基于理想優基點法的原油儲罐區布局多目標決策

李 陽，張明廣，錢城江，桂 陽，冷 源

基于理想優基點法的原油儲罐區布局多目標決策

李 陽1，張明廣1，錢城江2，桂 陽1，冷 源1

(1.南京工業大學江蘇省城市與工業安全重點實驗室 江蘇 南京 210009；

2.南京國泰協創安全科技有限公司，江蘇 南京 211500)

原油罐區是重大的火災爆炸危險源，儲罐之間易產生多米諾效應加之危險源與居民區的距離較近，使罐區的風險較大。基于多目標決策理論對原油罐區的布局進行研究，首先分別計算出每種布局方案下土地使用面積、罐區內多米諾效應發生的綜合失效概率、罐區對周邊居民區的個人風險；然后運用多目標決策理論中的理想優基點法對各備選方案進行綜合比較，選擇最優的布局方案；最后通過對某居民區附近的原油罐區布局計算，從而驗證該方法的可行性。

原油罐區布局；理想優基點法；多目標決策；多米諾效應；個人風險

原油罐區是原油儲、運的重要場所，儲罐數量多、儲量大、生產設施多、工藝復雜，是火災爆炸的危險源。國內消防部門對煉油廠的調查結果表明，在全部油罐火災中，原油罐占40%，居油罐火災事故的第一位[1]。臺灣高雄大學[2]統計了1960—2003年間242起儲罐事故，其中原油儲罐事故66起，排名第一。原油儲罐發生火災事故的特點主要表現在火焰溫度高、輻射熱強，相鄰儲罐在強輻射熱的影響下，液態油品產生相變，油罐內部因壓力升高而導致油罐破損[3]，很容易引發二次事故，導致事故多米諾效應，從而使得火勢擴大，形成罐區火災。

國內對原油罐區布局的設計主要依據各種指令性的規范，如《石油化工企業設計防火規范》(GB 50160—2008)、《石油化工企業廠區總平面布置》(SH/T 3053—2002)、《石油庫設計規范》(GB 50074—2014)等。但隨著原油罐區大型化，居民區不斷向城市的郊區發展的趨勢，標準規范中的安全距離已無法在有限的空間下，能夠做到合理布局儲存裝置又不浪費一寸土地，且能確保裝置間具有足夠的安全距離、減少和消除多米諾效應、減弱罐區對周邊人員密集區域的風險[4]。目前，國內雖然對原油罐區布局的研究較多[4-5]，但主要集中于單目標優化方法的研究，如安全距離法、基于后果的方法、基于風險的方法和綜合性的方法等，而對罐區布局的多目標優化方法的研究較少[6-8]。國外對原油罐區布局的設計主要依據Seveso Directive III，且主要是從風險、脆弱性的角度分析其合理性，忽略了儲罐間的多米諾效應[9]。

罐區裝置布局實質上是個多目標決策問題，如何在有限的土地資源下，通過罐區的不同布局方案決策，選擇一個能使罐區內儲罐間的多米諾效應、對周邊設施的風險達到最小的布局方案，則是本文主要的研究內容。本文采用理想優基點法對原油罐區布局方案進行多目標決策研究。首先，根據有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序，在現有的對象中進行相對優劣的評價；然后將原始數據進行同趨勢和歸一化處理，可從同一指標與最優指標的距離之比計算中體現出同一指標間的接近度，這在一定程度上反映了離散程度，排序結果充分利用了原始數據信息；最后運用各級標準和待評價對象與規范統一的正、負理想點的均方根距離來計算其對應貼近度，進而得出相應的評價結果[10]。該方法在有限的數據情況下，能夠定量反映不同評價單元的優劣程度，且直觀、可靠、操作性強。

1 原油罐區布局多目標決策體系構建

本文從土地使用面積、儲罐綜合失效概率以及對居民區的個人風險三個方面，運用理想優基點法選擇原油罐區最優布局方案，圖1為建立的原油儲罐布局多目標決策體系，整個體系分成計算層、屬性層、方案層和決策層。

圖1 原油罐區布局多目標決策體系Fig.1 System of the layout of a crude oil tank farm based on multi-objective decision making

2 實例應用與分析

本文以某居民區附近的原油罐區的布局設計為例，詳細說明建立的原油罐區布局多目標決策體系的整個計算、決策過程。

2.1 原油罐區布局的基本情況

如圖2所示，在距離居民區150 m處計劃建造一個(座)原油庫，常壓儲罐儲存原油12 000 m3。本文的目標是在考慮土地資源、罐區內多米諾效應以及儲罐對居民區的風險的情況下，通過多目標決策，得到最優的原油罐區布局。

圖2 某原油罐區Fig.2 Hypothetical crude oil tank farm

在滿足相關規范[11-12]的前提下，本文設計了6種可能的原油儲罐區布局方案，詳見圖3，各布局方案下的儲罐參數見表1。

圖3 原油儲罐區的不同布局方案Fig.3 Alternatives for the layout of a crude oil tank farm

2.2 原油罐區多米諾綜合失效概率計算

Abdolhamidzadeh等[13]運用蒙特卡羅法(Monte Carlo Method)開發出一種在理論分析的基礎上計算裝置多米諾效應概率的計算方法。本課題組在其研究成果的基礎上，對其算法做了相應的改進，如在傳播概率與隨機數比較時增加一個裝置間的內循環，以降低運算時間，并根據改進的算法開發出一款計算模擬軟件，稱之為“事故連鎖多米諾效應概率計算方法”。該計算方法基于蒙特卡羅原理，運用多次試驗來模擬實際的多裝置系統發生事故連鎖多米諾效應的情況，其最終的輸出結果就是系統中每個裝置的多米諾綜合失效概率(裝置自身失效概率以及在多米諾效應作用下的失效概率)。

表1 不同原油罐區布局相關參數

原油儲罐初始失效概率為5×10-6[14]，對于儲罐間的傳播概率Pij的計算，Bagster等[15]提出儲罐間傳播概率與它們之間距離的平方呈反比的關系，即距離越遠導致發生多米諾效應的概率越小，因此給出如下公式：

(1)

(2)

式中:rth為初級事故能引起破壞的最大距離，即達到多米諾效應破壞閾值的距離(m);rij為儲罐之間的距離(m);Qiy為池火災下儲罐之間的熱輻射通量(kW/m2);Ith為常壓容器池火熱輻射強度的破壞閾值(kW/m2)，通常取15kW/m2[9]。

根據公式(2)，可計算得到各布局方案儲罐多米諾效應破壞閥值的距離rth，詳見表2。

表2 各布局方案下儲罐多米諾效應破壞閾值的距離

以布局方案X5為例，根據公式(1)分別計算出不同儲罐間的傳播概率Pij，并輸入軟件，最終計算得到布局X5的儲罐多米諾綜合失效概率，見圖4。

圖4 布局方案X5的模擬結果Fig.4 Simulation results of the layout scheme X5

同理，可依次計算出每種布局方案下儲罐的多米諾綜合失效概率，詳見表3。由表3可見，隨著罐區內儲罐數目的增加，在考慮儲罐間的多米諾效應的情況下，儲罐的多米諾綜合失效概率變大。

表3 不同布局方案下儲罐的多米諾綜合失效概率

2.3 原油罐區對居民區的個人風險計算

2.3.1 后果分析

脆弱性模型是一種被廣泛認可且用于評價人體對有毒物質、熱輻射或超壓的劑量-反應關系的方法，該模型由標準正態概率分布函數的累積表達推導而來，其計算公式如下：

(其中，D為劑量，D=6×10-3I1.33t[16];μ和σ為高斯分布的中位數和方差)；Y可通過下式計算:

Y=-14.9+2.56lnD

(4)

在考慮多個事故場景的情況下，總體的脆弱性Fd可以通過單個事故場景脆弱性組合進行計算。Cozzani等[17]提出的應用較為廣泛的方法是假設整體脆弱性為多米諾事故中所有場景的死亡概率之和(上限為1):

(5)

式中:Fp為初始事故造成的人體脆弱性；Fd，i為多米諾事故場景i造成的人體脆弱性。

2.3.2 多米諾場景的事故概率

多米諾場景的事故概率的計算考慮同一初始事故引發的1個以上的2級事故。若不考慮2級事故的進一步升級，可認為升級事故是獨立事件，則含k個發生2級事故的設備同時發生第m種多米諾場景的期望概率為[18]

(6)

(7)

2.3.3 考慮多米諾效應的居民區個人風險

基于以上分析，在考慮多米諾效應的前提下居民區的個人風險R[18]可由下式計算:

(8)

2.3.4 不同布局方案下考慮多米諾效應的居民區個人風險值

通過以上計算方法，最終可計算得出各布局方案下考慮多米諾效應的居民區個人風險值，見表4。

表4 不同布局方案下考慮多米諾效應的居民區

2.4 多屬性決策的理想優基點法

在對各布局方案進行決策時，主要考慮了罐區土地面積、罐區儲罐綜合失效概率以及居民區的個人風險值這三個屬性，各屬性的優劣狀況最終都可以用定量的數值表示，因此在整個多屬性決策過程中可以通過數值的計算得出最優解。

2.4.1 求方案的優基點

采用式X={X1,X2,X3,X4,X5,X6}的約束集表示6個可行的布局方案，根據不同布局方案各屬性狀況信息(見表5)，將其轉換為對所有屬性狀況都用定量表達的如下數值矩陣：

表5 不同布局方案各屬性狀況

布局方案各屬性狀況土地面積A1/m2儲罐綜合失效概率A2/(10-6)個人風險值A3/(×10-6)X116005.023.4X220445.428.6X3214210.321.8X424488.427.1X5270411.48.56X6285613.04.17

因為屬性A1、A2、A3這三對屬性值都是要求達到最優極小化，而且都有不同的量綱單位，因此需要對矩陣中的值進行無量綱化處理，即

(9)

2.4.2 求理想優基點

由各優基點對應分量中的最大值組成的點，對于方案來說是最“理想”的點；相反地，由最小值組成的點，對于方案來說是最“不理想”的點，分別記[19]：

(10)

作m維屬性空間Rm中的點，有

(11)

(12)

式中：zΔ為理想優基點；z為反理想優基點。

2.4.3 計算綜合距離

優基點在三維空間上的反映就是一個點，找最優的方案，其實就是在某距離意義下尋找最接近理想優基點而最遠離反理想優基點的點。如圖5所示，在三維空間畫出優基點z1,z2,z3,z4,z5,z6以及理想優基點zΔ和反理想優基點z。

圖5 各優基點在三維空間中的分布Fig.5 Distribution of each cardinal point in three- dimension space

各優基點與理想優基點和反理想優基點的距離計算公式如下：

(13)

以di作為衡量zi到zΔ和z的綜合距離，其計算公式如下[19]:

(14)

根據公式(13)和(14)，可計算得到不同布局方案下各優基點與理想優基點和反理想優基點的距離以及綜合距離，見表6。

2.4.4 綜合距離優選排序

根據距離最小原則，設xi，xj∈X(i≠j)，若di

由表6的計算結果可得：d4>d3>d2>d1>d5>d6，根據距離最小原則，可知方案X6是最優偏好解。

表6 不同布局方案下、di的計算結果

雖然方案X6的儲罐數量、儲罐間的多米諾效應、土地使用面積是最多的，但罐區對周邊的居民區的個人風險是最小的。由于理想優基點法是用空間距離大小來表征方案的優劣，出現最優結果是方案X6的情況，則是因為在計算時個人風險屬性的極差相對于其他屬性而言較大，所以導致風險所占的比重較大。

3 結論與建議

(1) 本文建立了原油罐區布局多目標決策體系，從罐區的土地面積、多米諾效應、對周邊居民區的個人風險三個方面綜合考慮原油罐區的布局，并以理想優基點法作為罐區布局方案選擇的多目標決策方法，最終得到最優的布局方案。

(2) 理想優基點法是以靠近正理想解和遠離負理想解兩個基準作為評價依據來確定方案的排序，具有直觀的幾何意義。該方法基于數據樣本本身，具有一定的客觀性，且對原始數據的利用比較充分，信息損失比較少，適用于化工裝置的多目標決策。但本文的研究還存在數據量有限、數據波動較大、沒有典型的分布規律等缺陷，建議下一步可以通過擴充數據容量、對樣本數據進行內在關聯分析等方法來解決此問題。

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Multi-objective Decision Making for Layout of Crude Oil Tank Farms Based on the Method of Ideal Outranking Cardinal Point

LI Yang1,ZHANG Mingguang1,QIAN Chengjiang2,GUI Yang1,LENG Yuan1

(1.JiangsuKeyLaboratoryofUrbanandIndustrialSafety,NanjingTechUniversity,Nanjing210009,China;2.NanjingGuoTaiXieChuangSafetyTechnologyCo.,Ltd,Nanjing211500,China)

A crude oil tank farm is a major hazard source of fires and explosions.As domino effect tends to occur between storage tanks and hazard sources and the residential areas are close,the risk becomes relatively high.This paper conducts a research on the reasonable layout of crude oil tank farms based on the method of multi-objective decision making.First,the paper calculates the land use area,the comprehensive failure probabilities of domino effect in tank farms,and the individual risk of tank farms to the surrounding residential areas under each layout scheme respectively.Then,the paper applies the method of outranking cardinal point from the theory of multi-objective decision making to compare various alternatives,and selects the optimal layout scheme.Last,the paper calculates the layout of a crude oil tank farm near a residential area to testify the feasibility of the method.Key words:crude oil tank farm layout;method of ideal outranking cardinal point;multi-objective decision making;domino effect;individual risk

韋朝陽(1965-)，男，研究員，主要從事重金屬污染的生態與健康風險及環境修復等方面的研究。E-mail:weicy@igsnrr.ac.cn

1671-1556(2016)02-0066-05

2015-06-10

2016-01-06

江蘇省自然科學基金面上項目(BK2012824)

李 陽(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向為化工裝置安全評價。E-mail:LY_njtech@126.com

X928.03;TE88

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.013