嚴敏，劉毅，鄭暉杰，曠文敏，常振興*(.湖北省應急救援中心，湖北 武漢 40064；.清華大學，北京 00084；.北京辰安科技股份有限公司，北京 00094)

0 引言

經(jīng)過多年的快速發(fā)展，中國已經(jīng)擁有了種類齊全、規(guī)模較大的化工企業(yè)體系，并在2010年化工產(chǎn)值總量超越美國成為世界第一。但是，化工工廠的快速發(fā)展必然會導致管理缺乏經(jīng)驗、設備相對不完善等一系列隱患。另一方面，傳統(tǒng)化工工廠的信息化程度偏低，信息傳遞速度較慢，在發(fā)生隱患時常會因為信息傳遞不及時而導致較大的事故，給公司、社會帶來不必要的人身財產(chǎn)損失。

在化工生產(chǎn)中，儲罐是非常重要的設備之一，化學物品的儲存、化學物品之間的反應等等幾乎都需要儲罐等容器對其進行控制。但是，部分化學反應的條件需要較為嚴格的溫度與壓力控制，以及部分化學反應需要的催化劑可能為易燃易爆或者不穩(wěn)定的物質(zhì)。種種原因導致儲罐等化學反應容器的事故發(fā)生率較高。并且，由于儲罐等容器的體積大多較大，發(fā)生事故后產(chǎn)生的人身財產(chǎn)損失也通常較為嚴重。因此，如何即時發(fā)現(xiàn)事故于微小之中，甚至在事故發(fā)生之前阻止事故的發(fā)生，便成了化工企業(yè)未來發(fā)展的重點和難點。

國家“十四五”規(guī)劃中明確提出了“發(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，推動經(jīng)濟體系優(yōu)化升級”的產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化目標。而對化工企業(yè)，也提出了一系列精細化、一體化與現(xiàn)代化的目標。近年來，對于各大工業(yè)園區(qū)的現(xiàn)代化改造，主要趨勢是將大數(shù)據(jù)與各類工業(yè)園區(qū)進行交叉，從而實現(xiàn)智慧化、信息化管理。但是目前信息化管理中，對各工作區(qū)的管理，往往是依照原有經(jīng)驗對隱患進行處置，通過以前發(fā)生的事故對現(xiàn)有隱患進行防范，而經(jīng)驗往往意味著不夠全面。雖然各省市、企業(yè)都有著相應的技術標準與事故發(fā)生時的應急預案，但是常常存在對當前企業(yè)狀況不適配等情況，如何根據(jù)企業(yè)自身情況，科學制定出針對性的技術標準與應急預案，是當前信息化管理的重點。本文結合化工企業(yè)重大危險源辨識標準，以A化工公司為例，運用事故樹對化工儲罐災害與演變進行綜合分析，對化工園區(qū)儲罐事故情景發(fā)展進行推演，多角度對事故發(fā)生演化進行分析，為今后化工園區(qū)儲罐事故防范標準與應急預案的制定提供經(jīng)驗。

2 儲罐區(qū)重大危險源風險影響度模擬分析

化工企業(yè)事故災難可以分為以下幾種：爆炸事故、中毒和窒息事故、機械傷害事故、高處墜落事故、物體打擊事故、火災事故、灼燙事故等。儲罐作為化工企業(yè)的重要器件，主要設計的事故大致可以分為：(1)化工儲罐儲存的化學原料由于設備原因或者人員操作不當造成泄漏導致人員中毒、皮膚病等傷害，并造成環(huán)境污染；(2)化工儲罐反應時由于設備原因或人員操作不當造成儲罐起火，造成爆炸、人員中毒和窒息、機械傷害等一系列次生衍生災害。

現(xiàn)實生活中為了預防儲罐事故的發(fā)生，通常會進行儲罐區(qū)風險影響度的模擬分析。通過對事故發(fā)生與演化的模擬分析判斷事故的影響力與事故損失程度，從而量化事故的影響范圍、對不同事故進行危險等級的判斷，最后提出合理的風險控制措施。

重大危險源的定義來自我國《危險化學品重大危險源辨識》，主要判斷特征為是否生產(chǎn)、加工、使用或儲存超臨界量的危險化學品[1]。A公司的罐區(qū)主要儲存的化學用品為甲醇、甲苯、乙醇與燃料油，日常作業(yè)人數(shù)為40余人，交接班時最多人數(shù)約為80人左右。根據(jù)《危險化學品重大危險源辨識》中有關校正系數(shù)和的規(guī)定(表1和表2)，暴露人員校正系數(shù)α取1.5，甲醇、甲苯、乙醇屬于易燃液體W5.3，校正系數(shù)取1，燃料油為易燃液體W5.4，校正系數(shù)取1。危險源風險分級R的計算公式如下：

式中：q為園區(qū)危險化學品實際存在量；Q為?；废鄬R界量；α、β為校正系數(shù)，α、β的取值分別如表1和表2所示。

表1 校正技術α取值

表2 校正技術β取值

根據(jù)A公司所提供的數(shù)據(jù)，A公司包含3組罐組，T1罐組設儲罐14個，總容積25 000 m3，存儲物料包括：甲醇、甲苯、乙醇、燃料油。T2罐組設儲罐12個，總容積21 000 m3，存儲物料包括：甲醇、甲苯、乙醇。T3罐組設儲罐12個，總容積42 000 m3，存儲物料包括：甲醇、甲苯。根據(jù)儲罐容積等進行R值計算，A公司罐區(qū)事故風險影響度預先分析如表3所示[2]。

表3 事故泄漏風險預判斷表

本次模擬選取的參數(shù)條件為：A公司儲罐區(qū)，單個儲罐體積為3 500 m3。儲罐區(qū)四周建有防護堤，罐區(qū)內(nèi)部每個儲罐直徑D=18 m，儲存化學物品為甲醇。選取計算模擬事故為甲醇儲罐池火災與儲罐爆炸，模擬氣溫選擇25 ℃，環(huán)境平均風速取1.9 m/s，環(huán)境大氣密度取1.293 kg/m3。

甲醇池火災事故發(fā)生時，會在地上形成一灘面積較小的液體，若得不到疏導，將迅速在防液堤或地勢低洼處聚集。甲醇燃點較低，因此一旦室溫較高或者有點火源，很容易造成甲醇液池燃燒，形成池火災。又根據(jù)A公司所提供數(shù)據(jù)，罐區(qū)儲罐容量為3 500 m3，直徑18 m，罐區(qū)防護堤內(nèi)面積S=3 909 m2，區(qū)域內(nèi)含有4個儲罐，因此很容易算出，扣除4個儲罐后液池面積可達2 892 m2。在燃燒時，由于煙氣等影響，空氣密度取1.36 kg/m3，甲醇沸點337.8 K，最終可以計算得火焰高度為26.8 m。計算出火焰高度后，則可以計算出甲醇儲罐池火災事故的熱通量。理想狀態(tài)下，熱通量計算時，火焰能量是由圓柱形火焰?zhèn)让婧晚敳肯蛑車鶆蜉椛涞?。最終可以根據(jù)熱通量來判斷得出池火災的死亡、二度燒傷、一度燒傷的燒傷半徑，如表4所示。甲醇池火災模擬如圖1所示。

表4 甲醇池火災影響范圍

圖1 甲醇池火災模擬圖

而對于化工儲罐的爆炸事故，甲醇發(fā)生火災事故時的影響區(qū)域相比于甲醇泄漏池火災要小，但在劇烈程度上，比后者要嚴重的多。在此我們選擇容積為3 500 m3的T3罐組12號罐，選取儲存化學物品為甲醇，假設甲醇罐內(nèi)充滿甲醇蒸汽(約4.5 t)，與空氣形成爆炸性氣氛，在激發(fā)能源情況下發(fā)生蒸汽云爆炸。估算全部參與蒸汽云爆炸的影響范圍。

在不考慮風速等影響的情況下，在計算甲醇爆炸范圍時，TNT單量系數(shù)取4%，燃料質(zhì)量4 500 kg。在考慮蒸汽云爆炸的情況下，計算可得甲醇爆炸時工作人員的死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑，如表5所示。甲醇蒸汽云爆炸模擬圖如圖2所示。

圖2 甲醇蒸汽云爆炸模擬圖

3 園區(qū)儲罐事故樹模型分析

但是，在實際管理中，僅僅依靠事故模擬來進行儲罐安全管理的參考是不夠的，還需要借助其他方面的考量。因此，本文調(diào)研基于化工儲罐區(qū)發(fā)生事故的主要原因與衍生災害，所繪制出的儲罐事故樹圖，在現(xiàn)實情況中，可以通過實地調(diào)研增添或減少考慮事故參數(shù)。事故編號如表6所示，事故樹如圖3所示。其中X22與X28、X17與X26、X25與X27原因相同，在計算過程中可合并[3]。

表6 事件編號對照表

利用事故樹構建對應成功樹，并求解割集T=M1+M2+M3=X1+X2+M4×M5+M6×M7×M8=X1+X2+(M9+M10+M11+M12+M13)×M14×M15+(X20+X21)×(X22+X23+X24+X25)×(X26+X27+X28)=X1+X2+(X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+M16+M17)×(X15+X16)×(X17+X18+X19)+(X20+X21)×(X22+X23+X24+X25)×(X26+X27+X28)=X1+X2+(X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14)×(X15+X16)×(X17+X18+X19)+(X20+X21)×(X22+X23+X24+X25)×(X23+X25+X26)

根據(jù)上式我們也可以得到化工罐區(qū)事故的各階割集數(shù)量，如表7所示。

表7 事件編號對照表

通常來說，事故樹中割集越小，意味著導致事故發(fā)生的基本事件越少，則此基本事件的重要程度便越高，危險性也越大。同時，單個基本事件在不同割集中出現(xiàn)次數(shù)越多，代表這個事件對多種事故樹都有影響，其重要性也越高[4]。

同樣，事故樹還可以分析最小徑集，最小徑集表示能夠使事故不發(fā)生的基本事件之和，最小徑集越多代表防止事故發(fā)生的方法越多，該事件最小徑集為：

綜上，能夠判斷出該事故樹重要度排序為：

由以上可知，X1、X2對事故影響最為重要，X12、X13、X14對事故影響最輕。其他事件對于事故影響在這兩者之間[5]。

4 應急輔助統(tǒng)計分析

在進行模擬和事故樹分析后，為了使結果更有可信度，還可以引進統(tǒng)計學對化工罐區(qū)事故進行分析。由于2016年之前的數(shù)據(jù)并不全面，因此我們只對2017年之后的化工事故數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。根據(jù)數(shù)據(jù)，我們可以得到在2017—2019年中，爆炸事故共發(fā)生105起，導致294人死亡；中毒和窒息事故發(fā)生83起，導致125人死亡；火災事故發(fā)生63起，導致51人死亡。根據(jù)數(shù)據(jù)我們可知爆炸與火災事故數(shù)量加起來是中毒和窒息事故的兩倍左右，發(fā)生概率相對中毒窒息事故來說較高。并且，從死亡人數(shù)來看，爆炸火災事故所造成的后果比中毒窒息事故要更為嚴重，以爆炸事故為例，也與我們第一部分模擬的結果較為吻合。因此我們在進行化學罐區(qū)事故應急分析時，應當著重考慮防爆與防火方面的基本事件[6]。

最后，如何綜合事故樹、事件烈度以及事件發(fā)生頻率，對今后化工園區(qū)儲罐事故防范標準與應急預案編寫與應對措施進行完善?，F(xiàn)在也存在著很多實際應用：如康德禮等考慮到采集數(shù)據(jù)的不確定性和噪聲[7]，在構建化工園區(qū)智能應急平臺時加入信息融合技術保證智能決策的快速性和規(guī)劃正確性。陳運啟等采用FP-Growth算法與支持置信度融合的方法，對隱患數(shù)據(jù)與事故中較強的關聯(lián)規(guī)則進行標記，從而加強對特定隱患的防治[8]。這里由于數(shù)據(jù)限制，我們預測兩種方法，可能能夠綜合分析基本事件權重，得出較為科學的決策與事故防治措施。

4.1 灰色關聯(lián)度分析

在化工行業(yè)中，由于事故成因復雜，通過邏輯分析得出的原因有時會忽略某些關鍵因素對事故產(chǎn)生的重要影響。而灰色關聯(lián)度分析則可以在一定程度上解決由于忽略帶來的影響，同時對化工事故分析中各類由于缺少數(shù)據(jù)所引發(fā)的結論不準確、可信度不高等缺陷有著良好的校正優(yōu)化作用?；舅悸肥谴_定母序列和子序列，而后通過無量綱化等操作處理各類數(shù)據(jù)，形成關聯(lián)序列，最終得到不同因素對主事件的影響程度大小。對于目前信息化程度不夠的化工行業(yè)來說，灰色關聯(lián)度分析是對其很好的補充。

4.2 層次分析法

對于分析復雜問題，層次分析法屬于比較成熟的方法之一。其主要理論類似于事故樹，基于問題的傳導機制來進行分析。對于化工企業(yè)來說，傳統(tǒng)的管理辦法對問題同樣分為很多等級。并且對問題等級之間的傳導也有著較為豐富的經(jīng)驗，層次分析法可以通過原有經(jīng)驗進行訓練，進而量化各類問題成因，對企業(yè)罐區(qū)事故管理有著良好的補充作用。

5 結語

在信息化浪潮下，化工園區(qū)的管理與事故的應急決策都處在飛速發(fā)展變化之中，傳統(tǒng)的經(jīng)驗可能已經(jīng)與現(xiàn)有生產(chǎn)力發(fā)生脫節(jié)。因此，需要利用更先進的理論技術優(yōu)化完善原有的管理模式。本文進行了模擬化工企業(yè)罐區(qū)泄漏和爆炸的事故，并嘗試與事故樹與數(shù)據(jù)分析結合。但因為現(xiàn)實數(shù)據(jù)權重的不足，仍未得出一個可靠的結論，但不失為一個可以嘗試的思路。隨著風險評估與應急決策理論不斷發(fā)展，相信我國化工企業(yè)事故應對決策機制定會日益完善。

致謝：感謝湖北省應急救援中心《危險化學品重特大事故情景構建分析及應急輔助決策研究課題》對本論文的數(shù)據(jù)支持。