HAZOP和LOPA方法在食品企业氨制冷系统中的应用

徐 微工程师 孙胜利高级工程师

(北京国信安科技术有限公司，北京 100160)

0 引言

近些年，随着食品企业氨制冷系统泄漏、火灾爆炸事故频发，氨制冷系统的安全性得到了越来越多的关注[1]。因此，提前开展该类事故的原因分析、评估现有保护措施的有效性和足够性、明确整个系统所处的风险状态，对于食品企业氨制冷系统提高工艺安全管理(Process Safety Management，PSM)水平，降低事故发生概率，具有十分重要的现实意义。

在我国，HAZOP(Hazard and Operability Studies，HAZOP)和LOPA(Layers of Protection Analysis，LOPA)两种方法在石油、化工企业的风险评估中得到了较为广泛的应用[2]，但在食品企业的实践研究却不多见，仅有少数学者将HAZOP方法运用于氨制冷系统的分析中[3-4]。考虑到HAZOP这种单一的定性评估方法还无法量化现有保护措施降低风险的能力，难以得到准确的评估结果，将其用于食品企业安全管理决策的效果不甚理想。

为此，本文提出将HAZOP和LOPA两种方法组合应用到食品企业氨制冷系统的风险评估中，以提高评估结果的客观性和准确性，实现超前预防，消除潜在风险，避免氨泄漏事故发生。

1 HAZOP与LOPA方法概述

危险与可操作性分析(HAZOP)是一种定性的风险评估方法，用于识别系统中潜在的危险与可操作性问题，尤其是识别可能导致各种事故的工艺缺陷、设备故障、操作失误。通过辨识潜在的偏差、分析其可能的原因并评估相应的后果、明确现有保护措施，对不可接受的风险提出建议措施，从而预防事故的发生[5]。

但鉴于HAZOP定性分析存在无法评估每个保护措施可以降低多少风险、量化剩余风险等弊端[6]，在HAZOP分析的基础上引入保护层分析(LOPA)。

LOPA分析是以定性危害分析为输入，进一步评估保护层的有效性、是否有足够的保护层使风险降到企业可接受水平，从而进行风险决策的一种半定量的系统性风险评估方法[7]。LOPA分析主要程序包括：初步筛选出HAZOP分析结果中风险等级高或后果严重性高的事故剧情作为LOPA分析场景；将HAZOP分析中偏差产生的原因作为LOPA分析的初始事件(Initial Event，IE)；识别HAZOP分析中现有保护措施能作为独立保护层(Independent Protection Layer，IPL)的部分，并评估其失效概率；计算场景频率；与企业可接受风险标准对照，评估风险并作出决策[7-8]。由此，应用LOPA分析的定量特性来弥补HAZOP分析的不足。

2 氨制冷系统工艺描述

液氨制冷是食品行业应用较多的一种制冷系统，主要利用氨的气液相转化，不存在化学反应。工艺过程主要是压缩机吸入低压循环桶内分离的氨气，进行压缩后，成为高压、高温氨气，经油气分离器进行油分离后进入蒸发式冷凝器冷却，释放热量后成为高压、常温液氨，进入辅助贮氨器、高压贮氨器，从高压贮氨器来的液氨经调节阀减压后，进入低压循环桶，经氨泵进入蒸发器内，在蒸发器内吸收冷库的热量使冷库降温，而液氨则蒸发成氨气，返回低压循环桶，气液分离，氨气再进入压缩机，如此往复循环制造冷量，工艺流程，如下图。

氨制冷系统中的主要风险来源于氨泄漏，其中压缩机(排气出口)、辅助贮氨器、高压贮氨器、蒸发式冷凝器及其相连接的管路中均含有高压气体，较容易发生氨气泄漏，是防范的重点。另外，液氨中不凝介质的存在、人为操作失误等也是风险的来源。

图 氨制冷系统工艺流程图Fig. The process flow diagram of ammonia refrigeration system

3 实例应用

本文选取氨制冷系统的一个节点进行HAZOP和LOPA分析，节点的工艺流程描述为：高压贮氨器向低压循环桶补充液位，经氨出料泵送至各制冷区，循环回低压循环桶，实现液相循环，气相进入压缩机。

3.1 企业风险评估矩阵

HAZOP和LOPA分析采用的风险评估矩阵，见表1，其中很高风险和高风险不可接受，需要立即采取行动；中风险根据ALARP原则可选择性地采取行动，尽量将风险降至低风险水平；低风险可以接受，不需采取措施。风险矩阵中严重性的详细描述，见表2，一般考虑人员、财产、环境、声誉4个方面的影响。

表1 风险评估矩阵表Tab.1 Matrix table of risk assessment

表2 风险评估矩阵严重性说明表Tab.2 Severity statement of matrix

续表

3.2 HAZOP和LOPA分析结果

节选的低压循环桶液位的HAZOP分析记录，见表3，LOPA分析记录，见表4。

表3 HAZOP分析记录表(节选一个偏差)Tab.3 HAZOP records table(excerpt from a bias)

表4 LOPA分析记录表(节选一个场景)Tab.4 LOPA record table(excerpt from a scenario)

从表3可以看出，HAZOP分析出了“进料阀门故障过度进料，导致低压循环桶液位过高，压缩机吸气带液，发生液击，损坏压缩机，严重时氨气泄漏，遇火源发生火灾爆炸”的后果。对该场景进行LOPA分析，见表4，其中进料阀门故障的失效概率为0.1；人员每2小时巡检20min计算得到人员暴露频率为0.16(20/120)；当前3个独立保护层可以将风险频率降至1.6×10-5(分析过程中判定低压循环桶设有液位指示高报警联锁关闭进料阀为共因失效，不能作为IPL)，根据后果严重性为C4(1-2人死亡或丧失劳动能力；3-9人重伤)的可接受频率宜10-6～10-5，由此可知，评估结果为SILA无特殊SIL等级需求，可选择性增加建议措施。

4 措施建议

目前，食品企业氨气制冷系统的自动化控制程度仍不完善，建议在装置改扩建时按照《冷库设计规范》(GB 50072-2010)等相关标准规范进行增设，如很多企业氨气浓度高报警时还采用手动启动水喷淋系统，但该措施并不能作为独立保护层，改造时可选择增设一台应急系统控制站，实现氨气浓度高时自动联锁启动水喷淋系统(水稀释或吸收泄漏物趋于安全状态)，以消减风险频率(1×10-1)，提高风险防控能力。另外，也可通过日常的管理措施预防事故发生，如压力容器、压力管道、仪表、安全附件的定期校验等。

5 结论

氨是国家重点监控的危险化学品(安监总管三[2011]95号和安监总管三[2013]12号)，一旦发生泄漏，可能存在对人员造成腐蚀、中毒，遇高温火源发生爆炸的危害，因此，确保氨制冷过程的安全性是非常重要的。

(1)HAZOP与LOPA的融合，能够更全面和系统地分析出氨制冷系统潜在的风险，弥补HAZOP分析难以量化的不足，提高了风险评估结果的准确性。

(2)LOPA分析得到的剩余风险值，有助于确定是否需要增加安全仪表系统(Safety Instrumented System，SIS)及其要求的安全完整性等级(Safety Integrity Level，SIL)，如本文实例结果为SILA表明现有的DCS控制系统基本满足风险可接受水平，可不增设独立的SIS系统，为食品企业安全管理决策提供科学依据。