一种化工园区定量区域风险计算方法与流程

本发明属于化工安全领域，涉及到自动化技术，特别是涉及一种化工园区定量区域风险计算方法。

背景技术：

随着经济的发展，化工业的规模正在迅速扩大。化工行业属于资源密集型的高能耗产业，存在大量排放废水、废气、废渣等现象，易造成环境污染。如今，化工园区已成为我国化工产业发展的新模式。化工园区是化工企业的集聚地，通常位于经济发达、人口密集的地区，具有资本密集性、危化品密集性和设备密集性的特点。化工园区的建设与发展在促进当地经济和化工产业发展的同时,也带来了严峻的安全问题。在工业生产过程中，化工园区内密集的生产设备和危化品引发灾难性连锁化工事故的概率远高于其他地区。一旦发生火灾、爆炸或危化品泄漏扩散事故，极易造成事故蔓延，影响邻近装置甚至会波及相邻企业，引发灾难性的多米诺效应事故。通过大量的化工事故分析得出38.6％的化工事故会引发多米诺效应，造成的事故后果极其严重。许多传统的定量区域风险评估方法并没有考虑事故的多米诺效应且事故多米诺效应分析的计算过程十分复杂，因而化工园区定量区域风险评估相当困难。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种化工园区定量区域风险计算方法。

本发明的目标是针对化工园区定量区域风险评估中的一些难题，将化工园区网格化，简化了事故多米诺效应分析的计算过程，本发明的技术方案是通过充分考虑园区地理信息、人口分布、工厂位置、危害信息和气象数据，对区域内个体安全风险和社会安全风险进行定量评价，通过风险叠加原理，最终确立了一种化工园区定量区域风险计算方法。

本发明方法具体是：

步骤1:获取基础数据，其中包括危险源种类、状态、存量、分布情况以及储罐类型。

步骤2：化工园区网格化。

当评估区域确定时，采用相同大小的网格将整个化工园区划分为以笛卡尔坐标系n×m中的二维空间。任意两个网格之间的距离可以用它们的坐标表示如下：

式中，dij为网格i与网格j之间的距离，(xi,yi)和(xj,yj)分别为网格i与网格j的坐标；

步骤3：设备故障频率分析。

设备故障频率分析主要由事故的数量和设备暴露的密度来计算，计算如下：

式中，fd为故障频率；na是事故数量；nd为装置数量；td为设备的暴露时间；

步骤4：基于多米诺效应的事故后果分析。

①计算个人死亡概率

不同损伤因素下的人体损伤概率单位计算公式如下：

式中，yh为人体损伤概率单位；i为热辐射的强度；c为有毒气体浓度；ps为静态超压峰值；te为人体暴露时间。

个体死亡概率计算公式如下：

式中，v为个体死亡概率，v∈[0,1]；u为积分变量。

②多米诺效应分析

多米诺效应定义为：始于一个单元，通过热辐射、冲击波超压、抛射碎片影响临近单元设备，从而加重了后果的事件。不同损伤因素下的设备损伤概率单位计算公式如下：

ln1(tff)＝-1.128ln(i)-2.667×10^-5v+9.87

ln2(tff)＝-0.97ln(i)-8.835v^0.032

式中，yd为设备损伤概率单位；ttf为设备失效所需时间；v为二次设备容积；ps为静态超压峰值；i为热辐射的强度。

多米诺效应概率计算如下：

式中，p为多米诺效应概率；x为积分变量；

步骤5：计算个人风险，任何一个网格中心的个人风险的计算如下所示：

式中，iri为网格i的中心处的个人风险值；fs为设备s的失效频率；vsi为设备s发生事故对网格i的中心处人员的个体死亡概率；pss′为设备s发生事故引发设备s′失效的多米诺效应概率；

步骤6：计算社会风险，任何一个网格中心的社会风险的计算如下所示：

式中，sri为网格i的中心处的社会风险值；ρi为网格i内的人口密度；

步骤7：通过离散法和插值法得到网格内其余区域的个人风险值以及社会风险值。

本发明的有益效果：本发明结合化工园区特性在传统的定量区域风险评估模型的基础上，采用网格化的方法降低模型计算复杂度，且考虑了事故的多米诺效应，利用风险叠加原理计算网格中心的个人风险值与社会风险值，最终通过插值法与离散法获取网格内其他区域的个人风险值与社会风险值；本发明具有开放性、灵活性以及计算复杂度低等特点。

附图说明

图1为本发明方法示意图。

图2为基于笛卡尔坐标系的化工园区网格图。

图3为多米诺效应的拓展方式。

具体实施方式

如图1所示，本发明的具体步骤是：

步骤1:获取基础数据，其中包括危险源种类、状态、存量、分布情况以及储罐类型。

步骤2：化工园区网格化。

当评估区域确定时，采用相同大小的网格将整个化工园区划分为如图2所示的以笛卡尔坐标系(n×m)中的二维空间。其中园区内危化品储罐已标注。在图1中，储罐位置可以分别用坐标(2,5)和(5,9)表示。如果每个网格的长度为100米，则图1中任意两个网格之间的距离可以用它们的坐标表示如下：

式中，dij为网格i与网格j之间的距离(米)，(xi,yi)和(xi,yj)分别为网格i与网格j的坐标；

步骤3：设备故障频率分析。

化工园区引发初始事故的原因主要有外部原因、设备失效和人为原因。外部原因可能是自然灾害或多米诺效应。本发明采用了设备故障引起的初始事故和多米诺效应引起的二次事故进行风险评估。这是化工园区中最常见的事故模式。

常见的设备失效总结如下：

1)基本过程控制系统(bpcs)失效；

2)振动引起的失效(例如，旋转设备)；

3)保养/维修不足，包括替代不当建造材料所造成的失效；

4)控制支持系统失效(例如，电力、仪表气源)。

5)磨损，疲劳，或腐蚀所造成的容器或管道失效；

6)设计，规范，或制造缺陷所造成的容器或管道失效；

7)超压(例如，热膨胀，清理/吹洗管道)或负压(真空失稳)；

8)高温(如火灾暴露，冷却损失)或低温造成脆性断裂(如自动制冷设备，低温环境)引起的失效。

目前，设备失效频率分析最常用的方法是基于数据库。事故发生的频率主要由事故的数量和设备暴露的密度来计算，计算方法如下：

式中，fd为事故频率(年)；na是事故数量(年)；nd为装置数量；td为设备的暴露时间(年)。

主要失效数据库如下：

1)tno陆上定量风险评估导则中泄漏频率统计；

2)海上设备可靠性数据库；

3)美国化学工程师学会过程安全中心(ccps)过程设备可靠性数据库；

4)美国知名风险评估公司exida数据库；

5)英国hse海上事故数据库；

步骤4：基于多米诺效应的事故后果分析。

③计算个人死亡概率

事故后果可分为人员伤亡，经济损失和环境污染等。考虑经济损失及环境污染在物料特性、设备布置、资产分布等诸多方面存在很多不确定性，本发明仅从人员伤亡角度来量化事故后果。

不同损伤因素下的人体损伤概率单位计算公式如下：

式中，yh为人体损伤概率单位；i为热辐射的强度(千瓦每平方米)；c为有毒气体浓度(ppm)；ps为静态超压峰值(千帕)；te为人体暴露时间(分钟)。

个体死亡概率计算公式如下：

式中，v为个体死亡概率，v∈[0,1]；u为积分变量。

④多米诺效应分析

多米诺效应定义为：始于一个单元，通过热辐射、冲击波超压、抛射碎片等影响临近单元设备，从而加重了后果的事件。引起多米诺效应的事故类型可分为火灾和爆炸两类。其中，对装置的危害主要有强烈的热辐射、冲击波超压。多米诺效应的拓展方式如图3所示。但是，并不是所有的火灾和爆炸都能引起多米诺效应，火灾和爆炸的能量必须达到一定的阈值。因此，基于多米诺效应的事故后果分析更关注第二次事故发生的概率，即多米诺效应概率。

不同损伤因素下的设备损伤概率单位计算公式如下：

ln1(tff)＝-1.128ln(i)-2.667×10^-5v+9.87

ln2(tff)＝-0.97ln(i)-8.835v^0.032

式中，yd为设备损伤概率单位；ttf为设备失效所需时间(秒)；v为二次设备容积(立方米)；ps为静态超压峰值(千帕)；i为热辐射的强度(千瓦每平方米)。

多米诺效应概率计算如下：

式中，p为多米诺效应概率；x为积分变量；

步骤5：计算个人风险，个人风险是指长期生活在无防护危险区的人受到伤害的频率。它是可接受的社会安全风险的最小单元。任何一个网格中心的个人风险的计算如下所示：

式中，iri为网格i的中心处的个人风险值；fs为设备s的失效频率；vsi为设备s发生事故对网格i的中心处人员的个体死亡概率；pss′为设备s发生事故引发设备s′失效的多米诺效应概率；

步骤6：计算社会风险，社会风险是指事故发生概率与事故造成的伤亡人数之间的关系。任何一个网格中心的社会风险的计算如下所示：

式中，sri为网格i的中心处的社会风险值；ρi为网格i内的人口密度；

步骤7：通过离散法和插值法得到网格内其余区域的个人风险值以及社会风险值。