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            1. 五項化工安全工程技術(shù)的研究與應用

              鄒志云,管臣,郭寧,王慶志,孟磊

              (軍事科學(xué)院 防化研究院)

              摘要:根據危險化學(xué)品生產(chǎn)所用特種化工過(guò)程的安全管控需求,對五項化工安全管控工程技術(shù)進(jìn)行了研究與應用,包括危險化學(xué)品安全技術(shù)數據說(shuō)明書(shū)(MADS)及其管理軟件開(kāi)發(fā)、道化學(xué)化學(xué)品(DOW)化學(xué)暴露指數(CEI)的計算及其評估軟件開(kāi)發(fā)、DOW火災爆炸指數(F&EI)的計算及其評估軟件開(kāi)發(fā)、基于人工免疫診斷算法的化工過(guò)程動(dòng)態(tài)預警技術(shù)及其軟件開(kāi)發(fā)、基于預定義樹(shù)和故障樹(shù)的安全事故調查分析管理技術(shù)及其軟件開(kāi)發(fā)等,力求構建化工過(guò)程安全風(fēng)險管控技術(shù)體系,從生產(chǎn)全生命周期對特種化工過(guò)程進(jìn)行全方位安全管控。

              關(guān)鍵詞:化工安全工程危險化學(xué)品安全技術(shù)數據說(shuō)明書(shū)DOW化學(xué)指數動(dòng)態(tài)預警安全事故調查

              對于生產(chǎn)危險化學(xué)品的特種化工過(guò)程,安全性應放在首位。完全依賴(lài)人員經(jīng)驗的傳統式安全防護技術(shù),在工藝介質(zhì)危險性大、工藝過(guò)程日趨復雜的形勢下,已不能很好地滿(mǎn)足特種化工過(guò)程的安全管控需要。隨著(zhù)國內外安全科學(xué)與工程技術(shù)的研究、發(fā)展和應用的日益成熟,按照安全工程技術(shù)原理和方法對危險的特種化工過(guò)程進(jìn)行安全管控,已逐步成為國內外化工安全領(lǐng)域的通行做法1-5。

              本文根據危險化學(xué)品生產(chǎn)所需特種化工過(guò)程的安全需求,闡述了五項化工過(guò)程安全工程技術(shù)的研究與應用,包括危險化學(xué)品安全技術(shù)數據說(shuō)明書(shū)MSDSmaterial safety data sheet)及其管理軟件開(kāi)發(fā)、道化學(xué)化學(xué)品(DOW)化學(xué)暴露指數CEIchemicalexposure index)的計算及其評估軟件開(kāi)發(fā)、DOW火災爆炸指數F & EIfire & explosion index)的計算及其評估軟件開(kāi)發(fā)、基于人工免疫算法的化工過(guò)程動(dòng)態(tài)預警技術(shù)及其軟件開(kāi)發(fā)、安全事故分析管理技術(shù)及其軟件開(kāi)發(fā),力求從事前、事中和事后等多方面對特種化工過(guò)程進(jìn)行全方位安全管控。

              1危險化學(xué)品安全技術(shù)數據說(shuō)明書(shū)及其管理軟件開(kāi)發(fā)

              MSDS國際上稱(chēng)作化學(xué)品安全信息卡,一般包括: 化學(xué)品名稱(chēng)、成分/組成信息、危險性概述、急救措施、消防措施、泄漏應急處理、操作處置與儲存、接觸控制/個(gè)體防護、理化特性、穩定性和反應活性、毒理學(xué)資料、生態(tài)學(xué)資料、廢棄處置、運輸信息、法規信息和其他信息等16項信息。

              MSDS用來(lái)闡明化學(xué)品的理化特性,如pH值、閃點(diǎn)、易燃度、反應活性等,以及對使用者的健康可能產(chǎn)生危害的一份文件,是一份關(guān)于危險化學(xué)品的燃、爆性能,毒性和環(huán)境危害,以及安全使用、泄漏應急救護處置、主要理化參數、法律法規等方面信息的綜合性文件。

              MSDS是傳遞化學(xué)品危害信息的重要文件,它簡(jiǎn)要說(shuō)明了一種化學(xué)品對人類(lèi)健康和環(huán)境的危害性,并提供如何安全搬運、儲存和使用該化學(xué)品的信息。MSDS讓使用者了解化學(xué)品的有關(guān)危害,并根據使用的情形制訂安全操作規程,選用合適的防護器具,培訓作業(yè)人員,使用時(shí)能主動(dòng)進(jìn)行防護,起到減少職業(yè)危害和預防化學(xué)事故的作用。因此,MSDS的編寫(xiě)質(zhì)量已成為衡量化學(xué)品研發(fā)力量和生產(chǎn)實(shí)力、形象以及管理水平的一個(gè)重要標志。

              MSDS規定的16項內容在編寫(xiě)時(shí)不能隨意刪除或合并,其順序不可隨意變更。各項目填寫(xiě)的要求、邊界和層次,按“填寫(xiě)指南”進(jìn)行。其中16項為必填項,而其中的每個(gè)小項可有3種選擇,標明[A]項者,為必填項;標明[B]項者,該項若無(wú)數據,應寫(xiě)明無(wú)數據原因,如無(wú)資料、無(wú)意義;標明[C]項者,若無(wú)數據,該項可略。

              MSDS的正文應采用簡(jiǎn)捷、明了、通俗易懂的規范漢字表述,數字資料要準確可靠,系統全面。從該化學(xué)品的制作之日算起,MSDS的內容應每5ɑ更新一次,若發(fā)現新的危害性,在有關(guān)信息發(fā)布后的半年內,必須修訂MSDS的內容。

              MSDS采用“一個(gè)品種一卡”的方式編寫(xiě),同類(lèi)物、同系物的技術(shù)說(shuō)明書(shū)不能互相替代;混合物要填寫(xiě)有害性組分及其含量范圍,所填數據應是可靠和有依據的。一種化學(xué)品具有1種以上的危害性時(shí),要綜合表述其主、次危害性以及急救、防護措施。

              在一種化學(xué)品的MSDS收集和編寫(xiě)好后,以PSM Suite工藝安全管理智能軟件為平臺,在其工藝安全信息(PSI)模塊中,點(diǎn)擊添加新化學(xué)品物料,會(huì )出現該化學(xué)品物料的MSDS輸入界面,輸入其16項安全管控信息,點(diǎn)擊保存即可。根據生產(chǎn)需要,本文專(zhuān)門(mén)研究并編輯了甲基膦酰二氯、二乙氨基乙硫醇、三乙胺和石油醚等多種化學(xué)品的MSDS信息,而且在PSM Suite中建立其MSDS庫。依據這些化學(xué)品的MSDS庫,設計制作了安全周知卡,供現場(chǎng)生產(chǎn)操作人員隨時(shí)觀(guān)查和參考,對安全使用和處置這些危險化學(xué)品具有重要價(jià)值。三乙胺的化學(xué)品安全周知卡如圖1所示。

              1三乙胺化學(xué)品安全周知卡

              2  DOW化學(xué)暴露指數的計算及其評估軟件開(kāi)發(fā)

              美國道化學(xué)公司(DOW Chemical Co.)在19865月開(kāi)發(fā)了CEI[6-8],CEIF & EI配套使用可有效地評價(jià)化工裝置及相關(guān)設施變化的潛在危險。CEI可系統提供一種評價(jià)相對危險等級的方法,用于評價(jià)可能的化學(xué)釋放事件對鄰近的人員或居民產(chǎn)生的嚴重健康危害。

              CEI應用于初始工藝過(guò)程危險分析、計算分布等級指數、通過(guò)審定工藝過(guò)程,提出消除、減少或減輕釋放的建議和應急響應計劃。本文的目標是在已有的CEI基礎上,研發(fā)軟件實(shí)現該方法,形成一個(gè)安全指數計算工具,具備一定的管理功能,能記錄、查看、導出已有的各次計算結果。

              CEI的計算需要以下數據: 精確的裝置圖和附近的布置圖;一個(gè)裝置簡(jiǎn)化的主要流程圖,應包含儲罐等容器、主要工藝管線(xiàn)和化學(xué)品的量;涉及的相關(guān)化學(xué)品的理化性質(zhì),以及其應急響應計劃指標值ERPGemergency response planning guidelines)的數據。CEI的計算按照以下步驟:

              1 通過(guò)流程圖、管線(xiàn)圖等,確定可能產(chǎn)生泄漏的有毒化學(xué)品。

              2 計算CEI。確定可能的化學(xué)品泄漏事故,確定ERPG2,確定各種可能場(chǎng)景下的大氣泄漏量(AQ),選擇AQ最大的場(chǎng)景,計算CEI,計算安全距離(HD),匯總報告。

              3 匯總計算結果。

              CEI計算的詳細數學(xué)模型可參見(jiàn)文獻6-8。

              CEI計算的軟件系統使用Java開(kāi)發(fā),設計為基于Web的網(wǎng)頁(yè)應用程序,瀏覽器/服務(wù)器模式,無(wú)需安裝,只需要通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器即可登錄使用,大幅提高了使用的靈活機動(dòng)性,并且動(dòng)態(tài)頁(yè)面技術(shù)也有助于軟件的智能化。軟件程序采用廣泛使用的MVC架構來(lái)設計,如圖2所示。MVC框架將軟件程序分為模型、視圖和控制器三個(gè)層次:模型主要負責處理業(yè)務(wù)邏輯和數據;視圖主要指用戶(hù)界面;控制器負責聯(lián)系視圖和模型,從視圖獲取用戶(hù)請求后向模型傳遞數據,將模型處理的結果返回視圖。

              2DOW CEI計算軟件系統的MVC架構

              CEI計算軟件系統的模塊化結構如圖3所示,包括CEI項目數據管理、CEI在線(xiàn)計算、CEI報告產(chǎn)生和ERPG數據管理等主要功能模塊。

              3DOW CEI計算軟件系統的功能模塊

              使用該CEI計算軟件,評估了G生產(chǎn)裝置的間歇蒸餾單元過(guò)程的泄漏暴露風(fēng)險,得到的有關(guān)泄漏風(fēng)險數據,該數據對改進(jìn)該單元過(guò)程操作和工藝設計具有重要參考價(jià)值。DOW化學(xué)暴露指數評價(jià)計算數據見(jiàn)表1所列,DOW化學(xué)暴露指數評價(jià)計算結果見(jiàn)表2所列。

              3 DOW火災爆炸指數的計算及其評估軟件開(kāi)發(fā)

              F&EI9-10是美國道化學(xué)公司提出的評價(jià)化工工藝過(guò)程和生產(chǎn)裝置的火災、爆炸危險性及采取相應安全措施的一種方法,已在國內外化工領(lǐng)域得到大量推廣應用。

              F&EI運用了大量的實(shí)驗數據和實(shí)踐結果,以被評價(jià)單元中的重要物質(zhì)系數MF為基礎,用一般工藝危險系數F1確定影響事故損害大小的主要因素,特殊工藝危險系數F2表示影響事故發(fā)生概率的主要因素。MF,F1, F2的乘積為火災爆炸危險指數,用來(lái)確定事故的可能影響區域,估計所評價(jià)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生事故可能造成的破壞;由MF和單元工藝危險系數F3=F1F2得出單元危險系數,從而計算評價(jià)單元基本最大可能財產(chǎn)損失,然后再對工程中擬采取的安全措施取補償系數C,確定發(fā)生事故時(shí)實(shí)際最大可能財產(chǎn)損失和停產(chǎn)損失[10-11]。

              F&EI的評估計算程序如圖4所示,其中C1為工藝控制安全補償系數、C2為物質(zhì)隔離安全補償系數、C3為防火設施安全補償系數、MPPDmaximumprobable property damage)為最大可能財產(chǎn)損失、MPDOmaximum probable days of outage)為最大可能停工天數,BI為停產(chǎn)損失。F&EI值與危險等級之間的對應關(guān)系見(jiàn)表3所列。

              1DOW暴露指數評價(jià)計算數據

              F&EI評估計算軟件的架構和模塊設計同CEI計算軟件。

              O生產(chǎn)裝置合成結晶工藝單元為例,其中含有二氯甲烷和石油醚等易燃易爆介質(zhì)較多,數量較大,通過(guò)對開(kāi)發(fā)的F&EI評估計算軟件進(jìn)行驗證,評估計算得到的F&EI指數見(jiàn)表4所列,表4中確定的物質(zhì)為汽油,操作溫度為120℃,MF值為16。安全補償措施系數見(jiàn)表5所列,工藝單元危險分析匯總見(jiàn)表6所列,有關(guān)數據對改進(jìn)O裝置合成結晶工藝單元的安全操作具有重要價(jià)值。

              2DOW暴露指數評價(jià)計算結果

               圖4 DOW F&EI評估計算程序

              3F&EI值與危險等級之間的對應關(guān)系

              表4 火災和爆炸指數

              表5 安全補償措施系數

              續 表 5

              表6 工藝單元危險分析匯總

              4基于人工免疫算法的化工過(guò)程動(dòng)態(tài)預警技術(shù)及其軟件開(kāi)發(fā)

              人工免疫系統AISartificial immune system)是借鑒、利用生物免疫系統的信息處理機制的一種綜合智能系統,它將免疫學(xué)與工程學(xué)有機結合,利用數學(xué)、計算機等技術(shù)建立免疫機制模型,并將其應用于工程的設計、實(shí)施等方面,將人工免疫中對于自我與非我的判斷引入到故障診斷領(lǐng)域。動(dòng)態(tài)人工免疫系統針對工藝流程的動(dòng)態(tài)特性,以工藝流程的動(dòng)態(tài)變量數據為驅動(dòng),以歷史數據時(shí)間序列矩陣為抗體,在線(xiàn)數據時(shí)間序列矩陣為抗原,通過(guò)計算抗原與抗體的差異度對工藝流程進(jìn)行在線(xiàn)故障診斷[11-12]。通過(guò)早期的故障診斷實(shí)現工藝過(guò)程異常工況的動(dòng)態(tài)預警,使工藝操作人員及時(shí)采取措施使工藝過(guò)程回歸正常,避免了安全事故的發(fā)生。

              本文研究和應用的人工免疫故障診斷及預警算法主要包括3部分: 系統初始化,包括正??贵w庫和故障抗體庫的初始化;系統自學(xué)習,包括正??贵w庫和故障抗體庫的更新;在線(xiàn)故障診斷,包括故障檢測和故障類(lèi)別診斷。實(shí)際的在線(xiàn)故障診斷流程如圖5所示[12-13]。

              在線(xiàn)診斷開(kāi)始之前要有一定量的原始正常樣本和原始故障樣本,分別對正常樣本抗體庫和故障樣本抗體庫進(jìn)行初始化,再開(kāi)始在線(xiàn)故障診斷。

              1 系統定時(shí)讀入由生產(chǎn)設備或模型生成的在線(xiàn)數據,此時(shí)判斷數據是否采集完畢,即是否已完成了一個(gè)批次的生產(chǎn)。若一個(gè)批次的檢測已完成未發(fā)生故障,將測試數據處理后加入正??贵w庫更新;將計算在線(xiàn)數據與正??贵w庫中的抗體差異度,根據計算結果判斷是否發(fā)生了故障: 如果沒(méi)發(fā)生故障,繼續讀取數據進(jìn)行檢測;如果差異度超出了預定的差異度閾值,則認為對應過(guò)程發(fā)生了故障,轉入故障類(lèi)別的診斷。

              5基于人工免疫算法的在線(xiàn)故障診斷及動(dòng)態(tài)預警流程

              2 進(jìn)入故障診斷后,分別計算在線(xiàn)數據故障段的各變量與故障抗體庫中的抗體的差異度,當每個(gè)變量測試數據的差異度均小于設定閾值,則認為故障與該抗體一致。如果與故障抗體庫內所有抗體的差異度均不滿(mǎn)足以上條件,即判斷為有新故障。

              3 當故障判斷完成后,要確認故障診斷的結果。若診斷錯誤,需要輸入人工診斷結果,若正常則讀取下一組數據繼續測試,若診斷出故障則將在線(xiàn)數據處理后加入相應的故障抗體庫進(jìn)行更新,對于新故障還將引入新的抗體類(lèi)別。

              G生產(chǎn)裝置的蒸餾工藝過(guò)程為應用對象,蒸餾工藝單元流程如圖6所示。在Matlab軟件平臺上用m語(yǔ)言編程實(shí)現了以上基于人工免疫算法的故障診斷及動(dòng)態(tài)預警策略。通過(guò)以前生產(chǎn)中蒸餾釜內溫TI04、頂溫TI05和夾套溫度TRC03歷史數據進(jìn)行自學(xué)習生成AIS抗體,現場(chǎng)用可編程控制器(PLC)和工控機組態(tài)王監控采集TI04,TI05TRC03,經(jīng)動(dòng)態(tài)數據交換(DDE)傳送到MatlabAIS診斷預警軟件,對蒸餾濃度可能不達標等工況進(jìn)行在線(xiàn)動(dòng)態(tài)預警,動(dòng)態(tài)預警的結果經(jīng)DDE傳送到PLC和控制閥控制工藝過(guò)程操作,動(dòng)態(tài)預警系統的相關(guān)工作原理如圖7所示,現場(chǎng)運行表明,其對G裝置蒸餾工藝能進(jìn)行較準確的診斷和預警,對工藝操作具有較好的參考價(jià)值。

              6G生產(chǎn)裝置蒸餾工藝單元流程示意


              7G裝置蒸餾單元動(dòng)態(tài)預警軟硬件工作原理示意

              5安全事故調查分析管理技術(shù)研究及其軟件開(kāi)發(fā)

              事故調查是吸取經(jīng)驗教訓、預防類(lèi)似事故發(fā)生的重要途徑,在化工過(guò)程安全管理中有重要的作用。事故調查要求查明事故的根本原因,總結事故教訓,提出防范和整改措施[2-3]。但是目前國內的化學(xué)品事故調查普遍缺乏系統、科學(xué)、一致的方法論,進(jìn)而導致了事故調查報告的根本原因分析不徹底、不清晰的問(wèn)題,妨礙了從事故調查報告有效地吸取地經(jīng)驗教訓,使得類(lèi)似的事故反復重演[1-3]。

              預定義樹(shù)方法包括了時(shí)間序列圖、原因因素定義和預定義樹(shù)或檢查表等工具。時(shí)間序列圖用于組織數據,將收集到的信息清晰地提供給調查人員。原因因素是事故發(fā)生過(guò)程中如果消除了就能阻止事故發(fā)生或者減輕事故后果影響的因素。預定義樹(shù)將事故的所有可能原因整理繪制出原因樹(shù),使用時(shí)依據初步定義的原因因素循著(zhù)原因樹(shù)的每一層分支逐步往下找,直到到達分支的末端。

              故障樹(shù)方法使用時(shí)間序列圖和簡(jiǎn)化的故障樹(shù),并且可以集成其他任何有效可靠的方法來(lái)幫助調查人員對事故分析進(jìn)入較深的程度,避免過(guò)早地停止于表面顯而易見(jiàn)的因素。構建故障樹(shù)時(shí)首先選擇頂上事件,然后確定頂上事件發(fā)生的前提條件或事件,以火災事故為例,前提條件就是點(diǎn)火源、可燃物和助燃物三者同時(shí)存在,它們之間的邏輯關(guān)系是與門(mén)關(guān)系。然后繼續分析事件,通過(guò)邏輯關(guān)系推導直到發(fā)現基本事件,基本事件就是事故的根本原因。

              通過(guò)集成預定義樹(shù)構建和邏輯分析構建故障樹(shù)分析事故的根本原因,以MySQL為數據庫,依據MVC軟件架構設計,使用Java開(kāi)發(fā),設計了基于Web的網(wǎng)頁(yè)應用程序——化學(xué)品事故調查與管理軟件平臺(iTAIM[1-3],該平臺功能結構如圖8所示,通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器即可登錄使用,方便快捷。

              8化學(xué)品事故調查與分析管理軟件平臺的功能結構

              iTAIM的兩個(gè)主要功能是事故管理和輔助事故調查。事故管理是建立在事故信息的整理存儲上的,依靠事故數據庫建立;事故調查功能能夠實(shí)時(shí)幫助調查人員記錄獲取的信息,提供這些信息的直觀(guān)展示方式;在進(jìn)行原因分析的時(shí)候能夠建立起故障樹(shù),分析事故的邏輯過(guò)程,并且提供簡(jiǎn)單的預定義樹(shù)和相似案例參考;原因分析將結合安全管理要素進(jìn)行,并跟隨建議措施的提出和跟蹤負責人;采用魚(yú)骨圖來(lái)展示事故的所有原因,直觀(guān)評估安全管理的程度[1-3]。

              iTAIM為平臺對生產(chǎn)過(guò)程中H裝置脫酸單元真空緩沖罐誤報警等小事故進(jìn)行調查分析,結果表明: 該脫酸單元真空緩沖罐誤報警的根本原因是真空緩沖罐所用電接觸式液位控制器在開(kāi)車(chē)前未按儀表校驗程序調校假物料,使其在長(cháng)時(shí)間運行后產(chǎn)生誤報警,導致工藝過(guò)程運行短暫停車(chē)。

              6結束語(yǔ)

              從特種危險化學(xué)品生產(chǎn)過(guò)程安全的實(shí)際需求出發(fā),結合國內外化工安全工程理論和方法的發(fā)展,對五項先進(jìn)的化工安全工程技術(shù)進(jìn)行了研究和應用,開(kāi)發(fā)了相應的安全管控軟件,并進(jìn)行了實(shí)際應用驗證。實(shí)際運行結果表明: 這些化工安全工程技術(shù)及其安全管控軟件可以較好地促進(jìn)工藝過(guò)程的安全設計、操作、運行和控制,可以從事前、事中和事后對生產(chǎn)工藝過(guò)程進(jìn)行良好的全周期安全管控。其中,MSDS的編制、DOW CEIF&EI的計算評估可以在事前對工藝介質(zhì)和工藝裝置的危險性及其處置措施有比較充分的了解和準備;而基于人工免疫診斷算法的化工過(guò)程動(dòng)態(tài)預警軟件在工藝過(guò)程控制系統中的安裝運行,可以在工藝生產(chǎn)試驗運行中對異常工況進(jìn)行早期預警,及時(shí)糾正事故苗頭;基于預定義樹(shù)和故障樹(shù)的安全事故調查分析管理技術(shù)及其軟件的應用,可以在事故發(fā)生后深刻總結經(jīng)驗教訓,分析發(fā)現事故的根本原因,有效預防事故的再次發(fā)生。

              參考文獻:略。