HAZOP分析在精细化工中的应用

摘 要：精细化工过程风险高度集中，事故防控需依赖高精度的分析方法。本文以HAZOP为核心，融合LOPA建立风险量化与控制路径评估机制，重构风险矩阵结构与建议项生成逻辑，提出冗余压缩与措施优化模型。在典型氮封系统项目中完成工程部署与反馈监测，结果表明方案具备良好适应性与安全提升效果，为同类系统本质安全设计提供参考路径。

关键词：精细化工；HAZOP分析；LOPA方法；风险矩阵；安全控制策略

1 引言

精细化工生产过程具有规模小、反应种类多、物料复杂等特点，潜在风险高度集中。传统安全管理手段在面对动态工况和多变操作环境时难以精准识别隐患。HAZOP分析作为一种系统化的风险识别方法，在流程工业中逐渐成为核心工具。国家监管标准不断强化，企业对本质安全设计的要求持续提升，推动HAZOP方法向定量化、工程化方向演进。研究需围绕精细化工场景，构建适配性强、操作性高的HAZOP分析路径，提升事故预防能力与风险控制效率。

2 HAZOP分析体系的工程化路径构建

2.1 LOPA分析引入风险等级量化

传统HAZOP分析多以经验性判断为基础，风险等级评估结果缺乏统一度量标准，主观因素影响较大，难以满足精细化工中对高风险节点的定量预控需求。在此背景下，将LOPA（保护层分析）方法引入HAZOP流程，构建风险等级的量化体系成为关键环节。LOPA方法基于已识别的偏差及其后果，结合独立保护层的数量和完整性，采用风险图或风险容忍标准对事件发生频率进行定量估算[1]。量化机制建立在初始事件频率与保护层独立性、可靠性参数之间的乘积模型上，可简化为：

其中 为残余风险， 为初始事件频率， 为第 个保护层的失效概率，通过设定容许风险阈值，将残余风险分为可接受、需加强、不可接受三类，直接对应保护措施的强度需求。该模型解决了传统HAZOP中风险矩阵评分模糊、建议项依据不清的问题，为后续控制措施配置提供精确数据基础。

2.2 风险矩阵重构与适应性改造

精细化工装置的事故后果多涉及爆炸、中毒或连锁反应，但因其规模较小，实际后果严重程度与石油化工装置存在显著差异。石化系统HAZOP流程中所使用的7×7风险矩阵在大部分精细化工企业中适用性偏低，特别是风险后果等级的定义与实际工况不符，容易造成保护层设计冗余或过分高估风险。针对这一问题，需结合企业过往事故数据、物料危害等级和反应热释放特征，对风险矩阵进行结构性重构。

具体措施包括压缩后果维度数量，例如取消几乎不可能的极端后果情况“特大”和“灾难性”，提高后果可接受程度从“D”变为“中”，以提高矩阵填充率与可识别区域的分辨度。同时将评分区间与SIL定级初筛标准挂钩，确保矩阵结果与LOPA定量评估结果具有可转换性[2]。为提升企业内部适应性，在重构后的矩阵系统中嵌入权重动态调整模块，允许在不同项目之间灵活调整损失权重参数，使风险等级评估结果更加贴合实际工况，并具备多装置、多项目间通用性。

2.3 节点评估与建议项边界优化

HAZOP分析中节点划分的合理性直接决定分析质量与后续建议项的有效性，实际流程中节点划分往往依赖主观经验或图纸标段划界，未充分考虑物料变化点、能量集中区及联锁控制逻辑。节点评估需依据功能逻辑与事故传播可能性进行再构重组，优先划分反应区域、物料切换点、压力突变段等区域，确保每一节点具备独立分析价值。建议项边界需结合三项原则：一是防护层冗余度不超过两级，避免安全层级重复覆盖；二是每一建议需具备明确的触发事件、动作响应及失效后果描述，确保执行路径可审计；三是每项建议设立风险贡献阈值，仅保留对残余风险降低有显著作用的措施。通过对建议项的边界定义与执行门槛设定，可有效控制建议数量、提升技术质量与经济性平衡，实现HAZOP分析输出结果的精炼化、可执行化与过程闭环化。

3 控制措施配置与性价比评估模型设计

3.1 风险结果驱动的保护层需求

LOPA方法为风险评估结果提供了定量支撑，残余风险值的明确计算结果构成防护需求的起点。在量化基础上，风险值与目标容忍标准的偏差决定了必要保护层的层数与类型，风险超过可接受范围的场景需引入一至多层独立保护单元。保护层选择不再依赖经验判断，而以控制效能与失效概率为主要评价依据[3]。当残余风险R值超过行业设定的1.0E-04阈值，即需增配完整的仪表联锁或机械防护体系，若风险值在1.0E-05至1.0E-04之间，则可以人工确认和操作性流程作为冗余缓冲，部分风险可通过流程优化进行转换处理。

每个保护层的引入均需具备独立性、可测试性、动作及时性，确保在控制逻辑和系统架构中形成闭环响应。风险量化模型不仅明确措施布置的起点，也限定其边界范围，避免出现防护层配置过度或保护能力不足的情况。最终构成的控制结构需具备风险分层消解能力，且在逻辑上不存在跨级保护依赖，保障每一控制环节作用路径清晰，响应次序明确。

3.2 控制手段冗余压缩与资源平衡

保护层一旦超出系统实际承载范围，会造成资源浪费与系统复杂性升高，进而削弱维护能力与运行稳定性。控制手段冗余压缩策略的核心在于识别功能交叉的控制路径并进行结构合并或逻辑互换，以控制功能总量不变的前提下简化硬件部署与控制回路。典型场景如阀门双联动设计与PLC控制冗余架构，在保障同等SIL等级情况下将两组功能集成于一套逻辑系统中，借助逻辑互锁实现降级运行能力，压缩重复布置的接口与设备数量。

资源配置的平衡性体现在三方面：功能需求与设备投资的对等性、控制响应能力与操作复杂度的可控性、系统稳定性与维护周期的协同性。在压缩设计中须引入响应时间容忍区间和动作概率评估参数，以决定哪些功能可合并、哪些必须保留原状态运行[4]。过程控制模块、联锁保护模块与人工确认路径之间需建立联动模型，明确每一路控制逻辑对最终风险的贡献度与隔离能力，系统评估结果用于形成保护路径的最小配置集合。该策略避免冗余积累，提高了防护结构运行效率与工程部署的经济合理性。

3.3 性价比优化指标与决策逻辑

防护措施部署需兼顾安全提升效果与经济资源消耗，形成以性价比为核心的评估模型是保障控制系统配置合理性的关键。性价比评价指标体系构建在三个维度：第一是风险削减效率系数，指单位成本下风险值下降幅度的比例；第二是运行可维护性等级，衡量措施实施后系统对异常波动的适应性与维护频次变化；第三是保护层叠加容错性，评估冗余措施之间是否存在相互干扰或失效联动。基于这三类指标构建量化评价矩阵，并以目标残余风险为约束条件，选取性价比最优的措施组合。

决策逻辑采用分层回溯法，从目标风险水平反推所需防护强度，根据各保护手段的作用域与经济边界，设定优先级排序。在排序基础上进行约束优化，确保最低成本实现风险控制达标。该逻辑框架中优先考虑低成本高效率的流程控制类措施，其次为人工操作确认机制，最后才是高投入的自动联锁系统与设备硬隔离结构[5]。最终形成技术性与经济性双重可接受的控制策略，确保精细化工系统在复杂工况下仍具备清晰的防护层级响应机制与最小干预经济配置模型。

4 中国空分工程氮封系统优化实践

4.1 项目背景与工艺风险概况

本次应用实例来自于中国空分工程有限公司承担设计，位于湖州某工业区，厂内产品中间体合成装置项目。笔者在作为分析主席主持分析会议时候发现，由于业主对工艺包未提供足够详细的资料，导致设计人员对设备使用氮气的用途模糊，从而对该套装置所有的高位槽、缓冲罐、反应釜均同时设置了氮气置换系统和氮封系统。这样的设置会造成所有的氮气系统相关设备均需设置安全阀、自力式调节阀、氮气控制阀等安全措施，并使所有相关设备均成为压力容器，同时增加了现场工人的操作难度。分析过程中，笔者与业主方技术人员、设计人员进行了大量讨论，明确了每一个设备的用途及其所需的氮气系统，取消了大量不必要的阀门、泄压装置，仅保留少数反应釜为压力容器，为业主方节省了大量施工、运营成本。

4.2 系统节点重构与偏差识别分析

针对氮气系统存在的冗余设置与控制缺陷，分析团队在现场运行基础上重新梳理系统逻辑，将整套装置划分为“氮源供给”“氮气置换”“氮封系统”三个功能区段，分别识别关键偏差与潜在故障点。在初步运行中暴露出的“全段双系统叠加”问题引发控制路径重复、阀门控制混乱与维护成本大幅提升。结合HAZOP分析流程与工艺图纸，团队共设定5类主要偏差工况，通过功能逻辑对节点重新组合，特别聚焦“流量过大”、“压力过大”、“液位过高”、“温度过高”、“失去公用工程”等高风险情境。传统7×7风险矩阵存在等级偏移与后果定义不适配等问题，项目采用企业内部5×7矩阵替代，并嵌入自定义损失权重调整模块，使评估更贴近精细化工场景。各类偏差按后果与概率分布分别标注至矩阵，发现多项事件落于黄色警戒区域，其中如“阀门故障”则需增设逻辑切换联锁、“压力过高”需实施独立报警与联锁切断。

4.3 控制策略部署与运行效果评估

根据HAZOP与LOPA分析结果，项目对原氮封系统进行了系统性优化部署。高压供气端采用主-辅并联控制方案，结合减压阀与止回装置构成冗余保护；在中压分配区段，设置反应釜压力检测器、安全阀构建自动报警、联锁、被动保护逐级响应保护层链，当检测值超过设定阈值时，系统自动切断主供气，或被动起跳安全阀泄压保护设备、人员安全；氮封系统保留了高位槽、缓冲罐上的泄氮阀，同时增加压力检测器与尾气旁路联锁并取消低压设备不必要的安全阀和氮气置换管道，对设备使用场景进行了精准定位和复现，剪除不必要的过度设计。各项措施部署后，操作逻辑清晰度提升，人员负担明显下降，综合运行维护成本降低超50%。调整方案验证了量化分析指导下分层控制、路径融合与措施压缩的协同成效，为复杂场景下氮气系统的风险控制与设计精简提供了清晰实践样板。

5 结论

本研究围绕精细化工装置中高风险流程的本质安全需求，构建了融合LOPA方法的HAZOP分析优化路径，提出了适配性强的风险矩阵结构与节点评估机制。基于量化结果构建防护层配置逻辑，实现了控制措施性价比的系统评估与冗余压缩。在中国空分工程有限公司项目中实施后，系统稳定性与响应能力显著提升，验证了分析模型的适用性与工程转化价值，体现了方法对复杂工艺场景的风险识别、控制配置与经济性平衡能力。

参考文献

[1]颜陈光. HAZOP分析和风险矩阵在丁二烯罐区设计的分析应用 [J]. 安全、健康和环境， 2024， 24 （03）： 16-20.

[2]焦立霞，王国超. HAZOP分析法在精细化工反应风险预测中的应用研究 [J]. 山西化工， 2023， 43 （09）： 181-182+194.

[3]刘厚周，胡鑫，马颖. HAZOP在设计阶段应用中的改进 [J]. 现代职业安全， 2023， （09）： 99-103.

[4]陶富云. 量化HAZOP分析技术在LNG储罐泄漏工况中的应用 [J]. 化工安全与环境， 2023， 36 （05）： 6-11.