精细化工生产过程的若干安全系统工程技术问题探讨
摘 要：随着我国化工企业的规模不断扩大，化工技术不断发展，工艺过程日益复杂，生产自动程度越来越高，极大的增加了化工产的安全隐患程度及安全事故发生的频率。加之，化工生产自身的特殊性，要求原材料的生产过程中具有极高的技术和工艺，生产过程具有复杂性，使得工业成品、半成品多具有强腐蚀性、剧毒等，且极易发生爆炸或燃烧。本文通过对国内外化工生产过程的安全系统工程技术等问题进行分析，探讨了危险与可操作系统（HAZOP），生产工艺过程自动HAZOP分析等精细化工生产过程的安全系统工程技术问题，并讨论了构建精细化工生产过程的安全仿真系统的相关策略，最后提出了有关精细化生产过程中安全系统设计的技术方案。
关键词：化工生产；危险与可操作系统；安全系统
1 国内外关于化工生产过程中安全装置的使用情况
危险与可操作性系统（简称HAZOP），通过该系统，可以找出在生产过程中操作控制和工艺参数可能出现的偏差，并通过研究生产装置等，找出出现偏差的原因，并提出相应的对策。这种操作系统一般应用于石化或化工工程的设计审查阶段，较少用于工艺生产。通过该系统可以查出潜在的危险与在操作上存在的问题，对加强生产的安全控制有重要意义。
在化工生产过程系统安全评价领域中，安全仿真技术作为化工工艺设计与运行中的关键技术，是辅助安全分析的新手段， 正逐步推广应用。在国外一般使用动态、稳态仿真集成的安全仿真方法，并与计算机技术相结合，讲安全仿真平台更加现代化与实用化，而且在使用范围上也有所发展与扩大，如扩大到了内在危险的仿真，设备内在结构的仿真，燃烧、爆炸与毒物扩散的后果仿真，故障诊断仿真等等方面。
在进行化工生产过程中，积极采取措施进行安全预防与安全运行技术，是安全生产中的一个重要课题。由于化工生产自身具有特殊性，潜藏着很大的安全隐患，极易在生产过程中发生安全事故，一次安全事故不但影响化工生产的正常进行，甚至会危及生产操作人员的生命安全，导致不可挽回的后果。有些事故还会造成化学危害，不但危及公共安全，还会使社会和环境遭到破坏。
当前，在国内外的化工生产过程中，紧急停车装置等安全控制系统的安装与使用，以及在化工工艺设计与运行中的安全仿真技术集中存在于大型化工生产装置，对于精细化工生产工艺这种有腐蚀性、毒性、且易燃易爆的间歇性的中小型工程，由于工艺复杂，对其进行危险与可操作性研究及安全仿真控制有一定的困难与特殊性。本文对精细化工生产过程的若干安全系统工程技术问题探讨，重点分析了有关精细化生产过程中安全系统设计的技术方案。
2 生产工艺过程自动危险与可操作系统分析
2.1 生产工艺过程的深层次危险与可操作系统分析
在进行危险与可操作性分析时， 需要将操作规程或者工艺流程图划分为几个节点，按照节点分步骤进行分析，研究在生产过程中操作控制和工艺参数可能出现的偏差，以及这些偏差可能出现的后果，找出出现偏差的原因。根据目前情况来看，国内外一直在普及的危险与可操作性分析方法只是在经验积累和历史数据基础上做的浅层次的危险与可操作性分析方法，没有深层次的思考。符号有向图（简称SDG），是一种节点之间的连线，他们构成了一个的网格图，可以表达出他们因果关系，包容着很多潜在的信息，可以将符号有向图用于危险与可操作性分析中，进行智能化推理，基于符号有向图模型，选定任意一个偏差，可以反向推理找出偏差原因，避免产生不理后果，得到生产工艺过程的深层次危险与可操作系统分析。
2.2 间歇性生产工艺的危险与可操作系统分析
在间歇性生产工艺过程中，可以按照生产阶段将连续过程危险与可操作性分析法应用在其中，进行危险与可操作性分析的步骤复杂，而且前后工序不易衔接。但由于精细化工生产工艺这种有腐蚀性、毒性、且易燃易爆的中小型工程具有间歇性，因此，需要对具有这种具有离散事件系统的混杂工艺过程的自动危险与可操作系统进行深入研究。
2.2.1 Petri 网间歇过程危险与可操作系统分析
Petri网可以描述同步、异步与并行这三种逻辑关系，并且能够显示出离散事件系统的动态与静态结构变化，它是一種结构化的DES描述工具，已经广泛应用于离散工艺的制造与间歇性生产过程中。符号有向图（简称SDG）模型是进行深层次危险与可操作系统分析的有效工具，它可以很好地表达变量的因果关系、反向推理出现偏差的原因及会导致的不良后果。
要实现间歇性生产工艺的危险与可操作系统分析，可以将符号有向图模型危险与可操作系统分析方法与Petri网DES建模相结合，建立三层知识表达模型，即最顶层的工艺操作阶段使用配方Petri网（RPN）来表示；紧靠顶层的下面两层的工艺操作阶段使用Petri网来表示；下面一层工艺操作阶段使用任务Petri网（TPN）来表示；而最下一层的工艺操作阶段使用SDG模型表示。
开发和应用间歇生产工艺的危险与可操作系统智能化自动分析，需要利用符号有向图模型的危险与可操作系统分析方法，应用间歇生产工艺过程的三层知识表达模型，以G2（实时智能专家系统）为软件平台。其结构组成图如下。
由以下结构图可知，该间歇性生产工艺的危险与可操作系统分析平台主要以危险与可操作系统知识库，图形用户界面，以及危险与可操作系统推理机组成。其中危险与可操作系统知识库是由过程专用知识和过程通用知识组成。全部包括了危险与可操作系统评价的所有知识。过程单元SDG -HAZOP模型类定义、过程单元类定义与子任务类定义共同构成了过程通用知识模块。HAZOP推理的开发了四个方面，共同实现了间歇过程的危险与可操作系统评价。过程专用知识由过程工艺流程图、物料性质、过程化学模型和过程生产配方等构成；而图形用户界面则包括SDG -HAZOP模型开发器、过程化学模型编辑器等危险与可操作系统分析开发工具。
2.2.2 基于动态符号有向图建模的间歇过程HAZOP
间歇过程不允许失误，如何运用动态符号有向图建模来展示每个环节直接的衔接，是基于动态符号有向图建模的间歇过程HAZOP的关键所在。
A.建立整体符号有向图模型。建立一個整体符号有向图模型，将任何情况下相关联的变量放在一起，它涵盖所有间歇过程中任何状态下的所有变量，并设置变量间相关联的条件。
B.建立间歇过程的状态顺序图。建立间歇过程的状态顺序图是指，分解若干个连续的步骤，按步骤简历状态顺序图，将整体符号有向图步骤化。
C.建立间歇过程的状态顺序列表。建立间歇过程的关联顺序列表，将关节点与设备失效、阀门信息、与整体符号有向图相关联，并列成表，在推理过程中，比较将该步骤的状态与预计状态是否存在差异。如没有差异，自动进入下一步，如有差异，则根据链接列表信息，自动拉偏对应的符号有向图节点，引发符号有向图的反向推理。
3 精细化工生产过程安全仿真系统的构建
在生产过程中，需要将半实物仿真技术、单元设备仿真技术、动态模拟技术、数据采集与监控技术，以及计算流体动力学仿真技术相结合，建造一个完成的精细化工生产过程安全仿真系统。其结构组成图如下：
精细化工生产过程安全仿真系统构建的总设计上，由多台高性能PC机、高性能服务器、工业控制计算机组成，并可以扩展多方面的用途。涵盖了由现场信号发生站、数据信号采集站和实际控制系统组成的半实物仿真系统，由仿分散控制系统（简称DCS）和数字控制站构成的全数字仿真系统，以及工作终端、数据服务器、仿真服务器等部件。
4 过程安全控制系统设计
控制技术需要采用容错和冗余，为了提高安全控制水平，达到安全生产的目的，需要设计精细化工生产过程紧急停车控制系统，发明紧急停车顺序控制相关软件和连锁安全保护软件，以及以高配置控制器作为硬件平台。其中，安全控制系统由连锁安全保护模块、检测控制模块、操作模块组成。
连锁安全保护，是指通过事故发生的原因或者事故后果的关联状态，自动形成逻辑控制，从而实现了对事故发生时的连锁安全保护。
5 总结
由于精细化工生产的易燃易爆等特点，在生产过程中极易发生安全事故，一旦发生安全事故，不但会影响生产的正常进行，甚至会危及生产操作人员的生命安全，产生严重的后果。一些事故不但会引发化学危害，危及公共安全，还会使社会和环境遭到破坏。本文分析了国内外化工生产过程的安全系统工程技术，探讨危险与可操作系统（HAZOP），生产工艺过程自动HAZOP分析等精细化工生产过程的安全系统工程技术问题，研究构建精细化工生产过程的安全仿真系统的相关策略，并提出精细化生产过程中安全系统设计的技术方案。通过对精细化工生产过程的若干安全系统工程技术问题探讨，可以降低事故的危害程度预防安全事故的发生，提高精细化工生产的安全系数，减少生产过程中的危险与人工的错误操作情况，减少不必要的损失，对加强生产的安全控制、维护国家公共安全安全有重要意义。
参考文献：
[1]李安峰，夏涛，张贝克，等.化工过程SDG建模方法.系统仿真学报，2003，15（10）：1364-1368.
[2]牟善军，吴重光，姜春明.石油化工安全仿真技术及应用.系统仿真学报，2003，15（10）：1356-1359.
作者简介：
焦宏典（1975- ），男，江苏泰兴人，研究方向：精细化工，工作单位：江苏鸣翔化工有限公司安环部经理。