韓恩慧，李德順，陳 雪

乙烯裂解爐爐膛閃爆事故貝葉斯網(wǎng)絡模型研究

韓恩慧，李德順，陳 雪

(沈陽理工大學 環(huán)境與化學工程學院，沈陽 110159)

乙烯裂解爐所裂解物料具有易燃易爆特性，爐膛發(fā)生閃爆事故，后果不堪設想。構(gòu)建了裂解爐爐膛閃爆事故樹，討論了事故樹與貝葉斯網(wǎng)絡之間的轉(zhuǎn)化原則，分析了貝葉斯網(wǎng)絡后驗概率計算方法，將裂解爐爐膛閃爆事故樹轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡模型。應用結(jié)果表明，貝葉斯網(wǎng)絡模型能夠得到各因素對裂解爐爐膛閃爆事故的影響程度，其中爐膛內(nèi)氣體燃爆、裝置熄火、管道破裂為導致事故發(fā)生的重要因素。進一步分析事故原因，為預防事故發(fā)生提供依據(jù)。

裂解爐；事故樹；貝葉斯網(wǎng)絡；概率計算

乙烯裂解爐是乙烯生產(chǎn)裝置中的核心裝置，它的主要作用是在高溫、高壓條件下將天然氣、石腦油等物料加工成裂解氣，并提供給其它乙烯裝置，最終加工成乙烯、丙烯及各種副產(chǎn)品。由此可見，裂解爐既是高溫反應器，又是產(chǎn)生蒸汽的動力鍋爐[1]。在裂解爐運行過程中要嚴格控制各項指標，否則極易引發(fā)爐膛閃爆，從而給企業(yè)帶來極大的損失和危害。因此，對爐膛閃爆事故進行危險性分析，計算事故的發(fā)生概率，為現(xiàn)場事故預防提供理論依據(jù)[2]。

利用事故樹分析事故原因過程主要是通過找出最小割集，確定主要因素，提出控制措施。該過程不僅繁瑣而且最終結(jié)果的主觀性較強，因此在復雜系統(tǒng)中不適用。由于貝葉斯網(wǎng)絡與事故樹具有極強的相似性，而且貝葉斯網(wǎng)絡還具有描述事件多態(tài)性和故障邏輯關(guān)系非確定性的能力，因此更適用于對復雜系統(tǒng)進行風險評估。利用事故樹分析事故的發(fā)生原因，結(jié)合貝葉斯的定量計算，從而得出較為可靠的控制方案。

1 基本方法概述

1.1 事故樹方法

事故樹是以系統(tǒng)最不希望發(fā)生的事件作為頂事件，以導致事故發(fā)生的各種因素作為基本事件，運用某種邏輯關(guān)系將這些事件以倒立樹狀圖的形式表示出來的一種方法。該方法采用演繹形式來分析事故的因果關(guān)系，并從中找出系統(tǒng)存在的各種潛在的危險因素。它既可用于定性分析，又可用于定量分析。定性分析的主要目的是找出最小割集和基本事件重要度[3]；而定量分析則是計算頂上事件發(fā)生的概率。通過計算分析找出導致頂上事件發(fā)生的主要因素，采取措施加以控制，從而達到預防事故的目的。

1.2 貝葉斯網(wǎng)絡

貝葉斯網(wǎng)絡是概率論和圖論相結(jié)合的產(chǎn)物[4]。它一方面是基于概率推理的數(shù)學模型，即通過一些變量的信息可獲取其他事件的概率信息；另一方面可表示為有向無環(huán)圖(Directed Acyclic Graph，DAG)，利用圖形直觀揭示問題的結(jié)構(gòu)。有向無環(huán)圖包含2個部分:代表系統(tǒng)變量的節(jié)點和表示變量結(jié)構(gòu)的有向弧[3]，而概率信息則表示這些變量間關(guān)系的強度。因此，貝葉斯網(wǎng)絡具有強大的不確定性問題的處理能力，非常適用于風險評價。

1.3 事故樹向貝葉斯網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)化

事故樹中運用較多的邏輯門是或門、與門、條件或門和條件與門等。假定用(0,1)表示事件發(fā)生與否，“0”表示事件不發(fā)生，“1”表示事件發(fā)生[5]。則按照事故樹與貝葉斯網(wǎng)絡的主要映射關(guān)系:事件—節(jié)點，邏輯門—連接強度，將事故樹轉(zhuǎn)換為貝葉斯網(wǎng)絡。具體見圖1～圖4。

圖1 或門轉(zhuǎn)化

P(T=1|X1=0，X2=0)=0

P(T=1|else)=1

圖2 條件或門轉(zhuǎn)化

P(T=1|X1=1，X2=1)=1

P(T=1|else)=0

圖3 與門轉(zhuǎn)化

P(T=1|X1=1，X2=1)=1

P(T=1|else)=0

圖4 條件與門轉(zhuǎn)化

P(T=1|X1=1，X2=1，X3=1)=1

P(T=1|else)=0。

2 爐膛閃爆事故的貝葉斯網(wǎng)絡

2.1 爐膛閃爆事故樹及其貝葉斯網(wǎng)絡

2.1.1 事故樹的建立

針對裂解爐具有高溫高壓等特點，從爐膛可燃氣體燃爆及爐膛超壓爆炸兩方面展開，查找導致事故發(fā)生的根本原因，并將其作為基本事件，建立裂解爐爐膛閃爆的事故樹。如圖5所示。

圖5 裂解爐爐膛閃爆的事故樹

表1為乙烯裂解爐爐膛閃爆事故的事件代號說明。

2.1.2 貝葉斯網(wǎng)絡模型的建立

依據(jù)事故樹轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡的原則，將裂解爐閃爆事故樹轉(zhuǎn)化為其對應的貝葉斯網(wǎng)絡模型，具體見圖6。

2.2 貝葉斯網(wǎng)絡的概率計算

2.2.1 概率計算

根據(jù)化工企業(yè)收集的資料，通過整理、分析，得到裂解爐爐膛閃爆基本事件先驗概率，由式P(A|B)=P(AB)/P(B)得到各基本事件的后驗概率，具體結(jié)果見表2；根據(jù)各基本事件的先驗概率及后驗概率得到各中間事件的邊緣概率和后驗概率，具體結(jié)果見表3。

2.2.2 計算結(jié)果分析

(1)基本事件的影響分析

從表2中可以看出，各因素對爐膛閃爆事故發(fā)生的影響程度由大到小依次為X1、X23、X6、X14、X7、X22、X13、X11、X10、X5、X15、X2、X4、X17、X16、X12、X21、X20、X19、X18、X9、X3、X8。由此可見，導致事故發(fā)生的主要因素在于組件故障和工作人員對設備的維護不到位。

圖6 裂解爐爐膛閃爆的貝葉斯網(wǎng)絡

基本事件X1X2X3X4X5X6先驗概率2.68×10-41.04×10-51.06×10-61.03×10-51.37×10-51.43×10-4后驗概率2.95×10-11.14×10-21.17×10-31.13×10-21.50×10-21.57×10-1基本事件X7X8X9X10X11X12先驗概率4.93×10-56.37×10-63.19×10-52.23×10-52.51×10-52.74×10-4后驗概率5.42×10-28.96×10-74.49×10-62.45×10-22.76×10-22.78×10-4基本事件X13X14X15X16X17X18先驗概率2.63×10-54.94×10-51.29×10-54.15×10-65.23×10-61.93×10-5后驗概率2.89×10-25.43×10-21.42×10-24.56×10-35.75×10-32.86×10-5基本事件X19X20X21X22X23先驗概率2.54×10-53.19×10-55.24×10-52.96×10-51.74×10-4后驗概率3.98×10-55.01×10-58.21×10-53.25×10-21.91×10-1

表3 中間事件的邊緣概率及后驗概率

(2)中間事件的影響分析

從表3中可以看出，G1、G3、G4的后驗概率數(shù)值較大，也就是說氣體燃爆、熄火、管道破裂對裂解爐爐膛閃爆事故的發(fā)生影響程度較大。

2.3 措施方案

以上分析可知，在實際工作中技術(shù)人員要注重組件的維護及設備運行過程中的監(jiān)管，要做到維護及時且監(jiān)管用心。在維護組件方面，技術(shù)人員不能僅做到事后維護，而是要做好預防維護。但預防維護過多會造成經(jīng)濟方面的負擔，因此工作人員要結(jié)合組件的性質(zhì)、磨損率、稼動率等來制定預防維護的計劃，從而降低因組件損壞而導致事故發(fā)生的概率。在運行監(jiān)管方面，工作人員要嚴格執(zhí)行工藝規(guī)程，嚴禁任何違反規(guī)定的操作，重視安全運營，做到防微杜漸，確保化工行業(yè)的安全生產(chǎn)。

3 結(jié)論

(1)通過分析乙烯裂解爐爐膛閃爆事故原因，構(gòu)建其事故樹；依據(jù)各基本事件的先驗概率，得到頂事件發(fā)生概率為9.096×10-4，為實現(xiàn)系統(tǒng)最佳安全目標提供依據(jù)。

(2)依據(jù)裂解爐爐膛閃爆的事故樹將其轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡，以此計算出各基本事件的后驗概率并按各因素對事故的影響程度大小進行排序。根據(jù)結(jié)果，從組件維護和設備監(jiān)管兩個方面提出了對策措施，對分析事故原因及預防降低事故發(fā)生概率具有重要的實際意義。

[1]李爭峰.SW-U型乙烯裂解爐運行風險分析與安全控制研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2006.

[2]李盼,樊建春,劉書杰.基于故障樹與貝葉斯網(wǎng)絡的鉆井井塌事故的定量分析[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù),2014(1):143-149.

[3]馮庚,蔣雨宏,范路,等.基于事故樹分析與貝葉斯網(wǎng)絡的土石壩風險分析[J].水力發(fā)電，2013(4):34-36,57.

[4]吳海平,敖志剛,付希昌,等.基于貝葉斯網(wǎng)絡的兵力投送風險評估模型[J].四川兵工學報,2010,31(6):118-120.

[5]張春民,李引珍,陳志忠,等.基于貝葉斯網(wǎng)絡的駝峰超速連掛事故分析[J].鐵道學報，2011(10):7-14.

(責任編輯:馬金發(fā))

Bayesian Network Model Research of Ethylene Cracking Furnace Hearth Steam Explosion Accident

HAN Enhui,LI Deshun,CHEN Xue

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Due to the flammable and explosive properties of the materials,the cracking furnace often has explosion accidents and its consequence is disastrous.A cracking furnace hearth steam explosion accident tree is built,the conversion principles between fault tree and Bayesian network is discussed and the posterior probability calculation method is analyzed to transform the fault tree into Bayesian network model.The application results show that the Bayesian network model can get the influence degree of each factor acting on the flash explosion accident,and gas explosion,device stall and pipes rupture are key factors to cause the accident.The cause of the accident is analyzed to provide the basis for the accident prevention.

cracking furnace;accident tree;Bayesian network;probability calculation

2015-11-18

遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2012060)

韓恩慧(1991—)，女，碩士研究生；通信作者:李德順(1980—)，副教授，博士研究生，研究方向:系統(tǒng)危險評價與控制。

1003-1251(2017)01-0021-04

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