基于DEMATEL算法对丙烷脱氢装置系统安全风险因素相关性研究

刘晓成，郭海艳，陈尊仲，杨春亮，陈义丰，张波杰，凌 锐

(1.宁波金发新材料有限公司，浙江 宁波 315000；2.中国石化镇海炼化分公司)

决策试验与评价实验室方法(简称DEMATEL算法)是一种利用矩阵工具和图论对系统因素进行分析的方法，在20世纪70年代由美国日内瓦研究中心的Gabus和Fontela教授首先提出[4]。DEMATEL算法作为复杂系统因素分析方法，对系统辨识出的因素影响关系强弱进行定性判断，并在此基础上采用矩阵计算出每个因素对其他因素的影响(影响度)和每个因素受到其他因素的影响(被影响度)[5-6]。经过大量学者研究，DEMATEL算法已在系统工程、管理科学、安全管理等领域得到应用[7]。系统安全工程中可采用安全检查表法、使用条件危险性法、HAZOP分析法和模糊理论法等方法进行风险分析，但这些方法对于复杂系统的风险分析还略有不足。因此，更宜采用DEMATEL算法进行复杂的丙烷脱氢装置的系统风险分析。

本课题提出丙烷脱氢装置系统风险影响因素相关性模型，识别丙烷脱氢装置系统风险影响因素，建立风险影响因素集，运用DEMATEL算法研究丙烷脱氢装置系统风险影响因素间的相互关系，以期为丙烷脱氢装置系统风险管理提供参考依据。

1 Lummus公司的Catofin工艺流程简介

某公司0.6 Mt/a丙烷脱氢装置采用Lummus公司的Catofin脱氢工艺，该工艺采用固定床反应器进行脱氢反应，装置主要分成烃系统和空气系统两部分。烃系统主要用于丙烷脱氢反应，具体的工艺流程是：新鲜丙烷进入汽化罐加热汽化，再经进料加热炉加热(加热之前注入硫化剂钝化反应器)后进入反应器进行脱氢反应得到产品气，产品气经换热器冷却后进入压缩机增压，随后进入冷箱进行深冷分离脱除氢气，冷箱深冷分离的低温物料进入脱乙烷塔脱除乙烷等轻组分，脱乙烷塔釜的物料进入产品分离塔分离出丙烯，剩余的塔釜物料循环回汽化罐循环使用。空气系统主要用于脱氢催化剂床层的再生再热，经压缩机升压后的空气被空气加热炉加热后进入反应器对脱氢催化剂进行再生，从反应器流出的再生烟气回收热量后排至大气。装置的工艺流程见图1。

图1 丙烷脱氢装置工艺流程

2 丙烷脱氢装置系统风险影响因素相关性模型的建立与辨识

2.1 建立丙烷脱氢装置系统风险影响因素相关性模型

丙烷脱氢装置系统的整体安全目标是由组成系统的各子系统和单元综合发挥作用的结果。安全风险分析要把研究的对象作为一个系统。系统是指为实现一定的目标，由多种彼此相关联的要素组成的整体。系统有大有小，但所有的系统都有目的性、集合性、相关性、阶层性、整体性、适应性6个基本要素[8]。丙烷脱氢装置各系统也是高度联系的，系统中风险因素也是高度关联的，从安全风险管理相关性角度分析各因素之间的关系，建立相关性模型才能得到正确的结论。

按照轨迹交叉理论，不安全事件的发生必然由多个风险因素引起，即一起不安全事件除了人的不安全行为因素外，还必然存在物的不安全状态因素，故可将单元或子系统的人的不安全行为因素和物的不安全状态因素组成风险因素集(Rn，n=1，2，3，…)。由于复杂系统发生不安全事件时的风险因素集中必然存在相同的风险因素[9]，从系统集和性角度考虑，丙烷脱氢装置系统的各个不安全事件的风险因素集可记作An，如式(1)所示。

An=R1∪R2∪…∪Rn

(1)

2.2 丙烷脱氢装置系统风险分析:预先危险性分析(PHA)

风险影响因素的辨识过程中，要遵循充分性、适应性、系统性、针对性和合理性的原则才能正确找出系统的风险影响因素，为此需要选用合适的方法进行风险影响因素的辨识。丙烷脱氢装置是在带压、高温条件下运行的，原料是低温丙烷，装置在运行过程中产出丙烯、丙烷、氢气、硫化氢和高温空气等物料，这些物料或多或少都具有一定的危险性。可采用PHA定性地辨识出系统的危害，找出产生危害的原因，提出消除控制的措施。丙烷脱氢装置的PHA工作表见表1。

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表1 丙烷脱氢装置的PHA工作表

2.3 丙烷脱氢装置系统风险分析：故障类型和影响分析(FMEA)

FMEA[10]是一种非常广泛和重要的系统安全分析方法，是复杂系统工程辨识影响因素的常用方法，也是找出设计上潜在缺陷的手段。对丙烷脱氢装置假设发生不安全事件时可能的各种故障类型进行分析，得到风险因素。以PHA分析出的危险因素结合历年各类化工装置的不安全事件统计分析，丙烷脱氢装置的典型不安全事件可归为以下5类，即X={安全防护用品不全或损坏(X1)，人员误操作(X2)，装置超温超压(包括超负荷)运行(X3)，装置带病运行(X4)，安全管理体系不健全(X5)}。在各FMEA条件下，对装置运行过程中故障发生时的风险因素进行分析，具体见表2。

表2 丙烷脱氢装置故障发生时风险因素的FMEA分析

根据式(1)对表2列出的风险因素进行归并，得到因素集An={人员技能水平不达标(R1)，经验不足(R2)，教育培训不足(R3)，工作时长过长(R4)，设备故障(R5)，设备性能状况差(R6)，安全风险意识不强(R7)，…，应急处理能力不强(Rn)}。

2.4 建立丙烷脱氢装置系统风险影响因素集

对An中丙烷脱氢装置风险因素分析整理，根据装置操作人员(简称人)、运行设备(简称机)、物料本身(简称料)、装置安全管理情况(简称法)、装置运行环境(简称环)5个维度进行归类分析，得到丙烷脱氢装置在人-机-料-法-环5个风险管理对象中的风险影响因素集，具体见表3。

表3 丙烷脱氢装置系统风险影响因素集

2.5 丙烷脱氢装置系统危险特点、反应失控分析及应对措施

丙烷脱氢装置的核心是反应系统，反应系统由8台周期性切换操作的反应器构成，在任何时间下：①有3台反应器处于在线脱氢；②有3台反应器处于再热/再生；③有1台反应器处于抽真空、蒸汽吹扫；④有1台反应器处于空气充压或催化剂还原。一个完整的循环过程需要24 min，包括丙烷脱氢反应、蒸汽吹扫、热空气加热床层并烧除催化剂上的结焦、反应器抽真空以及为下一阶段反应做准备的催化剂还原。每台反应器按照一定的顺序重复相同周期性操作(包括脱氢反应、蒸汽吹扫、催化剂再生/再热、抽真空、催化剂还原)，时序器控制阀门开关使丙烷和空气连续不断流入反应器。

根据GB 18218—2018《危险化学品重大危险源辨识》，0.6 Mt/a丙烷脱氢装置被辨识为重大危险源。大量的丙烷在50 kPa(绝)、600 ℃条件下在反应器中进行脱氢反应。从丙烷固有属性和反应条件来看，反应器最大的危险特点为火灾和爆炸。反应器生产时的缺陷、腐蚀物对反应器的腐蚀缺陷、使用不当对反应器造成的裂纹或损坏以及阀门的密封失效，均会导致高温空气或环境空气窜入脱氢反应器中，使其发生火灾或爆炸。如果丙烷物料超温、超压进入反应器则会发生失控的脱氢反应，一旦温度和压力超过设计值，催化剂床层就会发生剧烈的结焦副反应，结焦的催化剂在用高温热空气再生/再热时会发生催化剂床层“飞温”现象，“飞温”的催化剂床层在后续脱氢反应中产生更多的焦炭，如此循环反复操作后反应器陷入恶性循环，催化剂床层的热平衡被打破后使得脱氢反应失控。

为防止火灾、爆炸及脱氢反应失控情景发生，反应器采取一系列保护措施：①反应器大阀设置氮气密封气，在阀门关闭时(反应器切换)注入氮气，确保丙烷系统和空气系统隔离，同时采用蒸汽作为氮气密封气的备用气源，一旦氮气管网压力下降，蒸汽将作为密封气；②反应器设置自动紧急停工系统(RAESS系统)，一旦反应器发生以上故障时，启动RAESS系统；③为防止反应器在切换时的阀门误动作，反应器阀门设置互锁系统(共计160个联锁)，确保只有单一属性的物料进入反应器；④反应器系统设置雨淋系统、消防灭火系统，一旦发生火灾、爆炸能及时采取应急措施；⑤反应器选用抗腐蚀性能好的材料，内衬采用高效耐火内衬，防止交替的氧化-还原气氛和高温环境破坏反应器的强度；⑥设置有毒和可燃气体报警仪。

3 丙烷脱氢装置系统安全影响因素分析与计算

丙烷脱氢装置是一个复杂系统，不仅系统与子系统、子系统与单元有密切的关系，而且各子系统之间、各单元之间、各元素之间都存在着密切的关系，因此采用DEMATEL算法对丙脱氢装置系统风险影响因素集相关性模型进行分析，确定风险影响因素相互关系。

3.1 建立风险影响因素关系矩阵

专家和丙烷脱氢装置管理人员对表3共同打分，根据对丙烷脱氢装置中20个风险影响因素之间相互影响程度的判断，确定各影响因素之间的影响程度。由于各个影响因素具有模糊性，采用精准的度量无意义，因此根据Chen等[11]提出的0，1，2，3，4评价标度(分别表示无影响、影响小、影响适中、影响大、影响极大)来分析装置复杂问题，其中可用Mij=(0，1，2，3，4；i，j=1，2，3…，20)表示Mi对Mj的影响程度，因此可得到直接影响矩阵M，具体见表4。

表4 丙烷脱氢装置系统风险因素直接影响矩阵M

3.2 DEMATEL计算

按照式(2)对直接影响矩阵M进行规范化处理，计算出正规化矩阵C。

(2)

按照式(3)将正规化矩阵C转化为综合影响矩阵T。

T=C(I-C)-1

(3)

式中：I为单位矩阵。

为表征因素综合影响矩阵的相互关系，需要计算各因素的影响度Ti、被影响度Tj、中心度di和还原度ei，计算方法如式(4)～式(7)所示。

(4)

(5)

di=Ti+Tj

(6)

ei=Ti-Tj

(7)

式中：tij为综合影响矩阵T中的元素；Ti为影响度，表示因素Mi对其他因素的综合影响程度；Tj为被影响度，表示因素Mi受其他因素的综合影响程度；di表示为中心度，di越大表明该因素在该系统中所起到的作用越大；ei表示为原因度，当ei>0时属于原因因素，当ei<0时属于结果因素。

3.3 DEMATEL计算结果分析与讨论

DEMATEL计算结果见表5。

表5 丙烷脱氢装置系统DEMATEL计算结果

由表5可以得到如下结果：

(1)物料的腐蚀性M10对丙烷脱氢装置风险影响度最大，装置生产时的温度和压力M13次之，工作时长M4影响最小；安全风险意识M2被影响度最大，教育培训M19次之，工作年限M3被影响最小。丙烷脱氢装置物料的腐蚀性是最大的风险影响因素，从Lummus公司的Catofin脱氢工艺流程来看，腐蚀性较大的物料是硫化物和氢气[12-13]。田俊凯等[14]报道，硫化剂的腐蚀性是影响丙烷脱氢装置设备开裂的主要因素之一，在丙烷脱氢装置运行中应严格按照工艺操作手册控制硫化剂的注入量，调整硫化剂注入量时必须对整个系统进行风险评估，降低硫化剂腐蚀性风险因素对系统的影响；对于氢气管道和设备，要登记建档、重点监控和动态管理。要严格按照《中华人民共和国特种设备安全法》对丙烷脱氢装置的压力管道和压力容器进行定期监检，如发现设备发生减薄、裂纹、鼓包等缺陷时须及时修复。

(2)中心度排名前5的风险因素依次是教育培训M19、装置生产时的温度和压力M13、安全风险意识M2、监督检查M15、安全管理制度的制定和执行M14，说明这5个风险因素在丙烷脱氢装置系统风险占有重要的作用。重视风险管理对象中的“人”、“料”、“法”、“环”4个对象，尤其是“人”和“环”这两个对象，其中安全风险意识最易受其他因素影响，教育培训M19在系统中起到最重要的作用。轨迹交叉理论中不安全事件必然存在人的不安全行为，装置风险管理中尤其需要强调人的主观意识，加强人的安全风险意识能减少不安全事件的发生，但人的安全风险意识基本都依靠教育培训来养成的。石油化工装置一般是连续运行，装置参数和物料处于动态平衡，虽然装置中存在固有的安全风险，但要辨识出动态的单元系统的危险有害因素并制定相关安全措施不仅需要理解装置的运行状态和工况还应具备一定的专业技能水平，相关人员达到这一专业技能水平就得依靠不断的教育培训。加强从业人员的培训，提高从业人安全意识和综合素质能有效切断人的不安全行为因素，减少不安全事件的发生。Catofin脱氢工艺最鲜明的特点是时序器顺控切换8台固定床反应器运行、装置能量循环利用和160个反应器联锁。只有熟练掌握反应器故障处理、能量循环利用故障处理和160个联锁才能成为合格的操作员，查询丙烷脱氢装置人才数据库，发现培养一个合格的操作员需要6年之久，每年再教育培训时长达192 h。在丙烷脱氢装置上开展“师带徒”培训新人、管理层技术人员培训操作人员、行业专家培训管理层技术人员等教育培训工作，从丙烷脱氢装置培训管理上看符合DEMATEL计算结果。

(3)工作年限M3、设备的完整性M7、物料的腐蚀性M10、物料易燃易爆性M11、物料的毒害性M12、装置生产时的温度和压力M13和社会环境M18，此7个因素的ei>0，这7个因素对其他因素影响大，属于原因因素。

(4)技术水平M1、安全风险意识M2、工作时长M4、身体/心理健康状况M5、职业素养M6、设备冗余量M8、设备性能状况M9、安全管理制度的制定和执行M14、监督检查M15、薪资情况M16、作业环境M17、教育培训M19和班组的氛围M20，此13个因素的ei<0，这13个因素对其他因素影响小，属于结果因素。

4 结 论

(1)建立丙烷脱氢装置系统风险辨识模型，运用PHA对丙烷脱氢装置进行危险有害因素分析，找出物料泄漏、火灾、爆炸、中毒、窒息、灼烫、冻伤、机械伤害、高处坠落、触电、噪声等危险有害因素，提出措施防止不安全事件发生。

(2)使用FMEA找到丙烷脱氢装置的5种不安全事件和风险管理对象，提出风险影响因素集。对丙烷脱氢装置风险影响因素集整理分析，建立装置操作人员、运行设备、物料本身、装置安全管理情况、装置运行环境5个维度下的20个风险因素。

(3)丙烷脱氢装置核心是反应系统，辨识出反应器火灾、爆炸和脱氢反应失控的风险。丙烷脱氢反应器火灾、爆炸和脱氢反应失控分别发生的原因是烃氧互窜和反应器超温、超压，根据风险发生的原因针对性地提出管控措施。

(4)运用DEMATEL算法分析风险因素集，计算得到物料的腐蚀性对丙烷脱氢装置系统风险影响最大，安全风险意识极易受到其他因素的影响，教育培训在丙烷脱氢装置系统中起到最重要的作用，在20个风险影响因素中辨识出7个原因因素和13个结果因素。

(5)在丙烷脱氢装置系统安全风险管控时，应考虑7个原因因素和13个结果因素之间的关系，尤其优先管控7个原因因素，这为丙烷脱氢装置系统风险管控提供了一定的理论基础。