基于蒙卡模擬的化工多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)量化評估研究

基于蒙卡模擬的化工多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)量化評估研究

0seveso和多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)評估常用方法多米諾效應(yīng)是化工事故的典型現(xiàn)象，它指了由初始故理造成的一套或多起次要事故的連鎖反應(yīng)。針對多米諾事故的嚴(yán)重后果,各國制定了相應(yīng)條例以指導(dǎo)化學(xué)工業(yè)的安全管理。歐盟委員會于1982年頒布SEVESO指令,并于1996年頒布更為嚴(yán)格的SEVESOⅡ指令近年來,對多米諾事故防災(zāi)減災(zāi)、風(fēng)險(xiǎn)評估的研究越發(fā)受到全世界學(xué)者的關(guān)注現(xiàn)有多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)評估方法多為定性、半定量方法,對多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)量化方法的研究較少,且多數(shù)為基于概率計(jì)算的數(shù)學(xué)模型方法。由于條件概率計(jì)算復(fù)雜,在方法實(shí)際應(yīng)用中需引入簡化和假設(shè),導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)量化結(jié)果不準(zhǔn)確。Abdolhamidzadeh等1風(fēng)險(xiǎn)識別與風(fēng)險(xiǎn)分析多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)全周期管理如圖1所示,分為風(fēng)險(xiǎn)識別、風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評定、風(fēng)險(xiǎn)處理4個部分。風(fēng)險(xiǎn)識別與風(fēng)險(xiǎn)分析為風(fēng)險(xiǎn)全周期管理的核心內(nèi)容。風(fēng)險(xiǎn)評定與風(fēng)險(xiǎn)處理為結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果與化工作業(yè)區(qū)實(shí)際情況的安全管理流程。1.1危險(xiǎn)源、設(shè)備信息、社會信息的現(xiàn)場構(gòu)建相對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)識別為風(fēng)險(xiǎn)分析的前期準(zhǔn)備工作,常用的方法為過程危險(xiǎn)分析法(PHA),包括現(xiàn)場構(gòu)建、事故類別識別、模型選擇的準(zhǔn)備步驟現(xiàn)場構(gòu)建需完成對化工作業(yè)區(qū)場景的現(xiàn)場調(diào)研與模型構(gòu)建,包括作業(yè)區(qū)面積、尺寸、位置等空間信息,設(shè)備設(shè)施的數(shù)量、容積、種類、分布等設(shè)備信息,危險(xiǎn)化學(xué)品的種類、數(shù)量、物化性質(zhì)、毒性等危險(xiǎn)源信息,風(fēng)向、風(fēng)速、濕度等環(huán)境信息,附近區(qū)域人口密度、建筑類型等社會信息等。事故類別識別基于對危險(xiǎn)源信息、設(shè)備信息的現(xiàn)場構(gòu)建。危險(xiǎn)源的物化性質(zhì)、物態(tài)特征,設(shè)備設(shè)施的種類類型、運(yùn)行狀態(tài),均會對事故類別識別產(chǎn)生影響。事故類別識別常用的方法為事件樹分析法(ETA),通過事件樹分析法,可了解初始事件在不同致災(zāi)因子和環(huán)境因素影響下引發(fā)的事故類別及對應(yīng)發(fā)生概率模型選擇基于現(xiàn)場構(gòu)建與事故類別識別,包括后果分析模擬、升級概率模型、損傷分析模型的選擇1.2基于mcs的事故后果模擬分析相比于定性、半定量評估方法,風(fēng)險(xiǎn)定量評估方法結(jié)果更明確、直觀,能夠更有效地指導(dǎo)化學(xué)工業(yè)開展風(fēng)險(xiǎn)管理工作。然而,多米諾事故定量風(fēng)險(xiǎn)評估存在缺少案例與數(shù)據(jù)的困難。由于缺少基于事故數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,風(fēng)險(xiǎn)量化結(jié)果將會與實(shí)際情況存在較大偏差。蒙特卡洛模擬方法(MCS)可以很好地解決該問題。通過重復(fù)多米諾事故隨機(jī)過程,蒙特卡洛模擬能夠獲得事故后果的概率分布函數(shù),為定量風(fēng)險(xiǎn)評估提供統(tǒng)計(jì)支持蒙特卡洛模擬方法核心在于對事故后果模擬分析法(ACS)的多次重復(fù)。事故后果模擬分析法基于充分的現(xiàn)場構(gòu)建、事故類型識別與后果、升級、損傷分析模型選擇。該方法能夠有效地模擬多米諾事故進(jìn)程,并對區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化1.3個人風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算可接受風(fēng)險(xiǎn)值法(ALARP)為常用的化工多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)評定方法。個人風(fēng)險(xiǎn)作為可接受風(fēng)險(xiǎn)值法的主要評定指標(biāo),由事故發(fā)生頻率與人體死亡概率2個因素決定,其計(jì)算如式(1)所示=式中:對個人風(fēng)險(xiǎn)的可接受風(fēng)險(xiǎn)值,我國對于不同類型場所的可接受風(fēng)險(xiǎn)值均有不同的要求,見表11.4規(guī)范企業(yè)管理不同高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域有不同的空間位置、環(huán)境特征、建筑類型,需要根據(jù)動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析與評定結(jié)果,采取不同的風(fēng)險(xiǎn)處理措施和安全管理策略,以使區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受風(fēng)險(xiǎn)以下。風(fēng)險(xiǎn)處理可分為設(shè)備設(shè)施完整性管理、作業(yè)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化管理、員工安全自主管理3個層面。完整性管理旨在保證設(shè)備設(shè)施時刻處于安全可靠的服役狀態(tài),結(jié)構(gòu)功能完整、風(fēng)險(xiǎn)受控、安全狀態(tài)滿足運(yùn)行要求;標(biāo)準(zhǔn)化管理需要企業(yè)各作業(yè)區(qū)滿足安全管理標(biāo)準(zhǔn)一致、應(yīng)急管理預(yù)案完善、標(biāo)準(zhǔn)化工作流程培訓(xùn)到位等要求,旨在使企業(yè)安全制度能夠得到有效落實(shí),提升企業(yè)本質(zhì)安全;安全自主管理要求企業(yè)營造安全至上價(jià)值觀,提升員工個人素質(zhì)與安全意識,旨在讓企業(yè)安全管理模式由嚴(yán)格監(jiān)管向員工自主管理模式轉(zhuǎn)變,由“要我安全”變?yōu)椤拔乙踩薄?風(fēng)險(xiǎn)量化方法相比于其他化工多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)定量評估方法,基于蒙特卡洛模擬的多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)定量評估方法擁有以下優(yōu)勢:蒙特卡洛模擬的應(yīng)用避免了復(fù)雜的概率計(jì)算,使得風(fēng)險(xiǎn)量化方法直觀、簡單,適用于實(shí)際復(fù)雜事故場景;該方法可考慮毒氣泄漏對事故風(fēng)險(xiǎn)的影響,能夠輸出隨事故發(fā)展變化的風(fēng)險(xiǎn)分布,實(shí)現(xiàn)動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估;該方法獲得的風(fēng)險(xiǎn)定量評估結(jié)果可視化信息明確、直觀,對化學(xué)工業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理、防災(zāi)減災(zāi)有較大的指導(dǎo)意義?；诿商乜迥M的多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)定量評估方法流程如圖2所示,主要分為單次事故后果模擬分析和蒙特卡洛模擬2個步驟。2.1儲存缺陷分析迭代模擬單次事故后果模擬分析流程可分為初始事故引入、多米諾過程模擬、模擬結(jié)果儲存3個步驟。具體方法流程如下:將初始事故引入隨機(jī)設(shè)備設(shè)施,初始事故包括火災(zāi)、爆炸、毒氣泄漏;針對初始事故類型,應(yīng)用相應(yīng)后果分析模型與升級概率模型可計(jì)算得到區(qū)域內(nèi)物理效應(yīng)(熱輻射通量、爆炸超壓、毒氣濃度)大小和多米諾事故升級概率;若發(fā)生多米諾事故升級,即初始事故引發(fā)了次生事故,則針對新的事故場景對區(qū)域物理效應(yīng)與事故升級概率進(jìn)行更新;對多級多米諾事故發(fā)展過程進(jìn)行迭代模擬,直至消防應(yīng)急力量介入遏止多米諾過程發(fā)展;儲存該次事故后果模擬分析迭代過程。通過單次事故后果模擬分析,可獲得多米諾事故發(fā)展過程中隨時間變化的區(qū)域物理效應(yīng)分布。由于初始事故的隨機(jī)性和多米諾事故發(fā)展過程的不確定性,單次事故模擬分析結(jié)果也存在隨機(jī)性,這為應(yīng)用蒙特卡洛模擬提供了統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)。2.2動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析蒙特卡洛模擬流程可分為重復(fù)單次模擬、物理效應(yīng)與人體死亡概率計(jì)算、個人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算3個步驟。具體方法流程如下:多次重復(fù)單次事故后果模擬分析過程,獲取大量多米諾事故發(fā)展過程模擬結(jié)果;對事故模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,獲取多米諾事故不同事故后果的概率分布函數(shù);結(jié)合各事故后果概率分布函數(shù),應(yīng)用后果分析模型計(jì)算區(qū)域物理效應(yīng)分布,應(yīng)用損傷分析模型計(jì)算區(qū)域人體死亡概率,獲取人體死亡概率分布函數(shù);計(jì)算區(qū)域動態(tài)個人風(fēng)險(xiǎn)分布。從事故后果概率分布函數(shù)到人體死亡概率分布函數(shù)的計(jì)算過程可由以下函數(shù)關(guān)系式說明,如式(2)所示:(式中:概率單位轉(zhuǎn)換函數(shù)(3)式中:個人風(fēng)險(xiǎn)分布的計(jì)算由基于不確定理論的統(tǒng)計(jì)計(jì)算完成,如式(4)所示(4)式中:由于單次事故后果模擬分析儲存了多米諾事故迭代模擬的過程,通過蒙特卡洛模擬獲得的風(fēng)險(xiǎn)定量評估結(jié)果為區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)分布,對化工企業(yè)制定對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)處理措施、人員疏散策略具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。3氣體壓氣站運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)天然氣壓氣站為天然氣儲運(yùn)過程中需要經(jīng)過的重要環(huán)節(jié),是常見的石油化工設(shè)施。低壓天然氣在壓氣站經(jīng)過過濾、分離、增壓等流程后,達(dá)到氣體沿長輸管線流動時所需要的壓力,保證天然氣能夠完成長距離輸送。由于天然氣存在高壓、易燃、易爆的物化特性,天然氣壓氣站在運(yùn)行過程中存在一定風(fēng)險(xiǎn)。本文以某天然氣壓氣站為案例,應(yīng)用基于蒙特卡洛模擬的多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)全周期管理方法,旨在驗(yàn)證方法的有效性與實(shí)用性。3.1廠區(qū)內(nèi)的樣品空間壓氣站中的主要風(fēng)險(xiǎn)源為天然氣管道、壓縮機(jī)組,分別主要分布于廠區(qū)右上區(qū)域與右下角,主要?；窞樘烊粴?。用于儲存油料的倉庫分布于廠區(qū)左下角,主要危化品為柴油。廠區(qū)內(nèi)的其他建筑為員工生活區(qū)與會議區(qū)2個活動區(qū)域,主要分布于廠區(qū)左區(qū),緊鄰油料倉庫。該壓氣站的現(xiàn)場構(gòu)建示意如圖3所示。通過事件樹分析法可知,與壓縮天然氣相關(guān)的事故類別為噴射火,與柴油相關(guān)的事故類別為池火、閃火、蒸汽云爆炸(VCE)3.2多米諾事故模擬單次事故后果模擬分析由隨機(jī)初始事故的引入開始,如管道泄漏天然氣形成的噴射火,或倉庫油料泄漏引發(fā)的池火。應(yīng)用對應(yīng)模型,可計(jì)算初始事故造成的區(qū)域物理效應(yīng)(熱輻射通量、爆炸超壓)大小和對應(yīng)事故升級概率大小。通過對事故升級過程的迭代模擬,可對多米諾事故發(fā)展全程進(jìn)行模擬。由于多米諾事故場景復(fù)雜、事故后果種類多,無法對每種事故后果進(jìn)行概率計(jì)算。由蒙特卡洛模擬的應(yīng)用可獲知該壓氣站可能發(fā)生的各類事故后果的概率分布函數(shù),通過對概率分布函數(shù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算,可獲知準(zhǔn)確的區(qū)域動態(tài)個人風(fēng)險(xiǎn)分布。3.3低密度區(qū)域個人風(fēng)險(xiǎn)防控該壓氣站的多米諾事故動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析與評定結(jié)果如圖4(a)～(d)所示?，F(xiàn)場訪談獲知,該區(qū)域人口密度較低,可應(yīng)用低密度區(qū)域3×10以辦公室(左下)、主壓縮機(jī)組(右下)、天然氣管線(右中)位置處的個人風(fēng)險(xiǎn)為示例,該壓氣站廠區(qū)內(nèi)不同位置的動態(tài)個人風(fēng)險(xiǎn)曲線如圖5所示。由圖5可知,該壓氣站內(nèi)辦公區(qū)的個人風(fēng)險(xiǎn)大于作業(yè)區(qū)(管道、壓縮機(jī))位置處的個人風(fēng)險(xiǎn),需根據(jù)不同位置處的風(fēng)險(xiǎn)大小制定對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)處理策略與安全管理方案。3.4減少壓氣站引入的社會風(fēng)險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)量化分析與評定結(jié)果說明,該壓氣站的主營業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)并不突出,大部分天然氣管道及壓縮機(jī)所處位置為個人風(fēng)險(xiǎn)可接受區(qū)域。對該壓氣站運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)影響最大的是廠區(qū)左下角落的油料儲存?zhèn)}庫。由該倉庫引入的個人風(fēng)險(xiǎn)讓員工生活區(qū)、會議區(qū)處于個人風(fēng)險(xiǎn)不可接受區(qū)域,且可能對廠區(qū)外的部分區(qū)域產(chǎn)生影響。針對風(fēng)險(xiǎn)評定結(jié)果,該壓氣站應(yīng)加強(qiáng)對油料倉庫的安全管理,維護(hù)倉庫儲存環(huán)境;針對油料庫區(qū)突發(fā)事件制定對應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案,提前備好防災(zāi)設(shè)備設(shè)施;開展員工生活區(qū)、會議區(qū)應(yīng)急疏散演習(xí),降低油料倉庫風(fēng)險(xiǎn)帶來的負(fù)面影響;保持與附近居民樓等重點(diǎn)區(qū)域的安全距離,降低壓氣站引入的社會風(fēng)險(xiǎn);制定設(shè)備設(shè)施完整性管理、作業(yè)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化管理、員工安全自主管理制度,從多個層面提高站場的本質(zhì)安全,降低人為因素引入的風(fēng)險(xiǎn)隱患。4多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)全周期管理應(yīng)用1)多米諾事故是化工事故的1種典型形式,其往往會造成嚴(yán)重的事故后果,且難以準(zhǔn)確預(yù)測事故的發(fā)展過程。對多米諾事故的定量風(fēng)險(xiǎn)評估一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。本文提出基于蒙特卡洛模擬的化工多米諾事故定量風(fēng)險(xiǎn)評估方法,并以該方法為核心,梳理多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)全周期管理流程,并以某天然氣壓氣站為案例,對化工多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)全周期管理進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用,驗(yàn)證基于蒙特卡洛模擬的風(fēng)險(xiǎn)量化方法的有效性和實(shí)用性。2)多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)全周期管理分為風(fēng)險(xiǎn)識別、風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評定、風(fēng)險(xiǎn)處理4個部分。風(fēng)險(xiǎn)識別包括對場景的現(xiàn)場構(gòu)建、事故類別識別、模型選擇等風(fēng)險(xiǎn)分析前準(zhǔn)備工作;風(fēng)險(xiǎn)分析基于單次事故后果模擬分析與蒙特卡洛模擬,對區(qū)域個人風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化評估。對蒙特卡洛模擬的應(yīng)用可以避免原有定量風(fēng)險(xiǎn)評估方法中復(fù)雜的概率計(jì)算,使得風(fēng)險(xiǎn)量化方法