应用系统论建立石化企业成灾模型初探1

张素灵 林 捷 丁秋琴

（中国地震台网中心，北京 100045）

应用系统论建立石化企业成灾模型初探1

张素灵 林 捷 丁秋琴

（中国地震台网中心，北京 100045）

大型企业的生产是一个有机的整体，一个企业就是一个系统，每一个流程又是一个子系统，这些生产流程环环相扣，形成了企业的生产链。本文正是将企业的灾害损失评估建立在这样一个系统分析的基础上，提出了石化企业有向层结构模型，并建立了石化企业的抗震性能分析基本框架和方法，同时以某化工厂为例进行了具体的分析和应用。

系统论 石化企业 成灾模型

前言

2008年5月12日汶川发生了8级特大地震，地震影响到成都、德阳、绵阳、广元、雅安、眉山、阿坝等地数百家化工企业，给这些企业造成了巨大损失，有的甚至厂毁人亡。据这些化工企业统计，人员伤亡、设备破坏、被迫停产是最直接的损失。而中国化工集团公司是汶川地震中受灾最重的央企之一（顾宗勤，2008）。如何评估这些损失，并且在生产建设中如何减少甚至避免这些损失成了企业减灾的重要课题。

本文基于多年来石化企业在减灾工作中探索出的经验，提出了有向层结构模型，并将此模型用于科研实践中，取得了很好的效果。同时该模型已在某石化厂的震害预测及防震减灾信息管理与决策系统建设中得到了应用，获中国地震局防震减灾优秀成果三等奖。

1 石化企业的特点和震害

石油炼制是一个对生产设备和生产环境要求较高的物化过程，生产装置一旦启动，要求供水、供电、供风和供气运行正常，而且生产的连续性要求也很高，任何一个环节出现问题，都会严重影响到上一级或下一级的继续生产。

对于城市或某些建（构）筑物的抗震可靠性分析工作，从理论上讲已经很深入了。但是如何对一个企业，尤其是像石化厂这样一个极其特别的企业，不仅要考虑到其厂房等建筑物的抗震可靠性，更要考虑到其相关生产设备、生产资料及产品存放保管等多方面的抗震安全性。因此，对石化企业做抗震可靠性分析是目前的一个新课题，其原因如下：

（1）石化企业各装置所处理的液、气体大都有毒，且易燃、易爆，属危险品，一旦发生泄漏，将造成巨大危害。

（2）石化企业工作连续性强，各车间从进料到产出是一个完整的有机体，如果一个环节出现问题，将可能影响到整个生产过程。

（3）石化企业的各个车间又是一个完整体系，它是由生产及辅助生产的一系列子系统组成的，环环相扣。

（4）预测的主体是一些化工设备，属特种工程结构，而这方面的震例资料远少于普通建（构）筑物。

（5）石化企业的次生灾害严重。在我国近年来发生的地震中，石化企业造成的次生灾害并不像国外那么严重，只是在近几年开展城市抗震可靠性分析中才意识到它的重要性，故这项工作才刚刚开展。

（6）对地震之后的次生灾害危害程度的预测、评估，不仅与震害有着直接的关系，同时与气候、地理等许多自然因素也有着密切的关系。目前，对石化企业的地震次生灾害预测还处于探索阶段，要做出相对完整、可靠的地震次生灾害预测目前还比较困难。

石化企业生产的产品及所用的原料具有特殊性和高危性，同时石化企业又有众多的火源及易燃品。在历次破坏性地震中，总是伴随着火灾的发生，损失尤为严重。如1964年6月16日，日本新泻发生7.5级地震，昭和石油公司发生了大火，一直燃烧了2个星期。

而石化企业另一个震害特点是伴随有泄毒、爆炸等产生的次生灾害。如在1976年唐山地震中，天津汉沽化工厂由于氯气中毒死亡3人。

另外，由于石化企业的生产连锁性，一旦某一环节受损，将影响到其上游和下游的生产。如唐山地震使天津碱厂厂房和设备受损，导致停工停厂，随之而来的是使大量不在地震区，但使用该厂产品的一系列工厂停产停工，影响波及全国。

综上所述，地震对石化企业造成的危害主要有以下4个方面（张素灵等，2001）：

（1）地震波对生产设备的破坏。如炉、罐、塔及管线等设备的倾覆或松落都将造成停产，甚至起火燃烧。

（2）地震导致的“四停”（供水、供电、供风和供气的中断），则有可能造成因没有冷水降温而使炉管破裂或结焦，并导致设备报废。

（3）管线出现裂缝，造成油气泄漏，引燃大火。石油炼化过程中的油气温度很高，大都有毒，而且极易燃烧，一旦泄漏，则可能酿成大的灾难。

（4）装置区的建（构）筑物（如操作间、控制室、泵房、设备平台等），一旦遭到地震破坏，极易造成仪表设备的损坏，直接影响生产。

2 石化企业抗震性能分析技术思路

一般来讲，结构易损性分析常采用震害经验统计的方法，利用已有的各类建（构）筑物的震害资料对类似建（构）筑物进行易损性估计。对石化企业需要做抗震性能分析的包括以下 3类：①建筑物：办公室、实验室、泵房、车间；②构筑物：设备平台、烟囱、厂房、双油线、冷却塔、管道支架、贮池；③化工设备：加热炉、塔类、油（气）罐类、控冷器、泵等。

石化企业每个装置的生产，都是由一系列十分复杂的物化反应组成。首先需要分析这些装置的生产流程及装置内的主要生产设备，找到其中的关键设备和薄弱环节，依据生产流程进行分析，从而建立一个以生产装置为单元的抽象分析体系。进行分析时不仅要将各装置、各车间作为一个整体考虑，而且还要通盘考虑石化企业的整体情况，只有这样才能反映出该石化企业的特性（李桂青等，1992）。

据上所述，石化企业的抗震性能分析可分为以下4个步骤：

（1）仔细分析该石化企业的每个生产流程及全部生产过程，找到每个生产车间的关键设备和危险部位。

（2）通过现场调查和计算分析，给出各车间主要化工设备和建（构）筑物的抗震性能评价。

（3）从系统的角度，以车间为单元分析其抗震性能。对于一个生产车间来说，其节点的可靠性由3个因素决定：本身节点的抗震可靠性；生命线系统的供应保障；生产上游原料供应的保证。

（4）将该石化企业作为一个整体系统，综合评价其抗震性能。

在进行石化企业的抗震性能分析时，不能只考虑单一建（构）筑物或生产设施的抗震性，而应当在整体考虑的基础上，对石化企业的各个功能区域进行划分，给出不同的危险等级。然后，根据其可能带来的次生灾害的严重性，采取不同的抗震方法。对于危险等级较高的区域要重点监控，采取更高等级的抗震措施，以尽量减少震后次生灾害带来的危害和损失。

3 石化企业中各个单体的抗震性能评价

对应于石化企业的震害特点，建（构）筑物及设备（结构单体）的抗震性能分析应考虑以下4个方面：

（1）建（构）筑物（如操作间、控制室、泵房、设备平台等）的抗震性能评价；

（2）重要设备（如炉、罐、塔等）的抗震性能评价；

（3）危险部位（如炉塔间的转油线、塔底泵、重要管线等）的抗震性能评价；

（4）生命线系统（供水、供电、供风和供气）的抗震性能评价。

通过对石化企业在历次地震中的震害统计资料分析，可发现在诸多震害因素中，由于建（构）筑物的破坏引起石化设备损坏是最主要的。如泵房、配电间、操作室等建筑物一旦遭到破坏，其中的化工设备也必将受到破坏。此外，还有一些独立的设备也容易受到地震的破坏。

在化工设备中破坏数量最多、且最严重的破坏单体是储罐。只有在极少数的情况下其他单体才可能破坏，以至于短期内不得不更换。究其原因，是因为化工设备多为钢结构，弹性好，耐张拉和抗疲劳性能远远优于砖石、混凝土等脆性建筑材料。塔的损坏主要包括：基础开裂；螺栓拉长、屈服；炉子的支柱屈服；换热器接头破裂等（许建东等，2002）。

化工设备是石化企业最重要的组成部分，主要包括各类炉、塔和罐（容器），一旦遭到地震袭击，其损失不仅仅是结构破坏，还可能导致生产停顿以及由于易燃易爆有毒物质的泄漏，产生极严重的次生灾害（叶泰来等，1994），因此，需彻底清查各生产环节重要化工设备的抗震性能，做好震害防御工作。根据对历次地震对化工设备的破坏现象分析，其破坏主要表现为：

（1）建（构）筑物倒塌造成设备破坏；

（2）储液罐的罐底或罐壁破坏；

（3）设备连接部位损坏，高柔设备的螺栓拉长，管道刚性连接拉坏；

（4）设备移位或倾斜；

（5）地基不均匀沉降引起破坏；

（6）电气设备陶瓷部件破坏；

4 石化企业有向层结构模型

石化企业生产的特点是各车间密切相关，各车间相对独立又相互依赖，形成了一个有机的系统。根据这种互相依赖又相互制约的关系，可将石化企业作为一个相对独立的分析单元、各车间为子单元进行分析（见图1）。

从图1可以看到，这里包括4种相互作用的影响关系：生命线系统之间的相互作用；系统对用户的作用（注意这里不考虑用户对系统的反作用）；用户间相互的影响；石化企业与外界的影响。

假设地震发生前，这些关系都是和谐和完善的理想运行状态，各车间之间及用户与生命线系统之间是一种充分利用、没有原料不足和产品积压现象。为了描述这种错综复杂的相互关系，我们建立了石化企业有向层结构模型（见图2），并做了以下一些假定：

图1 石化厂各车间相互影响关系示意图Fig.1 Illustration of linkage between different workshops

图2 石化企业有向层结构模型示意图Fig.2 Illustration of layer structure

（1）该模型分上下两层：上层为生命线系统层，下层为用户层（生产车间）。

（2）在上层（系统层）中，生命线系统之间存在相互作用关系。例如：供电系统决定了其他3个系统的正常工作；供气系统受制于供水和供电系统。

（3）在下层（用户层）中，用户之间由于生命线系统功能的降低，其经济运行能力受到影响，产出减少，对其他用户的生产运行造成影响。

（4）忽略下层对上层造成的影响，即生命线系统对用户具有影响，而用户对生命线系统没有反作用。由于生命线系统自身损坏造成功能降低，影响其对用户的服务。

（5）石化厂对外界输出受地震作用的影响而降低，但其需求及外界对石化厂的供应不能受损。

5 案例分析

以某石化厂为例，该工厂的油料加工系统是由蒸馏车间等13个生产车间共31套生产装置组成。根据各车间所起的作用不同，可将石化厂分成5个不同的系统：原油储运系统；油料加工系统；生命线系统；产品贮存及出厂系统；辅助生产系统。其中每个系统又是由数个车间组成。生命线系统由循环水、供电、供气和供风组成；产品贮存出厂系统由调合、贮存和出厂组成；辅助生产系统包括制氢等装置。

最小的预测单元是以装置为单位，再上一级是以主要生产车间和辅助生产车间两部分组成，如图3所示。

图3 某石化厂层状结构示意图Fig.3 Illustration of the layer structure of a petrochemical enterprise

我们以该石化厂第二套常减压蒸馏装置为例，具体说明该装置的生产流程。该装置共有设备747台，主要设备52台，工艺管道4.3km，建筑物5栋，构筑物3个和3条转油（气）线。常减压蒸馏装置是石油炼制过程的第一步，是整个石化厂的龙头。图4给出了一个经过简化的原油生产加工流程图。原油由4号罐区经原油泵房进入换热器初步加热后，进入电脱盐装置，同时加入破乳剂，冲洗油后经一级脱盐罐进入二级脱盐罐，再经换热器进入初馏塔T1，原油初馏后产生的重整原料流出装置，进入焦化裂化装置。塔底拔头油再进入常压炉L1进行加热，同时进入常压塔T2进行常压分馏。T2塔底油进入减压炉L2加热，再进入减压塔T5。T2塔顶分馏出的汽油、煤油和柴油经常压塔T3后流出装置，进入后续装置。从减压塔T5分馏出的塔顶油气进入减压塔T4。减压塔T5一侧由上而下分别分馏出润滑油、催裂化原料。从减压塔 T4分馏出的减压渣油进入延迟焦化装置和沥青装置。这是一个相对来说并不复杂的流程。

从以上原油生产加工的流程不难看出，在原油的生产过程中其抗震薄弱环节主要包括：

（1）减压塔T5：它是一个具有负压的热油气塔，塔高57m。

（2）减压塔T5到减压炉L2的转油线：易折损，油温很高（300多度），遇空气便着火。

（3）常压塔T2到减压炉L2的转油线：现在已有些移动。

（4）减压炉L2旁边的烟囱（高约30m），略向西倾斜（原因是安装偏差及基础的不均匀沉降）。

图4 原油生产加工流程示意图Fig. 4 Illustration of oil production and processing

上述这些抗震薄弱环节，都有可能在地震次生灾害中带来不可估量的破坏、损失。

6 结论

目前常采用的传统体系分析方法，是从电子和机械体系的研究发展而来的，其中有许多技术已经应用于大型电子计算机、核电站或宇航技术的可靠性分析方面。

而石化企业的分析对象与这些体系之间既有相似之处又有不同之处，石化企业的易燃、易爆、剧毒气体、液体等有可能在地震的次生灾害中产生巨大的破坏作用，而且决定其破坏作用的不仅是地震灾害本身，同时也与气候、地理、地质等条件有着密切的联系。而且这些外因本身就具有易变性、不确定性，如果完全采用电子体系分析技术和现有的模型进行分析，其分析结果必然存在较大的误差。为此，我们必须建立一套完整、复杂、多学科的模型，该模型不仅要考虑建（构）筑物及生产设施的抗震性能，同时也要考虑各种有害物质的破坏性和自然环境的影响等，只有这样，才能实现石化企业地震次生灾害的预测和评估，为石化企业制定出切实可行的应急处置方案。

然而目前还很难完全采用现有的电子体系分析技术和模型，来分析石化企业的抗震可靠性，而且这样做也很不经济。因此，作者认为要解决这一问题，应基于石化企业自身的生产模式和工艺流程，并结合石化企业的特点，构建模块化、结构化的分析模型。本文提出的石化企业有向层结构模型，就可用来描述和分析这种错综复杂的关系。该模型将全厂的生产车间按其功能分为了2个层面：生命线系统层和用户层（即生产车间），这样就可分别计算其可靠性。

同时，每个生产车间又可根据其生产流程，进一步分成由建（构）筑物和设备为节点的体系，根据对每个生产车间关键设备的可靠性分析，就可以得到该车间的可靠性（不考虑供水、供电、供风和供气的停止），再结合生命线系统的可靠性，依据石化企业有向层结构模型给出的描述，即可得到全厂各车间的抗震可靠性。

由于篇幅所限，本文只是对一个方法的宏观描述。对于某些比较成熟的分析，例如结构的抗震可靠性分析、体系的网络分析等，本文暂不做进一步介绍。

总之，对石化企业的震害评估与次生灾害预测，由于其生产原料及流程的特殊性、高危性，不能仅仅采用传统的分析方式。本文提出的石化企业有向层结构模型从生产流程、生产过程链等多个方面，对石化企业的震害和次生灾害进行了分析和评估，并取得了一定的效果。当然，这个模型还需要进一步的细化和深化。

顾宗勤，2008. 汶川大地震对石化业的影响深度分析. 中研网：http://blog.china.com/u/070716/64897/.

李桂青，李正农，1992. 基于系统可靠性分析地震次生灾害损失预测. 武汉城市建设学院学报，9（1）：83—90.

许建东，林建德，曹华明，张素灵等，2002. 石化企业地震次生火灾危险性评估与对策研究. 自然灾害学报，11（1）：134—140.

叶泰来，杨林根，1994. 化工企业地震次生灾害及对策. 现代化工，14（5）：5—8.

张素灵，许建东，曹华明，王春华，2001. 地震断层作用对地下输油（气）管道破坏的分析. 地震地质，23（3）：432—438.

A Preliminary Study on Disaster Model for Petrochemical Enterprise Using the System Theory

Zhang Suling, Lin Jie and Ding Qiuqin
(China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China)

The manufacture of a large enterprise is a well organized integrity, and an enterprise is a system, while every process is a subsystem. These production processes closely link each other, forming the enterprise's production chain. Based on the system theory, enterprise disaster loss assessment is established from the view point of systematic analysis in this paper. A model of the layer structure is put forward, and the basic framework and method to evaluate the anit-seismic performance in petrochemical enterprises are proposed. A case study of a chemical plant is given to illustrate the application of this method.

张素灵，林捷，丁秋琴，2011. 应用系统论建立石化企业成灾模型初探. 震灾防御技术，6（3）：319—325.

国家科技支撑计划课题“地震预警与烈度速报系统的研究与示范应用”（ 2009BAK55B04）资助

2011-02-13

张素灵，男，生于1965年。副研究员。1999年获理学博士。现在中国地震台网中心从事强震动观测及与城市减灾有关的研究工作。E-mail: zsl@seis.ac.cn

Κew words: System theory; Model; Petrochemical enterprise