應用系統論建立石化企業成災模型初探1

張素靈 林 捷 丁秋琴

（中國地震臺網中心，北京 100045）

應用系統論建立石化企業成災模型初探1

張素靈 林 捷 丁秋琴

（中國地震臺網中心，北京 100045）

大型企業的生產是一個有機的整體，一個企業就是一個系統，每一個流程又是一個子系統，這些生產流程環環相扣，形成了企業的生產鏈。本文正是將企業的災害損失評估建立在這樣一個系統分析的基礎上，提出了石化企業有向層結構模型，并建立了石化企業的抗震性能分析基本框架和方法，同時以某化工廠為例進行了具體的分析和應用。

系統論 石化企業 成災模型

前言

2008年5月12日汶川發生了8級特大地震，地震影響到成都、德陽、綿陽、廣元、雅安、眉山、阿壩等地數百家化工企業，給這些企業造成了巨大損失，有的甚至廠毀人亡。據這些化工企業統計，人員傷亡、設備破壞、被迫停產是最直接的損失。而中國化工集團公司是汶川地震中受災最重的央企之一（顧宗勤，2008）。如何評估這些損失，并且在生產建設中如何減少甚至避免這些損失成了企業減災的重要課題。

本文基于多年來石化企業在減災工作中探索出的經驗，提出了有向層結構模型，并將此模型用于科研實踐中，取得了很好的效果。同時該模型已在某石化廠的震害預測及防震減災信息管理與決策系統建設中得到了應用，獲中國地震局防震減災優秀成果三等獎。

1 石化企業的特點和震害

石油煉制是一個對生產設備和生產環境要求較高的物化過程，生產裝置一旦啟動，要求供水、供電、供風和供氣運行正常，而且生產的連續性要求也很高，任何一個環節出現問題，都會嚴重影響到上一級或下一級的繼續生產。

對于城市或某些建（構）筑物的抗震可靠性分析工作，從理論上講已經很深入了。但是如何對一個企業，尤其是像石化廠這樣一個極其特別的企業，不僅要考慮到其廠房等建筑物的抗震可靠性，更要考慮到其相關生產設備、生產資料及產品存放保管等多方面的抗震安全性。因此，對石化企業做抗震可靠性分析是目前的一個新課題，其原因如下：

（1）石化企業各裝置所處理的液、氣體大都有毒，且易燃、易爆，屬危險品，一旦發生泄漏，將造成巨大危害。

（2）石化企業工作連續性強，各車間從進料到產出是一個完整的有機體，如果一個環節出現問題，將可能影響到整個生產過程。

（3）石化企業的各個車間又是一個完整體系，它是由生產及輔助生產的一系列子系統組成的，環環相扣。

（4）預測的主體是一些化工設備，屬特種工程結構，而這方面的震例資料遠少于普通建（構）筑物。

（5）石化企業的次生災害嚴重。在我國近年來發生的地震中，石化企業造成的次生災害并不像國外那么嚴重，只是在近幾年開展城市抗震可靠性分析中才意識到它的重要性，故這項工作才剛剛開展。

（6）對地震之后的次生災害危害程度的預測、評估，不僅與震害有著直接的關系，同時與氣候、地理等許多自然因素也有著密切的關系。目前，對石化企業的地震次生災害預測還處于探索階段，要做出相對完整、可靠的地震次生災害預測目前還比較困難。

石化企業生產的產品及所用的原料具有特殊性和高危性，同時石化企業又有眾多的火源及易燃品。在歷次破壞性地震中，總是伴隨著火災的發生，損失尤為嚴重。如1964年6月16日，日本新瀉發生7.5級地震，昭和石油公司發生了大火，一直燃燒了2個星期。

而石化企業另一個震害特點是伴隨有泄毒、爆炸等產生的次生災害。如在1976年唐山地震中，天津漢沽化工廠由于氯氣中毒死亡3人。

另外，由于石化企業的生產連鎖性，一旦某一環節受損，將影響到其上游和下游的生產。如唐山地震使天津堿廠廠房和設備受損，導致停工停廠，隨之而來的是使大量不在地震區，但使用該廠產品的一系列工廠停產停工，影響波及全國。

綜上所述，地震對石化企業造成的危害主要有以下4個方面（張素靈等，2001）：

（1）地震波對生產設備的破壞。如爐、罐、塔及管線等設備的傾覆或松落都將造成停產，甚至起火燃燒。

（2）地震導致的“四停”（供水、供電、供風和供氣的中斷），則有可能造成因沒有冷水降溫而使爐管破裂或結焦，并導致設備報廢。

（3）管線出現裂縫，造成油氣泄漏，引燃大火。石油煉化過程中的油氣溫度很高，大都有毒，而且極易燃燒，一旦泄漏，則可能釀成大的災難。

（4）裝置區的建（構）筑物（如操作間、控制室、泵房、設備平臺等），一旦遭到地震破壞，極易造成儀表設備的損壞，直接影響生產。

2 石化企業抗震性能分析技術思路

一般來講，結構易損性分析常采用震害經驗統計的方法，利用已有的各類建（構）筑物的震害資料對類似建（構）筑物進行易損性估計。對石化企業需要做抗震性能分析的包括以下 3類：①建筑物：辦公室、實驗室、泵房、車間；②構筑物：設備平臺、煙囪、廠房、雙油線、冷卻塔、管道支架、貯池；③化工設備：加熱爐、塔類、油（氣）罐類、控冷器、泵等。

石化企業每個裝置的生產，都是由一系列十分復雜的物化反應組成。首先需要分析這些裝置的生產流程及裝置內的主要生產設備，找到其中的關鍵設備和薄弱環節，依據生產流程進行分析，從而建立一個以生產裝置為單元的抽象分析體系。進行分析時不僅要將各裝置、各車間作為一個整體考慮，而且還要通盤考慮石化企業的整體情況，只有這樣才能反映出該石化企業的特性（李桂青等，1992）。

據上所述，石化企業的抗震性能分析可分為以下4個步驟：

（1）仔細分析該石化企業的每個生產流程及全部生產過程，找到每個生產車間的關鍵設備和危險部位。

（2）通過現場調查和計算分析，給出各車間主要化工設備和建（構）筑物的抗震性能評價。

（3）從系統的角度，以車間為單元分析其抗震性能。對于一個生產車間來說，其節點的可靠性由3個因素決定：本身節點的抗震可靠性；生命線系統的供應保障；生產上游原料供應的保證。

（4）將該石化企業作為一個整體系統，綜合評價其抗震性能。

在進行石化企業的抗震性能分析時，不能只考慮單一建（構）筑物或生產設施的抗震性，而應當在整體考慮的基礎上，對石化企業的各個功能區域進行劃分，給出不同的危險等級。然后，根據其可能帶來的次生災害的嚴重性，采取不同的抗震方法。對于危險等級較高的區域要重點監控，采取更高等級的抗震措施，以盡量減少震后次生災害帶來的危害和損失。

3 石化企業中各個單體的抗震性能評價

對應于石化企業的震害特點，建（構）筑物及設備（結構單體）的抗震性能分析應考慮以下4個方面：

（1）建（構）筑物（如操作間、控制室、泵房、設備平臺等）的抗震性能評價；

（2）重要設備（如爐、罐、塔等）的抗震性能評價；

（3）危險部位（如爐塔間的轉油線、塔底泵、重要管線等）的抗震性能評價；

（4）生命線系統（供水、供電、供風和供氣）的抗震性能評價。

通過對石化企業在歷次地震中的震害統計資料分析，可發現在諸多震害因素中，由于建（構）筑物的破壞引起石化設備損壞是最主要的。如泵房、配電間、操作室等建筑物一旦遭到破壞，其中的化工設備也必將受到破壞。此外，還有一些獨立的設備也容易受到地震的破壞。

在化工設備中破壞數量最多、且最嚴重的破壞單體是儲罐。只有在極少數的情況下其他單體才可能破壞，以至于短期內不得不更換。究其原因，是因為化工設備多為鋼結構，彈性好，耐張拉和抗疲勞性能遠遠優于磚石、混凝土等脆性建筑材料。塔的損壞主要包括：基礎開裂；螺栓拉長、屈服；爐子的支柱屈服；換熱器接頭破裂等（許建東等，2002）。

化工設備是石化企業最重要的組成部分，主要包括各類爐、塔和罐（容器），一旦遭到地震襲擊，其損失不僅僅是結構破壞，還可能導致生產停頓以及由于易燃易爆有毒物質的泄漏，產生極嚴重的次生災害（葉泰來等，1994），因此，需徹底清查各生產環節重要化工設備的抗震性能，做好震害防御工作。根據對歷次地震對化工設備的破壞現象分析，其破壞主要表現為：

（1）建（構）筑物倒塌造成設備破壞；

（2）儲液罐的罐底或罐壁破壞；

（3）設備連接部位損壞，高柔設備的螺栓拉長，管道剛性連接拉壞；

（4）設備移位或傾斜；

（5）地基不均勻沉降引起破壞；

（6）電氣設備陶瓷部件破壞；

4 石化企業有向層結構模型

石化企業生產的特點是各車間密切相關，各車間相對獨立又相互依賴，形成了一個有機的系統。根據這種互相依賴又相互制約的關系，可將石化企業作為一個相對獨立的分析單元、各車間為子單元進行分析（見圖1）。

從圖1可以看到，這里包括4種相互作用的影響關系：生命線系統之間的相互作用；系統對用戶的作用（注意這里不考慮用戶對系統的反作用）；用戶間相互的影響；石化企業與外界的影響。

假設地震發生前，這些關系都是和諧和完善的理想運行狀態，各車間之間及用戶與生命線系統之間是一種充分利用、沒有原料不足和產品積壓現象。為了描述這種錯綜復雜的相互關系，我們建立了石化企業有向層結構模型（見圖2），并做了以下一些假定：

圖1 石化廠各車間相互影響關系示意圖Fig.1 Illustration of linkage between different workshops

圖2 石化企業有向層結構模型示意圖Fig.2 Illustration of layer structure

（1）該模型分上下兩層：上層為生命線系統層，下層為用戶層（生產車間）。

（2）在上層（系統層）中，生命線系統之間存在相互作用關系。例如：供電系統決定了其他3個系統的正常工作；供氣系統受制于供水和供電系統。

（3）在下層（用戶層）中，用戶之間由于生命線系統功能的降低，其經濟運行能力受到影響，產出減少，對其他用戶的生產運行造成影響。

（4）忽略下層對上層造成的影響，即生命線系統對用戶具有影響，而用戶對生命線系統沒有反作用。由于生命線系統自身損壞造成功能降低，影響其對用戶的服務。

（5）石化廠對外界輸出受地震作用的影響而降低，但其需求及外界對石化廠的供應不能受損。

5 案例分析

以某石化廠為例，該工廠的油料加工系統是由蒸餾車間等13個生產車間共31套生產裝置組成。根據各車間所起的作用不同，可將石化廠分成5個不同的系統：原油儲運系統；油料加工系統；生命線系統；產品貯存及出廠系統；輔助生產系統。其中每個系統又是由數個車間組成。生命線系統由循環水、供電、供氣和供風組成；產品貯存出廠系統由調合、貯存和出廠組成；輔助生產系統包括制氫等裝置。

最小的預測單元是以裝置為單位，再上一級是以主要生產車間和輔助生產車間兩部分組成，如圖3所示。

圖3 某石化廠層狀結構示意圖Fig.3 Illustration of the layer structure of a petrochemical enterprise

我們以該石化廠第二套常減壓蒸餾裝置為例，具體說明該裝置的生產流程。該裝置共有設備747臺，主要設備52臺，工藝管道4.3km，建筑物5棟，構筑物3個和3條轉油（氣）線。常減壓蒸餾裝置是石油煉制過程的第一步，是整個石化廠的龍頭。圖4給出了一個經過簡化的原油生產加工流程圖。原油由4號罐區經原油泵房進入換熱器初步加熱后，進入電脫鹽裝置，同時加入破乳劑，沖洗油后經一級脫鹽罐進入二級脫鹽罐，再經換熱器進入初餾塔T1，原油初餾后產生的重整原料流出裝置，進入焦化裂化裝置。塔底拔頭油再進入常壓爐L1進行加熱，同時進入常壓塔T2進行常壓分餾。T2塔底油進入減壓爐L2加熱，再進入減壓塔T5。T2塔頂分餾出的汽油、煤油和柴油經常壓塔T3后流出裝置，進入后續裝置。從減壓塔T5分餾出的塔頂油氣進入減壓塔T4。減壓塔T5一側由上而下分別分餾出潤滑油、催裂化原料。從減壓塔 T4分餾出的減壓渣油進入延遲焦化裝置和瀝青裝置。這是一個相對來說并不復雜的流程。

從以上原油生產加工的流程不難看出，在原油的生產過程中其抗震薄弱環節主要包括：

（1）減壓塔T5：它是一個具有負壓的熱油氣塔，塔高57m。

（2）減壓塔T5到減壓爐L2的轉油線：易折損，油溫很高（300多度），遇空氣便著火。

（3）常壓塔T2到減壓爐L2的轉油線：現在已有些移動。

（4）減壓爐L2旁邊的煙囪（高約30m），略向西傾斜（原因是安裝偏差及基礎的不均勻沉降）。

圖4 原油生產加工流程示意圖Fig. 4 Illustration of oil production and processing

上述這些抗震薄弱環節，都有可能在地震次生災害中帶來不可估量的破壞、損失。

6 結論

目前常采用的傳統體系分析方法，是從電子和機械體系的研究發展而來的，其中有許多技術已經應用于大型電子計算機、核電站或宇航技術的可靠性分析方面。

而石化企業的分析對象與這些體系之間既有相似之處又有不同之處，石化企業的易燃、易爆、劇毒氣體、液體等有可能在地震的次生災害中產生巨大的破壞作用，而且決定其破壞作用的不僅是地震災害本身，同時也與氣候、地理、地質等條件有著密切的聯系。而且這些外因本身就具有易變性、不確定性，如果完全采用電子體系分析技術和現有的模型進行分析，其分析結果必然存在較大的誤差。為此，我們必須建立一套完整、復雜、多學科的模型，該模型不僅要考慮建（構）筑物及生產設施的抗震性能，同時也要考慮各種有害物質的破壞性和自然環境的影響等，只有這樣，才能實現石化企業地震次生災害的預測和評估，為石化企業制定出切實可行的應急處置方案。

然而目前還很難完全采用現有的電子體系分析技術和模型，來分析石化企業的抗震可靠性，而且這樣做也很不經濟。因此，作者認為要解決這一問題，應基于石化企業自身的生產模式和工藝流程，并結合石化企業的特點，構建模塊化、結構化的分析模型。本文提出的石化企業有向層結構模型，就可用來描述和分析這種錯綜復雜的關系。該模型將全廠的生產車間按其功能分為了2個層面：生命線系統層和用戶層（即生產車間），這樣就可分別計算其可靠性。

同時，每個生產車間又可根據其生產流程，進一步分成由建（構）筑物和設備為節點的體系，根據對每個生產車間關鍵設備的可靠性分析，就可以得到該車間的可靠性（不考慮供水、供電、供風和供氣的停止），再結合生命線系統的可靠性，依據石化企業有向層結構模型給出的描述，即可得到全廠各車間的抗震可靠性。

由于篇幅所限，本文只是對一個方法的宏觀描述。對于某些比較成熟的分析，例如結構的抗震可靠性分析、體系的網絡分析等，本文暫不做進一步介紹。

總之，對石化企業的震害評估與次生災害預測，由于其生產原料及流程的特殊性、高危性，不能僅僅采用傳統的分析方式。本文提出的石化企業有向層結構模型從生產流程、生產過程鏈等多個方面，對石化企業的震害和次生災害進行了分析和評估，并取得了一定的效果。當然，這個模型還需要進一步的細化和深化。

顧宗勤，2008. 汶川大地震對石化業的影響深度分析. 中研網：http://blog.china.com/u/070716/64897/.

李桂青，李正農，1992. 基于系統可靠性分析地震次生災害損失預測. 武漢城市建設學院學報，9（1）：83—90.

許建東，林建德，曹華明，張素靈等，2002. 石化企業地震次生火災危險性評估與對策研究. 自然災害學報，11（1）：134—140.

葉泰來，楊林根，1994. 化工企業地震次生災害及對策. 現代化工，14（5）：5—8.

張素靈，許建東，曹華明，王春華，2001. 地震斷層作用對地下輸油（氣）管道破壞的分析. 地震地質，23（3）：432—438.

A Preliminary Study on Disaster Model for Petrochemical Enterprise Using the System Theory

Zhang Suling, Lin Jie and Ding Qiuqin
(China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China)

The manufacture of a large enterprise is a well organized integrity, and an enterprise is a system, while every process is a subsystem. These production processes closely link each other, forming the enterprise's production chain. Based on the system theory, enterprise disaster loss assessment is established from the view point of systematic analysis in this paper. A model of the layer structure is put forward, and the basic framework and method to evaluate the anit-seismic performance in petrochemical enterprises are proposed. A case study of a chemical plant is given to illustrate the application of this method.

張素靈，林捷，丁秋琴，2011. 應用系統論建立石化企業成災模型初探. 震災防御技術，6（3）：319—325.

國家科技支撐計劃課題“地震預警與烈度速報系統的研究與示范應用”（ 2009BAK55B04）資助

2011-02-13

張素靈，男，生于1965年。副研究員。1999年獲理學博士。現在中國地震臺網中心從事強震動觀測及與城市減災有關的研究工作。E-mail: zsl@seis.ac.cn

Κew words: System theory; Model; Petrochemical enterprise