基于HAZOP和LOPA法...污泥薄层干化工艺安全性分析_康启宇.pdf

102基于 HAZOP 和 LOPA 法的污泥薄层干化工艺安全性分析康启宇（西安市长安基础建设有限责任公司，陕西 西安 710100）摘要HAZOP 法结合 LOPA 法可以为污泥薄层干化工艺提供更为丰富可靠的安全性分析。HAZOP法可以有效地发现和识别工艺中的潜在事故及危险源，LOPA可以定量化描述HAZOP的事故场景及现有保护措施，是 HAZOP 的延续和补充。采用两者相结合的分析结果表明：污泥薄层干化工艺对危险性较高的事故场景所采取的安全措施可有效地将事故风险降低至可接受的程度，该工艺是一套安全性很高的污泥处理工艺。关键词污泥干化薄层干化安全分析HAZOPLOPASafety analysis of thin film sludge drying process based on HAZOP and LOPAKANG Qiyu（Xian Changan Infrastructure Construction Co.，Ltd.，Xian Shaanxi 710100，China）AbstractHAZOP combined with LOPA can provide more abundant and reliable safety analysis for sludge thin filmdrying process.HAZOP can effectively find and identify potential accidents and hazards in the process.LOPA canquantitatively describe the accident scenarios and existing protection measures of HAZOP，which is the continuationand supplement of HAZOP.The results of the analysis using the combination of the two show that the safety measurestaken by the sludge thin-layer drying process for the more dangerous accident scenarios can effectively reduce the ac-cident risk to an acceptable level and that the process is a very safe sludge treatment process.Key wordssludge drying thin film dryingsafety analysisHAZOPLOPA0引言污泥热干化是目前工业界采用的主流污泥干化工艺，它可有效的实现污泥的减量化、无害化、稳定化，为污泥的后续处置乃至资源化利用创造重要前提。与此同时，污泥热干化工艺由于涉及高温、加热、干燥、造粒和储存等过程，且污泥本身的成分复杂，在干化过程中可能伴随有易燃有毒气体，因而污泥热干化工艺全过程也存在着一定的不安全因素。伴随着国家对污泥处置要求越来越严格，污泥薄层干化工艺作为诸多污泥间接式热干化工艺中的一种代表性工艺，近年来获得了广泛应用。从 2012 年至2020 年，仅在国内上线的污泥薄层干化工艺线就多达 70 条，涉及石油化工、煤化工及市政环保等重要领域。因而对污泥薄层干化工艺的安全性分析就显得十分必要。1HAZOP 与 LOPA 分析方法1.1HAZOP 分析方法危险与可操作性分析（Hazard and OperabilityStudy）又称为HAZOP分析，是目前国内广泛应用的安全性分析评价方法。它通过设定关键参数的引导词，从设定关键工艺参数偏离出发，检查偏离可能导致的不利后果，分析导致偏离的原因，同时结合系统现有安全措施进行风险评估，对不可承受的风险提出相应的安全改进措施。1.2LOPA 分析方法保护层分析（Layer of Protection Analysis）又称为 LOPA 分析，它是以定性危害分析为基础的半定量风险评估方法。它选取工艺中存在的特定事故场景，并对事故场景进行风险分析，通过采取相应的保护措施来将风险等级降低。其核心思想可通过“洋葱”模型来概括，即每一层洋葱皮为一个独立保护层（IPL），所有洋葱皮共同起到对内核的保护作用，从2023 年第 49 卷第 2 期February 2023103而让保护对象遭受风险危害的可能性大大降低。LOPA分析中，未考虑安全措施的事件场景为未减轻事件，其风险为潜在风险。采取了独立保护措施的事件场景为减轻事件，其风险为剩余风险。保护层分析将每一个独立保护层的失效概率（ProbabilityofFailureonDemand，PFD）进行量化，结合未减轻事件的潜在风险，在系统的独立保护层失效时，相应事故发生的概率大小，从而获知剩余风险及其等级，评估独立保护措施的效果以及是否增加新的保护措施，进而将事故发生的风险降至最低。LOPA 分析的具体思路见图 11，LOPA 分析的风险矩阵表见表 12，其中 PFD 的数据参考美国化学过程安全中心 CCPS的数据3。图 1LOPA 分析的具体思路表 1LOPA 法风险矩阵事故后果严重等级事故后果描述事故后果注解事故发生频率等级（每年发生次数）对应的风险水平人员设备环境社会1(10-610-7)2(10-5 10-6)3(10-410-5)4(10-3 10-4)5(10-2 10-3)6(10-110-2)7(1 10-1)1低无伤害轻微设备损坏，无产品损失很小的影响很小的影响LLLLLMM2较低 轻微伤害少量设备损坏，微量产品损失较小的影响较小的影响LLLLMMM3中单体伤害，不严重一些设备损坏，产量产品损失中等影响 中等影响LLLMMMH4中高永久性伤残，或 13人死亡重大破坏，一些产品损失严重的影响国内范围影响LLMMHHE5非常高3 人以上死亡毁灭性破坏，大量产品损失极其严重的影响国际范围影响LMMHHEE1.3HAZOP 和 LOPA 相结合的分析方法HAZOP 法的优点是可以有效地识别出系统中存在的潜在风险，但它对安全保护措施起到的风险降低程度及剩余风险大小却不能定量化的说明。LOPA作为一种半定量的风险评估方法，可以天然衔接HAZOP法，针对性地选取HAZOP辨识出的事故场景来作为 LOPA 法分析对象，有效评估现有保护措施的效果，定量化描述风险的大小及可接受度。与此同时，LOPA法实施起来省时省力，可以作为HAZ-OP 法的有效丰富和补充。HAZOP 和 LOPA 的具体衔接关系见图 23。HAZOP结合LOPA的分析方法具体步骤为：前期准备及资料收集；工艺节点划分及节点描述；HAZOP 的具体实施；HAZOP 分析报告；筛选特定事故场景进行LOPA分析；LOPA的具体实施；评估最终分析结果。2HAZOP结合LOPA法应用于污泥薄层干化工艺的安全分析2.1HAZOP 分析2.1.1前期准备工作前期工作主要是准备污泥薄层干化工艺的有关设计资料，具体包括：工艺流程说明、PFD、P&ID、自控说明书等。前期先建立一支分析小组，小组成员包括工艺工程师、仪表工程师、电气工程师及设备工程师等，指定分析小组的组长及记录员，通过会议方式来集体完成 HAZOP 分析的具体实施工作。2.1.2工艺主要节点划分通过对污泥薄层干化工艺流程的具体分析，该104工艺可划分为 4 个节点进行分析，分别为湿污泥储存及输送节点、污泥薄层干化节点、干污泥输送机储存节点、蒸发尾气处理节点。具体的污泥薄层干化工艺流程框图如下图 3 所示。污泥薄层干化工艺相应的节点描述如下表 2 所示。2.1.3具体实施HAZOP具体实施时先设定关键参数的引导词，从设定关键工艺参数偏离出发，检查偏离可能导致的不利后果，并分析可能导致偏离的原因，同时结合系统现有安全措施进行风险评估，对不可承受的风险提出相应的安全改进措施。污泥薄层干化工艺的关键工艺参数有：温度、压力、流量、液位、电流、转速、氧含量等。引导词有：多/过多、少/过少、无/空白、伴随、部分、相反、异常、早、晚、先、后等。2.1.4HAZOP 分析结果HAZOP分析小组从设计偏差、生产运行偏差等方面进行设想，挖掘产生偏差的可能性原因，推测可能产生的后果，同时检查现有工艺是否有相应的应对保障措施。表 3 是节选的有代表性的污泥薄层干化工艺的 HAZOP 分析结果。图 2HAZOP 和 LOPA 的衔接关系图 3污泥薄层干化工艺流程表 2HAZOP 分析节点划分节点节点名称节点描述1湿污泥储存及输送经过前端脱水的湿污泥被输送至湿污泥料仓进行暂存；湿污泥料仓底部设有卸料螺旋和湿污泥进料泵，湿污泥进料螺杆泵通过变频调节的方式按一定的输送量来给薄层干化机均匀喂料2污泥薄层干化薄层干化机通过均布有刮刀的转子将污泥涂抹在定子内壁，涂抹成薄层状的污泥与干化机外部夹套内的蒸汽进行间接换热，污泥中的大部分水分受热蒸发并被风机抽至后端尾气处理系统，干化后的干污泥由干化机出口排出并进入后端干泥输送系统3干污泥输送及储存干污泥先进冷却螺旋进行输送及冷却降温，再由卸料阀输送至刮板提升机中，由刮板提升机最终将干污泥输送至干污泥料仓中进行暂存，并最终装车外运处理4蒸发尾气处理蒸发尾气由尾气风机抽至干化机后端的冷凝器进行水蒸气冷凝、尾气降温和除尘，再进入除雾器进行除雾，最后由尾气风机排至后端的尾气处理系统进行后续处理2.2LOPA 分析基于 LOPA 风险矩阵对 HAZOP 分析结果的初步判断可知，在未采取独立保护措施的情况下，HAZ-OP 分析结果的 14 个偏差中 13 个属于低风险。属于中风险的有 1 个，即干化后的污泥在输送及暂存过程中，因冷却螺旋的冷却水失效，使干仓进泥温度过高以致干仓焖燃，其具体工艺流程见图 4。为了更好的量化判断所采用的保护措施对该风险的减轻程度，遂引入 LOPA 法对该中风险事故场景进行独立分析，具体结果见表 4。具体分析步骤如下：1）确定初始事件、中间事件和后果事件并确定其发生概率。选择冷却螺旋的冷却水失效为初始事105件，其概率为 110-1。中间事件为进干仓的干泥温度过高，其概率为 1。后果事件为干泥在干仓中焖燃，其概率为 110-1。2）确定未减轻事件及其发生概率。未减轻事件为初始事件发生且所有保护层失效的情况下后果事件发生。未减轻事件的概率为初始事件、中间事件及后果事件发生概率的乘积，即未减轻事件的发生概率为 110-2。3）独立保护层（IPL）的评估及其失效概率（PFD）。干仓设置上、中、下 3 块在线温度检测仪表并联锁报警；干仓顶部设置CO检测报警仪表并与氮气联锁。这两个均与初始事件无关联，可作为独立保护层。前者失效概率为 110-2，后者失效概率为 110-1。4）考虑独立保护层时，减轻事件的剩余风险及等级。剩余风险为未减轻事件的概率与独立保护层失效概率的乘积。由此可知，剩余风险为 110-5，相应的风险等级为 L。5）确定剩余风险是否可接受及是否要增加措施。经以上量化分析可知，剩余风险已降为低风险，风险接受度为可接受，无需再增加其他安全保护措施。表 3污泥薄层干化工艺的 HAZOP 分析结果（节选）节点参数偏差原因后果现有保障措施建议措施1含水率脱水污泥含水率过低上游污泥脱水过多导致螺杆泵输送含固量过高污泥，螺杆泵磨损大定期对脱水污泥进行取样，检测污泥含水率上游管道或溜槽增设取样口1含水率脱水污泥含水率过高上游污泥脱水过少干化进泥含水率高，相应的出泥含水率也高定期对脱水污泥进行取样，检测污泥含水率上游管道或溜槽增设取样口2氧含量干化系统含氧量过高1.系统有较大的空气漏点；2.惰性化系统失效系统内氧含量过高，系统停进料1.设置了在线氧分析仪，并设置了高报警；2.设置两种不同惰性化介质2压力干化系统内压力过高尾气输送不畅，尾气风机故障或未运行系统内为正压，干化系统内的臭气外逸，导致车间有异味1.在干化机出料口，乏汽箱出口管路均设有压力在线检测；2.压力高于设计值时，系统联锁停进料风机停机联锁系统停机3温度干料仓温度过高1.冷却螺旋的冷却水失效导致进干仓的干泥温度过高；2.干泥在干仓内暂存时间过长干料仓有焖燃风险1.干仓设置上、中、下3 块在线温度检测报警系统；2.干仓顶部设置CO检测报警仪表并与氮气联锁及时卸出干仓内的干泥并装车外运4液位冷凝器液位过高污水排放不畅喷淋液倒流回干化机设置冷凝器液位在线检测并高高位报警，并联锁停干化机进料4温度尾气温度过高冷凝器喷淋水效果不好损坏风机设置尾气管路在线温度检测并高温报警联锁停干化机图 4干泥输送及暂存的工艺流程106表 4HAZOP 和 LOPA 法联合分析报告事故场景后果起始事件及概率中间事件及概率后果事件及概率未减轻事件发生概率未减轻事件独立保护层及失效概率减轻事件事故概率减轻事件建议增加措施严重等级频率等级风险等级频率等级风险等级风险可接受冷却螺旋的冷却水失效使干泥温度过高，导致干泥在干仓中焖燃干仓焖燃，使设备损失，人员伤亡冷却螺旋的冷却水失效110-1干泥温度过高1干泥在干仓中焖燃110-1110-235M温度计监测报警系统110-2；CO 检测并与氮气联锁保护110-1110-53L是风险可接受，可不增加额外措施3结论1）本文将 HAZOP 法和 LOPA 法相结合并运用于污泥薄层干化工艺的安全性分析中，HAZOP法可有效识别系统中存在的潜在风险。LOPA 法可以天然衔接 HAZOP 法，定量化描述风险大小，有效评估现有保护措施的效果和剩余风险的可接受度，是HAZOP 法的有效丰富和补充。HAZOP 法和 LOPA法实现了功能上的互补，两者相结合有助于获得更清晰可靠的安全分析结果。2）本文对HAZOP分析出的较为严重的事故场景进行 LOPA 法定量分析，可知对冷却螺旋的冷却水失效导致的干仓进泥温度过高，进而导致干仓焖燃的风险，其采取的独立保护层保护措施充分有效，可将风险降至可接受范围内，无需再增加其他保护措施。通过 HAZOP 结合 LOPA 法的综合分析可知，污泥薄层干化工艺是一套安全性很高的污泥处理工艺。参考文献1 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，2010，20（7）：76-812 徐鹏，饶国宁.HAZOP 和 LOPA 方法在硝基胍喷雾干燥风险评估中的应用 J.安全与环境工程，2017，24（1）：106-110.3 美国化工过程安全中心，著.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，2010：60-80.作者简介康启宇（1986），男，硕士，工程师，研究方向为污泥的处理处置与资源化利用。E-mail：。（收稿日期：2022-01-20）