运用HAZOP方法识别聚丙烯生产装置工艺过程风险.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 27 日 作者简介：王海超（1989-）,汉族，男，天津人，本科，中国石油大学（北京），工程师，研究方向聚丙烯工业生产。-94-运用 HAZOP 方法识别聚丙烯生产装置工艺过程风险 王海超 中石化（天津）石油化工有限公司，天津 300270 摘要：摘要：随着大型聚丙烯装置的不断建设，以及市场对聚丙烯产品牌号的性能要求不断提高，聚丙烯装置频繁地进行各种牌号切换操作和变更操作，工艺过程复杂化，这对过程安全管理提出了极高的挑战。HAZOP 作为基本的安全评价方法之一，可以有效地识别工艺过程中存在的安全风险，本文以主流的环管法聚丙烯工艺为例，结合 HAZOP基本分析方法和独立保护层，阐述了聚丙烯装置工艺过程中常见的危险因素以及应对措施。关键词：关键词：HAZOP；聚丙烯；聚合反应；独立保护层；变更 中图分类号：中图分类号：TQ325 1 聚丙烯现状简介 聚丙烯，是丙烯通过加聚反应而成的聚合物，是一种性能优良的热塑性合成树脂，为无色半透明的热塑性轻质通用塑料。生产工艺主要有溶液法、淤浆法、本体法、气相法和本体-气相法组合工艺等五大类。目前，世界上比较先进的生产工艺主要是气相法工艺和本体-气相法组合工艺。根据中国石油和化工大宗产品年度报告（2023版）公布数据，2022年世界聚丙烯产能同比增长7.0%，产量同比增长 2.9%，装置平均开工率 84.8%，较上年下降 3.8 个百分点。2022 年中国聚丙烯产能同比增长7.6%，产量同比增长 5.4%。截至 2022 年底，中国聚丙烯生产企业约 85 家，2022 年新增产能主要为海南炼化、镇海炼化、福建中景石化等装置。近几年聚丙烯行业已成为众多石化青睐的对象，受到国家政策支持鼓励及下游广泛的需求推动，行业的供应能力不断提高，产能呈现逐年增长态势，由 2019年 2444 万吨增长至 2022 年 3487 万吨，年均增长率在12%。2023 年产能释放仍没有休歇，由于 2022 年多套计划装置未能如期投放，投放计划推迟至 2023 年，截至 2023 年 11 月，国内聚丙烯产能达到 3964 万吨，新装置已投产 480 万吨，12 月仍有预投产计划的装置，2023 年国内聚丙烯新增产能将创近五年新高。据不完全统计，2024 年前中国计划新增 21 套聚丙烯装置，新增产能超过 1200 万吨/年。近年来，国内新建 PP 装置总体呈现以下特点：生产规模大（20-45 万吨/年）；技术路线明确（环管法工艺和气相法工艺并存）；关键设备国产化（造粒机组、压缩机等）；生产操作流程复杂（频繁的牌号切换与严苛的产品质量要求）。以中石化股份有限公司为例，近年来，分别建成镇海炼化 PP 装置（25 万吨/年）、石家庄炼化 PP 装置（20 万吨/年）、中天合创 PP 装置（35 万吨/年）、中安联合 PP 装置（35 万吨/年）。在上述 4 套装置中均采用中石化第三代环管技术，该技术具有工艺安全系数高、产品结构多样、环境友好和国内自主知识产权等特点，故成为国内新建 PP 装置的主流工艺。随着大型 PP 装置的不断建成，对 PP 装置工艺过程安全管理也被各个公司的技术人员所重视。HAZOP作为过程安全管理中的基础安全评价方法，也逐渐被重视起来。本文主要探讨聚丙烯装置在生产运行中运用 HAZOP 的方法与原则对原辅料、反应过程、产品与输送、变更与检维修等四方面进行论述。在进行 HAZOP分析过程中，选取关键词和引导词，建立完整的事故剧情，在此基础上查找相应保护措施，评估风险严重程度，将过程安全风险降至最低。2 HAZOP 分析方法与依据 2.1 分析方法 采用 HAZOP/LOPA 复合风险评估方法对装置/系统危险与可操作性进行评估，并结合中国石化安全风险矩阵，对可能导致的事故场景的后果严重性及发生的可能性进行评估，在此基础上提出降低风险的措施。“HAZOP+LOPA+风险矩阵”复合式风险评估首先采用 HAZOP 分析方法，基于工艺设计意图，给定工程设中国科技期刊数据库 工业 A-95-计与工艺要求的偏差，分析造成偏差的原因，偏差产生的后果、现有的安全措施，并确认 P&ID 中涉及的生产和操作维修方面的安全隐患。在 HAZOP 分析风险评估过程中，结合风险矩阵，分析组对事故场景之严重性评估充分考虑行业内同类或类似装置案例，力求可信；对事故场景发生频率评估在考虑行业内同类或类似装置案例基础上，采用LOPA 分析方法，根据初始事件的发生频率和事故场景中各种有效的独立的保护层（IPL）要求时失效概率（PFD）计算事故场景的发生频率。最后根据事故场景后果的严重性等级和事故场景发生频率的大小，利用风险矩阵评估事故场景的风险等级，并判断事故场景的风险是否可接受。在此基础上，根据风险的大小和安全隐患，提出针对性的建议措施1。HAZOP 分析是一种用于辨识工艺缺陷、工艺过程危险及操作性问题的定性分析方法。HAZOP 分析小组由各个专业、具有不同知识背景的人员组成，HAZOP 分析是小组人员以“头脑风暴”的形式辨识工艺过程中的危险与操作性问题，HAZOP 分析方法与其它分析方法区别在于 HAZOP 分析结果是分析团队集体智慧的结晶2。通过“参数+详细偏差+可能原因+后果”构成事故剧情完整链条；在此基础上分按照“原始风险已有保护措施剩余风险建议措施”的模式分析现有保护措施，若采取保护措施后的剩余风险依然“不可接受”，则提出建议措施，知道风险降至“可接受”的范围内。风险的定级所依据的是最新版的中石化安全风险矩阵，建议措施则选取独立于事故剧情之外的、能够构成独立保护层的措施，其中包括修改设计、操作规程，或者进一步进行分析研究（如增加压力报警、改变操作步骤的顺序）等可以降低现有后果风险等级的建议。2.2 分析依据 除前文提到的在判定风险是使用的中石化安全风险矩阵外，在确定事故“发生频率”和“严重程度”时，基于同类聚丙烯装置发生的各种事故、停工、生产异常等有记录的内容，以及美国 CSB 机构对常见设备故障发生频率的数据库信息，最终确定发生的风险等级。在提出建议措施时，充分借鉴了 LOPA 方法中 SIL定级方法，提出了一系列对现有联锁系统逻辑回路的修改，确保提出的建议能够切实降低风险。3 聚丙烯工艺过程重要危害因素的识别与措施 3.1 原辅料 PP 装置原料为丙烯、乙烯、氢气，辅料主要为催化剂（MgCl2 载体 TiCl4）、助催化剂（烷基铝、环己基甲基硅烷类、抗静电剂等）作为主原料的丙烯采取液态输送。丙烯爆炸下限较低，重于空气，同时汽化大量吸热，这就使得在原料输送过程中一旦发生泄漏，除易于发生火灾爆炸外，还会导致人员冻伤、在低洼地带积聚等特点。故在HAZOP 分析过程中，要着重对输送管线、设备材质是否耐低温进行审查，常用输送液相丙烯管道所用材质为低温碳钢，设计温度应不高于-45。在液相丙烯流经的工艺单元中，近地点的可燃气报警系统报警值的设置、是否定期检定也是审查的重点3。液相丙烯汽化吸热的特点，在对装置丙烯进料系统进行工艺操作、检维修作业时，安全措施的核心原则之一即是防止人体与液相丙烯直接接触，否则将造成严重的冻伤。催化剂、助剂方面，烷基铝遇空气自燃遇水爆炸特点决定了其储存和输送必须在氮气密封条件下完成，且装置烷基铝系统压送操作频率高、阀门误操作等易发生安全事故。3.2 反应过程与产物 丙烯聚合反应是放热反应。在反应过程中，反应温度一旦失控则引发反应失控、造成反应器超温、超压，严重时反应器泄漏，引发火灾爆炸。因此在 HAZOP反应器所在的节点分析中，重点围绕引发超设计温度、超设计压力的原因以及现有措施的有效性展开风险评估。需要注意的是，因工艺设计原因，PP 装置反应器的安全阀起跳部位直接与物料接触，在反应器内物料循环的过程中，少量物料会进入反应器壁与阀芯之间的环形空隙中积聚压实，产生极大阻力，导致安全阀不能正常起跳。安全阀一旦失效则反应器超压这一事故剧情的严重等级将提高 10 倍。因此在 HAZOP 分析中，安全阀应做到定期校验，如果不具备条件应对其开展RBI 风险评估，确保其能作为有效的保护措施。同时聚合反应过程中，因反应不充分会产生一些副产物，具体表现为聚丙烯的低聚物（相对于正常产中国科技期刊数据库 工业 A-96-品，其分子量显著偏小），这种低聚物粘度高、易在管壁聚集增厚，长期积累将导致管线堵塞、引发反应系统超压，该内容也是 HAZOP 关注的重点风险。此类风险的主要应对措施在于：严格控制反应温度、产率、停留时间、抗静电剂流量等工艺参数在工艺卡片范围内。表 1 聚丙烯装置反应系统超温 PP 反应系统常见超温原因 有效保护措施（独立保护层）催化剂注入量短间内过高 温度高高联锁、杀死剂注入联锁、紧急排放联锁 反应器撤热系统故障 温度高高联锁、杀死剂注入联锁、紧急排放联锁 反应器循环泵故障导致局部集热 温度高高联锁、杀死剂注入联锁、紧急排放联锁、切断丙烯进料联锁 仪表控制回路故障导致阀门异常动作 温度高高联锁（独立于出现故障的回路）、杀死剂注入联锁、紧急排放联锁、切断丙烯进料联锁 表 2 聚丙烯装置反应系统超压 PP 反应系统常见超压原因 有效保护措施（独立保护层）反应失控发生爆聚，引发系统超压 压力高高联锁、杀死剂注入联锁、紧急排放联锁、切断丙烯进料联锁、安全阀（定期校验、能正常起跳）反应器内氢气析出或液相丙烯气化 压力高高联锁、压力控制回路、紧急排放联锁、安全阀（定期校验、能正常起跳）下游出料管线堵塞引发超压 压力高高联锁、杀死剂注入联锁、紧急排放联锁、切断丙烯进料联锁、安全阀（定期校验、能正常起跳）仪表控制回路故障导致阀门异常动作 压力高高联锁（独立于出现故障的回路）、杀死剂注入联锁、紧急排放联锁、安全阀（定期校验、能正常起跳）反应系统部分仪表存在共因失效，环管反应器 R201、R202 压力及温度联锁点与控制点 PT241/251、TT241/251 存在共因失效。环管反应器 R201、R202 压力及温度联锁点与控制点 PT241/251、TT241/251 如能分开设置，可有效防止共因失效的发生。3.3 产品输送和储存 聚丙烯产品形态分为粉末料和颗粒料，粉末料的直径在m 级，颗粒料为 mm 级，粉末料在输送过程中会形成粉尘环境，其点火能料0.5mJ，一旦发生爆炸将造成严重人员伤亡。另外聚丙烯颗粒料在产品料仓内堆放时，会挥发出一些可燃的轻烃类组分，若不采取措施阻止该类组分的积聚，一旦遇明火将引发料仓闪爆4。通常，聚丙烯产品输送是在正压氮气环境下完成的，通过罗茨风机的增压作用完成输送。一旦罗茨风机故障停机将使输送管线内压力降低，一旦降低至环境压力，则外部空气极易进入管线中，此时再次启动罗茨风机将增大粉尘爆炸的风险。2017 年中石化某公司曾出现过类似事故。因此对于产品输送单元，HAZOP分析中主要关注以下内容：1）是否在输送管线设置在线微量氧检测仪表并定期校验；2）输送管线法兰静电跨接、静电消除系统是否完整有效；3）在罗茨风机故障停的状态下，本单元工艺联锁是否设置了氧含量限制启动条件；4）工艺技术规程中是否编制罗茨风机故障停后的工艺处置，车间应急程序中是否有针对性的应急预案并开展培训。3.4 各种变更 变更部分主要考虑工艺流程变更、联锁逻辑变更、设备变更等增加的潜在风险。针对 PP 装置，HAZOP 主要从以下几个方面入手。1）工艺流程变更：主要考虑变更后是否存在物料互窜、反向流动、预期外反应、介质污染、危险副产物等风险 2）联锁逻辑变更：主要考虑变更后的 SIF（安全仪表功能）是否正常运作，是否存在 SIS 系统和 BPCS系统因共用测点导致的共因失效、联锁的冗余设计是否能正确反映工艺要求。比如Basell公司“Spheripol”工艺的聚丙烯装置，当发生 PIC323 故障，PV323 开大，或 FIC328 故障，FV328 关小时，会造成 P-302 抽空，密封泄漏，遇火源发生火灾爆炸，目前的保护措施为E-301 液位指示 LI322 及低报警；在分析后，建议增上措施，E-301设置液位低低联锁，联锁触发关闭HV321、停 P-302。3）设备变更：主要考虑变更后设备的材质、压力、温度等参数是否与流经介质相匹配、设备安全附件的完整性与可用性、变更后是否易于检修保养等内容。这里尤其要提到的一点是，变更后存在的一种普遍问题是，相关变更在现场或者 DCS 中实现后，未在PID 流程图或者工艺技术规程中体现，导致操作人员因不了解而误操作，对装置运行造成了负面影响。这也中国科技期刊数据库 工业 A-97-是 HAZOP 审查的重点内容。4 结论 按照上述分析的思路，对本体-气相法组合工艺的聚丙烯装置进行 HAZOP 分析，通过按节点系统地查找工艺过程中存在的危险与可操作性问题，其中包括反应系统部分仪表存在共因失效、烷基铝系统操作频繁导致安全风险高、公用工程管线缺少有效隔离措施等问题。结合现有安全措施进一步分析，是否足以保证异常情况下工艺处于安全状态，并提出建议措施以降低系统的风险并消除潜在的可操作性问题，装置主管人员对分析会议上就提出的建议措施，需明确具体的责任方，制定下一步行动计划，保证所有建议都落实。并在装置运行过程中应适时的进行危害与可操作性分析，例如运行负荷调整，物料回收处理等情况。参考文献 1赵昌.HAZOP 技术在现役聚丙烯装置上的应用J.化工管理,2019(30):99-100.2张悦,张清波,张姝洁.HAZOP 分析技术简介及其在聚丙烯装置的应用J.中外能源,2019,24(10):83-88.3张毅,张广文,赵文芳等.聚丙烯装置聚合工段的 HAZOP 分析研究J.安全、健康和环境,2015,15(10):43-45.4陈正财.基于聚丙烯反应装置的安全性分析D.武汉:武汉工程大学,2013.5耿帅.聚丙烯装置工艺安全性研究D.上海:华东理工大学,2012.