基于事故树-风险矩阵法的脱硫工艺中毒窒息事故风险评估

张玉涛 林国铖 李亚清

摘 要：脱硫工艺由于系统组成复杂，近年来中毒窒息事故频发，有效辨识脱硫任务中存在的有害因素，并对其危险等级进行准确评估，对预防此类事故的发生具有重要意义。文中基于事故树分析法（FTA）与风险矩阵法（Risk Matrix），结合熵权法和TOPSIS法，建立了事故树-风险矩阵综合评价模型，以结构风险贴近度S为新的评判指标，对热电厂脱硫工艺进行了中毒窒息事故风险评估，并将评价结果与事故树分析法和风险矩阵法评估结果进行了对比分析。分析结果显示结构重要度和风险概率2个指标的权重分别为0.6和0.4;13个基本事件中“通风机故障或通风能力不足”，“气体检测装置失效”等基本事件的贴近度最高，后期需要加强控制和预防。研究表明，事故树-风险矩阵法的评价结果较单一的事故树法或风险矩阵法具有更高的区分度和准确度。关键词：脱硫工艺;风险评估;事故树分析;风险矩阵;TOPSIS法中图分类号：X 913

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）01-0040-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0106开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Risk assessment of suffocation and poisoning accidents in

desulfurization process based on FTA-risk matrix method

ZHANG Yu-tao，LIN Guo-cheng，LI Ya-qing

（College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：Recently，

there occur accidents of poisoning suffocation frequently

due to a complex desulfurization process.Therefore，it is of importance to identify dangerous factors

of the desulfurization processand to further assess their risk levels.Combined Fault Tree Analysis（FTA）and risk evaluation method with entropy and TOPSIS methods，an FTA-risk matrix model was proposed.Taking closeness degree of structural risk as a new criteria，risks of poisoning and suffocation accidents for desulfurization process of the thermal power plant was assessed.Acomparatire analysis shows

thatthe structure importance and the risk probability were 0.6 and 0.4，respectively.Also，among the 13 basic incidents，“fan failure or insufficient ventilation capacity” and “gas detection device failure” have the highest closeness，and need to strengthen control and prevention in the later stage.The comparison results show that the fault tree-risk matrix method has higher discrimination and accuracy than the single fault tree method or risk matrix method.Key words：desulfurization process;risk assessment;Fault Tree Analysis;risk matrix;Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution

0 引 言

目前我國火力发电的发电量占全国发电比重的70%以上，依旧是我国当前发电的主力军[1]。而火力发电厂本身具有发电作业生产线长、工作环境温度高、工艺过程伴随有毒有害物质、设备设施出现损坏后危险性大等化工行业典型的行业特点，不仅严重威胁着作业人员的身体健康，且可能直接造成严重事故。近年来化工企业的生产事故以中毒窒息和爆炸为主[2]，说明了化工行业需要加大对中毒窒息、爆炸等事故的管控，有针对性的对工艺流程采取更为合理的安全管理措施，以提高生产系统的安全性。目前火力发电企业比较常用的安全评价分析方法有预先危险性分析（Preliminary Hazard Analysis）、故障类型与影响分析（Failure Mode and Effect Analysis）、安全检查表分析（Safety Checklist Analysis），事故树分析（Fault Tree Analysis）、及LEC法等[3-4]。事故树分析最早起源于美国贝尔电话研究所，在能源、交通运输、建筑施工等各行业的安全评价、安全管理、事故预防方面得到了广泛应用。但由于事故树分析法存在基本事件概率难以确定的问题，往往不适用于直接作为定量分析的结果[5]。程刚等提出FTA-LEM评价方法，利用临界重要度对风险因素的危险分值计算进行了优化[6];黄胜松、王君莉等将FTA法与AHP法结合，定量计算了基本事件和中间事件的综合权重[7-8]，进而有针对性地提出控制措施。

风险矩阵法最早由美国空军电子系统中心提出，具有简洁、直观的特点，能迅速提取出系统中的关键风险因素，但该方法的原始矩阵排列存在风险结，即分级层次不够多，以及忽略指标异质性直接简单相乘计算的问题[9]。李树清等采用Borda序值法使风险等级数量增加，减少了风险结数量[10];罗恒等引入LOPA法，在风险矩阵模型的基础上增加了保护层分析[11]，完善了评价体系。

文中以热电厂脱硫工艺为背景，结合事故树分析法（FTA）与风险矩阵法（Risk Matrix），建立事故树-风险矩阵评价模型，以此对脱硫工艺中可能发生的中毒窒息事故进行分析。首先选用事故树分析法确定工艺中可能导致中毒窒息事故的基本事件及各事件的结构重要度I，进而采用风险矩阵法对基本事件进行评估，得到基本事件的风险概率P.以结构重要度I和风险概率P 2个指标为基础，采用TOPSIS法[12]建立新的評价指标即结构风险贴近度S，根据贴近度大小判断基本事件对事故的关键程度。

该方法既对事故树基本事件的概率进行了较为准确的分级和赋值，又解决了风险矩阵法中指标算法不合理以及分级方式存在风险结的问题，评价结果更为准确、合理。

1工艺概况及模型构建

1.1 工艺概况

脱硫工艺目前主要有干法脱硫技术、湿法脱硫技术、半干脱硫技术3种类型[13]。其中，湿法脱硫技术是目前世界上应用最多、最为成熟的脱硫工艺，其脱硫效率可达到99%[14]。文中以湿法脱硫技术的脱硫工艺为背景。其具体脱硫过程为：首先利用循环泵将石灰石浆液运输至吸收塔顶，然后在塔顶自上而下喷淋，与进入塔内的烟气逆流接触。烟气中的SO2，SO3等有毒有害气体被浆液吸收生成石膏，最后生成的石膏经过脱水处理后被运往灰场贮存[15-16]，反应废液经过处理后可与新浆液混合形成半富液继续进行脱硫反应，脱硫后的烟气经过吸收塔和除雾器后，转化成清洁烟气经烟囱排出。热电厂湿法脱硫工艺的工艺流程图如图1所示。

1.2 事故树构建及结构重要度分析

1.2.1 事故树构建

通过系统分析热电厂脱硫工艺任务得到封闭环境、个人防护失效、毒害气体液体泄露3个中间事件及擅自进入受限空间、作业方式不合理、通风机故障或通风能力不足等13个基本事件。以此为基础，构建出图2所示事故树。

1.2.2 结构重要度计算

事故树的结构重要度是指在不考虑基本事件概率的情况下，从事故树的结构上分析基本事件对顶上事件的重要程度[17]。结构重要度大小的确定一般既可以通过最小割集或最小径集分析后排序，也可以通过公式计算的方式得到。为保证精度[18]，文中中的结构重要度均通过计算得到，具体计算公式如下

（1）

式中 I（i）为结构重要度;kj为含有基本事件i的最小径集;nj为kj中的基本事件数。

1.3 风险矩阵法分析

风险矩阵法是通过对危险有害因素的风险概率P和风险影响程度C进行定量评估，据此得到危险有害因素的风险等级R，计算公式如下

R=P·C

（2）

式中 P为发生事故或危险事件的风险概率等级，可能性分值见表1;C为发生事故或危险事件所造成的影响等级，分数取值见表2[19-21];R为作业条件风险等级计算分值，等级划分依据见表3.

1.4 事故树-风险矩阵法分析

文中在采用TOPSIS法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution）对结构重要度I和风险概率P进行赋权重处理的基础上建立了新的指标即结构风险贴近度S，用结构风险贴近度S表征基本事件在事故树中的关键程度。

TOPSIS是一种多目标决策、排序的方法。该方法的核心在于将项目的各个参数与各个指标的参考值之间的相对距离统一量化，以贴近度S表示项目的理想程度，贴近度越大表示越接近理想程度[22]。TOPSIS法结合熵权法[23]能够避免风险矩阵法带来的风险结和未考虑指标权重问题，选用TOPSIS法计算基本事件的结构风险贴近度主要包括3个步骤即

1）根据基本事件的结构重要度和风险概率建立矩阵并进行正向化、标准化和归一化处理。

2）选用熵权法计算评价指标权重，得到加权规范化指标矩阵。

3）计算基本事件的结构风险贴近度，根据贴近度大小进行排序，判断各基本事件对顶上事件的关键程度。

所以，文中首先根据项目数m和指标数n建立一个初始矩阵A=（bij）m×n，由于结构重要度I和风险概率P指标本身已经正向化，进而采用Min-Max标准化[24]方法对初始矩阵A=（bij）m×n进行指标标准化，再进行归一化之后得到指标矩阵B=（xij）m×n，式（3）为文中依据的Min-Max标准化计算公式;式（4）为归一化计算公式

xij=yij/mi=1yij，j=1，2，…，n

（4）

式中 y为标准化后数值;b为某一属性原始值;Amin为某一属性最小值;Amax为某一属性最大值;xij为归一化后数值。

其次，以得到的指标矩阵B为基础计算各指标权重Wj，从而得到加权规范化指标矩阵C.加权规范化指标矩阵C的表达式如下所示

为保证指标权重的科学性和合理性，文中选用熵权法计算指标权重。其具体计算公式如下

式中 Wj为计算指标的熵权;Hj为计算指标的熵值;k为玻尔兹曼常数;xij为第j个指标下的第i个标准化、归一化后的数值。

在计算贴近度时，取某一项指标的最大值为正理想点v+j，最小值为负理想点v-j。由此计算某一项目与所有正负理想点的相对距离S+i和S-i，进而计算出贴近度Si.计算公式如下[25]

式中 vij为第i个项目的第j项参数加权标准化后的数值;Si为贴近度，贴近度越大表示越接近理想状态。

Si越大表示该基本事件对顶上事件即中毒窒息事故越关键。最后，以Si为基准评估基本事件对中毒窒息事故的关键程度。

2 实例分析

2.1 结构重要度分析

简化图1中的事故树得6个事故树的最小径集，分别为：{X1}、{X2}、{X3，X4}、{X10，X11}、{X5，X6，X7，X12}和{X5，X6，X8，X9，X13}，采用式（1）计算得到基本事件的结构重要度并汇总于表4.

由表4可知，各基本事件结构重要度排序为X8=X9=X13

2.2 风险矩阵法评估

依据风险矩阵法评分原则对中毒窒息事故树基本事件进行分析，得到X9，和X13 2个一般风险因素，X1，X2，X4，X5，X6，X7，X8，X10，X11和X12 10个中等风险因素，以及X31个重大风险因素。各基本事件风险评估结果见表5.为更直观地表示风险矩阵分析结果，文中将表5中的数据同时以图谱的形式展示于图3中。

由表5可知，风险矩阵法分析发现13个风险因素的风险等级排序为X13

2.3 事故树-风险矩阵法结构风险贴近度分析

2.3.1 建立指标矩阵

根据结构重要度和风险概率2个指标和13个基本事件建立初始矩阵A=（bij）13×2，因为指标本身已经正向化，故由式（3）、式（4）再对初始矩阵进行标准化和归一化后，得到指标矩阵B为

2.3.2 熵权法计算指标权重

分别取指标矩阵

B每一列上的元素，由式（6）计算得到结构重要度I和风险概率P的熵值H1（0.79）、H2（0.87）;进一步通过式（5）计算得出熵权W1（0.6）和W2（0.4）。最后得到的加权规范化指标矩阵C为

2.3.3 TOPSIS法计算结构风险贴近度

由加权规范化指标矩阵

C看出文中结构重要度指标的正理想点v+j为0.138，负理想点v-j为0;风险概率指标正理想点v+j为0.074，负理想点v-ij为0.分别取加权规范化矩阵

C每一行上的所有元素，由式（7）、式（8）和式（9）计算得各基本事件结构风险贴近度。各基本事件贴近度见表6，排序结果如图4所示。

由表6可知，基本事件的结构风险贴近度大小排序为X9

2.4结果对比分析及预防措施

为了验证事故树-风险矩阵法评估结果的合理性，选用斯皮尔曼相关性分析计算事故树-风险矩阵法、事故树法、风险矩阵法分析结果的相关系数，斯皮尔曼相关系数计算公式如下所示[26]。

式中 N为数据个数;di为第i条数据的2个变量排序之差。文中选用SPSS软件计算斯皮尔曼相关系数，计算结果见表7.

由表7可以看出，结构风险贴近度与风险等级、结构重要度的评价结果相关系数分别为0.556和0.884，分别在0.05水平和0.01水平上呈显著相关，证明了事故树-风险矩阵法的可靠性;由于本例中结构重要度指标的权重更大，所以相关性系数也更高;而风险等级与结构重要度不具有显著相关度，这是由于结构重要度由事故树本身得到，而风险等级从生产系统上考虑，两者分析角度不同，故分析结果存在差异。

为便于比较，分别将事故树-风险矩阵法、事故树分析法和风险矩阵法3种方法对各基本事件关键程度的评估结果标准化后同时绘制于图5中。

由图5可以看出，结构风险贴近度的数值结果与另外2种方法的结果趋势上一致，说明了事故树-风险矩阵法的合理性。相对于事故树结构重要度排序，区分了4组结构重要度相同的基本事件的关键程度。相对于风险矩阵法风险等级排序;区分了2组风险等级分值相同的基本事件，说明了通过事故树-风险矩阵法对基本事件的排序具有更好的准确性和区分度。

事故树-风险矩阵法的评估结果显示在中毒窒息事故树中基本事件X2，X1，X3和X11的关键程度最高。针对X2通风机故障或通风能力不足的问题，应定期检查风机供压情况，对出现的破损漏风情况要及时予以治理;针对X1气体检测装置失效的问题，应定期检查关键位置的检测装置和报警装置，出现异常时及时上报技术人员和安全人员处理;针对X3未佩戴或未正确佩戴防护用具，建议定期进行防护用具的使用教学和安全教育;针对X11作业方式不合理，应制定完善的作业路线和标准化作业内容，并切实落实至日常工作中。

3 结 论

1）运用事故树法对热电厂脱硫工艺中毒窒息事故进行了分析，得到3个中间事件和13个基本事件，对基本事件结构的分析表明，“气体检测装置失效”、“通风机故障或通风能力不足”具有最高的结构重要度，“未佩戴或未正确佩戴防护用具”、“作业方式不合理”等因素次之。因此，应定期检查风机供压情况，出现的破损漏风的事件时要及时处理。

2）运用风险矩阵法对事故树基本事件进行了分析，研究表明“未佩戴或未正确佩戴防护用具”的风险等级最高，其次是“防护用具过期或质量不合格”，而“储罐接口处泄露”等的风险等级相对较低。因此，需定期对员工进行防护用具使用的培训和安全教育。

3）采用熵权法计算了事故树-风险矩阵法中结构重要度和风险概率权重，进而用TOPSIS法对各基本事件结构风险贴近度进行了研究，结果表明“通风机故障或通风能力不足”的结构风险贴近度最大，其次是“气体检测装置失效”，“废液池盖板未密封”的贴近度最小。

4）采用斯皮尔曼相关系数法证明了事故树-风险矩阵法分析结果的可靠性，相比于独立的事故树分析法和风险矩阵法，结合的方法具有更高的准确性和区分度。

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