1.2 本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)方法研究進(jìn)展

本質(zhì)安全的概念由Kletz[3]在1978年提出，本質(zhì)安全化（inherently safer）是指消除事故的最佳方法不是依靠附加的安全設(shè)施，而是通過(guò)在設(shè)計(jì)中消除危險(xiǎn)或降低危險(xiǎn)程度以取代這些安全裝置，從而降低事故發(fā)生的可能性和嚴(yán)重性[4],[5]。本質(zhì)安全化是基于事物自身特性、規(guī)律，通過(guò)消除或減少工藝、設(shè)備中存在的危險(xiǎn)物質(zhì)或危險(xiǎn)操作的數(shù)量，避免危險(xiǎn)而非控制危險(xiǎn)。實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全化取決于生產(chǎn)所用材料的基本特性、工藝操作條件以及與工藝自身密切聯(lián)系的其他相關(guān)特性，而不是依靠控制系統(tǒng)、互鎖、冗長(zhǎng)而特殊的操作程序來(lái)預(yù)防事故[6]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐，本質(zhì)安全化的基本策略總結(jié)為四個(gè)方面的內(nèi)容：危害物質(zhì)的最小化（minimize）、高危物質(zhì)的替代化（substitute）、劇烈反應(yīng)的溫和化（moderate）以及過(guò)程工藝的簡(jiǎn)單化（simplify）。盡管無(wú)法完全消除所有危險(xiǎn)源，但通過(guò)改變工藝和操作方式能減少事故發(fā)生的危害性[7]。Hendershot[8]綜述了本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)方法在層次保護(hù)系統(tǒng)中降低系統(tǒng)潛在風(fēng)險(xiǎn)的特性。

對(duì)工藝過(guò)程的本質(zhì)安全化的量化表征是研究的重點(diǎn)，研究人員提出了多種本質(zhì)安全化的評(píng)價(jià)指數(shù)設(shè)計(jì)方法。Edwards等[9]提出了本質(zhì)安全原型指數(shù)（prototype inherent safety index, PIIS）計(jì)算不同反應(yīng)路徑的本質(zhì)安全化程度。Heikkl等[9]提出本質(zhì)安全指數(shù)（inherent safety index, ISI）作為PIIS的補(bǔ)充。Koller等[10]提出綜合考慮安全健康環(huán)境指數(shù)（safety, health, safety index, SHE）方法，增加了對(duì)人員健康和周邊環(huán)境影響因素的考慮。Palaniappan等[11],[12]針對(duì)PIIS和ISI指數(shù)區(qū)間水平不明顯的缺點(diǎn)提出了i-Safe指數(shù)，當(dāng)PIIS和ISI指數(shù)評(píng)價(jià)反應(yīng)路徑的分?jǐn)?shù)接近時(shí)，用增加的特性指數(shù)作為補(bǔ)充來(lái)區(qū)分化工過(guò)程的本質(zhì)安全化水平。Gentile等[13],[14]提出了基于模糊理論分析的本質(zhì)安全指數(shù)（fuzzy based inherent safety index），針對(duì)PIIS、ISI和i-Safe指數(shù)方法中階梯函數(shù)在處理端點(diǎn)數(shù)值時(shí)的不足，運(yùn)用模糊邏輯和概率理論，將指數(shù)區(qū)間設(shè)置為連續(xù)，使用if-then的規(guī)則將定量的數(shù)據(jù)與定性的信息相結(jié)合，具有更好的邏輯性。王艷華等[15]采用基于模糊邏輯的Mamdani型模糊推理方法，確定評(píng)價(jià)指數(shù)，結(jié)果直觀可視。李求進(jìn)等[16]采用基于遺傳算法的Shepard插值算法，在離散參照點(diǎn)之間插值確定不同工藝路線本質(zhì)安全指數(shù)。Gupta等[17]提出了圖形化的方法表征本質(zhì)安全特性，將多方面指數(shù)同時(shí)繪制在一張圖中進(jìn)行比較，具有良好的擴(kuò)展性。Khan等[18]提出了集成的本質(zhì)安全指數(shù)（integrated inherent safety index, I2SI），流程被分割為多個(gè)子流程，計(jì)算子流程安全指數(shù)，最后求解總的流程安全指數(shù)，具有很好的靈活性。Meel等[19]使用博弈論的方法對(duì)化工過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性（profitability index, PI）、可控性（controllability index, CI）、安全性（safety and/or product quality index, S/Q）和柔性（flexibility index, FI）進(jìn)行了綜合，對(duì)多組離散的操作點(diǎn)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。Srinivasan等[20]提出了本質(zhì)優(yōu)良性指數(shù)（inherent benign-ness index, IBI），用主成分分析不同反應(yīng)路徑的各個(gè)方面的指數(shù)組成一個(gè)矩陣，選擇本質(zhì)優(yōu)良性的反應(yīng)路徑，具有良好的擴(kuò)展性，克服了早期指數(shù)方法中主觀劃分范圍和主觀設(shè)置權(quán)重的不足。Leong等[21],[22]提出本質(zhì)安全指數(shù)模型的方法（inherent safety index module, ISIM）和反應(yīng)路徑指數(shù)方法（process route index, PRI），將本質(zhì)安全化理念的判斷方法集成到HYSYS流程模擬軟件中，在模擬流程的同時(shí)找到更嚴(yán)格并且本質(zhì)更安全化的反應(yīng)路徑。Khan等[23],[24]對(duì)已有的一些本質(zhì)安全評(píng)價(jià)指數(shù)方法進(jìn)行了匯總和評(píng)價(jià)。樊曉華等[25],[26]也對(duì)本質(zhì)安全指數(shù)的部分方法進(jìn)行了報(bào)道和評(píng)價(jià)。

上述工作中定量的本質(zhì)安全化評(píng)價(jià)指數(shù)更多地用于指導(dǎo)如何選擇反應(yīng)路徑，降低事故發(fā)生時(shí)可能帶來(lái)的損失，但不能確保降低事故發(fā)生的概率，因?yàn)榛み^(guò)程具有強(qiáng)非線性，對(duì)于選定的反應(yīng)路徑，系統(tǒng)存在多個(gè)穩(wěn)態(tài)（如圖1-5所示），這些穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)的穩(wěn)定性不完全相同（如圖1-6所示），對(duì)于穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)它們的穩(wěn)定性也不盡相同（如圖1-7所示）；另一方面，在化工過(guò)程的體系中還存在Hopf奇異點(diǎn)（如圖1-8所示）引發(fā)的周期性的振蕩（如圖1-9所示）生成復(fù)雜的極限環(huán)（如圖1-10所示），影響過(guò)程的穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，在化工過(guò)程設(shè)計(jì)階段就需要考慮選擇具有更好穩(wěn)定性的穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)，同時(shí)盡量避免選擇可能產(chǎn)生自發(fā)振蕩過(guò)程的操作點(diǎn)，進(jìn)而從理論上降低化工過(guò)程中可能發(fā)生事故的概率，提高化工過(guò)程的本質(zhì)安全化水平。

圖1-5 化工過(guò)程的多穩(wěn)態(tài)

圖1-6 穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)的不同穩(wěn)定性

圖1-7 穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)點(diǎn)的不同穩(wěn)定性收斂范圍

圖1-8 不同操作參數(shù)情況下體系中的霍普夫（Hopt）奇異點(diǎn)

圖1-9 化工過(guò)程中的振蕩現(xiàn)象

圖1-10 奇異點(diǎn)附近產(chǎn)生的極限環(huán)