基于保护层分析的液化气球罐区SIL定级

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基于保护层分析的液化气球罐区ＳＩＬ定级

张星华

（河北生特瑞工程设计有限公司，河北石家庄　０５００１１）

摘要：介绍了保护层分析方法（ＬＯＰＡ）的基本流程及其分析过程的各个步骤的相关内容。以液化气球罐区为研究对象，详述了保护层分

析方法在风险控制中的应用，提出了必要的安全仪表功能，完成了对安全仪表系统的安全完整性等级（ＳＩＬ）定级。关键词：液化气；保护层分析；安全完整性等级；安全仪表系统中图分类号：Ｘ９３３　　　　文献标识码：Ａ　　　　文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１８）０９－０１６７－０２

ＳＩＬＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＬＰＧＴａｎｋＦａｒｍＢａｓｅｄｏｎＬＯＰＡ

ＺｈａｎｇＸｉｎｇｈｕａ

（Ｃｅｎｔｕｒｙ３ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００１１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅＬＯＰＡｂａｓｉｃｐｒｏｃｅｄｕｒｅａｎｄｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｃｏｎｔｅｎｔｏｆｅｖｅｒｙｓｔｅｐｏｆＬＯＰＡ．ＴａｋｉｎｇＬＰＧｔａｎｋ

，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＬＯＰＡｉｎｒｉｓｋｍａｎａｇｅｍｅｎｔｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｄｅｔａｉｌｅｄｌｙ．Ｔｈｅｓａｆｅｔｙｉｎｔｅｇｒｉｔｙｌｅｖｅｌｏｆｓａｆｅｔｙｆａｒｍｆｏｒａｎｅｘａｍｐｌｅ

ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄｓｙｓｔｅｍｉｓｅｖａｌｕａｔｅｄ，ａｎｄｓｅｖｅｒａｌｎｅｃｅｓｓａｒｙｓａｆｅｔｙｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＰＧ；ＬＯＰＡ；ＳＩＬ；ＳＩＳ国内液化气罐区的安全事故　　液化气储罐的安全风险很大，近年也时有发生，损失惨重。为了削减风险，国内新出台多个指导意见，从自动控制系统对构成一、二级重大危险源的液化气罐区作出明确规定，必须配备独立的安全仪表系统（ＳＩＳ）。ＳＩＳ在大型液化气罐区中的应用势在必行，对其安全完整性等级（ＳＩＦ）的定级也成为工艺安全专业一项重要的研究内容。

ＳＩＦ定级的方法有安全层矩阵法、校正的风险图、风险图和

［１］

保护层分析（ＬＯＰＡ）等方法。由于给定了场景频率和后果的具体数值，ＬＯＰＡ这种半定量分析方法提供了更具可靠性的风险判断，并且与定量分析方法相比花费的时间少，可以更快地达成风险判断。综合考虑较高的精确分析、易于操作和高效等

ＯＰＡ方法，进行了液化气罐区ＳＩＳ的ＳＩＬ因素，本文选择采用Ｌ

定级。

２－３］

１　ＬＯＰＡ简介［

ＬＯＰＡ即保护层分析，是一种风险评估方法，是在定性危害分析（ＨＡＺＯＰ等）的基础上，进一步对具体的场景的风险进行相对量化（准确到数量级）的研究，其过程为分析工艺风险，评估独立保护层（ＩＰＬ）的效果，确定现有保护层的总体性能。比较风险程度与可容忍标准之间的差距，确定是否需要安全仪表功能（ＳＩＦ），并确定每个ＳＩＦ所需的安全完整性等级（ＳＩＬ）。

ＬＯＰＡ基本流程图见图１。

图１　ＬＯＰＡ基本流程图

　　收稿日期：２０１８－０３－２７

作者简介：张星华（１９８５—），女，河北石家庄人，注册化工工程师，主要从事石油化工工程设计工作。

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２　分析过程２．１　场景识别和筛选

山　东　化　工

ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ　　　　　　　　　　　　２０１８年第４７卷

数据或企业历史数据，低要求操作模式时安全仪表功能的失效

概率按照表１确定。

ＬＯＰＡ分析中的场景信息来源于ＨＡＺＯＰ分析、故障假设分析、安全检查表、事故树假设分析等危害分析的结果，以及生产

ＡＺＯＰ分析运行问题、变更、事故事件或安全仪表功能审查。Ｈ

虽然需要更多的详细信息，但却能更加全面地识别出给定系统的危险和设计缺陷。ＨＡＺＯＰ分析节点中每个偏差、原因、后果构成了一个场景，且采用定性的方法对场景后果的严重性进行

４］。由于ＨＡＺＯＰ分了评估，后果严重性评估分级可参考文献［

析的节点较多，根据事故后果严重性进行筛选，筛选出严重后果４级及以上的节点作为ＬＯＰＡ分析的场景。

２．５　风险评估与建议

根据场景频率计算结果和后果等级，与表２风险评估矩阵

比较。以风险尽可能低为原则，将表２中的低风险作为可容许

ＯＰＡ风险。计算风险小于场景可容许风险，继续下一场景的Ｌ

分析；计算风险大于场景可容许风险，应建议满足可容许风险

ＦＤ，以将风险降标准所需采取的措施，并确定拟采取措施的Ｐ

低到可容许风险之下。

表２　风险评估矩阵

后果等级

５４３２１事故频率

（每年）

２．２　初始事件的确认

将ＨＡＺＯＰ分析中引起偏差的原因再细分为独立的初始事

件（如“冷却失效”可细分为冷却剂泵故障、电力故障或控制回路失效），以便于识别独立保护层。并确认已辨识出所有的潜在初始事件，确保无遗漏。

２．３　独立保护层评估

ＨＡＺＯＰ分析中的现有安全措施包含了独立的或非独立的保护层，注意独立保护层需要满足独立性、有效性和可审查性。

典型的独立保护层有固有的安全设计特征、基本过程控制系统（ＢＰＣＳ）、报警系统和人员响应、安全仪表系统、压力释放系统、释放后的保护设施、工厂和公众紧急响应等。作为独立保护层需要特别注意以下要求：

ａ）安全仪表系统在功能上独立于ＢＰＣＳ；ｂ）报警后的操作人员应有足够的时间响应，其任务具有单一性和可操作性；

ｃ）压力释放系统起作用后避免造成其他危害，还需考虑在

腐蚀、堵塞、不恰当维护等环境下使用高的Ｐ

ＦＤ值；ｄ）释放后的保护设施应独立于场景中的其他保护层，因此可燃有毒气体检测报警系统、防中毒的正压通风系统及中和系统、与消防联动的控制系统等需要独立于ＢＰＣＳ系统。

２．４　场景频率的计算

单一场景、低要求模式下的后果发生频率计算如下：

式中：

ｆＣｉ

—初始事件ｉ的后果Ｃ的发生频率，单位为次／ａ；ｆＩｉ

—初始事件ｉ的发生频率，单位为次／ａ（从失效数据中可导出初始事件频率，例如在执行任务时，人的失误机会表示为１

×１０－１

／次，此种情况下初始事件频率为人员执行任务的年次

数与失效概率相乘［５］

）；

ＰＦＤｉｊ

—初始事件ｉ中第ｊ个阻止后果Ｃ发生的独立保护层ＩＰＬ的失效概率ＰＦＤ；

ＰＥｉ

—使能事件或使能条件发生的概率，假如没有使能事件或使能条件，则取１；

ＰＣｉ

—条件修正因子（如可燃物质点火概率、人员出现在事件影响区域的概率、火灾爆炸或有毒物质释放的暴露致死率等），假如没有任何条件修正，则取１。

表１　安全仪表功能的安全完整性等级（低要求操作模式）

［６］

安全完整性等级（ＳＩＬ）

低要求操作模式的平均失效概率（ＰＦＤ）

４≥１

０－５且＜１０－４

３≥１

０－４且＜１０－３２≥１

０－３且＜１０－２１

≥１

０－２且＜１０－１　　初始事件的发生频率和ＩＰＬ的ＰＦＤ数据可采用行业统计

低低低低低１０－６～１０－７中低低低低１０－５～１０－６中中低低低１０－４～１０－５高中中低低１０－３～１０－４高高中中低１０－２～１０－３很高高中中中１０－１～１０－２很高

很高

高

中

中

１～１０

－１　　注：风险等级说明：低：不需要采取行动；中：可选择性的采取行动；

高：选择合适的时机采取行动；很高：立即采取行动。

３　液化气球罐区的保护层分析

本文以单台液化气球罐为例，球罐设有液位、压力、温度的连续监测仪表，并在ＤＣＳ系统设有液位高限、高高限报警，压力

高限报警和温度高限报警；球罐顶部设有２个安全阀，

每个都能满足事故状态下泄放量的要求，安全阀前后分别设置１个全通径切断阀，实现安全阀定期校验时的在线备用；另外设置一个安全阀副线，作为紧急放空线。

根据Ｈ

ＡＺＯＰ分析作为场景信息来源，筛选出后果等级５级的节点组成如表３所示ＬＯＰＡ场景。

表３　筛选出的ＬＯＰＡ场景

场景序号

场景描述

罐区液位ＢＰＣＳ回路失效，导致加料过量，潜在的储罐超

场景１

压、泄漏、火灾爆炸。事故后果造成人员伤亡，严重等级

为５

。场景２

大的外部火灾，温度升高，导致储罐超压、泄漏、火灾爆炸。事故后果造成人员伤亡，严重等级为５。场景３

切水作业时人员操作失误，液化气泄漏、火灾爆炸。事故后果造成人员伤亡，严重等级为５。

　　根据表２的风险评估矩阵，对于事故后果严重等级为５级，

事件频率大于１×１０－４

／ａ即无法接受，应采取行动对其进行改

正。事件频率小于１×１０－６

／ａ为可接受，无需采取行动。介于此两者之间的场景则依成本、可行性等允许有一定的灵活性。

３．１　场景１分析

选定ＩＥ为液位ＢＰＣＳ回路失效，根据相关的工业经验，其

发生频率取值为１０－１

／ａ；液位ＢＰＣＳ回路失效而出现超压导致设备法兰密封泄漏条件下的概率为１；着火概率１，影响区域内的人员存在概率０．５，人员伤亡概率０．５。

现有的安全阀泄放排至火炬系统，并且一用一备，在定期

维护前提下可以作为独立保护措施，其失效概率取１０－

２／ａ；虽然设有可燃气体检测报警系统，但由于是事后补救措施且无法量定其效果，故不将其作为独立保护层。

（下转第１７１页）

　第９期

司亚康，等：ＵＶ＋ＨＯ２２法预处理含酚废水实验研究·１７１·

２．４　实验问题提出

单因素及正交实验确定ＵＶ＋ＨＯ在２２法预处理含酚废水，含酚废水ｐＨ值６，反应时间１８０ｍｉｎ，ＨＯ０ｍｍｏｌ／Ｌ条２２浓度位５

ＯＤ去除率可达到４８．４３％，说明该方法对废水中件下对废水Ｃ

［１１］

的疏水性有机的去除有很好的效果。

另外，上述的实验室小试实验，灯管设计采用了在废水处理装置上一定距离照射，为进一步增强光辐射的强度。在实验中试设计实验装置的过程中应考虑将紫外灯管设置于废水处理装置内部，让废水直接接触。

３　结论

（１）ＵＶ＋ＨＯ２２法预处理含酚废水的的影响因素的大小依次为：反应时间＞ＨＯ废水ｐＨ值。２２浓度＞

（２）单因素及正交实验确定ＵＶ＋ＨＯ２２法预处理含酚废水的最佳实验条件为含酚废水ｐＨ值６，反应时间１８０ｍｉｎ，ＨＯ２２浓度位５０ｍｍｏｌ／Ｌ，废水ＣＯＤ去除率可达到４８．４３％。

参考文献

［１］李　新，刘勇弟，孙贤波，等．ＵＶ＋ＨＯ２２法对印染废水生化

Ｊ］．环境科学，２０１２，３３出水中不同种类有机物的去除效果［

（８）：２７２８－２７２９．［２］张泽彪，刘勤增，崔明超．ＵＶ＋ＨＯ２２法处理焦化废水的试

验研究［Ｊ］．环境科技，２０１０，２３（１）：５－７．［３］黄洪勋，孙亚全，陈明发．高级氧化技术在水处理中的应用

［Ｊ］．黑龙江环境通报，２０１２，３６（３）：６０－６３．［４］Ｒａｕｆｍａ，Ｍａｒｚｏｕｋｉｎ，Ｏｒｂａｎｔｉｂｋ，ｅｔａｌ．Ｐｈｏｔｏｌｙｔｉｃｄｅｃｏｌｏｒｉｚａｔｉｏｎｏｆ（上接第１６８页）

减缓前的事故概率为：

－２－４

ｆ０．１×１×１×０．５×０．５×１０＝２．５×１０／ａ减缓前＝

ｒｏｓｅＢｅｎｇａｌｂｙＵＶ／ＨＯｎｄｄａｔａｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｕｓｉｎｇｒｅｓｐｏｎｓｅ２２ａ

ｓｕｒｆａｃｅｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｚａｒｄｏｕｓＭａｔｅｒｉａｌ，２００８，１５９：６０２－６０９．［６］Ａｆｚａｌａ，ＯｐｐｅｎｌａｎｄｅｒＴ，ＢｏｌｔｏｎＪＲ，ｅｔａｌ．Ａｎａｔｏｘｉｎａｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ

：ｖａｃｕｕｍ－ＵＶａｔ１７２ｎｍ，ｂｙａｄｖａｎｃｅｄｏｘｉｄａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓ

ｐｈｏｔｏｌｙｓｉｓｕｓｉｎｇｍｅｄｉｕｍｐｒｅｓｓｕｒｅＵＶａｎｄＵＶ／ＨＯＪ］．２２［

，２００８，８１：４２５－４３２．Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ

［７］代莎莎，刘建广，宋武昌，等．臭氧氧化法在深度处理难降解

有机废水中的应用［Ｊ］．水科学与工程技术，２００７，２２（２）：２４－２６．［８］章永鹏，周军英．几种高级氧化技术在农药废水处理中的应

Ｊ］．农药学学报，２００７，９（２）：１０３－１０９．用研究进展［

［９］国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会．水和

废水监测分析法［Ｍ］．４版．北京：中国环境科学出版社，２００２．［１０］ＬｅｇｒｉｎｉＯ，ＯｌｉｂｖｅｒｏｓＥ，ＢｒａｕｎＡＭ．Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓ

［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＲｅｖｉｅｗｓ，１９９３，９３（２）：６７１ｆｏｒｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ

－６９８．［１１］李　新，刘勇弟，孙贤波，等．ＵＶ／ＨＯ２２对印染废水生化出

水中不同种类有机物的去除效果［Ｊ］．环境科学，２０１２，３３（８）：２７２８－２７３０．（本文文献格式：．ＵＶ＋ＨＯＪ］．２２法预处理含酚废水实验研究［山东化工，２０１８，４７（９）：１６９－１７１．）

檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳．１。减缓前的事故频率改为：能条件，其发生概率为０

－２

ｆ０．４×１×１×０．５×０．５×０．１＝１×１０／ａ减缓前＝

上述事故频率依然高于可接受值，仍需进一步行动。分析认为脱水作业主要依靠人员操作完成，人员的安全风险较高，因此建议增加二次脱水罐，实行密闭脱水，通过本质安全设计消除此场景的事故风险。

事故频率已经超过可接受值，因此需要考虑增加ＳＩＦ功能，在球罐的进口管线上设置紧急切断阀，球罐增加液位开关，液位高高限联锁切断进口切断阀，其最低的ＰＦＤ值为１×１０，按照表１，对应的完整性等级可取ＳＩＬ２。

－３

４　结论

本文通过保护层分析法，对液化气球罐区的安全仪表系统ＩＬ评估，确定增加液位高高联锁切断紧急切断阀的ＳＩＦ进行了Ｓ

功能，其安全完整性等级为ＳＩＬ２。通过分析，从本质安全设计角度出发，还提出了改进脱水作业操作的建议。

３．２　场景２分析

－２

选定大的外部火灾为初始事件，其发生频率取值１０／ａ；

火灾情况下出现超压导致设备法兰密封泄漏条件下的概率为１；着火概率１，影响区域内的人员存在概率０．５，人员伤亡概率０．５。

安全泄放系统可作为独立保护层。根据场景１中的分析，减缓前的事故概率为：

－－５ｆ０．０１×１×１×０．５×０．５×１０２＝２．５×１０／ａ减缓前＝

参考文献

［１］国家安全生产监督管理总局．ＧＢ／Ｔ２１１０９－２００７过程工业

领域安全仪表系统的功能和安全［Ｓ］．北京：中国标准出版２００７．社，

［２］中国机械工业联合会．ＧＢ／Ｔ３２８５７－２０１６保护层分析

（ＬＯＰＡ）应用指南［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０１７．［３］国家安全生产监督管理总局．ＡＱ／Ｔ３０５４－２０１５保护层

分析（ＬＯＰＡ）方法应用导则［Ｓ］．北京：煤炭工业出版社，２０１５．

［４］中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院．ＨＡＺＯＰ

分析指南［Ｍ］．北京：中石化出版社，２００８：６１－６２．［５］白永忠，党文义，于安峰，译．保护层分析－简化的过程风险

评估［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２０１５：４９－５６．

［６］中国石油化工集团公司．ＧＢ／Ｔ５０７７０－２０１３石油化工安全

仪表系统设计规范［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２０１３．（本文文献格式：张星华．基于保护层分析的液化气球罐区ＳＩＬ定级［Ｊ］．山东化工，２０１８，４７（９）：１６７－１６８，１７１．）

上述事故频率为企业可接受值，但根据风险尽可能低原则，如有条件可考虑增加其他保护层，采取进一步行动降低风险。

３．３　场景３分析

球罐切水作业过程中的人员操作失误（人员操作结束未关

－１

闭切水阀门而离开）作为初始事件，其发生频率取值为１０／－１次，每年切水作业共４次，总的发生频率为４×１０／ａ；人员操

，着火概率为１，影响区域内作失误引起液化气泄漏的概率为１的人员存在概率０．５，人员伤亡概率０．５。

减缓前的事故频率为：

－２

ｆ０．４×１×１×０．５×０．５＝１×１０／ａ减缓前＝

现有的事故频率远大于容许值，因此将排水阀改为弹压式开关阀，由于其具有自行关闭功能，人员离开将会自动关闭，确保操作安全，因此此场景弹压式开关阀的失效成为场景３的使