摘　要：中國石油和天然氣行業(yè)推行的工藝安全管理PSM體系應(yīng)用了各類基于風(fēng)險的安全技術(shù)，如保護層(LOPA)，報警管理(ASM)和安全儀表(SIS)等技術(shù)，但這些技術(shù)均需要與某個事故場景的風(fēng)險準則進行比較的評估環(huán)節(jié)，才能實現(xiàn)風(fēng)險處置與決策。為此，以國家安監(jiān)總局40號令公布的個人定量風(fēng)險準則為基準，提出了將生產(chǎn)設(shè)施總體風(fēng)險準則分解到事故場景個人風(fēng)險準則的計算流程：①依據(jù)設(shè)施的工藝特點和布局等技術(shù)資料劃分不同的工藝段位，以確定不同的風(fēng)險區(qū)域；②根據(jù)工藝介質(zhì)的特性，分別計算各區(qū)域的道化F&E指數(shù)(對有毒介質(zhì)或還需計算C&E指數(shù))以獲得不同工藝段位的影響半徑和危害系數(shù)，計算出各工藝段位的個人風(fēng)險準則(RTCu)；③以HAZOP報告以及設(shè)施的人員分布信息，計算各事故場景單元的個人風(fēng)險準則(RTCs)，這樣就避免了風(fēng)險評估中將事故場景風(fēng)險與總體準則比較的誤區(qū)。最后以某天然氣壓氣站為例，給出了具體的工藝流程和實際個人定量風(fēng)險準則數(shù)值。

關(guān)鍵詞：定量風(fēng)險準則  事故場景  保護層分析  安全聯(lián)鎖儀表  風(fēng)險評估

Decomposition of quantitative individual risk tolerable criteria and its application to natural gas compression stations

Abstract：Process safety management(PSM)finds increasingly wide application in oil and gas industry all over China，meanwhile different risk-based technologies，such as layers of protection analysis(LOPA)，alarm system management(ASM)and safety instrumented sYstem(SIS)，etc.,consolidate the corresponding elements of the PSM system．However，all tllese technologies involve a rlsk evaluation steP where a determined scenario will be compared with some specified risk tolerable criteria(RTC)so that risk decision and dlsposal following will be reasonably made and adopted．By using the individual RTC value mandatedb)，Regulation Code No.40 of the State Administration of Work Safety，a new and structural procedure was proposed to develop a sccnario oriented individual RTC，which can deeompose the total facility RTC to specified protess unit／section and then to the creditable scenarios and thus avoid the common mlsmatch of risk comparison．First，different risk zones were determined by the classification of flow Drocess units based on various technical data such as process features and layout，etc．Second，each unit¢s RTCu was calculated bv the Dow Chemical F&E index method(or the C&E index for toxic situation)to obtain influencing radius and hazard coefficient．Finally，the scenario RTCs of each hazardous event was calculated by utilizing the information provided in an HAZOP report，as well as facilities staff distribution.A concrete case study of a natural gas compression station was also provided to illustrate the proposed approach and the achieved concerned numerical resuhs．

Keywords：quantitative risk criteria，process hazard scenario，LOPA，safety instrumented system(SIS)，risk assessment

根據(jù)ISO標(biāo)準31000—2009：風(fēng)險管理，其中的風(fēng)險評價環(huán)節(jié)是將具體應(yīng)用(Context)與之相對應(yīng)的風(fēng)險準則(Risk Criteria)比較，從而實現(xiàn)風(fēng)險決策。近年來工藝安全管理PSM體系逐步在國內(nèi)石油和天然氣行業(yè)得到推廣，一些先進的半定量和定量安全評估技術(shù)也隨之得到應(yīng)用^[1-2]。尤其是隨著國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局(以下簡稱：國家安監(jiān)總局)總局于2011年實施的第40號令，明確指出：危險化學(xué)品單位應(yīng)當(dāng)對重大危險源進行安全評估并確定重大危險源等級；通過定量風(fēng)險評價確定的重大危險源的個人和社會風(fēng)險值，不得超過該規(guī)定列示的個人和社會可容許風(fēng)險限值標(biāo)準(本文統(tǒng)稱風(fēng)險準則)。第40號令給出的個人風(fēng)險準則為^[2]：敏感區(qū)域小于3×10^-7；人員密集區(qū)域小于l×10^-6。

然而目前國內(nèi)外的風(fēng)險評估實踐中，普遍存在將各國政府和主管部門公布的強制風(fēng)險準則，簡單地直接用于具體某個事故場景(Scenario)的風(fēng)險評價，導(dǎo)致風(fēng)險決策失效和安全資金投入不合理。英國健康安全委員會HSE的報告已將其列為風(fēng)險評估的典型誤區(qū)之一^[3]。

本文以國家安監(jiān)總局40號令的(總體)個人風(fēng)險準則為基準，提出一種全新的事故場景風(fēng)險準則確定流程：首先根據(jù)工藝特征將設(shè)施(Facility)分解為不同的生產(chǎn)單元段位(Section)；然后以道化F&E或C&E指數(shù)計算各段位的影響半徑和危害系數(shù)，并結(jié)合人員分布與HAZOP報告結(jié)論等相關(guān)信息進行逐層計算；最終獲得某個工藝段位的事故場景風(fēng)險準則(Scenario Based Risk Criteria)。

1　PSM體系與企業(yè)風(fēng)險準則的建立

美國勞工部下屬OSHA公布的PSM體系l4個要素(國內(nèi)標(biāo)準AQT 3034—2010為l2個要素)，其在企業(yè)的實施需要多種安全技術(shù)的支撐，尤其是保護層(LOPA)、報警管理(ASM)和安全儀表(SIS)等基于風(fēng)險的半定量或定量技術(shù)。因此對于擬建立或已運行PSM體系的企業(yè)，發(fā)展與這些安全技術(shù)相適應(yīng)的企業(yè)風(fēng)險準則勢在必行^[4-5]。

企業(yè)風(fēng)險準則包括定性和定量準則兩大類，前者的典型代表為風(fēng)險矩陣，后者主要包括個人風(fēng)險準則和社會風(fēng)險準則。目前世界上不少國家和地區(qū)均發(fā)布了強制性的定量風(fēng)險準則^[2-4]，尤其是英國和荷蘭建立了較為完善的立法體系，包括低至合理可行的風(fēng)險控制理念(ALARP)。其中，政府相關(guān)部門頒布的個人風(fēng)險準則，一般均是指個人容許最大風(fēng)險(Individual Tolerable Risk)，即施加于某個體上的所有事故風(fēng)險總和的最大值。如國家安監(jiān)總局40號令規(guī)定：個人風(fēng)險是指因危險化學(xué)品重大危險源各種潛在的火災(zāi)、爆炸、有毒氣體泄漏事故造成區(qū)域內(nèi)某一固定位置人員的個體死亡概率，即單位時間內(nèi)(通常為年)的個體死亡率^[2]?？梢?span lang="EN-US">40號令所指個人風(fēng)險即LSIR(Location Specified Individual Risk)，屬于個人風(fēng)險的一類。本文僅限于考慮定量準則中的個人風(fēng)險(現(xiàn)場人員Onsite)，并將采用國家安監(jiān)總局40號令的LSIR為基準。

按照風(fēng)險管理的慣例^[4-6]，取現(xiàn)場人員LSIR為國家安監(jiān)總局規(guī)定的高密度場所(居住類／公眾聚集類)要求更高l個數(shù)量級，即為1×10^-5／a。如前所述，在LOPA，ASM和SIS等技術(shù)應(yīng)用中，所涉及的風(fēng)險評價(或稱風(fēng)險估計)環(huán)節(jié)，普遍存在直接采用風(fēng)險準則總值(此處為1×10^-5)，與某個具體事故場景的風(fēng)險進行比較的誤區(qū)^[3-4]。目前國內(nèi)外均未見有詳細的量化技術(shù)，將LSIR總值分解至具體工藝單元下的事故場景的報道。CCPS定量風(fēng)險準則指南給出了一種很簡化的方法，直接將風(fēng)險準則(總值)除以估計的場景個數(shù)(如100個)，然后得到場景的LSIR^[4]；本文參考文獻[6]的附錄E中也采取了類似的方法來獲得LOPA分析所需要的定量風(fēng)險準則；Frank介紹了CCPS指南^[4]的主要結(jié)論，包括風(fēng)險準則的縮放和分解技術(shù)，但并沒有給出新的具體方法^[5]；Baybutt則給出了一個極其簡單的算例，考慮6個事故場景下的社會風(fēng)險準則確定方法，并建議采用類似英國HSE提出的假象人員(Hypothetical People)來簡化LOPA中人員類別信息。

因此油氣行業(yè)在PSM體系運行中，一個迫切的問題即建立能夠反映企業(yè)工藝特征、安全績效和人員分布等特定信息的、定制的風(fēng)險準則，從而為LOPA、ASM和SIS等先進安全技術(shù)的應(yīng)用提供恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)險評價基準^[6，8]。

2　個人風(fēng)險容許準則的分解計算

針對給定的油氣設(shè)施，研究制訂了一套符合CCPS定量風(fēng)險準則指南的事故場景個人風(fēng)險準則計算流程，如圖l所示。第l個階段為工藝段位分解：根據(jù)設(shè)施的工藝特點和布局等技術(shù)資料進行段位劃分，以確定不同的風(fēng)險區(qū)域{U1，U2，Un)；并根據(jù)工藝介質(zhì)的特性，分別計算各區(qū)域的道化F&E指數(shù)(對有毒介質(zhì)還需計算或C&E指數(shù))以獲得不同工藝段位的影響半徑和危害系數(shù)。進而根據(jù)下式計算各工藝段位的個人風(fēng)險準則RTCU：

RTCU＝f1(RU，HU，SU，RTCLSIR)U∈[1，n]     (1)

式中RU和HU分別為第U個段位的影響半徑和危害系數(shù)；SU分別為該段位的區(qū)域面積；RTCLSIR＝1×10^-5；函數(shù)f1(·)根據(jù)不同生產(chǎn)設(shè)施的特點可定義多種形式。

以后續(xù)的天然氣壓氣站為例，若各工藝段位之間的后果存在相互影響，可取f1(·)為輸入?yún)?shù)的如下加權(quán)函數(shù)：

式中RHu稱為相對危險系數(shù)。

對于后果與其他工藝段位不存在相互影響的段位，即RU小于到其他各工藝段位的物理距離，則根據(jù)風(fēng)險準則的定義直接取該段位的風(fēng)險準則額度為：

RTCU＝f1(RU，HU，SU，RTCLSIR)＝RTCLSIR　　　(3)

在獲得各工藝段位的個人風(fēng)險準則RTCU之后，進入圖1所示的第2階段的場景分解：根據(jù)HAZOP報告(或其他的工藝災(zāi)害分析PHA結(jié)果)，以及設(shè)施的人員分布信息，由下式計算各事故單元的個人風(fēng)險準則RTCS。即

RTCS＝f2(NU，PU，UFU，RTCU)S∈[1，n]　　  (4)

式中NU為第U個段位的可信事故場景數(shù)目^[9]，PU為該段位的等效人員分布；UFU為第U個段位的不確定性因子，反映該段位風(fēng)險估計的不確定性大?。缓瘮?shù)f2(·)可以根據(jù)所采用的具體個人風(fēng)險準則類型而相應(yīng)定義，在此取為式(5)所示。

上述具體計算流程在所開發(fā)的Excel計算工具中實現(xiàn)。即

式中PU是所有人員類別加權(quán)得到的等效值，即假想人員^{[3，4，10]}。

進一步還可以按照不同類別細分，從而求得相應(yīng)類別人員的LSIR。需要指出的是，按照式(2)給定的函數(shù)f1(·)分解得到各工藝段位RTCU之和與風(fēng)險準則總值存在恒等關(guān)系，而按照式(5)給定的函數(shù)f2(·)進一步分解得到的場景RTC。則不存在此必然關(guān)系。

相比目前的CCPS定量風(fēng)險準則指南^[4]，以及LOPA相關(guān)文獻^[6-7]。的簡單按照場景數(shù)目進行平均分配的方法，圖l的兩步計算流程可以在第1階段中考慮各工藝段位之間的相互影響，確保RTCLSIR在不同工藝段位的份額不存在重復(fù)；而第2階段的分解則考慮了風(fēng)險分析中的不確定程度，以及該工藝單位的人員分布信息，從而計算得到更符合現(xiàn)場實際狀況的風(fēng)

險額度。計算得到的各段位下的個人風(fēng)險準則RTC。即可用于LOPA和SIS等相關(guān)安全技術(shù)的風(fēng)險評價環(huán)節(jié)。需要指出的是，盡管風(fēng)險準則在PSM體系中具有重要作用，但并未所有的風(fēng)險評估都需要依賴RTC^[11]；此外本文僅限于個人風(fēng)險，而社會風(fēng)險的影響因素則更為復(fù)雜^[12]，有待今后的深入研究。

3　天然氣壓氣站案例分析

某壓氣站包括一線工程和二線工程。其中，一線有2路來氣，設(shè)計輸量為120×10⁸m³／a(在0℃，l個標(biāo)準大氣壓下的氣體體積)。二線有5路來氣，設(shè)計輸量為l20×10⁸m³／a。各路來氣壓力約為4MPa，一線經(jīng)過壓縮機組加壓后壓力約為6.4MPa，二線經(jīng)加壓后壓力上升為9.6MPa。根據(jù)壓氣站的工藝關(guān)斷閥和ESD閥的設(shè)置情況，將該站場分為8個工藝段位，分別見壓氣站工藝流程圖2和表l所示。

工藝段位(Section)的劃分，除了可以根據(jù)圖2中的各關(guān)斷位置之外，還可以根據(jù)工藝單元或者參考HAZOP報告的節(jié)點來劃分。本例的主要危害后果是天然氣泄漏之后的潛在火災(zāi)爆炸，因此根據(jù)道化F&E指數(shù)計算流程分別對各工藝段位進行計算，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，由式(2)計算相對危險系數(shù)RH∽并按照圖1的流程進行第一層的風(fēng)險準則額度分解，得到各工藝段位的RTCU值，如表2所示。各段位的風(fēng)險額度比例如圖3所示。從中可見，一線和二線的壓縮機組單元的RTCU值占比最大，兩者合計接近44％。表明壓縮機單元的風(fēng)險較大，因此所分配的個人風(fēng)險容許準則也相對較大。這與從風(fēng)險經(jīng)濟學(xué)的角度看也是合理的，有利于從全局的角度優(yōu)化風(fēng)險處置的成本。

緊隨其后的是一線和二線的計量分離單元，兩者合計約占26％；最小份額的單元是段位3，即一線壓縮機出口至出站單元，該區(qū)域的潛在風(fēng)險相對最小，因而所計算得到的RTCU值也最低，不到RTC總值的5％。

得到各工藝段位的風(fēng)險準則額度后，按照圖1所示的第二階段計算流程，就可以得到某一工藝段位的各事故場景RTCS。為此需要統(tǒng)計該站場內(nèi)的人員分布情況，具體包括站長、自控工程師、設(shè)備工程師、通訊工程師、電氣工程師、運行人員、保管和門衛(wèi)等8類人員。這里各類人員都是當(dāng)作假想人員來加權(quán)考慮的，以避免某一類別的人員數(shù)增加而導(dǎo)致風(fēng)險評估中的Salami切片現(xiàn)象^[3]?？尚诺氖鹿蕡鼍皵?shù)根據(jù)該站場的HAZOP分析報告確定，此外本例中為簡化起見，令參數(shù)UFU＝1。根據(jù)式(4)和式(5)計算得到最終所需要的事故場景定量風(fēng)險容許準則值RTCU，如表3所示。

需要指出的是，本例中第一階段的函數(shù)f1(·)采用了所有8個工藝段位的加權(quán)平均(即式2)，因此表3所獲得的場景RTCS在某些場合下會偏于保守，可考慮通過調(diào)整該函數(shù)的形式(如采用式3)或者參數(shù)UFU加以修正。以上整個風(fēng)險準則的分解流程，可以作為PSM體系中的基礎(chǔ)文件之一。在定期審核中根據(jù)上一個周期的安全績效，更新修訂計算流程和有關(guān)函數(shù)形式，動態(tài)地反映各工藝單元的風(fēng)險變化，從而制定合理的風(fēng)險準則。

4　結(jié)論

目前國內(nèi)外的定量風(fēng)險準則研究中，均未見有接合具體工程案例給出的風(fēng)險準則分解計算方法。美國CCPS的定量風(fēng)險準則指南^[4]和英國HSE給出的報告^[3，10]，均只采用簡單的容許風(fēng)險總值除以某個(經(jīng)驗估計的)整數(shù)的方法，難以考慮具體工藝設(shè)施的特點、各單元的危害程度和人員分布的特定信息。筆者率先提出了一種結(jié)構(gòu)化的事故場景RTC計算流程，對于推廣國家安監(jiān)總局40號令關(guān)于風(fēng)險準則要求的工程應(yīng)用，以及在天然氣行業(yè)開展工藝安傘管理PSM體系建設(shè)，均具有重要意義。

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本文作者：王海清  石維民  賴澎

作者單位：中國石油大學(xué)(華東)