一种石化过程半自动化HAZOP安全评价方法的研究.doc

一种石化过程半自动化HAZOP安全评价方法的研究pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 石 油 与 天 然 气 化 工 262 CHEMICAL ENGINEE RING OF OIL & GAS 2009 一种石化过程半自动化 H A ZO P 安全评价方法的研究 张贝克 李欣龙 ( 北京化工大学化工安全教育部工程研究中心) 摘 要 * 危险与可操作性分析( H AZ OP ) 是一种广泛应用于石化流程工业的危险分析方法。 但人工 H AZOP 分析对分析人员要求较高, 分析时易漏评、 完备性差, 且费时、 费力、 成本高。目前 已有开发成功的基于 SDG( 符号有向图) 的计算机自动 H AZOP 软件, 但 SDG 方法难以得到后果 的严重程度、 发生概率和改进措施, 无法替代专家的经验知识。针对这个问题, 通过深入分析 SDG - H AZOP 与人 工 H AZOP 的 机 理 特点, 提出 了 一 种 结合 两 者 优 点 的 计算 机 辅 助 半 自动 化 H AZOP 方法, 经案例论证此方法兼具效率与完备性, 具有较高的工程应用价值。 关键词 H AZOP DOI: 10. 3969/ j. issn. 1007- 3426. 2009. 03. 022 在石油化工安全分析和评价中, 危险和可操作 性分析( H AZ OP ) 是目前石化行业应用最为广泛的 系统风险辨识方法之一 1- 2 化 工过 程安全 评价 危 险与可 操作性 分析 符 号有向 图( SDG ) 计算机 辅助 基本框 架, 兼有人工 H AZOP 的优点, 可应用于全 厂级全流程的 H AZOP 分析。 。但人工 H AZOP 分析 费时、 费力、 成本高。据美国最新统计, 按美国国家 安全与健康 总署的规 定, 有 25000 个化 工厂需 要 H AZOP 安全分析, 仅一轮评价费用就约需 50 亿美 元 1 。针对人工 H AZOP 存在的缺点, 人们开始研 究利用计 算机自动进行 H AZ OP 分析。计算机 自 动 H AZOP 软件 是指在 H AZOP 过程 中寻找危 险 的推理过程主要是由计算机自动完成。SDG( 符号 有向图) 是目前自动 完成 H AZOP 最有效的方法。 美国 普 渡 大 学 开 发 了 基 于 G2 平 台 的 H AZO P Expert 软件系统 件 3- 4 2 1 人工 H AZOP 分析 H AZOP 分析是一种用于辨识设 计缺陷、 工艺 过程危害及操作性问题的结构化、 系统化分析方法, 其分析的过程是由各专业人员组成的分析组按一定 的原则将工艺过程划分为合理的分析节点( 工艺单 元) , 然后再针对每一个分析节点, 识别出那些具有 潜在危险的偏差。分析组对每个有意义的偏差都进 行分析, 分析它们的可能原因、 后果、 已有安全保护 等, 同 时 提 出 应 该 采 取 的 措 施 和 行 动。 这 就 是 H AZOP 分析的核心内容 5 。人工 H AZ OP 分析是 一种基于浅 层知 识模型 的, 依赖于 具体 装置 的方 法 6 。北京化工大学开发了国内第 一款具有智能推理功能 的 SDG- H AZOP 分 析软 。但 SDG- H AZOP 难以得到后果的严重程 度、 发生概率和改进措施, 无法完全替代专家的经验 知识。 在深入分析 SDG- H AZ OP 和人工 H AZOP 的 基础上, 提出一种结合两者优点的计算机辅助半自 动化 H AZOP 方法。此方法采用 SDG- H AZOP 的 基金项目: 黑龙江省科技攻关计划重点项目( GB06A 106) 。 。人工 H AZOP 流程如图 1 所示。 这种方式强烈依赖于专家小组的素质。一个专 家组长期在一起讨论问题容易陷入惯性思维; 人的 大脑难以遍历所有可能、 不具有完备性、 常常遗漏一 些事故; 人工 H AZOP 分析费时费力, 往往只能针 对关键工 段进 行分 析, 限制 了 H AZ OP 方法 的应 * 第 38 卷 第3期 一种石化过程半自动化 H AZOP 安全评价方法的研究 263 用 。 但人工 H AZOP 又有它难 以替代的 优势。人 工 H AZOP 可以 对标准 H AZOP 中所 有的引导 词 进行分析。专家可对不利后果提出安全防护措施并 分析其可能性与优先缓急来指导建议的实施 8 7 键变量的超集, 利用计算机自动推理可以对所有的 节 点进行拉偏, 从而具有对更多偏差进行分析的能 。 力, 提高了分析的完备性。人工分析只能考虑与偏 离点相邻的设备单元的非正常原因和不利后果, 即 使有经验的专家, 也只能分析到与偏离点相近的几 个设备 单 元 的非 正 常 原因 和 不利 后 果。 而基 于 SDG 的分析, 寻找非正常原因可以追溯到工艺过程 的起始设备单元, 判明不利后果可以追溯到工艺过 程的末段设备单元。此外 SDG- H AZOP 利用计算 机自动推理其速度是非常快的, 据论证, 对于 10 万 数量级的风险推理耗时在 1 秒之内, 使得 SDG 方法 具有快速重复的能力 11 。 但 SDG- H AZ OP 的模型依赖性强, 若模型的 质量不好, 结果也自然不好。另外 SDG- H AZ OP 只能得到偏差的非正常原因与不利后果, 而无法得 到危险的安全防护和风险等级。经过改进的基于风 险的半定量 SDG- H AZOP 方法又由于基础数据的 缺乏及其有效性难以保证而使得推理得到的风险结 论可信度差, 难以实际应用。此外, SDG 只能对节 点的正状态( MORE) 或负状态( LESS) 进行推理, 而 人工 H AZOP 可对所有引导词进行分析。 2 SDG- H AZOP 分析 SDG 是一种基于深层知识、 定性因果关系的表 达方法, 反映出当某变量状态发生正或负变化时引 起其它过程变量状态变化的关系, 且 SDG 模型易于 构造故障的定性传播关系, 能清晰、 自然地表达变量 之间的关系、 易于事件的因果推理, 是自动化推理分 析的有效方法。SDG 模型由节点和支路组成, 节点 表示变量或事件, 支路表示节点之间的相互作用关 系 9, 10 。 利用 SDG 模型进行 H AZOP 分析, 首先建立系 统的 SDG 模型, 然后对关键节点进行拉偏, 即假设 节点状态为 + 或 - , 第三利用 SDG 图进行推理 ( 正向、 反向 ) 得到 不利后 果和 非正 常原 因。利 用 SDG 进行 H AZOP 分析的流程如图 2 所示。 SDG- H AZOP 中的节点是人工 H AZOP 中关 石 油 与 天 然 气 化 工 264 CHEMICAL ENGINEE RING OF OIL & GAS 2009 3 半自动化 H AZOP 研究 从上面的分析可以看出, 人工 H AZOP 与 SDG - H AZOP 都存在着本身难以克服的缺点, 而它们 的许多优 势又是互补的。人工 H AZOP 最费时 费 力的偏差分析部分可以用 SDG 自动推理的方法来 替代, 而 SDG 方法难以分析后果的风险等级和安全 防护措施等缺点可用人工 H AZOP 的方法来弥补。 H AZOP 不但要得出潜在的危险还要给出可操 作性建议, 利用 SDG 方法完成前一半的工作, 危险 的风险等级、 安全防护措施建议等后一半的工作采 用人工方法进行。SDG 方法通过计算机自 动推理 在很短的时间内( 几秒) 就可对所有的偏差进 行分 析, 且计算机具有记忆力好、 表述明确的优势, 弥补 了人工方法的缺点, 然后利用人工 H A ZOP 的方法 分析 SDG- H AZ OP 难以进行分析的非 正 、 负 偏差, 并添加后果的风险等级与防护措施。 SDG- H AZOP 和人工 H AZOP 的分析流程是 相似的, 分析模块之间有着对应关系。这样就可以 将人工 H AZOP 的某些模块与 SDG- H AZOP 中的 相对应模块互相替换, 利用计算机自动推理来完成 大部分工作。可以相互替换的模块如表 1 所示。 表 1 相对应模块列表 人工 H A ZOP SDG- H A ZOP 划分节点 选择节点 提取关键变量 选择有意义的偏差( 引导词+ 关键变量) 专家对偏差进行分析 划分子系统 选择子系统 提取节点 拉偏节点 自动推理 建模的工作量。由于人工 H AZOP 中的关 键变量 是 SDG- H AZOP 中节点的子集, 所以还需要补全 其它节点。此方法流程图如图 3 所示, 虚线部分表 示被替代的模块、 虚线双箭头表示等价模块、 实线表 示实际分析流程。 在分析的过程中, 利用 SDG 自动推理完成对偏 在这些相对应的模块中, 有的是完全等价的, 可 以直接替换, 如: 划分节点和划分子系统、 选择节点 和选择子系统。有些是可部分替换的, 如: 提取关键 变量是提取节点的子集, 需要进行补全或提取才能 替换 使 用。 它 们 的 结 合 方 式 有 两 种, 以 人 工 H AZOP 方法为主线的分析 方法和以 SDG 方法为 主线的 H AZOP 方法。 3. 1 以人工 H AZOP 为主线的分析方法 以人工 H AZ OP 为主线的方法, 利用两种方法 中相对应的模块进行信息共享。人工方法所选择的 关键变量可以直接添加到 SDG 节点中, 减少 SDG 差的原因辨识和后果分析, 再利用人工的方法添加 对不利后果的风险分析、 安全防护措施等。此方法 采用 SDG 自动推理来代替人工的偏差分析, 将人工 H AZOP 中最费时费力的偏差分析部分交由计算机 自动完成。由于要进行 SDG 自动推理, 所以需要建 立 SDG 模型; 此方法复用了人工 H AZOP 中一些可 用于 SDG 建模的信息, 加快了建模速度, 减少了建 模难度。 3. 2 以 SDG- H AZOP 为主线的分析方法 此方法以 SDG- H AZOP 的分析流程为主线, 加入了人工 H AZOP 分析中的 某些模块。在分析 第 38 卷 第3期 一种石化过程半自动化 H AZOP 安全评价方法的研究 265 过程中首先建立系统的 SDG 模型, 然后对关键节点 进行拉偏, 关键节点对应着人工 H AZOP 中的关键 变量, 正 拉偏 对 应 M ORE 引 导 词, 负 拉 偏 对 应 L ESS 引导词。接下来利用 SDG 推理引擎自动对 偏差的原因后果进行分析, 对于 SDG 无法进行自动 推理的其它引导词 ( 除 M ORE/ L ESS) 采用人 工的 方法进行分析, 由于其它引导词与变量组合产生的 有意义偏差通常较少, 所以这种方式并不会增加太 多的工作量。接下来通过人工的方式分析风险等级 和安全防护措施。这样直到所有子系统的所有偏差 分析完毕, 一次完整的 H AZOP 分析就完成了。 工的方法补全其它信息, 如此循环直到所有偏差分 析完毕, 这个过程实质上是人工方法与自动推理交 替进行, 效率大大下降。其次以 SDG- H AZOP 为 主线的方法具有 SDG 推理完备性高的特点。 4 案例应用 本案例应用 以 SDG- H AZOP 为主线 的方法 进 行 分 析, 并 将 结 果 与 人 工 H AZOP 和 SDG H AZOP 的结果从完备性、 时效性等方面进行了比 较。 某厂煤气化工序将原料煤通过部分氧化的方法 转化为合成气, 由 2 个日投固量 2000 t 的气化系列 组成, 有 效气 体 ( CO + H 2 ) 总 产量 为 2. 84 ! 10 3 6 m / h。该工序采用壳牌公司的 SCGP 加压粉煤气 化技术 12 。 首先建立系统的 SDG 模型, 然后将所有关键节 点一一拉偏, 进行正向推理得到不利后果, 反向推理 得到非正常原因。推理共得到 148 条分析结论。接 着采用 人 工 的 方 式 选 择 节 点 与 其 它引 导 词 ( 除 M ORE/ L ESS) 的组合并做出分析, 得到 7 条结论。 这 7 条结论的偏差部分如表 2 所示。 表2 偏 差 气化炉 10EV 1301 维护 高压储藏煤粉逆流 高压储藏助流氮 气断流或堵塞 无入炉氧气 压缩机喘震 无煤粉进料 人工添加的偏差列表 节点( 变量) 气化炉 10EV 1301 高压储藏 高压储藏 入炉氧气量 压缩机出口 激冷气流量 煤粉进料量 引导词 维护 ( SA F EG U A RD) 逆流( REVERSE) 无( N ON E) 无( N ON E) 逆流 ( REVERSE) 无( N ON E) 无( N ON E) 开工烧嘴无法点燃 开工烧嘴燃烧情况 此方法流程图见图 4, 虚线部分表示被 替代的 模块、 虚线双箭头表示 等价模块, 实线表示分 析路 径。 以 SDG- H AZ OP 为主线的分析方法相对于以 人工 H AZOP 为主线的 方法存在着诸 多优点。首 先此方法先建立了 SDG 模型, 通过自动推理得到所 有拉偏点的原因与后果, 这个推理过程是连续的一 次完成的。而以人工 H AZ OP 为主线 的方法是 对 单个偏差进行 SDG 推理得到原因与后果再通过人 这些偏差的引导词为维护、 逆流、 是 SDG无, H AZOP 无法进行推理的, 也是本方法相对于 SDG 方法的优势所在。最后利用人工方法对所有结论逐 一添加安全防护措施和风险信息。表 3 是对三种方 法做出的比较。 从结论数量上看 半自动化 H AZOP 最多, 证 明 其完备性最高。 由于 半自动化H AZOP 中加入 ( 下转第 268 页) 石 油 与 天 然 气 化 工 268 CHEMICAL ENGINEE RING OF OIL & GAS 2009 可以使原水的 COD 值及 色度 等在很 大程 度上 降 低, 达到较好的处理效果。 ( 2) 钻井废水混凝过程的影响因素有: 混凝剂 的类型、 加量、 值以及高分子絮凝剂的加量。 pH ( 3) 本试验中, 混凝预处理能使 COD 值由原水 的 69 748 m g/ L 降 为 4547 m g/ L , 去 除 率 达 93. 48% ; 色度由混凝前的 4500 倍降低到 100 倍, 处 理效果较明显。 ( 4) 本试验中, 混凝预处理絮凝剂聚铝约为 7. 5 元/ m , 高分子絮凝剂约为 0. 25 元/ m , 再加上 pH 值调节所用试剂, 总成本约为 8 元/ m 3 , 对钻井废水 处理来说, 预处理成本较低。 ( 5) 因经混凝预处理后的 COD 值还是比较高, 不符合废水排放标准, 应进一步进行氧化处理, 甚至 3 3 用吸附等深度处理, 使出水达标排放。 ( 6) 混凝过程会产生大量的污泥, 建议采用机 械脱水之后, 和废泥浆一起进行固化处理 6 。 参考文献 1 闫毓霞. 钻 井废 水达 标 处理 技 术研 究. 石 油 与天 然 气化 工, 2007 ( 5) : 429- 431 2 邹享高等. 钻井废水中主要污染物的研究 J . 油气田保护, 1993, 3 ( 2) : 10- 14 3 奚旦立 等. 环境监测. 高等教育出版社, 1995 4 王 5 周 兵, 冯 英. 水污染控制工程实验. 西南石油大学. 化学化工 学 院, 2004, 2 芳, 等. 钻井废水酸 化- 中和 - 混凝处理的 试验研究. 石油 与 峰, 徐 娜, 章川波. 污泥固化技术的进展. 三废治 理. 天然气化工, 2004( 1) : 67- 70 6 李桂菊, 王 2005( 10) : 38- 40 收稿日期: 2008- 11- 10; 收修改稿: 2008- 11- 25; 编辑: 冯学军 ( 上接第 265 页) 了人工操作, 所以花费时间比 SDG- H A ZOP 多 2 天, 但相对于 人 工 H AZOP 则大 大缩短 了工期。 此外 半自动化 H AZ OP 也具有安全防护和风险信 息分析能力。此案例证明了本文所提出的方法结合 了传统人工 H AZOP 与 SDG- H AZ OP 的优点, 具 有实际应用的能力。 表3 三种 H A ZO P 方法对比 人工 SDG - H AZO P H A ZOP 结论数量 花费时间 安 全防护建议 风险信息 96 个 23 日 有 有 148 个 5日 无 无 H A ZOP 155 个 7日 有 有 半自动化 1 参考文献 V enkat V enk at asubramanian, Jins ong Zhao, S han kar V is wanat han . Int ell igent S yst ems f or H AZO P A nalysis of Com plex Pr ocess Pl ant s J . C om put ers and Chem ical Engineerin g, 2000, 24 : 2291 - 2302 2 TrevorA K let z. Hazop- past and fut u re J . R eliabilit y Engineer ing an d Sys t em Safet y , 1997, 55: 263- 266 3 张贝克, 夏 涛, 吴重 光. 集成化 S DG 建 模、 推理 与信息 处理软 件 平台 J . 系统仿真学报, 2003: 10 4 吴重光, 夏 涛, 张贝克. 基于符号定向图( SDG ) 深层 知识模型 的 定性仿真 J . 系统仿真学报, 2003, 15 ( 10) : 16- 18 5 V aidh yanat han & V enkat V enkat as ubraman ian A s emi- quant it a t ive reas on ing met hodol ogy f or fil tering and rankin g H A ZO P re sul t s in H A ZO PExpert J . Reliabilit y Engin eering an d Syst em Saf et y, 1996 , 53: 185 - 203 6 V enkat V enk at asubramanian, Jins ong Zhao, S han kar V is wanat han Int elligent s yst ems f or HA ZO P anal ysis of com plexprocess plant s J . Comput ers and Chemical Engineering , 2000, 24: 2291- 2302 7 李映年, 袁树海. 浅析 HA ZO P 分析在气田地面工程建设中的应用 J . 石油与天然气化工, 2008, S1: 146- 153 8 郑贤斌. 井控作业 H A ZO P 技术及其模拟分析 J . 石油与天然 气 化工, 2007, 04: 347- 352 9 吴重光, 夏涛, 张贝克. 基于符号定向图( S DG ) 深层知 识模型的 定 性仿真 J . 系统仿真学报, 2003, 15 ( 10) : 16 - 18 10 李安峰, 夏涛, 张贝克, 等. 化工 过程 SD G 建模方法 J . 系统 仿 真学报, 2003, 15 ( 10) : 1364 - 1368. Li An - feng, Xia Tao, Zhang Bei- ke, et c. SDG M odelin g A pproach forCh emical Engi n eering Proces s J . Journ al of Syst erm Si mulat ion , 2003, 15 ( 10) : 1364- 1368 11 张贝克, 夏 涛, 吴重 光. 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CH E MI CA L E N GI N EERI N G OF OI L & GA S , VOL . 38, N O. 3, p p 258 261, 2009 ( I SS N 1007- 3426, I N CH I N ES E ) Abstract: T he linear relatio nship bet w een t he dif ferent component s of crude oil and it s f luores cence int ensit y has been invest igat ed prelim inarily in t his paper. T he result s show t hat t he correlat io n bet w een t he oil co nt ent and its f luor escence int en sity is po or as bot h the st rengt h of t he fluorescence quench and t he oil co ncent rat io n are high, t hen it is dif ficult in quant it at ive analysis using st andard curve m et hod . But , the cor relat ion is good in t he low co ncent ration range of 0 100mg/ L( r 0. 99, n = 8) . T he rang e of the good cor relat ion depends on the com po nent s of t he saturat ed fr ag rance o f t he oil. T he liner relationship of t he Nanhai st andard oil C cont aining hig h sat urat ed f rag rance, is st ill goo d in t he concent rat ion rang e of 0 160mg / L ( r = 0. 9916, n = 11) . T he determinatio n of t he oil cont ent in oily w ast ew at er using f luo rescence spec t ro phot om et ry is accurat e ( w it h t he relat ive stand ard deviat io n 3. 6% , n = 5) , fast and convenient com pared w it h v isible spect rophot o metry . Keywords: fluor escence, f luorescence spect ro phot omet ry, st andar d curve, o ily w astew ater, oil cont ent Study of a Semi - automatic Chemical Process HAZOP Safety Evaluation Method Zhang Beike, L i Xinlong( Beijing Universit y o f Chemical T echno logy , Research Cent er o f t he Minist ry of Educat ion f or Chemical Safet y Engi neer ing, Beijing 100029, China ) . CH EM I CA L EN GI N EER I N G OF OI L & GA S , V OL . 38, N O. 3, p p 262 265, 2009( I SSN 1007- 3426, I N CH I N ES E ) Abstract: H AZOP is a w idely used industr ial chemical pr ocess in r isk analy sis. H o wever, t he manual H AZ OP analysis is tim e consuming, st ren uous and cost ly. At present, a kind of co mput eraided auto mat ic H AZ OP method based on sign di r ect ed graph ( SDG) has been dev elo ped successful l y. H ow ever, t he SDG - H AZOP can? t get t he risk - level, incidence and im pro vem ent measures got f rom t he ex pert s. Fo r t his problem, the mech anism o f SDG - H AZ OP and art ificial H AZOP is analyzed in dept h, and a co mput er- aided semi - auto matic H AZOP met hod com bining t he adv ant a ges of SDG - H AZOP and art ificial H AZ OP w as put for ward. T his met hod w it h high engineering applicat ion value can im pro ve the ef f iciency and completeness of t he H AZOP. Keywords: chemical pro cess saf et y evaluat ion, hazard and operabilit y study ( H AZOP ) , sign di rect ed graph( SDG) , com put er - aided H AZOP Primary Disposal Study of Drill ing Wastewater in Tarim Oil Field Du Guoyo ng 1 , M ou Jing fang 1 , H e Na 2 ( 1. Sout hw est P et ro leum Univer sit y, Cheng du 610500; 2. Resear ch Inst it ut e of Nat ural Gas T ech nolog y, Southw est Oil and Gasfield Company of P et roChina ) . CH EM ICA L E NG IN E ERI N G OF OI L & GA S , V OL . 38, N O. 3, p p 266 268, 2009 ( I S SN 1007- 3426, I N CH I NE SE ) Abstract: Coagulat io n sediment at io n w as con f ir med the primary disposal m et hod of drilling w a t er in T arim o il field. T he met hod w as result ed f rom t he analysis of t he charact erist ics, so ur ce and present t reatm ent condit io n of t he drilling w ast ew at er. M eanw hile, t he pract ical circum st ance of the drilling w ast ew at er in T arim w as con sidered, and t he w ater qualit y characterist