基于動(dòng)態(tài)事件樹的液氯儲(chǔ)罐安全系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析

姚見 辛承銳 馬東池 田宏

【摘 要】本文由液氯儲(chǔ)罐安全系統(tǒng)的可靠性出發(fā)，對(duì)液氯儲(chǔ)罐進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)分析。利用動(dòng)態(tài)事件樹分析方法，給出了基于蒙特卡洛模擬的仿真策略，確定出液氯儲(chǔ)罐安全系統(tǒng)的可靠性水平，提出綜合改進(jìn)措施，提高其系統(tǒng)可靠性。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)態(tài)事件樹；液氯儲(chǔ)罐；風(fēng)險(xiǎn)分析

我國(guó)化工企業(yè)共發(fā)生51起大典型事故，其中液氯排在第一位。液氯安全系統(tǒng)在性能不斷提高的同時(shí)，其整體的復(fù)雜性急劇增加，無論系統(tǒng)任何部分出現(xiàn)非正常情況都可能對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)產(chǎn)生影響。為了能有效地應(yīng)用系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，事故場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)變化能展現(xiàn)出來，動(dòng)態(tài)安全性分析方法于近年逐漸被開發(fā)，動(dòng)態(tài)分析的方法主要有事件序列圖、連續(xù)事件樹、動(dòng)態(tài)故障樹和動(dòng)態(tài)事件樹分析等。在這些動(dòng)態(tài)分析方法中，動(dòng)態(tài)事件樹分析是其中比較典型的方法之一。

一、方法選擇

（一）動(dòng)態(tài)事件樹

動(dòng)態(tài)事件樹是一種利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真模擬的方法，主要以連續(xù)事件樹為基礎(chǔ)，能夠全面的建立整個(gè)系統(tǒng)的演化模型。主要包含的措施有：離散化連續(xù)的時(shí)間；增加了事件發(fā)生概率的動(dòng)態(tài)變化；優(yōu)化選取仿真策略等。動(dòng)態(tài)事件樹分析的思想主要是：系統(tǒng)的狀態(tài)會(huì)跟隨著變化的時(shí)間，在相異因素（人為操作、硬件失效、過程變量等）的誘導(dǎo)作用下而出現(xiàn)持續(xù)的變化，且變化后擁有不確定性的系統(tǒng)狀態(tài)，即在設(shè)定的初始條件下，經(jīng)過數(shù)次觸發(fā)系統(tǒng)，其狀態(tài)將進(jìn)行不同方向的演化。[1]

（二）蒙特卡洛模擬

蒙特卡洛方法即統(tǒng)計(jì)模擬的方法，主要是指應(yīng)用隨機(jī)數(shù)來協(xié)助解決大多有關(guān)計(jì)算類問題的方法。蒙特卡洛方法的基本思想是當(dāng)所要研究的結(jié)果是出現(xiàn)某一時(shí)間的概率，或者是某個(gè)速記變量的期望值時(shí)，就需要借助一種特定的“實(shí)驗(yàn)性”的方法，從而得出該種事件情形發(fā)生的概率，或者得到該隨機(jī)數(shù)的一個(gè)平均值，并應(yīng)用這些結(jié)論來解決相關(guān)試用的問題。

二、液氯儲(chǔ)罐安全系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析

（一）實(shí)例背景

液氯泄漏后迅速氣化成氯氣，是一種強(qiáng)烈的刺激性氣體，根據(jù)危險(xiǎn)化學(xué)品名錄氯氣屬于劇毒品。液氯泄漏所致中毒是常見的重大事故，時(shí)常引發(fā)及其嚴(yán)重的事故后果和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。液氯儲(chǔ)罐應(yīng)安裝有以下安全系統(tǒng)：濃度傳感器、自動(dòng)關(guān)斷系統(tǒng)、報(bào)警器、手動(dòng)關(guān)斷系統(tǒng)、防火系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)。現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)分析。

（二）各系統(tǒng)失效概率的確定

傳統(tǒng)的事件樹分析中，安全屏障的失效概率雖是確定的值，但是由于受到環(huán)境因素、操作因素、技術(shù)因素、組織管理因素等的影響，安全屏障元件上存在漏洞或缺陷會(huì)使安全屏障的功能降級(jí)、受損。這些漏洞隨著時(shí)間在不斷變化，當(dāng)某一瞬間每層安全屏障上的缺陷排列在一條直線上，安全屏障的失效概率更傾向于服從某種確定的概率分布。因此，采用概率密度函數(shù)能夠更加準(zhǔn)確地描述安全屏障的失效概率。對(duì)液氯儲(chǔ)罐安全系統(tǒng)的失效概率進(jìn)行了確定，如圖1所示。

（三）動(dòng)態(tài)事件樹的構(gòu)建

以液氯泄漏為異常事件進(jìn)行研究，此異常事件可能產(chǎn)生3種結(jié)果事件：安全（A），火災(zāi)（B），中毒（C）。事件樹如圖2所示。[2]

系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)記為U（1，n），V（1，n），W（1，n），其分別表示為安全、火災(zāi)和中毒的發(fā)生概率，初始狀態(tài)為液氯泄漏。為了方便數(shù)據(jù)的管理和操作，用G，h，i，j，k，l分別表濃度傳感器、自動(dòng)關(guān)斷系統(tǒng)、報(bào)警器、手動(dòng)關(guān)斷系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)的失效概率。設(shè)置仿真時(shí)間為11小時(shí)。具體流程如下：1.設(shè)置初始事件；2.各系統(tǒng)失效概率的擬合；3.應(yīng)用蒙特卡洛方法生成隨機(jī)數(shù)；4.將產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)輸入到事件樹中；5.產(chǎn)生各事件發(fā)生概率。利用matlab中進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，并利用蒙特卡洛模擬產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)即為所要時(shí)間點(diǎn)的該系統(tǒng)失效概率，將產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)輸入到事件樹中，進(jìn)行該時(shí)間點(diǎn)的概率模擬計(jì)算，并生成該時(shí)間點(diǎn)三種后果的概率大小，進(jìn)而進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

（四）安全風(fēng)險(xiǎn)分析。經(jīng)過長(zhǎng)仿真運(yùn)算后，其事件發(fā)生概率如下圖所示：

從上圖中可以看出液氯儲(chǔ)罐的總體安全性能穩(wěn)定，但是安全發(fā)生的概率先降低后增加，最終趨于0.49；火災(zāi)發(fā)生的概率先增加后降低，最終趨于0.3；中毒發(fā)生的概率最終趨于0.21。這說明隨著設(shè)備的運(yùn)行，液氨罐區(qū)總體安全性基本保持不變。在控制其他安全系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率一定的情況下，各部分控制的概率為其平均值，分別對(duì)報(bào)警器、手動(dòng)關(guān)斷系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

三、結(jié)論

本文應(yīng)用蒙特卡洛模擬對(duì)事件發(fā)生可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)安全系統(tǒng)整體的影響進(jìn)行模擬及可能性發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。主要結(jié)論如下：

（1）構(gòu)建了主要設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素失效事件樹，建立適應(yīng)性較強(qiáng)的液氯儲(chǔ)罐安全系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析。

（2）利用蒙特卡洛模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)失效可能性與動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)過程的有效結(jié)合。

（3）通過對(duì)液氯儲(chǔ)罐安全系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，說明了本文方法的合理性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]周忠寶，周經(jīng)倫，董豆豆.動(dòng)態(tài)事件樹的導(dǎo)彈安全自毀系統(tǒng)安全性評(píng)估[M].北京：火力與指揮控制，2008（4）

[2]杜振國(guó)，羅鵬程，厲海濤，潘正強(qiáng).基于動(dòng)態(tài)事件樹的安全風(fēng)險(xiǎn)分析方法[J].北京：科學(xué)技術(shù)與工程，2011（22）

[3]嚴(yán)蔚敏，吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003