对于复杂流程工业，系统安全事故的发生、发展和爆发过程类似多米诺骨牌效应，事故是由一次非正常的事件触发，比如某个阀门误操作导致某工艺变量发生偏差^{[1, 2]}.如今对企业的安全生产要求越来越高，而对于复杂工艺系统，单独使用某种系统安全分析方法不能全面评估其潜在危险.

对此，国内外众多专家学者在采用不同的

本文通过结合危险度评价法、HAZOP分析、LOPA研究以及Bow-Tie分析的优势，提出了一种复杂工艺系统安全评价模型，并将其在辽河石化公司催化裂化装置进行现场应用，验证了该模型的适用性与可靠性，可为复杂工艺系统客观、准确、全面地进行安全评价提供一种新思路.

危险度评价通过将系统内的装置划分成若干单元，根据其中的危险物质及设备情况来设置评价的工艺参数；然后对单元内的容量、压力、温度、操作条件等内容进行客观打分，具体赋分标准见文献^[9]表1；将各项得分相加，根据其总分对各个单元的危险度进行评估.其中，总分≥16为I级高度危险；总分在11~15之间为II级中度危险；总分在1~10之间为III级低度危险.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 LOPA半定量风险矩阵 Table 1 LOPA半定量风险矩阵 后果严重度 年事故发生频率 后果等级 人员伤亡 财产损失 环境污染 10-4~10-2 10-2~10-1 10-1~1 >1.0 很不可能 不可能 可能 很有可能 Ⅰ 可忽略的 极小 极小 0 1 2 3 Ⅱ 轻微 小 小 2 3 4 5 Ⅲ 严重 大 大 3 4 5 6 Ⅳ 个体死亡 重大 重大 4 5 6 7 Ⅴ 多人死亡 巨大 巨大 5 6 7 8

表 1 LOPA半定量风险矩阵 Table 1 LOPA半定量风险矩阵

HAZOP分析通过用引导词来设想工艺参数可能出现的偏离设计意图的情况，系统地辨识装置系统中潜存的危险源，评估生产装置现有安全防护措施(如预防、检测、控制和缓解措施)的充分性，根据需要提出改善建议，并采取适当的针对性强的安全防护措施，使工艺系统更加安全可靠.

LOPA研究是在经HAZOP分析基础上进行的，通过事故的发生频率以及后果的严重程度，参照半定量风险矩阵，来综合评定事故的风险等级和采取减缓措施后的剩余风险等级；研究经采取防护层措施后，是否将系统的风险水平降至可接受水平.LOPA研究所采用的半定量风险矩阵如表1所示，矩阵由危险剧情发生的频率和不利后果的严重程度构成.

Bow-Tie分析也称领结分析或蝴蝶结模型，是一种集故障树、事件树相结合的复合型工艺安全评价技术.通过故障树分析事故的原因，并采取防止顶上事件发生的预防控制措施；通过事件树分析找出防止不期望的输出事件发生的关键事件，归纳顶上事件可能导致的事故后果，从而采取减缓控制措施消除危险源与潜在有害因素.

该模型集合了危险度评价、HAZOP分析、LOPA研究与Bow-Tie分析的优势，对复杂系统的安全评价有较好的适用性与可操作性，具体思路如下：

1) 通过危险度评价法对系统装置内各节点的危险度进行客观性的打分，根据危险度分析确定装置中的危险节点，并选择处于Ⅰ，Ⅱ级高度危险的节点进行全面详细的HAZOP分析.

2) 利用HZAOP分析识别工艺过程中的危险源，详细分析过程中偏差引起的潜在危险、产生原因及后果，进而研究应该采取的安全措施.

3) 对具有较高后果等级的事故场景进行LOPA研究，通过事故的发生频率以及后果的严重程度，参照半定量风险矩阵，综合评定事故的风险等级和采取减缓措施后的剩余风险等级，设置相应的独立防护层措施，研究经采取防护层措施后，是否将系统的风险降至可接受水平.

4) 利用Bow-Tie领结分析法对剩余风险等级仍较高的事件进行深入研究，详细识别出可以使防护层措施持续有效的关键措施.

以辽河石化公司的重油催化裂化装置中的反应-再生系统为例，对复杂工艺系统安全评价模型进行应用.反应-再生系统的工艺流程较为复杂，限于篇幅，其主要工艺简述如下：原料油经过加热汽化后进入提升管反应器进行裂化.提升管中催化剂处于稀相流化输送状态，反应产物和催化剂进入沉降器，并经汽提段用过热水蒸气提，再经旋风分离器分离后，反应产物从反应系统进入分馏系统，催化剂沉降到再生器.

为了确定装置的总体危险等级和最大危险度，需将装置划分成若干评价单元，依据其工艺、设备参数及工艺危险性等计算单元固有危险程度.评价结果见表2.

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 危险度评价结果 Table 2 Risk evaluation results 单元名称 主要操作介质名称 分值 设备容量 分值 温度 分值 压力 分值 操作类型 分值 总分 危险等级 m3 ℃ MPa 反应器 油气、催化剂 10 20 2 505 5 0.12 0 有危险 2 19 I 第一再生器 催化剂、烟气 2 气相>500 5 680 5 0.15 0 有危险 2 14 Ⅱ 分馏塔 油气、水汽 10 428 5 350 5 0.10 0 有危险 2 22 I 吸收塔 油气 10 液相≥50 2 38 0 1.00 0 有危险 2 14 Ⅱ 解吸塔 脱乙烷汽油 5 液相≥100 5 104 0 1.00 0 有危险 2 12 Ⅱ 稳定塔 汽油、液化气 10 液相≥100 5 150 0 1.00 0 有危险 2 17 I

表 2 危险度评价结果 Table 2 Risk evaluation results

根据危险度评价表可知，催化裂化装置中危险等级处于I级高度危险的为：反应器、分馏塔和稳定塔，因此，必须对这3个单元进行详细的HAZOP分析，确保及时消除隐患并重点防范.对反应器的HAZOP分析结果如表3所示.

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 反应器HAZOP研究部分结果 Table 3 Parts of results about reactor HAZOP 序号 偏差 原因 后果 现有保护措施 建议措施 节点1 反应器料位上升 1)工作人员对料位表的读数低 2)进料流量控制阀门故障 反应器料位上升，造成第二再生器料位下降，严重时导致第二再生器烟气串入反应系统引起爆炸 第二再生器有料位指示 1)增设第二再生器的低料位报警2)增加料位低联锁以及触发其他相应联锁动作 节点2 反应器的器壁温度过高 反应-再生系统衬里脱落 器壁温度过高，催化剂导致的磨损加剧，严重可导致器壁磨穿、泄漏 操作规程，夜间灭灯热点检测 建议使用红外摄像仪 略…

表 3 反应器HAZOP研究部分结果 Table 3 Parts of results about reactor HAZOP

该事故的LOPA研究过程如下：

1) 初始事件确定为“员工对料位表错误读数低，造成反应器料位上升”，其年发生频率为10^-1.

2) 由表3可知，此场景下的防护层为第二再生器有料位指示.设置独立防护层为两层，第一层：增设第二再生器低料位报警和人员响应，失效概率为0.5×10^-1.第二层：增加料位低联锁以及触发其他相应联锁动作，失效概率为0.2×10^-1.

3) 减缓后果频率等于初始事件发生的频率与防护层失效概率的乘积，该场景下为

4) 增设两独立防护层之后，该场景的后果等级仍为Ⅴ级，但事故频率降为1×10^-4，由10^-1~1降至10^-4~10^-2，查表1可知，事故剩余风险水平降至5级.

经LOPA完善后的HAZOP研究结果见表4.其中，各事件的频率与防护层失效概率根据企业的统计资料得到.

表 4

Table 4

表 4(Table 4)

表 4 补充完善的HAZOP研究结果 Table 4 Results of HAZOP after supplement 偏差 原因 后果 后果等级 频率等级 风险等级 安全措施 剩余后果等级 剩余频率等级 剩余风险等级 反应器料位过高 1)工作人员对料位表的读数低 2)进料流量故障 反应器料位上升，导致第二再生器烟气串入反应系统引起爆炸 Ⅴ 10-1~1 7 1)增设第二再生器低料位报警 2)增加料位低联锁 Ⅴ 10-4~10-2 5

表 4 补充完善的HAZOP研究结果 Table 4 Results of HAZOP after supplement

通过HAZOP与LOPA集成风险分析后，可知“反应器料位上升而导致爆炸”的剩余风险等级由7级下降到5级，但其剩余风险水平仍然较高，因此，对该事件Bow-Tie分析，找出提高防护层措施可靠度的关键活动，进而避免反应器因料位上升而发生爆炸事故，领结图分析结果如图1所示.

分析图1可知，为了最大限度降低“反应器料位过高引起爆炸”的概率，确保采取的独立防护层措施持续有效，需要采取9条防止预防控制措施和8条降低事故后果的减缓控制措施，通过Bow-Tie分析，可进一步降低因反应器料位过高引起爆炸事故的风险.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 反应器料位过高事件领结图风险分析结果 Fig. 1 Bow-Tie analysis results of over-high material level in the reactor

1) 对于复杂工艺系统，单独使用某种系统安全分析方法不能全面评估潜在危险，提出了复杂工艺系统安全评价模型.

2) 该模型集成了4种系统安全分析方法的优点，应用危险度评价法确定系统中危险度等级较高的单元，并对其进行HAZOP分析；然后利用LOPA对后果严重的事故场景进行研究；最后利用Bow-Tie分析详细识别出使防止防护层措施失效的关键措施，从根本上避免有重大伤亡或财产损失的工艺安全事故的发生.

3) 以辽河石化公司的催化裂化装置为例，对该安全评价模型进行现场应用，验证了其可操作性与准确性，为复杂工艺系统的安全评价提供了一种新模式和新思路.