基于模糊綜合評(píng)價(jià)的化工工藝本質(zhì)安全指數(shù)探討.doc

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化工工藝;本質(zhì)安全;邊界波動(dòng)效應(yīng);模糊綜合評(píng)價(jià);隸屬函數(shù)0引言化學(xué)工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),近年來正日趨大型化、復(fù)雜化、連續(xù)化與自動(dòng)化。它在不斷帶來了巨大物質(zhì)財(cái)富的同時(shí),也由于其傳統(tǒng)工藝技術(shù)落后,增加了事故和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。如2005年11月13日我國吉林石化雙苯廠苯胺裝置發(fā)生了特大爆炸火災(zāi)事故,造成8人死亡, 60人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失6 908萬元,并致使松花江水嚴(yán)重污染,哈爾濱市被迫全市停水4天,且波及鄰國俄羅斯,造成惡劣的國際影響。2006年7月28日8時(shí)45分左右,位于江蘇省射陽縣臨海鎮(zhèn)的鹽城氟源化工有限公司氯化反應(yīng)器在試生產(chǎn)過程中發(fā)生爆炸,繼而發(fā)生連續(xù)爆炸,造成硝化、氯化兩個(gè)車間廠房全部倒塌,造成22人死亡, 29人受傷。這些事故的嚴(yán)重性表明,事故預(yù)防與風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)與應(yīng)用迫在眉睫。從根本上預(yù)防人員傷亡和環(huán)境污染事故,實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)、清潔發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義1。在實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全化的過程中,進(jìn)行本質(zhì)安全評(píng)價(jià)必不可缺,國內(nèi)外已有很多種本質(zhì)安全評(píng)價(jià)方法,筆者在此基礎(chǔ)上提出了一種基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的本質(zhì)安全評(píng)價(jià)模型,旨在進(jìn)一步解決前人指數(shù)法中的邊界波動(dòng)效應(yīng)。1本質(zhì)安全與本質(zhì)安全評(píng)價(jià)本質(zhì)安全化的理念是人們對(duì)災(zāi)難性事故反思的產(chǎn)物,反映了人類安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)思想由被動(dòng)的末端治理到主動(dòng)源頭控制的客觀發(fā)展過程。本質(zhì)安全化不是依靠被動(dòng)、主動(dòng)的程序措施,而是通過化學(xué)與物理學(xué)來預(yù)防事故,即通過改進(jìn)設(shè)計(jì),消減工藝、設(shè)備中存在的危險(xiǎn)物質(zhì)或危險(xiǎn)操作的數(shù)量,使用安全材料替代危險(xiǎn)材料等綜合措施,以消除或減少工藝、設(shè)備中的危險(xiǎn)性。本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)往往可以得到一個(gè)簡(jiǎn)化而又節(jié)約的工藝過程,因?yàn)槲ｋU(xiǎn)的消減,減少了安全裝置的使用與維護(hù)1-6。每個(gè)工藝過程都同時(shí)存在很多種危險(xiǎn)性,如易燃易爆性、毒性、高溫、高壓等。在具體采取本質(zhì)安全措施時(shí),往往都是針對(duì)某一類或者某幾類危險(xiǎn)進(jìn)行消減,實(shí)施本質(zhì)安全化。對(duì)于其他的危險(xiǎn)性,可能沒有影響,或者增加其危險(xiǎn)性。如使用氟利昂作為制冷劑,代替了液氨與輕烴,雖然減少了易燃易爆性與毒性,但氟利昂可對(duì)臭氧層造成破壞,對(duì)環(huán)境造成了影響。再如:某個(gè)使用相對(duì)無害的水和二氧化碳的超臨界工藝卻需要高溫高壓。因此,在實(shí)施具體本質(zhì)安全措施的前后就需要對(duì)工藝中的所有危險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)與分析,以進(jìn)行權(quán)衡與評(píng)價(jià)。此時(shí)就需要有一個(gè)合理可行的本質(zhì)安全評(píng)價(jià)工具5, 7。從1978年Kletz提出本質(zhì)安全化的理念以來,世界各國已有很多學(xué)者投入到本質(zhì)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究中。典型的幾套指標(biāo)體系有: 1993年Ed-wards與Lawrence提出的Prototype Index for InherentSafety(PIIS)8; 1996年Heikkila提出的InherentSafety Index( ISI)9; 2002年P(guān)alaniappan提出的i-Safe指數(shù)10; 2003年Gupta與Edwards在PIIS的基礎(chǔ)上提出了一種基于圖表的評(píng)價(jià)方法8; 2003年Gentile提出的基于模糊推理的本質(zhì)安全指數(shù)11;2004年Khan與Amyotte提出的Integrated InherentSafety Index(I2SI)12等。Gentile指出了PIIS, ISI及i-safe中的邊界波動(dòng)效應(yīng)問題,即在指標(biāo)子范圍的邊界處分值出現(xiàn)突然跳躍而指標(biāo)值在子范圍內(nèi)部變動(dòng)時(shí)分值不變的現(xiàn)象。Gentile把模糊推理Mamdani算法應(yīng)用到指數(shù)模型中,解決了這一問題11。但模糊推理算法較復(fù)雜,筆者嘗試在其基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化,使用模糊綜合評(píng)價(jià)法建立指標(biāo)體系,以解決邊界波動(dòng)效應(yīng)問題13-14。2本質(zhì)安全指數(shù)模型的建立筆者建立的本質(zhì)安全指數(shù)模型主要用于在設(shè)計(jì)初期的工藝路線分級(jí)與選擇。而此時(shí)可以獲得的工藝信息很少,只有一些物性、工藝參數(shù)等,故只能通過它們建立模型15?；すに嚨谋举|(zhì)安全程度主要由其固有危險(xiǎn)性決定,具體受工藝過程中的原料、半成品、成品數(shù)量和性質(zhì)、相應(yīng)操作條件的苛刻程度等影響。因而,可以分為兩個(gè)二級(jí)指標(biāo):物質(zhì)危險(xiǎn)性和工藝條件危險(xiǎn)性。在物質(zhì)危險(xiǎn)性中,主要考慮可燃性、爆炸性、毒性、反應(yīng)性等4個(gè)三級(jí)指標(biāo)。在工藝條件危險(xiǎn)性中,主要考慮操作溫度、操作壓力、儲(chǔ)量等3個(gè)三級(jí)指標(biāo)8-11, 16-17,指標(biāo)體系見表1?？扇夹灾肝镔|(zhì)在空氣中被點(diǎn)燃的難易程度,該模型中以閃點(diǎn)表示,閃點(diǎn)越低,則可燃性越高。爆炸性指物質(zhì)在空氣中形成爆炸性混合物的難易程度,由其爆炸極限決定。顯然,爆炸區(qū)間(爆炸上限-爆炸下限)越大,爆炸下限越低,則爆炸性越高,故該模型中以爆炸危險(xiǎn)度表示爆炸性16:EH=(UEL-LEL) /LEL (1)式中,EH為物質(zhì)的爆炸危險(xiǎn)度;UEL,LEL分別為物質(zhì)的爆炸上限于爆炸下限。毒性可以通過閾限值(Threshold LimitValue,TLV)或者半數(shù)致死劑量LD50、半數(shù)致死濃度LC50等指標(biāo)表示。TLV指的是8小時(shí)工作日或40小時(shí)工作周中的幾乎所有工人每天反復(fù)接觸而不致受到有害影響的時(shí)間加權(quán)平均濃度限值。由于對(duì)于大多數(shù)物質(zhì)都可以獲取其TLV值,故該體系中用TLV來表征物質(zhì)毒性。TLV越小,毒性越大。2.1指標(biāo)權(quán)重的確定在ISI中,不同指標(biāo)的取值范圍不同,取值范圍的大小表示的是該指標(biāo)對(duì)本質(zhì)安全程度的重要程度。它們是通過國際上的一些過程安全專家的頭腦風(fēng)暴得出,有很大的可信度。在此參考這一系列取值范圍,并對(duì)其歸一化,作為文中的指標(biāo)對(duì)于總指標(biāo)的權(quán)重系數(shù),見表19。2.2備擇集的建立備擇集是評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)可能作出的各種評(píng)價(jià)評(píng)語所組成的集合,一般以程序語言或評(píng)定取值區(qū)間作為評(píng)價(jià)目標(biāo)。筆者將各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)按照危險(xiǎn)程度分為5級(jí),即“很高危險(xiǎn)”、“高危險(xiǎn)”、“中度危險(xiǎn)”、“低危險(xiǎn)”與“很低危險(xiǎn)”3,16。以模糊語言表示為V=很高危險(xiǎn)(VH),高危險(xiǎn)(H),中度危險(xiǎn)(MH),低危險(xiǎn)(L),很低危險(xiǎn)(VL)2.3指標(biāo)等級(jí)劃分及隸屬函數(shù)的確定隸屬函數(shù)的曲線形式有三角形、梯形和高斯形等,隸屬函數(shù)之間應(yīng)有重疊,一般重疊為25% 50%。根據(jù)文獻(xiàn)13, 16,兩端區(qū)間采用梯形隸屬函數(shù),中間區(qū)間采用三角形隸屬函數(shù),并且相鄰的隸屬函數(shù)之間重疊為50%時(shí)描述簡(jiǎn)單,計(jì)算方便。故文中也據(jù)此設(shè)置隸屬函數(shù)。一般設(shè)在中間區(qū)間的中點(diǎn)其隸屬函數(shù)取最大值1,而在相鄰兩區(qū)間的中點(diǎn)其隸屬函數(shù)取最小值0,連接1與0,得指標(biāo)對(duì)該評(píng)語等級(jí)的隸屬函數(shù)。筆者主要參照化工行業(yè)的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,結(jié)合國內(nèi)外危險(xiǎn)指數(shù)或安全評(píng)價(jià)指標(biāo)中的等級(jí)劃分,制定出各個(gè)指標(biāo)的具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2,并確定了各個(gè)指標(biāo)對(duì)備擇集中各個(gè)評(píng)語的隸屬函數(shù)8-10, 16。因篇幅有限,現(xiàn)僅列舉可燃性與溫度的隸屬函數(shù)如圖2、圖3所示。2.4指數(shù)計(jì)算方法國內(nèi)外危險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算方法主要有3種,即加和型、平均型與最壞模式型18。加和型的計(jì)算方法強(qiáng)調(diào)對(duì)每個(gè)工藝步驟進(jìn)行指數(shù)計(jì)算,把所用步驟的指數(shù)值相加得到整個(gè)工藝的指數(shù)值,這一方法雖然可以反映出工藝復(fù)雜性所表示的危險(xiǎn)性,但評(píng)價(jià)結(jié)果受工藝步驟數(shù)影響很大,準(zhǔn)確性太低。平均型計(jì)算方法即對(duì)各個(gè)步驟的指數(shù)值相加再除以步驟數(shù),以消除工藝步驟數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。最壞模式型則是出于保守考慮,選擇工藝中最危險(xiǎn)的物質(zhì)屬性、最危險(xiǎn)的操作條件等代表整個(gè)工藝的危險(xiǎn)程度以進(jìn)行指數(shù)計(jì)算,是最合理的。在文中,即選取最壞模式型進(jìn)行指數(shù)計(jì)算。2.5指數(shù)計(jì)算步驟1)對(duì)化工工藝進(jìn)行分析:通過化學(xué)品安全說明書(MSDS)、國際化學(xué)品安全卡(ICSC)等獲取工藝中所有物質(zhì)的危險(xiǎn)特性,包括閃點(diǎn)、爆炸極限及TLV等;通過化工手冊(cè)等查出各部反應(yīng)方程式中的反應(yīng)物與生產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)生成焓,以計(jì)算反應(yīng)熱;列出各反應(yīng)步驟的操作溫度與操作壓力。2)計(jì)算出各物質(zhì)的爆炸危險(xiǎn)度。選擇儲(chǔ)量,最低的閃點(diǎn)值、TLV值與反應(yīng)熱值,最高的爆炸危險(xiǎn)度、操作溫度與操作壓力,帶入相應(yīng)的隸屬函數(shù)中,得出對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各評(píng)語的隸屬度子集。3)把7個(gè)隸屬度子集組成一個(gè)75的模糊隸屬度矩陣L。化工工藝的本質(zhì)安全型模糊評(píng)判矩陣為In=QL=0.130.130.190.130.130.130.16式中,Q為各指標(biāo)的權(quán)重行向量;f, e, t, r,w,p, in分別為可燃性、爆炸性、毒性、反應(yīng)性、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力及儲(chǔ)量對(duì)各個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度。4)設(shè)置一個(gè)列向量n=5 4 3 2 1,則該評(píng)價(jià)模型的本質(zhì)安全指數(shù)值: 式中,In為化工工藝的總體本質(zhì)安全程度對(duì)各個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度,由式(2)求得。顯然InSI的取值范圍為1,5。InSI越大,本質(zhì)安全程度越低。3實(shí)例應(yīng)用對(duì)于文中提出的本質(zhì)安全指數(shù)模型,編制了MATLAB函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。現(xiàn)使用該方法對(duì)甲基丙烯酸甲酯(MMA)的5條工藝路線進(jìn)行評(píng)價(jià)。MMA是一種重要的有機(jī)化工原料,用作有機(jī)玻璃的單體,也用于制造其他樹脂、塑料、涂料、粘合劑、潤滑劑、木材和軟木的浸潤劑、紙張上光劑等。5條路線的具體工藝見表32, 8, 17。假設(shè)5條工藝路線中的物質(zhì)儲(chǔ)量都為100 ,t通過查詢MSDS與ICSC等數(shù)據(jù)庫獲取最危險(xiǎn)的可燃性、爆炸性與毒性參數(shù),現(xiàn)整理各參數(shù)的取值列于表4。使用編制的MATLAB程序進(jìn)行計(jì)算,得出各條工藝路線的指數(shù)值見表5。通過表5可見, 5條MMA的工藝路線的本質(zhì)安全水平由高到低排序?yàn)楫惐挤?、異丁烯法、丙烯法、乙烯法、ACH法。這與相關(guān)文獻(xiàn)中使用PIIS, ISI等方法評(píng)價(jià)的結(jié)果是相吻合的2, 4, 8。結(jié)果表明,筆者研究的指標(biāo)模型可以用于化工工藝路線的本質(zhì)安全評(píng)價(jià)。4結(jié)論為有效地解決指數(shù)值的邊界波動(dòng)效應(yīng),筆者使用模糊綜合評(píng)價(jià)法建立了本質(zhì)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)模型, 主要結(jié)論如下:1)確定了本質(zhì)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,由物質(zhì)危險(xiǎn)性和工藝條件危險(xiǎn)性方面的可燃性、爆炸性、毒性、反應(yīng)性、溫度、壓力、儲(chǔ)量等7個(gè)指標(biāo)組成。2)選用ISI中各個(gè)指標(biāo)的取值范圍,并對(duì)其歸一化,作為該模型中的指標(biāo)對(duì)于總指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。3)參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、危險(xiǎn)指數(shù)或者安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的等級(jí)劃分,制定出該模型中各個(gè)指標(biāo)的具體分級(jí),并確定了各個(gè)指標(biāo)對(duì)各分級(jí)的隸屬函數(shù)。4)使用矩陣相乘的形式計(jì)算出該模型的本質(zhì)安全指數(shù),指數(shù)值越大,本質(zhì)安全程度越低。5)通過對(duì)MMA的5條工藝路線的本質(zhì)安全評(píng)價(jià),證明了該方法能夠科學(xué)有效地對(duì)工藝路線的本質(zhì)安全型進(jìn)行分級(jí)。由于化工工藝的危險(xiǎn)因素很多,文中只是提取了其中最重要的7種。并且在評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)、隸屬度的確定等方面存在很大的主觀性。因而,在以后的研究中,還需要進(jìn)一步深入探索,以提高化工工藝本質(zhì)安全評(píng)價(jià)的全面性與客觀性。參考文獻(xiàn)1吳宗之,樊曉華,楊玉勝.論本質(zhì)安全與清潔生產(chǎn)和綠色化學(xué)的關(guān)系J.安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2008, 8(4):135-138.2樊曉華,吳宗之,宋占兵.化工過程的本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)策略初探J.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 16(2):191-199.3王艷華,陳寶智,黃俊.化工過程本質(zhì)安全性之模糊評(píng)價(jià)系統(tǒng)J.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 18(7): 128-133.4Chan T, AzmiM. Process route index (PRI) to assess level of explosiveness for inherent safety quantificationJ. Jour-nal ofLoss Prevention in the Process Industries, 2009, 22(2): 216-221.5Dennis C. An overview of inherently safer designJ. Process Safety Progress, 2006, 25(2): 98-107.6David A, Mike H, Marty R. Advances in Inherent Safety Guidance J. American Institute of Chemical Engineers,2008, 27(2): 115-120.7Faisal I, PaulR. How tomake inherent safety practice a reality J. The Canadian Journal of Chemical Engineering,2003, 81(1): 2-16.8J. P. Gupta, David. W. Edwards. A simple graphicalmethod formeasuring inherent safetyJ. Journal ofHazardousMaterials, 2003, 104(1-3): 15-30.9Anna-MariHeikkila. Inherent safety in process plantdesignD. HelsinkiUniversity ofTechnology(Espoo, Finland), 1999.10Chidambaram Palaniappan, Rajagopalan Srinivasan, Reginald Tan. Expert system for the design of inherently saferprocesses. 1 route selection stageJ. American ChemicalSociety, 2002, 41(26): 6 698-6 710.11Michela Gentile, W illiam J. Rogers, M. Sam Mannan. Development of an inherent safety index based on fuzzyLogicJ. American Institute ofChemicalEngineers Journa,l 2003, 49(4): 959-968.12Faisal I. Khan, PaulR. Amyotte. Integrated inher