張素靈 林 捷 丁秋琴

（中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045）

應(yīng)用系統(tǒng)論建立石化企業(yè)成災(zāi)模型初探1

張素靈 林 捷 丁秋琴

（中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045）

大型企業(yè)的生產(chǎn)是一個有機的整體，一個企業(yè)就是一個系統(tǒng)，每一個流程又是一個子系統(tǒng)，這些生產(chǎn)流程環(huán)環(huán)相扣，形成了企業(yè)的生產(chǎn)鏈。本文正是將企業(yè)的災(zāi)害損失評估建立在這樣一個系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，提出了石化企業(yè)有向?qū)咏Y(jié)構(gòu)模型，并建立了石化企業(yè)的抗震性能分析基本框架和方法，同時以某化工廠為例進(jìn)行了具體的分析和應(yīng)用。

系統(tǒng)論 石化企業(yè) 成災(zāi)模型

前言

2008年5月12日汶川發(fā)生了8級特大地震，地震影響到成都、德陽、綿陽、廣元、雅安、眉山、阿壩等地數(shù)百家化工企業(yè)，給這些企業(yè)造成了巨大損失，有的甚至廠毀人亡。據(jù)這些化工企業(yè)統(tǒng)計，人員傷亡、設(shè)備破壞、被迫停產(chǎn)是最直接的損失。而中國化工集團(tuán)公司是汶川地震中受災(zāi)最重的央企之一（顧宗勤，2008）。如何評估這些損失，并且在生產(chǎn)建設(shè)中如何減少甚至避免這些損失成了企業(yè)減災(zāi)的重要課題。

本文基于多年來石化企業(yè)在減災(zāi)工作中探索出的經(jīng)驗，提出了有向?qū)咏Y(jié)構(gòu)模型，并將此模型用于科研實踐中，取得了很好的效果。同時該模型已在某石化廠的震害預(yù)測及防震減災(zāi)信息管理與決策系統(tǒng)建設(shè)中得到了應(yīng)用，獲中國地震局防震減災(zāi)優(yōu)秀成果三等獎。

1 石化企業(yè)的特點和震害

石油煉制是一個對生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境要求較高的物化過程，生產(chǎn)裝置一旦啟動，要求供水、供電、供風(fēng)和供氣運行正常，而且生產(chǎn)的連續(xù)性要求也很高，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會嚴(yán)重影響到上一級或下一級的繼續(xù)生產(chǎn)。

對于城市或某些建（構(gòu)）筑物的抗震可靠性分析工作，從理論上講已經(jīng)很深入了。但是如何對一個企業(yè)，尤其是像石化廠這樣一個極其特別的企業(yè)，不僅要考慮到其廠房等建筑物的抗震可靠性，更要考慮到其相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)資料及產(chǎn)品存放保管等多方面的抗震安全性。因此，對石化企業(yè)做抗震可靠性分析是目前的一個新課題，其原因如下：

（1）石化企業(yè)各裝置所處理的液、氣體大都有毒，且易燃、易爆，屬危險品，一旦發(fā)生泄漏，將造成巨大危害。

（2）石化企業(yè)工作連續(xù)性強，各車間從進(jìn)料到產(chǎn)出是一個完整的有機體，如果一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將可能影響到整個生產(chǎn)過程。

（3）石化企業(yè)的各個車間又是一個完整體系，它是由生產(chǎn)及輔助生產(chǎn)的一系列子系統(tǒng)組成的，環(huán)環(huán)相扣。

（4）預(yù)測的主體是一些化工設(shè)備，屬特種工程結(jié)構(gòu)，而這方面的震例資料遠(yuǎn)少于普通建（構(gòu)）筑物。

（5）石化企業(yè)的次生災(zāi)害嚴(yán)重。在我國近年來發(fā)生的地震中，石化企業(yè)造成的次生災(zāi)害并不像國外那么嚴(yán)重，只是在近幾年開展城市抗震可靠性分析中才意識到它的重要性，故這項工作才剛剛開展。

（6）對地震之后的次生災(zāi)害危害程度的預(yù)測、評估，不僅與震害有著直接的關(guān)系，同時與氣候、地理等許多自然因素也有著密切的關(guān)系。目前，對石化企業(yè)的地震次生災(zāi)害預(yù)測還處于探索階段，要做出相對完整、可靠的地震次生災(zāi)害預(yù)測目前還比較困難。

石化企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品及所用的原料具有特殊性和高危性，同時石化企業(yè)又有眾多的火源及易燃品。在歷次破壞性地震中，總是伴隨著火災(zāi)的發(fā)生，損失尤為嚴(yán)重。如1964年6月16日，日本新瀉發(fā)生7.5級地震，昭和石油公司發(fā)生了大火，一直燃燒了2個星期。

而石化企業(yè)另一個震害特點是伴隨有泄毒、爆炸等產(chǎn)生的次生災(zāi)害。如在1976年唐山地震中，天津漢沽化工廠由于氯氣中毒死亡3人。

另外，由于石化企業(yè)的生產(chǎn)連鎖性，一旦某一環(huán)節(jié)受損，將影響到其上游和下游的生產(chǎn)。如唐山地震使天津堿廠廠房和設(shè)備受損，導(dǎo)致停工停廠，隨之而來的是使大量不在地震區(qū)，但使用該廠產(chǎn)品的一系列工廠停產(chǎn)停工，影響波及全國。

綜上所述，地震對石化企業(yè)造成的危害主要有以下4個方面（張素靈等，2001）：

（1）地震波對生產(chǎn)設(shè)備的破壞。如爐、罐、塔及管線等設(shè)備的傾覆或松落都將造成停產(chǎn)，甚至起火燃燒。

（2）地震導(dǎo)致的“四?！保ü┧?、供電、供風(fēng)和供氣的中斷），則有可能造成因沒有冷水降溫而使?fàn)t管破裂或結(jié)焦，并導(dǎo)致設(shè)備報廢。

（3）管線出現(xiàn)裂縫，造成油氣泄漏，引燃大火。石油煉化過程中的油氣溫度很高，大都有毒，而且極易燃燒，一旦泄漏，則可能釀成大的災(zāi)難。

（4）裝置區(qū)的建（構(gòu)）筑物（如操作間、控制室、泵房、設(shè)備平臺等），一旦遭到地震破壞，極易造成儀表設(shè)備的損壞，直接影響生產(chǎn)。

2 石化企業(yè)抗震性能分析技術(shù)思路

一般來講，結(jié)構(gòu)易損性分析常采用震害經(jīng)驗統(tǒng)計的方法，利用已有的各類建（構(gòu)）筑物的震害資料對類似建（構(gòu)）筑物進(jìn)行易損性估計。對石化企業(yè)需要做抗震性能分析的包括以下 3類：①建筑物：辦公室、實驗室、泵房、車間；②構(gòu)筑物：設(shè)備平臺、煙囪、廠房、雙油線、冷卻塔、管道支架、貯池；③化工設(shè)備：加熱爐、塔類、油（氣）罐類、控冷器、泵等。

石化企業(yè)每個裝置的生產(chǎn)，都是由一系列十分復(fù)雜的物化反應(yīng)組成。首先需要分析這些裝置的生產(chǎn)流程及裝置內(nèi)的主要生產(chǎn)設(shè)備，找到其中的關(guān)鍵設(shè)備和薄弱環(huán)節(jié)，依據(jù)生產(chǎn)流程進(jìn)行分析，從而建立一個以生產(chǎn)裝置為單元的抽象分析體系。進(jìn)行分析時不僅要將各裝置、各車間作為一個整體考慮，而且還要通盤考慮石化企業(yè)的整體情況，只有這樣才能反映出該石化企業(yè)的特性（李桂青等，1992）。

據(jù)上所述，石化企業(yè)的抗震性能分析可分為以下4個步驟：

（1）仔細(xì)分析該石化企業(yè)的每個生產(chǎn)流程及全部生產(chǎn)過程，找到每個生產(chǎn)車間的關(guān)鍵設(shè)備和危險部位。

（2）通過現(xiàn)場調(diào)查和計算分析，給出各車間主要化工設(shè)備和建（構(gòu)）筑物的抗震性能評價。

（3）從系統(tǒng)的角度，以車間為單元分析其抗震性能。對于一個生產(chǎn)車間來說，其節(jié)點的可靠性由3個因素決定：本身節(jié)點的抗震可靠性；生命線系統(tǒng)的供應(yīng)保障；生產(chǎn)上游原料供應(yīng)的保證。

（4）將該石化企業(yè)作為一個整體系統(tǒng)，綜合評價其抗震性能。

在進(jìn)行石化企業(yè)的抗震性能分析時，不能只考慮單一建（構(gòu)）筑物或生產(chǎn)設(shè)施的抗震性，而應(yīng)當(dāng)在整體考慮的基礎(chǔ)上，對石化企業(yè)的各個功能區(qū)域進(jìn)行劃分，給出不同的危險等級。然后，根據(jù)其可能帶來的次生災(zāi)害的嚴(yán)重性，采取不同的抗震方法。對于危險等級較高的區(qū)域要重點監(jiān)控，采取更高等級的抗震措施，以盡量減少震后次生災(zāi)害帶來的危害和損失。

3 石化企業(yè)中各個單體的抗震性能評價

對應(yīng)于石化企業(yè)的震害特點，建（構(gòu)）筑物及設(shè)備（結(jié)構(gòu)單體）的抗震性能分析應(yīng)考慮以下4個方面：

（1）建（構(gòu)）筑物（如操作間、控制室、泵房、設(shè)備平臺等）的抗震性能評價；

（2）重要設(shè)備（如爐、罐、塔等）的抗震性能評價；

（3）危險部位（如爐塔間的轉(zhuǎn)油線、塔底泵、重要管線等）的抗震性能評價；

（4）生命線系統(tǒng)（供水、供電、供風(fēng)和供氣）的抗震性能評價。

通過對石化企業(yè)在歷次地震中的震害統(tǒng)計資料分析，可發(fā)現(xiàn)在諸多震害因素中，由于建（構(gòu)）筑物的破壞引起石化設(shè)備損壞是最主要的。如泵房、配電間、操作室等建筑物一旦遭到破壞，其中的化工設(shè)備也必將受到破壞。此外，還有一些獨立的設(shè)備也容易受到地震的破壞。

在化工設(shè)備中破壞數(shù)量最多、且最嚴(yán)重的破壞單體是儲罐。只有在極少數(shù)的情況下其他單體才可能破壞，以至于短期內(nèi)不得不更換。究其原因，是因為化工設(shè)備多為鋼結(jié)構(gòu)，彈性好，耐張拉和抗疲勞性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于磚石、混凝土等脆性建筑材料。塔的損壞主要包括：基礎(chǔ)開裂；螺栓拉長、屈服；爐子的支柱屈服；換熱器接頭破裂等（許建東等，2002）。

化工設(shè)備是石化企業(yè)最重要的組成部分，主要包括各類爐、塔和罐（容器），一旦遭到地震襲擊，其損失不僅僅是結(jié)構(gòu)破壞，還可能導(dǎo)致生產(chǎn)停頓以及由于易燃易爆有毒物質(zhì)的泄漏，產(chǎn)生極嚴(yán)重的次生災(zāi)害（葉泰來等，1994），因此，需徹底清查各生產(chǎn)環(huán)節(jié)重要化工設(shè)備的抗震性能，做好震害防御工作。根據(jù)對歷次地震對化工設(shè)備的破壞現(xiàn)象分析，其破壞主要表現(xiàn)為：

（1）建（構(gòu)）筑物倒塌造成設(shè)備破壞；

（2）儲液罐的罐底或罐壁破壞；

（3）設(shè)備連接部位損壞，高柔設(shè)備的螺栓拉長，管道剛性連接拉壞；

（4）設(shè)備移位或傾斜；

（5）地基不均勻沉降引起破壞；

（6）電氣設(shè)備陶瓷部件破壞；

4 石化企業(yè)有向?qū)咏Y(jié)構(gòu)模型

石化企業(yè)生產(chǎn)的特點是各車間密切相關(guān)，各車間相對獨立又相互依賴，形成了一個有機的系統(tǒng)。根據(jù)這種互相依賴又相互制約的關(guān)系，可將石化企業(yè)作為一個相對獨立的分析單元、各車間為子單元進(jìn)行分析（見圖1）。

從圖1可以看到，這里包括4種相互作用的影響關(guān)系：生命線系統(tǒng)之間的相互作用；系統(tǒng)對用戶的作用（注意這里不考慮用戶對系統(tǒng)的反作用）；用戶間相互的影響；石化企業(yè)與外界的影響。

假設(shè)地震發(fā)生前，這些關(guān)系都是和諧和完善的理想運行狀態(tài)，各車間之間及用戶與生命線系統(tǒng)之間是一種充分利用、沒有原料不足和產(chǎn)品積壓現(xiàn)象。為了描述這種錯綜復(fù)雜的相互關(guān)系，我們建立了石化企業(yè)有向?qū)咏Y(jié)構(gòu)模型（見圖2），并做了以下一些假定：

圖1 石化廠各車間相互影響關(guān)系示意圖Fig.1 Illustration of linkage between different workshops

圖2 石化企業(yè)有向?qū)咏Y(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.2 Illustration of layer structure

（1）該模型分上下兩層：上層為生命線系統(tǒng)層，下層為用戶層（生產(chǎn)車間）。

（2）在上層（系統(tǒng)層）中，生命線系統(tǒng)之間存在相互作用關(guān)系。例如：供電系統(tǒng)決定了其他3個系統(tǒng)的正常工作；供氣系統(tǒng)受制于供水和供電系統(tǒng)。

（3）在下層（用戶層）中，用戶之間由于生命線系統(tǒng)功能的降低，其經(jīng)濟運行能力受到影響，產(chǎn)出減少，對其他用戶的生產(chǎn)運行造成影響。

（4）忽略下層對上層造成的影響，即生命線系統(tǒng)對用戶具有影響，而用戶對生命線系統(tǒng)沒有反作用。由于生命線系統(tǒng)自身損壞造成功能降低，影響其對用戶的服務(wù)。

（5）石化廠對外界輸出受地震作用的影響而降低，但其需求及外界對石化廠的供應(yīng)不能受損。

5 案例分析

以某石化廠為例，該工廠的油料加工系統(tǒng)是由蒸餾車間等13個生產(chǎn)車間共31套生產(chǎn)裝置組成。根據(jù)各車間所起的作用不同，可將石化廠分成5個不同的系統(tǒng)：原油儲運系統(tǒng)；油料加工系統(tǒng)；生命線系統(tǒng)；產(chǎn)品貯存及出廠系統(tǒng)；輔助生產(chǎn)系統(tǒng)。其中每個系統(tǒng)又是由數(shù)個車間組成。生命線系統(tǒng)由循環(huán)水、供電、供氣和供風(fēng)組成；產(chǎn)品貯存出廠系統(tǒng)由調(diào)合、貯存和出廠組成；輔助生產(chǎn)系統(tǒng)包括制氫等裝置。

最小的預(yù)測單元是以裝置為單位，再上一級是以主要生產(chǎn)車間和輔助生產(chǎn)車間兩部分組成，如圖3所示。

圖3 某石化廠層狀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Illustration of the layer structure of a petrochemical enterprise

我們以該石化廠第二套常減壓蒸餾裝置為例，具體說明該裝置的生產(chǎn)流程。該裝置共有設(shè)備747臺，主要設(shè)備52臺，工藝管道4.3km，建筑物5棟，構(gòu)筑物3個和3條轉(zhuǎn)油（氣）線。常減壓蒸餾裝置是石油煉制過程的第一步，是整個石化廠的龍頭。圖4給出了一個經(jīng)過簡化的原油生產(chǎn)加工流程圖。原油由4號罐區(qū)經(jīng)原油泵房進(jìn)入換熱器初步加熱后，進(jìn)入電脫鹽裝置，同時加入破乳劑，沖洗油后經(jīng)一級脫鹽罐進(jìn)入二級脫鹽罐，再經(jīng)換熱器進(jìn)入初餾塔T1，原油初餾后產(chǎn)生的重整原料流出裝置，進(jìn)入焦化裂化裝置。塔底拔頭油再進(jìn)入常壓爐L1進(jìn)行加熱，同時進(jìn)入常壓塔T2進(jìn)行常壓分餾。T2塔底油進(jìn)入減壓爐L2加熱，再進(jìn)入減壓塔T5。T2塔頂分餾出的汽油、煤油和柴油經(jīng)常壓塔T3后流出裝置，進(jìn)入后續(xù)裝置。從減壓塔T5分餾出的塔頂油氣進(jìn)入減壓塔T4。減壓塔T5一側(cè)由上而下分別分餾出潤滑油、催裂化原料。從減壓塔 T4分餾出的減壓渣油進(jìn)入延遲焦化裝置和瀝青裝置。這是一個相對來說并不復(fù)雜的流程。

從以上原油生產(chǎn)加工的流程不難看出，在原油的生產(chǎn)過程中其抗震薄弱環(huán)節(jié)主要包括：

（1）減壓塔T5：它是一個具有負(fù)壓的熱油氣塔，塔高57m。

（2）減壓塔T5到減壓爐L2的轉(zhuǎn)油線：易折損，油溫很高（300多度），遇空氣便著火。

（3）常壓塔T2到減壓爐L2的轉(zhuǎn)油線：現(xiàn)在已有些移動。

（4）減壓爐L2旁邊的煙囪（高約30m），略向西傾斜（原因是安裝偏差及基礎(chǔ)的不均勻沉降）。

圖4 原油生產(chǎn)加工流程示意圖Fig. 4 Illustration of oil production and processing

上述這些抗震薄弱環(huán)節(jié)，都有可能在地震次生災(zāi)害中帶來不可估量的破壞、損失。

6 結(jié)論

目前常采用的傳統(tǒng)體系分析方法，是從電子和機械體系的研究發(fā)展而來的，其中有許多技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于大型電子計算機、核電站或宇航技術(shù)的可靠性分析方面。

而石化企業(yè)的分析對象與這些體系之間既有相似之處又有不同之處，石化企業(yè)的易燃、易爆、劇毒氣體、液體等有可能在地震的次生災(zāi)害中產(chǎn)生巨大的破壞作用，而且決定其破壞作用的不僅是地震災(zāi)害本身，同時也與氣候、地理、地質(zhì)等條件有著密切的聯(lián)系。而且這些外因本身就具有易變性、不確定性，如果完全采用電子體系分析技術(shù)和現(xiàn)有的模型進(jìn)行分析，其分析結(jié)果必然存在較大的誤差。為此，我們必須建立一套完整、復(fù)雜、多學(xué)科的模型，該模型不僅要考慮建（構(gòu)）筑物及生產(chǎn)設(shè)施的抗震性能，同時也要考慮各種有害物質(zhì)的破壞性和自然環(huán)境的影響等，只有這樣，才能實現(xiàn)石化企業(yè)地震次生災(zāi)害的預(yù)測和評估，為石化企業(yè)制定出切實可行的應(yīng)急處置方案。

然而目前還很難完全采用現(xiàn)有的電子體系分析技術(shù)和模型，來分析石化企業(yè)的抗震可靠性，而且這樣做也很不經(jīng)濟。因此，作者認(rèn)為要解決這一問題，應(yīng)基于石化企業(yè)自身的生產(chǎn)模式和工藝流程，并結(jié)合石化企業(yè)的特點，構(gòu)建模塊化、結(jié)構(gòu)化的分析模型。本文提出的石化企業(yè)有向?qū)咏Y(jié)構(gòu)模型，就可用來描述和分析這種錯綜復(fù)雜的關(guān)系。該模型將全廠的生產(chǎn)車間按其功能分為了2個層面：生命線系統(tǒng)層和用戶層（即生產(chǎn)車間），這樣就可分別計算其可靠性。

同時，每個生產(chǎn)車間又可根據(jù)其生產(chǎn)流程，進(jìn)一步分成由建（構(gòu)）筑物和設(shè)備為節(jié)點的體系，根據(jù)對每個生產(chǎn)車間關(guān)鍵設(shè)備的可靠性分析，就可以得到該車間的可靠性（不考慮供水、供電、供風(fēng)和供氣的停止），再結(jié)合生命線系統(tǒng)的可靠性，依據(jù)石化企業(yè)有向?qū)咏Y(jié)構(gòu)模型給出的描述，即可得到全廠各車間的抗震可靠性。

由于篇幅所限，本文只是對一個方法的宏觀描述。對于某些比較成熟的分析，例如結(jié)構(gòu)的抗震可靠性分析、體系的網(wǎng)絡(luò)分析等，本文暫不做進(jìn)一步介紹。

總之，對石化企業(yè)的震害評估與次生災(zāi)害預(yù)測，由于其生產(chǎn)原料及流程的特殊性、高危性，不能僅僅采用傳統(tǒng)的分析方式。本文提出的石化企業(yè)有向?qū)咏Y(jié)構(gòu)模型從生產(chǎn)流程、生產(chǎn)過程鏈等多個方面，對石化企業(yè)的震害和次生災(zāi)害進(jìn)行了分析和評估，并取得了一定的效果。當(dāng)然，這個模型還需要進(jìn)一步的細(xì)化和深化。

顧宗勤，2008. 汶川大地震對石化業(yè)的影響深度分析. 中研網(wǎng)：http://blog.china.com/u/070716/64897/.

李桂青，李正農(nóng)，1992. 基于系統(tǒng)可靠性分析地震次生災(zāi)害損失預(yù)測. 武漢城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報，9（1）：83—90.

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張素靈，許建東，曹華明，王春華，2001. 地震斷層作用對地下輸油（氣）管道破壞的分析. 地震地質(zhì)，23（3）：432—438.

A Preliminary Study on Disaster Model for Petrochemical Enterprise Using the System Theory

Zhang Suling, Lin Jie and Ding Qiuqin
(China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China)

The manufacture of a large enterprise is a well organized integrity, and an enterprise is a system, while every process is a subsystem. These production processes closely link each other, forming the enterprise's production chain. Based on the system theory, enterprise disaster loss assessment is established from the view point of systematic analysis in this paper. A model of the layer structure is put forward, and the basic framework and method to evaluate the anit-seismic performance in petrochemical enterprises are proposed. A case study of a chemical plant is given to illustrate the application of this method.

張素靈，林捷，丁秋琴，2011. 應(yīng)用系統(tǒng)論建立石化企業(yè)成災(zāi)模型初探. 震災(zāi)防御技術(shù)，6（3）：319—325.

國家科技支撐計劃課題“地震預(yù)警與烈度速報系統(tǒng)的研究與示范應(yīng)用”（ 2009BAK55B04）資助

2011-02-13

張素靈，男，生于1965年。副研究員。1999年獲理學(xué)博士?，F(xiàn)在中國地震臺網(wǎng)中心從事強震動觀測及與城市減災(zāi)有關(guān)的研究工作。E-mail: zsl@seis.ac.cn

Κew words: System theory; Model; Petrochemical enterprise