管理情况。
根据对尿素工艺流程的介绍, 选取一个重点部分作为HAZOP分析的案例进行详细分析, 识别其潜在危险, 本次选取的重点过程为氨供应和中压回收系统, 该系统对尿素工艺工程的氨耗和能耗都有直接影响, 同时氨气放空也有一定的环境影响。该系统过程中液氨 (来自合成界区) 主要分两部分加以运用, 一部分通过氨升压泵 (300P04A/B) 加压、氨预热器 (300E07) 预热升温后作为甲铵喷射泵 (300J01) 的驱动流体, 带动回收的高压甲铵液, 一并进入尿素合成塔 (300R01) , 与二氧化碳压缩机 (300C01) 送来的二氧化碳进行反应。另一部分则进入中压吸收塔 (300T01) , 用于除去上升过程中残余的二氧化碳和水 (三胺装置送入的液氨组分异常时的情况, 正常时直接进入氨储槽) 。中压吸收塔顶部气相的氨进入中压氨冷却器 (300E09) 冷却, 气氨基本上全部冷凝为液氨而进入氨储槽 (300V05) , 而一部分未冷凝气氨惰气送入中压惰气洗涤器 (300E11/T03) , 通过加水洗涤回收气氨, 放出热量被冷却水带走。被洗涤的惰气利用中压压力控制阀 (PV09305) 放空, 经洗涤的氨水经氨水溶液泵 (300907A/B) 返回中压吸收塔。其公用工程及辅助系统同尿素装置。
通过分析, 可以看出该部分的关键参数主要包括:压力、温度和气体组成等。通过与在工艺、设备、仪表、操作、安全管理等不同岗位的从事尿素生产工业尤其对尿素氨供应及中压回收系统方面有着多年实践经验和丰富技术知识的内部专家进行讨论, 对该系统按流程顺序和关键装置划分了7个节点, 分别是:尿素装置氨过滤器300F08及前后管线;氨冷凝器300E09及进出口管线;氨贮槽300V05及进出口管线;中压氨吸收塔300E11及进气管线;氨过滤器F08-氨升压泵P05管线、氨升压泵300P05-高压氨泵300P01进口管线、高压氨泵300P01A/B/C泵、氨缓冲罐V15A/B/高压氨泵油分离器V16、氨预热器300E07;合成E55进入到300E15管线及合成车间氨球200TK01进入到300TK02。讨论通过分节点进行偏差识别, 再各种偏差中寻找有益偏差, 分析这些有意义偏差的不利后果和产生原因, 从而归纳了造成这些有益偏差应采取的措施。同时, 对讨论结果结合文献查阅、比较, 进行大量后续归类、比较、优选和剔除、补充等文字整理工作, 总结编制了该HAZOP分析的重要组成部分——氨供应及中压回收系统HAZOP分析表。由于整个过程工艺控制参数较多且复杂, 流程内琐碎部件繁多, 故该系统各节点的偏差类型和数目也较多。
通过表8可以看出, 管道流量、物料组成浓度和压力控制对氨供应及中压回收系统的装置运行具有很大的危险性, 轻则易发生停车事故, 重则会引发爆炸、中毒和环境污染事故, 因此操作人员对这些偏差应引起高度重视。
以尿素氨供应及中压回收系统划分为7个节点进行HAZOP分析与研究, 经过对节点中可能引起偏差的原因和可能发生的最严重后果进行详细查找和辨识后, 提出了仪表自动化控制、工艺改进设备更新、优化操作规范流程、加强培训模拟演练、增加防护器具配给等8项安全建议。这些建议可以全面深入地识别和分析系统潜在的危险, 明确潜在危险的重点部位, 确定装置日常维护的重点目标和对象, 进而针对重大事故隐患的预防性安全措施, 有助于企业建立隐患排查正字常态化机制的有限方式。在硬件方面, 应全面实现自动化生产, 安装有确保安全使用的监测和调节仪表、必要的隔断、实现报警系统、联锁系统, 保证材料、设备和安装质量。例如在此系统中, 尿素装置氨过滤器300F08增加就地压力表、氨升压泵300P05进口增设远程紧急切断阀等;软件方面, 对偏离正常工艺参数和违反操作规程、出现事故时操作人员应采取的动作进行良好的培训和演练, 提高操作人员的业务素质, 以保障装置的安全运行, 例如将工艺冷凝液储槽300TK02阀门开度过大引起的后果和危害写入操作规程中, 避免人为操作事故。
在以上HAZOP分析实例的基础上, 以点带面结合实际和设备特性, 对整个尿素工艺系统进行节点划分和偏差分析。
因2012年底300P01发生柱塞压板断裂引发氨泄漏, 造成多名人员受伤的事件, 公司运用HAZOP分析研究成果的21条安全建议, 结合实际于2013年至2015年间进行了一系列软硬件上的更新改造。
HAZOP分析对300P05至300P01的前端切断阀提出了安全建议, 考虑到300P01曾发生过的泄漏案例, 在安全建议的基础上, 现阶段采取人工操作在泄漏量大的情况下, 人员无法进入现场关闭300P01进口阀或300P05进出口阀, 于是在300P05至300P01管线上增设一快关阀, 且可由主控操作开关, 一旦300P01发生氨泄漏事件, 主控操作人员就可以不到现场直接在主控进行操作, 操作简单且不受环境影响, 最大程度将人员伤害和能耗损失降至最低。
安全经济效益主要体现在“减损”和“增值”两方面, 直接减轻或免除事故或危害事件给人、社会和自然造成的损伤, 实现保护人类财富, 减少无益损耗和损失的即为减损收益, 也是安全的直接效益;而保障劳动条件, 维护经济增值过程, 则是增值收益, 也是间接效益。
因汽提效率提高, 吨尿素耗氨从目前570公斤下降到569公斤, 按年产52万吨尿素, 3000元/吨氨计算, 可年节约运行成本156万元。直接带来经济效益530.4万元。同时, 300E01更新后, 可以避免因该设备泄漏停车带来的损失, 每次可节约开停车成本及检修费用约50万元。设备的更新不仅消除了尿素装置安全运行的重大隐患, 对保障整个装置稳定、经济运行带来重要意义, 同时还节约一定的运行成本, 具有一定的经济效益。
按照HAZOP分析对尿素系统的21项安全建议措施进行实施后, 避免了氨气放空带来的环保问, 环境效益明显;同时, 产品质量的保证, 为客户带来更加优质的产品, 满足市场需求的同时也进一步提高了企业信誉, 使产品在市场竞争中占有更大优势。
摘要：安全是当今世界普遍关注的重大课题, 化工生产企业普遍存在着高温、高压、易燃、易爆、有毒气体泄漏等多种危险因素。本文通过运用危险与可操作性分析 (HAZOP) 在重庆建峰化肥一期尿素装置连续生产过程中的系统分析, 选取一次漏氨事故案例为切入点, 对其发生原因和发生点为节点, 测算其由一次漏氨事故通过运用危险与可操作性分析 (HAZOP) 方法在重庆建峰化肥一期尿素装置连续生产过程的风险评价中, 以关键词为引导, 找出尿素装置生产过程中工艺状态的偏差以及该偏差发生的原因和可能导致的后果, 并就操作规程、设备设施、管理监督和应急预防等方面提出相应的安全控制措施。同时对比实施HAZOP建议前后两年的事故统计, 总结HAZOP分析法在企业生产运行中的效益。
关键词：HAZOP,尿素装置,风险评价,控制措施,效益
[1] 盖希杰, 邓德茹, 吴东, 等.化工生产过程HAZOP安全评价技术.计算机与应用化学, 2010, 27 (8) :1119-1122.
[2] 吴重光.危险与可操作性分析 (HAZOP) 基础及应用.北京:中国石化出版社, 2012:5.
[3] 黄会伟, 舒小芹, 史玉颖.在役装置HAZOP的应用分析及问题探讨.中国安全生产科学技术, 2013, 9 (9) :121-125.
[4] 齐海桃, 蒋军成.HAZOP技术在氨合成塔危险辨识中的应用.中国安全生产科学技术, 2011, 7 (3) :104-108.
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