石化行业非稳态操作过程危险与可操作性分析研究

摘要

在石油化工生产过程中，除了连续稳定的操作模式，还存在非稳态操作模式，如间歇过程、开车过程和停车过程。由于涉及大量的人工操作及工艺状态的阶段性动态变化，相对于连续稳定生产操作更易于出现异常工况甚至事故。
　　HAZOP(Hazard and Operability)分析方法是推荐使用的过程危险分析方法。HAZOP分析方法广泛用于辨识潜在的危险与可操作性问题。利用HAZOP分析方法，能够系统地辨识出每一个有意义的过程偏离，然后对每一个偏离辨识出可能的原因和可能导致的不利后果。
　　传统的HAZOP分析由各领域专家人工讨论完成，费时、费力。相对于连续生产过程HAZOP人工分析——只需要对工艺单元的变量过高和过低的原因和后果进行辨识，非稳态操作过程HAZOP人工分析工作量和难度更大。这主要体现在:(1)非稳态操作过程是一个阶段性动态变化过程，某一操作偏差的不利影响可能到后续操作才能显现出来，在分析过程中专家需要记住之前出现的操作偏差;(2)当涉及多个操作偏差时，专家需要分析次序出现的误操作的综合的影响。
　　为了减少人工分析的负担，一些针对非稳态操作过程的自动化HAZOP分析方法已经被提出，但仍存在如下的一些不足之处。
　　在建模方面，(1)缺少对某一操作过程中变量动态变化和变量间动态影响的描述;(2)缺少对控制回路的建模方法研究。
　　在自动HAZOP分析方面，(1)可使用的与操作相关的引导词较少;(2)缺少对误操作模式进行比较系统的研究;(3)对误操作自动产生算法的研究很少;(4)一些方法在变量过高或过低时输出的不利后果内容是预先在建模过程中手工添加的，增加了建模的工作量，且添加的内容完全依赖于建模人员对装置的理解程度;(5)缺少针对操作失误自动风险辨识的研究。
　　在自动分析与人工分析结合方面，(1)缺少对自动HAZOP分析结果进行审核的关注;(2)缺少系统地对误操作发生原因进行辨识的方法。
　　为了解决这些不足之处:
　　本文首先提出了一个基于模糊逻辑的针对非稳态操作过程的定性建模和仿真方法。该方法用Petri网-模糊有向图模型表达工艺原理。为了解决建模方面的第(1)、(2)个不足之处，模糊有向图模型考虑了变量之间在动态变化过程中的影响和连续自动控制作用。为解决自动HAZOP分析方面第(1)个不足之处，使用形式化方法表达操作步骤，以方便根据引导词产生误操作。然后根据定性仿真算法对包含误操作的操作过程进行定性仿真。
　　在非稳态操作过程定性建模和仿真的基础上，提出非稳态操作过程自动HAZOP分析方法。在自动HAZOP分析方面，为解决第(2)个不足之处，在文中对误操作模式的类型及误操作模式与偏导词之间的关系进行了研究;为解决第(3)个不足之处，设计了针对单一误操作模式和不同种类误操作模式的操作步骤集合产生算法;为解决第(4)个不足之处，当对包含误操作集合中的每一个操作步骤定性模拟其对生产的影响且发现变量变化强度或变量值过高、过低时，或发现泄漏事件时，利用“过程变量过高/过低危险模式”和“物质危险图”自动分析输出可能的危险;为解决第(5)个不足之处，利用公式评判某一包含误操作的操作步骤的出现可能性等级、利用失效设备中物料的与安全相关的物性和量评判后果严重程度等级、利用预定义的风险矩阵判断该操作过程的风险。
　　然后，本文提出了一个针对非稳态操作过程的自动HAZOP分析和人工HAZOP分析结合的方法。在自动分析与人工分析结合方面，为解决第(1)个不足之处，提出一个对自动HAZOP分析结果进行人工审核的方法;为解决第(2)个不足之处，总结了影响操作人员操作效果的各个层次的因素及对应的原因和措施，提出了一个系统地辨识误操作原因和提出建议措施的步骤。
　　本文通篇使用一个间歇生产过程案例解释提出的方法。最后利用一个脱丁烷塔案例完整地验证了提出的方法。通过这两个案例，验证了提出的方法能够很好的解决现有非稳态操作过程自动HAZOP分析方法存在的不足之处。
　　最后，本文提出的方法集成了自动分析与人工分析的优势，能够快速地得到较为完备的分析结果，并根据专家经验和工厂实际情况对分析结果进行审核、辨识误操作原因和提出建议措施，最终将得到一份完备性好且有效的分析报告。这些分析结果有利于工厂有针对性地采取措施，以避免误操作的出现或显著减少由误操作导致的危害。因此，本文的研究内容有较强的理论及实际意义。