基于AHP的煤化工生产过程安全性分析研究

赵 霞

(同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037001)

引 言

在我国化工行业中，煤化工是非常重要的一个组成分支。我国是世界上最大的煤制合成氨、煤制甲醇生产国，因此煤化工产业对我国经济发展和能源生产起着重要的作用。在煤化工行业中，不论是传统的工艺还是现代煤化工工艺，都存在着化学元素利用效率偏低的问题，针对这一问题，国家也采用煤化电热一体化、多联产等多种不同方式提高煤化工产业发展。

由于大部分化学品具有易燃易爆、有毒有害等特征，所以煤化工生产过程中安全问题一直比较突出。随着煤化工产业的加速发展，其生产过程中的工艺越来越发杂、规模越来越大，都增加了安全风险。因此，在生产实际中，对工艺过程、环境和管理等方面进行全面、综合、客观的安全评价是非常有必要的。本文就是针对这一问题进行研究与实践应用。

1 安全指标分析

要对煤化工生产过程进行工艺、环境和管理等方面的评价，就要从这三个方面的具体内容和特点进行分析，从中找到主要的影响因素，只有找到关键因素，才能建立有效、客观、科学的评价体系。

1.1 工艺过程安全分析

煤化工工艺过程的安全性分析，主要是对参加反应的化学原料、中间产物以及最终产物的特性进行分析，同时要分析反应过程中的一些条件。根据相关文献和现场经验来看，主要的参数应该有以下几类。

1) 物质的燃烧性

物质的燃烧性就是物质能够燃烧的能力。这一指标反应的是化学原料、中间产物以及最终产物是否可能导致火灾的特性。

2) 物质的爆炸性

爆炸是一种非常迅速的能量连续释放的过程，会带来很大的危害。在煤化工生产中，可燃气体、粉尘等都可能导致爆炸的发生。这个指标就是衡量在生产中，反应物、中间产物和最终产物的浓度范围是否可能产生爆炸反应。

3) 物质的反应活性

化学物质都具有一定的反应活性，也就是不稳定性，主要体现在容易自我反应或者与其他物质发生反应。化学物质的反应活性越大，可能造成的危害就越大，越有可能发生安全事故。因此，反应活性应该作为一个安全评价指标[1]。

4) 物质的毒性

化学物质的毒性是指当该物质接触人体或者进入人体内部时，可能对人体产生的危害程度。简单的讲，化学物质对人体机体的危害越大，就可以定义其毒性越大。对煤化工生产中物质毒性的判断，应该包含物质本身的毒性、与人体接触的难易程度、已发觉程度、及时处理程度等多个方面，这样才能客观的评价毒性对安全的影响。

5) 生产工艺方式

生产工艺方式主要是指化学物质的输送和反应方式，一般是指连续作业和非连续作业。连续作业对物质的控制、人员的操作等要求都比较高，在没有缓和时间，因此容易出现事故。

6) 反应环境

反应环境主要包括三个方面。一方面是反应过程需要的温度。温度是化学反应的一个重要的参与因素。高温和低温都易造成危害：高温容易引起火灾或者爆炸，低温容易导致某些容器破损、开裂。另一方面是反应过程中产生的热量。反应产生的热量越高，越有可能导致设备密封损坏、质量下降，甚至产生燃烧和爆炸。还有一个方面是反应过程中的压力大小。压力过高和过低都有可能造成爆炸，增加了安全的隐患。所以，反应环境也应该是安全评价的指标之一[2]。

1.2 设备安全分析

煤化工设备安全主要包括设备自身和环境安全。

1) 设备类型

设备类型主要是指设备是否属于加热设备、加压设备、储存设备、反应设备等。加热与加压设备往往容易发生事故，反应设备比储存设备更容易发生事故。

2) 设备体积

设备体积主要是指当发生事故时，体积大的设备所造成的影响辐射范围较大，可能导致的危害也就更大。

3) 设备密封与设备质量

设备密封性的好坏直接关系到化学原料或者气体的泄露，密封性差容易导致泄露而发生危险。设备质量是指设备本身的材料强度、抗疲劳性等参数，良好的质量能够确保设备的长时间稳定运行。

4) 厂房安全条件

厂房及周边的安全条件也会对煤化工生产安全性产生一定的影响。主要考虑以下因素：厂房结构是否安全，比如密闭空间容易发生事故，也会给事故后的救援带来困难；厂房防火设施是否到位，防火设备数量、防火工具等是否完备；厂房泄压能力，泄压能力强的能够缓解爆炸带来的危害；厂房的应急和疏散条件，完善的应急和疏散能够减少事故造成的人员伤亡[3]。

1.3 管理因素分析

随着现代管理制度的不断发展，管理体系的重要性也越来越受到企业的重视。企业要建立完整的安全管理机构，制定和遵守安全管理制度，组织安全培训，提高企业安全保障，加强员工的安全意识[4]。

2 安全评价标准分析

对煤化工生产过程安全指标的分析后，要进行定量的计算还需要建立每个指标的赋值标准。本文对各个指标赋值分为5个等级，分别为非常安全/5分、安全/4分、存在隐患/3分、危险/2分、非常危险/1分。对物质燃烧性赋值划分为不燃、可燃、较易燃、易燃、非常易燃；爆炸性赋值划分为不爆、不易爆、较易爆、易爆、非常易爆；反应活性赋值划分为稳定、较活跃、活跃、非常活跃、剧烈反应；毒性赋值是以物质毒性对人体的危害划分，分为没有影响、轻微影响、中度影响、高度影响、严重影响；工艺方式、反应环境、设备烈性、设备体积、设备密封、厂房安全这几个指标的赋值为没有危险、存在危险、中度危险、高度危险、极度危险；管理制度、管理机构、培训情况赋值为完善、优秀、良好、一般、较差[5]。

3 基于AHP的煤化工生产过程安全性评价

在层次分析法中，评价体系的建立是通过具体指标的实现的。根据前面的分析，建立基于三个中间层和13个具体指标的评价体系，如图1所示。

图1 煤化工生产安全评价体系

3.1 对评价体系的数学分析

1) 构建判断矩阵的构建

构建判断矩阵就是对各个因素之间进行两两比较。矩阵中，xij的取值就是同层两个因素之间重要性对比值，取值为1～9，值越大，说明i与j相比，重要程度越高。

因此，对图1评价体系进行衡量，可得判断矩阵分别为：

2) 权重排序与一致性检验

权重排序是通过计算判断矩阵的特征向量，计算得出各个因素的重要程度。一致性检验则是判断矩阵取值是否合理，其计算方法如式(1)、式(2)。

CR=CI/RI

(1)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(2)

式(1)中：CR代表判断矩阵的随机一致性比率，如果CR<0.10，一致性检验合格，否则需要重新取值；CI代表判断矩阵的一致性指标；RI代表平均随机一致性指标，取1.56；式(2)中λmax代表判断矩阵的最大特征根。

利用MATLAB计算机程序可以求解判断矩阵的特征向量和最大特征根，计算结果如表1所示，一致性检验结果合格。

表1 煤化工生产过程安全评价结果表

3) 总排序

最底层各影响因素c1、c2……c15对最高层因素A的影响权重向量为式(3)、式(4)。

Q=[q1,q2,……,q13]T

(3)

qk=ckbl

(4)

k=1～6时，l=1；k=7～10时，l=2；k=11～13时，l=3。

式(3)中：q代表c层因素对A层影响的权重值；式(4)中ck代表c层因素对B层影响的权重值；b代表B层因素对A层影响的权重值。

所以，可以计算得出各因素的层次总排序，结果填入表1。

3.2 综合评价分析与应用

在分析了评价体系各因素对顶层的影响权重之后，对每个因素根据现场情况进行打分，可以得出最终的综合评价成绩。

综合评价计算如式(5)。

(5)

式(5)中：F代表综合评价得分；P代表各因素的现场打分结果矩阵；pk代表现场打分结果。

以同煤集团某化工公司煤制甲醇为例，综合一线技术人员和安全管理人员的打分结果，如表1所示。结合层次分析法结果，得出最终评价结果为：F=3.488，即存在一定的隐患，需要在生产中加强安全措施。

4 结语

通过对煤化工生产过程中常见的危险因素的分析，根据层次分析法的基本原理，建立了安全性价评价体系并计算了各因素的权重大小。根据实际情况进行打分，得出了综合评价结果。这一结果可以以定量的结果综合反映煤化工生产过程的安全性，可以为安全评价提供一定的理论依据。