基于DEMATEL-SD 模型的油氣站場系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和動態(tài)分析

賈偉杰，張偉江，南婧怡，王丹丹，王婷婷，梁昌晶

1.中國石油華北油田分公司第四采油廠，河北廊坊 065000

2.中國石油華北油田分公司第五采油廠，河北辛集 052360

3.中國石油華北油田公司第一采油廠，河北任丘 062552

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，油氣管道的建設(shè)迎來了高峰期，預(yù)計(jì)至2025 年底，原油、成品油和天然氣管道的里程將分別達(dá)到3.7×104、4×104、16.3×104km[1]。油氣站場作為連接能源產(chǎn)地和下游用戶的中間環(huán)節(jié)，其安全性和重要性不言而喻。油氣站場因介質(zhì)易燃易爆、整體布局緊湊、工藝流程復(fù)雜、所處環(huán)境高危等特點(diǎn)，具有較高的事故發(fā)生概率，一旦某些前導(dǎo)事件（即報(bào)警、未遂事件和事故的統(tǒng)稱）發(fā)生，其子系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)可能直接傳遞至其余子系統(tǒng)或設(shè)備，造成持續(xù)性的破壞[2]。2006年，國內(nèi)某油氣田富加輸氣站發(fā)生天然氣爆炸事故，造成10人死亡、3人重傷，該事故是以管材焊縫裂紋為起始點(diǎn)，將風(fēng)險(xiǎn)逐級轉(zhuǎn)移至其他周邊區(qū)域和系統(tǒng)，進(jìn)而形成重大事故。因此，對油氣站場的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和動態(tài)分析，對于降低站場總體風(fēng)險(xiǎn)和防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

目前，對于油氣站場的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)多以事故樹[3]、模糊綜合評價(jià)法[4]、綜合指數(shù)法[5]和模糊物元法[6]為主，但這些評價(jià)對象均為靜態(tài)環(huán)境，忽略了不同系統(tǒng)因素間的耦合作用，忽視了單一風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)后與其余風(fēng)險(xiǎn)因子相互作用使風(fēng)險(xiǎn)增大的可能性。系統(tǒng)動力學(xué)（SD）是由Forrester 在1950 年左右提出的系統(tǒng)仿真方法，可同時(shí)表述和分析多個(gè)系統(tǒng)的控制變量和不安全行為，在突發(fā)事故處理中具有一定優(yōu)勢[7-8]。油氣站場系統(tǒng)具有復(fù)雜性、多階性、反饋性和長期性的特點(diǎn)，與SD 的理念和建模方法類似。基于此，在分析油氣站場系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)要素的基礎(chǔ)上，定義關(guān)鍵變量，建立SD 存量流量圖，通過決策試驗(yàn)與評估實(shí)驗(yàn)室（DEMATEL）模型構(gòu)建SD 方程，并考察不同子系統(tǒng)安全投入對站場風(fēng)險(xiǎn)的影響。

1 油氣站場系統(tǒng)動力學(xué)模型

1.1 油氣站場系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)要素分析

根據(jù)海因里希因果聯(lián)鎖論，事故產(chǎn)生的原因可總結(jié)為技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)不足、態(tài)度不端正和工作環(huán)境不佳，后人又補(bǔ)充了管理和教育的內(nèi)容，形成完整體系。因此可從人員系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)等方面構(gòu)建與站場風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的要素信息[9]，同時(shí)可將油氣站場系統(tǒng)視為一個(gè)整體概念集合，從暴露度、脆弱度和適應(yīng)力等三個(gè)方面來衡量站場的風(fēng)險(xiǎn)情況，油氣站場的風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)見圖1。

暴露度是指系統(tǒng)在擾動狀態(tài)下的暴露程度，可理解為事故隱患程度，體現(xiàn)系統(tǒng)受外界影響的概率。該指標(biāo)與周邊環(huán)境復(fù)雜性、設(shè)備設(shè)施可靠性和人員操作準(zhǔn)確性等有關(guān)。油氣站場較沿線管道具有更強(qiáng)的獨(dú)立性，受山洪、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害和霧霾、酸雨等極端天氣的影響較大；同時(shí)，站場內(nèi)三相分離器、吸收塔、再生塔、儲罐等設(shè)備也受環(huán)境的影響，容易引發(fā)元件銹蝕和老化，具有較高的暴露度。此外，國內(nèi)多數(shù)站場還未實(shí)現(xiàn)一鍵啟停和完全自動化，還需依靠人工操作完成安全儀表系統(tǒng)的預(yù)警和啟動，此時(shí)人的安全心理水平、安全意識水平等均會影響暴露度的結(jié)果。

脆弱度反映系統(tǒng)受到擾動時(shí)的反應(yīng)程度，體現(xiàn)為系統(tǒng)對事故傷亡情況和事故經(jīng)濟(jì)損失的影響。油氣站場附近具有較高的人口密度，當(dāng)發(fā)生較大事故時(shí)，受逃生路徑和應(yīng)急方式的限制，將會對站場設(shè)備和周圍環(huán)境造成不可逆的破壞，同時(shí)危害人員及財(cái)產(chǎn)安全，增加站場的脆弱度。此外，豐富的經(jīng)驗(yàn)、完備的培訓(xùn)和應(yīng)急演練也可能降低站場脆弱度的結(jié)果。

適應(yīng)力反映系統(tǒng)抵抗外界擾動的能力，體現(xiàn)系統(tǒng)對預(yù)警系統(tǒng)完備性、應(yīng)急有效性和事故處理成本產(chǎn)生的影響。事故發(fā)生時(shí)，站場系統(tǒng)安全性呈熵增趨勢，需在短時(shí)間內(nèi)完成停產(chǎn)及應(yīng)急救援工作，此時(shí)如具有可靠的緊急關(guān)斷系統(tǒng)、完善的應(yīng)急預(yù)案準(zhǔn)備和充分的外部救援力量，可降低事故后果嚴(yán)重性，避免二次及高級多米諾事故發(fā)生，表現(xiàn)為較高的適應(yīng)力。然而，考慮到我國管道沿線地區(qū)等級普遍從設(shè)計(jì)初期的三、四級地區(qū)升至一、二級地區(qū)，人員控制事故發(fā)展和走勢的能力較差，站場的風(fēng)險(xiǎn)敏感性也會大幅增加，適應(yīng)力有所下降。

1.2 SD模型建立

利用上述分析，利用VENSIM PLE 軟件構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)模型，模型涉及水準(zhǔn)變量、速率變量、輔助變量和常量。將暴露度、脆弱度和適應(yīng)力向水準(zhǔn)變量映射，暴露度水平、脆弱度水平和適應(yīng)力水平向速率變量映射，人員系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)及其影響因素向輔助變量和常量映射。此外，將各系統(tǒng)的安全投入作為常量，便于后期對比安全投入對系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的影響，SD 存量流量見圖2。

圖2 SD存量流量

以環(huán)境系統(tǒng)為例，隨著站場服役時(shí)間的延長，周邊人口密度不斷增加，環(huán)境系統(tǒng)的承受能力逐漸降低，導(dǎo)致暴露度和脆弱度有所升高，適應(yīng)力有所降低，站場系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)增加，再通過站場事故發(fā)生頻率影響事故傷亡情況和事故經(jīng)濟(jì)損失，最后對安全規(guī)章制度和安全監(jiān)督管理形成反饋機(jī)制。依次類推，構(gòu)成多個(gè)閉式安全回路。

1.3 SD參數(shù)確定

對于常量和水準(zhǔn)變量的初值，可以利用德菲爾法，采用1～9 標(biāo)度法通過專家經(jīng)驗(yàn)確定，規(guī)則見表1。

表1 常量和水準(zhǔn)變量初值打分規(guī)則

對于輔助變量之間的關(guān)系，采用DEMATEL 模型描述[10-11]，邀請專家建立兩兩因素的直接影響矩陣，隨后計(jì)算綜合影響矩陣及影響度、被影響度，最后在笛卡爾坐標(biāo)系中繪制中心度-原因度分布，見圖3。其中，中心度表示影響因素的重要程度；原因度表示因素之間的影響程度，原因度為正則該因素為原因因素，原因度為負(fù)則該因素為結(jié)果因素?？梢?，安全監(jiān)督管理和維護(hù)維修情況的中心度較大，中心度越大，表示這些因素對站場風(fēng)險(xiǎn)水平的影響越大，且從圖2中也可以看出，這兩個(gè)因素的流入、流出關(guān)系較多，形成的反饋也較多。原因因素中安全監(jiān)督管理、人口密度、站場安全水平的重要程度較大，這些因素通過反饋直接或間接影響其他因素；結(jié)果因素中工藝設(shè)備、通信設(shè)備和消防設(shè)備的重要程度較大，這些因素容易受其他因素的影響。

圖3 中心度-原因度分布

對中心度值進(jìn)行歸一化處理，確定子系統(tǒng)和影響因素的權(quán)重，根據(jù)權(quán)重建立對應(yīng)的SD 方程，見表2。其中，INTEG（6.5，暴露度水平）表示積分運(yùn)算，“6.5”為暴露度的初值，根據(jù)表1 規(guī)則由數(shù)位專家打分確定。

表2 油氣站場系統(tǒng)的SD方程

2 仿真結(jié)果分析

以某油田油氣站場為例，該站場年處理原油量10×104t，處理天然氣5×108m3，站場內(nèi)設(shè)有油處理區(qū)、氣處理區(qū)、水處理區(qū)、裝卸區(qū)、儲罐區(qū)和放空區(qū)等?？紤]到站場系統(tǒng)的整改通常以月為單位，故將分析時(shí)間步設(shè)置為1個(gè)月，進(jìn)行為期24個(gè)月的仿真模擬，分析站場系統(tǒng)暴露度的變化趨勢，見圖4。隨著時(shí)間的推移，初始狀態(tài)下的站場暴露度先升高后保持平穩(wěn)，這與設(shè)備劣化、管理系統(tǒng)提升、人員素質(zhì)提高等因素相關(guān)，在10 個(gè)月后達(dá)到平衡狀態(tài)。增加安全投入后，環(huán)境系統(tǒng)對暴露度幾乎不造成影響，這與油氣站場建設(shè)的固化性和不可移動性有關(guān)，只有人口密度可以通過站內(nèi)工藝簡化、地方政府協(xié)調(diào)等有所減少；管理系統(tǒng)和人員系統(tǒng)對暴露度的影響較大，同樣在初期降低較快，后期保持穩(wěn)定；設(shè)備系統(tǒng)對暴露度的影響最大，且在24個(gè)月后暴露度仍呈下降趨勢。因此，增加設(shè)備系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的可靠性，定期對危險(xiǎn)源和關(guān)鍵部位進(jìn)行檢驗(yàn)監(jiān)測，尤其是工藝和消防設(shè)備，可保證油氣站場系統(tǒng)暴露度的有效下降。

圖4 站場系統(tǒng)暴露度曲線

同理，分析站場系統(tǒng)脆弱度和適應(yīng)力的變化趨勢，見圖5、圖6。

圖5 站場系統(tǒng)脆弱度曲線

圖6 站場系統(tǒng)適應(yīng)力曲線

隨著時(shí)間的推移，初始狀態(tài)下的站場脆弱度先呈線性增加后保持平穩(wěn)，這是由于站場布局具有集中化和大型化的特點(diǎn)，一旦發(fā)生事故，極易引發(fā)多米諾事故，但事故影響范圍受邊界效應(yīng)的控制，不會無限增加。增加安全投入后，環(huán)境系統(tǒng)和人員系統(tǒng)對脆弱度幾乎不造成影響；設(shè)備系統(tǒng)和管理系統(tǒng)對脆弱度的影響相似，前期管理系統(tǒng)的影響較大，在15 個(gè)月后設(shè)備系統(tǒng)的影響較大。因此，增強(qiáng)設(shè)備和管理系統(tǒng)的耦合作用，加強(qiáng)監(jiān)督管理制度，可有效降低站場系統(tǒng)的脆弱度，降低事故后果嚴(yán)重性對站場的影響。

隨著時(shí)間的推移，初始狀態(tài)下的站場適應(yīng)力呈線性增加，這是由于在已有安全資源的條件下，人員素質(zhì)和安全水平均有所提高，應(yīng)對突發(fā)事件的能力也有所提升。增加安全投入后，環(huán)境系統(tǒng)對適應(yīng)力幾乎不造成影響；設(shè)備系統(tǒng)和管理系統(tǒng)對適應(yīng)力的影響相似，均呈先快后慢的變化趨勢；人員系統(tǒng)對適應(yīng)力的影響最大，在24 個(gè)月后仍呈小幅增加趨勢。因此，人員系統(tǒng)對于提高系統(tǒng)適應(yīng)力具有重要作用，可定期組織員工培訓(xùn)，提高安全意識水平，提高站場對事故后果的抵抗能力和從中快速恢復(fù)的能力。

3 結(jié)論

1）從系統(tǒng)動力學(xué)的角度剖析了影響站場系統(tǒng)的因素，利用德菲爾法和DEMATEL模型確定了SD相關(guān)方程，其中安全監(jiān)督管理和維護(hù)維修情況的中心度較大，對站場風(fēng)險(xiǎn)水平的影響較大；安全監(jiān)督管理、人口密度、站場安全水平的原因度較大，這些因素會影響其他因素；工藝設(shè)備、通信設(shè)備和消防設(shè)備的原因度較小，這些因素易受其他因素影響。

2）在無安全投入時(shí)，站場系統(tǒng)的暴露度、脆弱度和適應(yīng)力均有所升高，站場風(fēng)險(xiǎn)增大；設(shè)備系統(tǒng)對于降低暴露度起到關(guān)鍵作用，設(shè)備和管理系統(tǒng)對于降低脆弱度起到關(guān)鍵作用，人員系統(tǒng)對于提升適應(yīng)力起到關(guān)鍵作用。

3）今后可考慮將上、下游管道納入系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中，結(jié)合管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性分析，將站場風(fēng)險(xiǎn)維持在可接受的范圍內(nèi)。