五項化工安全工程技術(shù)的研究與應(yīng)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(jù)危險化學品生產(chǎn)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(shù)進行了研究與應(yīng)用，包括危險化學品安全技術(shù)數(shù)據(jù)說明書（MADS）及其管理軟件開發(fā)、道化學化學品（DOW）化學暴露指數(shù)（CEI）的計算及其評估軟件開發(fā)、DOW火災(zāi)爆炸指數(shù)（F&EI）的計算及其評估軟件開發(fā)、基于人工免疫診斷算法的化工過程動態(tài)預(yù)警技術(shù)及其軟件開發(fā)、基于預(yù)定義樹和故障樹的安全事故調(diào)查分析管理技術(shù)及其軟件開發(fā)等，力求構(gòu)建化工過程安全風險管控技術(shù)體系，從生產(chǎn)全生命周期對特種化工過程進行全方位安全管控。
關(guān)鍵詞：化工安全工程危險化學品安全技術(shù)數(shù)據(jù)說明書DOW化學指數(shù)動態(tài)預(yù)警安全事故調(diào)查
對于生產(chǎn)危險化學品的特種化工過程，安全性應(yīng)放在首位。完全依賴人員經(jīng)驗的傳統(tǒng)式安全防護技術(shù)，在工藝介質(zhì)危險性大、工藝過程日趨復(fù)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(nèi)外安全科學與工程技術(shù)的研究、發(fā)展和應(yīng)用的日益成熟，按照安全工程技術(shù)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(nèi)外化工安全領(lǐng)域的通行做法［1-5］。
本文根據(jù)危險化學品生產(chǎn)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(shù)的研究與應(yīng)用，包括危險化學品安全技術(shù)數(shù)據(jù)說明書MSDS（material safety data sheet）及其管理軟件開發(fā)、道化學化學品（DOW）化學暴露指數(shù)CEI（chemicalexposure index）的計算及其評估軟件開發(fā)、DOW火災(zāi)爆炸指數(shù)F & EI（fire & explosion index）的計算及其評估軟件開發(fā)、基于人工免疫算法的化工過程動態(tài)預(yù)警技術(shù)及其軟件開發(fā)、安全事故分析管理技術(shù)及其軟件開發(fā)，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(shù)數(shù)據(jù)說明書及其管理軟件開發(fā)
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(yīng)急處理、操作處置與儲存、接觸控制/個體防護、理化特性、穩(wěn)定性和反應(yīng)活性、毒理學資料、生態(tài)學資料、廢棄處置、運輸信息、法規(guī)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(yīng)活性等，以及對使用者的健康可能產(chǎn)生危害的一份文件，是一份關(guān)于危險化學品的燃、爆性能，毒性和環(huán)境危害，以及安全使用、泄漏應(yīng)急救護處置、主要理化參數(shù)、法律法規(guī)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(huán)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(guān)危害，并根據(jù)使用的情形制訂安全操作規(guī)程，選用合適的防護器具，培訓作業(yè)人員，使用時能主動進行防護，起到減少職業(yè)危害和預(yù)防化學事故的作用。因此，MSDS的編寫質(zhì)量已成為衡量化學品研發(fā)力量和生產(chǎn)實力、形象以及管理水平的一個重要標志。
MSDS規(guī)定的16項內(nèi)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(shù)據(jù)，應(yīng)寫明無數(shù)據(jù)原因，如無資料、無意義；標明［C］項者，若無數(shù)據(jù)，該項可略。
MSDS的正文應(yīng)采用簡捷、明了、通俗易懂的規(guī)范漢字表述，數(shù)字資料要準確可靠，系統(tǒng)全面。從該化學品的制作之日算起，MSDS的內(nèi)容應(yīng)每5ɑ更新一次，若發(fā)現(xiàn)新的危害性，在有關(guān)信息發(fā)布后的半年內(nèi)，必須修訂MSDS的內(nèi)容。
MSDS采用“一個品種一卡”的方式編寫，同類物、同系物的技術(shù)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(shù)據(jù)應(yīng)是可靠和有依據(jù)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(xiàn)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(jù)生產(chǎn)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(jù)這些化學品的MSDS庫，設(shè)計制作了安全周知卡，供現(xiàn)場生產(chǎn)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。
圖1三乙胺化學品安全周知卡
2 DOW化學暴露指數(shù)的計算及其評估軟件開發(fā)
美國道化學公司（DOW Chemical Co.）在1986年5月開發(fā)了CEI［6-8］，CEI與F & EI配套使用可有效地評價化工裝置及相關(guān)設(shè)施變化的潛在危險。CEI可系統(tǒng)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(chǎn)生的嚴重健康危害。
CEI應(yīng)用于初始工藝過程危險分析、計算分布等級指數(shù)、通過審定工藝過程，提出消除、減少或減輕釋放的建議和應(yīng)急響應(yīng)計劃。本文的目標是在已有的CEI基礎(chǔ)上，研發(fā)軟件實現(xiàn)該方法，形成一個安全指數(shù)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(jié)果。
CEI的計算需要以下數(shù)據(jù)： 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(yīng)包含儲罐等容器、主要工藝管線和化學品的量；涉及的相關(guān)化學品的理化性質(zhì)，以及其應(yīng)急響應(yīng)計劃指標值ERPG（emergency response planning guidelines）的數(shù)據(jù)。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(chǎn)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(jié)果。
CEI計算的詳細數(shù)學模型可參見文獻［6-8］。
CEI計算的軟件系統(tǒng)使用Java開發(fā)，設(shè)計為基于Web的網(wǎng)頁應(yīng)用程序，瀏覽器/服務(wù)器模式，無需安裝，只需要通過網(wǎng)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(tài)頁面技術(shù)也有助于軟件的智能化。軟件程序采用廣泛使用的MVC架構(gòu)來設(shè)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(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)；視圖主要指用戶界面；控制器負責聯(lián)系視圖和模型，從視圖獲取用戶請求后向模型傳遞數(shù)據(jù)，將模型處理的結(jié)果返回視圖。
圖2DOW CEI計算軟件系統(tǒng)的MVC架構(gòu)
CEI計算軟件系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括CEI項目數(shù)據(jù)管理、CEI在線計算、CEI報告產(chǎn)生和ERPG數(shù)據(jù)管理等主要功能模塊。
圖3DOW CEI計算軟件系統(tǒng)的功能模塊
使用該CEI計算軟件，評估了G生產(chǎn)裝置的間歇蒸餾單元過程的泄漏暴露風險，得到的有關(guān)泄漏風險數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)對改進該單元過程操作和工藝設(shè)計具有重要參考價值。DOW化學暴露指數(shù)評價計算數(shù)據(jù)見表1所列，DOW化學暴露指數(shù)評價計算結(jié)果見表2所列。
3 DOW火災(zāi)爆炸指數(shù)的計算及其評估軟件開發(fā)
F&EI［9-10］是美國道化學公司提出的評價化工工藝過程和生產(chǎn)裝置的火災(zāi)、爆炸危險性及采取相應(yīng)安全措施的一種方法，已在國內(nèi)外化工領(lǐng)域得到大量推廣應(yīng)用。
F&EI運用了大量的實驗數(shù)據(jù)和實踐結(jié)果，以被評價單元中的重要物質(zhì)系數(shù)MF為基礎(chǔ)，用一般工藝危險系數(shù)F1確定影響事故損害大小的主要因素，特殊工藝危險系數(shù)F2表示影響事故發(fā)生概率的主要因素。MF，F1， F2的乘積為火災(zāi)爆炸危險指數(shù)，用來確定事故的可能影響區(qū)域，估計所評價生產(chǎn)過程中發(fā)生事故可能造成的破壞；由MF和單元工藝危險系數(shù)F3=F1F2得出單元危險系數(shù)，從而計算評價單元基本最大可能財產(chǎn)損失，然后再對工程中擬采取的安全措施取補償系數(shù)C，確定發(fā)生事故時實際最大可能財產(chǎn)損失和停產(chǎn)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(shù)、C2為物質(zhì)隔離安全補償系數(shù)、C3為防火設(shè)施安全補償系數(shù)、MPPD（maximumprobable property damage）為最大可能財產(chǎn)損失、MPDO（maximum probable days of outage）為最大可能停工天數(shù)，BI為停產(chǎn)損失。F&EI值與危險等級之間的對應(yīng)關(guān)系見表3所列。
表1DOW暴露指數(shù)評價計算數(shù)據(jù)
F&EI評估計算軟件的架構(gòu)和模塊設(shè)計同CEI計算軟件。
以O生產(chǎn)裝置合成結(jié)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(zhì)較多，數(shù)量較大，通過對開發(fā)的F&EI評估計算軟件進行驗證，評估計算得到的F&EI指數(shù)見表4所列，表4中確定的物質(zhì)為汽油，操作溫度為120℃，MF值為16。安全補償措施系數(shù)見表5所列，工藝單元危險分析匯總見表6所列，有關(guān)數(shù)據(jù)對改進O裝置合成結(jié)晶工藝單元的安全操作具有重要價值。
表2DOW暴露指數(shù)評價計算結(jié)果
圖4 DOW F&EI評估計算程序
表3F&EI值與危險等級之間的對應(yīng)關(guān)系
表4 火災(zāi)和爆炸指數(shù)
表5 安全補償措施系數(shù)
續(xù) 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(tài)預(yù)警技術(shù)及其軟件開發(fā)
人工免疫系統(tǒng)AIS（artificial immune system）是借鑒、利用生物免疫系統(tǒng)的信息處理機制的一種綜合智能系統(tǒng)，它將免疫學與工程學有機結(jié)合，利用數(shù)學、計算機等技術(shù)建立免疫機制模型，并將其應(yīng)用于工程的設(shè)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(lǐng)域。動態(tài)人工免疫系統(tǒng)針對工藝流程的動態(tài)特性，以工藝流程的動態(tài)變量數(shù)據(jù)為驅(qū)動，以歷史數(shù)據(jù)時間序列矩陣為抗體，在線數(shù)據(jù)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(xiàn)工藝過程異常工況的動態(tài)預(yù)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(fā)生。
本文研究和應(yīng)用的人工免疫故障診斷及預(yù)警算法主要包括3部分: 系統(tǒng)初始化，包括正常抗體庫和故障抗體庫的初始化；系統(tǒng)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(tǒng)定時讀入由生產(chǎn)設(shè)備或模型生成的在線數(shù)據(jù)，此時判斷數(shù)據(jù)是否采集完畢，即是否已完成了一個批次的生產(chǎn)。若一個批次的檢測已完成未發(fā)生故障，將測試數(shù)據(jù)處理后加入正?？贵w庫更新；將計算在線數(shù)據(jù)與正?？贵w庫中的抗體差異度，根據(jù)計算結(jié)果判斷是否發(fā)生了故障: 如果沒發(fā)生故障，繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)進行檢測；如果差異度超出了預(yù)定的差異度閾值，則認為對應(yīng)過程發(fā)生了故障，轉(zhuǎn)入故障類別的診斷。
圖5基于人工免疫算法的在線故障診斷及動態(tài)預(yù)警流程
2） 進入故障診斷后，分別計算在線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的差異度均小于設(shè)定閾值，則認為故障與該抗體一致。如果與故障抗體庫內(nèi)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(jié)果。若診斷錯誤，需要輸入人工診斷結(jié)果，若正常則讀取下一組數(shù)據(jù)繼續(xù)測試，若診斷出故障則將在線數(shù)據(jù)處理后加入相應(yīng)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。
以G生產(chǎn)裝置的蒸餾工藝過程為應(yīng)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(xiàn)了以上基于人工免疫算法的故障診斷及動態(tài)預(yù)警策略。通過以前生產(chǎn)中蒸餾釜內(nèi)溫TI04、頂溫TI05和夾套溫度TRC03歷史數(shù)據(jù)進行自學習生成AIS抗體，現(xiàn)場用可編程控制器（PLC）和工控機組態(tài)王監(jiān)控采集TI04，TI05和TRC03，經(jīng)動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）傳送到Matlab的AIS診斷預(yù)警軟件，對蒸餾濃度可能不達標等工況進行在線動態(tài)預(yù)警，動態(tài)預(yù)警的結(jié)果經(jīng)DDE傳送到PLC和控制閥控制工藝過程操作，動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)的相關(guān)工作原理如圖7所示，現(xiàn)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(yù)警，對工藝操作具有較好的參考價值。
圖6G生產(chǎn)裝置蒸餾工藝單元流程示意
圖7G裝置蒸餾單元動態(tài)預(yù)警軟硬件工作原理示意
5安全事故調(diào)查分析管理技術(shù)研究及其軟件開發(fā)
事故調(diào)查是吸取經(jīng)驗教訓、預(yù)防類似事故發(fā)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(diào)查要求查明事故的根本原因，總結(jié)事故教訓，提出防范和整改措施［2-3］。但是目前國內(nèi)的化學品事故調(diào)查普遍缺乏系統(tǒng)、科學、一致的方法論，進而導致了事故調(diào)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(diào)查報告有效地吸取地經(jīng)驗教訓，使得類似的事故反復(fù)重演［1-3］。
預(yù)定義樹方法包括了時間序列圖、原因因素定義和預(yù)定義樹或檢查表等工具。時間序列圖用于組織數(shù)據(jù)，將收集到的信息清晰地提供給調(diào)查人員。原因因素是事故發(fā)生過程中如果消除了就能阻止事故發(fā)生或者減輕事故后果影響的因素。預(yù)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(jù)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(diào)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(gòu)建故障樹時首先選擇頂上事件，然后確定頂上事件發(fā)生的前提條件或事件，以火災(zāi)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(guān)系是與門關(guān)系。然后繼續(xù)分析事件，通過邏輯關(guān)系推導直到發(fā)現(xiàn)基本事件，基本事件就是事故的根本原因。
通過集成預(yù)定義樹構(gòu)建和邏輯分析構(gòu)建故障樹分析事故的根本原因，以MySQL為數(shù)據(jù)庫，依據(jù)MVC軟件架構(gòu)設(shè)計，使用Java開發(fā)，設(shè)計了基于Web的網(wǎng)頁應(yīng)用程序——化學品事故調(diào)查與管理軟件平臺（iTAIM）［1-3］，該平臺功能結(jié)構(gòu)如圖8所示，通過網(wǎng)頁瀏覽器即可登錄使用，方便快捷。
圖8化學品事故調(diào)查與分析管理軟件平臺的功能結(jié)構(gòu)
iTAIM的兩個主要功能是事故管理和輔助事故調(diào)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(shù)據(jù)庫建立；事故調(diào)查功能能夠?qū)崟r幫助調(diào)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(yù)定義樹和相似案例參考；原因分析將結(jié)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］。
以iTAIM為平臺對生產(chǎn)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(diào)查分析，結(jié)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(diào)校假物料，使其在長時間運行后產(chǎn)生誤報警，導致工藝過程運行短暫停車。
6結(jié)束語
從特種危險化學品生產(chǎn)過程安全的實際需求出發(fā)，結(jié)合國內(nèi)外化工安全工程理論和方法的發(fā)展，對五項先進的化工安全工程技術(shù)進行了研究和應(yīng)用，開發(fā)了相應(yīng)的安全管控軟件，并進行了實際應(yīng)用驗證。實際運行結(jié)果表明: 這些化工安全工程技術(shù)及其安全管控軟件可以較好地促進工藝過程的安全設(shè)計、操作、運行和控制，可以從事前、事中和事后對生產(chǎn)工藝過程進行良好的全周期安全管控。其中，MSDS的編制、DOW CEI和F&EI的計算評估可以在事前對工藝介質(zhì)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(tài)預(yù)警軟件在工藝過程控制系統(tǒng)中的安裝運行，可以在工藝生產(chǎn)試驗運行中對異常工況進行早期預(yù)警，及時糾正事故苗頭；基于預(yù)定義樹和故障樹的安全事故調(diào)查分析管理技術(shù)及其軟件的應(yīng)用，可以在事故發(fā)生后深刻總結(jié)經(jīng)驗教訓，分析發(fā)現(xiàn)事故的根本原因，有效預(yù)防事故的再次發(fā)生。