石油化工系统安全技术新进展

国家安全生产监督管理总局危险化品生产系统故障预防及监控基础研究实验室化工安全教育部工程研究中心中国自动化学会故障诊断专业委员会委员张贝克博士／副教授石油化工系统安全评价技术新进展一、系统安全评价技术综述二、HAZOP系统安全评价技术三、安全评价技术在设计中的应用四、基于SDG计算机辅助安全评价内容石油化工工业的特点•典型的大规模复杂系统•各个部件、变量之间存在相互作用•整个系统的状态由各个部件的状态确定•系统可能状态的数量极为庞大•危险（偏差）借由物料流、能量流和信息流进行传播，具有隐蔽性、跨区域性等特点惨重案例•1984年，美国联合碳化物公司印度博帕尔农药厂45吨甲基异氰酸酯几乎全部泄漏。20万人中毒，2万人死亡。全厂被毁，遗址几十年内无法用于任何用途。BP2003年德州爆炸案•美国FBI-CSB提供视频系统事故链模型RC非正常事件初始变量传播变量传播变量C实现变量异常触发阶段危险蔓延阶段事故发生阶段不利后果事件变送器失效、操作失误调节阀开度异常进料量增大塔液位过高溢出遇明火爆炸隐藏在深层的矛盾•当前安全事故频发的一个重要原因是随着工业规模的不断扩大，生产装置的复杂程度大大超过了人的处理能力所产生的矛盾•系统安全工程是利用系统工程的原理，解决系统层面的安全问题。•系统安全工程是解决大规模复杂系统整体安全等级的最有效的工程方法危险！部件数量系统复杂度操作人员分析处理能力系统安全技术的作用系统安全技术的作用系统安全技术分析问题是解决问题的前提和关键！一、系统安全评价技术系统、科学地针对生产过程进行深入、全面的隐患的挖掘、分析，为后续安全设计工作提供坚实的依据。现有安全评价技术•检查表•如果…怎么样•FMEA•HAZOP•RBI•世行•道尔•危险指数•事件树•故障树安全评价工作的新特点•安全工作通过立法强制实行；•从单个设备到工艺流程，即从“点”到系统；•安全评价覆盖装置的全生命周期；•必须考虑操作人员的人为因素；•采用计算机和人工智能技术的自动安全评价。各国安全立法与国际标准•美国国家标准ANSI/ISAS84.01•国际标准IEC61508、IEC61882…•涉及工厂设备安全的国际标准IEC61511•基于可编程序逻辑控制的燃烧加热炉和锅炉安全相关的标准FM7605•关于测量及控制设备安全的德国标准DIN19250•API标准•OSHA标准•安全生产法（中国）•……国际安全规范与标准这些新规范和标准体现了当今科学技术的发展水平。国际标准的重要进展是对安全的要求从定性与定量的结合，而且这些新标准把安全管理贯穿于装置的整个生命周期。美国政府规定：美国25000个重要危险化学品生产装置每两年进行一次安全评价。由CCPS把关，36家专业评价公司协助，一次经费50亿美元。安全生命周期安全生命周期过程安全生命周期的概念将安全评价、设计、控制和管理工作贯穿于工厂设计、建设、运行和停工全过程。强调安全是一项长期的时刻不能松懈的任务，也就是说对设计者而言，安全控制系统（SIS）设计不能一劳永逸，必须不断改进。对工厂而言必须长期维护并定期功能评价、测试以防万一。安全评价技术的分类•定性安全评价方法–如果…怎么样–FMEA–HAZOP•定量安全评价方法–RBI–世行–道尔–危险指数定性安全评价技术的特点•优点–系统性强–从机理出发，适应性强–头脑风暴对特殊问题有良好的判断能力•缺点–程度区分困难–过度依赖人的经验易导致错误–对执行者的专业水平要求较高应用在对全流程全局的评价上定量安全评价技术的特点•优点–能够对严重度、可能性进行比较–对执行者的要求较低•缺点–系统性差–基础数据很难得到，计算结果可信度差–许多基于黑箱机理的运算适应性差应用在对局部装置的评价上系统安全评价以保障安全为目的，按照安全规范，以科学的程序和方法，从系统的角度对工业生产或工程项目中潜在的危险及危险可能造成的损失进行预先识别、分析和评价，为制定防灾措施和管理决策提供依据。由于安全评价在消除危险隐患方面有重大作用，已列入许多国家的法规及国际安全标准。HAZOP方法是目前公认石油化工领域最为有效的方法之一。二、HAZOP系统安全评价方法作为石化行业应用最广泛的安全评价方法之一，HAZOP是一套系统、结构化的评价方法。国际标准IEC61882危险与可操作性分析（HAZOP分析）HAZOP（HazardandOperabilityStudies）危险与可操作性分析•HAZOP从单个设备扩展到流程；•HAZOP考虑了操作的因素；•HAZOP是全球使用最广泛的系统安全评价方法，尤其是在化工、炼油、火电和核电领域点击互联网-HAZOP有2,000,000条相关信息！HAZOP软件在独山子石化安全分析中的应用王朝晖中石油新疆独山子石化公司项目指挥部HSE管理部HAZOP小组摘要：本文主要介绍了Isograph公司hazop+分析软件在中石油新疆独山子石化公司1000万吨/年炼油及120万吨/年乙烯项目中的应用。Hazop+具有分析流程标准化、数据库定制和支持中文汉化等优点，在独山子石化安全分析项目中起到了重要作用。HAZOP关键字—工艺流量Flow温度Temperature压力Pressure物位Level分离效果Separate(settle,filter,centrifuge)成份Composition反应效果React混合效果Mix粉碎等效果Reduce(grind,crush,etc.)吸收效果Absorb腐蚀Corrode磨损ErodeHAZOP关键字—操作隔离Isolate排干Drain放空Vent清洗Purge巡视Inspect维护Maintain点火Ignite熄灭Quench开车Start-up停车Shutdown…HAZOP分析表偏离Deviation非正常原因Cause不利后果Consequence事故剧情Scenario建议（可选）Recommendation关键字＋偏导词所有引起设计意图偏离的原因该项偏离所造成的不利后果现有的任何对安全有利的设备、操作规程、管理条例等需要时还应添加哪些措施来防止事故发生人工HAZOP安全评价的不足•人工难于处理大规模的数据、信息和计算•人工分析大规模系统无法得到完备的结果，即使有专家参与也难免出现漏评•口头讨论方式不严格，讨论时易出现概念混乱•人工评价得出的文本（说明）不规范，事后难于看懂•人工评价费时、费力、成本高三、系统安全评价在设计中应用现有装置安全与否？潜在的关键事故风险在哪里？这些风险具体程度有多大？怎么做才能使装置达到可接受的安全水平？当前的DCS、ESD、SIS等保护措施起到多大的作用？为了让风险降至可接受的水平，应该如何改进保护措施？安全防护设备的作用RC非正常事件初始变量传播变量传播变量C实现变量异常触发阶段危险蔓延阶段事故发生阶段不利后果事件系统安全评价流程的目的与方法风险定义目的：定义可接受风险水平工具：风险矩阵风险辨识目的：识别系统中所有潜在可能的事故剧情（事件链）工具：HAZOP防护层设计目的：分析施加了保护措施后，事故剧情发生的风险降低程度，即防护层作用工具：LOPA结论审查目的：审查所有不可接受的风险是否都已经受到有效防护工具：人工安全评价流程的循环性风险定义风险辨识防护层分析结论审查风险定义目的：定义可接受风险水平工具：风险矩阵风险辨识目的：识别系统中所有潜在可能的事故剧情（事件链）工具：HAZOP防护层设计目的：分析施加了保护措施后，事故剧情发生的风险降低程度，即防护层作用工具：LOPA结论审查目的：审查所有不可接受的风险是否都已经受到有效防护工具：人工风险定义举例：•风险＝概率×后果风险矩阵举例：后果概率IIIIIIIVVI无危害可接受可接受待审查待审查II可接受可接受待审查待审查待审查III可接受待审查待审查待审查不可接受IV待审查待审查待审查不可接受不可接受V待审查待审查不可接受不可接受不可接受风险定义目的：定义可接受风险水平工具：风险矩阵风险辨识目的：识别系统中所有潜在可能的事故剧情（事件链）工具：HAZOP防护层设计目的：分析施加了保护措施后，事故剧情发生的风险降低程度，即防护层作用工具：LOPA结论审查目的：审查所有不可接受的风险是否都已经受到有效防护工具：人工风险辨识HAZID•采用系统分析方法对所有潜在可能的风险进行识别和列举•可以采用的方法包括FTA、FMEA、HAZOP等。RC非正常事件初始变量传播变量传播变量C实现变量异常触发阶段危险蔓延阶段事故发生阶段不利后果事件风险辨识HAZID举例风险定义目的：定义可接受风险水平工具：风险矩阵风险辨识目的：识别系统中所有潜在可能的事故剧情（事件链）工具：HAZOP防护层设计目的：分析施加了保护措施后，事故剧情发生的风险降低程度，即防护层作用工具：LOPA结论审查目的：审查所有不可接受的风险是否都已经受到有效防护工具：人工防护层设计LOPALOPA根据HAZOP所辨识的完备的事故列表，通过半定量风险评估方法，一方面确定现有的安全措施是否合适，另一方面确定如何增加新的安全措施。LOPALOPA计算原理RC非正常事件初始变量传播变量传播变量C实现变量异常触发阶段危险蔓延阶段事故发生阶段不利后果事件小结四、基于SDG计算机辅助HAZOP利用计算机智能推理技术减轻人工HAZOP的劳动强度、加快分析速度、提高完备性以及对评价结论进行有效管理。什么是SDG？•SDG（SignedDirectedGraphs）符号有向图定性因果模型•定性推理是基础理论又是求解方法论•又称基于深层知识模型的人工智能技术65t/h锅炉SDG故障诊断模型SDG在人工智能技术中的地位1.基于历史数据的专家系统定性方法（规则、知识库）定量方法（神经网络）2.基于模型的深层知识专家系统定性方法（SDG、定性推理）定量方法（代数、微分方程）3.规则与模型相结合的专家系统SDG法和各主要安全评价方法的关系各主要评价方法SDG方法1如果-怎麽样？法提供建模及阈值信息2如果-怎麽样？相关表法直接提供建模信息3检查表法提供建模及阈值信息4HAZOP法SDG法正向推理得到的相容通路结果5原因–后果分析法（CEA）同上6故障类型和影响分析法（FMEA）同上7事件树法（ETA）即SDG法的相容有根树8故障树法（FTA）以SDG为前提，将事件树转换为故障树9动态仿真法为SDG的建模、试验及阈值修正提供全面支持10各种故障诊断方法SDG的反向推理结果是各种故障诊断的判据标准基于SDG人工智能技术的计算机自动HAZOP安全评价原理1、对系统进行定性建模（SDG)2、实施计算机定性推理评价原理和人工安全评价完全相同。遵照国际标准IEC61882。计算机自动安全评价的步骤自动完成推理分析速度的高效性SDG高速引擎推理试验自动HAZOP与人工的比较计算机辅助HAZOP分析和人工HAZOP分析相比，主要有以下几个方面的优点：1、系统性好、完备性高2、推理深度深，解决全流程问题3、效率高，可快速重复，时间、人工和费用省4、事故剧情自解释5、结果表达标准化使知识传承得以保证国产SDG-HAZOP-CAD软件平台应用情况•辽阳石化•齐鲁石化•扬子-巴斯夫•神华煤直接液化•哈尔滨炼油厂•上海金山PTA•……SDG技术的应用举例1.SDG辅助HAZOP（安全分析与评价）2.在线安全信息系统（SDG多故障诊断）3.推理生产指导信息系统（生产在线SDG分析）4.推理优化（基于SDG的优化指标分析）5.SDG数据深层挖掘（智能“黑匣子”）6.SDG推理自训练自适应神经网络法7.SDG自动生成故障树8.SDG智能推理自解释仿真训练系统9.SDG智能自解释报警系统10.SDG最优传感器分布11.SDG几何图像识别12.SDG生产过程定性跟踪13.SDG定性判据控制（推理超驰）14.SDG辅助设计（案例试验、本质安全、自动评价）欢迎批评指正！