HAZOP分析技术改进与推广研究_赵东风

科技博览职安健广角 OSH Overview编者按：危险与可操作性研究(HAZOP)是以系统工程为基础的一种对常用化工装置定性风险识别方法。它的基本过程是以关键词为引导，对过程中工艺状态的变化(偏差)加以确定，找出装置及过程中存在的危害。 HAZOP分析法应用在初步设计阶段，以检查初步设计存在的问题。目前国外石油化工公司(BP公司、菲利普、壳牌公司等)都大力推广 HAZOP法，我国使用推广还十分有限。以下为读者详细介绍 HAZOP分析技术的应用特点、现状以及所做改进与推广。

HAZOP分析技术改进与推广研究□中国石油大学(华东)危险与可操作性研究 (HAZOP)作为一种高度专业化的定性评价技术，目前欧洲和美国已经将其广泛地应用于各类工艺过程和项目的风险评估工作中，该方法能全面系统地对石油、化工装置进行基于偏差的风险分析，具有其他方法不可替代的优势。然而，HAZOP分析方法在我国使用推广十分有限，主要原因有： HAZOP对经验的过度依靠、需要准备充分的资料和计划、分析过程的不断重复、开展 HAZOP分析时间不统一、东西方文化的壁垒。同时，我国石油、化工行业风险分析能力和水平仍处于发展阶段，大量企业隐患未进行有效识别和评价。 2006年 8月，中国石油与天然气股份有限公司向中国石油大学 (华东 )下达了“HAZOP改进及推广研究”的开发研究合同，中国石油大学与吉林石化公司合作，组织国内相关安全、化工、设备、风险分析方面的专家和图 1项目研究总体技术路线图

赵东风

王文东

付建民

周乐平/文

技术力量，经过大量调研、分析、设计和研究，于 2008年 1月完成了相关

研究，并经过多次大规模的应用和验证。项目研究总体技术方案如图 1所示。

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科技博览 OSH Overview过大量的调查研究并与国内外相关规范标准分析对比，考虑了我国石油与化工行业现有风险技术资料构成，人了适应我国现状的危险与可操作性研究 (HAZOP研究 )应用导则。导则是一个完整的 HAZOP分析技术体系文展危险与可操作性研究工作，并具有 Framework为程序开发运行平台。本软件的设计和开发采用面向对象的思想方法。其中在包括数据库设计，软件架构设计和程序代码设计过程中的全面的面向对象方法。界面操作层封装为控件 (约 10个 ),功能层封装为组件 (约 5个 ),并对微软标准控件运用继承重写的方式进行扩展和完善 (约 5个 )。增加了用户体验度和功能要求，提高了重用性和软件功能的可扩展性。

方便管理维护，在实际功能修改过程中，节省了编程实现方面的成本。 HAZOP辅助分析软件系统结构如图 2所示。软件的特点主要包括以下几点：

HAZOP技术改进研究根据研究所分析的 HAZOP分析技术在我国应用主要面临对经验的过分析过程的不断重复、分析开展时间不统一、东西方文化差异等问题，项目组提出了一种可以帮助 HAZOP研这一偏差库分为两部分，分别为“基

度依靠、需要准备充分的资料和计划、员组织结构，知识现状等因素，编制

究进行分析的 HAZOP分析偏差库。件，能够指导风险评价机构及人员开于化工设备的 HAZOP分析偏差库”较高的普遍性，适用于 HAZOP分析及“导致偏差的其他危险因素库”的全过程。导则的出现会在很大程度，可以得到能够帮助分析小组的偏差提示，可在很大程度上解决 HAZOP分析人员经验不足的问题。基于化工设备的偏差库是根据一般偏差都是由于设备部件的损坏失效或者是由于操作人员对设备的不正确操作等原因造成的这一理论提出的。项目组将常用的设备分为管线、泵、仪表、阀门及其他等几个类别，其中泵和阀门又被分做泵总。阀总，用来将泵和阀门所包含设备的共同条件提出来。基于化工设备的偏差库是对以上各类别及具体的设备可能导致的偏差类型的一系列分析总和。如对于管线类的工艺管线的偏差库就是列出其可能造成的偏差，管线压差大可能造成流量过大。设备库中包含了各类设备 45种，相关偏差 3 000余项。借助事先编制好的庞大偏差数据库，对分析过程作以提示，并配合计算机辅助软件解决分析人员经验不足的问题；为了提高资料收集的效率，可以考虑对人员进行专业化的分工；重复的工作会通过偏差库得以简化；并针对项目的各个生命周期的 HAZOP分析提出建议。通过研究，开发出了适应我国的危险与可操作性研究分析导则，并对其主要结构内容做了介绍，对导则在实施过程中的技术要点做了解释说明。为了使 HAZOP分析技术在我国得到更好地推广和应用，研究小组通图2

上推动 HAZOP技术在石油化工过程风险分析中的应用和发展，进而提高风险分析水平。

HAZOP辅助分析软件结构图

HAZOP辅助分析系统开发项目组通过调查研究，组织开发了 HAZOP辅助分析系统，该系统采用 C++语言编写，经过多次修改完善，已经能够实现辅助分析的所有功能要求。该系统采用基于历史数据的经验方法 (又称为浅层知识的“专家系统”,基于 HAZOP偏差专家库 )为用户提供一个实现 HAZOP分析的平台。软件采用微软公司最新、最成

熟技术框架构架软件 Visual Studio集成开发环境进行开发，以 MicroSoft .Net

向导化的会议分析过程。软件能给用户提供多途径的 HAZOP辅助分析功能，可通过逐次按“下一步”进行整个会议过程。向导流程：开始→定义项目 (含项目基本信息、参与人员、图纸 )→定义会议 (含会议、与会人员、会议涉及图纸 )→定义节点→节点分析→报告输出→结束。配以庞大的偏差库支持系统，使 HAZOP分析过程更加轻松，分析更加全面彻底，极大地提高了分析效率。多途径 HAZOP偏差、原因、结

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科技博览职安健广角 OSH Overview果分析通道。偏差提示多途径：通过主分析栏左侧的偏差列表可以选择单一偏差或者全部偏差，如果选择单一偏差系统就只会提示出被选偏差相关的原因供用户选择，如果选择全部偏差系统就会提示出和本参数相关的所有偏差的原因。偏差剔除多途径。用户可以在偏差提示窗口通过选择在被选择列前打勾的方式剔除掉不符合实际的偏差原因，也可以在主分析栏内剔除 (过滤 )掉不符合实际的偏差原因。偏差编辑多途径。本系统为用户提供了多种对 HAZOP偏差原因结果编辑的途径。用户可以通过在主分析栏的每一个列项进行删除、修改、添加；也可以通过双击列项在弹出的窗口内完成编辑。关于偏差发生可能性及后果严重度等级也可以通过以上两个途径修改确定。部偏差”来调出事先设计好的专家偏差数据库。础上，项目组首先提出基于 HAZOP过程模拟的量化解决技术方案，研究流程如图 3所示。项目组探索对 HAZOP分析过程中的偏差进行量化的方法，即通过将 HAZOP分析与化工过程模拟相结合，使用流程模拟软件，建立分析装置的化工过程模拟的偏差，模拟操作条件出现不同程度的偏差时对系统的影响，从而实现对 HAZOP分析偏差的量化。项目组利用化工过程模拟技术，

HAZOP定量化技术研究HAZOP分析技术与其他常见的风险分析技术相比最大优势或区别就在于，分析过程由来自于不同专业的维修、操作等专业人员共同完成，通过对所划分节点进行分析，得到所有可能偏差的原因、后果，提出针对性的措施或建议。实际分析中，人员往往更关注的是依据 HAZOP分析原则，在引导词的确认下所得到的偏差，特别是那些可能导致事故后果的偏差。HAZOP定量分析技术实际上要解决的就是对 HAZOP分析偏差带来的风险进行概率定量化。通过研究认为，目前我国进行 HAZOP分析定量化在技术上主要有两方面困难：缺乏统一的事故、设备数据库，HAZOP

分析偏差定量缺乏依据，国外事故数据应用于我国石油、化工装置事故与故障分析误差较大；同样偏差产生原理、装置维护、人员素质等因素影响，差别较大。项目组研究了 2种不同的 HAZOP分析技术定量化解决方案：基于石油、图3

专家，如工艺、设计、设备、仪表、流程，根据 HAZOP分析过程使用

基于我国企业流程图格式的分析文件需求由于企业单位工艺流程图多用计算机辅助设计(CAD)格式，本软件也相应提供 CAD文件解析模块，实现与企业应用无缝连接。增加 HAZOP文本处理的 CAD,另一方面形成了 HAZOP-CAD模板，此两方面都是从形式上辅助人工进行提高 HAZOP分析的质量。

HAZOP分析。减轻人工的工作量，后果的概率水平因受工艺

强大的帮助系统和用户知识库本软件有强大的帮助和相关技术词汇的解释。为用户提供了关于 HAZOP分析技术的基础知识和软件可以方便用户使用过程中进行查阅和参考。基于前期完成的偏差数据库的信息和资料，本软件创造性地开发出了能够帮助指导危险与可操作性分析人员完成分析。可以选择某一具体偏差通过右键中的选择“单一偏差”“全或

基于临界过程模拟的 HAZOP量化流程

的系统特点及部分功能的使用方法。化工过程的 HAZOP分析量化研究和基于 HAZOP分析过程与专家 HAZOP定量化方法，本文推荐后一种作为改进 HAZOP分析技术推广与应用所使用的定量化方法。以工艺过程的机理模型为基础，采用数学方法来描述化工过程，通过应用计算机辅助计算手段，进行过程物料衡算、热量衡算、设备尺寸估算和能量分析，在计算机上“再现”实际的生产过程。由于这一“再现”过程并不涉及到实际装置的任何管

基于石油、化工过程的 HAZOP分析量化研究在 HAZOP定性分析流程的基

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科技博览 OSH Overview量化；根据事故发生的概率和后果严重程度，对 HAZOP分析的结果进行量化研究。研究对比 HAZOP过程模拟定量分析与传统的 HAZOP分析结果，发现 HAZOP过程模拟量化分析具有以下优点：分析结果准确性高。HAZOP定性分析单纯利用专家的工作经验进行风险分析，对于日常操作中常见的偏差，分析结果是可靠的，对专家的经验就发挥不了太大的作用，分析结果往往是不准确的。HAZOP过程模拟定量分析在结合专家经验的基础上，利用强大的流程模拟软件得到的数据来分析偏差

对系统的影响程度，使得 HAZOP分析结果的准确性显著提高。建议措施针对性强。HAZOP给出，形式如同检查表或是故障类 HAZOP报告中给出的偏差可能多达上百个甚至上千个，使人们往往不能抓住评价系统中的主要危险因素，使得评价结果往往不具有现场指导意义。HAZOP过程模拟定量分析能够对事故风险进行量化分析，使得人们得到系统存在的主要危险因素和薄弱环节，有利于人们有针对性地提出防护措施，降低了日常安全管理工作的盲目性。实现对偏差的量化分析。传统 HAZOP分析过程中常见的引导词就的缺陷。HAZOP过程模拟定量分析通过模拟不同程度的偏差对系统的影响，可以得到工艺参数的安全操作阈值，同时对分析的偏差进行量化分级，这不仅降低了 HAZOP分析过程中的模糊性，也大大提高了该方法的现场指导意义。项目研究认为，虽然 HAZOP过程模拟定量分析的结果具有上文所提到的几点优点，但是该方法还存在很多不足的地方，主要体现在以下费时费力。该方法虽然基于比较直观的过程模拟模型，但仍需要建立分析对象的过程模型，并模拟不同程度的偏差对系统的影响，在此基础上进行 HAZOP分析，工作量比较大，是一项费时费力的工作，对于 HAZOP的推广及应用并无显著作用。普适性差，无法有效推广。该方法只是借用 HAZOP的概念对具体设备的个别偏差进行工艺参数临界模需要详细的操作数据和设备数据才能建立准确的过程模型，由于建模困难，不能全面解决装置的偏差定量问题，很难发挥基于各行业专家头脑风暴的 HAZOP优势。方法有待改善。该方法对于很多模型下不能模拟进料压力对塔内部压力的影响、偏差对设备造成的影响、逆向流对系统的影响。因此，还需要对该方法做进一步的改进和完善，才会使得其更具有推广价值。

线、设备以及能源的变动，因而给了模拟人员最大的自由度，可以在计算机上进行不同方案和工艺条件的探讨、分析。 HAZOP分析与过程模拟之间的桥梁是工艺流程 P&ID图(工艺管道和仪表流程图)。传统 HAZOP分析是将工艺流程 P&ID图划分为节点，在每个节点内分析偏差产生的原因及可能造成的后果。化工过程模拟是通过工艺流程的相关信息建立系统模型，进而在此基础上进行深入的模拟研究。因此，HAZOP与过程模拟可以通过工艺流程图相结合，通过建立系统的过程模型，将工艺过程的静态“P&ID”图转化为化工模拟中动态的“P&ID图”,分析温度、压力、流量等对该

工艺流程的影响程度。可以换句话说，传统的 HAZOP分析是在静态的 P&ID图纸上进行的，HAZOP图上进行的。 HAZOP分析的最终结果是得到偏差产生的原因及可能导致的事故后果，故障树分析是从发生的事故出发，作为顶事件，逐级分析导致事故发生的原因。因此，研究将 HAZOP分析报告中偏差导致的事故作为事故树中的顶事件，将导致偏差产生的原因转换为基本事件，由此就可以将 HAZOP分析报告转换成故障树的形式。先是 HAZOP分析报告中偏差产生的原因及可能导致的事故进行归类总结，然后转换成故障树模型；再利用故障树分析的原理，得到导致顶事件发生的最小割集，从而得到分然后考虑系统现有的安全保护措施对事故的消减程度，最后确定事故发生的频率；再根据事故类型，结合装财产总值等，对事故造成的后果进行

于日常操作中不经常出现的偏差，几个方面：

过程模拟分析是在动态的“P&ID”定性分析结果是以事故报表的形式

型分析。对于相对复杂的装置来说，拟，对于工艺流程比较复杂的装置，

可以直观地了解系统危险性的大小，情况不能进行模拟量化，比如在静态

基于 HAZOP分析过程与专家本项目研究目的主要是在我国石油、化工过程行业中，科学有效地大量的 HAZOP分析应用工作，调研发现，生产单位更关注的是对识别的大量企业隐患进行风险排序，找出原

是多 (more)、少 (less)、无 (none), HAZOP定量化方法在实际操作过程中，不同程度的偏例如反应器的温度超过设计值 5%与而论的，这正是 HAZOP定性分析

析顶事件 (事故 )发生的固有概率；对偏差的定义具有很大的模糊性。

离对系统造成的影响是相差很大的。改进和推广 HAZOP分析技术。通过

置周围的环境情况，包括人员密度、 20%,对系统造成的影响是不能一概

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科技博览职安健广角 OSH Overview因并进行安全控制。对于 HAZOP分析量化，更关注的是对如何快速准确量分析，从而在发挥 HAZOP风险分析技术巨大优势的同时，解决了定的水平大幅提高，可提出更有针对性和有效的安全改进措施等。同时，改进后 HAZOP方法在改进 HAZOP分析工作强度大、程序复杂、分析人员素质与经验要求高等方面效果显著，车间现场应用反响好，适合我国现有 HAZOP分析技术基础上，也能获得高质量的风险分析结果。项目研究提出的结合 HAZOP分析过程的风险量化方法，已经在企业的安全措施整改决策、

风险控制计划等方面发挥了重大作用，为企业科学地进行安全投入，有效控制事故提供了重要支持。本项目研究成果在石油、化工行业生产装置的风险分析中均可以有效应用，具有良好的实用性和拓展性，可为过程生产企业的全面系统风险识

识别风险水平，方法相对简单易行，量问题。将 HAZOP定量分析方法不大幅增加风险分析工作量。为此，采用 MATLAB语言进行编程，并嵌 HAZOP分析小组专家的判断和估计就成了偏差发生概率即 HAZOP定量化工装置基于 HAZOP分析原则会产生大量的偏差，而且偏差的发生即有模糊性又有随机性，即便是专家也不可能精确估算事件的概率。专家只能给出一些诸如“小”“大”等语言来描述偏差发生的概率。由于这些语言具有一定的模糊性，不可能直接作为概率值使用，因此，项目组在专家判断法中引入了模糊评判的思想，用模糊概率来表征专家意见，从而确定偏差发生的概率，达到 HAZOP定量化分析的目的。为把影响参与 HAZOP分析专家估计能力的因素建立一个层次模型，由参与 HAZOP分析的专家的特点，建立相应评估矩阵，综合运用模糊数学方法考虑专家各方面的特点，对专家的估计进行加权。设模型第一层即总目标为“最佳估计值”(A),第二层为 HAZOP分析过程中影响专家能力的指标，可划分为： HAZOP分析经验 (B1)、风险识别知识 (B2)、熟悉工艺/操作程度 (B3)、HAZOP分析公正性 (B4)。 HAZOP风险分析技术的发展，和在第三层为参与 HAZOP分析的 N个不同专业专家 (C1、C2、…、CN)。所得的分析专家能力评估层次分析模型图 4所示。通过分析研究，对 HAZOP分析过程中的偏差采用结合专家风险描述方法确认其发生可能性，通过大量实际应用分析，改进算法和验证表明：本方法依托 HAZOP分析小组专家，与 HAZOP分析精神完全一致，可对所有分析过程中石油、化工装置的工艺、操作、维护等所有潜在危险偏差的可能性进行定我国的推广起到重要的作用。图4

入研究所开发的 HAZOP辅助分析软件系统，正式开始分析前在基于本况进行设定，分析时可利用局域网由专家选择对应偏差的模糊性描述，由主机进行自动解算，从而在不影响分析效率的情况下解决定量分析效率问题。同时结合已有客观数据将得到更加科学、准确的 HAZOP分析定量数据。利用所得结果并结合具体偏差发生条件下的事故损失后果，即可确定偏差的风险大小，从而大大提高了 HAZOP分析结果的精度，为

分析的主要数据来

源。但是，石油、方法的专家能力评估模块中对专家情

不同专业专家 HAZOP分析影响评估模型层次关系

别与控制提供指导，具有显著的经济效益和社会效益。目前，本项目研究课题组正在积极参与中国海洋石油总公司、中国石化等下属企业的风险评价与控制研究项目，多个相关的项目正在实施或洽谈中，使得本项目研究成果更好地在安上述企业应用推广。

HAZOP分析技术的应用通过研究形成的改进 HAZOP技术体系使 HAZOP这一系统方法在我国推广应用具备了理论与应用研究基础。形成的 HAZOP技术体系与我国石油化工企业常用的“安全检查表分析”“预先危险性分析”“故障树分析”等分析方法相比具有更多的优势，与部分企业应用的传统 HAZOP分析效果相比，改进后的 HAZOP风险分析

编辑

郭

悦

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