基于系统动力学的海洋平台火灾事故仿真分析

王彦富， 张　彪， 李玉莲, 闫培娜

(中国石油大学(华东) 机电工程学院，山东 青岛 266580)



基于系统动力学的海洋平台火灾事故仿真分析

王彦富， 张彪， 李玉莲, 闫培娜

(中国石油大学(华东) 机电工程学院，山东 青岛 266580)

为动态预测海洋平台火灾事故，在分析海洋平台火灾事故主要因素的基础上，运用系统动力学方法，构建海洋平台火灾事故因果回路图以及系统仿真模型。运用Vensim软件对海洋平台火灾事故进行仿真模拟，对海洋平台安全水平进行动态监测和预警。结果表明：海洋平台火灾事故是由于人因因素、组织管理因素、设备因素多因素相互耦合作用，使整个系统安全水平低于火灾事故的安全临界点造成的，三大因素呈现出非线性、高动态关系。通过仿真模拟可以看出各个因素随时间的变化趋势，可以对未来火灾事故出现的概率作出科学预测。

海洋平台火灾事故；系统动力学；因果回路图；动态预测模型

0　引言

海洋平台造价高昂，平台上空间狭小、人员相对密集、设备众多且布置紧密，平台上的设备设施都含有大量的易燃易爆物质，稍有不慎就有可能引发油气泄漏，从而导致火灾、爆炸事故的发生[1,2]。一旦发生火灾、爆炸事故，不仅会造成巨额经济损失以及重大人员伤亡，还会对海洋环境造成数年甚至数十年无法恢复的严重污染。例如：2001年，Campos Bay of Brazil state Rio De Janeiro的P-36半潜式平台火灾爆炸事故造成10人死亡，平台报废，直接经济损失达10亿美元；2005年，印度孟买油田的一号平台(石油产量约占印度石油总产量的百分之三十五)与补给船发生碰撞，补给船上燃料起火并迅速蔓延到平台，最终导致平台被完全焚毁，造成49人伤亡，直接经济损失约23亿美元，石油天然气产量下降1/3；2010年墨西哥湾深水地平线平台井喷失控引发火灾爆炸事故，导致11人死亡，17人受伤，在事故发生后每天有约5 000桶原油源源不断地流入墨西哥湾。因此，海洋平台的安全问题越来越受到社会各界的重视。

海洋平台在海洋石油天然气开采中占有重要地位，对海洋平台进行动态预警研究十分重要。海洋平台是由相互依赖的多个子系统组成的生产系统，具有高度动态性和多重反馈过程，子系统之间具备非线性关系。系统动力学是根据控制论、信息论、系统论以及大系统论等有关理论建立的一种数学模型，是研究高阶数、多回路、非线性的一种定量方法。因此，运用系统动力学对海洋平台火灾事故进行研究，对提高海洋平台安全水平以及动态监测和预警具有重要的意义。

1　海洋平台火灾致因分析

根据BSEE统计，1992年～2013年，墨西哥湾地区约2 546个平台共发生2 837起海洋平台火灾事故。1997年～2000年，海洋平台火灾事故发生频率超过了100次/年。2006年～2013年，平台火灾发生频率高达127次/年。由于海洋环境特殊、油气储藏复杂、安全高效技术和装备不成熟，海洋平台火灾事故逐年增加。根据事故描述，总结发生火灾的主要原因为人因因素、组织管理因素、设备因素三个方面。

1.1人因因素

人是生产中的主体，也是最活跃的因素。人在生产过程中，除受到工作环境及所操作机器的影响外，自身因素占主导地位。人除了一些心理及生理的因素外，还受自身基本素质的影响，如年龄、工龄、文化程度以及受教育的程度等[3]。海洋事故的广泛研究和综述结果表明，人因因素导致事故的概率高达70%，只有30%是由于技术失效导致的[4]。人员生理、心理方面出现问题，导致工作不认真、反应迟钝，出现一些危险行为；人员素质不高、技术不过关，导致人员违章操作，不仅损坏设备可靠性甚至直接导致设备失效[5]；员工操作不当以及缺乏现场监督管理导致误开阀门、立管的井口风帽被吹走、移动附近设备忘记重新连接等失误，导致油气装置泄漏；员工安全意识不高，在危险区域吸烟；焊接过程不规范，产生焊接火花四溅等不安全行为都增加了点火概率。在泄漏点修复过程中由于人员判断失误、操作失误，导致油气扩散时间延长，增加油气接触火源的概率。

1.2组织管理因素

所谓组织管理因素，是将“社会-技术”系统视为“组织”，凡是影响这一系统的所有变量都可视为组织管理因素。影响海洋平台安全与管理系统有关的因素即为组织管理因素[6]。组织管理缺陷是导致人因失误以及安全技术操作失误的深层原因，是导致事故发生的主要原因。安全教育培训不到位、员工操作技术水平不高、员工素质不高、对危险源辨识能力不强，导致员工对海洋平台的作业环境、操作工艺、各个危险环节及危险操作没有深刻地了解，遇到突发事件不知道如何应对或者采取错误的应对方法都会加重事故发生概率甚至加重事故后果。强化对设备管理的力度，对关键、易发生故障的部位重点定时检查，对老旧设备进行淘汰，同时引进先进设备，才能消除事故隐患。加大对安全评价、安全文化建设、安全教育培训等方面的费用，构建科学、合理、多元化的安全管理体系才能从根本上预防事故的发生。

1.3设备因素

墨西哥湾平台建造时间比较久，设备接近老龄化，进入失效频发期。设备失效主要表现为设备发生泄漏，通过事故统计，泄漏主要有四种形式：储罐泄漏、立管泄漏、工艺设备泄漏以及管道泄漏。储罐泄漏主要是由储罐敞开、储罐顶部溢出以及密封圈泄漏引起。工艺设备泄漏是指石油、天然气从井口采油平台出来以后到外输立管应急管段阀前初步处理油气的设备泄漏，包括压缩机、加热处理器和分离器等设备。工艺设备泄漏主要是由阀门泄漏、密封圈泄漏和法兰泄漏引起的。其中阀门故障、密封圈损坏和腐蚀是导致设备可靠性降低的主要因素，而油气装置内部物料腐蚀和外部环境侵蚀会导致设备壁变薄、抗压与抗温性能减弱，例如高温与酸作业损坏橡胶塑料密封圈将导致密封圈泄漏。

海洋平台系统是一个复杂的系统，人因因素、设备因素和组织管理因素这三个因素构成了海洋平台整个安全系统的子系统，形成了统一的整体，三者相互制约、相互依赖，其中某一个因素或几个因素的动态变化，都会引起海洋平台安全水平的变化。

2　海洋平台火灾事故的系统动力学分析

图1　火灾事故因果回路图

系统动力学(System Dynamics，简称SD)是由美国麻省理工学院的 J．W．Forrester 教授于1956年创立的一种研究复杂系统结构、功能与动态反馈行为机制的系统科学方法[7，8]。根据第1节中分析的三个因素和系统动力学反馈原理，运用Vensim软件构建海洋平台火灾事故因果关系回路图，如图1所示。

运用系统动力学对海洋平台火灾事故进行分析，主要共有3条因果回路：

(1) 安全投入↑→人为因素水平↑→海洋平台系统安全水平↑→安全投入↓

(2) 安全投入↑→组织因素水平↑→海洋平台系统安全水平↑→安全投入↓

(3) 安全投入↑→设备因素水平↑→海洋平台系统安全水平↑→安全投入↓

这3条反馈回路表示，随着安全投入的增加，影响海洋平台火灾的主要因素安全水平增加，从而增加了海洋平台系统安全水平。当海洋平台安全水平达到预期目标就会反馈给安全投入，使安全投入减少。

图2是在图1的基础上，分析了3大致因因素的子系统因果回路图，从而构成海洋平台火灾事故因果总回路图。

图2　海洋平台火灾事故因果回路图

3　海洋平台火灾事故模型构建

3.1变量的选择

系统动力学中的变量主要包括水平变量、速率变量、辅助变量和常量。该文构建的海洋平台火灾事故仿真模型的变量共有152个，其中，水平变量共有3个，速率变量共有3个，辅助变量共有43个，常量共有103个。

水平变量包括人的安全行为子系统的安全水平指标、组织管理子系统的安全水平指标、设备子系统的安全水平指标。速率变量包括单位时间人的安全行为水平变化量、单位时间组织管理水平变化量、单位时间设备安全水平变化量。辅助变量包括海洋平台安全系统的安全水平指标、安全思想意识因子水平的单位时间变化量、安全操作技术因子水平的单位时间变化量等。常量包括单位时间人的安全行为方面的投入、单位时间组织管理方面的投入、单位时间设备方面的投入等常量。

3.2仿真模型构建

系统动力学建模方法是通过因果关系图、存量流量图建立结构模型，然后建立方程模型。确定各个变量以后，采用系统动力学流率基本入树建模法[9],运用系统动力学Vensim仿真软件构建海洋平台火灾事故系统动力学仿真模型，如图3所示。

图3　海洋平台火灾系统动力学仿真模型

3.3Vensim软件模拟

选取墨西哥湾某海上平台作为研究对象，对该海上平台的实际数据、该地区事故统计信息、平台安全评价结果进行量化处理得到仿真参数，将数据输入到建立好的方程中进行模拟。

(1) 生成仿真运行曲线图如图4所示，从图4中可以清晰直观的观察到该海洋平台安全水平的变化趋势。

图4　海洋平台系统安全水平发展趋势图

(2) 得到人的安全行为子系统、组织管理子系统以及设备子系统的安全水平变化趋势图，如图5～图7所示。

图5　人的安全行为影响因子的水平变化趋势图

图6　组织管理影响因子的水平变化趋势图

图7　设备影响因子的水平变化趋势图

3.4仿真结果分析

(1) 通过图5可以看出：该海洋平台在2010年～2013年的安全水平呈现出先降低然后升高的趋势。在0～12个月之间，随着安全投入的降低，人的安全行为子系统、组织管理水平子系统以及设备安全水平子系统的速率变化呈现出下降的趋势，导致海洋平台总安全水平降低，安全水平为76分。安全水平与安全投入呈现负反馈关系，安全水平下降导致安全投入增加。在12个月～36个月之间，安全水平随着安全投入的增加呈现上升的趋势。

(2) 从0～1个月、28个月～36个月之间，海洋平台安全水平达到80分以上，处于安全态。2个月～5个月、19个月～28个月之间，安全水平在70分～80分之间，此时海洋平台由安全态向风险态过渡。5个月～19个月之间，安全水平在70分以下，处于风险态。如果未来保持5个月～19个月之间的安全水平，则海洋平台有可能会发生火灾事故。

(3) 从图5～图7可知，人的安全行为子系统和组织管理子系统变化速率起伏较大，设备子系统变化起伏较小。说明人的安全行为和组织管理在单位时间内变化快，更容易出差错。人的安全行为子系统中应着重注意安全思想意识、安全操作技术、员工心理生理素质的变化。设备子系统中应加强对立管和管道的投入，防止这两个主要泄漏源发生故障，产生泄漏。

(4) 子系统中的组织管理和人的行为水平对系统的贡献较大，表明加大两个子系统的投入会提高海洋平台系统的整体安全水平，缩短达到安全水平目标值的时间。

4　结论

(1) 基于因果回路图分析海洋平台火灾事故致因因素的逻辑关系，表明海洋平台火灾事故的发生是由人的不安全行为、组织管理、设备安全三大致因因子的相互耦合作用引起的，并对各子系统进行了详细的分析。

(2) 通过Vensim软件构建SD仿真流图，建立方程阐述各个致因因子之间的相互关系，并对其进行定量化的处理。通过实例对某海洋平台进行仿真模拟，从仿真流图动态地观察各个致因因子和整个海洋平台系统安全水平的变化趋势，为未来火灾的发生做出科学的预测和预警，从而有效地预防海洋平台火灾。

(3) 运用系统动力学方法动态预测海洋平台的安全水平。由仿真结果可知：不同因子在安全投入影响下的变化量不同，对子系统产生的影响不同，进而影响整体系统安全水平的变化。可大致预测海洋平台安全水平走势，指导平台安全生产。

由于海洋平台系统中火灾事故的发生受内外因素影响，致因因素很多。后期将进一步定量分析致因因素之间的复杂关系，完善海洋平台火灾系统动力学模型。

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Analysis of Offshore Platforms Fire Accidents Based on System Dynamics

WANG Yan-fu， ZHANG Biao， LI Yu-lian， YAN Pei-na

(Department of Mechanical and Electronic Engineering， China University of Petroleum，Shandong Qingdao 266580，China)

In order to predict the platform fire accidents dynamically, a causal loop diagram of offshore platform fire accidents and system simulation model were presented based on analyzing the main factors of fire accidents of platform in this paper. Combining with the relevant principles of System Dynamics，a causal loop diagram of offshore platform fire accidents and system simulation model were established. Offshore platforms fire accidents were simulated using Vensim software to achieve dynamic monitoring and early warning of the safety level of offshore platforms. The results show that the offshore platforms fire accidents were caused by the coupling multi-factors of human, organizational and equipment factors and the whole system safety level was lower than the fire accidents of safety critical point. Three main factors show nonlinear and high dynamic relationship, from the simulation results, it can be seen that all the factors' changing trend over time and the probability of fire accidents in the future could be achieved.

fire accidents of offshore platform; System Dynamics (SD); causal loop diagram; dynamic prediction model

2015-11-11

国家自然基金项目(51409260)，山东省自然基金面上项目(ZR2012EEM023)，中央高校基本科研业务费专项资金资助(14CX05035A)。

王彦富(1981-)，女，副教授。

1001-4500(2016)04-0045-07

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