石油化工系统安全技术新进展.ppt

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1、国家安全生产监督管理总局危险化品生产系统故障预防及监控基础研究实验室化工安全教育部工程研究中心中国自动化学会故障诊断专业委员会委员张贝克张贝克 博士副教授博士副教授石油化工系统安全评价技术新进展一、系统安全评价技术综述二、HAZOP系统安全评价技术三、安全评价技术在设计中的应用四、基于SDG计算机辅助安全评价内容内容石油化工工业的特点 典型的大规模复杂系统典型的大规模复杂系统 各个部件、变量之间存在相互作用各个部件、变量之间存在相互作用 整个系统的状态由各个部件的状态确定整个系统的状态由各个部件的状态确定 系统可能状态的数量极为庞大系统可能状态的数量极为庞大 危险（偏差）借由物料流、能量流和信

2、息流危险（偏差）借由物料流、能量流和信息流进行传播，具有隐蔽性、跨区域性等特点进行传播，具有隐蔽性、跨区域性等特点 惨重案例惨重案例 1984年，美国联合碳化物公司印度博帕尔农药厂年，美国联合碳化物公司印度博帕尔农药厂45吨甲基异氰酸酯几乎全部泄漏。吨甲基异氰酸酯几乎全部泄漏。20万人中毒，万人中毒，2万人死亡。全厂被毁，遗址几十年内无法用于万人死亡。全厂被毁，遗址几十年内无法用于任何用途。任何用途。BP 2003年德州爆炸案 美国美国FBI-CSB提供视频提供视频系统事故链模型变送器失效、操作失误调节阀开度异常进料量增大塔液位过高溢出遇明火爆炸隐藏在深层的矛盾 当前安全事故频发的一个重要原因

3、是随着工当前安全事故频发的一个重要原因是随着工业规模的不断扩大，生产装置的复杂程度大业规模的不断扩大，生产装置的复杂程度大大超过了人的处理能力所产生的矛盾大超过了人的处理能力所产生的矛盾 系统安全工程是利用系统工程的原理，解决系统安全工程是利用系统工程的原理，解决系统层面的安全问题。系统层面的安全问题。 系统安全工程是解决大规模复杂系统整体安系统安全工程是解决大规模复杂系统整体安全等级的最有效的工程方法全等级的最有效的工程方法系统安全技术的作用系统安全技术分析问题是解决问题的前提和关键！一、系统安全评价技术一、系统安全评价技术系统、科学地针对生产过程进行深入、全面的隐患的挖掘、分析，为后续安全

4、设计工作提供坚实的依据。 现有安全评价技术现有安全评价技术 检查表检查表 如果如果怎么样怎么样 FMEA HAZOP RBI 世行世行 道尔道尔 危险指数危险指数 事件树事件树 故障树故障树安全评价工作的新特点安全评价工作的新特点 安全工作通过立法强制实行；安全工作通过立法强制实行； 从单个设备到工艺流程，即从从单个设备到工艺流程，即从“点点”到系统到系统 ； 安全评价覆盖装置的全生命周期；安全评价覆盖装置的全生命周期； 必须考虑操作人员的人为因素；必须考虑操作人员的人为因素； 采用计算机和人工智能技术的自动采用计算机和人工智能技术的自动安全评价。安全评价。 各国安全立法与国际标准各国安全立法

5、与国际标准 美国国家标准美国国家标准ANSI/ISA S84.01 国际标准国际标准IEC61508、IEC61882 涉及工厂设备安全的国际标准涉及工厂设备安全的国际标准IEC61511 基于可编程序逻辑控制的燃烧加热炉和锅炉安全相基于可编程序逻辑控制的燃烧加热炉和锅炉安全相关的标准关的标准FM7605 关于测量及控制设备安全的德国标准关于测量及控制设备安全的德国标准DIN19250 API标准标准 OSHA标准标准 安全生产法（中国）安全生产法（中国） 国际安全规范与标准 这些新规范和标准体现了当今科学技这些新规范和标准体现了当今科学技术的发展水平。国际标准的重要进展是对术的发展水平。国际

6、标准的重要进展是对安全的要求从定性与定量的结合，而且这安全的要求从定性与定量的结合，而且这些新标准把安全管理贯穿于装置的整个生些新标准把安全管理贯穿于装置的整个生命周期命周期。 美国政府规定：美国政府规定： 美国美国25000个重要危险化学品生个重要危险化学品生产装置每两年进行一次安全评价。产装置每两年进行一次安全评价。 由由CCPS把关，把关，36家专业评价家专业评价公司协助，一次经费公司协助，一次经费50亿美元。亿美元。安全生命周期安全生命周期 过程安全生命周期的概念将安全评价、过程安全生命周期的概念将安全评价、设计、控制和管理工作贯穿于工厂设计、设计、控制和管理工作贯穿于工厂设计、建设、

7、运行和停工全过程。强调安全是一建设、运行和停工全过程。强调安全是一项长期的时刻不能松懈的任务，也就是说项长期的时刻不能松懈的任务，也就是说对设计者而言，安全控制系统（对设计者而言，安全控制系统（SISSIS）设）设计不能一劳永逸，必须不断改进。对工厂计不能一劳永逸，必须不断改进。对工厂而言必须长期维护并定期功能评价、测试而言必须长期维护并定期功能评价、测试以防万一。以防万一。 安全评价技术的分类安全评价技术的分类 定性安全评价方法定性安全评价方法 如果怎么样 FMEA HAZOP 定量安全评价方法定量安全评价方法 RBI 世行 道尔 危险指数定性安全评价技术的特点定性安全评价技术的特点 优点优

8、点 系统性强 从机理出发，适应性强 头脑风暴对特殊问题有良好的判断能力 缺点缺点 程度区分困难 过度依赖人的经验易导致错误 对执行者的专业水平要求较高应用在对全流程全局的评价上应用在对全流程全局的评价上定量安全评价技术的特点定量安全评价技术的特点 优点优点 能够对严重度、可能性进行比较 对执行者的要求较低 缺点缺点 系统性差 基础数据很难得到，计算结果可信度差 许多基于黑箱机理的运算适应性差应用在对局部装置的评价上应用在对局部装置的评价上系统安全评价 以保障安全为目的，按照安全规范，以以保障安全为目的，按照安全规范，以科学的程序和方法，从系统的角度对工业生科学的程序和方法，从系统的角度对工业生

9、产或工程项目中潜在的危险及危险可能造成产或工程项目中潜在的危险及危险可能造成的损失进行预先识别、分析和评价，为制定的损失进行预先识别、分析和评价，为制定防灾措施和管理决策提供依据。防灾措施和管理决策提供依据。 由于安全评价在消除危险隐患方面有重由于安全评价在消除危险隐患方面有重大作用，已列入许多国家的法规及国际安全大作用，已列入许多国家的法规及国际安全标准。标准。HAZOPHAZOP方法是目前公认石油化工领域最方法是目前公认石油化工领域最为有效的方法之一。为有效的方法之一。二、二、HAZOP系统安全评价方法系统安全评价方法作为石化行业应用最广泛的安全评价方法之一，HAZOP是一套系统、结构化的

10、评价方法。国际标准国际标准 IEC 61882危险与可操作性分析（危险与可操作性分析（HAZOP分析）分析） HAZOP（Hazard and Operability Studies ）危险危险与可操作性分析与可操作性分析 HAZOP 从单个设备扩展到流程；从单个设备扩展到流程； HAZOP考虑了操作的因素；考虑了操作的因素； HAZOP是全球使用最广泛的系统安全评价方法，是全球使用最广泛的系统安全评价方法，尤其是在化工、炼油、火电和核电领域尤其是在化工、炼油、火电和核电领域点击互联网点击互联网 - - HAZOP有有2,000,000条相关信息！条相关信息！ HAZOP软件在独山子石化安全分

11、析中的应用软件在独山子石化安全分析中的应用 王朝晖 中石油新疆独山子石化公司 项目指挥部HSE管理部 HAZOP小组摘要：本文主要介绍了Isograph公司hazop+分析软件在中石油新疆独山子石化公司1000万吨/年炼油及120万吨/年乙烯项目中的应用。Hazop+具有分析流程标准化、数据库定制和支持中文汉化等优点，在独山子石化安全分析项目中起到了重要作用。HAZOP关键字工艺流量Flow温度Temperature压力Pressure物位Level分离效果Separate (settle, filter, centrifuge)成份Composition反应效果React混合效果Mix粉碎等

12、效果Reduce (grind, crush, etc.)吸收效果Absorb腐蚀Corrode磨损ErodeHAZOP关键字操作隔离Isolate排干Drain放空Vent清洗Purge巡视Inspect维护Maintain点火Ignite熄灭Quench开车Start-up停车ShutdownHAZOP分析表偏离Deviation非正常原因Cause不利后果Consequence事故剧情Scenario建议（可选）Recommendation 关键字偏导词 所有引起设计意图偏离的原因 该项偏离所造成的不利后果 现有的任何对安全有利的设备、操作规程、管理条例等 需要时还应添加哪些措施来防止事

13、故发生 人工人工HAZOPHAZOP安全评价的不足安全评价的不足人工难于处理大规模的数据、信息和计算人工难于处理大规模的数据、信息和计算人工分析大规模系统无法得到完备的结果，即人工分析大规模系统无法得到完备的结果，即使有专家参与也难免出现漏评使有专家参与也难免出现漏评口头讨论方式不严格，讨论时易出现概念混乱口头讨论方式不严格，讨论时易出现概念混乱人工评价得出的文本（说明）不规范，事后难人工评价得出的文本（说明）不规范，事后难于看懂于看懂人工评价费时、费力、成本高人工评价费时、费力、成本高 三、系统安全评价在设计中应用三、系统安全评价在设计中应用n现有装置安全与否？现有装置安全与否？潜在的关键事

14、故风险在哪里？潜在的关键事故风险在哪里？这些风险具体程度有多大？这些风险具体程度有多大？n怎么做才能使装置达到可接受的安全水平？怎么做才能使装置达到可接受的安全水平？当前的当前的DCS、ESD、SIS等保护措施起到多大等保护措施起到多大的作用？的作用？为了让风险降至可接受的水平，应该如何改进为了让风险降至可接受的水平，应该如何改进保护措施？保护措施？安全防护设备的作用系统安全评价流程的目的与方法风险定义目的：定义可接受风险水平工具：风险矩阵风险辨识目的：识别系统中所有潜在可能的事故剧情（事件链）工具：HAZOP防护层设计目的：分析施加了保护措施后，事故剧情发生的风险降低程度，即防护层作用工具：

15、LOPA结论审查目的：审查所有不可接受的风险是否都已经受到有效防护工具：人工安全评价流程的循环性风险定义风险辨识防护层分析结论审查风险定义目的：定义可接受风险水平工具：风险矩阵风险辨识目的：识别系统中所有潜在可能的事故剧情（事件链）工具：HAZOP防护层设计目的：分析施加了保护措施后，事故剧情发生的风险降低程度，即防护层作用工具：LOPA结论审查目的：审查所有不可接受的风险是否都已经受到有效防护工具：人工风险定义举例： 风险概率风险概率后果后果风险矩阵举例： 后果后果 概率概率IIIIIIIVVI无危害可接受可接受待审查待审查II可接受可接受待审查待审查待审查III可接受待审查待审查待审查不可

16、接受IV待审查待审查待审查不可接受不可接受V待审查待审查不可接受不可接受不可接受风险定义目的：定义可接受风险水平工具：风险矩阵风险辨识目的：识别系统中所有潜在可能的事故剧情（事件链）工具：HAZOP防护层设计目的：分析施加了保护措施后，事故剧情发生的风险降低程度，即防护层作用工具：LOPA结论审查目的：审查所有不可接受的风险是否都已经受到有效防护工具：人工风险辨识HAZID 采用系统分析方法对所有潜在可能采用系统分析方法对所有潜在可能 的风险进的风险进行识别和列举行识别和列举 可以采用的方法包括可以采用的方法包括FTA、FMEA、HAZOP等等 。风险辨识HAZID举例风险定义目的：定义可接受

17、风险水平工具：风险矩阵风险辨识目的：识别系统中所有潜在可能的事故剧情（事件链）工具：HAZOP防护层设计目的：分析施加了保护措施后，事故剧情发生的风险降低程度，即防护层作用工具：LOPA结论审查目的：审查所有不可接受的风险是否都已经受到有效防护工具：人工防护层设计LOPALOPA根据根据HAZOP所辨识的完备的事故列表，通过所辨识的完备的事故列表，通过半定量风险评估方法，一方面确定现有的安全措施半定量风险评估方法，一方面确定现有的安全措施是否合适，另一方面确定如何增加新的安全措施。是否合适，另一方面确定如何增加新的安全措施。 LOPALOPA计算原理小结四、基于四、基于SDG计算机辅助计算机辅

18、助HAZOP利用计算机智能推理技术减轻人工HAZOP的劳动强度、加快分析速度、提高完备性以及对评价结论进行有效管理。 什么是什么是 SDG SDG ？ SDG（ Signed Directed Graphs）符号有向）符号有向图定性因果模型图定性因果模型 定性推理是基础理论定性推理是基础理论 又是求解方法论又是求解方法论 又称基于深层知识模又称基于深层知识模 型的人工智能技术型的人工智能技术65t/h锅炉SDG故障诊断模型SDG在人工智能技术中的地位在人工智能技术中的地位1. 基于历史数据的专家系统基于历史数据的专家系统 定性方法（规则、知识库）定性方法（规则、知识库） 定量方法（神经网络）定

19、量方法（神经网络）2. 基于模型的深层知识专家系统基于模型的深层知识专家系统 定性方法（定性方法（SDG、定性推理、定性推理） 定量方法（代数、微分方程）定量方法（代数、微分方程）3. 规则与模型相结合的专家系统规则与模型相结合的专家系统SDG法和各主要安全评价方法的关系 各主要评价方法各主要评价方法 SDG方法方法1 如果如果 - 怎麽样？法怎麽样？法 提供建模及阈值信息提供建模及阈值信息2 如果如果 - 怎麽样？相关表法怎麽样？相关表法 直接提供建模信息直接提供建模信息3 检查表法检查表法 提供建模及阈值信息提供建模及阈值信息4 HAZOP法法 SDG法正向推理得到的法正向推理得到的 相容

20、通路结果相容通路结果 5 原因原因 后果分析法（后果分析法（CEA） 同上同上 6 故障类型和影响分析法（故障类型和影响分析法（FMEA） 同上同上7 事件树法（事件树法（ETA） 即即SDG法的相容有根树法的相容有根树8 故障树法（故障树法（FTA） 以以SDG为前提，将事件为前提，将事件 树转换为故障树树转换为故障树9 动态仿真法动态仿真法 为为SDG的建模、试验及的建模、试验及 阈值修正提供全面支持阈值修正提供全面支持10 各种故障诊断方法各种故障诊断方法 SDG的反向推理结果是的反向推理结果是 各种故障诊断的判据标准各种故障诊断的判据标准基于基于SDG人工智能技术的人工智能技术的 计算

21、机自动计算机自动HAZOP安全评价原理安全评价原理1、对系统进行定性建模（、对系统进行定性建模（SDG) )2、实施计算机定性推理、实施计算机定性推理 评价原理和人工安全评价完全相同。评价原理和人工安全评价完全相同。遵照国际标准遵照国际标准IEC61882。 计算机自动安全评价的步骤自动完成推理分析速度的高效性SDGSDG高速引擎推理试验高速引擎推理试验 自动自动HAZOPHAZOP与人工的比较与人工的比较计算机辅助计算机辅助HAZOP分析和人工分析和人工HAZOP分析相比，分析相比，主要有以下几个方面的优点：主要有以下几个方面的优点： 1、系统性好、完备性高、系统性好、完备性高 2、推理深度

22、深，解决全流程问题、推理深度深，解决全流程问题 3、效率高，可快速重复，时间、人工和费用省、效率高，可快速重复，时间、人工和费用省 4、事故剧情自解释、事故剧情自解释 5、结果表达标准化使知识传承得以保证、结果表达标准化使知识传承得以保证国产国产SDG-HAZOP-CAD软件平台软件平台?V201回流罐液位?FT2002?T201苯塔回流量?FV2002?T201苯塔回流流量调节阀?R?E102进料苯流量?C?T201苯塔顶气体出口流量?E202塔顶冷凝器出口液相苯流量?E202苯塔顶冷凝器换热量?E202冷凝器凝液进口流量?E202塔顶冷凝器换热效率?R?LV2004?E202凝水液位调节阀

23、?E202苯塔顶冷凝器水液位?R?T201苯塔塔顶压力?PV2003?T201苯塔压力调节阀?苯塔顶冷凝器蒸汽出口流量?R?T201苯塔塔釜液位?FV2003?T201苯塔塔釡流量调节阀?T201苯塔塔釜采出流量?R?T201苯塔塔温?PV2001?E201再沸器蒸汽流量调节阀?FV2001?E201再沸器入口蒸汽流量?E201再沸器换热量?E201再沸器换热效率?R?T201苯塔塔釡蒸发量?R?T201苯塔提馏段气相负荷?T201苯塔液泛?T201苯塔雾沫夹带?T201苯塔提馏段液相负荷?T201苯塔塔板效率?T201苯塔液流分布?C?T201苯塔釡液苯含量?T201苯塔精馏段气相负荷?T2

24、01苯塔精馏段液相负荷?T201苯塔塔顶气体乙苯含量?E202塔顶冷凝器被冷凝气相量?FV2006?R201白土处理器出口流量调节阀?罐区补充苯流量?烷基化液进料量?烷基转移进料量?T201苯塔侧线采出量?R?T201苯塔气相返混?T201苯塔负荷?T201苯塔漏液?LDT-2006?V201回流罐分水包污水界位?T201苯塔回流含水量?T201进料含水量?R?C?T201苯塔塔釜出料含水量?E102进料含水量?T201苯塔侧线采出物料含水量?C?C?C?R?R?V201回流罐排污水流量?C?T201苯塔塔顶出料流量?C?C?R?R?C?R?R?R应用情况 辽阳石化辽阳石化 齐鲁石化齐鲁石化

25、扬子扬子-巴斯夫巴斯夫 神华煤直接液化神华煤直接液化 哈尔滨炼油厂哈尔滨炼油厂 上海金山上海金山PTA SDG技术的应用举例 1. SDG辅助辅助HAZOP（安全分析与评价）（安全分析与评价） 2. 在线安全信息系统（在线安全信息系统（SDG多故障诊断）多故障诊断） 3. 推理生产指导信息系统（生产在线推理生产指导信息系统（生产在线 SDG分析）分析） 4. 推理优化（基于推理优化（基于SDG的优化指标分析）的优化指标分析） 5. SDG数据深层挖掘（智能数据深层挖掘（智能“黑匣子黑匣子”） 6. SDG推理自训练自适应神经网络法推理自训练自适应神经网络法 7. SDG自动生成故障树自动生成故障树 8. SDG智能推理自解释仿真训练系统智能推理自解释仿真训练系统 9. SDG智能自解释报警系统智能自解释报警系统 10. SDG最优传感器分布最优传感器分布 11. SDG几何图像识别几何图像识别 12. SDG生产过程定性跟踪生产过程定性跟踪 13. SDG定性判据控制（推理超驰）定性判据控制（推理超驰） 14. SDG辅助设计（案例试验、本质安全、自动评价）辅助设计（案例试验、本质安全、自动评价）欢迎批评指正！欢迎批评指正！