基于動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的石化裝置火災(zāi)事故動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析*

周寧 吳克建 李雪 劉晅亞 袁雄軍 李徐偉 曹林林 喬世偉

(1.常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213016； 2.應(yīng)急管理部天津消防研究所 天津 300381)

0 引言

石油煉化是石油生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，石化裝置是關(guān)系到石油煉化工作能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。石化裝置規(guī)模大，易燃易爆危險(xiǎn)物和危險(xiǎn)設(shè)備多。一旦發(fā)生重大事故時(shí)，往往會帶來災(zāi)難性的后果。2017年11月30日新疆某石化公司煉油廠重油催化裂化裝置發(fā)生事故，造成5死3傷。2018年3月12日九江石化公司一煉油裝置著火，事故導(dǎo)致2死1傷。2018年8月4日蘭州石化公司煉油廠氣體分餾裝置泄漏著火，引發(fā)火災(zāi)。伴隨著近年來石化裝置事故的發(fā)生，石油煉化裝置事故動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析越來越受到學(xué)者和行業(yè)專家的重視，KHAKZAD N等[1]在蝶形圖模型(Bow-tie model)上引入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論對系統(tǒng)安全屏障進(jìn)行動態(tài)分析；KALANTARNIA M等[2]應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法對危險(xiǎn)化學(xué)品儲罐和裝置失效概率及事故發(fā)生概率進(jìn)行修正；趙秋德[3]分析了石化生產(chǎn)裝置事故發(fā)生泄漏后未發(fā)生爆炸、爆炸后未著火、泄漏后爆炸、著火等事故特點(diǎn)；韓恩慧[4]將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與集對分析法相耦合對石化裝置的火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行研究，得出石油化工裝置火災(zāi)、爆炸事故的定性及定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)理論；周波[5]采用Dow’s法、ICI蒙德法對石油萘裝置的工藝過程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評價(jià)；周寧等[6]運(yùn)用T-S動態(tài)故障樹研究了乙烯裝置生產(chǎn)工藝過程中的動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，定量計(jì)算了乙烯裝置發(fā)生事故擴(kuò)大化的動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)概率；殷勇[7]提出了一套適用煉化裝置的風(fēng)險(xiǎn)分級方法。目前，石油煉化裝置事故研究主要集中在石化裝置工藝流程風(fēng)險(xiǎn)性和事故特點(diǎn)研究上，而針對石油煉化裝置事故動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析和情景演變研究較少。本文將采用故障樹評估法，將情景演變與動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)相耦合，對石化裝置可能發(fā)生事故的情景路徑進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對石化裝置火災(zāi)事故動態(tài)演變預(yù)測。

1 石化裝置故障樹分析

石化裝置的原料和產(chǎn)品多數(shù)具有易燃、易爆、有毒、腐蝕性等，同時(shí)，石化生產(chǎn)常常伴隨著高溫、高壓、低溫、低壓等工藝流程。風(fēng)險(xiǎn)因素識別是石化裝置風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)，更是風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)處理的前提。對石化裝置進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分析，對各個裝置的工藝流程、運(yùn)行環(huán)境及潛在危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，結(jié)合裝置元件失效概率高低，確定裝置故障主要因素，然后建立石化裝置火災(zāi)事故故障樹來表示裝置的某些致因因素與其所導(dǎo)致的某種事故間的邏輯關(guān)系。

2 構(gòu)建石化裝置火災(zāi)事故動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

2.1 事故情景演變路徑分析

石化裝置火災(zāi)事故的演變過程存在4個要素，分別為事故情景狀態(tài)(S)、處置目標(biāo)(T)、應(yīng)急措施 (M)和災(zāi)害事故的自身演變(◎)，這4個要素之間的關(guān)系如圖1所示，針對事故情景狀態(tài)(S)采取相應(yīng)的應(yīng)急措施(M)，通過事故自身演變，確定能否實(shí)現(xiàn)處置目標(biāo)(T)。

圖1 事故演化過程示意

石化裝置事故隨著時(shí)間軸演變過程中，可能出現(xiàn)不同的演變路徑，當(dāng)石化裝置的事故情景狀態(tài)在采取應(yīng)急措施達(dá)到處置目標(biāo)時(shí)，災(zāi)害事故就按照預(yù)期演變到下一時(shí)刻的事故情景；當(dāng)災(zāi)害事故的情景沒有應(yīng)急措施或采取應(yīng)急措施失敗時(shí)，事故就會往悲觀的方向演變。災(zāi)害事故發(fā)生后，在t1時(shí)刻，應(yīng)急措施M1，作用于情景狀態(tài)S1，在災(zāi)害事故自身演變的同時(shí)，達(dá)到處置目標(biāo)T2；在t2時(shí)刻，災(zāi)害事故又在自身演變的同時(shí)，情景狀態(tài)演變?yōu)镾2，應(yīng)急措施M2作用于情景狀態(tài)S2，達(dá)到處置目標(biāo)T2；依此類推，直至災(zāi)害事故結(jié)束。

2.2 動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是“描述變量之間概率關(guān)系”的圖形模式，是一個有向無環(huán)圖，可以以局部狀態(tài)和條件概率的形式來描述石化裝置系統(tǒng)的狀態(tài)空間、裝置失效因素相關(guān)性和石化裝置火災(zāi)事故動態(tài)演化過程。其中，在定性層面，動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)用各個節(jié)點(diǎn)來表示裝置發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)的隨機(jī)變量，用一個有向無環(huán)圖描述了節(jié)點(diǎn)變量之間的獨(dú)立和依賴關(guān)系，即節(jié)點(diǎn)在給定其父節(jié)點(diǎn)的前提下與其非后代節(jié)點(diǎn)條件獨(dú)立。在定量層面，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的每一個節(jié)點(diǎn)都附有一個概率分布，根節(jié)點(diǎn)X所附的是它的邊緣分布Pr{X}，非根節(jié)點(diǎn)X所附的條件概率分布Pr{X|Pa(X)}，利用條件概率分布刻畫了變量對其父節(jié)點(diǎn)的依賴關(guān)系。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概率分布公式：

(1)

其中，當(dāng)Pa{Xi}=φ時(shí)，Pr{X|Pa(X)}即為邊緣分布Pr{X}。

動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合概率分布公式：

(2)

建立動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的步驟如圖2。

圖2 建立動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的步驟

石化裝置的事故情景要素和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)情景演變?nèi)绫?和圖3所示。

表1 石化裝置事故情景要素

圖3 動態(tài)貝葉斯情景演變示意

圖3所示，是一個包含若干個事故情景的事故裝置事故情景演變的所有可能路徑，每個情景狀態(tài)(S)中都會有對應(yīng)的處置措施(M)。如果達(dá)到相應(yīng)的處置目標(biāo)，事故的情景狀態(tài)就會朝著樂觀方向演變；沒有達(dá)到相應(yīng)的處置目標(biāo)，事故的情景狀態(tài)就會朝著悲觀方向演變。

事故最樂觀的事故演變途徑為：

S1→S2→S3→S4

表示處置措施(M1)使事故朝著最樂觀的處置目標(biāo)方向演變，即及時(shí)采取處置措施處理事故，沒有引發(fā)新的事故，最終事故消失。

事故最悲觀的裝置事故演變途徑為：

S1→S2→S6→S8

表示處置措施(M)使災(zāi)害事故朝最悲觀的處置目標(biāo)(T)方向演變，即石化裝置發(fā)生初始事故未能及時(shí)采取處置措施(M)或處置措施(M)未起作用，導(dǎo)致整個石化裝置發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸事故。

本文采用悲觀主義決策準(zhǔn)則進(jìn)行推演，選取最悲觀的情景演變的動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用專家打分方法確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)變量的條件概率[8]，利用計(jì)算軟件MATLAB和聯(lián)合概率公式計(jì)算出各個節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)概率。

3 實(shí)例分析

以丙烯精餾裝置為例進(jìn)行實(shí)證分析。丙烯精餾裝置屬于甲類防火裝置，裝置大部分區(qū)域?qū)儆诒ㄎｋU(xiǎn)2區(qū)[9]，所涉及的火災(zāi)危險(xiǎn)介質(zhì)為甲類可燃液體和甲類可燃?xì)怏w, 其中丙烷屬于甲B類火災(zāi)危險(xiǎn)性物質(zhì)，空氣易與其蒸氣混合形成爆炸性物質(zhì)，一旦遇到高溫、明火極易引發(fā)燃燒或爆炸，火災(zāi)危險(xiǎn)性極大。

3.1 丙烯精餾裝置火災(zāi)事故故障樹

依據(jù)對丙烯精餾裝置工藝流程、運(yùn)行環(huán)境及潛在危險(xiǎn)性的分析，確定裝置易失效元件為塔體、換熱器、冷凝器、再沸器等，確定裝置故障主要影響因素有裝置材質(zhì)差、腐蝕、磨損、生污、雜質(zhì)沉淀、沖刷、外力破壞等。建立丙烯精餾裝置的火災(zāi)事故故障樹如下，圖4、表2分別為丙烯精餾裝置火災(zāi)事故故障樹及基本事件說明。

圖4 丙烯精餾裝置事故故障樹

表2 丙烯精餾裝置故障樹事件說明

丙烯精餾裝置事故主要由塔體故障和冷凝器、再沸器故障引起的裝置失效遇火源發(fā)生火災(zāi)。其中，導(dǎo)致塔體故障發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故的主要影響因素為腐蝕磨損、塔體缺陷等導(dǎo)致塔體開裂穿孔引起火災(zāi)；精餾裝置的冷凝器和再沸器發(fā)生故障也可能導(dǎo)致丙烯精餾裝置發(fā)生火災(zāi)事故；裝置的長期使用，冷凝器和再沸器的換熱管中因細(xì)菌繁殖引起生污結(jié)垢和鈣化物沉積導(dǎo)致管內(nèi)存在有物料垢，當(dāng)垢層越來越厚，極易造成冷凝器和再沸器故障。

3.2 丙烯精餾裝置情景概率計(jì)算

丙烯精餾塔或設(shè)備故障的發(fā)生造成火災(zāi)事故，塔體設(shè)備火災(zāi)事故擴(kuò)大，同時(shí)引發(fā)整個裝置發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。丙烯精餾裝置事故情景要素和情景演變?nèi)绫?和圖5所示。

圖5 丙烯精餾裝置動態(tài)貝葉斯情景示意

表3 丙烯精餾裝置事故情景要素

采用悲觀主義決策準(zhǔn)則進(jìn)行推演，選取最悲觀的情景演變的動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用專家打分方法確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)變量的條件概率，利用計(jì)算軟件MATLAB計(jì)算出各個節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)概率，如圖6所示。

圖6 丙烯精餾裝置事故情景推演示意

根據(jù)圖6可知，丙烯泄漏起火被控制概率為73.7%，裝置發(fā)生流淌火被撲滅概率為60.4%，冷凝器、再沸器搶修成功概率為57.5%，丙烯精餾裝置失效有效降低熱輻射的概率為52.3%，丙烯精餾裝置起火的概率為50.7%。

4 結(jié)論

本文基于動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的方法對石化裝置火災(zāi)事故進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，得到以下結(jié)論：

(1)采用故障樹與動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合提出了石化裝置動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析的方法及流程，有效彌補(bǔ)了故障樹方法無法描述石化裝置火災(zāi)事故動態(tài)性問題的缺陷，為石化裝置火災(zāi)事故動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析提供了一種新思路。

(2)基于情景狀態(tài)(S)、處置目標(biāo)(T)、處置措施(M)和自身演變(◎)4個要素表示石化裝置火災(zāi)事故情景演變路徑，可以將此石化裝置火災(zāi)事故的演變規(guī)律清楚表示出來，為事故應(yīng)急救援快速采取合理的干預(yù)手段提供依據(jù)。

(3)由于石化裝置火災(zāi)事故影響因素的復(fù)雜性、多樣性以及不確定性，導(dǎo)致對樣本信息要求較高。因此在樣本信息足夠多、領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)足夠豐富時(shí)，即可得到更加精確的石化裝置火災(zāi)事故推演結(jié)果。