基于蒙卡模拟的化工多米诺事故风险量化评估研究

基于蒙卡模拟的化工多米诺事故风险量化评估研究

0seveso和多米诺事故风险评估常用方法多米诺效应是化工事故的典型现象，它指了由初始故理造成的一套或多起次要事故的连锁反应。针对多米诺事故的严重后果,各国制定了相应条例以指导化学工业的安全管理。欧盟委员会于1982年颁布SEVESO指令,并于1996年颁布更为严格的SEVESOⅡ指令近年来,对多米诺事故防灾减灾、风险评估的研究越发受到全世界学者的关注现有多米诺事故风险评估方法多为定性、半定量方法,对多米诺事故风险量化方法的研究较少,且多数为基于概率计算的数学模型方法。由于条件概率计算复杂,在方法实际应用中需引入简化和假设,导致风险量化结果不准确。Abdolhamidzadeh等1风险识别与风险分析多米诺事故风险全周期管理如图1所示,分为风险识别、风险分析、风险评定、风险处理4个部分。风险识别与风险分析为风险全周期管理的核心内容。风险评定与风险处理为结合风险分析结果与化工作业区实际情况的安全管理流程。1.1危险源、设备信息、社会信息的现场构建相对应风险识别为风险分析的前期准备工作,常用的方法为过程危险分析法(PHA),包括现场构建、事故类别识别、模型选择的准备步骤现场构建需完成对化工作业区场景的现场调研与模型构建,包括作业区面积、尺寸、位置等空间信息,设备设施的数量、容积、种类、分布等设备信息,危险化学品的种类、数量、物化性质、毒性等危险源信息,风向、风速、湿度等环境信息,附近区域人口密度、建筑类型等社会信息等。事故类别识别基于对危险源信息、设备信息的现场构建。危险源的物化性质、物态特征,设备设施的种类类型、运行状态,均会对事故类别识别产生影响。事故类别识别常用的方法为事件树分析法(ETA),通过事件树分析法,可了解初始事件在不同致灾因子和环境因素影响下引发的事故类别及对应发生概率模型选择基于现场构建与事故类别识别,包括后果分析模拟、升级概率模型、损伤分析模型的选择1.2基于mcs的事故后果模拟分析相比于定性、半定量评估方法,风险定量评估方法结果更明确、直观,能够更有效地指导化学工业开展风险管理工作。然而,多米诺事故定量风险评估存在缺少案例与数据的困难。由于缺少基于事故数据的统计结果,风险量化结果将会与实际情况存在较大偏差。蒙特卡洛模拟方法(MCS)可以很好地解决该问题。通过重复多米诺事故随机过程,蒙特卡洛模拟能够获得事故后果的概率分布函数,为定量风险评估提供统计支持蒙特卡洛模拟方法核心在于对事故后果模拟分析法(ACS)的多次重复。事故后果模拟分析法基于充分的现场构建、事故类型识别与后果、升级、损伤分析模型选择。该方法能够有效地模拟多米诺事故进程,并对区域风险进行量化1.3个人风险的计算可接受风险值法(ALARP)为常用的化工多米诺事故风险评定方法。个人风险作为可接受风险值法的主要评定指标,由事故发生频率与人体死亡概率2个因素决定,其计算如式(1)所示=式中:对个人风险的可接受风险值,我国对于不同类型场所的可接受风险值均有不同的要求,见表11.4规范企业管理不同高风险区域有不同的空间位置、环境特征、建筑类型,需要根据动态风险分析与评定结果,采取不同的风险处理措施和安全管理策略,以使区域风险降低至可接受风险以下。风险处理可分为设备设施完整性管理、作业区标准化管理、员工安全自主管理3个层面。完整性管理旨在保证设备设施时刻处于安全可靠的服役状态,结构功能完整、风险受控、安全状态满足运行要求;标准化管理需要企业各作业区满足安全管理标准一致、应急管理预案完善、标准化工作流程培训到位等要求,旨在使企业安全制度能够得到有效落实,提升企业本质安全;安全自主管理要求企业营造安全至上价值观,提升员工个人素质与安全意识,旨在让企业安全管理模式由严格监管向员工自主管理模式转变,由“要我安全”变为“我要安全”。2风险量化方法相比于其他化工多米诺事故风险定量评估方法,基于蒙特卡洛模拟的多米诺事故风险定量评估方法拥有以下优势:蒙特卡洛模拟的应用避免了复杂的概率计算,使得风险量化方法直观、简单,适用于实际复杂事故场景;该方法可考虑毒气泄漏对事故风险的影响,能够输出随事故发展变化的风险分布,实现动态风险评估;该方法获得的风险定量评估结果可视化信息明确、直观,对化学工业风险管理、防灾减灾有较大的指导意义。基于蒙特卡洛模拟的多米诺事故风险定量评估方法流程如图2所示,主要分为单次事故后果模拟分析和蒙特卡洛模拟2个步骤。2.1储存缺陷分析迭代模拟单次事故后果模拟分析流程可分为初始事故引入、多米诺过程模拟、模拟结果储存3个步骤。具体方法流程如下:将初始事故引入随机设备设施,初始事故包括火灾、爆炸、毒气泄漏;针对初始事故类型,应用相应后果分析模型与升级概率模型可计算得到区域内物理效应(热辐射通量、爆炸超压、毒气浓度)大小和多米诺事故升级概率;若发生多米诺事故升级,即初始事故引发了次生事故,则针对新的事故场景对区域物理效应与事故升级概率进行更新;对多级多米诺事故发展过程进行迭代模拟,直至消防应急力量介入遏止多米诺过程发展;储存该次事故后果模拟分析迭代过程。通过单次事故后果模拟分析,可获得多米诺事故发展过程中随时间变化的区域物理效应分布。由于初始事故的随机性和多米诺事故发展过程的不确定性,单次事故模拟分析结果也存在随机性,这为应用蒙特卡洛模拟提供了统计学基础。2.2动态风险分析蒙特卡洛模拟流程可分为重复单次模拟、物理效应与人体死亡概率计算、个人风险计算3个步骤。具体方法流程如下:多次重复单次事故后果模拟分析过程,获取大量多米诺事故发展过程模拟结果;对事故模拟结果进行统计分析,获取多米诺事故不同事故后果的概率分布函数;结合各事故后果概率分布函数,应用后果分析模型计算区域物理效应分布,应用损伤分析模型计算区域人体死亡概率,获取人体死亡概率分布函数;计算区域动态个人风险分布。从事故后果概率分布函数到人体死亡概率分布函数的计算过程可由以下函数关系式说明,如式(2)所示:(式中:概率单位转换函数(3)式中:个人风险分布的计算由基于不确定理论的统计计算完成,如式(4)所示(4)式中:由于单次事故后果模拟分析储存了多米诺事故迭代模拟的过程,通过蒙特卡洛模拟获得的风险定量评估结果为区域风险动态分布,对化工企业制定对应风险处理措施、人员疏散策略具有较强的指导作用。3气体压气站运行风险天然气压气站为天然气储运过程中需要经过的重要环节,是常见的石油化工设施。低压天然气在压气站经过过滤、分离、增压等流程后,达到气体沿长输管线流动时所需要的压力,保证天然气能够完成长距离输送。由于天然气存在高压、易燃、易爆的物化特性,天然气压气站在运行过程中存在一定风险。本文以某天然气压气站为案例,应用基于蒙特卡洛模拟的多米诺事故风险全周期管理方法,旨在验证方法的有效性与实用性。3.1厂区内的样品空间压气站中的主要风险源为天然气管道、压缩机组,分别主要分布于厂区右上区域与右下角,主要危化品为天然气。用于储存油料的仓库分布于厂区左下角,主要危化品为柴油。厂区内的其他建筑为员工生活区与会议区2个活动区域,主要分布于厂区左区,紧邻油料仓库。该压气站的现场构建示意如图3所示。通过事件树分析法可知,与压缩天然气相关的事故类别为喷射火,与柴油相关的事故类别为池火、闪火、蒸汽云爆炸(VCE)3.2多米诺事故模拟单次事故后果模拟分析由随机初始事故的引入开始,如管道泄漏天然气形成的喷射火,或仓库油料泄漏引发的池火。应用对应模型,可计算初始事故造成的区域物理效应(热辐射通量、爆炸超压)大小和对应事故升级概率大小。通过对事故升级过程的迭代模拟,可对多米诺事故发展全程进行模拟。由于多米诺事故场景复杂、事故后果种类多,无法对每种事故后果进行概率计算。由蒙特卡洛模拟的应用可获知该压气站可能发生的各类事故后果的概率分布函数,通过对概率分布函数的统计计算,可获知准确的区域动态个人风险分布。3.3低密度区域个人风险防控该压气站的多米诺事故动态风险分析与评定结果如图4(a)～(d)所示。现场访谈获知,该区域人口密度较低,可应用低密度区域3×10以办公室(左下)、主压缩机组(右下)、天然气管线(右中)位置处的个人风险为示例,该压气站厂区内不同位置的动态个人风险曲线如图5所示。由图5可知,该压气站内办公区的个人风险大于作业区(管道、压缩机)位置处的个人风险,需根据不同位置处的风险大小制定对应的风险处理策略与安全管理方案。3.4减少压气站引入的社会风险风险量化分析与评定结果说明,该压气站的主营业务风险并不突出,大部分天然气管道及压缩机所处位置为个人风险可接受区域。对该压气站运行风险影响最大的是厂区左下角落的油料储存仓库。由该仓库引入的个人风险让员工生活区、会议区处于个人风险不可接受区域,且可能对厂区外的部分区域产生影响。针对风险评定结果,该压气站应加强对油料仓库的安全管理,维护仓库储存环境;针对油料库区突发事件制定对应的应急预案,提前备好防灾设备设施;开展员工生活区、会议区应急疏散演习,降低油料仓库风险带来的负面影响;保持与附近居民楼等重点区域的安全距离,降低压气站引入的社会风险;制定设备设施完整性管理、作业区标准化管理、员工安全自主管理制度,从多个层面提高站场的本质安全,降低人为因素引入的风险隐患。4多米诺事故风险全周期管理应用1)多米诺事故是化工事故的1种典型形式,其往往会造成严重的事故后果,且难以准确预测事故的发展过程。对多米诺事故的定量风险评估一直是国内外学者的研究热点。本文提出基于蒙特卡洛模拟的化工多米诺事故定量风险评估方法,并以该方法为核心,梳理多米诺事故风险全周期管理流程,并以某天然气压气站为案例,对化工多米诺事故风险全周期管理进行实际应用,验证基于蒙特卡洛模拟的风险量化方法的有效性和实用性。2)多米诺事故风险全周期管理分为风险识别、风险分析、风险评定、风险处理4个部分。风险识别包括对场景的现场构建、事故类别识别、模型选择等风险分析前准备工作;风险分析基于单次事故后果模拟分析与蒙特卡洛模拟,对区域个人风险进行量化评估。对蒙特卡洛模拟的应用可以避免原有定量风险评估方法中复杂的概率计算,使得风险量化方法