石化企業(yè)安全風(fēng)險評估分析系統(tǒng)(PHAMS)研究

王曉瑋

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

0 前言

國內(nèi)大型石化企業(yè)的部分裝置設(shè)備已進入運行周期的中后期，但對設(shè)備運行穩(wěn)定性、預(yù)防性維修方面的數(shù)據(jù)一直未能建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫，相關(guān)安全控制設(shè)備形成的獨立保護層失效頻率的界定缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，目前大多依賴于英國HSE委員會、美國CCPS協(xié)會經(jīng)多年事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的海上平臺及上游設(shè)備的設(shè)備通用失效頻率數(shù)據(jù)庫。但這些數(shù)據(jù)對煉化板塊的設(shè)備應(yīng)用存在偏差，需要借助其他條件模型的修正，形成對煉化板塊工藝流程的保護層失效頻率分析技術(shù)和安全儀表功能的安全評級與驗證。

PHAMS系統(tǒng)通過建立石化行業(yè)自主知識產(chǎn)權(quán)的可靠性數(shù)據(jù)庫，形成單體設(shè)備通用失效頻率庫、企業(yè)設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫、危險事件簡化頻率數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，建立以可靠性數(shù)據(jù)聯(lián)邦技術(shù)為基礎(chǔ)的保護層頻率分析子系統(tǒng)、安全儀表智能定級驗證子系統(tǒng)和重大風(fēng)險設(shè)施管控行動分析子系統(tǒng)等定量化評估工具，實現(xiàn)各個工藝單元/作業(yè)活動環(huán)節(jié)的風(fēng)險定級與風(fēng)險值計算，將評估結(jié)果數(shù)據(jù)在風(fēng)險分析與管理決策系統(tǒng)進行統(tǒng)一處理，同時研發(fā)后果等級頻率累積計算模型，借助石化安全風(fēng)險矩陣，將各個裝置設(shè)施及工程活動在現(xiàn)有安全控制設(shè)備下的整體風(fēng)險水平量化，實現(xiàn)裝置、企業(yè)整體風(fēng)險的科學(xué)定級，并進一步在PHAMS中存儲形成石化裝置風(fēng)險定級數(shù)據(jù)庫，為風(fēng)險長期監(jiān)控提供歷史對比數(shù)據(jù)。

1 以可靠性數(shù)據(jù)為核心的PHAMS風(fēng)險評估技術(shù)

1.1 基于可靠性數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)聯(lián)邦技術(shù)

在PHAMS運行過程中，最重要的核心是圍繞可靠性數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)聯(lián)邦技術(shù)[1]，即以可靠性數(shù)據(jù)庫各子庫為核心數(shù)據(jù)庫，向各分析系統(tǒng)提供邊界參數(shù)，作為先驗數(shù)據(jù)參與裝置設(shè)施單元/作業(yè)活動環(huán)節(jié)的多個危險事件獨立保護層失效頻率計算；對于經(jīng)過分析修正過的后驗失效頻率數(shù)據(jù)，會返回各對應(yīng)可靠性數(shù)據(jù)子庫，學(xué)習(xí)本庫源數(shù)據(jù)，并通過定期審核修正，正式發(fā)布更新可靠性數(shù)據(jù)庫。PHAMS系統(tǒng)的運行技術(shù)路線見圖1。

1.2 保護層頻率量化分析技術(shù)

1.2.1保護層頻率耦合分析模型

(1)

式中：fI——初始事件I的發(fā)生頻率，次/a；

Penable——使能條件(Enabling conditions)的概率值；

PFDIj——第j個獨立保護層的失效概率值。

(2)

式中：fIPL_first——第一道保護層的失效率，次/a。

1.2.2條件概率修正模型

根據(jù)保護層頻率分析模型，可以對較低某一初始事件發(fā)生頻率的保護層失效概率視為θ，其先驗風(fēng)險概率分布函數(shù)為：

f0(θ)∝θa(1-θ)b

(3)

其似然函數(shù)L(E|θ)為：

L(E|θ)∝θm(1-θ)n-m

(4)

式中：a，b——保護層失效概率的先驗分布參數(shù)；

m——保護層有效時的后驗累計事件發(fā)生次數(shù)；

n——保護層失效時的后驗累計事件發(fā)生次數(shù)。

借助條件概率分析修正后的后驗概率分布函數(shù)為f1(θ|E)，則后驗概率分布可由下式得到：

(5)

由于m，n均為隨時間變化的參數(shù)且后驗概率分布函數(shù)似然為連續(xù)分布，則對某一時刻的保護層后驗失效頻率，可以通過下式得到[5-7]：

(6)

式中：Fi(θ|E)——fi(θ|E)的累積失效頻率函數(shù)。

(7)

綜上，可得到裝置單元或作業(yè)活動單一環(huán)節(jié)的風(fēng)險可能性：

(8)

和

(9)

式中：P(θ)Ij——第j個獨立保護層的后驗失效概率值。

借助安全風(fēng)險矩陣，同樣對后果等級進行評估分析，通過矩陣計算選擇最大風(fēng)險值為本單元或作業(yè)環(huán)節(jié)的整體風(fēng)險值和風(fēng)險等級。

1.3 SIL智能定級驗證技術(shù)

1.3.1SIL基本模型

a) 未考慮SIF前的同一后果等級下的危險事件累積發(fā)生頻率FC：

(10)

(11)

(12)

β——多個SIF引發(fā)的共因因子；

N——事件I下SIF的個數(shù)。

b) SIF所需的風(fēng)險降低因子RRF：

(13)

式中RRF為SIF的風(fēng)險降低倍數(shù)，且對于不同SIL級別采取以下對應(yīng)要求：

10≤RRFSIL1≤10×RFactor

(14)

100

(15)

1 000

(16)

式中：RFactor——風(fēng)險降低因子，取值1～10。

1.3.2基于HALOPA數(shù)據(jù)互聯(lián)的SIL智能定級驗證技術(shù)

在HALOPA計算工具中已經(jīng)對所有安全儀表功能涉及的危險事件進行了建模，評估了不包括SIF條件下的累積發(fā)生頻率和剩余風(fēng)險。這些計算結(jié)果將自動帶入SIL定級模塊中，對SIS系統(tǒng)的風(fēng)險降低目標(biāo)和安全儀表的要求SIL級別進行快速計算，在石化安全風(fēng)險矩陣上實現(xiàn)智能定級，同時，針對SIL驗證對結(jié)構(gòu)約束、平均失效率、誤跳車率等SIL完整性關(guān)鍵功能指標(biāo)的評估，研發(fā)形成可靠性框圖、專用故障樹與時變馬爾可夫模型，實現(xiàn)多層復(fù)雜表決、多因素(如檢測覆蓋率水平、共因因子、診斷對比、部分行程測試、檢測周期等)SIS系統(tǒng)的PFDavg、結(jié)構(gòu)約束判斷與誤跳車率的評估，明確現(xiàn)有裝置現(xiàn)有SIL級別的功能安全運行水平。

1.4 重大風(fēng)險管控行動分析技術(shù)

重大風(fēng)險管控行動分析技術(shù)是基于保護層頻率量化分析技術(shù)、SIL智能定級驗證技術(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)果，借助內(nèi)置中石化風(fēng)險矩陣自動判定，將風(fēng)險值符合重大風(fēng)險量化標(biāo)準(zhǔn)的事件或風(fēng)險自動帶入本系統(tǒng)。后借助重大風(fēng)險管控行動分析模型及算法，開展重大風(fēng)險發(fā)生的預(yù)防措施和后果減緩措施的有效性分析，形成關(guān)鍵行動任務(wù)列表，實現(xiàn)對重大風(fēng)險管控措施的在線監(jiān)管與落實。

2 基于數(shù)據(jù)分析的石化裝置及企業(yè)風(fēng)險分析管理技術(shù)

2.1 各級清單整體風(fēng)險值評估預(yù)測模型

風(fēng)險值即風(fēng)險指數(shù)值代表了石化風(fēng)險矩陣中每一個風(fēng)險等級的相對大小。風(fēng)險值可用于相同風(fēng)險級別下的風(fēng)險排序、風(fēng)險減緩方案的對比以及風(fēng)險管理的績效指標(biāo)。

對裝置/清單下所有分析的危險事件，通過求后果等級不低于某級別的危險事件的累積發(fā)生頻率和累積風(fēng)險，得到整體風(fēng)險等級與風(fēng)險值，其評估預(yù)測模型如下。

a) 不同后果等級的代表性風(fēng)險值

RiskN=f(N,∑canseaunce>AFrei)

(17)

式中：N——從A～G的后果等級。

b) 裝置/清單整體性代表性風(fēng)險值

Risk=max(RiskA,RiskB,…,RiskG)

(18)

根據(jù)該模型，利用各級企業(yè)用戶(基層、裝置、企業(yè))的分析數(shù)據(jù)，在風(fēng)險矩陣在線統(tǒng)計各級風(fēng)險的數(shù)量，并對企業(yè)內(nèi)的不同級清單內(nèi)所有風(fēng)險進行整體風(fēng)險值計算。

2.2 各級風(fēng)險清單風(fēng)險值與降級銷項在線管理系統(tǒng)

2.2.1重大風(fēng)險設(shè)施/作業(yè)活動整體風(fēng)險值在線分析展示

針對重大風(fēng)險設(shè)施，首先從企業(yè)層級進行排序，根據(jù)各裝置整體風(fēng)險值計算結(jié)果進行排序；同時對本裝置內(nèi)各單元危險源數(shù)量分類統(tǒng)計、細化分布，以餅圖和樹狀圖形式進行深入分析；結(jié)合社會風(fēng)險和個體風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)，對各裝置、各單元的整體風(fēng)險的人員損害、財產(chǎn)損失、社會影響和環(huán)境影響的后果影響的可接受風(fēng)險水平進行自動評估，并進行趨勢化分析展示，明確裝置整體風(fēng)險的不同后果影響趨勢。

2.2.2風(fēng)險控制措施及保護層在線跟蹤管理

根據(jù)企業(yè)現(xiàn)采取的保護層在線采集，同時實現(xiàn)對企業(yè)保護層落實前后風(fēng)險分析數(shù)據(jù)的對比，實現(xiàn)對裝置潛在風(fēng)險事件的跟蹤監(jiān)督，各級風(fēng)險清單風(fēng)險值的實時更新[8]。

3 結(jié)論

a) 目前針對石化裝置的風(fēng)險評估，多采用的是以年度為周期進行定期評估更新風(fēng)險，存在風(fēng)險識別與監(jiān)控的滯后性，保護層頻率動態(tài)風(fēng)險分析方法及安全儀表智能定級驗證、重大風(fēng)險管控行動分析技術(shù)等專業(yè)量化風(fēng)險評估工具的研發(fā)，有助于實現(xiàn)石化裝置系統(tǒng)風(fēng)險評估從靜態(tài)向動態(tài)、從基于事故數(shù)據(jù)向基于保護層監(jiān)控的評估轉(zhuǎn)變，同時，可以根據(jù)不同保護層、設(shè)備等失效概率對風(fēng)險事件的關(guān)聯(lián)影響度，確定調(diào)整保護層管控重點。

b) 借助數(shù)據(jù)分析技術(shù)，一方面可以實現(xiàn)對系統(tǒng)各計算工具的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，另一方面借助貝葉斯修正等數(shù)據(jù)分析技術(shù)，不斷更新分析結(jié)果數(shù)據(jù)，以最終實現(xiàn)建立我國石化行業(yè)安全設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫。

c) 集合各單項技術(shù)，開發(fā)裝置、全廠級風(fēng)險值計算模型，實現(xiàn)基于具體風(fēng)險要素的整體風(fēng)險值精確量化，并在此基礎(chǔ)上開展風(fēng)險在線監(jiān)控分析，可以自動生成不同企業(yè)層級關(guān)注的風(fēng)險清單，對風(fēng)險清單各類風(fēng)險進行風(fēng)險值實時跟蹤，各類風(fēng)險控制措施落實進度跟蹤，實現(xiàn)石化裝置對安全風(fēng)險的智能計算和自動分析，最終實現(xiàn)石化企業(yè)全廠級風(fēng)險分級管控的功能目標(biāo)。