周寧 吳克建 李雪 劉晅亞 袁雄軍 李徐偉 曹林林 喬世偉

(1.常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213016； 2.應(yīng)急管理部天津消防研究所 天津 300381)

0 引言

石油煉化是石油生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，石化裝置是關(guān)系到石油煉化工作能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。石化裝置規(guī)模大，易燃易爆危險(xiǎn)物和危險(xiǎn)設(shè)備多。一旦發(fā)生重大事故時(shí)，往往會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。2017年11月30日新疆某石化公司煉油廠重油催化裂化裝置發(fā)生事故，造成5死3傷。2018年3月12日九江石化公司一煉油裝置著火，事故導(dǎo)致2死1傷。2018年8月4日蘭州石化公司煉油廠氣體分餾裝置泄漏著火，引發(fā)火災(zāi)。伴隨著近年來(lái)石化裝置事故的發(fā)生，石油煉化裝置事故動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析越來(lái)越受到學(xué)者和行業(yè)專家的重視，KHAKZAD N等[1]在蝶形圖模型(Bow-tie model)上引入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)系統(tǒng)安全屏障進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析；KALANTARNIA M等[2]應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)罐和裝置失效概率及事故發(fā)生概率進(jìn)行修正；趙秋德[3]分析了石化生產(chǎn)裝置事故發(fā)生泄漏后未發(fā)生爆炸、爆炸后未著火、泄漏后爆炸、著火等事故特點(diǎn)；韓恩慧[4]將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與集對(duì)分析法相耦合對(duì)石化裝置的火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行研究，得出石油化工裝置火災(zāi)、爆炸事故的定性及定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論；周波[5]采用Dow’s法、ICI蒙德法對(duì)石油萘裝置的工藝過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；周寧等[6]運(yùn)用T-S動(dòng)態(tài)故障樹研究了乙烯裝置生產(chǎn)工藝過(guò)程中的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，定量計(jì)算了乙烯裝置發(fā)生事故擴(kuò)大化的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)概率；殷勇[7]提出了一套適用煉化裝置的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法。目前，石油煉化裝置事故研究主要集中在石化裝置工藝流程風(fēng)險(xiǎn)性和事故特點(diǎn)研究上，而針對(duì)石油煉化裝置事故動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析和情景演變研究較少。本文將采用故障樹評(píng)估法，將情景演變與動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)相耦合，對(duì)石化裝置可能發(fā)生事故的情景路徑進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)石化裝置火災(zāi)事故動(dòng)態(tài)演變預(yù)測(cè)。

1 石化裝置故障樹分析

石化裝置的原料和產(chǎn)品多數(shù)具有易燃、易爆、有毒、腐蝕性等，同時(shí)，石化生產(chǎn)常常伴隨著高溫、高壓、低溫、低壓等工藝流程。風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別是石化裝置風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)，更是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)處理的前提。對(duì)石化裝置進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分析，對(duì)各個(gè)裝置的工藝流程、運(yùn)行環(huán)境及潛在危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，結(jié)合裝置元件失效概率高低，確定裝置故障主要因素，然后建立石化裝置火災(zāi)事故故障樹來(lái)表示裝置的某些致因因素與其所導(dǎo)致的某種事故間的邏輯關(guān)系。

2 構(gòu)建石化裝置火災(zāi)事故動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

2.1 事故情景演變路徑分析

石化裝置火災(zāi)事故的演變過(guò)程存在4個(gè)要素，分別為事故情景狀態(tài)(S)、處置目標(biāo)(T)、應(yīng)急措施 (M)和災(zāi)害事故的自身演變(◎)，這4個(gè)要素之間的關(guān)系如圖1所示，針對(duì)事故情景狀態(tài)(S)采取相應(yīng)的應(yīng)急措施(M)，通過(guò)事故自身演變，確定能否實(shí)現(xiàn)處置目標(biāo)(T)。

圖1 事故演化過(guò)程示意

石化裝置事故隨著時(shí)間軸演變過(guò)程中，可能出現(xiàn)不同的演變路徑，當(dāng)石化裝置的事故情景狀態(tài)在采取應(yīng)急措施達(dá)到處置目標(biāo)時(shí)，災(zāi)害事故就按照預(yù)期演變到下一時(shí)刻的事故情景；當(dāng)災(zāi)害事故的情景沒(méi)有應(yīng)急措施或采取應(yīng)急措施失敗時(shí)，事故就會(huì)往悲觀的方向演變。災(zāi)害事故發(fā)生后，在t1時(shí)刻，應(yīng)急措施M1，作用于情景狀態(tài)S1，在災(zāi)害事故自身演變的同時(shí)，達(dá)到處置目標(biāo)T2；在t2時(shí)刻，災(zāi)害事故又在自身演變的同時(shí)，情景狀態(tài)演變?yōu)镾2，應(yīng)急措施M2作用于情景狀態(tài)S2，達(dá)到處置目標(biāo)T2；依此類推，直至災(zāi)害事故結(jié)束。

2.2 動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是“描述變量之間概率關(guān)系”的圖形模式，是一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖，可以以局部狀態(tài)和條件概率的形式來(lái)描述石化裝置系統(tǒng)的狀態(tài)空間、裝置失效因素相關(guān)性和石化裝置火災(zāi)事故動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。其中，在定性層面，動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)用各個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)表示裝置發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)的隨機(jī)變量，用一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖描述了節(jié)點(diǎn)變量之間的獨(dú)立和依賴關(guān)系，即節(jié)點(diǎn)在給定其父節(jié)點(diǎn)的前提下與其非后代節(jié)點(diǎn)條件獨(dú)立。在定量層面，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都附有一個(gè)概率分布，根節(jié)點(diǎn)X所附的是它的邊緣分布Pr{X}，非根節(jié)點(diǎn)X所附的條件概率分布Pr{X|Pa(X)}，利用條件概率分布刻畫了變量對(duì)其父節(jié)點(diǎn)的依賴關(guān)系。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概率分布公式：

(1)

其中，當(dāng)Pa{Xi}=φ時(shí)，Pr{X|Pa(X)}即為邊緣分布Pr{X}。

動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合概率分布公式：

(2)

建立動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的步驟如圖2。

圖2 建立動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的步驟

石化裝置的事故情景要素和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)情景演變?nèi)绫?和圖3所示。

表1 石化裝置事故情景要素

圖3 動(dòng)態(tài)貝葉斯情景演變示意

圖3所示，是一個(gè)包含若干個(gè)事故情景的事故裝置事故情景演變的所有可能路徑，每個(gè)情景狀態(tài)(S)中都會(huì)有對(duì)應(yīng)的處置措施(M)。如果達(dá)到相應(yīng)的處置目標(biāo)，事故的情景狀態(tài)就會(huì)朝著樂(lè)觀方向演變；沒(méi)有達(dá)到相應(yīng)的處置目標(biāo)，事故的情景狀態(tài)就會(huì)朝著悲觀方向演變。

事故最樂(lè)觀的事故演變途徑為：

S1→S2→S3→S4

表示處置措施(M1)使事故朝著最樂(lè)觀的處置目標(biāo)方向演變，即及時(shí)采取處置措施處理事故，沒(méi)有引發(fā)新的事故，最終事故消失。

事故最悲觀的裝置事故演變途徑為：

S1→S2→S6→S8

表示處置措施(M)使災(zāi)害事故朝最悲觀的處置目標(biāo)(T)方向演變，即石化裝置發(fā)生初始事故未能及時(shí)采取處置措施(M)或處置措施(M)未起作用，導(dǎo)致整個(gè)石化裝置發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸事故。

本文采用悲觀主義決策準(zhǔn)則進(jìn)行推演，選取最悲觀的情景演變的動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用專家打分方法確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)變量的條件概率[8]，利用計(jì)算軟件MATLAB和聯(lián)合概率公式計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)概率。

3 實(shí)例分析

以丙烯精餾裝置為例進(jìn)行實(shí)證分析。丙烯精餾裝置屬于甲類防火裝置，裝置大部分區(qū)域?qū)儆诒ㄎｋU(xiǎn)2區(qū)[9]，所涉及的火災(zāi)危險(xiǎn)介質(zhì)為甲類可燃液體和甲類可燃?xì)怏w, 其中丙烷屬于甲B類火災(zāi)危險(xiǎn)性物質(zhì)，空氣易與其蒸氣混合形成爆炸性物質(zhì)，一旦遇到高溫、明火極易引發(fā)燃燒或爆炸，火災(zāi)危險(xiǎn)性極大。

3.1 丙烯精餾裝置火災(zāi)事故故障樹

依據(jù)對(duì)丙烯精餾裝置工藝流程、運(yùn)行環(huán)境及潛在危險(xiǎn)性的分析，確定裝置易失效元件為塔體、換熱器、冷凝器、再沸器等，確定裝置故障主要影響因素有裝置材質(zhì)差、腐蝕、磨損、生污、雜質(zhì)沉淀、沖刷、外力破壞等。建立丙烯精餾裝置的火災(zāi)事故故障樹如下，圖4、表2分別為丙烯精餾裝置火災(zāi)事故故障樹及基本事件說(shuō)明。

圖4 丙烯精餾裝置事故故障樹

表2 丙烯精餾裝置故障樹事件說(shuō)明

丙烯精餾裝置事故主要由塔體故障和冷凝器、再沸器故障引起的裝置失效遇火源發(fā)生火災(zāi)。其中，導(dǎo)致塔體故障發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故的主要影響因素為腐蝕磨損、塔體缺陷等導(dǎo)致塔體開裂穿孔引起火災(zāi)；精餾裝置的冷凝器和再沸器發(fā)生故障也可能導(dǎo)致丙烯精餾裝置發(fā)生火災(zāi)事故；裝置的長(zhǎng)期使用，冷凝器和再沸器的換熱管中因細(xì)菌繁殖引起生污結(jié)垢和鈣化物沉積導(dǎo)致管內(nèi)存在有物料垢，當(dāng)垢層越來(lái)越厚，極易造成冷凝器和再沸器故障。

3.2 丙烯精餾裝置情景概率計(jì)算

丙烯精餾塔或設(shè)備故障的發(fā)生造成火災(zāi)事故，塔體設(shè)備火災(zāi)事故擴(kuò)大，同時(shí)引發(fā)整個(gè)裝置發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。丙烯精餾裝置事故情景要素和情景演變?nèi)绫?和圖5所示。

圖5 丙烯精餾裝置動(dòng)態(tài)貝葉斯情景示意

表3 丙烯精餾裝置事故情景要素

采用悲觀主義決策準(zhǔn)則進(jìn)行推演，選取最悲觀的情景演變的動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用專家打分方法確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)變量的條件概率，利用計(jì)算軟件MATLAB計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)概率，如圖6所示。

圖6 丙烯精餾裝置事故情景推演示意

根據(jù)圖6可知，丙烯泄漏起火被控制概率為73.7%，裝置發(fā)生流淌火被撲滅概率為60.4%，冷凝器、再沸器搶修成功概率為57.5%，丙烯精餾裝置失效有效降低熱輻射的概率為52.3%，丙烯精餾裝置起火的概率為50.7%。

4 結(jié)論

本文基于動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)石化裝置火災(zāi)事故進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，得到以下結(jié)論：

(1)采用故障樹與動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合提出了石化裝置動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析的方法及流程，有效彌補(bǔ)了故障樹方法無(wú)法描述石化裝置火災(zāi)事故動(dòng)態(tài)性問(wèn)題的缺陷，為石化裝置火災(zāi)事故動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析提供了一種新思路。

(2)基于情景狀態(tài)(S)、處置目標(biāo)(T)、處置措施(M)和自身演變(◎)4個(gè)要素表示石化裝置火災(zāi)事故情景演變路徑，可以將此石化裝置火災(zāi)事故的演變規(guī)律清楚表示出來(lái)，為事故應(yīng)急救援快速采取合理的干預(yù)手段提供依據(jù)。

(3)由于石化裝置火災(zāi)事故影響因素的復(fù)雜性、多樣性以及不確定性，導(dǎo)致對(duì)樣本信息要求較高。因此在樣本信息足夠多、領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)足夠豐富時(shí)，即可得到更加精確的石化裝置火災(zāi)事故推演結(jié)果。