投影寻踪模型在偏氟乙烯储罐单元火灾爆炸指数评价中的应用.pdf
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1、Organo-Fluorine Industry592024年第1期有机氟工业投影寻踪模型在偏氟乙烯储罐单元火灾爆炸指数评价中的应用刘丰金1李振龙?于修源邢艳萍?韩启瑞?李伟1(1.山东华夏神舟新材料有限公司,山东淄博2 56 4 0 1;2.东岳氟硅科技集团有限公司,山东淄博2 56 4 0 1)摘要:采用道化学公司的火灾爆炸指数法对偏氟乙烯(VDF)储罐单元进行危险分析与评价,定量得出采取安全补偿措施前后的单元火灾、爆炸危险指数,结果显示,采取安全补偿措施前单元的危险等级为V级,采取安全补偿措施后单元的危险等级降为级。根据道化学的安全补偿指标体系,建立了基于遗传算法的投影寻踪评价模型,包括
2、工艺、物质隔离和火灾控制3个维度,共2 4 个评价指标,并制定了相应的评价标准。研究结果表明:计算机控制、其他工艺过程风险分析、标准操作程序(SOP)等几项指标对目标层的影响较大并依据评价结果提出了几项提升单元安全水平的建议措施。关键词:投影寻踪模型;VDF储罐单元;火灾爆炸指数评估;应用0前言以偏氟乙烯(VDF)储罐作为评价单元,偏氟乙烯储罐区设置6 个50 m的储罐,布置在一个防火堤内。偏氟乙烯的存储状态主要为液相,储罐设置夹套,内通低温盐水防止偏氟乙烯汽化,维持罐内压力稳定。由于偏氟乙烯具有易燃易爆的特性,存储过程中一旦发生泄漏将会造成极其严重的火灾、爆炸事故。美国道化学公司提出的“火灾
3、、爆炸危险指数评价法”以物质的潜在能量和现行的安全措施为依据,定量评价工艺单元的火灾爆炸指数、影响范围和经济损失。该方法在单元火灾、爆炸评价方面得到了广泛的应用:2 0 11年,马洪金1 应用道化学公司的火灾、爆炸指数法对某公司的石脑油储罐区进行火灾、爆炸指数评价,结果表明,应用该方法计算出的火灾、爆炸指数(F&EI)较好地反应了罐区的危险程度;2 0 10 年,刘扬等 2 应用道化学公司火灾、爆炸指数法对轻烃储罐进行风险评价,结果表明,该方法能够较精确地反应出单元的火灾爆炸指数及危害范围等,但也存在指标选取不够全面的不足;2 0 0 5年,姚雁等 3 应用火灾、爆炸评价指数法、事故树、事件树
4、对环氧乙烷生产装置进行安全分析与评价,定量地得出了装置的危险程度,定性地分析了各危险因素的大小。综合国内外相关研究现状发现,道化学公司的火灾、爆炸指数评价法在定量评价方面展示了良好的适用性,但评价结果很难反映出单元安全管控的漏洞,不能定量地指导制定管控措施来进一步降低单元的火灾、爆炸风险。在充分研究道化学公司火灾、爆炸指数法的优点和不足后,将投影寻踪模型引人该方法,弥补该方法在风险管控方面的不足,进一步降低单元火灾、爆炸风险。1道化学公司的火灾、爆炸危险指数评价道化学公司的火灾、爆炸指数法评价过程:确定评价单元并根据单元内物质的燃烧和爆炸危险性确定物质系数;根据评价单元的工艺特点确定单元危险系
5、数,并计算补偿前火灾、爆炸指数;以单元内采取的工艺、物质隔离和防火措施确定单元的安全补偿系数;确定补偿前后单元火灾、爆炸指数及危险等级;确定安全补偿前后单元暴露区域1.1火灾、爆炸指数单元火灾、爆炸指数由物质系数MF和工艺单元危险系数F3两个方面组成,工艺单元危险系数又包含一般工艺危险系数F1和特殊工艺危险系数F2。偏氟乙烯储罐工艺单元危险系数和火灾、爆炸指数如表1 所示。作者简介:刘丰金(1992 一),男,硕士,主要从事氟化工领域工艺安全管理工作。602024年第1期Organo-Fluorine Industry有机氟业表1偏氟乙烯储罐工艺单元危险系数和火灾、爆炸指数采用危险项目系数取值
6、依据系数物质系数MF偏氟乙烯的燃烧热N,=4,化学活性N,=2,依据“火灾、爆炸危险指数法”中物质系数取值MF=24表得MFVDF=24一般工艺危险基本系数1.00物料处理与输送系数:VDF属于N,=4 的易燃液体或气体,故系数取0.8 50.85通道系数:罐区设置两个通道,系数取0.20.2排放和泄漏控制系数:罐区设置堤坝,防止泄漏液流人其他区域,堤坝露天设置,系数取0.50.5一般工艺系数F11.00+0.85+0.2+0.5=2.55特殊工艺危险系数基本系数1.00毒性物质:VDF属于短期接触可引起轻微伤的物质,系数取0.2 1=0.20.2燃烧范围或其附近操作:本评价单元依靠情性气体吹
7、扫使单元处于燃烧范围之外,系数取0.30.3压力系数:单元最高操作压力为1.5MPa,依据公式:Y=0.16109+1.61503(X/10 0 0)-1.42879(X/10 0 0)+0.5172(X/10 0 0)3,液化的易燃气体,修正系数为1.3,求得系数0.585为0.58 5易燃和不稳定数量:利用Peng-Rob模型,计算偏氟乙烯的燃烧热为6 91998 J/mol,基于公0.80式:LgY=-0.289069+0.472171-0.074585(LgX)2-0.018641(LgX)3,求得系数为0.8 0泄漏系数:单元泵、法兰、阀门等处可能出现轻微泄漏,因此系数取0.10.1
8、特殊危险系数F21.00+0.2+0.3+0.585+0.8+0.1=2.985工艺单元危险系数F3F3=F1F2=2.552.985=7.61火灾爆炸指数F&EIF&EI=F3MF=7.6117524=182.681.2安全补偿系数依据“火灾、爆炸指数评价法”工艺单元的安全措施分为工艺控制C1、物质隔离C2和防护措施C33个方面,偏氟乙烯储罐各安全措施的补偿系数取值如表2 所示。表2偏氟乙烯储罐安全补偿系数取值表补偿序号安全措施补偿系数选取依据系数值工艺控制1)应急电源仪表控制系统设置不间断电源(UPS),且能自动切换,与评价单元的事故控0.98制有关,取系数为0.982)冷却公用工程设置备
9、用冷却,且冷却能力为正常需求量的1.5倍,至少维持10 min,0.97取系数为0.973)紧急停车装置情况出现异常时能够紧急停车0.984)计算机控制具有失效保护功能的计算机远程控制,关键现场数据输人几余设计,取系数0.93为0.935)情性气体保护不涉及16)标准操作程序(SOP)依据评价单元现有操作规程及公式1.0(X/150),得系数0.920.927)活性化学物质检查在需要时用活性物质进行检测,取系数为0.980.988)其他工艺过程风险分析工艺单元定期进行危险与可操作性分析,取系数为0.940.94工艺补偿系数C1=0.7342物质隔离1)远距离控制阀DCS远程控制系统,紧急情况时
10、迅速隔离储罐和输送管道,取系数为0.980.98补偿系数2)备用卸料装置不涉及1刘丰金等投影寻踪模型在偏氟乙烯储罐单元火灾爆炸指数评价中的应用612024年第1期表2(续)补偿序号安全措施补偿系数选取依据系数值3)排放系统设置防护堤能容纳泄漏物料14)联锁系统设置冷凝量和物料量的联锁系统0.985)围堰罐区设置堤坝,防止泄漏液流人其他区域,堤坝露天设置,取系数为0.50.906)抑爆储罐设置2 个安全阀,超压后起跳;现场电气设备防爆,取安全系数为0.950.957)防火涂层罐体使用阻燃材料包覆,起到隔绝火源的作用,取系数为0.920.948)钢制结构不涉及,取系数为11物质隔离补偿系数C2=0
11、.82防火措施1泄漏检测装置安装了可燃气体报警器,但只能报警和确定危险范围,取系数为0.980.98补偿系数2)消防水供应消防水压高于6 90 kPa0.943)特殊系统不涉及14)喷酒系统罐区设置消防炮0.975)水幕无16)泡沫装置无17)手提式灭火器/水枪配备了手提式灭火器和水枪,取系数为0.970.978)电缆保护线缆设置在电缆槽内,无保护层1防火措施补偿系数C3=0.86单元的安全补偿系数C=C1C2C3=0.730.820.86=0.512工艺单元危险分析2.1安全补偿前后单元火灾、爆炸危险等级的确定偏氟乙烯储罐火灾、爆炸危险程度等级如表3所示,依据F&EI和表3所示危险程度之间的
12、关系,确定了安全补偿前后的单元危险等级。表3偏氟乙烯储罐火灾、爆炸危险程度等级F&EI1 6061 9697 127128158159危险程度最轻较轻中等很大非常大危险等级1VV安全补偿前:F&EI火灾、爆炸指数为18 2.6 8,危险等级为V级安全补偿后:F&EI火灾、爆炸,指数为93.16,危险等级为I级2.2暴露区域的确定暴露半径决定了暴露区域的大小,暴露半径为火灾、爆炸指数乘以0.8 3,求得偏氟乙烯储罐安全补偿前后的暴露半径分别为R1=46.21m、R 2=2 3.8 5m,以火灾、爆炸评价指数法中指出的最可能发生泄漏的放空管、装卸料口作为暴露区域的原点,绘制出单个偏氟乙烯储罐安全补
13、偿前后单元的火灾、爆炸影响范围,如图1所示。安全补偿前暴露范围为以储罐顶部为球心的黑色球体部分,安全补偿后暴露范围是以储罐顶为球心的灰色球体部分。安全补偿前暴露区域一体积安全补偿后暴露区域R2.385R4.621储罐图1偏氟乙烯储罐暴露区域2.3评价结果分析从工艺单元风险评价结果看,偏氟乙烯储罐单元的危险等级由V级降为级,暴露范围缩小了48%,表明从工艺控制、物质隔离、防火措施3个方面采取的安全措施大大降低了单元的危险性。偏氟乙烯储罐安全补偿后的暴露半径为2 3.8 5m,周围单元仍然暴露在罐区的火灾、爆炸影响范围内,对周围单元的安全仍然具有较大威胁,为此应用投影寻踪模型对安全补偿指标进行结构
14、重要度评价,找出安全补偿的薄弱点,进一步提升单元的安全水平。2024年第1期Organo-Fluorine Industry62业有机氟3投影寻踪模型3.1建模过程投影寻踪法的基本思路是利用计算机技术把高维数据通过某种组合投影到低维子空间上,通过对指标进行最优化处理,寻找出能反应高维数据结构或特征的投影 4-5,以便于在低维空间上对某个指标进行分析。投影寻踪评价模型的建模过程:1)评价指标的归一化,设定样本集为(x*(i,j)Ii=1,2,n,j=1,2,p,其中x(i,j)表示第i个样本的第j个指标值,n、P 分别为样本的个数和指标的个数,脆弱性指标分为正性指标和负性指标两种,对应的指标处理
15、方法分别见式1和式2。x(i,j)=x(i,j)-xmin(j)/xmx(i)-xmin(i)(1)x(i,j)=xmax(j)-x*(i,j)/xmax(i)-xmin(j)(2)2)构造投影指标函数Q(),把p维数据ix(i,j)lj=1,2,3,p综合成以a=a(1),a(2),a(3),(p)为投影方向的一维投影值Z(i),见式3。Z(i)=2ajx(i,i)(3)为了使投影值Z(i)的数据整体分布尽可能散开,在局部分布尽可能密集,投影指标函数Q(a)见式4。Q(a)=S,D,(4)式中,S,为投影值Z(i)的标准差,D.为投影值Z(i)的局部密度,见式5、式6。S.2(2(i)-2)
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