基于动态贝叶斯网络的石化装置火灾事故动态风险分析*

周宁 吴克建 李雪 刘晅亚 袁雄军 李徐伟 曹林林 乔世伟

(1.常州大学石油工程学院 江苏常州 213016； 2.应急管理部天津消防研究所 天津 300381)

0 引言

石油炼化是石油生产的重要环节，石化装置是关系到石油炼化工作能否顺利进行的关键。石化装置规模大，易燃易爆危险物和危险设备多。一旦发生重大事故时，往往会带来灾难性的后果。2017年11月30日新疆某石化公司炼油厂重油催化裂化装置发生事故，造成5死3伤。2018年3月12日九江石化公司一炼油装置着火，事故导致2死1伤。2018年8月4日兰州石化公司炼油厂气体分馏装置泄漏着火，引发火灾。伴随着近年来石化装置事故的发生，石油炼化装置事故动态风险分析越来越受到学者和行业专家的重视，KHAKZAD N等[1]在蝶形图模型(Bow-tie model)上引入贝叶斯网络理论对系统安全屏障进行动态分析；KALANTARNIA M等[2]应用贝叶斯网络方法对危险化学品储罐和装置失效概率及事故发生概率进行修正；赵秋德[3]分析了石化生产装置事故发生泄漏后未发生爆炸、爆炸后未着火、泄漏后爆炸、着火等事故特点；韩恩慧[4]将贝叶斯网络与集对分析法相耦合对石化装置的火灾、爆炸危险性进行研究，得出石油化工装置火灾、爆炸事故的定性及定量风险评价理论；周波[5]采用Dow’s法、ICI蒙德法对石油萘装置的工艺过程风险进行了评价；周宁等[6]运用T-S动态故障树研究了乙烯装置生产工艺过程中的动态风险，定量计算了乙烯装置发生事故扩大化的动态风险概率；殷勇[7]提出了一套适用炼化装置的风险分级方法。目前，石油炼化装置事故研究主要集中在石化装置工艺流程风险性和事故特点研究上，而针对石油炼化装置事故动态风险分析和情景演变研究较少。本文将采用故障树评估法，将情景演变与动态贝叶斯网络相耦合，对石化装置可能发生事故的情景路径进行分析，实现对石化装置火灾事故动态演变预测。

1 石化装置故障树分析

石化装置的原料和产品多数具有易燃、易爆、有毒、腐蚀性等，同时，石化生产常常伴随着高温、高压、低温、低压等工艺流程。风险因素识别是石化装置风险分析的基础，更是风险评价和风险处理的前提。对石化装置进行风险因素分析，对各个装置的工艺流程、运行环境及潜在危险性进行分析，结合装置元件失效概率高低，确定装置故障主要因素，然后建立石化装置火灾事故故障树来表示装置的某些致因因素与其所导致的某种事故间的逻辑关系。

2 构建石化装置火灾事故动态贝叶斯网络

2.1 事故情景演变路径分析

石化装置火灾事故的演变过程存在4个要素，分别为事故情景状态(S)、处置目标(T)、应急措施 (M)和灾害事故的自身演变(◎)，这4个要素之间的关系如图1所示，针对事故情景状态(S)采取相应的应急措施(M)，通过事故自身演变，确定能否实现处置目标(T)。

图1 事故演化过程示意

石化装置事故随着时间轴演变过程中，可能出现不同的演变路径，当石化装置的事故情景状态在采取应急措施达到处置目标时，灾害事故就按照预期演变到下一时刻的事故情景；当灾害事故的情景没有应急措施或采取应急措施失败时，事故就会往悲观的方向演变。灾害事故发生后，在t1时刻，应急措施M1，作用于情景状态S1，在灾害事故自身演变的同时，达到处置目标T2；在t2时刻，灾害事故又在自身演变的同时，情景状态演变为S2，应急措施M2作用于情景状态S2，达到处置目标T2；依此类推，直至灾害事故结束。

2.2 动态贝叶斯网络构建

动态贝叶斯网络是“描述变量之间概率关系”的图形模式，是一个有向无环图，可以以局部状态和条件概率的形式来描述石化装置系统的状态空间、装置失效因素相关性和石化装置火灾事故动态演化过程。其中，在定性层面，动态贝叶斯网络用各个节点来表示装置发生火灾事故时的随机变量，用一个有向无环图描述了节点变量之间的独立和依赖关系，即节点在给定其父节点的前提下与其非后代节点条件独立。在定量层面，贝叶斯网络的每一个节点都附有一个概率分布，根节点X所附的是它的边缘分布Pr{X}，非根节点X所附的条件概率分布Pr{X|Pa(X)}，利用条件概率分布刻画了变量对其父节点的依赖关系。

贝叶斯网络概率分布公式：

(1)

其中，当Pa{Xi}=φ时，Pr{X|Pa(X)}即为边缘分布Pr{X}。

动态贝叶斯网络的联合概率分布公式：

(2)

建立动态贝叶斯网络的步骤如图2。

图2 建立动态贝叶斯网络的步骤

石化装置的事故情景要素和贝叶斯网络情景演变如表1和图3所示。

表1 石化装置事故情景要素

图3 动态贝叶斯情景演变示意

图3所示，是一个包含若干个事故情景的事故装置事故情景演变的所有可能路径，每个情景状态(S)中都会有对应的处置措施(M)。如果达到相应的处置目标，事故的情景状态就会朝着乐观方向演变；没有达到相应的处置目标，事故的情景状态就会朝着悲观方向演变。

事故最乐观的事故演变途径为：

S1→S2→S3→S4

表示处置措施(M1)使事故朝着最乐观的处置目标方向演变，即及时采取处置措施处理事故，没有引发新的事故，最终事故消失。

事故最悲观的装置事故演变途径为：

S1→S2→S6→S8

表示处置措施(M)使灾害事故朝最悲观的处置目标(T)方向演变，即石化装置发生初始事故未能及时采取处置措施(M)或处置措施(M)未起作用，导致整个石化装置发生火灾甚至爆炸事故。

本文采用悲观主义决策准则进行推演，选取最悲观的情景演变的动态贝叶斯网络结构，采用专家打分方法确定贝叶斯网络各节点变量的条件概率[8]，利用计算软件MATLAB和联合概率公式计算出各个节点的状态概率。

3 实例分析

以丙烯精馏装置为例进行实证分析。丙烯精馏装置属于甲类防火装置，装置大部分区域属于爆炸危险2区[9]，所涉及的火灾危险介质为甲类可燃液体和甲类可燃气体, 其中丙烷属于甲B类火灾危险性物质，空气易与其蒸气混合形成爆炸性物质，一旦遇到高温、明火极易引发燃烧或爆炸，火灾危险性极大。

3.1 丙烯精馏装置火灾事故故障树

依据对丙烯精馏装置工艺流程、运行环境及潜在危险性的分析，确定装置易失效元件为塔体、换热器、冷凝器、再沸器等，确定装置故障主要影响因素有装置材质差、腐蚀、磨损、生污、杂质沉淀、冲刷、外力破坏等。建立丙烯精馏装置的火灾事故故障树如下，图4、表2分别为丙烯精馏装置火灾事故故障树及基本事件说明。

图4 丙烯精馏装置事故故障树

表2 丙烯精馏装置故障树事件说明

丙烯精馏装置事故主要由塔体故障和冷凝器、再沸器故障引起的装置失效遇火源发生火灾。其中，导致塔体故障发生火灾、爆炸事故的主要影响因素为腐蚀磨损、塔体缺陷等导致塔体开裂穿孔引起火灾；精馏装置的冷凝器和再沸器发生故障也可能导致丙烯精馏装置发生火灾事故；装置的长期使用，冷凝器和再沸器的换热管中因细菌繁殖引起生污结垢和钙化物沉积导致管内存在有物料垢，当垢层越来越厚，极易造成冷凝器和再沸器故障。

3.2 丙烯精馏装置情景概率计算

丙烯精馏塔或设备故障的发生造成火灾事故，塔体设备火灾事故扩大，同时引发整个装置发生火灾爆炸事故。丙烯精馏装置事故情景要素和情景演变如表3和图5所示。

图5 丙烯精馏装置动态贝叶斯情景示意

表3 丙烯精馏装置事故情景要素

采用悲观主义决策准则进行推演，选取最悲观的情景演变的动态贝叶斯网络结构，采用专家打分方法确定贝叶斯网络各节点变量的条件概率，利用计算软件MATLAB计算出各个节点的状态概率，如图6所示。

图6 丙烯精馏装置事故情景推演示意

根据图6可知，丙烯泄漏起火被控制概率为73.7%，装置发生流淌火被扑灭概率为60.4%，冷凝器、再沸器抢修成功概率为57.5%，丙烯精馏装置失效有效降低热辐射的概率为52.3%，丙烯精馏装置起火的概率为50.7%。

4 结论

本文基于动态贝叶斯网络的方法对石化装置火灾事故进行了风险分析，得到以下结论：

(1)采用故障树与动态贝叶斯网络结合提出了石化装置动态风险分析的方法及流程，有效弥补了故障树方法无法描述石化装置火灾事故动态性问题的缺陷，为石化装置火灾事故动态风险分析提供了一种新思路。

(2)基于情景状态(S)、处置目标(T)、处置措施(M)和自身演变(◎)4个要素表示石化装置火灾事故情景演变路径，可以将此石化装置火灾事故的演变规律清楚表示出来，为事故应急救援快速采取合理的干预手段提供依据。

(3)由于石化装置火灾事故影响因素的复杂性、多样性以及不确定性，导致对样本信息要求较高。因此在样本信息足够多、领域专家经验足够丰富时，即可得到更加精确的石化装置火灾事故推演结果。