一种化学品工艺流程系统管道设备本质安全评估方法与流程

本发明属于流程工艺安全评估，具体而言，本发明涉及一种化学品工艺流程系统管道设备本质安全评估方法。

背景技术：

1、工业生产中的流程工艺安全性是一个重要的问题，在过去几十年中，发生了许多涉及化学品的事故，其中包括爆炸、泄漏、火灾等。这些事故对人类、环境和经济都造成了巨大的影响。因此，业内人员需要一种先进的风险应对策略来提高安全性水平。作为风险应对策略中的本质安全策略是十分重要的。本质安全是指在设计和操作过程中，通过最大限度地减少危险物质的数量和危险程度，从而降低事故发生的可能性和影响。本质安全策略的实施能够在很大程度上提高生产过程的安全性。

2、本质安全策略主要与工艺生命周期的早期阶段有关。但本质安全本身却具有一定的量化难度，在此方面国外许多学者都进行了相关研究。现阶段本质安全的量化方法主要分成5类：1.基于参数的得分索引；2.基于参数的数值索引；3.图示法；4.基于风险分析；5.基于多目标评价的方法。不同类型的方法具有不同的侧重点。

3、首先，安全性指标不完善是本质安全评价方法面临的一个主要问题。目前的评价方法主要关注于风险评估，但缺乏对安全性措施的量化指标体系，这使得评估过程难以确定是否达到本质安全的标准。其次，数据和信息不足也是评价过程中的一大挑战。由于涉及商业机密、专利技术等因素，很多企业不愿意公开关键数据，这使得评估者在获取必要的信息时遇到很大困难。第三，评估结果难以量化也是一项需要解决的问题。现有的评估方法受到经验和主观因素的影响较大，导致评估结果难以量化，客观性和准确性受到了限制。最后，现有的评估方法往往只关注单一风险源或单一措施，缺乏综合考虑不同因素对安全性的影响。因此，需要发展更加综合、系统的本质安全评价方法，以确保工业生产过程的安全性。

4、总之，现有的本质安全评价方法仍存在很多局限性，需要在原有方法的基础上持续改进和完善，以提高其适用性和准确性，为化学品行业的安全管理提供更好的支持。同时目前的评价方法还存在无法量化单个工艺的本质安全程度的问题。虽然许多方法可以比较多个工艺路线的本质安全性，但很少有方法可以对单个工艺进行深入的评估。

5、中国专利文献cn113515720a(202110599750.5)公开了一种危险化学品企业重大安全风险辨识与评估方法。包括以车间划分危险单元，在危险单元内确定风险点；危险化学品企业按照相对独立的工艺装置、储罐区、仓库划分风险单元；按照划分的风险单元，形成安全评估单元清单；从高风险物品、高风险工艺、高风险设备、高风险场所、高风险作业辨识高危风险因子；按照风险单元、风险点编制风险单元的高危风险因子固有风险指标、动态风险指标；风险点典型事故风险的固有危险评价；单元现实安全风险评估；企业内各单元风险的聚合和区域内各企业风险的聚合。上述方法虽然有利于危险化学品企业风险实施动态管控、持续改进，也有利于政府部门对危险化学品企业的风险实施分级、分类集约化监管，但并不是基于系统实际运行中的参数进行计算，最终相关固有风险点的计算结果均基于审查表(类似于hazop)中的定性判断，主观因素较强。同时该方法目标范围较大，方案中划分的单元即代表某一化工系统，对系统本质安全设计并不具有指导作用。

6、中国专利文献cn113283070a(202110550083.1)公开了一种工艺过程本质安全智能诊断方法及系统，其方法包括：获取目标工艺的工艺流程，对所述工艺流程进行安全评估，获取安全性评估结果，获取用户对于目标工艺的安全管理流程，对安全管理流程进行诊断，获取管理可靠性诊断结果，检测目标工艺所需工艺设备的当前设备参数，根据当前设备参数获取目标工艺对应的运行介质诊断结果，模拟目标工艺在发生故障时的工作过程，获取模拟结果，根据模拟结果确认目标工艺的实施可靠性诊断结果，根据目标工艺的多个诊断结果评估出目标工艺在工作过程中的本质安全指数，以将多个方面的影响因子考虑在内来综合评估出目标工艺在工作过程中的本质安全指数，保证了评估数据的准确性和实际性，提高了安全性。但是上述方案所介绍方法并没有将重点放在单元结构上，最终计算出的本质安全指数仅能反应系统的整体水平，无法对工艺单一的工艺流程进行评价。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种化学品工艺流程系统管道设备本质安全评估方法，本发明针对系统中存在的潜在危险和风险，通过综合考虑各种指标和因素，量化分析系统内部管道和设备的风险程度，从而提高系统的安全性和稳定性。传统的安全评估方法通常只考虑单一因素或单一部位，评估结果不够全面准确，容易忽略系统中的潜在危险和风险。而本发明所述方法综合考虑多种因素，本发明重点关注于单一系统中不同结构的本质安全水平，最终计算所得的本质安全指数和风险水平会落到系统中的每个单元结构中，能够全面评估系统中可能存在的安全隐患和潜在风险，有助于制定有效的安全措施和应急预案，保障生产过程的正常运行。

2、本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种化学品工艺流程系统管道设备本质安全评估方法，包括以下步骤：

3、s1、根据影响管道危险性的因素有压力、温度、密度、粘度、热值和可燃性，求取过程物流特征指数(process stream characteristic index，缩写为psci)，用于评估不同管道的相对危险性；

4、过程物流特征指数psci是一个包含上述6种因素的函数，具体函数表达式如下：

5、psci＝f(压力，温度，密度，粘度，热值，可燃性)(1)

6、根据影响设备的危险性的因素有设备之间的距离、设备自身的性质和设备的失效率，利用设备类型、点火源类型和库存量表征设备性质，求取过程设备本质安全指数(inherent safetyintra-equipment index，缩写为iaei)，用于评估不同设备的相对危险性；

7、过程设备本质安全指数iaei是一个包含上述3种因素的函数，具体函数表达式如下：

8、iaei＝f(距离，性质，失效率)  (2)

9、s2、基于过程物流特征指数psci和过程设备本质安全指数iaei的大小评估出关键管道和关键设备；

10、s3、计算关键管道和关键设备的事故后果等级

11、当关键管道发生损坏而导致喷射火时，利用火灾的辐射强度评估事故后果等级；

12、当关键设备发生损坏而导致爆炸时，利用爆炸超压强度评估事故后果等级；泄漏只能算是一种导致事故发生之前的一种初始事件，并不能算作事故，本方案重点关注爆炸和喷射火两种；

13、s4、计算关键管道和关键设备的事故发生概率及事故概率等级

14、根据管道和设备的事故数据，通过事件树分析(event tree analysis，简称eta)的方法来计算管道和设备事故发生的概率，进而得出事故概率等级；

15、s5、根据关键管道和关键设备的事故后果等级以及关键管道和关键设备的事故概率等级确定关键管道和关键设备的风险等级。

16、本发明的技术方案还有：步骤s2中，所述过程物流特征指数的公式为：

17、psci＝a×(ip×it×iρ×iv×ie×ifl)  (3)

18、在式(3)中，管道的压力指数为ip；温度指数为it；密度指数为iρ；粘度指数为iv；热值指数为ie；燃烧性指数为ifl；放大系数为a；

19、对于不同物流的优先级，利用相对排名的概念，通过对计算出的结果进行比较，确定物流的相对排名，具体计算公式如下：

20、

21、

22、

23、

24、

25、

26、在式(3-1)-(3-6)中，单个物流的压力、单个物流的温度、单个物流的密度、单个物流的热度采用测量和计算的方式得到，单个物流的燃烧范围通过确定混合物的爆炸上下限，取差值即燃烧范围，单一物质的爆炸极限具体数值查找相关的实验测定结果，上述参数的获取方法为现有技术，在此不做赘述。

27、本发明的技术方案还有：步骤s2中，所述过程设备本质安全指数的公式为：

28、iaei＝a×(id×in×ifr)  (4)

29、在式(4)中，id为设备的距离指数；in为设备的性质指数；ifr为失效率指数；放大系数为a；

30、设备的距离指数id通过参考不同种设备之间的距离设置标准，确定出与相邻设备应设置的距离，选取与周围设备应设置距离的最大值；具体计算公式如下所示：

31、

32、不同设备的之间距离的确定标准参考表1：

33、表1不同种设备之间的距离设置标准表

34、

35、

36、表1中的“中级危险泵、高危险泵、高危险反应器、中危险反应器、较危险反应器”根据实际工艺情况自行设定判定标准；

37、设备的性质指数in是一个关于设备类型、点火源类型和库存量的函数，同时与性质相关的三个因素分别对应着设备类型指数ips、点火源指数iis和库存指数iinv，具体的计算方法如下：

38、in＝ips×iis×iinv(4-2)

39、式(4-2)中，

40、

41、

42、

43、根据设备类型，将设备分为静态/非移动设备和移动设备两种类型；

44、根据点火源的类型将点火源分成摩擦产热、电火花、高温表面和明火四种类型；

45、设备类型和点火源指数，应具体情况具体分析，确定不同设备的潜在危害等级，潜在危害等级的确定参考表2：

46、表2设备性质特征的潜在危害等级

47、

48、

49、在发生事故的情况下，库存泄漏是引发事件；涉及的库存越多，事故后果就越严重；有关设备运行过程中的具体库存利用如下公式进行计算：

50、库存量＝流量×停留时间(4-2-3-1)

51、设备内部的流量参考模拟软件或现场设备实际运行中的流量数值，模拟软件为传统的化工流程模拟软件，经过调研获取不同种设备的内部物料的停留时间，具体参见表3：

52、表3设备内物料停留时间

53、

54、在初步设计阶段的话，停留时间取最大值，后续阶段停留时间根据实际情况检测确定；

55、设备自身的失效率大小与设备自身的种类和泄漏孔径的大小有关，通过对以往事故发生具体情景的统计，得到设备自身的失效率大小与设备自身的种类、泄漏孔径的大小的关系；不同种类设备在不同泄漏孔径下的失效率如表4所示：

56、表4工艺设备故障率

57、

58、

59、通过参考上表，得到流程中不同设备发生泄漏时的失效率，因此流程中每个设备的失效率使用以下公式转换为失效率指数ifr：

60、

61、本发明的技术方案还有：步骤s3中，辐射强度为管道所释放化学物质量的函数，管道发生泄漏时的不同相态物质的释放率由以下公式计算所得：

62、液体的释放率为：

63、

64、在式(5)中，ml为液体的释放率，kg/s；cd为流体的流动系数，可参考“losspreventionin the process industries，isbn：0-0408-10604-2”；ah为泄漏孔的面积，m2；ρ为管道内的物质密度，kg/m3；δp为管内与管外的压差，pa；

65、对于气相物质的泄漏，如果管内和管外的压力比值在0.5～0.9之间，则泄漏处于阻塞条件下，反之亦然；气相物质的泄漏速率由以下公式计算所得：

66、阻塞条件下，气体的释放率为：

67、

68、在式(6)中，mv为气体的释放率，kg/s；cd为流体的流动系数；ah为泄漏孔的面积，m2；γ为比热容比；ρ为管道内的物质密度，kg/m3；p为管内物质的实际压力，pa；

69、非阻塞条件下，气体的释放率为：

70、

71、在式(7)中，mv为气体的释放率，kg/s；cd为流体的流动系数；ah为泄漏孔的面积，m2；γ为比热容比；ρ为管道内的物质密度，kg/m3；p为管内物质的实际压力，pa；pamb为环境压力，pa；

72、利用辐射强度定义喷射火灾后果的程度，通过以下方程进行估计：

73、火焰高度的关系等式为：

74、

75、在式(8)中，l为火焰高度，m；d为泄漏孔直径，m；ct为物料的摩尔分数浓度；ma为空气的摩尔质量，g/mol；mf为物料的摩尔质量，g/mol；

76、辐射路径长度：

77、

78、在式(9)中，x为辐射路径长度，m；s为火焰中心距地面高度，m；r为泄漏点与火焰辐射作用点的实际距离，m；

79、点视图源因子f的计算公式为：

80、

81、在式(10)中，f为点视图源因子；x为辐射路径长度，m；

82、最终计算出辐射强度，计算公式为：

83、er＝τaηmδhcf(11)

84、在式(11)中，er为辐射强度，kw/m2；τa为大气透射率，可参考“guidelinesforchemical process quantitative risk analysis”；η为总能量转换为辐射的比例，可参考“firehazard calculations for large open hydrocarbon fires.”；m为释放率，kg/s，具体为气体的释放率mv或液体的释放率ml；δhc为物料的燃烧能量，kj/kg；f为点视图源因子；

85、表5辐射强度等级

86、

87、

88、计算所得辐射强度需转化成不同程度的后果等级，关于后果等级，划分成了六个阶段，具体数值的划分由表5所示。

89、本发明的技术方案还有：步骤s3中，爆炸超压是一个关于初始释放量、流程和环境条件的函数；释放的化学品数量取决于流程条件和设备类型，因为每个工艺设备都包含特定的库存水平；计算公式如下所示：

90、与管道相同，首先需计算设备损坏时的初始释放量，设备损坏时的初始释放量通过公式(5)-(7)进行计算；

91、然后需估算释放可燃蒸气云的可燃质量，计算公式如下：

92、

93、在式(12)中，ef代表蒸气云的可燃质量，kg；e代表设备释放的蒸气云质量，kg；co代表蒸气云中物质的实际体积百分百，％；clfl代表泄漏物质的爆炸下限浓度，％；

94、爆炸超压还取决于爆炸释放的能量和缩放距离，通过参考tnt当量法对两参数进行了计算；计算公式如下：

95、

96、

97、在式(13)、(14)中，etnt代表物质所等效的tnt质量，kg；ηex代表爆炸效率系数；ef代表蒸气云可燃质量，kg；hv代表泄漏物质的燃烧能量，j/g；hv,tnt代表tnt的燃烧能，j/g；z代表实际距离，m；代表缩放距离，m；

98、最后通过实验拟合出的非线性回归方程来计算不同位置的爆炸超压，具体的计算方程如下所示：

99、

100、在式(15)中，povr代表爆炸超压，kpa；a1，b1，c1均代表超压常数，为实验拟合参数；

101、表6爆炸超压等级

102、 爆炸超压(kpa) 后果等级 ≥138 6 69～138 5 34.5～69 4 21～34.5 3 14～21 2 7～14 1

103、爆炸超压的具体数值确定之后，爆炸超压对应的后果被划分成了6个等级，具体的数值结果由表6所示。

104、本发明的技术方案还有：步骤s4中，当管道发生事故时，发生的事故更倾向于火灾情景，而相对于设备，其事故场景更倾向于爆炸；

105、所述火灾和爆炸分别对应的事故概率f的计算公式如下所示：

106、f＝[fil×pimm,ign]+[fil×(1-pimm,ign)×(pdel,ign)×(1-pexp/g/ign)](16)

107、f＝fil×(1-pimm,ifn)×pdel,ign×pexp/g/ign(17)

108、在式(16)、(17)中，fil代表初始泄漏频率，年-1；pimm,ign代表立即点火概率；pdel,ign代表延迟点火概率；pexp/p/ipn代表爆炸概率；

109、其中公式(16)用来计算管道发生火灾的概率，公式(17)用来计算设备发生爆炸的概率，在公式(16)和(17)中，初始泄漏频率通过查阅相关设备发生泄漏的数据库来确定；

110、立即点火概率、延迟点火概率和爆炸概率则是通过公式进行计算；具体的计算公式如下所示：

111、

112、pdel,ign＝1-[(1-s2)×e-st](19)

113、

114、在式(18)-(20)中，t代表温度，℃；ait代表物质的自燃温度，℃；p代表压强，kpa；mie代表最小点火能，mj；s代表点火强度；t代表暴露时间，min；mf代表物料的泄漏速率，kg/s，具体为气体的释放率mv或液体的释放率ml；

115、表7事故概率等级

116、 事故发生概率 概率等级 <![cdata[10^-0&gt;p&gt;10^-1]]> 6 <![cdata[10^-1&gt;p&gt;10^-2]]> 5 <![cdata[10^-2&gt;p&gt;10^-3]]> 4 <![cdata[10^-3&gt;p&gt;10^-4]]> 3 <![cdata[10^-4&gt;p&gt;10^-5]]> 2 <![cdata[10^-5&gt;p&gt;10^-6]]> 1

117、最终计算出的事故概率通过查阅事故概率等级表来确定不同事故发生概率的等级，具体的如表7所示。

118、本发明的技术方案还有：步骤s5中，根据关键管道和关键设备的事故后果等级以及关键管道和关键设备的事故概率等级确定关键管道和关键设备的风险等级的具体方法为：

119、以事故后果等级作为横轴，以事故概率等级作为纵轴，或以事故后果等级作为纵轴，以事故概率等级作为横轴，建立判定矩阵表格，表格内为事故后果等级和事故概率等级的乘积，根据乘积的大小将风险等级划分为可接受、可容忍和不可接受。

120、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

121、本发明根据工艺数据和生产组分可燃性数据对关键过程单元进行识别，确定工艺过程中所涉及的关键管道和关键设备，具体的，本发明将影响管道危险性的因素与过程物流特征指数建立函数关系，计算出各管道的过程物流特征指数，用于评估不同管道的相对危险性，从而确定出关键管道。另外将影响设备的危险性的因素与过程设备本质安全指数建立函数关系，计算出各设备的过程设备本质安全指数，用于评价不同设备的相对危险性，确定出关键设备。

122、最后对关键设备和关键管道的事故后果等级和事故概率等级进行计算，基于关键设备和关键管道的事故后果等级和事故概率等级对关键管道和关键设备的风险等级进行分类，从而确定出关键管道和关键设备的风险等级，实现了对化学品工艺流程系统的本质安全评估的量化。