基于事故樹-風(fēng)險矩陣法的脫硫工藝中毒窒息事故風(fēng)險評估

張玉濤 林國鋮 李亞清

摘?要：脫硫工藝由于系統(tǒng)組成復(fù)雜，近年來中毒窒息事故頻發(fā)，有效辨識脫硫任務(wù)中存在的有害因素，并對其危險等級進行準確評估，對預(yù)防此類事故的發(fā)生具有重要意義。文中基于事故樹分析法（FTA）與風(fēng)險矩陣法（Risk Matrix），結(jié)合熵權(quán)法和TOPSIS法，建立了事故樹-風(fēng)險矩陣綜合評價模型，以結(jié)構(gòu)風(fēng)險貼近度S為新的評判指標，對熱電廠脫硫工藝進行了中毒窒息事故風(fēng)險評估，并將評價結(jié)果與事故樹分析法和風(fēng)險矩陣法評估結(jié)果進行了對比分析。分析結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)重要度和風(fēng)險概率2個指標的權(quán)重分別為0.6和0.4;13個基本事件中“通風(fēng)機故障或通風(fēng)能力不足”，“氣體檢測裝置失效”等基本事件的貼近度最高，后期需要加強控制和預(yù)防。研究表明，事故樹-風(fēng)險矩陣法的評價結(jié)果較單一的事故樹法或風(fēng)險矩陣法具有更高的區(qū)分度和準確度。關(guān)鍵詞：脫硫工藝;風(fēng)險評估;事故樹分析;風(fēng)險矩陣;TOPSIS法中圖分類號：X 913

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2020）01-0040-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0106開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Risk assessment of suffocation and poisoning accidents in

desulfurization process based on FTA-risk matrix method

ZHANG Yu-tao，LIN Guo-cheng，LI Ya-qing

（College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：Recently，

there occur accidents of poisoning suffocation frequently

due to a complex desulfurization process.Therefore，it is of importance to identify dangerous factors

of the desulfurization processand to further assess their risk levels.Combined Fault Tree Analysis（FTA）and risk evaluation method with entropy and TOPSIS methods，an FTA-risk matrix model was proposed.Taking closeness degree of structural risk as a new criteria，risks of poisoning and suffocation accidents for desulfurization process of the thermal power plant was assessed.Acomparatire analysis shows

thatthe structure importance and the risk probability were 0.6 and 0.4，respectively.Also，among the 13 basic incidents，“fan failure or insufficient ventilation capacity” and “gas detection device failure” have the highest closeness，and need to strengthen control and prevention in the later stage.The comparison results show that the fault tree-risk matrix method has higher discrimination and accuracy than the single fault tree method or risk matrix method.Key words：desulfurization process;risk assessment;Fault Tree Analysis;risk matrix;Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution

0?引?言

目前我國火力發(fā)電的發(fā)電量占全國發(fā)電比重的70%以上，依舊是我國當前發(fā)電的主力軍[1]。而火力發(fā)電廠本身具有發(fā)電作業(yè)生產(chǎn)線長、工作環(huán)境溫度高、工藝過程伴隨有毒有害物質(zhì)、設(shè)備設(shè)施出現(xiàn)損壞后危險性大等化工行業(yè)典型的行業(yè)特點，不僅嚴重威脅著作業(yè)人員的身體健康，且可能直接造成嚴重事故。近年來化工企業(yè)的生產(chǎn)事故以中毒窒息和爆炸為主[2]，說明了化工行業(yè)需要加大對中毒窒息、爆炸等事故的管控，有針對性的對工藝流程采取更為合理的安全管理措施，以提高生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性。目前火力發(fā)電企業(yè)比較常用的安全評價分析方法有預(yù)先危險性分析（Preliminary Hazard Analysis）、故障類型與影響分析（Failure Mode and Effect Analysis）、安全檢查表分析（Safety Checklist Analysis），事故樹分析（Fault Tree Analysis）、及LEC法等[3-4]。事故樹分析最早起源于美國貝爾電話研究所，在能源、交通運輸、建筑施工等各行業(yè)的安全評價、安全管理、事故預(yù)防方面得到了廣泛應(yīng)用。但由于事故樹分析法存在基本事件概率難以確定的問題，往往不適用于直接作為定量分析的結(jié)果[5]。程剛等提出FTA-LEM評價方法，利用臨界重要度對風(fēng)險因素的危險分值計算進行了優(yōu)化[6];黃勝松、王君莉等將FTA法與AHP法結(jié)合，定量計算了基本事件和中間事件的綜合權(quán)重[7-8]，進而有針對性地提出控制措施。

風(fēng)險矩陣法最早由美國空軍電子系統(tǒng)中心提出，具有簡潔、直觀的特點，能迅速提取出系統(tǒng)中的關(guān)鍵風(fēng)險因素，但該方法的原始矩陣排列存在風(fēng)險結(jié)，即分級層次不夠多，以及忽略指標異質(zhì)性直接簡單相乘計算的問題[9]。李樹清等采用Borda序值法使風(fēng)險等級數(shù)量增加，減少了風(fēng)險結(jié)數(shù)量[10];羅恒等引入LOPA法，在風(fēng)險矩陣模型的基礎(chǔ)上增加了保護層分析[11]，完善了評價體系。

文中以熱電廠脫硫工藝為背景，結(jié)合事故樹分析法（FTA）與風(fēng)險矩陣法（Risk Matrix），建立事故樹-風(fēng)險矩陣評價模型，以此對脫硫工藝中可能發(fā)生的中毒窒息事故進行分析。首先選用事故樹分析法確定工藝中可能導(dǎo)致中毒窒息事故的基本事件及各事件的結(jié)構(gòu)重要度I，進而采用風(fēng)險矩陣法對基本事件進行評估，得到基本事件的風(fēng)險概率P.以結(jié)構(gòu)重要度I和風(fēng)險概率P 2個指標為基礎(chǔ)，采用TOPSIS法[12]建立新的評價指標即結(jié)構(gòu)風(fēng)險貼近度S，根據(jù)貼近度大小判斷基本事件對事故的關(guān)鍵程度。

該方法既對事故樹基本事件的概率進行了較為準確的分級和賦值，又解決了風(fēng)險矩陣法中指標算法不合理以及分級方式存在風(fēng)險結(jié)的問題，評價結(jié)果更為準確、合理。

1工藝概況及模型構(gòu)建

1.1?工藝概況

脫硫工藝目前主要有干法脫硫技術(shù)、濕法脫硫技術(shù)、半干脫硫技術(shù)3種類型[13]。其中，濕法脫硫技術(shù)是目前世界上應(yīng)用最多、最為成熟的脫硫工藝，其脫硫效率可達到99%[14]。文中以濕法脫硫技術(shù)的脫硫工藝為背景。其具體脫硫過程為：首先利用循環(huán)泵將石灰石漿液運輸至吸收塔頂，然后在塔頂自上而下噴淋，與進入塔內(nèi)的煙氣逆流接觸。煙氣中的SO2，SO3等有毒有害氣體被漿液吸收生成石膏，最后生成的石膏經(jīng)過脫水處理后被運往灰場貯存[15-16]，反應(yīng)廢液經(jīng)過處理后可與新漿液混合形成半富液繼續(xù)進行脫硫反應(yīng)，脫硫后的煙氣經(jīng)過吸收塔和除霧器后，轉(zhuǎn)化成清潔煙氣經(jīng)煙囪排出。熱電廠濕法脫硫工藝的工藝流程圖如圖1所示。

1.2?事故樹構(gòu)建及結(jié)構(gòu)重要度分析

1.2.1?事故樹構(gòu)建

通過系統(tǒng)分析熱電廠脫硫工藝任務(wù)得到封閉環(huán)境、個人防護失效、毒害氣體液體泄露3個中間事件及擅自進入受限空間、作業(yè)方式不合理、通風(fēng)機故障或通風(fēng)能力不足等13個基本事件。以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建出圖2所示事故樹。

1.2.2?結(jié)構(gòu)重要度計算

事故樹的結(jié)構(gòu)重要度是指在不考慮基本事件概率的情況下，從事故樹的結(jié)構(gòu)上分析基本事件對頂上事件的重要程度[17]。結(jié)構(gòu)重要度大小的確定一般既可以通過最小割集或最小徑集分析后排序，也可以通過公式計算的方式得到。為保證精度[18]，文中中的結(jié)構(gòu)重要度均通過計算得到，具體計算公式如下

（1）

式中?I（i）為結(jié)構(gòu)重要度;kj為含有基本事件i的最小徑集;nj為kj中的基本事件數(shù)。

1.3?風(fēng)險矩陣法分析

風(fēng)險矩陣法是通過對危險有害因素的風(fēng)險概率P和風(fēng)險影響程度C進行定量評估，據(jù)此得到危險有害因素的風(fēng)險等級R，計算公式如下

R=P·C

（2）

式中?P為發(fā)生事故或危險事件的風(fēng)險概率等級，可能性分值見表1;C為發(fā)生事故或危險事件所造成的影響等級，分數(shù)取值見表2[19-21];R為作業(yè)條件風(fēng)險等級計算分值，等級劃分依據(jù)見表3.

1.4?事故樹-風(fēng)險矩陣法分析

文中在采用TOPSIS法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution）對結(jié)構(gòu)重要度I和風(fēng)險概率P進行賦權(quán)重處理的基礎(chǔ)上建立了新的指標即結(jié)構(gòu)風(fēng)險貼近度S，用結(jié)構(gòu)風(fēng)險貼近度S表征基本事件在事故樹中的關(guān)鍵程度。

TOPSIS是一種多目標決策、排序的方法。該方法的核心在于將項目的各個參數(shù)與各個指標的參考值之間的相對距離統(tǒng)一量化，以貼近度S表示項目的理想程度，貼近度越大表示越接近理想程度[22]。TOPSIS法結(jié)合熵權(quán)法[23]能夠避免風(fēng)險矩陣法帶來的風(fēng)險結(jié)和未考慮指標權(quán)重問題，選用TOPSIS法計算基本事件的結(jié)構(gòu)風(fēng)險貼近度主要包括3個步驟即

1）根據(jù)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度和風(fēng)險概率建立矩陣并進行正向化、標準化和歸一化處理。

2）選用熵權(quán)法計算評價指標權(quán)重，得到加權(quán)規(guī)范化指標矩陣。

3）計算基本事件的結(jié)構(gòu)風(fēng)險貼近度，根據(jù)貼近度大小進行排序，判斷各基本事件對頂上事件的關(guān)鍵程度。

所以，文中首先根據(jù)項目數(shù)m和指標數(shù)n建立一個初始矩陣A=（bij）m×n，由于結(jié)構(gòu)重要度I和風(fēng)險概率P指標本身已經(jīng)正向化，進而采用Min-Max標準化[24]方法對初始矩陣A=（bij）m×n進行指標標準化，再進行歸一化之后得到指標矩陣B=（xij）m×n，式（3）為文中依據(jù)的Min-Max標準化計算公式;式（4）為歸一化計算公式

xij=yij/mi=1yij，j=1，2，…，n

（4）

式中?y為標準化后數(shù)值;b為某一屬性原始值;Amin為某一屬性最小值;Amax為某一屬性最大值;xij為歸一化后數(shù)值。

其次，以得到的指標矩陣B為基礎(chǔ)計算各指標權(quán)重Wj，從而得到加權(quán)規(guī)范化指標矩陣C.加權(quán)規(guī)范化指標矩陣C的表達式如下所示

為保證指標權(quán)重的科學(xué)性和合理性，文中選用熵權(quán)法計算指標權(quán)重。其具體計算公式如下

式中?Wj為計算指標的熵權(quán);Hj為計算指標的熵值;k為玻爾茲曼常數(shù);xij為第j個指標下的第i個標準化、歸一化后的數(shù)值。

在計算貼近度時，取某一項指標的最大值為正理想點v+j，最小值為負理想點v-j。由此計算某一項目與所有正負理想點的相對距離S+i和S-i，進而計算出貼近度Si.計算公式如下[25]

式中?vij為第i個項目的第j項參數(shù)加權(quán)標準化后的數(shù)值;Si為貼近度，貼近度越大表示越接近理想狀態(tài)。

Si越大表示該基本事件對頂上事件即中毒窒息事故越關(guān)鍵。最后，以Si為基準評估基本事件對中毒窒息事故的關(guān)鍵程度。

2?實例分析

2.1?結(jié)構(gòu)重要度分析

簡化圖1中的事故樹得6個事故樹的最小徑集，分別為：{X1}、{X2}、{X3，X4}、{X10，X11}、{X5，X6，X7，X12}和{X5，X6，X8，X9，X13}，采用式（1）計算得到基本事件的結(jié)構(gòu)重要度并匯總于表4.

由表4可知，各基本事件結(jié)構(gòu)重要度排序為X8=X9=X13

2.2?風(fēng)險矩陣法評估

依據(jù)風(fēng)險矩陣法評分原則對中毒窒息事故樹基本事件進行分析，得到X9，和X13 2個一般風(fēng)險因素，X1，X2，X4，X5，X6，X7，X8，X10，X11和X12 10個中等風(fēng)險因素，以及X31個重大風(fēng)險因素。各基本事件風(fēng)險評估結(jié)果見表5.為更直觀地表示風(fēng)險矩陣分析結(jié)果，文中將表5中的數(shù)據(jù)同時以圖譜的形式展示于圖3中。

由表5可知，風(fēng)險矩陣法分析發(fā)現(xiàn)13個風(fēng)險因素的風(fēng)險等級排序為X13

2.3?事故樹-風(fēng)險矩陣法結(jié)構(gòu)風(fēng)險貼近度分析

2.3.1?建立指標矩陣

根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度和風(fēng)險概率2個指標和13個基本事件建立初始矩陣A=（bij）13×2，因為指標本身已經(jīng)正向化，故由式（3）、式（4）再對初始矩陣進行標準化和歸一化后，得到指標矩陣B為

2.3.2?熵權(quán)法計算指標權(quán)重

分別取指標矩陣

B每一列上的元素，由式（6）計算得到結(jié)構(gòu)重要度I和風(fēng)險概率P的熵值H1（0.79）、H2（0.87）;進一步通過式（5）計算得出熵權(quán)W1（0.6）和W2（0.4）。最后得到的加權(quán)規(guī)范化指標矩陣C為

2.3.3?TOPSIS法計算結(jié)構(gòu)風(fēng)險貼近度

由加權(quán)規(guī)范化指標矩陣

C看出文中結(jié)構(gòu)重要度指標的正理想點v+j為0.138，負理想點v-j為0;風(fēng)險概率指標正理想點v+j為0.074，負理想點v-ij為0.分別取加權(quán)規(guī)范化矩陣

C每一行上的所有元素，由式（7）、式（8）和式（9）計算得各基本事件結(jié)構(gòu)風(fēng)險貼近度。各基本事件貼近度見表6，排序結(jié)果如圖4所示。

由表6可知，基本事件的結(jié)構(gòu)風(fēng)險貼近度大小排序為X9

2.4結(jié)果對比分析及預(yù)防措施

為了驗證事故樹-風(fēng)險矩陣法評估結(jié)果的合理性，選用斯皮爾曼相關(guān)性分析計算事故樹-風(fēng)險矩陣法、事故樹法、風(fēng)險矩陣法分析結(jié)果的相關(guān)系數(shù)，斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)計算公式如下所示[26]。

式中?N為數(shù)據(jù)個數(shù);di為第i條數(shù)據(jù)的2個變量排序之差。文中選用SPSS軟件計算斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)，計算結(jié)果見表7.

由表7可以看出，結(jié)構(gòu)風(fēng)險貼近度與風(fēng)險等級、結(jié)構(gòu)重要度的評價結(jié)果相關(guān)系數(shù)分別為0.556和0.884，分別在0.05水平和0.01水平上呈顯著相關(guān)，證明了事故樹-風(fēng)險矩陣法的可靠性;由于本例中結(jié)構(gòu)重要度指標的權(quán)重更大，所以相關(guān)性系數(shù)也更高;而風(fēng)險等級與結(jié)構(gòu)重要度不具有顯著相關(guān)度，這是由于結(jié)構(gòu)重要度由事故樹本身得到，而風(fēng)險等級從生產(chǎn)系統(tǒng)上考慮，兩者分析角度不同，故分析結(jié)果存在差異。

為便于比較，分別將事故樹-風(fēng)險矩陣法、事故樹分析法和風(fēng)險矩陣法3種方法對各基本事件關(guān)鍵程度的評估結(jié)果標準化后同時繪制于圖5中。

由圖5可以看出，結(jié)構(gòu)風(fēng)險貼近度的數(shù)值結(jié)果與另外2種方法的結(jié)果趨勢上一致，說明了事故樹-風(fēng)險矩陣法的合理性。相對于事故樹結(jié)構(gòu)重要度排序，區(qū)分了4組結(jié)構(gòu)重要度相同的基本事件的關(guān)鍵程度。相對于風(fēng)險矩陣法風(fēng)險等級排序;區(qū)分了2組風(fēng)險等級分值相同的基本事件，說明了通過事故樹-風(fēng)險矩陣法對基本事件的排序具有更好的準確性和區(qū)分度。

事故樹-風(fēng)險矩陣法的評估結(jié)果顯示在中毒窒息事故樹中基本事件X2，X1，X3和X11的關(guān)鍵程度最高。針對X2通風(fēng)機故障或通風(fēng)能力不足的問題，應(yīng)定期檢查風(fēng)機供壓情況，對出現(xiàn)的破損漏風(fēng)情況要及時予以治理;針對X1氣體檢測裝置失效的問題，應(yīng)定期檢查關(guān)鍵位置的檢測裝置和報警裝置，出現(xiàn)異常時及時上報技術(shù)人員和安全人員處理;針對X3未佩戴或未正確佩戴防護用具，建議定期進行防護用具的使用教學(xué)和安全教育;針對X11作業(yè)方式不合理，應(yīng)制定完善的作業(yè)路線和標準化作業(yè)內(nèi)容，并切實落實至日常工作中。

3?結(jié)?論

1）運用事故樹法對熱電廠脫硫工藝中毒窒息事故進行了分析，得到3個中間事件和13個基本事件，對基本事件結(jié)構(gòu)的分析表明，“氣體檢測裝置失效”、“通風(fēng)機故障或通風(fēng)能力不足”具有最高的結(jié)構(gòu)重要度，“未佩戴或未正確佩戴防護用具”、“作業(yè)方式不合理”等因素次之。因此，應(yīng)定期檢查風(fēng)機供壓情況，出現(xiàn)的破損漏風(fēng)的事件時要及時處理。

2）運用風(fēng)險矩陣法對事故樹基本事件進行了分析，研究表明“未佩戴或未正確佩戴防護用具”的風(fēng)險等級最高，其次是“防護用具過期或質(zhì)量不合格”，而“儲罐接口處泄露”等的風(fēng)險等級相對較低。因此，需定期對員工進行防護用具使用的培訓(xùn)和安全教育。

3）采用熵權(quán)法計算了事故樹-風(fēng)險矩陣法中結(jié)構(gòu)重要度和風(fēng)險概率權(quán)重，進而用TOPSIS法對各基本事件結(jié)構(gòu)風(fēng)險貼近度進行了研究，結(jié)果表明“通風(fēng)機故障或通風(fēng)能力不足”的結(jié)構(gòu)風(fēng)險貼近度最大，其次是“氣體檢測裝置失效”，“廢液池蓋板未密封”的貼近度最小。

4）采用斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)法證明了事故樹-風(fēng)險矩陣法分析結(jié)果的可靠性，相比于獨立的事故樹分析法和風(fēng)險矩陣法，結(jié)合的方法具有更高的準確性和區(qū)分度。

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