一種間歇過程HAZOP危險性分析方法及其應用

郭宇晴，鄒志云，任夫健，桂新軍

（防化研究院，北京 102205）

應用技術

一種間歇過程HAZOP危險性分析方法及其應用

郭宇晴，鄒志云，任夫健，桂新軍

（防化研究院，北京 102205）

首先描述了一種簡化的間歇過程危險性與可操作性分析HAZOP（hazard and operability analysis）模型，即用Petri網和符號有向圖（signed directed graph，SDG）結合的雙層結構模型，模型綜合了對離散事件有很好描述能力的Petri網和有較強深層推理能力的SDG二者的優點。其次應用此模型對精細化學品D3間歇生產過程操作復雜的萃取提純工序進行了危險性分析，對生產過程中的一些誤操作做了原因分析，并提出了相關的改進性措施。最后，對此方法的優缺點做了總結。

間歇過程；危險性與可操作性分析；符號有向圖；Petri網

化工過程安全分析方法有多種多樣，各種方法適用于不同場合，且各具特點。其中，基于符號有向圖（signed directed graph，SDG）定性建模和推理的危險和可操作性分析（hazard and operability analysis，HAZOP）能夠實現過程危險性分析診斷的完備性，在化工生產中的安全分析中應用廣泛。但是普通的HAZOP-SDG分析不能表達出間歇過程的操作順序，導致所有由操作順序失誤所導致的不利后果都不能在推理結果中顯現出來，因此在操作順序易發生錯誤的間歇生產過程中，單純的 SDG模型不能動態地描述間歇反應過程的因果關系[1-3]。

針對此問題，Mushtaq等[4]對間歇反應中的不同階段進行了分析，改進了原有的HAZOP方法，使之應用于無管道反應器的間歇過程之中。Byounggwan等[5]提出了包含4種子模型的多模型間歇過程危險分析方法。Holger等[6]將過程劃分為不同狀態并通過狀態圖轉換的方法進行安全性分析。Zhao等[7]使用了基于知識庫的專家系統來進行安全分析。張貝克等[8]使用了動態SDG建模來解決此問題。

由于 Petri網能夠很好地表達間歇過程的離散事件特征，完全符合HAZOP分析的特點，因此結合Petri網的HAZOP分析正逐步被學術界關注。即用Petri網模型描述系統的動態特性，SDG模型描述系統的靜態特性。Wang等[9-10]將SDG模型融入到Petri網中進行建模，并在原有的Petri網基礎上加了新的元素，得到有效的推理機制。Venkatasubramanian 等[11-13]提出的分析模型包括 3層模型：生產Petri網（RPN），用于描述任務的順序；任務Petri網，用于描述每個任務中子任務的順序（TPN）；子任務SDG圖，用于描述每個子任務中各個變量間的因果關系。在此簡化起見，本文把第一、第二層結構統一起來改為SDG和Petri網的兩層結構[14]，將SDG模型用Petri網的形式表示出來，組成一種新的簡化HAZOP分析模型框架。

1 HAZOP模型結構

1.1 模型第一層——Petri網模型

此HAZOP雙層結構的第一層為Petri網結構，此Petri網模型和一般的Petri網模型略有區別，包含庫所（places）、托肯（token）、遷移（transitions）等元素。庫所表示系統中各設備中的狀態，托肯表示庫所的狀態，遷移表示各設備標識的變化。托肯分為標志托肯和有色托肯。標志托肯表示系統當前的狀態，有色托肯則表示更多的關于物料的其它含義，如物料名稱、濃度、溫度等。遷移表示系統狀態的變化，分為一般遷移、標志托肯遷移和抑制遷移，3種遷移分別對應傳送所有的托肯、標志托肯、標志操作后的等待以及等待時間。

下面用一個簡單的間歇化工過程示例來說明這些元素的應用。如圖 1所示，是一個加料-升溫-保溫-放料過程。

圖1 加料-升溫-保溫-放料間歇過程示意圖

圖2 加料間歇過程的Petri網模型

此過程步驟為：①檢查計量槽M1是否為空；②向M1中加入定量的物料A；③檢查攪拌槽M2是否為空；④將A送入攪拌槽M2；⑤水浴加熱5 min。⑥保溫5分鐘；⑦出料并清洗M2。該過程的Petri模型圖如圖2所示。

在圖2所示中，加黑點的為標志托肯，表示當前系統處于生產前狀態；Χ為有色托肯，表示庫所中已含有物料。實線箭頭為一般遷移，虛線箭頭為標志托肯的遷移，加圓箭頭表示抑制托肯，用于描述“加熱”這一操作后的等待及等待時間。

由以上示例可以看出，托肯按照 Petri網的規則，遍歷所有的庫所，當所有的操作完成之后，標志托肯回到初始狀態的庫所中，有色托肯進入到存放物品的庫所中。至此，所有有用的系統信息如操作時間、物料信息、裝備狀態都已被描述。

1.2 模型第二層——SDG模型

模型的第二層即為 SDG模型，模型元素有節點、支路、符號。節點代表部件，支路代表影響關系，符號代表狀態。節點的狀態由符號“+”、“0”、“－”表示，它們分別代表超過閾值上界、處于正常工況、低于閾值下界。支路兩端節點變化趨勢相同，用實線箭頭表示，反之用虛線箭頭表示，它們分別代表相容支路和不相容支路。

在分析時，選定某一感興趣的關鍵變量節點，對其進行拉偏，在SDG圖中進行手工或計算機自動反向推理尋找非正常原因，正向推理判明不利后果。

1.3 模型中的標準表

標準表將模型兩層之間連接起來，使兩層成為一個統一的整體。在正常工況下，每個庫所即對應一個標準表，表示此時的物料信息和設備信息等。推理時用Petri網中的托肯來激活SDG模型，即從Petri網過渡到SDG模型中，若生產發生偏差，則必然反映到每個庫所對應的物料信息和設備信息中，此時和標準表對比，結合模型進行拉偏推理分析，就可以發現誤差原因和后果。

2 基于模型的間歇過程安全分析應用

2.1 計算機實現的步驟

Petri-SDG雙層結構模型中，用SDG模型來描述各變量間的影響關系。但是在間歇過程中，只有影響關系是不夠的，因為其不同的生產階段，影響關系是變化的。選擇了用Petri網來表述生產階段的進程。同時，還必須借助于計算機來解決間歇過程建模的第三個問題：自動推理。自動推理的步驟思路即從標準表的對比開始進行拉偏，從出現偏差的層次開始遞進深入，直至檢測到非正常原因和不利后果。

基于此雙層結構模型用計算機輔助來進行間歇生產過程的自動HAZOP分析，其步驟具體分為如下幾點。

（1）在每一時刻檢測系統各狀態值并將之與標準表進行比對；

（2）若檢測各設備狀態和屬性正常則循環往復，繼續檢測；

（3）若由于操作不當等原因，導致了某托肯中屬性發生變化，與標準表屬性不一致，進入SDG模型的原因節點；

（4）根據SDG自動推理搜索，找出相應的原因，報警并顯示；

（5）返回步驟（1）繼續檢測。

2.2 在D3間歇萃取提純過程中的應用

下文采用以上方法對精細化學品D3萃取提純過程這一操作復雜繁瑣的間歇過程進行HAZOP安全分析，整個過程的工藝流程框圖如圖3所示。

本間歇過程操作步驟可分為一次萃取、酸洗、堿洗、二次萃取，其各個步驟的Petri網結構圖分別如圖4～圖7所示。

在圖4表示的一次萃取中，R2抽真空后開始加萃取劑，待攪拌靜止后便傳輸給 R3，支路 1、支路 2表示先將 R2中下層溶液傳輸到 R3中，待R3分層傳輸到R4后再將R2上層溶液傳輸到R3中。R2中的液體傳輸完畢后，標志托肯回到最初的庫所中。

圖3 D3萃取提純過程的工藝流程圖

圖4 一次萃取的Petri網結構

圖5 酸洗過程的Petri網結構

圖6 堿洗過程的Petri網結構

圖7 二次萃取過程的Petri網結構

圖8 整個過程的SDG分析

在圖5表示的酸洗過程中，加入鹽酸，待靜置分層后，下層液體傳至R5中，上層液體傳至R6中。完畢后R5中的液體傳至R3中，等待下一步堿洗操作。

在圖6表示的堿洗過程中，加入堿液，攪拌靜置分層后，下層溶液傳輸至R7中。

在圖7表示的二次萃取過程中，R3中再次加入萃取劑，攪拌靜置分層后，下層溶液仍舊傳輸至R7中。經過上述一次萃取、酸洗、堿洗，所需D3精品留在了R3。

對整個過程作SDG分析圖，如圖8所示。

3 D3萃取提純過程誤操作原因分析

下面結合此間歇過程HZOP分析情況，就該萃取提純過程的一些誤操作進行原因分析。

3.1 進料時間過長

此誤操作顯然具有間歇操作事故的特點，具有滯后累積性，會對往后若干步后的操作造成影響。要求單一因素影響，可假設一次萃取時加料過量。下面進行這一誤操作不良后果的分析。

先進行Petri網中的偏差分析，由圖4可知，若一次萃取加料過多，則按照網絡正向分析，和標準表進行對比，會檢測到 R3中溶液過多，進而進入圖8進行SDG自動推理，把對應節點拉偏，按照相容通路正向分析，得出不良后果可能是 R3溶液泄漏至真空機，或者是R4中液體漏出。

3.2 操作步驟缺失

此誤操作同樣具有間歇事故的特點，對后序步驟具有累積性的影響。可假設R2傳輸至R3時，兩步傳輸缺少一步，變為一步傳輸，下面進行這一誤操作不良后果的分析。

先進行Petri網中的偏差分析，由圖4可知，若操作步驟缺失，R2中溶液分層后全部傳輸到R3中，按照網絡正向分析，和標準表進行比對，會發現R3中溶液過多，進而進入圖8進行SDG分析，同樣的思路，得到不良后果可能是 R3溶液泄漏至真空系統，或者是R4中液體漏出。

3.3 操作步驟顛倒

此誤操作同樣具有很嚴重的累積性后果。假設R3傳輸至 R6/R5時兩個閥門打開順序顛倒錯誤。由圖5可知，會發現R5/R6溶液高度均和標準表有差別，進而進入圖8分析，得到后果是最終產品量很少。

3.4 物料加錯

若加入物料時發生錯誤，物料加錯，最終完全得不到所需產物，并且R4、R6、R7中也不是應該得到的廢液。

根據上述的HAZOP安全分析，為了避免出現事故和不良后果，可對該萃取提純過程及其操作進行如下改進。

（1）為了避免最終D3產量低，首先，在預防上要求每個步驟加入的各種溶劑必須區分明確，嚴格定量，攪拌和靜置充分，分層徹底；其次，為了進一步減少誤操作的后果，應在 R2、R3中增加傳感器，設置液面報警與分層液面報警，超出設定的區域值便報警，根據不同的成因采取不同的措施。

（2）為了避免R4、R7中液面過高而溢出，首先，在預防上要求溶液分層后的傳輸必須精力集中，控制好傳輸速度，觀測好試鏡液面；其次，為了進一步減少誤操作的后果，應在R4、R7中加入液位傳感器，設置為高液面報警，當液面過高時，則報警，采取措施為立即關閉相應的閥門，并把液體抽回原容器中繼續分層操作。

（3）為了避免下料不暢的問題，首先，在預防上要求裝料前仔細檢測真空、放空閥的開關，確保操作正確；其次，在計算機控制系統的操作上，每步均有相關閥門開關0-1的判定，若每步與設定的不同，則報警，采取的相應措施為人為地改動閥門的開關。

4 結 論

描述了一種簡化HAZOP分析模型，并基于此模型對D3間歇萃取提純過程進行了危險性分析，并提出了對生產過程及其操作的改進性措施。該方法具有一般 SDG模型所不具備的特點和優勢：解決了 SDG模型不能應用于間歇過程的缺點；包含了大量的系統信息；雙層結構建模較為簡單；分層推理，層層遞進，清晰明了；模型可復用，可擴展；可很方便地通過自動辨識算法進行計算機輔助HAZOP分析。

至今，間歇過程的故障診斷和安全性分析還沒有一個統一的解決方案，此方法也不可避免具有一些缺點和不足：各個Petri網模型是孤立分散的，若是應用于大型化工生產實踐中，有較大的局限性；真正的生產中故障繁多，標準表對于托肯的列舉也是有限的，因此故障分析的覆蓋面還是不全面的，對此將有待于進一步改進。

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A batch process hazard and operability (HAZOP) analysis method and its application

GUO Yuqing，ZOU Zhiyun，REN Fujian，GUI Xinjun
（Research Institute of Chemical Defense，Beijing 102205，China）

A simplified batch process HAZOP（hazard and operability analysis）model is constructed by useing Petri nets and SDG（signed directed graph）with a double-layer structure. Petri nets have a very good description for discrete events，and SDG has a strong ability in deep reasoning. Their advantages are well combined in the proposed model. Risk analysis is conducted on the batch process of D3 extraction and purification. Some common malfunction and unappropriate operation are analyzed，and corresponding improvement measures are proposed. The advantages and disadvantages of this method are summarized.

batch process；hazard and operability analysis （HAZOP）；signed directed graph （SDG）；Petri net

TP 371.7

A

1000–6613（2011）11–2569–06

2011-05-09；修改稿日期2011-06-23

及聯系人：郭宇晴（1988—），男，碩士研究生。Email guoyuqing1988@yahoo.cn。