HAZOP分析在空分装置风险分析运用的研究

邢文俊(盈德气体(上海)有限公司，上海 200137)

0 引言

《危险化学品企业安全风险隐患排查治理导则》(应急〔2019〕78号)中规定：“2.4企业应对涉及“两重点一重大”的生产、储存装置定期开展HAZOP分析”及“3.2.3企业对涉及“两重点一重大”的生产、储存装置运用HAZOP方法进行安全风险辨识分析，一般每3年开展一次；对涉及“两重点一重大”和首次工业化设计的建设项目，应在基础设计阶段开展HAZOP分析工作”。明确提出需要对空分装置开展HAZOP分析后，政府执法、企业运营对HAZOP分析的重视也在逐步提高[1-2]。但是目前更多的是从氧槽作为重大危险源的角度分析为主，对于空分自身工艺的分析不是很充分。

文章在详细设计阶段通过对新建空分装置进行HAZOP分析，从设计源头上严格分析，避免事故产生，进而保障空分装置的稳定运行。

1 空分装置简介

空分装置是用来把空气中的各组分气体分离，分别生产空气组分的氧气、氮气、氩气等气体的一套工业设备装置。通常采用深度冷冻空气分离技术，以空气为原料，通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，经过低温精馏根据不同沸点而从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气及氩气等惰性气体的设备，广泛应用于传统的冶金、化工以及半导体器件制造等领域。

低温精馏法是先将空气冷却至液化，然后在不同的沸腾温度下选择性地蒸馏成分。该工艺可以生产高纯度气体，能耗高。低温分离过程要求热交换器和分离塔紧密结合，以获得良好的效率，所有制冷能量都由装置入口的空气压缩机提供。为了达到较低的精馏温度，利用膨胀机获取大的等熵膨胀制冷量将空气液化，并且冷设备必须保持在一个绝缘的外壳内(通常称为“冷箱”)。自空压机来的压缩空气，经空气预冷系统预冷净化，分子筛除去水分、二氧化碳、碳氢化合物等杂质后，一部分空气被直接送往精馏塔的上塔，另一部分则进入膨胀机经膨胀制冷后被送往下塔。精馏塔中，上升蒸汽和下落液体经热量交换后，在上塔的顶部可得到纯度很高的氮气，在上塔底部可得到纯度很高的氧气。一般包括以下七个系统：

(1)压缩系统：空气压缩系统包括空气入口过滤器、空压机、空压机级间冷却器、空压机放空消音器等。(2)预冷系统：空气预冷系统包括水冷塔、空冷塔、水泵、冷冻机等。(3)纯化系统：分子筛纯化系统包括分子筛吸附器、氮气放空消音器等。(4)换热系统：空分换热系统包括主换热器、过冷器等。(5)精馏系统：空分精馏系统包括精馏塔、冷凝蒸发器等。(6)产品送出系统：产品送出系统包括调压站、计量站等。(7)液体储存后备系统：后备系统包括液体储罐、气体储罐、液体蒸发器等。

2 HAZOP分析过程

HAZOP是一种以系统工程为基础、针对化工装置而开发的定性的危险性分析方法。HAZOP用来识别和评估工艺过程安全方面的危险以及操作性问题，确切的说它是对生产工艺系统危险性与可操作性进行严格检查的一种风险分析方法[3]。

HAZOP的基本步骤有：将工艺图划分节点，确定需要讨论的偏差，逐项分析得到详细偏差、原因、后果、现有保护措施、建议措施的结果。

3 基于HAZOP的某空分装置危险性分析

结合P&ID图纸及工艺流程，将HAZOP分析分为空气压缩及预冷系统、分子筛系统、膨胀机系统、高低压换热器、精馏塔系统、氧储槽及后备系统、氮储槽及后备系统、氩储槽等节点。以流量相关的偏差为例，HAZOP的分析结果如下。

3.1 空气压缩及预冷系统

(1)偏差：无/少流量，即常温水或低温水进空冷塔流量低或无。由常温水泵或低温水泵故障不上量造成，会导致进分子筛的空气温度高，分子筛吸附二氧化碳、水能力降低，长时间会导致二氧化碳、水穿透分子筛进入冷箱，堵塞主换热器，影响生产。属于高风险，采取的保护措施为：出空冷塔设置有温度点报警、分子筛后有在线二氧化碳分析仪高高延迟联锁空压机卸载、常温水泵设置有流量低起泵联锁，低温水泵设置有流量低起泵联锁。削减后风险属于低风险，建议出空冷塔温度点增加温度高高延迟停车联锁。

(2)偏差：多流量，即空气出空冷塔流速大。原因是在开车时，人工操作往冷箱倒气速度过快，导致短时间流速过快。从而使得空气携带水分过大，超过分子筛的吸附能力，导致水分穿透分子筛，水分进入冷箱，堵塞主换热器，影响生产。属于高风险，采取的保护措施为：空冷塔设置有压差高报警、分子筛后有在线二氧化碳分析仪高高延迟联锁空压机卸载。削减后风险属于低风险。

(3)偏差：逆流，即空压机出口空气逆流。因空压机故障停机时放空阀未打开导致，会造成空压机出口高压空气逆流，空压机倒转，损坏机组，进而造成财产损失。属于高风险，应将空冷塔去水冷塔管线由手动阀改为自动控制，在空压机跳车后阀门规定时间内未打开，则打开另一阀门进行泄压。削减后风险属于较高风险，建议前空分装置检修周期为1次/年，检修时对放空阀进行维护。

(4)偏差：错流，即水冷塔溢流管线有氮气排出。原因是水冷塔液位控制回路故障，补水阀关闭，低温水泵继续运行，导致液位过低，如果有人员出现可能导致人员窒息。属于高风险，采取的保护措施为：巡检人员佩戴四合一报警仪、溢流管线处于开放空间。削减后风险属于低风险。

3.2 膨胀机系统

(1)偏差：多流量，即进入膨胀机膨胀端流量大。由膨胀机入口喷嘴卡涩造成，会导致膨胀机超速，震动过大损坏设备。属于高风险，采取的保护措施为：膨胀机设置有超速保护，联锁关闭入口紧急切断阀、人工关闭增压端入口手阀。削减后风险属于低风险。建议膨胀机入口紧急切断阀长期不动作，考虑增加部分行程测试功能并定期测试。

(2)偏差：逆流，即膨胀机膨胀端入口低温气体逆流回增压端管线。由膨胀机卸载后回流阀全开造成，会使膨胀端管线低温脆化损坏。属于高风险，采取的保护措施为：膨胀机增压端设置有止回阀，止回阀至膨胀机入口管线内低温气体残余量较少，不足以造成低温脆化、膨胀机停车后，人工关闭增压端出口阀门。削减后风险属于低风险。

(3)偏差：低温，即膨胀机膨胀端入口低温。由膨胀机长期停机再启动时，入口阀前管线内气体温度低，导致膨胀机出口会产生大量液体，膨胀机损坏，影响生产。属于高风险。采取的保护措施为：膨胀机入口管线设置有温度点，当温度低于一定数值时无法启动；膨胀机设置有振动高联锁停车。

3.3 换热系统

(1)偏差：低温，即气体管线温度低。由空压机卸载或停车时，箱内低温介质倒流，会冻裂进冷箱空气管线，导致生产中断。属于高风险，采取的保护措施有：空压机卸载或停车信号会联锁关闭空气进冷箱阀门及高压液空节流阀；空压机卸载或停车信号会联锁打开下塔液空进上塔液体阀门，下塔低液位后恢复液位自动控制。

(2)腐蚀/冲蚀，即阀门后管线冲蚀。由阀门后管线为节流两相流冲刷，有减薄风险，导致液空泄漏，生产中断。属于高风险，采取的保护措施有：阀门后管线为加厚设计及有扒沙情况时，加强对此处管线进行检查。

3.4 分馏塔

偏差：多流量，即氧气送出阀流速过快。由外送氧气时氧气送出阀前后压差过大，阀门开启过快造成，会导致氧气超速，有爆燃风险。属于高风险，采取的保护措施为：氧气送出阀设置有压差大时无法打开，外送氧气时，先打开均压阀均压。削减后风险属于低风险。氧气送出阀均压阀现场观察不便，建议改造。

3.5 精馏塔系统

偏差：逆流，即下塔液空逆流到分子筛。由冷开车时，分子筛压力较低时打开分子筛出口阀门造成，会导致下塔中液空逆流，造成设备冷脆损坏。属于高风险，采取的保护措施为：下塔压力与分子筛出口压力做差值，压差大时，分子筛出口阀门失电无法打开。削减后风险属于低风险。

4 结语

通过对该空分装置HAZOP分析可以发现，对于大部分的分析项目，该空分装置设有较为完备的安全措施以避免安全可靠性事故的发生。但仍可能由于一些小概率事件的发生，对安全稳定生产造成不同程度的影响。

当前国内空分行业对空分装置的HAZOP分析还不够重视，是基于相关部门的文件要求以及河南义马气化厂“7·19”重大爆炸事故的后续影响开展此项工作，没有将HAZOP与详细设计相融合。但在设计阶段对空分装置进行HAZOP分析，将会将设计审查和现有空分装置运行操作的事故预案结合起来，从源头解决本质安全问题，从而保证空分装置的运行可靠性。

随着国内安全形势要求越来越高，也越来越多的将国外先进的安全理念及工作方法在国内推广或强制要求，HAZOP作为目前过程安全风险分析工具已经在国外的相关行业验证了有效性，将更广泛地在国内化工等行业推广，真正发挥提高安全可靠性的初衷。