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五項化工安全工程技術的研究與應用

鄒志云,管臣,郭寧,王慶志,孟磊

(軍事科學院 防化研究院)

摘要:根據危險化學品生產所用特種化工過程的安全管控需求,對五項化工安全管控工程技術進行了研究與應用,包括危險化學品安全技術數據說明書(MADS)及其管理軟件開發、道化學化學品(DOW)化學暴露指數(CEI)的計算及其評估軟件開發、DOW火災爆炸指數(F&EI)的計算及其評估軟件開發、基于人工免疫診斷算法的化工過程動態預警技術及其軟件開發、基于預定義樹和故障樹的安全事故調查分析管理技術及其軟件開發等,力求構建化工過程安全風險管控技術體系,從生產全生命周期對特種化工過程進行全方位安全管控。

關鍵詞:化工安全工程危險化學品安全技術數據說明書DOW化學指數動態預警安全事故調查

對于生產危險化學品的特種化工過程,安全性應放在首位。完全依賴人員經驗的傳統式安全防護技術,在工藝介質危險性大、工藝過程日趨復雜的形勢下,已不能很好地滿足特種化工過程的安全管控需要。隨著國內外安全科學與工程技術的研究、發展和應用的日益成熟,按照安全工程技術原理和方法對危險的特種化工過程進行安全管控,已逐步成為國內外化工安全領域的通行做法1-5。

本文根據危險化學品生產所需特種化工過程的安全需求,闡述了五項化工過程安全工程技術的研究與應用,包括危險化學品安全技術數據說明書MSDSmaterial safety data sheet)及其管理軟件開發、道化學化學品(DOW)化學暴露指數CEIchemicalexposure index)的計算及其評估軟件開發、DOW火災爆炸指數F & EIfire & explosion index)的計算及其評估軟件開發、基于人工免疫算法的化工過程動態預警技術及其軟件開發、安全事故分析管理技術及其軟件開發,力求從事前、事中和事后等多方面對特種化工過程進行全方位安全管控。

1危險化學品安全技術數據說明書及其管理軟件開發

MSDS國際上稱作化學品安全信息卡,一般包括: 化學品名稱、成分/組成信息、危險性概述、急救措施、消防措施、泄漏應急處理、操作處置與儲存、接觸控制/個體防護、理化特性、穩定性和反應活性、毒理學資料、生態學資料、廢棄處置、運輸信息、法規信息和其他信息等16項信息。

MSDS用來闡明化學品的理化特性,如pH值、閃點、易燃度、反應活性等,以及對使用者的健康可能產生危害的一份文件,是一份關于危險化學品的燃、爆性能,毒性和環境危害,以及安全使用、泄漏應急救護處置、主要理化參數、法律法規等方面信息的綜合性文件。

MSDS是傳遞化學品危害信息的重要文件,它簡要說明了一種化學品對人類健康和環境的危害性,并提供如何安全搬運、儲存和使用該化學品的信息。MSDS讓使用者了解化學品的有關危害,并根據使用的情形制訂安全操作規程,選用合適的防護器具,培訓作業人員,使用時能主動進行防護,起到減少職業危害和預防化學事故的作用。因此,MSDS的編寫質量已成為衡量化學品研發力量和生產實力、形象以及管理水平的一個重要標志。

MSDS規定的16項內容在編寫時不能隨意刪除或合并,其順序不可隨意變更。各項目填寫的要求、邊界和層次,按“填寫指南”進行。其中16項為必填項,而其中的每個小項可有3種選擇,標明[A]項者,為必填項;標明[B]項者,該項若無數據,應寫明無數據原因,如無資料、無意義;標明[C]項者,若無數據,該項可略。

MSDS的正文應采用簡捷、明了、通俗易懂的規范漢字表述,數字資料要準確可靠,系統全面。從該化學品的制作之日算起,MSDS的內容應每5ɑ更新一次,若發現新的危害性,在有關信息發布后的半年內,必須修訂MSDS的內容。

MSDS采用“一個品種一卡”的方式編寫,同類物、同系物的技術說明書不能互相替代;混合物要填寫有害性組分及其含量范圍,所填數據應是可靠和有依據的。一種化學品具有1種以上的危害性時,要綜合表述其主、次危害性以及急救、防護措施。

在一種化學品的MSDS收集和編寫好后,以PSM Suite工藝安全管理智能軟件為平臺,在其工藝安全信息(PSI)模塊中,點擊添加新化學品物料,會出現該化學品物料的MSDS輸入界面,輸入其16項安全管控信息,點擊保存即可。根據生產需要,本文專門研究并編輯了甲基膦酰二氯、二乙氨基乙硫醇、三乙胺和石油醚等多種化學品的MSDS信息,而且在PSM Suite中建立其MSDS庫。依據這些化學品的MSDS庫,設計制作了安全周知卡,供現場生產操作人員隨時觀查和參考,對安全使用和處置這些危險化學品具有重要價值。三乙胺的化學品安全周知卡如圖1所示。

1三乙胺化學品安全周知卡

2  DOW化學暴露指數的計算及其評估軟件開發

美國道化學公司(DOW Chemical Co.)在19865月開發了CEI[6-8],CEIF & EI配套使用可有效地評價化工裝置及相關設施變化的潛在危險。CEI可系統提供一種評價相對危險等級的方法,用于評價可能的化學釋放事件對鄰近的人員或居民產生的嚴重健康危害。

CEI應用于初始工藝過程危險分析、計算分布等級指數、通過審定工藝過程,提出消除、減少或減輕釋放的建議和應急響應計劃。本文的目標是在已有的CEI基礎上,研發軟件實現該方法,形成一個安全指數計算工具,具備一定的管理功能,能記錄、查看、導出已有的各次計算結果。

CEI的計算需要以下數據: 精確的裝置圖和附近的布置圖;一個裝置簡化的主要流程圖,應包含儲罐等容器、主要工藝管線和化學品的量;涉及的相關化學品的理化性質,以及其應急響應計劃指標值ERPGemergency response planning guidelines)的數據。CEI的計算按照以下步驟:

1 通過流程圖、管線圖等,確定可能產生泄漏的有毒化學品。

2 計算CEI。確定可能的化學品泄漏事故,確定ERPG2,確定各種可能場景下的大氣泄漏量(AQ),選擇AQ最大的場景,計算CEI,計算安全距離(HD),匯總報告。

3 匯總計算結果。

CEI計算的詳細數學模型可參見文獻6-8。

CEI計算的軟件系統使用Java開發,設計為基于Web的網頁應用程序,瀏覽器/服務器模式,無需安裝,只需要通過網頁瀏覽器即可登錄使用,大幅提高了使用的靈活機動性,并且動態頁面技術也有助于軟件的智能化。軟件程序采用廣泛使用的MVC架構來設計,如圖2所示。MVC框架將軟件程序分為模型、視圖和控制器三個層次:模型主要負責處理業務邏輯和數據;視圖主要指用戶界面;控制器負責聯系視圖和模型,從視圖獲取用戶請求后向模型傳遞數據,將模型處理的結果返回視圖。

2DOW CEI計算軟件系統的MVC架構

CEI計算軟件系統的模塊化結構如圖3所示,包括CEI項目數據管理、CEI在線計算、CEI報告產生和ERPG數據管理等主要功能模塊。

3DOW CEI計算軟件系統的功能模塊

使用該CEI計算軟件,評估了G生產裝置的間歇蒸餾單元過程的泄漏暴露風險,得到的有關泄漏風險數據,該數據對改進該單元過程操作和工藝設計具有重要參考價值。DOW化學暴露指數評價計算數據見表1所列,DOW化學暴露指數評價計算結果見表2所列。

3 DOW火災爆炸指數的計算及其評估軟件開發

F&EI9-10是美國道化學公司提出的評價化工工藝過程和生產裝置的火災、爆炸危險性及采取相應安全措施的一種方法,已在國內外化工領域得到大量推廣應用。

F&EI運用了大量的實驗數據和實踐結果,以被評價單元中的重要物質系數MF為基礎,用一般工藝危險系數F1確定影響事故損害大小的主要因素,特殊工藝危險系數F2表示影響事故發生概率的主要因素。MF,F1, F2的乘積為火災爆炸危險指數,用來確定事故的可能影響區域,估計所評價生產過程中發生事故可能造成的破壞;由MF和單元工藝危險系數F3=F1F2得出單元危險系數,從而計算評價單元基本最大可能財產損失,然后再對工程中擬采取的安全措施取補償系數C,確定發生事故時實際最大可能財產損失和停產損失[10-11]。

F&EI的評估計算程序如圖4所示,其中C1為工藝控制安全補償系數、C2為物質隔離安全補償系數、C3為防火設施安全補償系數、MPPDmaximumprobable property damage)為最大可能財產損失、MPDOmaximum probable days of outage)為最大可能停工天數,BI為停產損失。F&EI值與危險等級之間的對應關系見表3所列。

1DOW暴露指數評價計算數據

F&EI評估計算軟件的架構和模塊設計同CEI計算軟件。

O生產裝置合成結晶工藝單元為例,其中含有二氯甲烷和石油醚等易燃易爆介質較多,數量較大,通過對開發的F&EI評估計算軟件進行驗證,評估計算得到的F&EI指數見表4所列,表4中確定的物質為汽油,操作溫度為120℃,MF值為16。安全補償措施系數見表5所列,工藝單元危險分析匯總見表6所列,有關數據對改進O裝置合成結晶工藝單元的安全操作具有重要價值。

2DOW暴露指數評價計算結果

 圖4 DOW F&EI評估計算程序

3F&EI值與危險等級之間的對應關系

表4 火災和爆炸指數

表5 安全補償措施系數

續 表 5

表6 工藝單元危險分析匯總

4基于人工免疫算法的化工過程動態預警技術及其軟件開發

人工免疫系統AISartificial immune system)是借鑒、利用生物免疫系統的信息處理機制的一種綜合智能系統,它將免疫學與工程學有機結合,利用數學、計算機等技術建立免疫機制模型,并將其應用于工程的設計、實施等方面,將人工免疫中對于自我與非我的判斷引入到故障診斷領域。動態人工免疫系統針對工藝流程的動態特性,以工藝流程的動態變量數據為驅動,以歷史數據時間序列矩陣為抗體,在線數據時間序列矩陣為抗原,通過計算抗原與抗體的差異度對工藝流程進行在線故障診斷[11-12]。通過早期的故障診斷實現工藝過程異常工況的動態預警,使工藝操作人員及時采取措施使工藝過程回歸正常,避免了安全事故的發生。

本文研究和應用的人工免疫故障診斷及預警算法主要包括3部分: 系統初始化,包括正??贵w庫和故障抗體庫的初始化;系統自學習,包括正??贵w庫和故障抗體庫的更新;在線故障診斷,包括故障檢測和故障類別診斷。實際的在線故障診斷流程如圖5所示[12-13]。

在線診斷開始之前要有一定量的原始正常樣本和原始故障樣本,分別對正常樣本抗體庫和故障樣本抗體庫進行初始化,再開始在線故障診斷。

1 系統定時讀入由生產設備或模型生成的在線數據,此時判斷數據是否采集完畢,即是否已完成了一個批次的生產。若一個批次的檢測已完成未發生故障,將測試數據處理后加入正??贵w庫更新;將計算在線數據與正??贵w庫中的抗體差異度,根據計算結果判斷是否發生了故障: 如果沒發生故障,繼續讀取數據進行檢測;如果差異度超出了預定的差異度閾值,則認為對應過程發生了故障,轉入故障類別的診斷。

5基于人工免疫算法的在線故障診斷及動態預警流程

2 進入故障診斷后,分別計算在線數據故障段的各變量與故障抗體庫中的抗體的差異度,當每個變量測試數據的差異度均小于設定閾值,則認為故障與該抗體一致。如果與故障抗體庫內所有抗體的差異度均不滿足以上條件,即判斷為有新故障。

3 當故障判斷完成后,要確認故障診斷的結果。若診斷錯誤,需要輸入人工診斷結果,若正常則讀取下一組數據繼續測試,若診斷出故障則將在線數據處理后加入相應的故障抗體庫進行更新,對于新故障還將引入新的抗體類別。

G生產裝置的蒸餾工藝過程為應用對象,蒸餾工藝單元流程如圖6所示。在Matlab軟件平臺上用m語言編程實現了以上基于人工免疫算法的故障診斷及動態預警策略。通過以前生產中蒸餾釜內溫TI04、頂溫TI05和夾套溫度TRC03歷史數據進行自學習生成AIS抗體,現場用可編程控制器(PLC)和工控機組態王監控采集TI04,TI05TRC03,經動態數據交換(DDE)傳送到MatlabAIS診斷預警軟件,對蒸餾濃度可能不達標等工況進行在線動態預警,動態預警的結果經DDE傳送到PLC和控制閥控制工藝過程操作,動態預警系統的相關工作原理如圖7所示,現場運行表明,其對G裝置蒸餾工藝能進行較準確的診斷和預警,對工藝操作具有較好的參考價值。

6G生產裝置蒸餾工藝單元流程示意


7G裝置蒸餾單元動態預警軟硬件工作原理示意

5安全事故調查分析管理技術研究及其軟件開發

事故調查是吸取經驗教訓、預防類似事故發生的重要途徑,在化工過程安全管理中有重要的作用。事故調查要求查明事故的根本原因,總結事故教訓,提出防范和整改措施[2-3]。但是目前國內的化學品事故調查普遍缺乏系統、科學、一致的方法論,進而導致了事故調查報告的根本原因分析不徹底、不清晰的問題,妨礙了從事故調查報告有效地吸取地經驗教訓,使得類似的事故反復重演[1-3]。

預定義樹方法包括了時間序列圖、原因因素定義和預定義樹或檢查表等工具。時間序列圖用于組織數據,將收集到的信息清晰地提供給調查人員。原因因素是事故發生過程中如果消除了就能阻止事故發生或者減輕事故后果影響的因素。預定義樹將事故的所有可能原因整理繪制出原因樹,使用時依據初步定義的原因因素循著原因樹的每一層分支逐步往下找,直到到達分支的末端。

故障樹方法使用時間序列圖和簡化的故障樹,并且可以集成其他任何有效可靠的方法來幫助調查人員對事故分析進入較深的程度,避免過早地停止于表面顯而易見的因素。構建故障樹時首先選擇頂上事件,然后確定頂上事件發生的前提條件或事件,以火災事故為例,前提條件就是點火源、可燃物和助燃物三者同時存在,它們之間的邏輯關系是與門關系。然后繼續分析事件,通過邏輯關系推導直到發現基本事件,基本事件就是事故的根本原因。

通過集成預定義樹構建和邏輯分析構建故障樹分析事故的根本原因,以MySQL為數據庫,依據MVC軟件架構設計,使用Java開發,設計了基于Web的網頁應用程序——化學品事故調查與管理軟件平臺(iTAIM[1-3],該平臺功能結構如圖8所示,通過網頁瀏覽器即可登錄使用,方便快捷。

8化學品事故調查與分析管理軟件平臺的功能結構

iTAIM的兩個主要功能是事故管理和輔助事故調查。事故管理是建立在事故信息的整理存儲上的,依靠事故數據庫建立;事故調查功能能夠實時幫助調查人員記錄獲取的信息,提供這些信息的直觀展示方式;在進行原因分析的時候能夠建立起故障樹,分析事故的邏輯過程,并且提供簡單的預定義樹和相似案例參考;原因分析將結合安全管理要素進行,并跟隨建議措施的提出和跟蹤負責人;采用魚骨圖來展示事故的所有原因,直觀評估安全管理的程度[1-3]。

iTAIM為平臺對生產過程中H裝置脫酸單元真空緩沖罐誤報警等小事故進行調查分析,結果表明: 該脫酸單元真空緩沖罐誤報警的根本原因是真空緩沖罐所用電接觸式液位控制器在開車前未按儀表校驗程序調校假物料,使其在長時間運行后產生誤報警,導致工藝過程運行短暫停車。

6結束語

從特種危險化學品生產過程安全的實際需求出發,結合國內外化工安全工程理論和方法的發展,對五項先進的化工安全工程技術進行了研究和應用,開發了相應的安全管控軟件,并進行了實際應用驗證。實際運行結果表明: 這些化工安全工程技術及其安全管控軟件可以較好地促進工藝過程的安全設計、操作、運行和控制,可以從事前、事中和事后對生產工藝過程進行良好的全周期安全管控。其中,MSDS的編制、DOW CEIF&EI的計算評估可以在事前對工藝介質和工藝裝置的危險性及其處置措施有比較充分的了解和準備;而基于人工免疫診斷算法的化工過程動態預警軟件在工藝過程控制系統中的安裝運行,可以在工藝生產試驗運行中對異常工況進行早期預警,及時糾正事故苗頭;基于預定義樹和故障樹的安全事故調查分析管理技術及其軟件的應用,可以在事故發生后深刻總結經驗教訓,分析發現事故的根本原因,有效預防事故的再次發生。

參考文獻:略。