五项化工安全工程技术的研究与应用
邹志云，管臣，郭宁，王庆志，孟磊
（军事科学院 防化研究院）
摘要：根据危险化学品生产所用特种化工过程的安全管控需求，对五项化工安全管控工程技术进行了研究与应用，包括危险化学品安全技术数据说明书（MADS）及其管理软件开发、道化学化学品（DOW）化学暴露指数（CEI）的计算及其评估软件开发、DOW火灾爆炸指数（F&EI）的计算及其评估软件开发、基于人工免疫诊断算法的化工过程动态预警技术及其软件开发、基于预定义树和故障树的安全事故调查分析管理技术及其软件开发等，力求构建化工过程安全风险管控技术体系，从生产全生命周期对特种化工过程进行全方位安全管控。
关键词：化工安全工程危险化学品安全技术数据说明书DOW化学指数动态预警安全事故调查
对于生产危险化学品的特种化工过程，安全性应放在首位。完全依赖人员经验的传统式安全防护技术，在工艺介质危险性大、工艺过程日趋复杂的形势下，已不能很好地满足特种化工过程的安全管控需要。随着国内外安全科学与工程技术的研究、发展和应用的日益成熟，按照安全工程技术原理和方法对危险的特种化工过程进行安全管控，已逐步成为国内外化工安全领域的通行做法［1-5］。
本文根据危险化学品生产所需特种化工过程的安全需求，阐述了五项化工过程安全工程技术的研究与应用，包括危险化学品安全技术数据说明书MSDS（material safety data sheet）及其管理软件开发、道化学化学品（DOW）化学暴露指数CEI（chemicalexposure index）的计算及其评估软件开发、DOW火灾爆炸指数F & EI（fire & explosion index）的计算及其评估软件开发、基于人工免疫算法的化工过程动态预警技术及其软件开发、安全事故分析管理技术及其软件开发，力求从事前、事中和事后等多方面对特种化工过程进行全方位安全管控。
1危险化学品安全技术数据说明书及其管理软件开发
MSDS国际上称作化学品安全信息卡，一般包括： 化学品名称、成分/组成信息、危险性概述、急救措施、消防措施、泄漏应急处理、操作处置与储存、接触控制/个体防护、理化特性、稳定性和反应活性、毒理学资料、生态学资料、废弃处置、运输信息、法规信息和其他信息等16项信息。
MSDS用来阐明化学品的理化特性，如pH值、闪点、易燃度、反应活性等，以及对使用者的健康可能产生危害的一份文件，是一份关于危险化学品的燃、爆性能，毒性和环境危害，以及安全使用、泄漏应急救护处置、主要理化参数、法律法规等方面信息的综合性文件。
MSDS是传递化学品危害信息的重要文件，它简要说明了一种化学品对人类健康和环境的危害性，并提供如何安全搬运、储存和使用该化学品的信息。MSDS让使用者了解化学品的有关危害，并根据使用的情形制订安全操作规程，选用合适的防护器具，培训作业人员，使用时能主动进行防护，起到减少职业危害和预防化学事故的作用。因此，MSDS的编写质量已成为衡量化学品研发力量和生产实力、形象以及管理水平的一个重要标志。
MSDS规定的16项内容在编写时不能随意删除或合并，其顺序不可随意变更。各项目填写的要求、边界和层次，按“填写指南”进行。其中16项为必填项，而其中的每个小项可有3种选择，标明［A］项者，为必填项；标明［B］项者，该项若无数据，应写明无数据原因，如无资料、无意义；标明［C］项者，若无数据，该项可略。
MSDS的正文应采用简捷、明了、通俗易懂的规范汉字表述，数字资料要准确可靠，系统全面。从该化学品的制作之日算起，MSDS的内容应每5ɑ更新一次，若发现新的危害性，在有关信息发布后的半年内，必须修订MSDS的内容。
MSDS采用“一个品种一卡”的方式编写，同类物、同系物的技术说明书不能互相替代；混合物要填写有害性组分及其含量范围，所填数据应是可靠和有依据的。一种化学品具有1种以上的危害性时，要综合表述其主、次危害性以及急救、防护措施。
在一种化学品的MSDS收集和编写好后，以PSM Suite工艺安全管理智能软件为平台，在其工艺安全信息（PSI）模块中，点击添加新化学品物料，会出现该化学品物料的MSDS输入界面，输入其16项安全管控信息，点击保存即可。根据生产需要，本文专门研究并编辑了甲基膦酰二氯、二乙氨基乙硫醇、三乙胺和石油醚等多种化学品的MSDS信息，而且在PSM Suite中建立其MSDS库。依据这些化学品的MSDS库，设计制作了安全周知卡，供现场生产操作人员随时观查和参考，对安全使用和处置这些危险化学品具有重要价值。三乙胺的化学品安全周知卡如图1所示。
图1三乙胺化学品安全周知卡
2 DOW化学暴露指数的计算及其评估软件开发
美国道化学公司（DOW Chemical Co.）在1986年5月开发了CEI［6-8］，CEI与F & EI配套使用可有效地评价化工装置及相关设施变化的潜在危险。CEI可系统提供一种评价相对危险等级的方法，用于评价可能的化学释放事件对邻近的人员或居民产生的严重健康危害。
CEI应用于初始工艺过程危险分析、计算分布等级指数、通过审定工艺过程，提出消除、减少或减轻释放的建议和应急响应计划。本文的目标是在已有的CEI基础上，研发软件实现该方法，形成一个安全指数计算工具，具备一定的管理功能，能记录、查看、导出已有的各次计算结果。
CEI的计算需要以下数据： 精确的装置图和附近的布置图；一个装置简化的主要流程图，应包含储罐等容器、主要工艺管线和化学品的量；涉及的相关化学品的理化性质，以及其应急响应计划指标值ERPG（emergency response planning guidelines）的数据。CEI的计算按照以下步骤：
1） 通过流程图、管线图等，确定可能产生泄漏的有毒化学品。
2） 计算CEI。确定可能的化学品泄漏事故，确定ERPG2，确定各种可能场景下的大气泄漏量（AQ），选择AQ最大的场景，计算CEI，计算安全距离（HD），汇总报告。
3） 汇总计算结果。
CEI计算的详细数学模型可参见文献［6-8］。
CEI计算的软件系统使用Java开发，设计为基于Web的网页应用程序，浏览器/服务器模式，无需安装，只需要通过网页浏览器即可登录使用，大幅提高了使用的灵活机动性，并且动态页面技术也有助于软件的智能化。软件程序采用广泛使用的MVC架构来设计，如图2所示。MVC框架将软件程序分为模型、视图和控制器三个层次：模型主要负责处理业务逻辑和数据；视图主要指用户界面；控制器负责联系视图和模型，从视图获取用户请求后向模型传递数据，将模型处理的结果返回视图。
图2DOW CEI计算软件系统的MVC架构
CEI计算软件系统的模块化结构如图3所示，包括CEI项目数据管理、CEI在线计算、CEI报告产生和ERPG数据管理等主要功能模块。
图3DOW CEI计算软件系统的功能模块
使用该CEI计算软件，评估了G生产装置的间歇蒸馏单元过程的泄漏暴露风险，得到的有关泄漏风险数据，该数据对改进该单元过程操作和工艺设计具有重要参考价值。DOW化学暴露指数评价计算数据见表1所列，DOW化学暴露指数评价计算结果见表2所列。
3 DOW火灾爆炸指数的计算及其评估软件开发
F&EI［9-10］是美国道化学公司提出的评价化工工艺过程和生产装置的火灾、爆炸危险性及采取相应安全措施的一种方法，已在国内外化工领域得到大量推广应用。
F&EI运用了大量的实验数据和实践结果，以被评价单元中的重要物质系数MF为基础，用一般工艺危险系数F1确定影响事故损害大小的主要因素，特殊工艺危险系数F2表示影响事故发生概率的主要因素。MF，F1， F2的乘积为火灾爆炸危险指数，用来确定事故的可能影响区域，估计所评价生产过程中发生事故可能造成的破坏；由MF和单元工艺危险系数F3=F1F2得出单元危险系数，从而计算评价单元基本最大可能财产损失，然后再对工程中拟采取的安全措施取补偿系数C，确定发生事故时实际最大可能财产损失和停产损失［10-11］。
F&EI的评估计算程序如图4所示，其中C1为工艺控制安全补偿系数、C2为物质隔离安全补偿系数、C3为防火设施安全补偿系数、MPPD（maximumprobable property damage）为最大可能财产损失、MPDO（maximum probable days of outage）为最大可能停工天数，BI为停产损失。F&EI值与危险等级之间的对应关系见表3所列。
表1DOW暴露指数评价计算数据
F&EI评估计算软件的架构和模块设计同CEI计算软件。
以O生产装置合成结晶工艺单元为例，其中含有二氯甲烷和石油醚等易燃易爆介质较多，数量较大，通过对开发的F&EI评估计算软件进行验证，评估计算得到的F&EI指数见表4所列，表4中确定的物质为汽油，操作温度为120℃，MF值为16。安全补偿措施系数见表5所列，工艺单元危险分析汇总见表6所列，有关数据对改进O装置合成结晶工艺单元的安全操作具有重要价值。
表2DOW暴露指数评价计算结果
图4 DOW F&EI评估计算程序
表3F&EI值与危险等级之间的对应关系
表4 火灾和爆炸指数
表5 安全补偿措施系数
续 表 5
表6 工艺单元危险分析汇总
4基于人工免疫算法的化工过程动态预警技术及其软件开发
人工免疫系统AIS（artificial immune system）是借鉴、利用生物免疫系统的信息处理机制的一种综合智能系统，它将免疫学与工程学有机结合，利用数学、计算机等技术建立免疫机制模型，并将其应用于工程的设计、实施等方面，将人工免疫中对于自我与非我的判断引入到故障诊断领域。动态人工免疫系统针对工艺流程的动态特性，以工艺流程的动态变量数据为驱动，以历史数据时间序列矩阵为抗体，在线数据时间序列矩阵为抗原，通过计算抗原与抗体的差异度对工艺流程进行在线故障诊断［11-12］。通过早期的故障诊断实现工艺过程异常工况的动态预警，使工艺操作人员及时采取措施使工艺过程回归正常，避免了安全事故的发生。
本文研究和应用的人工免疫故障诊断及预警算法主要包括3部分: 系统初始化，包括正常抗体库和故障抗体库的初始化；系统自学习，包括正常抗体库和故障抗体库的更新；在线故障诊断，包括故障检测和故障类别诊断。实际的在线故障诊断流程如图5所示［12-13］。
在线诊断开始之前要有一定量的原始正常样本和原始故障样本，分别对正常样本抗体库和故障样本抗体库进行初始化，再开始在线故障诊断。
1） 系统定时读入由生产设备或模型生成的在线数据，此时判断数据是否采集完毕，即是否已完成了一个批次的生产。若一个批次的检测已完成未发生故障，将测试数据处理后加入正常抗体库更新；将计算在线数据与正常抗体库中的抗体差异度，根据计算结果判断是否发生了故障: 如果没发生故障，继续读取数据进行检测；如果差异度超出了预定的差异度阈值，则认为对应过程发生了故障，转入故障类别的诊断。
图5基于人工免疫算法的在线故障诊断及动态预警流程
2） 进入故障诊断后，分别计算在线数据故障段的各变量与故障抗体库中的抗体的差异度，当每个变量测试数据的差异度均小于设定阈值，则认为故障与该抗体一致。如果与故障抗体库内所有抗体的差异度均不满足以上条件，即判断为有新故障。
3） 当故障判断完成后，要确认故障诊断的结果。若诊断错误，需要输入人工诊断结果，若正常则读取下一组数据继续测试，若诊断出故障则将在线数据处理后加入相应的故障抗体库进行更新，对于新故障还将引入新的抗体类别。
以G生产装置的蒸馏工艺过程为应用对象，蒸馏工艺单元流程如图6所示。在Matlab软件平台上用m语言编程实现了以上基于人工免疫算法的故障诊断及动态预警策略。通过以前生产中蒸馏釜内温TI04、顶温TI05和夹套温度TRC03历史数据进行自学习生成AIS抗体，现场用可编程控制器（PLC）和工控机组态王监控采集TI04，TI05和TRC03，经动态数据交换（DDE）传送到Matlab的AIS诊断预警软件，对蒸馏浓度可能不达标等工况进行在线动态预警，动态预警的结果经DDE传送到PLC和控制阀控制工艺过程操作，动态预警系统的相关工作原理如图7所示，现场运行表明，其对G装置蒸馏工艺能进行较准确的诊断和预警，对工艺操作具有较好的参考价值。
图6G生产装置蒸馏工艺单元流程示意
图7G装置蒸馏单元动态预警软硬件工作原理示意
5安全事故调查分析管理技术研究及其软件开发
事故调查是吸取经验教训、预防类似事故发生的重要途径，在化工过程安全管理中有重要的作用。事故调查要求查明事故的根本原因，总结事故教训，提出防范和整改措施［2-3］。但是目前国内的化学品事故调查普遍缺乏系统、科学、一致的方法论，进而导致了事故调查报告的根本原因分析不彻底、不清晰的问题，妨碍了从事故调查报告有效地吸取地经验教训，使得类似的事故反复重演［1-3］。
预定义树方法包括了时间序列图、原因因素定义和预定义树或检查表等工具。时间序列图用于组织数据，将收集到的信息清晰地提供给调查人员。原因因素是事故发生过程中如果消除了就能阻止事故发生或者减轻事故后果影响的因素。预定义树将事故的所有可能原因整理绘制出原因树，使用时依据初步定义的原因因素循着原因树的每一层分支逐步往下找，直到到达分支的末端。
故障树方法使用时间序列图和简化的故障树，并且可以集成其他任何有效可靠的方法来帮助调查人员对事故分析进入较深的程度，避免过早地停止于表面显而易见的因素。构建故障树时首先选择顶上事件，然后确定顶上事件发生的前提条件或事件，以火灾事故为例，前提条件就是点火源、可燃物和助燃物三者同时存在，它们之间的逻辑关系是与门关系。然后继续分析事件，通过逻辑关系推导直到发现基本事件，基本事件就是事故的根本原因。
通过集成预定义树构建和逻辑分析构建故障树分析事故的根本原因，以MySQL为数据库，依据MVC软件架构设计，使用Java开发，设计了基于Web的网页应用程序——化学品事故调查与管理软件平台（iTAIM）［1-3］，该平台功能结构如图8所示，通过网页浏览器即可登录使用，方便快捷。
图8化学品事故调查与分析管理软件平台的功能结构
iTAIM的两个主要功能是事故管理和辅助事故调查。事故管理是建立在事故信息的整理存储上的，依靠事故数据库建立；事故调查功能能够实时帮助调查人员记录获取的信息，提供这些信息的直观展示方式；在进行原因分析的时候能够建立起故障树，分析事故的逻辑过程，并且提供简单的预定义树和相似案例参考；原因分析将结合安全管理要素进行，并跟随建议措施的提出和跟踪负责人；采用鱼骨图来展示事故的所有原因，直观评估安全管理的程度［1-3］。
以iTAIM为平台对生产过程中H装置脱酸单元真空缓冲罐误报警等小事故进行调查分析，结果表明: 该脱酸单元真空缓冲罐误报警的根本原因是真空缓冲罐所用电接触式液位控制器在开车前未按仪表校验程序调校假物料，使其在长时间运行后产生误报警，导致工艺过程运行短暂停车。
6结束语
从特种危险化学品生产过程安全的实际需求出发，结合国内外化工安全工程理论和方法的发展，对五项先进的化工安全工程技术进行了研究和应用，开发了相应的安全管控软件，并进行了实际应用验证。实际运行结果表明: 这些化工安全工程技术及其安全管控软件可以较好地促进工艺过程的安全设计、操作、运行和控制，可以从事前、事中和事后对生产工艺过程进行良好的全周期安全管控。其中，MSDS的编制、DOW CEI和F&EI的计算评估可以在事前对工艺介质和工艺装置的危险性及其处置措施有比较充分的了解和准备；而基于人工免疫诊断算法的化工过程动态预警软件在工艺过程控制系统中的安装运行，可以在工艺生产试验运行中对异常工况进行早期预警，及时纠正事故苗头；基于预定义树和故障树的安全事故调查分析管理技术及其软件的应用，可以在事故发生后深刻总结经验教训，分析发现事故的根本原因，有效预防事故的再次发生。