乙烯裂解炉炉膛闪爆事故贝叶斯网络模型研究

韩恩慧，李德顺，陈 雪

乙烯裂解炉炉膛闪爆事故贝叶斯网络模型研究

韩恩慧，李德顺，陈 雪

(沈阳理工大学 环境与化学工程学院，沈阳 110159)

乙烯裂解炉所裂解物料具有易燃易爆特性，炉膛发生闪爆事故，后果不堪设想。构建了裂解炉炉膛闪爆事故树，讨论了事故树与贝叶斯网络之间的转化原则，分析了贝叶斯网络后验概率计算方法，将裂解炉炉膛闪爆事故树转化为贝叶斯网络模型。应用结果表明，贝叶斯网络模型能够得到各因素对裂解炉炉膛闪爆事故的影响程度，其中炉膛内气体燃爆、装置熄火、管道破裂为导致事故发生的重要因素。进一步分析事故原因，为预防事故发生提供依据。

裂解炉；事故树；贝叶斯网络；概率计算

乙烯裂解炉是乙烯生产装置中的核心装置，它的主要作用是在高温、高压条件下将天然气、石脑油等物料加工成裂解气，并提供给其它乙烯装置，最终加工成乙烯、丙烯及各种副产品。由此可见，裂解炉既是高温反应器，又是产生蒸汽的动力锅炉[1]。在裂解炉运行过程中要严格控制各项指标，否则极易引发炉膛闪爆，从而给企业带来极大的损失和危害。因此，对炉膛闪爆事故进行危险性分析，计算事故的发生概率，为现场事故预防提供理论依据[2]。

利用事故树分析事故原因过程主要是通过找出最小割集，确定主要因素，提出控制措施。该过程不仅繁琐而且最终结果的主观性较强，因此在复杂系统中不适用。由于贝叶斯网络与事故树具有极强的相似性，而且贝叶斯网络还具有描述事件多态性和故障逻辑关系非确定性的能力，因此更适用于对复杂系统进行风险评估。利用事故树分析事故的发生原因，结合贝叶斯的定量计算，从而得出较为可靠的控制方案。

1 基本方法概述

1.1 事故树方法

事故树是以系统最不希望发生的事件作为顶事件，以导致事故发生的各种因素作为基本事件，运用某种逻辑关系将这些事件以倒立树状图的形式表示出来的一种方法。该方法采用演绎形式来分析事故的因果关系，并从中找出系统存在的各种潜在的危险因素。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]；而定量分析则是计算顶上事件发生的概率。通过计算分析找出导致顶上事件发生的主要因素，采取措施加以控制，从而达到预防事故的目的。

1.2 贝叶斯网络

贝叶斯网络是概率论和图论相结合的产物[4]。它一方面是基于概率推理的数学模型，即通过一些变量的信息可获取其他事件的概率信息；另一方面可表示为有向无环图(Directed Acyclic Graph，DAG)，利用图形直观揭示问题的结构。有向无环图包含2个部分:代表系统变量的节点和表示变量结构的有向弧[3]，而概率信息则表示这些变量间关系的强度。因此，贝叶斯网络具有强大的不确定性问题的处理能力，非常适用于风险评价。

1.3 事故树向贝叶斯网络的转化

事故树中运用较多的逻辑门是或门、与门、条件或门和条件与门等。假定用(0,1)表示事件发生与否，“0”表示事件不发生，“1”表示事件发生[5]。则按照事故树与贝叶斯网络的主要映射关系:事件—节点，逻辑门—连接强度，将事故树转换为贝叶斯网络。具体见图1～图4。

图1 或门转化

P(T=1|X1=0，X2=0)=0

P(T=1|else)=1

图2 条件或门转化

P(T=1|X1=1，X2=1)=1

P(T=1|else)=0

图3 与门转化

P(T=1|X1=1，X2=1)=1

P(T=1|else)=0

图4 条件与门转化

P(T=1|X1=1，X2=1，X3=1)=1

P(T=1|else)=0。

2 炉膛闪爆事故的贝叶斯网络

2.1 炉膛闪爆事故树及其贝叶斯网络

2.1.1 事故树的建立

针对裂解炉具有高温高压等特点，从炉膛可燃气体燃爆及炉膛超压爆炸两方面展开，查找导致事故发生的根本原因，并将其作为基本事件，建立裂解炉炉膛闪爆的事故树。如图5所示。

图5 裂解炉炉膛闪爆的事故树

表1为乙烯裂解炉炉膛闪爆事故的事件代号说明。

2.1.2 贝叶斯网络模型的建立

依据事故树转化为贝叶斯网络的原则，将裂解炉闪爆事故树转化为其对应的贝叶斯网络模型，具体见图6。

2.2 贝叶斯网络的概率计算

2.2.1 概率计算

根据化工企业收集的资料，通过整理、分析，得到裂解炉炉膛闪爆基本事件先验概率，由式P(A|B)=P(AB)/P(B)得到各基本事件的后验概率，具体结果见表2；根据各基本事件的先验概率及后验概率得到各中间事件的边缘概率和后验概率，具体结果见表3。

2.2.2 计算结果分析

(1)基本事件的影响分析

从表2中可以看出，各因素对炉膛闪爆事故发生的影响程度由大到小依次为X1、X23、X6、X14、X7、X22、X13、X11、X10、X5、X15、X2、X4、X17、X16、X12、X21、X20、X19、X18、X9、X3、X8。由此可见，导致事故发生的主要因素在于组件故障和工作人员对设备的维护不到位。

图6 裂解炉炉膛闪爆的贝叶斯网络

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

表3 中间事件的边缘概率及后验概率

(2)中间事件的影响分析

从表3中可以看出，G1、G3、G4的后验概率数值较大，也就是说气体燃爆、熄火、管道破裂对裂解炉炉膛闪爆事故的发生影响程度较大。

2.3 措施方案

以上分析可知，在实际工作中技术人员要注重组件的维护及设备运行过程中的监管，要做到维护及时且监管用心。在维护组件方面，技术人员不能仅做到事后维护，而是要做好预防维护。但预防维护过多会造成经济方面的负担，因此工作人员要结合组件的性质、磨损率、稼动率等来制定预防维护的计划，从而降低因组件损坏而导致事故发生的概率。在运行监管方面，工作人员要严格执行工艺规程，严禁任何违反规定的操作，重视安全运营，做到防微杜渐，确保化工行业的安全生产。

3 结论

(1)通过分析乙烯裂解炉炉膛闪爆事故原因，构建其事故树；依据各基本事件的先验概率，得到顶事件发生概率为9.096×10-4，为实现系统最佳安全目标提供依据。

(2)依据裂解炉炉膛闪爆的事故树将其转化为贝叶斯网络，以此计算出各基本事件的后验概率并按各因素对事故的影响程度大小进行排序。根据结果，从组件维护和设备监管两个方面提出了对策措施，对分析事故原因及预防降低事故发生概率具有重要的实际意义。

[1]李争峰.SW-U型乙烯裂解炉运行风险分析与安全控制研究[D].兰州:兰州理工大学,2006.

[2]李盼,樊建春,刘书杰.基于故障树与贝叶斯网络的钻井井塌事故的定量分析[J].中国安全生产科学技术,2014(1):143-149.

[3]冯庚,蒋雨宏,范路,等.基于事故树分析与贝叶斯网络的土石坝风险分析[J].水力发电，2013(4):34-36,57.

[4]吴海平,敖志刚,付希昌,等.基于贝叶斯网络的兵力投送风险评估模型[J].四川兵工学报,2010,31(6):118-120.

[5]张春民,李引珍,陈志忠,等.基于贝叶斯网络的驼峰超速连挂事故分析[J].铁道学报，2011(10):7-14.

(责任编辑:马金发)

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

辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2012060)

韩恩慧(1991—)，女，硕士研究生；通信作者:李德顺(1980—)，副教授，博士研究生，研究方向:系统危险评价与控制。

1003-1251(2017)01-0021-04

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