楊忠霖，解 強(qiáng)，郝鄭平，周紅陽(yáng)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 揮發(fā)性有機(jī)物污染控制材料與技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 101408)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds，VOCs)治理技術(shù)得到快速發(fā)展和應(yīng)用。與此同時(shí)，VOCs治理工程的安全事故時(shí)有發(fā)生，人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失慘重[1]。事故發(fā)生的原因包括VOCs的多樣性與排放的復(fù)雜性、工藝選擇不合理、工藝設(shè)計(jì)缺陷、人為操作失誤等[2-3]，主要原因是當(dāng)前針對(duì)VOCs治理工程安全的研究嚴(yán)重不足，缺乏系統(tǒng)的安全理論、方法和工具的指導(dǎo)[1]。

相對(duì)而言，化工工程的工藝條件更苛刻、工藝系統(tǒng)更復(fù)雜、工藝介質(zhì)危險(xiǎn)性更大。然而，分析結(jié)果表明，化工工程的安全性明顯優(yōu)于VOCs治理工程[4-6]。主要原因在于現(xiàn)代化工工業(yè)對(duì)過(guò)程安全分析(Process Hazard Analysis，PHA)極為重視，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出定性、半定量及定量的不同分析深度的數(shù)十種安全評(píng)價(jià)方法，在可行性分析、工藝設(shè)計(jì)、建造、試車(chē)、運(yùn)行維護(hù)、工藝改造等各個(gè)階段開(kāi)展相應(yīng)的安全評(píng)價(jià)工作，最大程度保證工程的本質(zhì)安全[7-9]。VOCs治理工程由各種單元操作和反應(yīng)單元構(gòu)成，與化學(xué)工程的安全保障措施和事故特征有相似性。因此，體系完整、應(yīng)用成熟的化工安全評(píng)價(jià)方法對(duì)VOCs治理工程安全的研究工作具有借鑒和指導(dǎo)意義。

筆者對(duì)VOCs治理工程的本質(zhì)進(jìn)行了分析，概述了化工安全評(píng)價(jià)方法體系，對(duì)比分析了VOCs治理工程與化工過(guò)程存在的差異，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)VOCs治理工程的特點(diǎn)修正了相關(guān)化工安全評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建出適用于VOCs治理工程的安全評(píng)價(jià)體系，以期對(duì)VOCs治理工程的安全提供指導(dǎo)。

1 VOCs治理工程的本質(zhì)

VOCs治理工程常見(jiàn)的技術(shù)有吸附、吸收、冷凝、高溫焚燒、催化氧化、膜分離、光催化、低溫等離子體等[10]，涉及到的操作單元，如吸附、脫附、冷凝、吸收、過(guò)濾、傳熱、流體輸送等，是典型的化工單元操作，與化工生產(chǎn)過(guò)程一樣遵循相同的物理學(xué)規(guī)律，使用類(lèi)似的設(shè)備；涉及的熱力燃燒、催化氧化、等離子體氧化、生物降解等反應(yīng)，均可歸為氧化反應(yīng)，是化工生產(chǎn)中最常見(jiàn)的反應(yīng)單元之一[11]。VOCs的氧化銷(xiāo)毀與化工生產(chǎn)的氧化反應(yīng)單元在本質(zhì)上相同，在反應(yīng)設(shè)備構(gòu)造、運(yùn)行與維護(hù)、可能存在的安全隱患等方面十分相似。因此，VOCs治理工程的本質(zhì)就是化工過(guò)程。

因此，完全有可能將體系完整、發(fā)展成熟的化工安全評(píng)價(jià)方法借鑒、應(yīng)用于VOCs治理工程。

2 化工安全評(píng)價(jià)方法概述

迄今，已開(kāi)發(fā)出數(shù)十種化工安全評(píng)價(jià)方法，按照量化深度，大致分為定性評(píng)價(jià)方法、半定量評(píng)價(jià)方法與定量評(píng)價(jià)方法[12]。

定性評(píng)價(jià)方法是最基本的一類(lèi)安全評(píng)價(jià)方法，常根據(jù)事物變化規(guī)律和評(píng)價(jià)人員的經(jīng)驗(yàn)積累對(duì)工藝系統(tǒng)的環(huán)境、設(shè)備、布局、管理等方面進(jìn)行定性判斷，主要用于簡(jiǎn)單事故場(chǎng)景?；ぶ谐Ｓ玫亩ㄐ园踩u(píng)價(jià)方法有安全檢查表(Safety Check List，SCL)、人員可靠性分析(Human Reliability Analysis，HRA)、故障假設(shè)分析(What-if，WI)、危險(xiǎn)與可操作性分析(Hazard and Operability Study，HAZOP)等[13-15]。

半定量分析方法是在定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)危險(xiǎn)程度予以分級(jí)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)大小進(jìn)行排序，篩選出分析人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的安全隱患，適用于比較復(fù)雜的事故場(chǎng)景，代表性方法為風(fēng)險(xiǎn)矩陣(Risk Matrix)、保護(hù)層分析(Layer of Protection Analysis，LOPA)等[16-18]。

定量分析方法是運(yùn)用大量試驗(yàn)結(jié)果和歷史統(tǒng)計(jì)資料分析獲得的指標(biāo)和規(guī)律，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的各個(gè)方面應(yīng)用科學(xué)的方法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量計(jì)算的一類(lèi)評(píng)價(jià)方法，主要用于重大危險(xiǎn)場(chǎng)景的詳細(xì)分析。定量安全分析方法分為3類(lèi)：概率安全評(píng)價(jià)法、危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法和傷害(破壞)范圍評(píng)價(jià)法。化工中常用的方法和模型有故障樹(shù)分析(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)、事件樹(shù)分析(Event Tree Analysis，ETA)、道化學(xué)火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)指數(shù)法(Fire and Explosion Index，F(xiàn) & EI)、自由蒸汽爆炸模型分析(Unconfined Vapor Cloud Explosion，UVCE)等[19-21]。

由于不同的安全評(píng)價(jià)方法在分析深度、評(píng)價(jià)目標(biāo)、適用范圍等方面有所不同，單一的評(píng)價(jià)方法難以對(duì)某一系統(tǒng)做出全面評(píng)價(jià)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，常將多種方法進(jìn)行組合構(gòu)建多層次安全評(píng)價(jià)體系，保證評(píng)價(jià)質(zhì)量的同時(shí)提高分析效率[22]。

3 VOCs治理工程與化工工程的差異

VOCs治理工程的本質(zhì)是化工過(guò)程，這為將化工安全評(píng)價(jià)方法應(yīng)用到VOCs治理工程創(chuàng)造了很好的條件。但2者并非完全相同，在細(xì)節(jié)上仍存在一些不容忽視的差異，具體表現(xiàn)為：

1)工藝介質(zhì)危險(xiǎn)程度不同?；み^(guò)程涉及的物料不僅具有易燃易爆的特性，同時(shí)還可能有高毒乃至劇毒，或強(qiáng)腐蝕性，這些物料的量較大。對(duì)于VOCs治理來(lái)說(shuō)，大多數(shù)VOCs氣體以含氧空氣為載氣，但與化工工程相比，其濃度較低，物料相對(duì)安全；雖然組成復(fù)雜，但規(guī)模普遍較小[23-24]。

2)工藝復(fù)雜程度不同?；どa(chǎn)流程長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、工藝條件苛刻。如乙烯生產(chǎn)從原料裂解到產(chǎn)品產(chǎn)出需12個(gè)化學(xué)反應(yīng)和分離單元，最高溫度近1 000 ℃，最低為-170 ℃，最高壓力為11.28 MPa，最低只有0.07 MPa左右，儀表和控點(diǎn)多達(dá)上千個(gè)。相對(duì)而言，VOCs治理工程工作單元少、流程短、工藝條件更溫和[25]。如常見(jiàn)的“活性炭吸附濃縮+催化燃燒”工藝，僅有預(yù)處理系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、脫附系統(tǒng)、催化燃燒系統(tǒng)和消防系統(tǒng)5個(gè)單元，溫度為20～450 ℃，除氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置的壓力為0.8 MPa左右，其他裝置則均為常壓。

3)工況條件不同。VOCs排放分散，收集工作難度大。運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，濃度和流量也時(shí)常不穩(wěn)定。而大部分化工企業(yè)都位于化工園區(qū)中，分布集中，溫度、壓力、濃度等工況條件穩(wěn)定[26-27]。

4)行業(yè)分布不同。VOCs排放涉及的行業(yè)眾多，不僅包括絕大多數(shù)化工生產(chǎn)過(guò)程，還包括建筑裝飾、油品儲(chǔ)運(yùn)、包裝印刷、電子制造、餐飲、噴涂等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，涉及VOCs排放的行業(yè)至少在120個(gè)以上，其中年排放量在1萬(wàn)t以上的有50個(gè)以上，行業(yè)分布遠(yuǎn)比化工復(fù)雜[28-29]。

5)規(guī)模與投資不同。現(xiàn)代化工生產(chǎn)追求規(guī)?；?，常見(jiàn)的大宗化工產(chǎn)品單廠年產(chǎn)量都在數(shù)十萬(wàn)噸至數(shù)百萬(wàn)噸，相應(yīng)的投資多達(dá)數(shù)十億元甚至數(shù)百億元。相對(duì)來(lái)說(shuō)，非化工行業(yè)企業(yè)VOCs排放量在每小時(shí)數(shù)百至數(shù)十萬(wàn)立方米，且有機(jī)物濃度普遍較低，設(shè)備和運(yùn)營(yíng)投資在數(shù)十萬(wàn)元至數(shù)千萬(wàn)元，規(guī)模和投資上遠(yuǎn)小于化工生產(chǎn)[30]。

鑒于這些差異，如果直接套用化工安全評(píng)價(jià)方法，難免出現(xiàn)不適用情況。因此，應(yīng)充分考慮VOCs治理工程本身的特點(diǎn)，對(duì)化工安全評(píng)價(jià)方法進(jìn)行適當(dāng)修正后再使用。

4 VOCs治理工程安全評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

VOCs治理工程雖不及化工工程的系統(tǒng)復(fù)雜，但危險(xiǎn)因素較多，不同事故的影響也不同，采用單一安全評(píng)價(jià)方法難以對(duì)治理系統(tǒng)做出全面高效的分析。對(duì)于這種情況，可通過(guò)構(gòu)建安全評(píng)價(jià)體系來(lái)解決。

4.1 安全評(píng)價(jià)方法的選取

選取評(píng)價(jià)方法時(shí)，首先要充分掌握待評(píng)價(jià)系統(tǒng)的特點(diǎn)。當(dāng)前，VOCs治理工程同化工工程一樣，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，盡管化工常采用復(fù)雜的分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)，而VOCs治理工程則利用較簡(jiǎn)單的可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)進(jìn)行控制，但2者的原理和目的一致，進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)將自動(dòng)化控制系統(tǒng)作為評(píng)價(jià)重點(diǎn)[31]。此外，由于VOCs治理工程的本質(zhì)即為化工過(guò)程，2者設(shè)計(jì)流程相似，因此可供安全評(píng)價(jià)的資料也基本相同，如管道儀表流程圖(Pipe & Instrument Diagram,PID)、工藝物料平衡圖(Process Flow Diagram,PFD)、工藝流程說(shuō)明書(shū)等。最后，從事故類(lèi)型來(lái)看，化工工程不僅有燃燒爆炸事故，還包括毒性物質(zhì)的泄漏、壓力設(shè)備爆炸、工業(yè)腐蝕等[32]，而VOCs治理工程則主要為有機(jī)氣體的燃燒爆炸，其他類(lèi)型的事故影響較小。

選取評(píng)價(jià)方法時(shí)，還應(yīng)掌握每種安全評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)目標(biāo)、使用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，參考化工安全評(píng)價(jià)方法的合理性、針對(duì)性、適應(yīng)性、系統(tǒng)性和充分性等原則[33]。與此同時(shí)，選取的方法還要兼顧評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建，使分析過(guò)程具有層次感，方法間的信息能夠相互流通。

1)定性評(píng)價(jià)方法。HAZOP是目前化工安全評(píng)價(jià)中最常用的方法之一，是一種形式結(jié)構(gòu)化、基于“偏差”來(lái)尋找系統(tǒng)潛在危險(xiǎn)與可操作性分析的方法。其分析過(guò)程系統(tǒng)且嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)工藝流程中裝置、儀表和控制系統(tǒng)的危險(xiǎn)識(shí)別尤為詳細(xì)，適用于當(dāng)前VOCs治理工藝已實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制的情況。與此同時(shí)，HAZOP分析對(duì)于治理工程的選址、車(chē)間布局、消防設(shè)施等整體安全性的識(shí)別能力欠佳，而SCL能很好地彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。因此，在評(píng)價(jià)體系的定性階段選用HAZOP和SCL兩種方法。

2)半定量評(píng)價(jià)方法。鑒于定性階段選用了HAZOP分析對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的危險(xiǎn)識(shí)別，在半定量階段選用LOPA可與之形成較好的銜接，且LOPA“保護(hù)層”的分析理念與VOCs治理工程的安全保障措施十分契合[34]。此外，為了便于進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的半定量計(jì)算，還需引入風(fēng)險(xiǎn)矩陣作為輔助。

3)定量評(píng)價(jià)方法。定量評(píng)價(jià)需從評(píng)估事故發(fā)生的可能性以及事故后果的評(píng)估2方面進(jìn)行，常用衡量指標(biāo)為人員傷害和設(shè)備損失。目前，化工中最常用的計(jì)算事故發(fā)生概率的方法為FTA，該方法分析過(guò)程直觀簡(jiǎn)潔、邏輯清晰、計(jì)算準(zhǔn)確。且由于VOCs治理工程系統(tǒng)相比化工工程更簡(jiǎn)單，采用FTA分析不會(huì)使計(jì)算量過(guò)大而導(dǎo)致工作難以開(kāi)展。化工中用于評(píng)價(jià)事故嚴(yán)重程度的方法較多，從VOCs治理工程的事故特征來(lái)看，可選用指數(shù)評(píng)價(jià)法中的爆炸指數(shù)法(F & EI)，但該方法的應(yīng)用前提是系統(tǒng)中可燃物的質(zhì)量不低于454 kg，否則結(jié)果不可靠，并不適用于大多數(shù)的VOCs治理工程[35]。在評(píng)價(jià)人員傷害時(shí)，由于VOCs治理工程爆炸事故大都發(fā)生在封閉裝置內(nèi)，且人員傷害主要由爆炸沖擊波造成而非燒傷，使得化工常用的爆炸相關(guān)模型(如蒸汽云爆炸模型，UVCE)同樣不適用[36]。對(duì)此，筆者將封閉裝置爆炸沖擊波超壓計(jì)算引入到VOCs治理工程的后果評(píng)估中，對(duì)爆炸可能造成的人員傷害做出量化評(píng)價(jià)，詳見(jiàn)第4.4節(jié)。

綜上所述，通過(guò)參考化工安全評(píng)價(jià)方法選取原則并結(jié)合VOCs治理工程的特點(diǎn)，選取安全檢查表和HAZOP用于初期的定性分析，隨后由LOPA和風(fēng)險(xiǎn)矩陣對(duì)較嚴(yán)重事故進(jìn)一步開(kāi)展半定量分析，最后再用FTA和沖擊波超壓計(jì)算對(duì)嚴(yán)重事故進(jìn)行定量評(píng)估。

4.2 安全評(píng)價(jià)方法的修正

與化工工程相比，VOCs治理工程的工藝介質(zhì)更安全、工藝系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，若直接沿用化工中安全評(píng)價(jià)方法，過(guò)于冗余。且從投資和規(guī)模來(lái)看，大多數(shù)VOCs治理工程項(xiàng)目并不足以支撐過(guò)于繁雜的安全評(píng)價(jià)工作。因此，應(yīng)秉持實(shí)用性與合理性原則對(duì)選取的化工安全評(píng)價(jià)方法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和簡(jiǎn)化，在保證各方法分析步驟基本不變的情況下，適當(dāng)降低評(píng)價(jià)詳細(xì)程度、縮減評(píng)價(jià)事故場(chǎng)景或選用更簡(jiǎn)潔高效的評(píng)價(jià)方法。具體的調(diào)整情況見(jiàn)表1。

表1 安全評(píng)價(jià)方法的修正

4.3 安全評(píng)價(jià)方法的信息共享

為了構(gòu)建合理、高效的VOCs治理工程評(píng)價(jià)體系，加強(qiáng)方法間的信息共享是常用手段之一[37]。HAZOP分析是從“偏差”出發(fā)，定性識(shí)別出初始事件，并根據(jù)歷史資料和經(jīng)驗(yàn)對(duì)事件發(fā)生頻率和嚴(yán)重程度做出判斷[38]。LOPA在確定事故場(chǎng)景后，同樣需找到始發(fā)事件，并判斷始發(fā)事件發(fā)生概率、后果等級(jí)等[39]。因此，2者在分析步驟很相似，具體情況如圖1所示。

圖1 HAZOP分析與LOPA分析的相似性Fig.1 Similarity between HAZOP analysis and LOPA analysis

2者的相似性為體系的信息共享奠定了基礎(chǔ)，如圖2所示，HAZOP分析得到的“偏離”、“初始事件”、“事件發(fā)生概率”、“后果”、“后果嚴(yán)重程度”等可直接替代LOPA分析中的“事故場(chǎng)景描述”、“始發(fā)事件”、“始發(fā)事件概率”、“事故后果”、“事故后果嚴(yán)重程度”等步驟。得到的事件發(fā)生概率和后果嚴(yán)重程度直接用于風(fēng)險(xiǎn)矩陣分析，對(duì)初始事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行判斷，篩選出較嚴(yán)重的事故。隨后，LOPA繼續(xù)對(duì)較嚴(yán)重事故進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定已有安全措施并適當(dāng)添加保護(hù)層，利用保護(hù)層失效概率(Probability of Failure on Demand,PFD)計(jì)算事故的剩余風(fēng)險(xiǎn)，將其與可接受風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)比，直至達(dá)到要求為止。

圖2 HAZOP/風(fēng)險(xiǎn)矩陣/LOPA信息共享Fig.2 Information sharing between HAZOP/risk matrix/LOPA

此外，對(duì)爆炸事故進(jìn)行FTA分析時(shí)，需確定原因事件，而HAZOP分析中識(shí)別出的與爆炸相關(guān)的初始事件可作為參考。由于HAZOP分析更加系統(tǒng)全面，不僅可提高FTA分析效率，還使分析結(jié)果更加完整。

4.4 VOCs治理工程安全評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

將選出的化工評(píng)價(jià)方法經(jīng)適當(dāng)修正后構(gòu)建出VOCs治理工程的安全評(píng)價(jià)體系，如圖3所示。該體系的評(píng)價(jià)步驟按照定性、半定量、定量的先后順序逐步推進(jìn)，最后將所有分析結(jié)果編制成安全評(píng)價(jià)報(bào)告。

圖3 VOCs治理工程安全評(píng)價(jià)體系Fig.3 Safety assessment procedures of VOCs treatment project

4.4.1VOCs治理工程整體性定性安全評(píng)價(jià)

首先利用安全檢查表對(duì)VOCs治理工程整體安全性做出評(píng)價(jià)，避免違反基本安全設(shè)計(jì)原則的情況出現(xiàn)。完整可靠的資料對(duì)于安全檢查的編制極為關(guān)鍵，盡管當(dāng)前VOCs治理相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)并不完善，但化工類(lèi)和工程類(lèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范同樣有很好的安全指導(dǎo)作用，一些常用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[40-41]見(jiàn)表2。

表2 VOCs治理工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

4.4.2VOCs治理工程系統(tǒng)性定性和半定量安全評(píng)價(jià)

完成整體性安全評(píng)價(jià)后，進(jìn)一步利用HAZOP、風(fēng)險(xiǎn)矩陣和LOPA等方法對(duì)VOCs治理工程進(jìn)行詳細(xì)的危險(xiǎn)識(shí)別和安全評(píng)價(jià)。首先由HAZOP逐個(gè)節(jié)點(diǎn)逐個(gè)偏差識(shí)別初始事件，確定事故發(fā)生頻率和嚴(yán)重程度。發(fā)生頻率可從各大數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)，嚴(yán)重程度的劃分參考表3。隨后，由風(fēng)險(xiǎn)矩陣求出各事故的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)矩陣的格式見(jiàn)表4，若風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)數(shù)大于10則為較嚴(yán)重事故，需進(jìn)一步用LOPA分析，添加可用且經(jīng)濟(jì)的保護(hù)層，并根據(jù)保護(hù)層的要求失效概率(Probability of Failure on Demand，PFD)計(jì)算剩余風(fēng)險(xiǎn)，直至達(dá)到可接受水平。對(duì)于較嚴(yán)重事故中的爆炸事故，需繼續(xù)進(jìn)行下一步的定量評(píng)價(jià)。

表3 VOCs治理工程安全事故后果等級(jí)劃分

表4 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)矩陣得到風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)后，進(jìn)一步將其劃分為4個(gè)區(qū)間，對(duì)于不同等級(jí)區(qū)間的事故采取不同的應(yīng)對(duì)策略，具體見(jiàn)表5。

表5 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分及應(yīng)對(duì)策略

4.4.3爆炸事故定量評(píng)價(jià)

定量評(píng)價(jià)分為2部分：利用FTA評(píng)價(jià)事故發(fā)生的可能性和利用沖擊波超壓計(jì)算評(píng)價(jià)事故后果的嚴(yán)重程度。

1)FTA分析。鑒于VOCs治理工程事故的特點(diǎn)，只對(duì)爆炸事故進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，確定了故障樹(shù)分析的頂上事件。中間事件、省略事件和基本事件等的確定需要結(jié)合工程資料分析，也可以從HAZOP分析中出現(xiàn)的與爆炸相關(guān)的初始事件來(lái)確定。厘清所有事件的邏輯關(guān)系后，最終繪制成故障樹(shù)結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)布爾運(yùn)算法求出最小割集，求出頂上事件發(fā)生概率、概率重要度和結(jié)構(gòu)重要度等，具體說(shuō)明和計(jì)算方法[42-44]見(jiàn)表6。

表6 故障樹(shù)計(jì)算說(shuō)明

以圖4故障樹(shù)為例，說(shuō)明事故分析的方法。T為頂上事件，M為中間事件，X1、X2、X3、X4為基本事件，并假設(shè)q1=q3=0.1，q2=q4=0.01。根據(jù)故障樹(shù)的邏輯結(jié)構(gòu)，采用上行法易得出T事件的最小割集為{X1}、{X3X4}、{X2}。

圖4 某故障樹(shù)結(jié)構(gòu)Fig.4 A fault tree structure

則頂上事件T發(fā)生的概率為

(1)

因此，4個(gè)基本事件的概率重要度為

(2)

(3)

以此類(lèi)推，可計(jì)算得到4個(gè)基本事件X1、X2、X3、X4的概率重要度，并對(duì)其進(jìn)行排序?yàn)閄1=X4>X2>X3，表示X1和X4事件發(fā)生概率的變化對(duì)頂上事件T的影響較大。

根據(jù)計(jì)算得到的概率重要度進(jìn)一步計(jì)算4個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度：

(4)

(5)

同理計(jì)算出4個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，得到排序?yàn)椋篨1>X3=X4>X2，表示X1事件的發(fā)生概率對(duì)頂上事件T的影響較大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

2)沖擊波超壓計(jì)算。有機(jī)混合氣體爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力與初始?jí)毫Α⒊跏紲囟?、濃度、組分以及容器的形狀、大小等因素有關(guān)[45]。爆炸產(chǎn)生的最大壓力可按壓力與溫度及摩爾數(shù)呈正比的規(guī)律確定，關(guān)系式為

(6)

式中，P、T和n分別為爆炸后的最大壓力、最高溫度和氣體物質(zhì)的量；Po、To和m分別為爆炸前的最大壓力、最高溫度和氣體物質(zhì)的量。

由式(1)進(jìn)一步推導(dǎo)得到爆炸壓力(不考慮熱損失)計(jì)算公式為

(7)

爆炸前后的氣體物質(zhì)的量與VOCs組成有關(guān)，相關(guān)信息可從氣體成分分析報(bào)告中獲取，爆炸后的溫度可通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算求得。將計(jì)算出的爆炸壓力與治理設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)比，若爆炸壓力超過(guò)設(shè)備抗壓強(qiáng)度，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備炸裂，產(chǎn)生的沖擊波會(huì)對(duì)附近的工作人員造成傷害，傷害標(biāo)準(zhǔn)可參考表7(ΔP為沖擊波超壓)[46-48]。

表7 爆炸時(shí)沖擊波超壓的人身傷害準(zhǔn)則

通過(guò)表7和式(8)還可進(jìn)一步計(jì)算出死亡半徑、重傷半徑等：

(8)

其中，R為比例距離，是爆炸中心的距離r與爆炸物藥量W的立方根之比，其中W按TNT當(dāng)量計(jì)算，kg。

5 結(jié) 論

1)由于VOCs治理工程的本質(zhì)為化工過(guò)程，所以將化工安全評(píng)價(jià)方法應(yīng)用到VOCs治理工程中可行，但2者在諸多細(xì)節(jié)上仍存在不可忽視的差異，需充分考慮VOCs治理工程的特點(diǎn)選取評(píng)價(jià)方法并進(jìn)行適當(dāng)修正。另外，采用單一評(píng)價(jià)方法往往無(wú)法對(duì)VOCs治理系統(tǒng)進(jìn)行全面高效評(píng)價(jià)，將多種方法組合，構(gòu)建多層次安全評(píng)價(jià)體系既能保證分析質(zhì)量，還能提高評(píng)價(jià)效率。

2)在本文構(gòu)建的集安全檢查表、HAZOP、風(fēng)險(xiǎn)矩陣、LOPA、FTA和沖擊波超壓計(jì)算為一體的安全評(píng)價(jià)體系中，HAZOP分析得到的初始事件頻率和后果嚴(yán)重程度可作為風(fēng)險(xiǎn)矩陣分析的數(shù)據(jù)來(lái)源，風(fēng)險(xiǎn)矩陣對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的判斷可篩選出較嚴(yán)重的事故，以便進(jìn)一步開(kāi)展LOPA分析，HAZOP識(shí)別出的初始事件還可以為FTA分析提供原因事件。

3)該體系充分發(fā)揮了不同評(píng)價(jià)方法的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了不同方法間的信息共享，評(píng)價(jià)過(guò)程系統(tǒng)、高效、有層次。