２０１０年第３６卷第１２期 Ｉ）ＧｗＡ￣ｌｂｅｒ２Ｏ１Ｏ 工业安全与环保 Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ・４９・ 基于风险的化工企业安全监控系统布局研究＊ 张明广 蒋军成 孙东亮 叶君乐 （江苏省城市与工业安全重点实验室，南京工业大学城市建设与安全工程学院南京２１０００９） 摘要化工企业安全监控系统是进行化工装置事故预防和控制的重要措施。通过量化装置自身事故风险以及事故 状态下装置间事故连锁效应引发的连锁事故风险，建立了综合两类事故的风险评价方法，获得企业的区域风险分布．提出基 于风险分布确定监控系统布局设计的方法。 关键词连锁风险监控系统布局优化化工企业 Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｉｌ ｔｈｅ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｌａｎｔ Ｂａｓｅｄ Ｏｎ Ｒｉｓｋ ７ＡｉＡＮＧ Ｍｉｎｇｇｕａｎｇ ＪＩＡＮＧ Ｊｕｎｃｈｅｎｇ ＳＵＮ Ｄｏｎｇｌｉａｎｇ ＹＥ Ｊｔｌｎｌｅ （Ｊｉａｎｇｓｕ研Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＵｒｂａｎ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｓｇｒ￣ｒ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＵｒｂａｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓａｆａｙ西 Ｍ ｌＶａｎｊｉ￣Ｕｎｉｔｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００９） ， Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｒＩ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｉｎ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｌａｎｔ．Ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｒｉｓｋ ａｓｓｅｓｓ嗍ｔｍｅｔｈｏｄｉｓ ｂｕｉｌｔｔｏ ｑｌ】ａＩ１ｄ ｉｎｈｅｒｅｎｔ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｉｓｒｋ ａｎｄｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｄｏｎ／ｎｏ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｒｉｓｋ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｄｏｍｉｎｏ ｅｆｆｅｃｔｔｍｌｏｎｇ ｅｈｅｎ／ｃａｌｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ， ｔｈｕｓ ａｒｅａ ｒｉｓｋ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆｔｈｉｓ ｐｌａｒＩｔｉｓ ｇａｉｎｅｄ．ａｎｄｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎｔｈａｔｌａｙｏｕｔ ｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ｄｏｍｉｎｏ ｒｉｓｋ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｌａｙｏｕｔ ｏｐ￣ｍｉ＝ｔｉｏ．ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｌ叭ｔ 随着我国经济发展和对安全生产工作的重视，化工企 业安全监控系统作为降低企业风险、提高企业安全度的重要 措施，以风险控制和可靠性为核一Ｌ，Ｅ１ｊ，其系统设计及应用研 究成为一个显著的热点－２ 】。从硬件层面来看，系统包含众 多的监测设备，设备的布局决定了所能采集到的安全状态参 事故概率分析和装置源事故导致其他装置连锁事故的概率 分析。 １．２．１．１源事故概率分析 源事故的概率取决于装置结构失效产生的泄漏事故的 概率以及泄漏发生时外部环境差异导致的不同事故情景。 量的覆盖范围，从而决定了最终建立的监控系统反映区域风 险现状的精确程度。这些采集参数将直接服务于企业的事 故预警和应急救援，参数的质量和数量能否满足上述功能需 求也直接取决于监测设备的布局。如果盲目地增加监控设 由于我国对于化工装置主要事故概率信息的匮乏，本文研究 采用国外相关装置泄漏事故概率信息。对于毒性气体和爆 炸性物质，可以将装置泄漏的概率视为事故的概率。易燃物 质泄漏的情况则较复杂。易燃物质尤其是易燃气体泄漏后， 会因为点火条件的不同产生不同的事故情景。易燃物质泄 备来提高监控系统的监控范围则可能导致监控系统可靠性 降低，并随之产生高昂的系统维护和运行成本。针对不同企 业的风险接受标准和监控系统规模的差异，本研究提出以风 漏后，会因明火、摩擦、高温物体表面、静电火花等直接点燃， 也可以在转变为蒸气云扩散过程中遇到点火源而发生不同 时间阶段的延时点火。最终发生的事故场景包括：ＢＬＥＶＥ， 喷射火，闪火，蒸气云爆炸。易燃物质泄漏后直接点火的可 能性和易燃物质泄漏后由于点火时间的差异而导致的不同 险评估及控制为出发点，通过对监控系统的布局优化来实现 安全监控系统的效率提高和系统硬件规模控制。 １化工装置主要风险辨识及评价 １．１化工装置风险辨识 文献表明，化工装置风险包含两部分：装置自身潜在事 故（称之为源事故）带来的风险和装置通过连锁效应导致的 周边装置连锁事故的风险【５Ｉ６Ｊ。因此，对于化工装置风险应 事故场景相关分析见文献［７—８］。 综上所述，装置源事故的发生概率可由式（１）求取。 ｐｒ＝ｐｍ×Ｐｉ （１） 式中， 为ｍ装置发生 事故场景的概率，ａ－１；Ｐ 为ｍ装 当是综合考虑装置自身源事故及其导致的连锁事故的总的 风险叠加。 置发生泄漏的概率，ａＩ１； 为泄漏后发生ｉ事故场景的条件 概率，取值见式（２）。 １．２化工装置风险评价 ｆ１ 一爆炸性和毒性物质 ，、 １．２．１化工连续工艺装置事故概率分析 化工连续工艺装置事故概率分析包括两部分：装置源 【Ｐｉ 易燃性物质 １．２．１．２连锁事故概率分析 ＊基金项目：江苏省科技计划项目“化工企业安全生产管理、监测预警及应急处置技术研发与示范”（项目编号：ＢＩ／：２００８６０５），南京工业大学学科 基金重点项目“基于本质安全的化工过程装置连锁事故风险评价及控制技术基础研究”（项目编号：３９７１４００５）。 ・５Ｏ・ 装置的源事故发生后，通过事故连锁效应作用于其他 装置而产生连锁事故。根据国内外相关研究成果，本文研究 中连锁效应作用下装置破坏概率主要考虑超压、热辐射破坏 作用导致的事故连锁效应。装置ｍ发生的ｉ事故场景对装 置ｋ的破坏概率取值见表１。 连锁事故的发生概率的确定可以按照式（３）计算。 表１连锁效应下装置破坏概率 Ｐ ＝Ｐ７×ｐｔｎ × （３） 式中，Ｐ 为企业装置区内ｍ装置发生ｉ事故场景通过连锁效 应导致ｋ装置发生 事故场景的概率；Ｐ 为企业装置区内ｍ 装置发生的ｉ事故场景通过事故连锁效应导致ｋ装置发生破坏 的概率； 为ｋ装置破坏后发生 事故场景的概率。 注：ｙ为对应于装置失效概率的概率单位值；ｆ矿为装置失效时间，ｓ；，为火灾作用于目标装置的热辐射通量，ｋＷ／ｍ２；Ｖ为装置体积，ｍ３；Ａｐ 为超压，Ｐａ。 １．２．２化工装置事故后果分析 由于连锁效应的存在，化工连续工艺装置事故后果应当 装置ｍ的第ｉ个事故场景通过连锁效应导致第ｋ个装置发 生的ｆ事故场景在该位置造成的事故后果。每个单一事故 包括该装置发生的源事故后果和源事故场景导致的多个其 他装置连锁事故的后果。为此，进行如下简化假设：①从绝 对发生时间来看，源事故和连锁事故之间存在先后顺序，但 考虑到源事故和连锁事故发生间隙来不及采取降低事故后 果严重程度的措施，可以将它们视为“同时”发生；②不考虑 连锁事故产生的破坏作用对其他装置的破坏作用，即总的事 场景的事故后果通过后果计算模型计算出在装置区域内某 一位置处的超压、热辐射或毒物浓度，再基于剂量一概率思 想的伤害作用下个人伤害概率公式【 Ｊ转化为个人死亡的概 率，具体个人伤害概率公式见表２。 表２人员伤害概率公式 伤害作用 热辐射 超压 毒性伤害 人员伤害概率公式 Ｙ＝一３７．２３＋２．５６ Ｉｎ（ｔｑ４／＇Ｊ） 故后果为源装置的某一事故场景的后果和该场景导致的多 个周边装置的二次事故后果的总和。 事故后果的计算模型研究已较为成熟，本研究不对该内 容进行深入探讨。相关计算模型参考文献［９］。 １．２风险指标的合成 在现有化工装置风险评价中，风险指标包括个人风险和 社会风险两类。本研究中，个人风险指标选择场所风险（ｉｎ． ｄｉｖｉｄｕａｌ ｒｉｓｋ），即临近化工装置的某一空间位置上人员无防护 Ｙ＝５．３１＋１．３７ ｌｎ（ＡＰ） Ｙ＝ａ＋ｂ Ｉｎ（Ｃｔ Ｔ） 注：Ｙ为人员伤害概率值；ｔ为热辐射作用于人员的时间 ，为热 辐射作用于人员的热辐射通量，Ｗ／ｍ２；Ｖ为装置体积，ｍ３；ｚＳＰ为超 压，ｋＰａ；Ｃ为毒性物质体积分数，×１０Ｉ６；Ｔ为毒性物质接触时间， ｎ；ｎ，ｂ及 的取值根据不同物质取值不同【 。 的个人致死风险，并绘制个人风险等值线（ｉｓｏ—ｒｉｓｋ ｃｕｒｖｅｓ）来 表述；社会风险（ｓｏｃｉｅｔａｌ ｉｒｓｋ）选择Ｆ—Ｎ曲线图来表述。上述 将个人风险相等的点连接绘制个人风险等值线，结合该 企业装置区域周边的人口分布数据，可以计算并绘制社会风 险Ｆ—Ｎ曲线。 ２基于风险评价的监控装置布局优化 指标只考虑造成人员死亡的事故后果。对于化工流程生产 企业装置区内的任一装置，它对装置区内某一空间位置产生 的场所风险由式（４）来计算： Ｒｍ＝ （ ＋ ｉ＝１ Ｉ＝１ Ｊ：１ 将安全监控设备布局任务进行分解，可以简化为以下３ 个问题：①如何决定对哪个化工装置进行监控？②对具体某 ＲＴ，／￣） 。 个装置的监控，监控设备的选型和位置如何设定？③考虑到 三 ＝三。三 ｍ，ｋ 监控设备的监控范围和需监控的装置大小，如何实现单个监 ∑（ ・＋ ∑ ＪＰ ） …（４）；－Ｉ 一１ ；－Ｉ … 控设备能够同时监控多个装置，或者多个监控设备配合来实 现对同一化工装置的监控？ ２．１监控目标装置的确定 以社会风险为选择指标，企业建立自己的风险接受标 准。对装置区内的每个装置逐一进行试算，对导致社会风险 高于企业风险接受标准的装置确定为监控目标装置。 ２．２监控设备的选型和布局确定 监控设备的选型主要取决于希望获得的监控参数。监 式中，Ｒ 为装置ｍ在某一空间位置产生的整体个人风险， 次／ａ； 为装置ｍ的第ｉ个事故场景在该位置产生的个人 风险，假设存在ｎ个事故场景，次／ａ；尺 为装置ｍ的第ｉ个 事故场景通过连锁效应导致第ｋ个装置发生的 事故场景在 该位置造成的个人风险，假设装置ｍ的连锁效应共作用于 周边 个装置，装置ｋ可能发生 个事故场景，次／ａ； 为 装置ｍ的第ｉ个事故场景在该位置产生的事故后果； ｌｋＪ为 ・ ５１ ・ 控参数一般分为以下６类：①工艺参数：温度、压力、液位、流 求的同时，对相邻监控目标装置的监控设备可以进行合并， 量和阀位等；②可燃／有毒气体浓度；③环境参数：温度、湿度 从而降低系统的硬件规模。根据监控设备的功能特点，可进 和风速风向等；④音视频信号；⑤明火和烟气；⑥避雷针、防 行合并的监控设备限于②、③、④、⑤类。 静电装置的接地电阻以及供电状况。其中，①和⑥类监控设 ３结语 备通常安装在监控目标装置的主体结构上；②、③、④、⑤类 本研究从风险角度出发，在风险评价的基础上确定监控 监控设备可独立安装在目标装置周边区域，且４类装置监测 目标装置，再以风险分布为依据进行监控设备布局设计，并 的参数皆为事故条件具备时的特征参数。因此，该４类监控 提出对相邻监控目标装置的监控设备在满足监控需求的前 装置的布局应当以风险为基础。 提下进行合并的原则，从而提高系统的可靠性和易维护性。 在目标装置确定的前提下，根据式（４）计算可获得每个 参考文献 装置在厂区内任意位置产生的个人风险值，将厂区内每个装 ［１］Ｇｏｈｌｅ，Ｗ ｉｌｌｉａｍ．Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｓａｆｅｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｙｔ［Ｍ］． 置对同一位置产生的个人风险进行加和计算，则获得厂区内 Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｔｒｉａｎｇｌｅ Ｐａｒｋ，Ｎ Ｃ：ＩＳＡ，１９９８． 整体个人风险分布。以该企业的个人风险接受标准值所形 ［２］桑海泉，康容学，魏利军．石油化工码头安全监控系统研究［Ｊ］． 成的封闭位置曲线为４类监控装置的候选位置，结合其他方 中国安全生产科学技术，２００８，４（４）：２７—３１． 面的相关要求来确定最后的监控装置安装位置。以图１为 ［３］桑海泉，刘骥，魏利军，等．港口石油化工码头安全监控系统研究 例，假设企业接受的个人风险临界值１×１０～／ａ，内部实线为 ［Ｊ］．中国科技信息，２００７（２２）：１０８—１１３． ［４］李素香．火灾和气体报警系统（ｒＣＳ）在化工装置中的应用［Ｊ］．医 储罐１和储罐２独自作用造成人员死亡风险为１×１０ ／ａ的 药工程设计杂志，２００５。２６（４）：２８—３１． 风险等值线，而外部虚线线圈为储罐１和储罐２发生源事故 【５ ＪＶ Ｃｏｚｚａｒｔｉ，ＡＴｕｇｎｏｌｉ，Ｅ Ｓａｌｚａｎｏ．Ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｏ ｏｆｄｏｍｉｎｏ ｔ：Ｆｒｏｍ ａｃ－ 和连锁事故共同作用造成人员死亡风险为１×１０ ／ａ的风 ｔｉｒｅ ａｎｄ ｐａｓｓｉｖｅ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｔｏ ｉｎｈｅｒｅｎｔｌｙ ｓａｆｅｒ ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｚ— 险等值线，则虚线应当为４类监控装置的候选位置。 ａｒｄｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２ＯＯ７，１３９（２）：２０９—２１９． ［６］张明广．化工连续工艺装置定量风险评价若干问题研究［Ｄ］．南 京：南京工业大学，２００８． 【７Ｊ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｓａｓｔｅｒｓ，Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ ｆｏｒ Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ｒｉｓｋ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ—Ｐｕｒｐｌｅ Ｂｏｏｋ，ＣＰＲ １８Ｅ，ＳＤＵ ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｔｈｅ Ｈａｇｕｅ，Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌｎａｄｓ，１９９９． ［８］多英全，吴宗之，魏利军，等．重大危险源事故风险排序研究［Ｊ］． 中国安全生产科学技术，２ＯＯ６，２（６）：１９—２３． ［９］吴宗之，高进东，魏利军．危险评价方法及其应用［Ｍ］．北京： 图１个人风险分布等值线 冶金工业出版社，２００１． ２．３监控设备的布局调整 作者简介张明广，男，１９８１年生，江苏南京人，博士，讲师，主要研 完成监控目标装置的确定和针对具体Ｅｔ标装置的监控 究方向为化工过程装置风险评价及控制技术。 设备类型选择和布局确定后，监控系统的功能已经实现。考 虑到整个监控系统的可靠性和维护成本，在满足前述监控要 （收稿日期；２００９—１０—２７） 别让环保部门“孤军奋战” 《人民日报》文章说，因擅自开工建设未经批准的铸锻钢基地及技术改造项目，日前国家环境保护部下发行政处罚决定 书，对违反环境法规的中国第一重型机械集团公司处以２Ｏ万元罚款。 无独有偶，环保部叫停的金沙江中游水电开发等项目，也存在未经环评审批就擅自开工的问题，“有些项目甚至已经建得 差不多了”。近年来，被查处的环境违法项目，许多都是类似“中国一重”的“未批先建”，这已经成为我国环境影响评价制度实 施过程中存在的主要问题之一。 根据２００８年全国人大常委会的环评法执法检查报告，一些地方和部门竟然用“红头文件”为“未批先建”、“批小建大”、“未 评先批”等保驾护航。由此可见，一些部门罔顾环评审批前置的相关法律规定，默许甚至是支持违法项目上马，这是＂３前环境 －违法事件频发的深层次原因。近几年来，无论是“环保风暴”的不断掀起，还是环保局长的匿名举报，都显现出环保部门“孤军 奋战”的无奈。而这背后，则是相关法规制度和发展理念的缺失。 正如国家环保部所言，在＂３前应对国际金融危机、拉动内需的大背景下，－一些地方低水平重复建设、“两高一资”的项目要 能会借机卷土重来，中央领导同志多次指示，要求绝不能为保增长而把牺牲环境作为代价。在这样的背景下，怎样避免环保 工作“说起来重要，干起来次要，忙起来不要”，值得认真思考。 建设生态和谐中国，环保部门独木难支。如何让环保部门告别“孤军奋战”，如何使环保不至于成为少数人“寂寞的欢愉”， 有赖于法律制度的不断完善，有赖于执政理念的不断进步。