劉曉成，郭海艷，陳尊仲，楊春亮，陳義豐，張波杰，凌 銳

(1.寧波金發(fā)新材料有限公司，浙江 寧波 315000；2.中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司)

決策試驗與評價實驗室方法(簡稱DEMATEL算法)是一種利用矩陣工具和圖論對系統(tǒng)因素進行分析的方法，在20世紀70年代由美國日內瓦研究中心的Gabus和Fontela教授首先提出[4]。DEMATEL算法作為復雜系統(tǒng)因素分析方法，對系統(tǒng)辨識出的因素影響關系強弱進行定性判斷，并在此基礎上采用矩陣計算出每個因素對其他因素的影響(影響度)和每個因素受到其他因素的影響(被影響度)[5-6]。經(jīng)過大量學者研究，DEMATEL算法已在系統(tǒng)工程、管理科學、安全管理等領域得到應用[7]。系統(tǒng)安全工程中可采用安全檢查表法、使用條件危險性法、HAZOP分析法和模糊理論法等方法進行風險分析，但這些方法對于復雜系統(tǒng)的風險分析還略有不足。因此，更宜采用DEMATEL算法進行復雜的丙烷脫氫裝置的系統(tǒng)風險分析。

本課題提出丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險影響因素相關性模型，識別丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險影響因素，建立風險影響因素集，運用DEMATEL算法研究丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險影響因素間的相互關系，以期為丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險管理提供參考依據(jù)。

1 Lummus公司的Catofin工藝流程簡介

某公司0.6 Mt/a丙烷脫氫裝置采用Lummus公司的Catofin脫氫工藝，該工藝采用固定床反應器進行脫氫反應，裝置主要分成烴系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)兩部分。烴系統(tǒng)主要用于丙烷脫氫反應，具體的工藝流程是：新鮮丙烷進入汽化罐加熱汽化，再經(jīng)進料加熱爐加熱(加熱之前注入硫化劑鈍化反應器)后進入反應器進行脫氫反應得到產(chǎn)品氣，產(chǎn)品氣經(jīng)換熱器冷卻后進入壓縮機增壓，隨后進入冷箱進行深冷分離脫除氫氣，冷箱深冷分離的低溫物料進入脫乙烷塔脫除乙烷等輕組分，脫乙烷塔釜的物料進入產(chǎn)品分離塔分離出丙烯，剩余的塔釜物料循環(huán)回汽化罐循環(huán)使用。空氣系統(tǒng)主要用于脫氫催化劑床層的再生再熱，經(jīng)壓縮機升壓后的空氣被空氣加熱爐加熱后進入反應器對脫氫催化劑進行再生，從反應器流出的再生煙氣回收熱量后排至大氣。裝置的工藝流程見圖1。

圖1 丙烷脫氫裝置工藝流程

2 丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險影響因素相關性模型的建立與辨識

2.1 建立丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險影響因素相關性模型

丙烷脫氫裝置系統(tǒng)的整體安全目標是由組成系統(tǒng)的各子系統(tǒng)和單元綜合發(fā)揮作用的結果。安全風險分析要把研究的對象作為一個系統(tǒng)。系統(tǒng)是指為實現(xiàn)一定的目標，由多種彼此相關聯(lián)的要素組成的整體。系統(tǒng)有大有小，但所有的系統(tǒng)都有目的性、集合性、相關性、階層性、整體性、適應性6個基本要素[8]。丙烷脫氫裝置各系統(tǒng)也是高度聯(lián)系的，系統(tǒng)中風險因素也是高度關聯(lián)的，從安全風險管理相關性角度分析各因素之間的關系，建立相關性模型才能得到正確的結論。

按照軌跡交叉理論，不安全事件的發(fā)生必然由多個風險因素引起，即一起不安全事件除了人的不安全行為因素外，還必然存在物的不安全狀態(tài)因素，故可將單元或子系統(tǒng)的人的不安全行為因素和物的不安全狀態(tài)因素組成風險因素集(Rn，n=1，2，3，…)。由于復雜系統(tǒng)發(fā)生不安全事件時的風險因素集中必然存在相同的風險因素[9]，從系統(tǒng)集和性角度考慮，丙烷脫氫裝置系統(tǒng)的各個不安全事件的風險因素集可記作An，如式(1)所示。

An=R1∪R2∪…∪Rn

(1)

2.2 丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險分析:預先危險性分析(PHA)

風險影響因素的辨識過程中，要遵循充分性、適應性、系統(tǒng)性、針對性和合理性的原則才能正確找出系統(tǒng)的風險影響因素，為此需要選用合適的方法進行風險影響因素的辨識。丙烷脫氫裝置是在帶壓、高溫條件下運行的，原料是低溫丙烷，裝置在運行過程中產(chǎn)出丙烯、丙烷、氫氣、硫化氫和高溫空氣等物料，這些物料或多或少都具有一定的危險性?？刹捎肞HA定性地辨識出系統(tǒng)的危害，找出產(chǎn)生危害的原因，提出消除控制的措施。丙烷脫氫裝置的PHA工作表見表1。

綜上所述，復方鱉甲軟肝片具有抑制肝Kupffer細胞活化的作用，并可抑制其分泌TGF-β，從而起到抗肝纖維化的作用，為臨床復方鱉甲軟肝片治療肝纖維化的合理用藥以及開發(fā)治療肝纖維化更為有效的藥物提供可靠的依據(jù)。

表1 丙烷脫氫裝置的PHA工作表

2.3 丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險分析：故障類型和影響分析(FMEA)

FMEA[10]是一種非常廣泛和重要的系統(tǒng)安全分析方法，是復雜系統(tǒng)工程辨識影響因素的常用方法，也是找出設計上潛在缺陷的手段。對丙烷脫氫裝置假設發(fā)生不安全事件時可能的各種故障類型進行分析，得到風險因素。以PHA分析出的危險因素結合歷年各類化工裝置的不安全事件統(tǒng)計分析，丙烷脫氫裝置的典型不安全事件可歸為以下5類，即X={安全防護用品不全或損壞(X1)，人員誤操作(X2)，裝置超溫超壓(包括超負荷)運行(X3)，裝置帶病運行(X4)，安全管理體系不健全(X5)}。在各FMEA條件下，對裝置運行過程中故障發(fā)生時的風險因素進行分析，具體見表2。

表2 丙烷脫氫裝置故障發(fā)生時風險因素的FMEA分析

根據(jù)式(1)對表2列出的風險因素進行歸并，得到因素集An={人員技能水平不達標(R1)，經(jīng)驗不足(R2)，教育培訓不足(R3)，工作時長過長(R4)，設備故障(R5)，設備性能狀況差(R6)，安全風險意識不強(R7)，…，應急處理能力不強(Rn)}。

2.4 建立丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險影響因素集

對An中丙烷脫氫裝置風險因素分析整理，根據(jù)裝置操作人員(簡稱人)、運行設備(簡稱機)、物料本身(簡稱料)、裝置安全管理情況(簡稱法)、裝置運行環(huán)境(簡稱環(huán))5個維度進行歸類分析，得到丙烷脫氫裝置在人-機-料-法-環(huán)5個風險管理對象中的風險影響因素集，具體見表3。

表3 丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險影響因素集

2.5 丙烷脫氫裝置系統(tǒng)危險特點、反應失控分析及應對措施

丙烷脫氫裝置的核心是反應系統(tǒng)，反應系統(tǒng)由8臺周期性切換操作的反應器構成，在任何時間下：①有3臺反應器處于在線脫氫；②有3臺反應器處于再熱/再生；③有1臺反應器處于抽真空、蒸汽吹掃；④有1臺反應器處于空氣充壓或催化劑還原。一個完整的循環(huán)過程需要24 min，包括丙烷脫氫反應、蒸汽吹掃、熱空氣加熱床層并燒除催化劑上的結焦、反應器抽真空以及為下一階段反應做準備的催化劑還原。每臺反應器按照一定的順序重復相同周期性操作(包括脫氫反應、蒸汽吹掃、催化劑再生/再熱、抽真空、催化劑還原)，時序器控制閥門開關使丙烷和空氣連續(xù)不斷流入反應器。

根據(jù)GB 18218—2018《危險化學品重大危險源辨識》，0.6 Mt/a丙烷脫氫裝置被辨識為重大危險源。大量的丙烷在50 kPa(絕)、600 ℃條件下在反應器中進行脫氫反應。從丙烷固有屬性和反應條件來看，反應器最大的危險特點為火災和爆炸。反應器生產(chǎn)時的缺陷、腐蝕物對反應器的腐蝕缺陷、使用不當對反應器造成的裂紋或損壞以及閥門的密封失效，均會導致高溫空氣或環(huán)境空氣竄入脫氫反應器中，使其發(fā)生火災或爆炸。如果丙烷物料超溫、超壓進入反應器則會發(fā)生失控的脫氫反應，一旦溫度和壓力超過設計值，催化劑床層就會發(fā)生劇烈的結焦副反應，結焦的催化劑在用高溫熱空氣再生/再熱時會發(fā)生催化劑床層“飛溫”現(xiàn)象，“飛溫”的催化劑床層在后續(xù)脫氫反應中產(chǎn)生更多的焦炭，如此循環(huán)反復操作后反應器陷入惡性循環(huán)，催化劑床層的熱平衡被打破后使得脫氫反應失控。

為防止火災、爆炸及脫氫反應失控情景發(fā)生，反應器采取一系列保護措施：①反應器大閥設置氮氣密封氣，在閥門關閉時(反應器切換)注入氮氣，確保丙烷系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)隔離，同時采用蒸汽作為氮氣密封氣的備用氣源，一旦氮氣管網(wǎng)壓力下降，蒸汽將作為密封氣；②反應器設置自動緊急停工系統(tǒng)(RAESS系統(tǒng))，一旦反應器發(fā)生以上故障時，啟動RAESS系統(tǒng)；③為防止反應器在切換時的閥門誤動作，反應器閥門設置互鎖系統(tǒng)(共計160個聯(lián)鎖)，確保只有單一屬性的物料進入反應器；④反應器系統(tǒng)設置雨淋系統(tǒng)、消防滅火系統(tǒng)，一旦發(fā)生火災、爆炸能及時采取應急措施；⑤反應器選用抗腐蝕性能好的材料，內襯采用高效耐火內襯，防止交替的氧化-還原氣氛和高溫環(huán)境破壞反應器的強度；⑥設置有毒和可燃氣體報警儀。

3 丙烷脫氫裝置系統(tǒng)安全影響因素分析與計算

丙烷脫氫裝置是一個復雜系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)與子系統(tǒng)、子系統(tǒng)與單元有密切的關系，而且各子系統(tǒng)之間、各單元之間、各元素之間都存在著密切的關系，因此采用DEMATEL算法對丙脫氫裝置系統(tǒng)風險影響因素集相關性模型進行分析，確定風險影響因素相互關系。

3.1 建立風險影響因素關系矩陣

專家和丙烷脫氫裝置管理人員對表3共同打分，根據(jù)對丙烷脫氫裝置中20個風險影響因素之間相互影響程度的判斷，確定各影響因素之間的影響程度。由于各個影響因素具有模糊性，采用精準的度量無意義，因此根據(jù)Chen等[11]提出的0，1，2，3，4評價標度(分別表示無影響、影響小、影響適中、影響大、影響極大)來分析裝置復雜問題，其中可用Mij=(0，1，2，3，4；i，j=1，2，3…，20)表示Mi對Mj的影響程度，因此可得到直接影響矩陣M，具體見表4。

表4 丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險因素直接影響矩陣M

3.2 DEMATEL計算

按照式(2)對直接影響矩陣M進行規(guī)范化處理，計算出正規(guī)化矩陣C。

(2)

按照式(3)將正規(guī)化矩陣C轉化為綜合影響矩陣T。

T=C(I-C)-1

(3)

式中：I為單位矩陣。

為表征因素綜合影響矩陣的相互關系，需要計算各因素的影響度Ti、被影響度Tj、中心度di和還原度ei，計算方法如式(4)～式(7)所示。

(4)

(5)

di=Ti+Tj

(6)

ei=Ti-Tj

(7)

式中：tij為綜合影響矩陣T中的元素；Ti為影響度，表示因素Mi對其他因素的綜合影響程度；Tj為被影響度，表示因素Mi受其他因素的綜合影響程度；di表示為中心度，di越大表明該因素在該系統(tǒng)中所起到的作用越大；ei表示為原因度，當ei>0時屬于原因因素，當ei<0時屬于結果因素。

3.3 DEMATEL計算結果分析與討論

DEMATEL計算結果見表5。

表5 丙烷脫氫裝置系統(tǒng)DEMATEL計算結果

由表5可以得到如下結果：

(1)物料的腐蝕性M10對丙烷脫氫裝置風險影響度最大，裝置生產(chǎn)時的溫度和壓力M13次之，工作時長M4影響最?。话踩L險意識M2被影響度最大，教育培訓M19次之，工作年限M3被影響最小。丙烷脫氫裝置物料的腐蝕性是最大的風險影響因素，從Lummus公司的Catofin脫氫工藝流程來看，腐蝕性較大的物料是硫化物和氫氣[12-13]。田俊凱等[14]報道，硫化劑的腐蝕性是影響丙烷脫氫裝置設備開裂的主要因素之一，在丙烷脫氫裝置運行中應嚴格按照工藝操作手冊控制硫化劑的注入量，調整硫化劑注入量時必須對整個系統(tǒng)進行風險評估，降低硫化劑腐蝕性風險因素對系統(tǒng)的影響；對于氫氣管道和設備，要登記建檔、重點監(jiān)控和動態(tài)管理。要嚴格按照《中華人民共和國特種設備安全法》對丙烷脫氫裝置的壓力管道和壓力容器進行定期監(jiān)檢，如發(fā)現(xiàn)設備發(fā)生減薄、裂紋、鼓包等缺陷時須及時修復。

(2)中心度排名前5的風險因素依次是教育培訓M19、裝置生產(chǎn)時的溫度和壓力M13、安全風險意識M2、監(jiān)督檢查M15、安全管理制度的制定和執(zhí)行M14，說明這5個風險因素在丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險占有重要的作用。重視風險管理對象中的“人”、“料”、“法”、“環(huán)”4個對象，尤其是“人”和“環(huán)”這兩個對象，其中安全風險意識最易受其他因素影響，教育培訓M19在系統(tǒng)中起到最重要的作用。軌跡交叉理論中不安全事件必然存在人的不安全行為，裝置風險管理中尤其需要強調人的主觀意識，加強人的安全風險意識能減少不安全事件的發(fā)生，但人的安全風險意識基本都依靠教育培訓來養(yǎng)成的。石油化工裝置一般是連續(xù)運行，裝置參數(shù)和物料處于動態(tài)平衡，雖然裝置中存在固有的安全風險，但要辨識出動態(tài)的單元系統(tǒng)的危險有害因素并制定相關安全措施不僅需要理解裝置的運行狀態(tài)和工況還應具備一定的專業(yè)技能水平，相關人員達到這一專業(yè)技能水平就得依靠不斷的教育培訓。加強從業(yè)人員的培訓，提高從業(yè)人安全意識和綜合素質能有效切斷人的不安全行為因素，減少不安全事件的發(fā)生。Catofin脫氫工藝最鮮明的特點是時序器順控切換8臺固定床反應器運行、裝置能量循環(huán)利用和160個反應器聯(lián)鎖。只有熟練掌握反應器故障處理、能量循環(huán)利用故障處理和160個聯(lián)鎖才能成為合格的操作員，查詢丙烷脫氫裝置人才數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)一個合格的操作員需要6年之久，每年再教育培訓時長達192 h。在丙烷脫氫裝置上開展“師帶徒”培訓新人、管理層技術人員培訓操作人員、行業(yè)專家培訓管理層技術人員等教育培訓工作，從丙烷脫氫裝置培訓管理上看符合DEMATEL計算結果。

(3)工作年限M3、設備的完整性M7、物料的腐蝕性M10、物料易燃易爆性M11、物料的毒害性M12、裝置生產(chǎn)時的溫度和壓力M13和社會環(huán)境M18，此7個因素的ei>0，這7個因素對其他因素影響大，屬于原因因素。

(4)技術水平M1、安全風險意識M2、工作時長M4、身體/心理健康狀況M5、職業(yè)素養(yǎng)M6、設備冗余量M8、設備性能狀況M9、安全管理制度的制定和執(zhí)行M14、監(jiān)督檢查M15、薪資情況M16、作業(yè)環(huán)境M17、教育培訓M19和班組的氛圍M20，此13個因素的ei<0，這13個因素對其他因素影響小，屬于結果因素。

4 結 論

(1)建立丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險辨識模型，運用PHA對丙烷脫氫裝置進行危險有害因素分析，找出物料泄漏、火災、爆炸、中毒、窒息、灼燙、凍傷、機械傷害、高處墜落、觸電、噪聲等危險有害因素，提出措施防止不安全事件發(fā)生。

(2)使用FMEA找到丙烷脫氫裝置的5種不安全事件和風險管理對象，提出風險影響因素集。對丙烷脫氫裝置風險影響因素集整理分析，建立裝置操作人員、運行設備、物料本身、裝置安全管理情況、裝置運行環(huán)境5個維度下的20個風險因素。

(3)丙烷脫氫裝置核心是反應系統(tǒng)，辨識出反應器火災、爆炸和脫氫反應失控的風險。丙烷脫氫反應器火災、爆炸和脫氫反應失控分別發(fā)生的原因是烴氧互竄和反應器超溫、超壓，根據(jù)風險發(fā)生的原因針對性地提出管控措施。

(4)運用DEMATEL算法分析風險因素集，計算得到物料的腐蝕性對丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險影響最大，安全風險意識極易受到其他因素的影響，教育培訓在丙烷脫氫裝置系統(tǒng)中起到最重要的作用，在20個風險影響因素中辨識出7個原因因素和13個結果因素。

(5)在丙烷脫氫裝置系統(tǒng)安全風險管控時，應考慮7個原因因素和13個結果因素之間的關系，尤其優(yōu)先管控7個原因因素，這為丙烷脫氫裝置系統(tǒng)風險管控提供了一定的理論基礎。