基于HAZOP-集对分析理论的制磷电炉风险评价*

陈静文，代金凤，梅 毅，朱远蹠，翟 持

(1.昆明理工大学 公共安全与应急管理学院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大学 化学工程学院，云南 昆明 650500；3.云南省磷化工节能与新材料重点实验室，云南 昆明 650500；4.云南省高校磷化工重点实验室，云南 昆明 650500)

0 引言

我国磷矿资源储量居世界第二位，磷矿石产量居世界第一位，黄磷生产量占世界的80%以上，主要采用电炉法生产。黄磷容易氧化，燃点为35 ℃，与空气接触迅速燃烧。制磷电炉出口气体中含有85%～90%的CO与磷蒸汽，如果空气进入系统将引发燃烧、爆炸。因此，制磷电炉的风险评价对黄磷安全生产意义重大。

许多学者对制磷电炉的风险进行了研究。陈善继[1]研究发现，负压、漏水、炉底烧穿会引发爆炸。胡民信[2]分析发现导致制磷电炉碳砖腐蚀的原因是磷炉在开、试车生产中的负荷不稳、频繁拉合闸等。孙志立等[3]分析了制磷电炉运行中的故障及工艺操作中存在的问题。赵长升等[4]运用定性与定量方法分析了黄磷生产工艺中存在的黄磷、磷炉气等危险物质和火灾、爆炸等危险。孟昊等[5]运用风险指数矩阵法分析了黄磷生产工艺中存在的风险。但有关制磷电炉总体风险及风险转化趋势的研究尚未见报道。

HAZOP(Hazard and Operability Analysis)又称危险与可操作性分析，是英国帝国化学工业公司提出的一套过程安全分析方法，其可以评估整个工程设计和现有工艺中的潜在故障和危险[6]。HAZOP方法具有全面性、系统性的优点，目前已成为化工行业普遍采用的安全评价方法。

集对分析理论是由中国学者赵克勤于1989年提出的，目前在安全评价、水利科学等领域应用广泛并取得了显著效果。杨鑫等[7]采用集对分析方法对区域水资源承载力进行了评价，发现集对分析方法具有客观性和公平性的优点。郝卫华[8]利用集对分析法评价了煤矿生产运行现状，结果表明集对分析法有利于确定生产中的安全薄弱环节。

本文提出了一种基于HAZOP-集对分析理论的制磷电炉风险评价模型，以期通过此模型确定制磷电炉总体的风险等级及风险转化趋势，从而制订合理的防范措施，避免事故发生。

1 基于HAZOP- 集对分析理论的制磷电炉风险评价步骤

a.制磷电炉的HAZOP分析。确定偏差，分析偏差出现的原因、导致的后果及采取的措施，完成HAZOP分析报告。

b.选取评价指标。基于上述HAZOP分析的评价结果，选取事故原因及其他重要因素作为评价指标。

c.构建制磷电炉的风险评价指标体系。根据制磷电炉的实际生产情况，构建拥有3个层次的风险评价指标体系，即目标层、准则层、指标层。

d.确定制磷电炉的风险评价等级。结合事故发生的原因与事故后果的严重性，确定为5个风险等级。

e.确定评价指标的权重。运用层次分析法与熵权法确定评价指标的组合权重[9]。

f.确定评价指标的联系度与集对势。依据集对分析方法与集对势方法分别求解评价指标的联系度与集对势。

g.确定制磷电炉的总联系度及集对势。将评价指标的组合权重与联系度结合，求解制磷电炉的总联系度及集对势。

h.确定制磷电炉总体的风险等级及风险转化趋势。根据总联系度，按照最大隶属度原则确定风险等级，根据集对势势级确定风险转化趋势。

2 基于HAZOP- 集对分析理论的制磷电炉风险评价模型构建

2.1 电炉制磷单元的工艺流程

磷矿石、焦炭、硅石由皮带输送机送入料仓，经下料管进入电炉。磷炉变压器经短网将三相电流输入石墨电极，石墨电极以电阻热的形式使炉内产生高温。磷矿石借助硅石的低熔点特性与焦炭发生还原反应，磷炉气由导气管进入磷炉气冷凝工序回收黄磷；熔融炉渣通过排渣口排出，水淬粒化后，由桥式抓斗起重机或输送机械设备提升至炉渣储斗；熔融磷铁在炉渣排放后沉积于磷铁池内，冷凝之后作为副产品出售。电炉制磷单元工艺流程见图1。

图1 电炉制磷单元工艺流程

化学反应式为

4Ca5(PO4)3F+30C+21SiO2→

30CO+20CaSiO3+SiF4+3P4。

2.2 制磷电炉的HAZOP分析

HAZOP小组成员对电炉制磷单元中的风险进行“头脑风暴”式讨论。制磷电炉的HAZOP分析结果见表1。

表1 制磷电炉的HAZOP 分析结果

2.3 制磷电炉风险评价指标选取

以HAZOP分析中的事故原因为基础构建制磷电炉风险评价指标体系，结合制磷电炉生产现状，选取人员和管理方面的重要因素作为评价指标(见图2)。

图2 制磷电炉的风险评价体系

2.4 制磷电炉风险等级确定

将制磷电炉的风险等级划分为：{A-安全，B-较安全，C-一般安全，D-较危险，E-危险}，其风险等级划分见表2。

表2 制磷电炉的风险等级划分

2.5 评价指标组合权重确定

本文选用改进的层次分析法——三标度(0，1，2)法计算指标权重，该方法不需要进行一致性检验。

熵权法是通过计算评价指标的信息熵来量化评价指标的相对变化程度对系统的影响[10]。一般情况下，信息熵越小，评价指标提供的信息量就越多，评价指标的权重就越大。

层次分析法过分依赖人的主观意识，熵权法的客观性较强，因此本文采用乘法归一化方法[11]将二者结合来计算评价指标的组合权重(ωq)，结果更符合实际情况[9]。

(1)

式中，Aq为改进层次分析法计算的权重，Bq为熵权法计算的权重[9]。

2.6 评价指标与制磷电炉的联系度及集对势的确定

2.6.1 集对分析理论

集对分析是一种数学理论，可以处理确定与不确定信息的集成，并将其视作一个整体考虑[12]。集对分析用联系度表示评价对象的同一度、差异度和对立度之间的关系。联系度一般用μ表示：

μ=a+bi+cj，

(2)

式中：a为同一度；b为差异度；c为对立度；i为差异度系数，取值范围为[-1,1]；j为对立度系数，取值为-1；a、b、c满足条件a+b+c=1[9]。

集对分析的联系度有时不能满足实际生产中的需要，因此对其进行优化，优化后的公式为

μ=a+b1i1+b2i2+b3i3+cj，

(3)

式中，b1、b2、b3为不同的差异度等级，i1、i2、i3为差异度分量系数，a、b1、b2、b3、c满足条件a+b1+b2+b3+c=1。

集对势是指某个问题中同一度、差异度、对立度大小的比较，反映了某种动态演变趋势。金菊良等[13]构造了改进的五元减法集对势，将其定义为

shi(H)=(a-c)·(1+b1+b2+b3)

+0.5·(b1-b3)·(b1+b2+b3)。

(4)

由式(4)可知，shi(H)=[-1,1]。按照均分原则将集对势分为5个等级(见表3)。当评价指标的集对势为shi(H)∈[-1.0,-0.2)时，认为该指标是导致评价对象等级较差的主要因素，可诊断、识别为评价对象的脆弱性指标，该指标所代表的方向是今后系统发展过程中应关注的调控对象[14]。

表3 集对势分级[9 ]

2.6.2 评价指标与制磷电炉的联系度及集对势的计算步骤

①设Q={q1，q2，…，qn}为制磷电炉的评价指标合集，邀请R位专家对评价指标依据风险等级划分标准进行打分。

②整理专家的打分结果，将各评价指标的打分结果进行归一化处理。

③将总联系度中的同一度、差异度、对立度赋予风险等级的意义，风险等级的集合为

(5)

式中，i={1，2，…，n}。

评价指标的联系度为

μi=ai+bi1i1+bi2i2+bi3i3+cij。

设评价指标的组合权重为ω={ω1，ω2，…，ωn}，总联系度求解公式为

集对分析遵循最大隶属度原则：

其所在的级别为制磷电炉的风险等级。

④确定制磷电炉的风险等级后，运用集对势分析制磷电炉的总体风险转化趋势及评价指标的集对势势级。集对势处于反势或偏反势的评价指标，需要重点管控。

3 实例应用

某企业位于云南省昆明市，当地年平均气温16.5 ℃，年均降雨量1 450 mm，雨季集中在5-10月，年均风频为41%。该企业的制磷电炉属于中型制磷电炉，主要由炉体、电极和电极自动升降装置、水封装置、变压器、温度、压力检测和控制仪表组成。炉体顶部安装温度、压力记录及报警仪表，中部、底部安装温度记录及报警仪表。

3.1 评价指标组合权重的计算结果

邀请10位黄磷生产领域的知名专家进行打分(见表4)，然后计算评价指标的组合权重。

表4 专家打分结果

计算得到评价指标的组合权重为W={0.117，0.004，0.017，0.007，0.011，0.057，0.021，0.109，0.009，0.06，0.021，0.037，0.085，0.122，0.055，0.163，0.066，0.039}。

由评价指标的组合权重可知，C11、C23、C42、C51的组合权重较大，在制磷电炉的风险评价中比较重要。

3.2 基于HAZOP-集对分析理论的制磷电炉风险评价模型的评价结果

①运用基于HAZOP-集对分析理论的制磷电炉风险评价模型计算制磷电炉的总联系度

②制磷电炉的集对势为shi(H)=0.106，处于均势，说明制磷电炉的风险向安全等级和一般安全等级转化的趋势相同[15-16]。

③评价指标的集对势分布见图3。

图3 评价指标的集对势分布

由图3可知，C42的集对势为shi(H)=-0.475，处于偏反势。根据集对势势级的分配原则及内涵，C42是需重点管控的指标。

3.3 结果分析与讨论

由评价指标的组合权重可知，C11电炉密闭性差、C23原料配比不合格、C42人员违章作业、C51安全管理制度不完善在制磷电炉的风险评价中比较重要，需要重点管控。

制磷电炉总体的风险属于较安全等级，风险向安全等级与一般安全等级转化的趋势相同，但是C42人员违章作业的集对势处于偏反势，需要重点管控，否则将加大制磷电炉的风险向一般安全等级转化的趋势。

结合以上分析，提出以下应对措施：

a.制订严格的电炉检修流程，定期检测车间空气中有毒气体的浓度。

b.定期化验炉渣，调整炉料的配比。

c.定期组织安全知识培训、安全检查、生产规章制度宣教等。

d.严格执行安全生产责任制，领导要带头宣贯安全生产方面的重要内容，推动安全生产责任制的落实等；车间负责人要积极制订、检查、总结车间的安全生产工作，创造良性竞争环境，调动员工积极性等；班组长要向工人传达班组生产中的不安全因素与安全注意事项，将安全生产贯彻到工人日常工作中等；安全员要定期对工人进行安全教育与检查，不定期进行安全抽查，发现事故隐患及时汇报等[9]；员工要遵守安全职责，认真执行各项规章制度，参加安全演练活动，遇到异常情况及时汇报等。

e.定期进行制磷电炉的风险评价，掌握风险转化趋势，动态调整措施。

4 结论

本文采用HAZOP分析制磷电炉的安全隐患，以事故原因为基础建立了风险评价指标体系，构建了基于HAZOP-集对分析理论的制磷电炉风险评价模型。该模型的优点有：继承了传统HAZOP方法的全面性、系统性特点；集对分析理论直观展现了制磷电炉总体的风险等级及风险转化趋势，实时反映了制磷电炉的安全现状，揭示了制磷电炉中需要重点管控的指标，有利于企业及时了解制磷电炉的安全现状并调整预防措施，避免事故的发生。

将此模型应用于云南省某企业的制磷电炉风险评价中，评价结果显示该制磷电炉处于较安全等级，电炉密闭性差、原料配比不合格、人员违章作业、安全管理制度不完善对制磷电炉的风险影响较大，并提出了应对措施。该模型的评价过程可操作性强，具有较强的实用价值，可用于制磷电炉的安全现状评价，可为制磷电炉安全管理提供参考。