化工企業智能安全系統設計

劉志孝(勝利通海油田服務股份有限公司，山東 東營 257200)

0 引言

由于物聯網、可穿戴智能傳感器、無線通信、云計算、增強現實、機器人技術和其他智能系統等技術的出現，該行業正在迅速發展。近年來，技術研究開發了許多創新系統，旨在利用“智能”技術用于工業和職業安全管理。許多先進的智能系統已經在商業上應用，并以較低成本在安全性方面取得了重大改進。本文采用智能系統來改善對重大事故危害的控制。重大工業事故危害員工健康和企業資產，以及環境和社會安全。關注重大事故危害的控制，要求對風險進行定性和定量評估。因此，每個經營者都必須提供技術和組織措施，以預防重大事故的發生或減輕其后果。控制機構除了評估運營商提供的風險分析外，還負責定期訪問企業，驗證安全管理系統是否充分、正確實施，以及是否有改進安全的空間[1]。因此，重要的是要了解創新解決方案(包括智能系統)是否為安全系統提供優勢，以降低事故發生的可能性或減輕涉及危險材料事故相關的后果。

1 系統標準評估

智能技術，包括用于監測和分析情況的傳感、驅動和控制功能、機器對機器傳輸、無線通信的能力，以及用于管理所有這些功能的軟件。事實上，軟件是將智能技術升級為智能系統、將數據轉化為信息并有望轉化為知識的關鍵點。軟件還實現了特定工業用途的功能。發明家、開發商和銷售商認為，智能系統可以減少人為錯誤的可能性，警告危險情況，提高應急活動的效率，為安全管理系統注入活力。但是，重大事故危險因素，需要謹慎對待；每個解決方案都必須在考慮其工作環境的條件下以定量的方式進行評估。本文客觀地評估在復雜環境中使用智能系統的影響，并更新定量風險評估，改進驗證安全管理系統，降低重大事故發生的可能性并減輕其后果，通過設備狀態監測和危險情況控制的工廠安全解決方案。在職業安全方面，本文關注那些與危險情況相關的智能系統，這些情況可能是重大事故危害的前兆。

為了評估采用智能系統以降低風險或減輕不良事件后果的影響，已經確定了一些基本標準，包括準備就緒、適用性和可靠性。每個標準按從1 到4 的升序建立四個級別。

1.1 準備就緒標準

準備就緒標準是指歐盟委員會采用的技術就緒水平(TRL)，用于評估研究項目中開發的創新技術的成熟度，涵蓋技術生產的所有階段，從概念想法到產品在操作環境中得到驗證[2]。表1 為準備就緒的四個級別標準。前兩個級別分別對應TRL8 和TRL9。例如，具有專利的智能系統處于第1 級，而在第2 級則有系統在工業環境中運行測試。最后一個級別對應市場上已有的產品，作為仍處于測試模式(級別3)或包含在目錄中(級別4)的原型。

表1 準備就緒標準級別

1.2 適用性標準

每個智能系統的固有屬性，即獨立于應用環境，適用性標準涉及企業采用特定智能解決方案的能力以及驗證安全管理系統必須納入該創新的能力。盡管在大型化工廠，驗證安全管理系統是強制性的，但它們的特性因組織而異。因此確定了三個層次的驗證安全管理系統：僅基本程序、符合標準或經過認證的系統、可以實時響應智能系統和獲取數據的驗證安全管理系統。最后一個層次意味著驗證安全管理系統的深度創新，從文檔系統轉向能夠管理信息和知識的動態系統。尚無“智能”驗證安全管理系統的標準定義，但先進行業出于某些目的(例如基于風險的檢查或維護)采用的基于風險分析的系統是“智能”系統的有效示例。

因此，如果驗證安全管理系統能夠區分收集大量數據并將其升級為信息，則驗證安全管理系統是“智能的”，這可以由先進的軟件計算技術輔助。因此，應用于智能系統的適用性標準與其在驗證安全管理系統級別方面的就緒狀態相匹配是可用的。

1.3 可靠性標準

這個標準應該滿足兩個問題：系統工作多長時間沒有故障；系統是否真的會提供所請求的服務。本文考慮的智能系統是提供服務識別、傳輸、接收和處理數據的電子組件或子系統，單個電子元件的故障當然是可能的，更重要的是它們提供請求服務的能力。本文考慮的智能系統能夠檢測不同類型的偏差，包括物理缺陷、錯誤條件和不安全情況。可靠性標準如表2所示，表明系統在一定數量的偏差變得危險之前檢測它們的能力。

表2 可靠性指數

2 應用實例

針對工業安全特定目標進行選擇，包括設備監控、運營支持、工人保護[3]。

2.1 設備監控

在流程工業中，監控是一個成熟的概念，意味著對企業的全部資產和危險工作活動進行觀察、檢查和保持定期監控。有線或無線系統已經通過物理參數(包括壓力、溫度、流量和液位)不斷地用于過程控制。監控系統應該能夠監測和檢查與現象惡化相關的物理數據，以防止損壞。

2.1.1 二維碼和射頻識別

二維碼和射頻識別是用于識別人或物體的無線技術。二維碼是一種簡單的被動標簽，存儲容量有限；它需要一個閱讀器應用程序，并且在內容修改的情況下需要重新打印；射頻是一種有源標簽，能夠存儲小數據和雙向通信。在指令中，被風險評估確定為對重大事故事件至關重要的設備必須以可見和可識別的方式進行標記。雖然智能識別系統在日常生活中很流行(例如：智能城市、旅游景點)，但在站點中并不是很流行。

2.1.2 侵蝕聲學測量

如今，在石油和天然氣設施中，侵蝕是一個日益嚴重的問題，主要是由于管道中原油(懸浮砂子、鹽度)和碳鋼的特性，節省成本但易受鹽水影響。非侵入式砂監測技術使用聲學傳感器并監測噪音影響，以檢測原油和天然氣中存在的噪音和顆粒數量，這些系統已經在海上安裝和煉油廠中工作。由于顆粒材料的存在和湍流現象，其他流體也存在腐蝕問題。這些解決方案已經成熟且能以可接受的成本獲得，還具有高可靠性。

2.1.3 超聲波監測

厚度監測變薄是許多腐蝕機制的主要結果之一。根據規定，必須定期檢查壓力設備(包括管道、反應器和熱交換器) 的厚度，以防止安全殼失效并預測其剩余使用壽命。基于超聲波(UT)方法的技術，用于監測設備某些關鍵點的壁厚，主要由高頻超聲發射器 (一般為1～10 MHz)、定位裝置和無線通信系統組成。專用軟件分析信號并在遠程控制室顯示結果。先進的企業和煉油廠已經采用基于無線監控系統來檢查壁厚。這些系統的性能超過了傳統的細化監測系統，例如探頭或基于過程變量的軟件系統。如果細化是準時的，則傳感器的定位可能很關鍵。然而，監控總是需要網絡中所有關鍵單元的一定數量的傳感器，因此冗余有助于提高解決方案的整體可靠性。設備監控還允許有更多時間采取適當的措施，從而降低破裂和重大故障的可能性。因此，監測降低了腐蝕速率的不確定性。大量可用的測量數據可能有助于重新計算腐蝕速率并最終進行更可信的風險評估。總之，這些解決方案的可靠性嚴格取決于安裝的充分性。

2.1.4 不對稱缺陷監測

不對稱缺陷監測是一種全球性的無損檢測方法，低頻超聲波彈性波的傳播(一般可達100 kHz)，其目的是通過測量聲阻抗的變化來監測所研究設備橫截面的變化。這是一種主要用作篩選管道完整性狀態的方法。智能系統使用圍繞管子定位的一圈換能器，發射的波沿管子在環的兩個方向上發送。可以檢測管道或設備內的缺陷，已用于定期檢查。該智能系統具有創新性，因為它們是無線的，所以可以安裝在難以到達的地方，并配備內存和用于數據處理的特定軟件。其優點是能夠監測損壞的演變、計算腐蝕速率和確定設備的剩余使用壽命。這些類型的系統已經商用。顯然，它們僅適用于軸對稱的物體，實際上適用于管道系統。

2.1.5 聲發射監測

聲發射是指材料中應力狀態突然重新分布所產生的瞬態彈性波。當結構受到外部刺激(壓力、負載或溫度的變化)時，局部源會以張力波的形式觸發能量釋放，這些能量會傳播到表面并被壓電傳感器陣列記錄下來。聲發射監測是一種非破壞性方法，用于識別土木和工業工程中結構和部件的缺陷(例如裂紋和微裂紋)已有數十年。該技術特別適用于構建跨大型結構的傳感器網絡。該系統由數字信號處理器、標準化數據傳輸端口、可重構邏輯和特定軟件組成。將聲發射技術與無線傳感器網絡結合使用仍然存在相當大的問題需要解決，例如信號到達時間的同步和隨之而來的聲發射源定位、安裝地點傳感器的電源、模式信號傳輸。在實驗室進行的實驗測試顯示出令人鼓舞的結果，但還需要進一步的研究和試點測試。

2.1.6 旋轉機器聲學監測

企業中有很多旋轉機器，例如：泵和壓縮機，它們是發生重大事故的關鍵設備。在煉油廠，定期(例如每月一次)手動控制泵的振動，但這可能不足以迅速檢測到任何關鍵問題。一些無線異常振動探測器已經在商業上可用并在煉油廠中采用。聲學傳感器技術的另一個應用是安全閥的超壓事件監測。

2.2 運營支持

2.2.1 用于危險材料轉移的安全起重機

起重機是建筑活動中眾所周知的關鍵設備，橋式起重機和移動式起重機廣泛用于流程工業。起重機操作可能引發涉及危險材料的事故，一種基于增強視覺的智能系統，用于提前識別轉移操作過程中的潛在碰撞并避免它。可靠性涉及其提前監測干擾的能力。初始調整對于排除混雜因素和提高該智能系統的可靠性至關重要。

2.2.2 用于危險轉移的安全叉車

大量的事故、未遂事故或不安全情況涉及叉車操作。用于防止危險產品在擁擠區域移動期間發生碰撞，行人和叉車密切合作。一些商用叉車已經配備了智能系統來防止可能發生的碰撞。

2.3 工人保護

在危險區域工作，物聯網技術被廣泛用于提高個人防護設備的安全性。在某些工作活動中使用呼吸面罩和處理某些機械有關的問題。基本智能技術(例如：信標系統、藍牙低功耗)可用于檢查不安全的情況，包括呼吸面罩的錯誤使用，這通常會提高職業安全性，在處理危險材料的情況下，可能會防止嚴重事故的發生，可靠性較高。由于材料和設計，面罩非常舒適。應用程序會警告工人在實際情況需要時佩戴口罩。警告來自可穿戴傳感器的輸入，可監測健康和環境參數。根據相關工業場所測試情況，面罩具有良好的可靠性。

在化工廠中，由于維護活動或過程異常，工作區域可能偶爾會受到更高危害的影響，例如極端溫度、較高濃度的有毒或易燃氣體和較低濃度的氧氣，原因是維護和意外異常。即使在分類區域之外，也可能發生危險情況。物聯網使能技術的潛力，包括智能傳感和人機通信，具有推動更動態方法的巨大潛力。基于三個基本參與者合作的框架：運營商、移動應用程序和安裝在周圍區域的環境智能傳感器。操作員配備了移動設備和人類智能傳感器，能夠收集有關生命體征和他/她在現場活動的信息。收集此信息的目的是通過藍牙低功耗協議連接到人類智能傳感器的移動設備。

3 結語

智能安全技術是未來發展的趨勢，具有廣闊的市場前景和發展空間，為化工企業的生產經營管理提供了更便捷、更智能的模式。在關鍵設備上使用此類“智能”系統，可以提高安全性，降低與危險材料丟失相關的事故的可能性或減輕后果。