计算机辅助HAZOP技术的研究.docx
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计算机辅助HAZOP技术的研究
计算机辅助HAZOP技术的研究
摘要
过程工业工程结构日趋复杂化,危险程度逐步增强,安全系统分析己经成为过程工业不可或缺的一部分。
在众多的分析方法当中,HAZ0P（危险与可操作分析）是目前过程工业应用最为广泛的安全评价方法之一。
本文在HAZOP原理的基础上,讨论了计算机辅助HAZOP技术的优势,并针对传统的HAZOP、基于深层知识模型ＳＤＧ的计算机辅助HAZOP和应用PHA-PRO软件3种方法进行了分析和比较。
Abstract
Withmorecomplexityintheengineerframeworkoftheprocessindustry,itbecomesmoredangerous,it'sforcefullyrequiredtocarryoutSafetyassessmentinprocessindustry.HAZOP（hazardandoperability）isoneofthemostwidelyusedtechniquesamongtheprocesshazardassessmentmethods.Basedonthebasicprinciplestheadvantagesofcomputer-aidedHAZOP（HazardandOperability）analysisarediscussed.ThreemethodsnamelytraditionalHAZOP,computer-aidedHAZOPbasedonSDG（SignDirectedGraph）andtheapplicationsoftwareofPHA-Pro（ProcessHazardsAnalysisProfessional）aresummarizedandcompared.
0绪论
近年来，随着产品的不断丰富和工业的飞速发展，化工企业也不断的发生中国农大事故，有毒物质泄漏、爆炸、火灾等重大事故造成了严重的伤害，严重及损害程度已引起了企业的重视，如何保证化工企业的安全生产，有力的控制企业风险，就显得极其重要，而安全评价工作是保障化工安全生产的首要工作。
近几十年,重特大事故时有发生。
如1984年,印度博帕尔近郊的美国联合碳化
物公司的农药厂,发生了近45万吨的甲基异氰酸酷泄漏,造成2374人死亡,近4万人受重伤的惨剧。
同年,墨西哥的一家炼油厂发生石油气爆炸,导致500人死亡,7000多人受伤。
2005年11月13日中国石油吉林石化公司爆炸据目前统计,吉林石化公司爆炸事故共造成5人死亡、1人下落不明、2人重伤、21人轻伤。
受爆炸事故影响,松花江发生重大水污染事件,污染带长约80公里,哈尔滨全市停水4天,仅哈尔滨的直接损失就在巧亿元左右,间接损失达数百亿到上千亿。
危险与可操作性分析HAZOP是分析系统可靠性的一种有效方法,在石化工业中应用广泛。
一些欧美国家,已通过立法手段强制在工程建设项目中应用HAZOP,并规定在工厂的全部生命周期内每隔两年进行一次。
中国石化集团公司也规定,重点的装置每两年要进行一次安全评价。
由于企业生产的规模逐渐壮大，技术也相应的越来越复杂等因素，导致很难对偏离正常工艺条件进行全面、系统和准确的分析。
由于人工HAZOP分析方法的评价质量要完全依赖专家们的知识水平，分析的过程中费时、费力，所以，在实施时很难严格控制以及不容易把关。
此外，认得思维均具有无法避免的惯性，因为会导致许多潜在的问题被遗漏。
并且人工推算深度有限，深层的一些问题不容易被发现。
上述这些问题很大程度上限制了HAZOP分析方法的应用。
人类智慧的优势在于可以随机应变,能够不断学习、不断更新,而计算机的优势则在于不知疲倦、不易遗忘、不会紧张。
将人和机器有机的结合在一起,可以解决人工完成HAZOP分析的缺陷。
1HAZOP技术进展情况
危险与可操作性分析从提出至今已经有近30年的历史根据其发展的特点，可以将其分为三个阶段：
人工HAZOP（分析阶段，逻辑化计算机辅助HAZOP阶段和智能化计算机辅助HAZOP阶段。
1.1HAZOP分析技术流程
1.1.1HAZOP分析技术
运用国内外化工公司广泛采用的整套的行业方法、步骤和规则相适应、以行业知识认识为基础的方法。
HAZOP分析实施过程将工艺图或操作程序划分为分析节点或操作步骤，然后用引导词找出过程的危险，识别出那些具有潜在危险的偏差，并对偏差原因、后果及控制措施等进行分析。
引导词与团队和HAZOP审查领导的知识和特殊参考的清单相结合。
这些知识是基于对已经建立起来的设计实践和共同协作完成的指导文件，用这些知识和引导词来比较设计的符合性。
引导词有选择性地适当使用。
HAZOP分析的组织者把握分析会议上所提出的问题的解决程度，为尽量减少那些悬而未决的问题，一般的原则为：
1）对选取的每个分析节点中的每个偏差的分析及建议措施审查完成之后再进行下一偏差的分析；
2）在考虑采取某种措施以提高安全性之前应对与分析节点有关的所有危险进行分析。
HAZOP分析设计过程的各个方面，包括工艺、设备、仪表、控制、环境等，HAZOP分析人员的知识及可获得的资料总是与HAZOP分析方法的要求有距离，因此，对某些具体问题可听取专家的意见，必要时对某些部分的分析可延期进行，在获得更多的资料后再进行分析。
整个HAZOP的事实过程包括以下几方面：
1）分析的准备；
2）HAZOP分析；
3）编制分析结果报告；
4）行动方案的落实。
1.1.2HAZOP分析的准备
为了有效地进行HAZOP分析，准备工作包括以下内容：
1）确定分析目的、对象和范围；
2）选择分析小组；
3）获得必要的资料；
4）将资料变成适当的表格并拟定分析顺序；
5）安排会议。
1.1.3选择HAZOP分析小组
HAZOP分析小组的知识、技术与经验对确保分析结果的可信度和深度至关重要，这就要求分析组的组织者应当负责组成有适当人数且有经验的HAZOP分析组。
对应大型的、复杂的工艺过程，分析组一般由5-7人组成较为理想，包括设计、工艺或工程、操作、维修、仪表、电气、公用工程等。
若小组太小，则可能由于参加人员的知识和经验的限制而得不到高质量的分析结果。
HAZOP分析组的组长应具有丰富的HAZOP分析经验、具有独立工作能力、且接受过HAZOP分析专业训练的工程师，最重要是要对分析研究提供一定的权威性，且能保证分析集中力量进行。
对相对较小的工艺过程，3-4人的分析组就可以了，但都应富有经验。
下面主要列举一下HAZOP组长、工艺技术人员和设备技术人员的职责。
1）HAZOP主席
HAZOP主席应是全职的小组成员，并是所分析装置/设备的管理者。
小组领导的职责是：
（1）明确组员的职责；
（2）与工厂其他相关部门进行协调；
（3）保持小组分析工作的方向；
（4）控制工作进度；
（5）实施质量检查和数据的审核；
（6）停止和提交已完成的项目。
对HAZOP主席的要求：
此次油气罐区HAZOP分析我司提供HAZOP主席均具有15年以上HAZOP分析相关工作经历，经验丰富，对HAZOP审查过程有一个全面的认知和了解。
2）工艺技术人员
（1）装置HAZOP分析节点的划分；
（2）确定系统和设备的工艺操作条件；
（3）根据设备的工艺条件、环境、材质和使用年限等评价失效机理的类型、敏感性和对设备的破坏程度。
3）设备技术人员
设备技术人员的职责是确定设备的条件数据和历史数据。
条件数据包括设计的条件和实际的条件。
这些信息通常在设备的检测和维护文件中，如果不能获得这些条件数据，检测员/检测专家、材料和防腐专家共同预测现在的条件。
（1）提供所需的装置和设备的设计数据和规范；
（2）提供对必要的历史检测数据的比较；
（3）进行偏差的设备方面的原因、后果和措施等。
4）操作代表
5）临时需要的团队成员
（1）需要的专业技术代表随工艺特点和属性而改变
（2）包括以下人员：
①设计工程师；②工艺-维修；③运行团队主管；④安全专家；
⑤其他需要邀请的专家
1.2人工HAZOP评价局限
HAZOP（HAZOPdandoperability）针对设定的单元假设其发生偏差,借助头脑风法,寻找该偏差产生的不利后果和导致该偏差的非正常原因。
该方法特别适用于过程工业的系统安全分析。
然而,传统的HAZOP评价是由专家组通过人工讨论完成的。
人工HAZOP评价完全依赖于专家的经验与水平。
由于人的失误概率较高,加之推理能力有限,导致评价结论的可信度较低,无法针对全流程展开,因此对实际工作的指导意义不高。
这些问题限制了HAZOP方法在大规模复杂工业中的应用。
综合各种情况我们给出人工HAZOP的不足如下:
（l）缺少有经验的研究人员和研究小组组长
一个有经验的HAZOP研究小组组长对于分析是否成功是至关重要的,作为组长和分析人员应该具备的素质有:
（a）可以判断对流程进行分析的入口和时间,比如当遗漏了一个工厂的某个部分,而又没有明确的理由时,可以指出这里是否有被识别的危险;
（b）可以判断一些没有意义的分析,以避免无效的工作;
（c）有自己非常擅长的领域,同时可以接纳他人的意见。
（2）不适当的研究小组
组建不适当的研究小组组建是导致一次不成功分析的另一诱因。
从各个领域里,包括研发、安全、产品、维修和管理方面里挑选恰当的研究分析人员是一件非常细致的工作。
虽然选择主要是基于这些人的技术背景和从业经验,但这些研究人员的个体的行为特性也是考虑的一个方面。
（3）不恰当的研究范围划分
如果研究范围没有被正确的确定,危险就会被遗漏,因为这些危险可能存在于一个已经确定的过于狭窄的研究范围之外。
一次完整的HAZOP分析,研究范围必须在分析开始前确定。
这个范围应包括工厂中需要被分析的单元,被重点识别的危险类型和操作,以及安全补偿措施的针对性。
（4）研究中高度重复的工作
在一次传统的HAZOP分析中,要针对不同的单元分析不同的偏差、原因和结果,这种重复是工作中主要的时间消耗。
因此,相似的讨论可能会不断的重复,这导致了分析工作的枯燥和人员的厌倦,从而进一步影响了分析结果的质量。
这是真正需要优化的地方,应该找到可以排除或至少削减这种重复性的途径。
如果借助计算机专家系统进行自动分析就可以大幅降低分析人员的重复的工作量,而将主要精力投入到专家系统无法解决的问题,同时也是最复杂和重要的问题。
（5）研究资料中信息的不充分或不准确
一次HAZOP分析的准确性直接取决于可利用资料的准确性,如果资料不是符合化工过程,这将导致分析出现缺陷。
而且,任何对工厂的设备、流程或操作条件做的调整若没有及时反映到准备的资料上,将导致分析人员对工厂产生不正确的假定,从而进一步造成对危险的过高判断或过低判断,甚至是遗漏。
（6）研究会议的组织不当
研究小组人员不规律的出席研究会议让分析结果会在某些方面（缺席人员的擅长领域）出现偏失,同时会议本身的不连续性也会对结果产生影响。
原因可能是分析人员经常被各自的职责干扰,或者是研究会议本身的时间安排不合适,所以组织者需要考虑小组成员在研究阶段是否有连续的空闲时间。
同时,一次研究会议的时间是否充裕会影响对危险识别的发现力和创造力,因此要求小组成员可利用的空闲时间有一定的长度。
（7）分析人员缺乏安全补偿的经验
由于没有安全补偿经验,分析人员会错误的结束一次并非有效的补偿,导致危险遗漏而埋下隐患,因此识别出的危险在安全补偿时更容易被忽视。
但是安全补偿的经验无法在实际生产中累积,而只可能在安全评价中不断提高。
一个复杂的化工企业在分析结束后结果中会包含大量的设备、管线、甚至是工艺流程,因此分析结果包括巨大的信息量,如果在进行安全补偿前的文本整理时就出现疏漏也会导致安全补偿过程中的不正确的分析。
（8）技术知识的不足
在进行HAs0P分析时需要具备在正常工况下没有用的各种技术知识,比如一个对热量不稳定的组份在吸收到热量后会发生爆炸性的分解,而热量可能来源于一个空转的泵、一次震动或者阳光的照射。
这种知识在安全评价中更加重要,由于进行预评价项目的化工企业总是在工艺或操作上更加先进,`因此知识也就更加不足。
这个问题需要研究小组尽可能利用以往的经验进行发散性的假设或者获得实验数据,如果借助计算机专家系统也可以在专家知识库中对所有的可能性进行遍历。
（9）方法本质的缺陷（分析人员失误,记录失误等等）
本质的缺陷是指HAzoP分析小组的核心组成部分是分析人员（人类是最有可能犯错误的）,即使是最优秀的小组也有可能疏漏掉一些简单的危险。
通过在每一次研究会议上详细记录所有想法和建议,以及想法和建议的趋势则可以避免失误。
适当的增加HAZOP小组的成员数量在某些情况下也被认为是有益的,尤其当一个分析项目显得及其复杂和庞大时。
但是,过多的小组成员数量将会适得其反,一个小组的成员数量保持在6一7个人被认为是一个最佳的水平。
为了避免由于体力或者精神上的原因而影响分析,应该开发一种计算机辅助手段。
（10）无法针对复杂的高度互连性的系统进行有效评价
很多系统是高度互连的,他们其中之一的偏离可能源于其它地方。
足够的现场减缓行动可能不能标示真正的原因,并仍然导致后续事故。
许多事故的发生是由于小的现场修改没有预见对其它地方的撞击效应导致的。
即使此难题可以通过从一部分到另一部分的前向的偏离牵连解决,实际上也很少这样做。
2计算机辅助HAZOP技术的优势
人类智慧的优势在于可以随机应变,能够不断学习、不断更新,而计算机的优势则在于不知疲倦、不易遗忘、不会紧张。
将人和机器有机的结合在一起,利用计算机实现自动化或半自动化HAZOP评价已成为全球相关领域研究的热点之一[2]。
随着计算机技术的普及,技术发达国家从20世纪70年代后期就开始致力于采用计算机辅助危险识别。
与人工HAZOP相比较,计算机辅助HAZOP分析具有很多优势:
计算机辅助HAZOP分析可以使分析过程模块化。
该特点最大限度地降低了分析过程中的重复劳动,将常用的,且被实践证明正确的一部分分析结果,编制成专门的模板,供今后分析重复使用。
另外当某一天工艺局部改变时,也可以只将原有的分析在相应的部分做局部改变,而其他部分仍然沿用,该特点对定期做HAZOP很有帮助。
计算机辅助HAZOP分析程序条理规范,克服了人工HAZOP分析概念容易混淆的缺点。
在人工HAZOP分析过程中对于比较复杂的生产过程,常常因为口头讨论的评价方式不严格,出现概念上的混淆,从而导致人工评价得出的分析结果文件（说明）事后很难看懂[3]。
应用计算机辅助HAZOP分析,在信息第一次输入时,就被保存在相应的位置。
在遇见类似情况的时候,计算机会提示分析人员直接调用该信息或者对该信息做相应的改变和注解以免概念混淆。
而且在该信息发生改动时,计算机也会提示分析人员是否需要在整个分析过程中调用这条信息的地方都要进行相应的改变,这在处理大规模的数据时显得尤其重要。
不少用于辅助HAZOP分析的计算机软件还具有多种人性化的设计[2]。
例如:
提供引导词、参数等术语的导航或集成通用机械的偏差库,常见故障原因库等等。
导航可以避免由于人为疏忽而造成的错误,而知识库则提高了HAZOP安全评价的水平。
这些都使HAZOP分析变得规范和快捷,大大降低了分析的成本。
计算机辅助HAZOP分析可以使结果报表的形式人性化,多样化。
人在查询资料时往往需要非线性的搜索功能,计算机辅助HAZOP分析可以为结果报表的形式提供更加多样化的选择。
例如:
在使用纸质报表时,要看第三章的内容,只能一章一章地进行线性化的查找。
如果使用的是计算机自动生成的电子版结果报表,就很容易实现一阶或者更高阶的非线性查询功能,想看第三章就直接点击第三章,想看第三章第四节就直接点击第三章第四节。
还可以利用计算机的多媒体显示功能和超链接功能进行进一步加工处理;可以为报表中需要关注的部分标以不同的颜色;可以用三维图或柱状图自动分析报表中枯燥的数字;可以从报表中感兴趣的点链接到此点关联的操作规程和工艺流程图;可以查看历史事故和处理方法;可以动画显示事故发生的过程等等。
总之,上述功能把分析的结果报表从单一的文本形式最终变成了界面友好,生动直观的电子操作手册。
3种HAZOP分析方法的比较
北京化工大学化工安全教育部工程研究中心是具有石油化工安全评价能力的专业化中心。
该中心拥有过程危险分析（ProcessHazardAnalysis,PHA）安全评价软件,并完成了其数据库和常见故障库的汉化工作。
该中心还自主研发了具有独立知识产权的基于符号有向图（SignedDirectedGraph,SDG）深层知识模型的计算机辅助HAZOP分析软件SDG-HAZOP和人工误操作危险与可操作性分析系MO-HAZOP。
人工HAZOP分析费时费力,但它是计算机辅助HAZOP分析的基础。
应用PHA-Pro软件指导HAZOP分析特点是从形式上辅助人工进行HAZOP分析,可以减轻人工分析的部分工作量。
软件还增加了严重度和可能性的选取以及风险等级的概念,并在分析后使用三维图、柱状图等形式直观表达。
通过对各节点风险等级的比较,容易把握到危险的主次和重要性,可以提高危险分析的质量。
SDG方法是目前自动完成HAZOP最有效的方法[2]。
不但实现了HAZOP分析的智能化,而且弥补了人工推理深度不够、无法处理大规模系统内部关系和实施过程不容易把关等缺点,把人的精力更加集中在难于实现自动化的方面[1]。
笔者将人工HAZOP、SDG-HAZOP、PHA-Pro3种HAZOP评价方式在一些评价特性上作出比较,如下表所示。
4 结论
1）提倡使用计算机辅助HAZOP分析并不是否认了人的参与,而是希望把人从繁杂的工作中解脱出来,使之更加致力于那些难于实现自动化,需要高级推理、深度思索的地方。
2）应用计算机辅助HAZOP分析,可以帮助使用者提高效率,优秀完善的软件产品辅之以长期积累的经验以及所总结出来的HAZOP分析的方法,容易实现人类智慧及其智慧的完美集成。
而使HAZOP分析实施的更为高效、分析推理得更为深入、分析的结果更加完备可靠。
3）对事故的防范认识比解决问题更重要。
MO-HAZOP可以应用于石油化工、电力、冶金等所有按步骤操作的行业开车、停车和事故应急处理等各个阶段,可以对可能导致重大事故的误操作进行分析,有针对性地通过采用程序控制、联锁、联动机构和现代安全监测预警系统,可以有效地防止事故的发生,对保障企业的安全生产具有重要意义。
4）HAZOP技术具有很多优点:
易学,可激发创造性,开拓思路,可系统而全面地检查步骤;参与者可获得有益的工艺知识;易于让决策部门接受[4],等等。
随着国家对企业生产安全管理工作要求的提高,各个企业都将对生产经营活动和建设项目进行全风险管理,以期实现各自的经营目标和HSE方针。
作为全风险管理的基础技术之一的HAZOP技术,在我国的石化行业中将会得到广泛应用
参考文献
[1] 沈翠霞,吴重光.计算机辅助危险与可操作性分析技术的发展[Ｊ].计算机工程与应用,2004,40（36）:
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[2] 李彤,杨静,张贝克等.计算机辅助危险与可操作分析技术及应用软件的发展[Ｊ].石油化工安全技术,2006,22（6）:
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[3] 吴重光,夏涛,张海峰等.过程工业计算机辅助安全评价技术的发展[Ｊ].系统仿真学报,2003,15（5）:
609～613
[4] 廖学品.化工过程危险性分析[Ｍ].北京:
化学工业出版社,2005.10
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