石油化工過程安全技術研究進展

繆永香

（江蘇藍天安全科技有限公司，江蘇南通 226004）

在石油化工生產過程中涉及的原料、輔料以及產品較多，大多具有易燃、易爆和有毒害的特征。同時生產過程也具有連續性強、設備管線閥門多的特點，容易造成事故，因此需要堅持“安、穩、長、滿、優”五字安全方針。統計發現2015年我國各類安全生產事故735 468起，其中化學品事故為185起。例如2005年吉林石化苯胺裝置T-102塔發生堵塞，在不當處理下發生了爆炸，給當地的居民帶來了較大的生命財產損失以及環境污染。

1 石油化工過程安全生產和事故預防關鍵技術研究進展

1.1 過程監測與故障診斷技術

1.1.1 基于定量模型的故障診斷方法

定量模型的故障診斷是比較被診斷對象的可測信息，與模型所表達的系統先驗信息，發現二者的不同。一般來說定量模型可以分為基本原理模型和動態響應模型。

1.1.2 基于定性模型的故障診斷方法

從工業化過程系統中無法有效得到準確的數字模型，因此使用定性診斷方法則能夠擺脫精確數學模型的弊端，通過對物理關系的描述來建立各個系統之間的定性關系。定性模型方法包括故障樹法和符號有向圖法（signed directed graph，SDG）。

故障樹分析法（fault tree analysis，FTA）由Bell在20世紀60年代提出，是一種演繹方法，將系統不愿發生的事情放入到故障樹的頂端，自上而下地分析所產生的直接和間接因素，找出原因并找到解決的方法。故障樹分析法具有直觀、易懂以及靈活的優勢。

符號有向圖（SDG）是對大規模復雜系統進行描述的方式，使用有向之路以及節點來對變量進行反映。SDG主要依靠流程圖以及定量數學模型來建模，圖1給出了如何從微分代數方程得到SDG模型。

圖1 故障診斷方法分類圖

1.1.3 基于過程歷史的診斷方法

在工業過程中定量解析模型的建立難度較大，并且難以實現在線應用。而定性模型由于含有較多的不確定因素，使得無法得到有效的推理和診斷，無法準確找出故障的根本原因，可以從過程歷史的角度來克服模型診斷的方法，前景非常廣闊。

定性的趨勢分析（qualitative trend analysis，QTA）是以數據推動的時間推理和形狀分析方法，主要用于對慢過程的診斷與控制。1990年Cheung等引入三角形來建立其趨勢描述的框架。1991年Janusz等對過程趨勢的一階和二階進行組合，提出了趨勢語言描述的幾種基本語言形式

主元分析法（principal component analysis，PCA）是一種多元投影方法，主要是基于原始數據空間來構造相關的潛隱變量，使得原始數據空間的維度能夠降低，隨后從新的映射空間中抽取出主要變化信息，對其特征進行統計，對原始數據空間的系統特征進行推導。

1.2 過程關鍵裝置風險評估技術

有效的安全保障技術以及完整的設備保障技術，對石油化工過程的安全穩定運行，能夠起到非常重要的作用。而對風險的評估能夠將事故發生的幾率和影響降到最低，應采用科學的方法來對生產系統和裝置可能存在的危險進行分析，評估分析的等級并采取有效的措施。在系統安全工程的發展中風險評估技術也不斷提升，逐漸形成了危險指數法、公司方法以及岡山縣方法等多個流派。這些不同的流派在對關鍵裝置的風險評估中，使用的方法以及提出的風險評估等級都是不一樣的。

1.3 化工過程柔性設計

不確定參數也會影響到化工的安全生產，一般來說主要的不確定因素包括材料質量、進料量、環境溫度、傳熱系數以及設備的物理性質等。所以要求化工過程需要具有一定范圍的變化，具有一定的柔性。美國學者Grossmann等使用柔性指數來度量化工過程系統的可操作性區域的范圍，主要解決了以下兩個問題：①通過給定設計變量，分析在不確定性參數的變化中，是否具有可行區。②對系統能夠承受的不確定性參數進行描述，發現系統能夠承受的上限?；み^程的柔性設計需要考慮到安全以及設備使用等因素。

1.4 化工過程的本質安全技術

本質安全（inherent safety）是指消除事故的最有效方法不是使用外部的安全措施，而是在設計階段就消除或者降低危險，以降低事故發生的可能。陳丙珍強調從化工過程的源頭來保證和設計本質安全，所以設計階段非常重要。而Sanders通過對歷史案例的分析來證明本質安全在化工過程設計中的重要性。本質安全生產思想在化工過程的設計中具有較大的影響。比如包括危害物質的最小化、使用低危害物質取代高危害物質、過程工藝精簡化以及反應的溫和化等。

對本質安全的評價，以及對本質安全的量化認識，不同的研究者具有不同的指標。比如Khan提出了I2SI的本質安全評估指數；Gupta認識使用圖解的方式能夠更好地對化工過程的本質安全進行測量，可以用模糊邏輯來建立關于本質安全指數，并使用if-then來驗證化學物質的有效性。

2 石化及化工過程安全生產關鍵技術展望

2.1 災害事故仿真培訓系統

在石油化工的安全生產過程中，對運行過程的監測以及對故障的診斷、對關鍵設備風險的評估以及工藝的本質安全設計等，都會影響到石油的安全生產。這些外部技術以及裝置并不是安全生產的關鍵，還需要加強對相關領域中的人才培養。因此開發災害事故仿真培訓體系就顯得極為關鍵。應結合工業過程中產生的大量歷史數據，對以后的操作運行進行指導。并且結合當前化工專家以及計算機技術的發展，能夠預測在不僅的將來，石油化工行業中關鍵裝置的仿真培訓系統能夠得到實現。

2.2 過程監測與故障診斷

在石油化工過程的安全生產中，對過程的監測以及診斷技術，將會從單一和簡單的診斷方式，向著綜合檢測以及精密化方向發展。以后的診斷系統將能夠在指明系統狀態信息的基礎上，對故障發生的性質、原因以及解決的方法等進行準確定位，為人們提供有效的解決措施。同時診斷技術也向著模塊化以及高智能化、非線性系統等方向發展，并開發出將多種工藝故障檢測技術集中于一種模塊的系統。對故障預警方法的研究，能夠有效對特定的緩變型故障進行預警，同時也能夠對過程歷史數據進行有效利用。

2.3 本質安全與柔性分析相結合的化工過程設計

系統柔性問題需要在設計時就充分考慮，給生產設備留有一定的彈性空間。應結合柔性理論以及本質安全性思想，對石油化工生產過程進行設計。同時需要考慮到系統運行時的控制作用，使得當前正在使用的系統能夠與新設計系統不發生沖突。總而言之動態柔性分析以及本質安全設計相結合，將成為石油化工安全領域中的重大分析。

3 結束語

通過對石油化工過程安全技術的研究，以及對本質安全技術、柔性生產以及設備的完整性管理等的研究，能夠發現我國當前石油化工過程安全生產中存在的問題，同時對預警技術的實際應用進行了預測，對過程安全技術進行了展望。企業應重視石油化工的安全生產，積極引入國外技術并實現本土化。