童潮鎮(zhèn)（寧波乾業(yè)安全科技有限公司，浙江 寧波 315040）

淺析精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程安全系統(tǒng)

童潮鎮(zhèn)
（寧波乾業(yè)安全科技有限公司，浙江 寧波 315040）

摘 要：化工生產(chǎn)過(guò)程中，由于大量使用的原料、半成品及產(chǎn)品具有易燃易爆、腐蝕或劇毒特性，且精細(xì)化工生產(chǎn)工藝復(fù)雜，對(duì)安全生產(chǎn)的要求比較高。在本文中，筆者在探討過(guò)程危險(xiǎn)、HAZOP自動(dòng)分析技術(shù)及安全控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)安全仿真、控制等精細(xì)化工生產(chǎn)安全系統(tǒng)中的若干技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究，并提出了安全仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：化工生產(chǎn)；安全仿真；安全控制；工程技術(shù)

對(duì)于化工生產(chǎn)過(guò)程來(lái)說(shuō)，首先要解決的便是安全問(wèn)題。這主要是因?yàn)樵诰?xì)化工生產(chǎn)過(guò)程中使用的原料、半成品及產(chǎn)品，大都具有腐蝕性、劇毒或易燃易爆的特性，一大發(fā)生安全事故，則會(huì)造成嚴(yán)重的后果，影響惡劣。因此，分析化工生產(chǎn)過(guò)程中安全系統(tǒng)中的安全性及安全運(yùn)行技術(shù)，已經(jīng)成為安全工程的重要課題之一。

一、精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)HAZOP控制

近年來(lái)，安全分析的新手段之一為過(guò)程系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，并逐步成為過(guò)程系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的關(guān)鍵性技術(shù)。在化工生產(chǎn)過(guò)程的安全仿真上，動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)仿真集成方法，在評(píng)價(jià)安全控制方案、運(yùn)行特性及平穩(wěn)開(kāi)車(chē)方案等方面，具有重要的意義。在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展日新月異的形勢(shì)下，已經(jīng)可模擬三維立體空間泄漏擴(kuò)散、爆炸及火災(zāi)等演變的過(guò)程。

為了確保危險(xiǎn)化工生產(chǎn)過(guò)程的安全生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)外均采用了冗余與容錯(cuò)控制技術(shù)、故障安全控制系統(tǒng)，可提高精細(xì)化工生產(chǎn)的安全度。而在安全控制上，基于邏輯關(guān)系的繼電器聯(lián)鎖保護(hù)及可編程控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，在微處理器不斷發(fā)展的背景下，在化工生產(chǎn)領(lǐng)域逐步應(yīng)用了多種安全控制系統(tǒng)，比如故障安全控制系統(tǒng)、燃燒器管理系統(tǒng)等。

（一）深層次HAZOP

在分析HAZOP時(shí)，首先需將操作規(guī)程或者工藝流程劃分成操作步驟或者分析節(jié)點(diǎn)，并從生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù)變動(dòng)、控制中的偏差等角度進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)劃分與分析，可判斷并明確變動(dòng)與誤差對(duì)系統(tǒng)的影響、后果，而且能夠確定發(fā)生變動(dòng)或偏差的原因。

當(dāng)前，在精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程中普遍采用的為HAZOP分析法，這是一種基于經(jīng)驗(yàn)與歷史數(shù)據(jù)的分析方法，由于無(wú)需考慮深層過(guò)程機(jī)理，所以分析的深度有所欠缺。而SDG屬于一種節(jié)點(diǎn)間防線的連線，能表達(dá)復(fù)雜的因果關(guān)系，可包容大規(guī)模信息，用于輔助HAZOP分析的效果比較理想。而該分析的框架由關(guān)鍵變量及其之間的相互關(guān)系構(gòu)成，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)、歷史數(shù)據(jù)及相關(guān)機(jī)理，同時(shí)結(jié)合基于SDG的模型，反向推理出異常的原因。在生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用SDG分析方法進(jìn)行深層次HAZOP的分析。

（二）間歇性生產(chǎn)過(guò)程的HAZOP分析

在間歇性化工生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)生產(chǎn)階段的不同，可采用連續(xù)過(guò)程HAZOP分析方法，由于分析的步驟比較多，且對(duì)于前后工序的HAZOP分析銜接非常不利。不過(guò)，因?yàn)椴簧俚木?xì)化工生產(chǎn)過(guò)程均屬于間歇性工藝生產(chǎn)過(guò)程，所以這些過(guò)程具有離散事件系統(tǒng)特征，需專(zhuān)門(mén)對(duì)混雜工藝的自動(dòng)HAZOP進(jìn)行深入的分析。

（1）基于Petri網(wǎng)的間歇過(guò)程HAZOP分析

Petri網(wǎng)術(shù)一種DES描述工具，屬于結(jié)構(gòu)化的DES描述工具，對(duì)異步、同步及并行的邏輯關(guān)系，均可進(jìn)行準(zhǔn)確描述，并可表達(dá)離散事件系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)變化?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，該描述工具在離散制造工藝及間歇生產(chǎn)工藝過(guò)程建模中的應(yīng)用范圍比較廣。將SDG模型HAZOP分析法及 petri網(wǎng)DES建模結(jié)合結(jié)合起來(lái)，可生成三層知識(shí)表達(dá)模型，其中間歇生產(chǎn)工藝及離散裝配工藝采用上兩層，而在工藝操作階段采用TPN。應(yīng)用這三層知識(shí)表達(dá)模型，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)間歇化工生產(chǎn)工藝的HAZOP自動(dòng)分析。

（2）基于動(dòng)態(tài)SDG建模的間歇過(guò)程的HAZOP自動(dòng)分析

一般的SDG建模無(wú)法對(duì)間歇過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)分析，由于間歇生產(chǎn)過(guò)程的每一個(gè)操作步驟均可能出現(xiàn)失誤，而且可能會(huì)對(duì)后續(xù)的生產(chǎn)造成影響，所以說(shuō)每一個(gè)步驟均為對(duì)應(yīng)的SDG均不同。因此，SDG對(duì)間歇過(guò)程建模的關(guān)鍵問(wèn)題就是如何通過(guò)SDG來(lái)描述各個(gè)步驟之間的連續(xù)。解決這個(gè)問(wèn)題，首先是建立整體性的SDG模型，在間歇過(guò)程中，將各個(gè)狀態(tài)下的變量均聯(lián)系起來(lái)用于建立SDG模型，而變量間的影響關(guān)系，主要是支路的設(shè)置條件。建立后，便可通過(guò)改變支路的使能條件獲得需要的，且相對(duì)獨(dú)立的SDG模型。二是建立狀態(tài)順序圖：將間歇生產(chǎn)過(guò)程劃分為數(shù)個(gè)連續(xù)過(guò)程，以及若干個(gè)抽象的步驟，根據(jù)步驟之間的聯(lián)系建立狀態(tài)順序圖，并在狀態(tài)圖的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)SDG上層，用以控制支路的使能條件。同時(shí)，用順序狀態(tài)圖描述間歇過(guò)程的狀態(tài)改變情況，以實(shí)現(xiàn)SDG的步驟化。三是建立狀態(tài)順序列表：將設(shè)備失效、SDG節(jié)點(diǎn)及閥門(mén)信息進(jìn)行有效的關(guān)聯(lián)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，將每個(gè)步驟列成表，然后便可在推理過(guò)程中，比較步驟的系統(tǒng)狀態(tài)是否與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)相一致。比較會(huì)出現(xiàn)兩種情況，一種是與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)相符，則可直接進(jìn)入下一步驟，一種是與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)存在差異，這時(shí)則可根據(jù)鏈表信息，將相應(yīng)的SDG節(jié)點(diǎn)拉偏并觸發(fā)SDG推理。在分析過(guò)程中，主要是找出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并將關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)狀態(tài)的切換聯(lián)系起來(lái)，使系統(tǒng)的狀態(tài)由關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)來(lái)決定。

圖1 安全仿真系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

三、精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程安全仿真系統(tǒng)的建立

根據(jù)半實(shí)物仿真技術(shù)、動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)及單元設(shè)備仿真技術(shù)，同時(shí)結(jié)合精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程的安全仿真系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)化工工藝生產(chǎn)過(guò)程安全狀態(tài)動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程基礎(chǔ)上，可制定并分析和驗(yàn)證安全操作與控制的方案?；どa(chǎn)工藝安全仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

經(jīng)過(guò)分析基于SDG自動(dòng)HAZOP分析、安全仿真及控制等技術(shù)措施，精細(xì)化工生產(chǎn)實(shí)踐證明，在提高生產(chǎn)工藝的安全性、降低危險(xiǎn)程度及安全事故，以及降低環(huán)境污染、次生化學(xué)危害等方面均發(fā)揮著重要的作用。而安全系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)主要包括以下幾個(gè)方面：一是生產(chǎn)工藝過(guò)程的HAZOP自動(dòng)分析及內(nèi)在安全設(shè)計(jì)，提高了改進(jìn)后的安全完整度SIL；二是研發(fā)的HAZOP自動(dòng)分析軟件，在精細(xì)化工生產(chǎn)的各個(gè)階段，均可進(jìn)行HAZOP自動(dòng)分析；三是基于HAZOP自動(dòng)分析的生產(chǎn)過(guò)程綜合仿真系統(tǒng)，可準(zhǔn)確、全面模擬事故發(fā)生及極限狀態(tài)，對(duì)于完善事故應(yīng)急預(yù)案具有重要的指導(dǎo)作用。

此外，生產(chǎn)工藝過(guò)程的安全控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)故障條件下的容錯(cuò)控制，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行連鎖保護(hù)，降低事故的危害程度，減少事故造成的損失。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)具有重大的意義。為了實(shí)現(xiàn)精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程的安全，必須做好提前的預(yù)防和控制工作。在本文中，筆者根據(jù)自身的工作實(shí)際，探討了安全系統(tǒng)中的若干關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題，并提出了基于HAZOP自動(dòng)分析的安全控制與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，在提高生產(chǎn)的安全系數(shù)及連鎖保護(hù)生產(chǎn)過(guò)程方面具有重要的作用。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TQ086

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