基于HAZOP-集對(duì)分析理論的制磷電爐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)*

陳靜文，代金鳳，梅 毅，朱遠(yuǎn)蹠，翟 持

(1.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650500；3.云南省磷化工節(jié)能與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；4.云南省高校磷化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

0 引言

我國(guó)磷礦資源儲(chǔ)量居世界第二位，磷礦石產(chǎn)量居世界第一位，黃磷生產(chǎn)量占世界的80%以上，主要采用電爐法生產(chǎn)。黃磷容易氧化，燃點(diǎn)為35 ℃，與空氣接觸迅速燃燒。制磷電爐出口氣體中含有85%～90%的CO與磷蒸汽，如果空氣進(jìn)入系統(tǒng)將引發(fā)燃燒、爆炸。因此，制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)黃磷安全生產(chǎn)意義重大。

許多學(xué)者對(duì)制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。陳善繼[1]研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)壓、漏水、爐底燒穿會(huì)引發(fā)爆炸。胡民信[2]分析發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致制磷電爐碳磚腐蝕的原因是磷爐在開、試車生產(chǎn)中的負(fù)荷不穩(wěn)、頻繁拉合閘等。孫志立等[3]分析了制磷電爐運(yùn)行中的故障及工藝操作中存在的問題。趙長(zhǎng)升等[4]運(yùn)用定性與定量方法分析了黃磷生產(chǎn)工藝中存在的黃磷、磷爐氣等危險(xiǎn)物質(zhì)和火災(zāi)、爆炸等危險(xiǎn)。孟昊等[5]運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)矩陣法分析了黃磷生產(chǎn)工藝中存在的風(fēng)險(xiǎn)。但有關(guān)制磷電爐總體風(fēng)險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化趨勢(shì)的研究尚未見報(bào)道。

HAZOP(Hazard and Operability Analysis)又稱危險(xiǎn)與可操作性分析，是英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司提出的一套過程安全分析方法，其可以評(píng)估整個(gè)工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)有工藝中的潛在故障和危險(xiǎn)[6]。HAZOP方法具有全面性、系統(tǒng)性的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為化工行業(yè)普遍采用的安全評(píng)價(jià)方法。

集對(duì)分析理論是由中國(guó)學(xué)者趙克勤于1989年提出的，目前在安全評(píng)價(jià)、水利科學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛并取得了顯著效果。楊鑫等[7]采用集對(duì)分析方法對(duì)區(qū)域水資源承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)集對(duì)分析方法具有客觀性和公平性的優(yōu)點(diǎn)。郝衛(wèi)華[8]利用集對(duì)分析法評(píng)價(jià)了煤礦生產(chǎn)運(yùn)行現(xiàn)狀，結(jié)果表明集對(duì)分析法有利于確定生產(chǎn)中的安全薄弱環(huán)節(jié)。

本文提出了一種基于HAZOP-集對(duì)分析理論的制磷電爐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，以期通過此模型確定制磷電爐總體的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化趨勢(shì)，從而制訂合理的防范措施，避免事故發(fā)生。

1 基于HAZOP- 集對(duì)分析理論的制磷電爐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)步驟

a.制磷電爐的HAZOP分析。確定偏差，分析偏差出現(xiàn)的原因、導(dǎo)致的后果及采取的措施，完成HAZOP分析報(bào)告。

b.選取評(píng)價(jià)指標(biāo)。基于上述HAZOP分析的評(píng)價(jià)結(jié)果，選取事故原因及其他重要因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

c.構(gòu)建制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)制磷電爐的實(shí)際生產(chǎn)情況，構(gòu)建擁有3個(gè)層次的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，即目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層。

d.確定制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)。結(jié)合事故發(fā)生的原因與事故后果的嚴(yán)重性，確定為5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

e.確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。運(yùn)用層次分析法與熵權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重[9]。

f.確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的聯(lián)系度與集對(duì)勢(shì)。依據(jù)集對(duì)分析方法與集對(duì)勢(shì)方法分別求解評(píng)價(jià)指標(biāo)的聯(lián)系度與集對(duì)勢(shì)。

g.確定制磷電爐的總聯(lián)系度及集對(duì)勢(shì)。將評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重與聯(lián)系度結(jié)合，求解制磷電爐的總聯(lián)系度及集對(duì)勢(shì)。

h.確定制磷電爐總體的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化趨勢(shì)。根據(jù)總聯(lián)系度，按照最大隸屬度原則確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，根據(jù)集對(duì)勢(shì)勢(shì)級(jí)確定風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化趨勢(shì)。

2 基于HAZOP- 集對(duì)分析理論的制磷電爐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

2.1 電爐制磷單元的工藝流程

磷礦石、焦炭、硅石由皮帶輸送機(jī)送入料倉(cāng)，經(jīng)下料管進(jìn)入電爐。磷爐變壓器經(jīng)短網(wǎng)將三相電流輸入石墨電極，石墨電極以電阻熱的形式使?fàn)t內(nèi)產(chǎn)生高溫。磷礦石借助硅石的低熔點(diǎn)特性與焦炭發(fā)生還原反應(yīng)，磷爐氣由導(dǎo)氣管進(jìn)入磷爐氣冷凝工序回收黃磷；熔融爐渣通過排渣口排出，水淬?；?，由橋式抓斗起重機(jī)或輸送機(jī)械設(shè)備提升至爐渣儲(chǔ)斗；熔融磷鐵在爐渣排放后沉積于磷鐵池內(nèi)，冷凝之后作為副產(chǎn)品出售。電爐制磷單元工藝流程見圖1。

圖1 電爐制磷單元工藝流程

化學(xué)反應(yīng)式為

4Ca5(PO4)3F+30C+21SiO2→

30CO+20CaSiO3+SiF4+3P4。

2.2 制磷電爐的HAZOP分析

HAZOP小組成員對(duì)電爐制磷單元中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行“頭腦風(fēng)暴”式討論。制磷電爐的HAZOP分析結(jié)果見表1。

表1 制磷電爐的HAZOP 分析結(jié)果

2.3 制磷電爐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

以HAZOP分析中的事故原因?yàn)榛A(chǔ)構(gòu)建制磷電爐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合制磷電爐生產(chǎn)現(xiàn)狀，選取人員和管理方面的重要因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)(見圖2)。

圖2 制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系

2.4 制磷電爐風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定

將制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為：{A-安全，B-較安全，C-一般安全，D-較危險(xiǎn)，E-危險(xiǎn)}，其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分見表2。

表2 制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

2.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重確定

本文選用改進(jìn)的層次分析法——三標(biāo)度(0，1，2)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，該方法不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

熵權(quán)法是通過計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵來量化評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)變化程度對(duì)系統(tǒng)的影響[10]。一般情況下，信息熵越小，評(píng)價(jià)指標(biāo)提供的信息量就越多，評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重就越大。

層次分析法過分依賴人的主觀意識(shí)，熵權(quán)法的客觀性較強(qiáng)，因此本文采用乘法歸一化方法[11]將二者結(jié)合來計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重(ωq)，結(jié)果更符合實(shí)際情況[9]。

(1)

式中，Aq為改進(jìn)層次分析法計(jì)算的權(quán)重，Bq為熵權(quán)法計(jì)算的權(quán)重[9]。

2.6 評(píng)價(jià)指標(biāo)與制磷電爐的聯(lián)系度及集對(duì)勢(shì)的確定

2.6.1 集對(duì)分析理論

集對(duì)分析是一種數(shù)學(xué)理論，可以處理確定與不確定信息的集成，并將其視作一個(gè)整體考慮[12]。集對(duì)分析用聯(lián)系度表示評(píng)價(jià)對(duì)象的同一度、差異度和對(duì)立度之間的關(guān)系。聯(lián)系度一般用μ表示：

μ=a+bi+cj，

(2)

式中：a為同一度；b為差異度；c為對(duì)立度；i為差異度系數(shù)，取值范圍為[-1,1]；j為對(duì)立度系數(shù)，取值為-1；a、b、c滿足條件a+b+c=1[9]。

集對(duì)分析的聯(lián)系度有時(shí)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)中的需要，因此對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的公式為

μ=a+b1i1+b2i2+b3i3+cj，

(3)

式中，b1、b2、b3為不同的差異度等級(jí)，i1、i2、i3為差異度分量系數(shù)，a、b1、b2、b3、c滿足條件a+b1+b2+b3+c=1。

集對(duì)勢(shì)是指某個(gè)問題中同一度、差異度、對(duì)立度大小的比較，反映了某種動(dòng)態(tài)演變趨勢(shì)。金菊良等[13]構(gòu)造了改進(jìn)的五元減法集對(duì)勢(shì)，將其定義為

shi(H)=(a-c)·(1+b1+b2+b3)

+0.5·(b1-b3)·(b1+b2+b3)。

(4)

由式(4)可知，shi(H)=[-1,1]。按照均分原則將集對(duì)勢(shì)分為5個(gè)等級(jí)(見表3)。當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的集對(duì)勢(shì)為shi(H)∈[-1.0,-0.2)時(shí)，認(rèn)為該指標(biāo)是導(dǎo)致評(píng)價(jià)對(duì)象等級(jí)較差的主要因素，可診斷、識(shí)別為評(píng)價(jià)對(duì)象的脆弱性指標(biāo)，該指標(biāo)所代表的方向是今后系統(tǒng)發(fā)展過程中應(yīng)關(guān)注的調(diào)控對(duì)象[14]。

表3 集對(duì)勢(shì)分級(jí)[9 ]

2.6.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)與制磷電爐的聯(lián)系度及集對(duì)勢(shì)的計(jì)算步驟

①設(shè)Q={q1，q2，…，qn}為制磷電爐的評(píng)價(jià)指標(biāo)合集，邀請(qǐng)R位專家對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分。

②整理專家的打分結(jié)果，將各評(píng)價(jià)指標(biāo)的打分結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。

③將總聯(lián)系度中的同一度、差異度、對(duì)立度賦予風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的意義，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的集合為

(5)

式中，i={1，2，…，n}。

評(píng)價(jià)指標(biāo)的聯(lián)系度為

μi=ai+bi1i1+bi2i2+bi3i3+cij。

設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重為ω={ω1，ω2，…，ωn}，總聯(lián)系度求解公式為

集對(duì)分析遵循最大隸屬度原則：

其所在的級(jí)別為制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

④確定制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)后，運(yùn)用集對(duì)勢(shì)分析制磷電爐的總體風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化趨勢(shì)及評(píng)價(jià)指標(biāo)的集對(duì)勢(shì)勢(shì)級(jí)。集對(duì)勢(shì)處于反勢(shì)或偏反勢(shì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，需要重點(diǎn)管控。

3 實(shí)例應(yīng)用

某企業(yè)位于云南省昆明市，當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?6.5 ℃，年均降雨量1 450 mm，雨季集中在5-10月，年均風(fēng)頻為41%。該企業(yè)的制磷電爐屬于中型制磷電爐，主要由爐體、電極和電極自動(dòng)升降裝置、水封裝置、變壓器、溫度、壓力檢測(cè)和控制儀表組成。爐體頂部安裝溫度、壓力記錄及報(bào)警儀表，中部、底部安裝溫度記錄及報(bào)警儀表。

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重的計(jì)算結(jié)果

邀請(qǐng)10位黃磷生產(chǎn)領(lǐng)域的知名專家進(jìn)行打分(見表4)，然后計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重。

表4 專家打分結(jié)果

計(jì)算得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重為W={0.117，0.004，0.017，0.007，0.011，0.057，0.021，0.109，0.009，0.06，0.021，0.037，0.085，0.122，0.055，0.163，0.066，0.039}。

由評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重可知，C11、C23、C42、C51的組合權(quán)重較大，在制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中比較重要。

3.2 基于HAZOP-集對(duì)分析理論的制磷電爐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果

①運(yùn)用基于HAZOP-集對(duì)分析理論的制磷電爐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型計(jì)算制磷電爐的總聯(lián)系度

②制磷電爐的集對(duì)勢(shì)為shi(H)=0.106，處于均勢(shì)，說明制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)向安全等級(jí)和一般安全等級(jí)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)相同[15-16]。

③評(píng)價(jià)指標(biāo)的集對(duì)勢(shì)分布見圖3。

圖3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的集對(duì)勢(shì)分布

由圖3可知，C42的集對(duì)勢(shì)為shi(H)=-0.475，處于偏反勢(shì)。根據(jù)集對(duì)勢(shì)勢(shì)級(jí)的分配原則及內(nèi)涵，C42是需重點(diǎn)管控的指標(biāo)。

3.3 結(jié)果分析與討論

由評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重可知，C11電爐密閉性差、C23原料配比不合格、C42人員違章作業(yè)、C51安全管理制度不完善在制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中比較重要，需要重點(diǎn)管控。

制磷電爐總體的風(fēng)險(xiǎn)屬于較安全等級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)向安全等級(jí)與一般安全等級(jí)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)相同，但是C42人員違章作業(yè)的集對(duì)勢(shì)處于偏反勢(shì)，需要重點(diǎn)管控，否則將加大制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)向一般安全等級(jí)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。

結(jié)合以上分析，提出以下應(yīng)對(duì)措施：

a.制訂嚴(yán)格的電爐檢修流程，定期檢測(cè)車間空氣中有毒氣體的濃度。

b.定期化驗(yàn)爐渣，調(diào)整爐料的配比。

c.定期組織安全知識(shí)培訓(xùn)、安全檢查、生產(chǎn)規(guī)章制度宣教等。

d.嚴(yán)格執(zhí)行安全生產(chǎn)責(zé)任制，領(lǐng)導(dǎo)要帶頭宣貫安全生產(chǎn)方面的重要內(nèi)容，推動(dòng)安全生產(chǎn)責(zé)任制的落實(shí)等；車間負(fù)責(zé)人要積極制訂、檢查、總結(jié)車間的安全生產(chǎn)工作，創(chuàng)造良性競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，調(diào)動(dòng)員工積極性等；班組長(zhǎng)要向工人傳達(dá)班組生產(chǎn)中的不安全因素與安全注意事項(xiàng)，將安全生產(chǎn)貫徹到工人日常工作中等；安全員要定期對(duì)工人進(jìn)行安全教育與檢查，不定期進(jìn)行安全抽查，發(fā)現(xiàn)事故隱患及時(shí)匯報(bào)等[9]；員工要遵守安全職責(zé)，認(rèn)真執(zhí)行各項(xiàng)規(guī)章制度，參加安全演練活動(dòng)，遇到異常情況及時(shí)匯報(bào)等。

e.定期進(jìn)行制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，掌握風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化趨勢(shì)，動(dòng)態(tài)調(diào)整措施。

4 結(jié)論

本文采用HAZOP分析制磷電爐的安全隱患，以事故原因?yàn)榛A(chǔ)建立了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建了基于HAZOP-集對(duì)分析理論的制磷電爐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。該模型的優(yōu)點(diǎn)有：繼承了傳統(tǒng)HAZOP方法的全面性、系統(tǒng)性特點(diǎn)；集對(duì)分析理論直觀展現(xiàn)了制磷電爐總體的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化趨勢(shì)，實(shí)時(shí)反映了制磷電爐的安全現(xiàn)狀，揭示了制磷電爐中需要重點(diǎn)管控的指標(biāo)，有利于企業(yè)及時(shí)了解制磷電爐的安全現(xiàn)狀并調(diào)整預(yù)防措施，避免事故的發(fā)生。

將此模型應(yīng)用于云南省某企業(yè)的制磷電爐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示該制磷電爐處于較安全等級(jí)，電爐密閉性差、原料配比不合格、人員違章作業(yè)、安全管理制度不完善對(duì)制磷電爐的風(fēng)險(xiǎn)影響較大，并提出了應(yīng)對(duì)措施。該模型的評(píng)價(jià)過程可操作性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，可用于制磷電爐的安全現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，可為制磷電爐安全管理提供參考。