安全系统工程课程设计说明书精教材.docx
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安全系统工程课程设计说明书精教材
长春建筑学院
安全系统工程课程设计
说明书
姓名：
赵亚杰
专业：
安全工程
班级学号：
安1201班18号
指导教师：
周乾
日期：
2014.12.12
城建学院
前言
随着现代化工业的迅速发展，我国已经成为了工业化大国。
但是随着工业的发展，造成企业事故频繁的发生，因此每个工人的安全问题越来越受到人们的重视。
所以，系统安全的分析对于每个企业是非常重要的。
本课程设计主要讲述了氯化氢生产工艺的危险和可操作性分析（HAZOP）及对策措施的研究。
因为现在我国很多的企业，对于化学品的制备这一方面安全意识不足，正是由于安全意识的不足，导致了很多事故的发生，不仅损失了大量的金钱，最重要的是有时还会导致伤亡事故。
在此，我仅以在反应炉内用氯气和氢气反应之氯化氢这一生产过程为例，首先对整个生产过程的危险有害因素进行辨识，然后比较详细的讲解下在整个准备阶段，以及生产过程中可能导致什么样的危险事故，进行定性、定量的分析。
在定性分析阶段，我将采用危险和可操作性研究进行全面的、系统的定性分析，并可针对可能的原因提出相应预防措施。
在定量分析阶段，我将采用事故树分析。
事故树分析是从结果开始，寻求顶上事件发生的原因事件，是一种逆时序的分析方法。
事故树分析能够对各种系统的危险性进行辨识和评价，不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入的揭示出事故的潜在原因。
用它描述事故的因果关系直观、明了、思路清晰、逻辑性强。
然后根据定量分析中的重要度，可以看出哪个事件对顶上事件发生的影响较大，针对此基本事件提出相应的预防措施，同时也对其它的基本事件提出安全预防措施。
最后，对此课程设计进行了总结性的语言。
由于能力有限，在设计时难免有错误，请专业人士多多指点。
第一章系统工艺介绍1
1.1系统工艺介绍1
1.2系统安全现状1
第二章系统安全定性分析3
2.1系统安全定性分析方法选择3
2.2危险与可操作性研究方法定性分析过程6
第三章系统安全的定量分析8
3.1事故树的编制8
3.2事故树的定性分析9
3.4对策措施16
第四章安全措施方案19
4.1安全措施方案设计19
4.2安全措施方案的技术经济分析19
结论21
致谢24
参考文献23
附录A24
第一章系统工艺介绍
1.1系统工艺介绍
高温石墨二合一炉生产氯化氢与盐酸的工艺流程:
经处理后的洁净氢气经过缓冲罐和阻火器后,进入高温石墨二合一炉底部的燃烧器。
干燥氯气经过缓冲罐进入高温石墨二合一炉底部的燃烧器与氢气进行燃烧合成,合成的氯化氢气体经高温石墨二合一炉上部的冷却器冷却至45℃以下,进入凝酸分离罐,分离凝酸后经氯化氢分配台送往PVC界区。
多余的氯化氢气体由分配台进入降膜吸收器,由尾气塔过来的稀酸进行降膜吸收,产出31.0%～32.5%的浓盐酸,进入浓酸贮罐。
降膜吸收器中未被吸收的氯化氢气体通过尾气塔时被尾气塔中的吸收水吸收,吸收后的稀酸再进入降膜吸收器吸收氯化氢气体（如吸收水为高纯无离子水,则产出的是31.0%～32.5%的高纯盐酸）。
热水循环罐中的热水经热水循环泵打入高温石墨二合一炉下部合成段外夹套,吸收炉内的燃烧反应热后,温度升至120℃左右,进入换热器,与来自使用方的冷水进行热交换,温度降至80～90℃,回到热水循环罐,开始新的循环。
1.2系统安全现状
1.2.1事故实例：
1999年5月25日14时08分，河北省唐山市某化工集团有限责任公司（氯碱生产企业）二车间（合成盐酸车间）合成转化岗位发生一起化学爆炸事故，造成包括氯化氢合成炉等12台（套）设备全部受损，转化器等5台（套）设备部分受损，其余外接管网、低压配电柜、操作平台、厂房、门窗等不同程度受损，直接经济损失99.94万元，该车间停产220个小时，幸无人员伤亡。
1.2.2事故经过：
5月25日该公司二车间合成工段转化岗位的合成气中的氯化氢含量较低，为3.37%（工艺要求为3%--10%），当班小班长通知岗位操作工提入合成炉的氯气流量为200单位；13时15分，分馏岗位操作工发现低沸塔压力达0.75MPa（工艺指标要求0.6±0.05MPa），未查出原因，13时50分找工段长一起检查仍未得出结论；此时低沸塔压力已达0.8MPa以上，待车间副主任赶到后，组织分析氯气纯度为90.5%，氯化氢纯度太低（未计结果），决定停车，13时40分转化岗位停车；同时将低沸塔放空阀打开，使低沸塔压力降了下来。
当班大、小班长初步分析，认为氯化氢岗位控制入氯化氢炉的氯气孔板流量计有问题，在转化停车后，即到氯化氢岗位检查，发现氯气孔板流量计的两个压力导管嘴被阻塞，将其清理后，氯气流量指示迅速由原来的8000单位降到4000单位。
2人返回转化岗位，第二次取样做氯化氢纯度分析。
在取样时，取样管突然发生爆炸，2人判断氯化氢气体出了问题，立即通知转化岗位操作工撤离现场，2人跑到氯化氢岗位，用手摸试氯化氢合成炉温度，感觉不如以往高，待几人向氯化氢岗位控制室走去准备进一步查找原因时，数秒钟后发生了爆炸。
1.2.3事故原因：
事故初期，由于氯化氢岗位氯化孔板流量计的压力导管嘴阻塞，造成氯气的配比量低于氢气量，使氯化氢气体中氢气过量。
而这种气体进入转化工段混合器不能参与乙炔、氯化氢的化学反应，而进入低沸塔内，因其无法在-35--0℃冷冻盐水中液化，故导致低沸塔压力升高。
当转化停车低沸塔排空阀门全部打开后压力降了下来，第一次做氯化氢分析时，纯度很低即证明了这一点。
当氯气孔板流量计压力导管嘴阻塞被修复后，调整后的氯气流量大于未被调整的氢气流量，而合成塔观察视镜因生产使用不太清晰，无法正确判断炉内火焰的燃烧状况，造成输送到转化岗位的氯化氢气体中氯气过量。
在转化岗位第二次做氯化氢纯度分析时，取样管自爆鸣证明了这一点。
在爆炸后的事故现场被炸坏的设备、管道内壁未发现有黑色残渣，可排除是氯气和乙炔反应发生的爆炸，或只有微量氯气和乙炔反应，由此可从侧面证明爆炸是游离氯气和氢气所为。
综上所述，爆炸原因可归结为：
由于氯化氢岗位氯气孔板流量的压力导管阻塞，造成输送到转化工序的氯化氢气体中氯气、氢气过量，过量的氯气和氢气其含量达到了爆炸浓度范围，因合成炉内的明火而发生了化学爆炸。
第二章系统安全定性分析
2.1系统安全定性分析方法选择
系统安全分析方法有数十种，从定性和定量分析角度可以将其分为定性分析方法和定量分析方法。
定性分析是指对引起系统事故的影响因素进行非量化的分析，即只进行可能性的分析或作出事故能否发生的感性判断。
定性分析主要包括安全检查、预先危险性分析、危险性与可操作性研究分析、鱼刺图分析、作业危害分析等[1]。
氢气氯气制取氯化氢应用危险性与可操作性研究方法，对事故进行分析。
危险性与可操作性研究（HazardandOperabilityAnalysis,简记为HAZOP）。
HAZOP的基本过程的是以关键词为引导，找出系统中工艺过程的状态参数（如温度、压力、流量等）的变化（即偏差），然后再继续分析造成偏差的原因、后果及可以采取的对策。
通过危险性与可操作性研究的分析，能够探明装置及过程存在的危险，根据危险带来的后果，明确系统中的主要危险，可以确定事故树的顶上事件，利用事故树对主要危险继续分析。
2.1.1HAZOP的分析步骤
HAZAOP是全面考察分析的对象，对每一个细节提出问题，如在工艺过程的生产运行中，要了解工艺参数（温度、压力、流量、浓度等）与设计要求不一致的地方（即发生偏差），继而进一步分析偏差出现的原因及其产生的后果，并提出相应的对等措施，如图2-1所示。
关键字
原因
与基准状态的偏差
结果
事故树的顶上事件
对策
图2-1危险与可操作性研究的分析步骤
（1）提出问题。
用否、多、少、以及、而且、部分、相反、其他来涵盖所有出现的偏差。
（2）划分单元，明确功能。
将分析对象划分为若干单元，在间歇过程中单元以设备为主。
明确各单元的功能，说明其运行状态和过程。
（3）定义关键词表。
按关键词逐一分析每个单元可能产生的偏差，一般从工艺过程的起点、管线、设备等一步步分析可能产生的偏差，直至工艺过程结束。
（4）分析原因及后果。
以化工装置为例，应分析工艺条件（温度、压力、流量、浓度、杂质、催化剂、泄露、爆炸、静电等）；开停车条件（试验、开车、检修；设备和管线，如标志、反应情况、混合情况、定位情况、工序情况等）；紧急处理（气、汽、水、电、物料、照明、报警、联系等非计划停车情况）；甚至自然条件（风、雷、雨、霜、雾雪、地质以及建筑安装等）。
分析发生偏差的原因及后果。
（5）制定对策。
（6）填写汇总表。
表2-1关键词定义表。
表2-1关键词定义表
关键字
意义
说明
没有（否）
完全否定
偏差与意图完全不一样
过多（过大）
量的增加
量有了正的增长，偏差大于意图
过少（过小）
量的减少
量有了负的增长，偏差小与意图
多余（伴随，以及）
质的增长
出现了意图中没有的事件（意图完成的情况下）
部分（局部）
质的减少
只完成了一部分内容
相反（相逆）
量的相反
与意图完全相反
异常（其他）
完成代替
与意图不相干
由表可以看出，在研究不同的系统时，可以定义不同的关键词，且即使是关键词相同，其代表的意义也可以是不同的。
因此，在进行可操作性研究时，必须根据关键词表分析各个单元产生的偏差。
2.1.2HAZOP的分析特点
方法特点：
通过讨论系统可能出现的偏差、偏差原因、偏差的后果及对整个系统的影响。
适用范围：
化工系统，热力水利系统的安全分析。
应用条件：
分析评价人员熟悉系统，有丰富的知识和实践经验。
优缺点：
简便易行，受分析评价人员主管因素影响。
2.1.3氢气氯气制取氯化氢的分析
氯气在常温、常压下为黄绿色气体，具有极强烈的刺激性臭味、且有毒，少量吸入，亦会有害咽喉及肺（呼吸道）。
氯气略溶于水，在阳光下，氯水性能不稳定，常放出氧，具有氧化作用。
氯气也能与氢化物反应，从中取代氢（如从硫化氢溶液中析出硫，取代氢为氯化氢）。
氯气也能与有机化合物烃类反应，从中取代氢（如氯与甲烷反应，生成一氯甲烷与氯化氢）。
流程简述如下：
原料氢气由电解阴极室出来后经冷却、洗涤，大大降低了气相温度，消除了气相中带的碱雾杂质，由输氢压缩机送往气柜，其氢气纯度在98％以上，经气液分离及阻火装置进入合成炉燃烧器。
原料氯气由电解阳极室出来后经冷却、干燥、净化，用氯气离心式压缩机送至本工序氯气缓冲器，并经节流稳压调节，氯气压力为0.1MPa进入合成炉燃烧器，其氯气纯度95%以上，含氢0.4%以下。
也有使用液化尾气，送往本工序尾气缓冲器，经节流调节进入合成炉燃烧器，其氯气纯度70％以上，含氢3.5％以下。
原料氯气和氢气经节流控制，以1.0：
1.05～1．10的比例在石英或铁制的套筒式燃烧器中混合燃烧。
石英的传热较慢，套筒口积蓄的热量不易散失，能经常保持引发温度以使合成反应持续进行。
合成后的氯化氢气体中心温度在1000℃以上。
炉壁温度也可达400～500℃，经空气导管冷却至156℃以下进入圆块式石墨冷却器，用工业水冷却，把出冷却器的气相温度降至常温,然后一部分进入降膜式吸收塔,与来自尾部吸收塔的稀盐酸经分液管并流而下，吸收成3l％盐酸去贮槽；未被吸收的氯化氢尾气与顶部加入的吸收水在尾气填料塔中逆流接触。
被吸收成1l％左右的稀酸去降膜式吸收塔,合格的尾气由鼓风机抽送放空,另一部分氯化氢经冷冻干燥除雾，由纳氏泵压送至氯乙烯合成。
详见图2-2。
图2-2氯化氢二合一炉
2.2危险与可操作性研究方法定性分析过程
2.2.1HAZOP表的制定
根据反应流程图及反应装置，分析物料的性质，估计与容器可能发生的事故，进行危险与可操作性分析研究（见附录A）。
2.2.2危险性与可操作性研究分析总结
直接原因：
人的不安全行为，操作人员未严格执行操作规程。
物的不安全状态，未设置防护装置，防护装置损坏，阀门故障而失控，管路阻塞，冷凝器缺水，容器腐蚀，冷凝管损坏，超温，仪表故障，炉管烧穿等。
间接原因：
设计不当（未设安全阀，未设报警器，未设防爆装置）；教育培训（操作失误，判断失误，监督不严，安全操作规程不健全）。
基本原因：
火灾事故，爆炸事故。
通过危险性安全定性分析方法，我们应该加强对生产设备的管理，进行定期的检查、维修、保养等措施。
防止生产设备发生故障所引起的事故[2]。
第三章系统安全的定量分析
3.1事故树的编制
3.1.1事故树
事故树分析（FaultTreeAnalysis）方法起源于故障树分析（简称FTA），是安全系统工程的重要分析方法之一，它是运用逻辑推理对各种系统的危险性进行辨识和评价，不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潜在原因。
用它描述事故的因果关系直观、明了。
思路清晰，逻辑性强，既可定性分析，又可定量分析。
在风险管理领域常用于企业风险的识别和衡量[3]。
3.1.2事故树的特点
1）用图形演绎的方法
2）能够分析导致事故或灾害发生的原因的逻辑关系
3）不仅能够分析故障对系统影响的原因，还能够分析导致这些故障发生的特殊原因
4）不仅能对系统进行定性分析，还能对系统进行定量分析，为研究系统安全性和可靠性提供了数据
5）不参与设计人员和操作人员也能清楚的知道危险防范要点。
3.1.3事故树编制注意事项
1）熟悉分析系统
2）循序渐进
3）选好顶上事件
4）准确判明各事件之间的因果关系和逻辑关系
5）避免门与门相连
3.1.4事故树分析程序
1）确定顶上事件
2）确定目标
3）调查原因事件
4）画出事故树
5）定性分析
6）进行比较
7）定量分析
3.1.5绘制事故树
事故树的顶上事件是通过危险性与可操做性研究及安全检查表的分析确定，确定以反应爆炸为顶上事件，再分析与顶上事件有关的所有原因事件。
图3-1事故树
表3-1事故树中间事件及基本事件列表
事件
名称
事件
名称
T
氯化氢反应炉发生爆炸
X2
人失误
M2
反应炉压力升高未及时释放
X4
仪表故障
M3
泄漏而引起爆炸
X5
管路堵塞
M4
空气流量大
X6
防爆膜失效
M5
防爆膜未起作用
X7
防爆膜选用不当
M6
炉内压力升高
X8
冷却水温度高
M7
反应压力高
X9
阀门泄漏
M8
反应物流量大
X10
管路泄露
M9
炉内温度高
X11
材质问题
M10
冷却效果不佳
X12
炉管烧穿
M11
冷却水流量小
X13
冷却水未除氧
M12
发生泄漏事件
X14
日常维护不当
M13
未及时控制泄漏事件
X15
报警器故障
M14
腐蚀
X16
无报警器
M15
未发现
X17
通风条件差
M16
X1
控制失误
存在着火源
X18
X3
机械故障
阀门故障而失控
3.2事故树的定性分析
3.2.1事故树的最小割集
最小割集指的是导致顶上事件发生所必须的、最低限度的基本事件的集合。
在事故分析中，把能使顶上事件发生的基本事件集合叫做割集合。
如果割集合中任意基本事件不发生，就会造成顶上事件不发生，即割集合中包含的基本事件对引起顶上事件发生不但充分而且必要，则该集合叫做最小割集。
从概念可知，最小割集表示该系统的缺陷，每一组最小割集为一条顶上事件发生的通道，最小割集组越多，表示顶上事件发生的通道越多，可能性也就越大，最小割集在安全教育，事故预防，安全评价和定量分析计算中广泛运用。
最小割集数量：
132
{X1,X6,X13,X15}{X1,X7,X13,X15}{X1,X8,X13,X15}{X1,X3,X13,X15}{X1,X5,X13,X15}{X1,X4,X13,X15}{X1,X9,X13,X15}{X1,X10,X13,X15}{X1,X6,X11,X15}{X1,X6,X12,X15}{X1,X7,X11,X15}{X1,X7,X12,X15}{X1,X8,X11,X15}{X1,X8,X12,X15}{X1,X3,X11,X15}{X1,X3,X12,X15}{X1,X5,X11,X15}{X1,X5,X12,X15}{X1,X4,X11,X15}{X1,X4,X12,X15}{X1,X9,X11,X15}{X1,X9,X12,X15}{X1,X10,X11,X15}{X1,X10,X12,X15}{X1,X6,X14,X15}{X1,X7,X14,X15}{X1,X8,X14,X15}{X1,X3,X14,X15}{X1,X5,X14,X15}{X1,X4,X14,X15}{X1,X9,X14,X15}{X1,X10,X14,X15}{X1,X2,X13}{X1,X2,X11}{X1,X2,X12}{X1,X2,X14}{X1,X6,X13,X16}{X1,X7,X13,X16}{X1,X8,X13,X16}{X1,X3,X13,X16}{X1,X5,X13,X16}{X1,X4,X13,X16}{X1,X9,X13,X16}{X1,X10,X13,X16}{X1,X6,X11,X16}{X1,X6,X12,X16}{X1,X7,X11,X16}
{X1,X7,X12,X16}{X1,X8,X11,X16}{X1,X8,X12,X16}{X1,X3,X11,X16}{X1,X3,X12,X16}{X1,X5,X11,X16}{X1,X5,X12,X16}{X1,X4,X11,X16}{X1,X4,X12,X16}{X1,X9,X11,X16}{X1,X9,X12,X16}{X1,X10,X11,X16}{X1,X10,X12,X16}{X1,X6,X14,X16}{X1,X7,X14,X16}{X1,X8,X14,X16}{X1,X3,X14,X16}{X1,X5,X14,X16}{X1,X4,X14,X16}{X1,X9,X14,X16}{X1,X10,X14,X16}{X1,X6,X13,X17}{X1,X6,X13,X18}{X1,X7,X13,X17}{X1,X7,X13,X18}{X1,X8,X13,X17}{X1,X8,X13,X18}{X1,X3,X13,X17}{X1,X3,X13,X18}{X1,X5,X13,X17}{X1,X5,X13,X18}{X1,X4,X13,X17}{X1,X4,X13,X18}{X1,X9,X13,X17}{X1,X9,X13,X18}{X1,X10,X13,X17}{X1,X10,X13,X18}{X1,X6,X11,X17}{X1,X6,X11,X18}{X1,X6,X12,X17}{X1,X6,X12,X18}{X1,X7,X11,X17}{X1,X7,X11,X18}{X1,X7,X12,X17}{X1,X7,X12,X18}{X1,X8,X11,X17}{X1,X8,X11,X18}{X1,X8,X12,X17}{X1,X8,X12,X18}{X1,X3,X11,X17}{X1,X3,X11,X18}{X1,X3,X12,X17}{X1,X3,X12,X18}{X1,X5,X11,X17}{X1,X5,X11,X18}{X1,X5,X12,X17}{X1,X5,X12,X18}{X1,X4,X11,X17}{X1,X4,X11,X18}{X1,X4,X12,X17}{X1,X4,X12,X18}{X1,X9,X11,X17}{X1,X9,X11,X18}{X1,X9,X12,X17}{X1,X9,X12,X18}{X1,X10,X11,X17}{X1,X10,X11,X18}{X1,X10,X12,X17}{X1,X10,X12,X18}{X1,X6,X14,X17}{X1,X6,X14,X18}{X1,X7,X14,X17}{X1,X7,X14,X18}{X1,X8,X14,X17}{X1,X8,X14,X18}{X1,X3,X14,X17}{X1,X3,X14,X18}{X1,X5,X14,X17}{X1,X5,X14,X18}{X1,X4,X14,X17}{X1,X4,X14,X18}{X1,X9,X14,X17}{X1,X9,X14,X18}{X1,X10,X14,X17}{X1,X10,X14,X18}
分析：
最小割集表示系统的危险性，最小割集越多，系统越危险。
此事故树中割集达到了132个，表明系统存在很大的危险。
要有效地控制事故的发生就要减少最小割集的数量，减少可造成顶上事件发生的基本事件的发生。
3.2.2事故树的最小径集
最小径集指的是使顶上事件不发生所必需的、最低限度的基本事件的集合。
即在事故树中，某一种基本事件不发生，则可控制顶上事件发生，这组基本事件就属于该事故树的一组最小径集，从概念可知，最小径集是控制顶上事件发生的对策，最小径集组越多，说明控制对策越多，可将这些对策进行选优后，决策控制方案，最小径集在事故树防止、安全评价和定量分析计算中广泛运用。
最小径集数量：
4
P1{X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8,X9,X10,}
事件的名称是：
人失误，阀门故障而失控，仪表故障，管路堵塞，防爆膜失效，防爆膜选用不当，冷却水温度高，阀门泄漏，管路泄露
P2{X11,X12,X13,X14}
事件的名称是：
材质问题，炉管烧穿，冷却水未除氧，日常维护不当；
P3{X2,X15,X16,X17,X18}
事件的名称是：
人为失误，报警器故障，无报警器，通风条件差，机械故障；
P4{X1}
事件的名称是：
存在着火源；
3.2.3结构重要度分析
用最小割集或最小径集进行结果重要度分析的3个公式。
公式一
（3-1）
式中k—最小割集总数；
Kj—第j个最小割集；
nj—第Kj个最小割集的基本事件数。
公式二：
（3-2）
式中nj-1—为第i个基本事件所在kj中各基本事件总数减1；
—第i个基本事件的结构重要度系数；
公式三：
（3-3）
式中
—第i个基本事件的机构重要度系数；
nj—第i个基本事件所在Kj的基本事件总数；
nj-1—2的指数。
用最小径集根据公式三计算结构重要度：
表3-2结构重要度
名称
事件
结构重要度
存在着火源
I[X1]
1.000000000000
人失误
I[X2]
.0661********
阀门故障而失控
I[X3]
0.003906250000
仪表故障
I[X4]
0.003906250000
管路堵塞
I[X5]
0.003906250000
防爆膜失效
I[X6]
0.003906250000
防爆膜选用不当
I[X7]
0.003906250000
冷却水温度高
I[X8]
0.003906250000
阀门泄漏
I[X9]
0.003906250000
管路泄露
I[X10]
0.003906250000
材质问题
I[X11]
0.125000000000
炉管烧穿
I[X12]
0.125000000000
冷却水未除氧
I[X13]
0.125000000000
日常维护不当
I[X14]
0.125000000000
报警器故障
I[X15]
0.062500000000
无报警器
I[X16]
0.062500000000
通风条件差
I[X17]
0.062500000000
升级会员 