基于符号定向图的HAZOP对间歇作业过程的分析

安全、 健 康和
环境
风险评价
基于符号定向图的 Ｈ ＡＺ Ｏ Ｐ 对间歇作业过程的分析
许兰娟 张贝克 马 昕 吴重光 （ 北 京 化 工 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 ， 北 京 １０００２９）
摘 要 阐述了基于符号定向图的危险及可 操作性研究（ＳＤＧ－ ＨＡＺＯＰ）方 法 对 一 个 煤 制 油 流 程的除灰工序进行建模和分析的全过程， 并根据 分析结果指出了现有方法的一些优点和不足。
Ｒ
Ｃ
Ｃ
进 入 Ｓ１ 的 合 成 气 温 度
Ｔ－ ０４
Ｔ－ ０６
Ｖ１ 温 度 Ｓ１ 出 口 合 成 气 温 度
Ｒ
Ｐ－ １
Ｔ－ ０７
Ｐ－ ２
Ｖ１ 压 力
Ｖ２ 温 度
Ｃ
Ｃ
Ｐｄ－ ０２
Ｃ
Ｒ
Ｓ１ 滤 芯 两 端 压 差 Ｒ
Ｓ１ 滤 芯 状 况
Ｖ２ 压 力 Ｃ
Ｒ
Ｓ１ 的 进 气 量
Ｃ Ｒ
Ｓ１ 出 口 气 体 飞 灰 含 量
传 统 的 ＨＡＺＯＰ 分 析 主 要 依 靠 人 工 完 成 ， 然 而 ， 由 于 人 工 ＨＡＺＯＰ 分 析 存 在 费 时 、费 力 、成 本 高及分析结果不完备等缺点， 近年来计算机辅助 进 行 ＨＡＺＯＰ 成 为 安 全 分 析 领 域 的 研 究 热 点 之 一 。 众 多 学 者 通 过 研 究 提 出 了 多 种 自 动 化 ＨＡ－ ＺＯＰ 方 法 ， 并 开 发 出 了 相 应 的 软 件 ， 如 ＨＡＺＯＰ Ｍａｎａｇｅｒ、ＨＡＺＯＰ＋ 等 等 。本 文 使 用 由 北 京 化 工 大 学 计 算 机 模 拟 与 安 全 工 程 中 心 开 发 的 ＳＤＧ－ ＨＡ－ ＺＯＰ 软 件 对 某 公 司 煤 制 油 流 程 的 干 灰 脱 除 工 序 进行了建模和分析， 取得了较好的效果。
ａ） 上 游 换 热 器 出 口 阀 误 开 大 —＞ Ｓ１ 进 气 量 过大 —＞ Ｑ－ １ 过高；
ｂ） 气化炉煤粉燃烧不充分 —＞ 进入 Ｓ１ 的合 成气飞灰含量高 —＞ Ｑ－ １ 过高；
ｃ） 压差过大或维护操作不 当 ， 损 坏 滤 芯—＞ 过滤效果差 —＞ Ｑ－ １ 过高；
４ 结语与讨论 由 以 上 的 模 型 图 和 ＨＡＺＯＰ 分 析 结 果 可 以 看
该过程中的两个 主 要 设 备 Ｖ１ 为 半 间 歇 操 作 （ 连续进料， 间歇出料） ， Ｖ２ 为间歇操作。具体操作 过程如下：
初始状态： ＸＶ－ ４／６／７ 关闭， ＸＶ－ ２／３／８／９ 打开。 ＬＳ－ ０４ 为 Ｈ （ 高料位） 或计时器时间被启动 后， 进入步骤 １。 步骤 １： 关闭 ＸＶ－ ２／３／８／９， 打开卸压管线为 Ｖ２ 卸压。 步 骤 ２： 当 ＰＩＳ－ ０６ 为 ＬＬＬ （ 最 低 压 力 下 限） 时 ， 开 ＸＶ－ ７／６， 将 Ｖ２ 中 的 飞 灰 输 送 到 下 一 个 设 备。
２ 符号定向图（ Ｓ ＤＧ） 建模 符 号 定 向 图 ［２］是 在 有 向 图 的 基 础 上 ， 对 节 点
与支路作进一步的符号定义所形成的图， 称之 为 ＳＤＧ 图（ Ｓｉｇｎｅｄ Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｇｒａｐｈ） ， 其 本 质 是 通 过 对 ＳＤＧ 图 中 节 点 和 支 路 进 行 符 号 化 的 定 义 ， 使节点和支路能够代表实际物理意义， 用于表 达复杂的因果关系， 并且包容大规模潜在的信 息。
Ｐ－ １ Ｒ
Ｖ１ 物 位 Ｃ
Ｃ Ｒ
Ｖ１ 出 口 飞 灰 流 量
Ｖ２ 物 位
Ｖ２ 出 口 飞 灰 流 量
图 ２ 除灰工序 ＳＤＧ 模型
３ ＨＡＺＯＰ 推理 对图 ２ 中的 ＳＤＧ 模型进行推理， 就可以得到
完 整 的 ＨＡＺＯＰ 分 析 结 果 ， 这 些 结 果 以 字 段 的 形 式 保 存 在 Ａｃｃｅｓｓ 数 据 库 中 ， 若 有 需 要 ， 可 以 随 时 进行查询。以该工序的关键变量 Ｑ－ １（ Ｓ－ １ 出口飞 灰含量） 为 例 ， 设 置 其 发 生 正 偏 差 ， 即 出 口 合 成 气 飞灰含量高于设计值， 计算机自动推理， 得到如下 ３ 条危险传播路径：
基 于 ＳＤＧ 模 型 的 安 全 评 价 与 故 障 诊 断 方 法 是 安 全 分 析 技 术 的 一 个 重 要 领 域 。 ＳＤＧ 方 法 用 节点和支路把复杂系统描述成定性网络模型， 利用推理搜索相容通路， 寻找出故障源或推测
出 可 能 的 不 利 后 果 。近 年 来 ， ＳＤＧ 安 全 评 价 与 故 障诊断方法在过程工业安全领域取得了较好的 应用效果， 已成为安全技术领域的核心技术之 一。
本文所使用的 ＳＤＧ－ ＨＡＺＯＰ 软件中， 将 ＳＤＧ 节点映射到某一物理量， 用节点代表的 ３ 种状态 （ ３ 级 ＳＤＧ） 描 述 该 物 理 量 超 出 上 限 、超 出 下 限 和 处于正常三种状态； 用支路来映射该物理量与其 它相关变量之间的关系， 实线代表两个变量间存 在增量关系， 虚线代表两个变量间存在减量关系， 没有支路代表两个变量间不存在直接的联系。通 过这种描述， 将一个复杂系统中的各个变量之间 的影响关系用有向图的方式记录下来， 称之为 ＳＤＧ 模型。
关 键 词 间 歇 过 程 ＨＡＺＯＰ 煤 制 油 干 灰 脱除 安全评价
危 险 与 可 操 作 性 研 究（ ＨＡＺＯＰ） ［１］是 查 明 生 产过程中工艺参数及操作控制中可能出现的偏 差 ， 针 对 这 些 偏 差 ， 找 出 原 因 、分 析 后 果 、提 出 对 策 的 一 种 分 析 方 法 。化 工 生 产 中 ， 工 艺 参 数 的 控 制非常重要， 因此这种方法特别适用于化工装 置设计审查和运行过程中危险性分析。
出， 该方法建模过程简单， 只要对建模思路稍加讲 解， 就可以使熟悉工艺的现场人员参与到安全评 价中来， 从而大大提高模型的精确性和可信度， 同 时又可以节省评价费用。模型建成后， ＨＡＺＯＰ 推 理过程完全由计算机自动实现， 根据模型的复杂 程度， 推理过程所消耗的时间由几秒到几分钟不 等 ， 这 与 人 工 ＨＡＺＯＰ 分 析 相 比 大 大 减 少 了 人 力 和时间的消耗。
实践［３］证明， 使用 ＳＤＧ－ ＨＡＺＯＰ 方法可以很好 的完成连续过程的安全评价。然而， 该方法在间歇 过程 ＨＡＺＯＰ 分析方面还存在一些不足之处：
ａ） 从 图 ２ 可 以 看 出 ， 使 用 ＳＤＧ 方 法 对 间 歇 过 程 进 行 建 模 ， 得 到 的 模 型 是 分 散 的 。这 是 由 于 在间歇过程中， 设备的进料和出料都是间歇操 作， 假如容器 Ａ 进料流量过大导致 Ａ 液位过高 溢出， 但此时 Ａ 的出料阀门是关闭的， 因此 Ａ 溢 出并不会影响下一个设备， 也就是说危险在间 歇 操 作 的 过 程 中 被 截 断 了 。 ＳＤＧ 的 优 点 就 在 于 它能很好地表达出故障的传播过程， 而这样分 散 的 ＳＤＧ 图 虽 然 仍 能 表 达 出 过 程 的 特 性 ， 也 能 得 到 正 确 的 推 理 结 果 ， 却 无 法 很 好 的 发 挥 ＳＤＧ 的作用。
收稿日期： ２００７－ ０９－ １７ 作者简介： 许兰娟， 硕士研究生， 主要研究方向 为系统安全工程。
４０ ２００８ 年第 ８ 卷第 ３ 期
许 兰 娟 ， 等．基 于 符 号 定 向 图 的 ＨＡＺＯＰ 对 间 歇 作 业 过 程 的 分 析
风险评价
步 骤 ３： 当 ＬＳ－ ０３ 为 Ｌ （ 料 位 下 限） 时 ， 关 ＸＶ－ ６／７， 开 ＸＶ－ ０４， 用高压氮气为 Ｖ２ 充压。
针对上文所述的间歇过程， 具体建模步骤如下。 ２．１ 关键变量选取
关键变量的选取从两方面进行考虑， 一个是 从工艺角度， 即该装置主要的设计意图或功能是 什么？ 这类变量称为功能点。另一个方面是从纯粹 安全的角度出发选取， 这类变量称为危险点。对该 流程进行分析可以得到以下几个关键变量。
ａ） 功能点： Ｑ－ １（ Ｓ１ 出口合成气飞灰含量） 。 ｂ） 危 险 点 ： Ｌ－ １ （ Ｖ１ 物 位） ， Ｐ－ １ （ Ｖ１ 压 力） ， Ｐ－ ２（ Ｖ２ 压力） 。 ２．２ 影响关系分析 从关键变量出发， 找出对其有直接影响关系 的各个变量即传播变量， 并列写影响关系方程。影 响 关 系 方 程 中 的“＜—”表 示 传 播 变 量 对 关 键 变 量 的影响，“－ ” 表 示 传 播 变 量 对 关 键 变 量 有 负 的 影 响 ，“ ＋”表 示 传 播 变 量 对 关 键 变 量 有 正 的 影 响 。 以 下以关键变量 Ｑ－ １、Ｌ－ １ 为例加以说明。 ａ） Ｑ－ １ ＜— － Ｓ１ 滤 芯 状 况 ＋ Ｓ１ 入 口 合 成 气 含尘浓度 ＋ 进入 Ｓ１ 的粗合成气流量； ｂ） Ｌ－ １ ＜— ＋ 进入 Ｓ１ 的合成气流量 － Ｖ１ 排 放到 Ｖ２ 的飞灰流量 ＋ 粗合成气含尘浓度。 ２．３ 列写非正常原因 找出所有可能导致变量产生偏差的非正常原因。 ２．３．１ 设备失效 Ｓ１： 陶 瓷 管 磨 损 、腐 蚀 、断 裂 ； 陶 瓷 孔 堵 塞 ； 复 合 板 支 撑 环 扭 曲 、断 裂 、错 位 ； Ｖ１， Ｖ２： 罐体磨损、腐蚀破裂； 法兰泄漏； 底部 锥体飞灰架 桥 ； 伴 热 温 度 过 低 ， 导 致 飞 灰 结 块 、堵
ＰＩＳ－ ０６ＸＶ－ ３
ＸＶ－ ０４
高压氮气
飞灰 储罐 Ｖ２
ＬＳ－ ０４ Ｈ
ＬＳ－ ０３
Ｌ
ＸＶ－ ６ ＸＶ－ ７
图 １ 飞灰脱除流程 步骤 ５： 当 ＰＪＩＳ－ ０８ 为 ＮＨ（ 压力不高） 或 ＮＬ（ 压 力不低） 时（此时 Ｖ２ 于 Ｖ１ 压力基本相同）， 开 ＸＶ－ ３ ／ＸＶ－ ２， １０ ｓ 后开 ＸＶ－ ８／９， 系统回到初始状态。
步骤 ４： 当 ＰＪＩＳ－ ０８ 为 Ｈ（ 压力高限） 时（ 即 Ｖ２ 压 力稍高于 Ｖ１） ， 关 ＸＶ－ ４， 打开 ＸＶ－ １０， 为 Ｖ２ 和 Ｖ１ 均 压。