基于SDGHAZOP方法的煤气化关键设备安全评价

1、基于SDGHAZOP方法的煤气化关键设备安全评价张贝克，许 欣，马 昕，吴重光(北京化工大学 信息科学与技术学院，北京100029)摘 要：在概述了符号有向图SDG (signed directed graph)方法的基础上，以某厂煤气化关键设备气化炉为例，通过了解工艺流程，选取合适的关键变量，列写影响关系方程，加入非正常原因与不利后果，建立SDGHAZOP模型。在与现场技术人员认真校对精炼该模型后，对该模型进行了计算机辅助危险与可操作性分析，得到的推理结果能很好地反映该气化炉可能存在的危险，并能揭示危险传播的路径。关键词：符号有向图(SDG)；煤气化；安全评价 中图分类号：TQ545 文献标

2、识码：A目前，危险与可操作性(HAZOP)研究(hazard and operability study)是众多人工安全评估分析方法中应用最广泛、最系统的一套评价方法。HAZOP的目的是确定工程设计中存在的危害及操作问题。通过熟悉工艺过程，包括各种设计条件和意图，系统地检查工艺过程以找出对原设计条件可能发生的种种偏差，确定哪些偏差可能导致危害或引起操作问题1-2。符号有向图SDG是描述大规模复杂系统的一种有效方式，通过节点和有向支路表示了系统变量或局部之间的因果影响关系3。基于SDG的HAZOP方法是从系统的机制人手，以分析复杂系统内部变量之间的关系以及这种关系在危险发生时的传递作用为基础进行

3、，特别适用于大型复杂过程工业的安全评价4-7。近年来，国内外化工企业为防止重大危险事故的发生，普遍建立了多种系统安全分析和评价方法，以科学的方法分析潜在的危险性本文采用SDGHAZOP安全评价方法，对某厂煤气化装置气化炉进行了安全性分析，对设计进行了审查，辨识出了气化炉装置在生产运行过程中潜在的危险，找出了装置在工艺设计、设备运行、操作以及安全措施等方面存在的不足。1 基于SDG模型的HAZOP分析方法目前的人工HAZOP方法主要以先导词法为主。从方法本身可以看出，HAZOP是通过对关键变量的偏差来寻找该偏差导致的所有不利后果以及所有导致该偏差的非正常原因这是整个HAZOP方法最为关键的步骤。

4、它与SDG方法有着天然的联系，在人工HAZOP方法的基础上，利用SDG模型及基于图论的推理方法，进行计算机自动HAZOP分析。具体步骤如下：1.1 熟悉流程，划分单元这项工作主要依据现场P&ID图进行。按照流程功能，将系统划分为相对比较独立的几个子系统，进而分析该子系统所包含的设备单元尽管工业过程千差万别，但其组成大都是常见的一些设备，比如：泵、热交换器、储罐、压缩机等。1.2 选取关键变量建模时容易犯的一个错误是没有选择地将所有的信息都用SDG表达。这样会造成许多与安全评价无关的信息引入到SDG模型中来用这样的SDG模型进行HAZOP分析会产生大量的无效结果，使真正需要的评价结果淹没

5、在垃圾信息中。因此，要在每个单元设备的温度、压力、流量、组分、液位等常见过程变量中，仔细分析哪些是该设备安全问题的关键变量，然后对所选择的变量进行建模。例如，对一普通的单组分计量槽来说，液位是关键，那么它的温度、压力等其它变量就全部忽略。1.3 列写影响方程影响方程是描述周边变量对某一变量的影响关系。将该变量写在方程左边，以一个箭头表示右边的变量会对它产生影响罗列会影响它的变量，将它们写在方程的右边，并注明影响关系，即FR01 + HV11 + V10 + C3 + V09 + K01 + V01一HV03，“+”代表正作用，“一”代表负作用。上式表示HV11，V10，C3，V09，K01，V

6、01，HV03对FR一01有影响。以HV11为例，表示HV11与FR一01的关系是正作用，即HV11增大会导致FR一01增大。通过列写影响方程，可以将每一个过程变量(包括关键变量与传输变量)的影响因素罗列清楚，在影响方程右边的变量都将以SDG节点的形式在模型中画出。1.4 加入原因后果节点由于设备单元模型是以温度、压力、流量、物位和组分5种变量之间的相互作用关系建立的，所以非正常原因也应根据导致这5种变量发生偏差的原因来确定化工过程的不利后果从以下几个方面考虑：工艺方面(温度、压力、流量报警、产品质量等)；设备方面(破裂、变形等)；人为误操作；泄漏；火灾；爆炸等。1.5 简化修改模型最后，对所

7、建立的SDG模型进行简化修改。在这一步，要按照“只与安全相关” 的原则，将关系不大的节点、支路去除。另外，可以将一些非核心流程精简，以达到减少节点和相容通路的目的。2 SDGHAZOP方法在煤化工装置安全评价中的应用2.1 工艺描述某厂煤气化工序将原料煤通过部分氧化的方法转化为合成气，由2个日投煤量2000 t的气化系列组成，有效气体(CO+H2)总产量为284万m3h该工序采用壳牌公司的SCGP加压粉煤气化技术8，如图1所示。从煤粉给料仓出来的煤粉与输送煤粉用的高压氮气，一起进入气化炉煤烧嘴。来自空分装置的氧气经氧气预热器加热到180 后，与少量中压过热蒸汽混合进入煤烧嘴。经4个工艺烧嘴喷入

8、的煤粉与氧气发生部分氧化反应。气化炉顶部约1500的高温煤气，经循环气压缩机送来的冷煤气激冷至800左右，再经输气管进入合成气冷却器经合成气冷却器回收热量后的煤气温度降至340，送入下游除灰工序煤烧嘴用的调和水经调和水泵升压，再经调和水加热器调温，送至煤烧嘴环隙，经煤烧嘴的调和水返回水泵进口。调和水不足时用加在调和水缓冲罐的锅炉给水补充。气化炉、合成气冷却器、输气管、激冷器的水冷壁和中压蒸发器内的中压循环水由中压循环泵供给，被加热后的中压汽水混合物进中压蒸汽汽包分离从而产生中压饱和蒸汽和中压过热蒸汽(5.5 MPa)。2.2 关键变量选取在SDGHAZOP中，并不是对所有过程变量节点都进行描述

9、，这样只会大大增加无用信息，一般只关心与安全相关的变量过程变量节点又可以分为关键变量节点与传播变量节点。其中关键变量的选取尤为重要，它们是构成整个SDG定性模型的骨干节点，它们一旦出现问题，将要么直接导致灾难，要么对下游工艺造成较大危害。经过对整个工艺过程的把握，特选取以下变量作为整个气化工序的关键变量：水蒸气、氧气、煤粉进料流量(Fw，Fo，Fc)；气化炉反应温度、压力(Tg，Pg)；气化炉合成气流量(Fch)；气化炉出口合成气的温度(Tch )；合成气(CO+H2 )生成量( Mch)；压缩机出口激冷气流量、温度(Fi，Tj)；中压汽包压力、液位(Pq，Lq)；循环冷却水温度(Tw)。2.

10、3 影响方程Tg+Fo一Fw一Fc，Pg +Tg，Fch +Fo+Fw +Fc，Tch+TgFj+Tj+Tw，Mch Fo+FwFc，2.4 非正常原因与不利后果在查阅了相关资料并参考了现场操作人员的经验之后9-15，将非正常原因与不利后果加入到了SDGHAZOP模型中。限于篇幅，这里仅列举本模型中相对重要的内容，见表1。2.5 SDGHAZOP模型图2是以气化炉节点为中心相关的SDG模型。3 结 语修改后的煤气化SDGHAZOP模型经由推理引擎进行推理后(图3)，得到最终评价结果。在同工厂操作人员核对后，本模型能够完全反映该厂煤气化流程所有可能存在的危险因素及其所能导致的不利后果，并由此反向推理可得到导致这些危险发生的非正常原因。此外，能显示危险传播路径的特性使得它对于传播距离比较长的危险能够准确而迅速的识别出来，如图4