三角模糊数聚乙烯装置FTA分析*

2018-09-07屈晓雪肖斌涛司广顺

西安工业大学学报 2018年4期

屈晓雪,肖斌涛，司广顺

(1.中国石油广州培训中心,广州 510510；2.中国石油独山子石化分公司,克拉玛依 833600)

事故树分析法(Fault Tree Analysis，FTA)是系统安全分析中最重要的定性、定量分析方法之一，是一种表示故障事件发生的原因及逻辑关系的逻辑树图，其分析可以是定性的也可以是定量的，其理论基础是布尔代数[1-2].事故树分析法能对各种系统的危险性进行辨识和评价，不仅能分析出事故的直接原因，也能深入地揭示出事故的潜在原因.但是在传统的事故树分析中，基本事件概率的不确定性往往会影响分析结论的准确性，所进行的分析将失去意义.因此，基本事件概率的确定对于事故树分析是至关重要的.目前，基本事件概率确定的方法总体上可以分为两类：主观赋值法和客观赋值法.主观赋值法指的是一定程度上依靠专家或评估者的知识和经验来确定数值.客观赋值法主要是利用样本数据自身的特征信息来确定数值[3].在国内外化工领域中，由于普遍缺乏测试样本，所以更多地采用主观赋值法，例如层次分析法等，但其过程繁琐，赋值不合理等缺点同样会使分析结果产生一定误差.而模糊数学理论中的三角模糊数能够使最终的判断结果处在一个区间中，一定程度上减轻主观因素对结果的影响.因此，本文拟将两种方法融合，为合理确定基本事件概率提供一种新的探索途径.

1 聚乙烯事故树

聚乙烯装置的生产属于一个复杂过程，它是以乙烯为主要原料，丁烯-1或己烯为共聚单体，H2为分子量调节剂，经气相流化床反应器反应，以生产聚乙烯树脂为最终产品的化工生产装置，具有工艺流程长,工艺复杂影响因素多和操作难度大的特点，并且经常存在的有毒、有害及危险化学品达20种.简易工艺流程如图1所示.

图1 聚乙烯工艺流程图

由图1可知，原料单元的乙烯、共聚单体以及分子量调节剂进入循环气单元，再通过压缩机加压进入反应单元，与反应单元中的催化剂进行聚合生成聚合粉末，另外，反应单元中未反应掉的气体进入循环气单元进行循环利用.生成的聚合粉末进入分离单元进行气固分离，所分离出的气体进入循环气单元进行利用，聚合粉末进入加工单元进行进一步的造粒包装.

通过对聚乙烯装置的有害介质和工艺过程进行分析，并结合类似事故，调查了各种危害因素，根据其相互逻辑关系，绘制出了聚乙烯装置火灾、爆炸事故树如图2所示，基本事件符号见表1.

图2 聚乙烯火灾爆炸事故树

符号事件符号事件T火灾、爆炸事故X9操作失误A1可燃物质X10检修缺陷A2火源X11违章运行B1物质泄漏X12接地失效B2其他物质X13保护系统失效B3明火X14安全阀失灵B4静电火花X115报警失效B5自燃X16紧急停车失效C1设备泄漏X17设备振动C2人为泄漏X18超温超压C3静电保护X19选材不当C4放电X20腐蚀损伤D1保护失效X21疲劳断裂D2设备故障X22仪表故障D3电器放电X23焊接缺陷D4人体放电X24灯具电弧D5静电聚集X25线路绝缘损坏X1排凝液流出X26线路短路X2燃料气置换不彻底X27接触不良X3燃料气带液流出X28人员行走X4动火操作不当X29人员衣物摩擦X5人为携带火源X30物料与设备接触分离X6汽车未带阻火器X31物料喷溅、过滤X7达到自燃点Xt达到爆炸极限X8设备温度过高

经过分析计算，事故树结构重要度排序为：

Iφ(Xt)>Iφ(4)=Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(8)>Iφ(12)=Iφ(13)>Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(9)=Iφ(10)=Iφ(11)>Iφ(14)=Iφ(15)=Iφ(16)>Iφ(17)=Iφ(18)=…=Iφ(31)

传统事故树受到基本事件概率统计困难的影响，大多都停留在定性分析的基础上，而FTA的重点是在定量分析，无统计的概率问题成为现阶段影响事故树分析法发挥其作用的瓶颈[4-5].在此情况下，引入三角模糊数原理确定顶事件发生概率和波动范围，并进行模糊重要度排序.

2 三角模糊事故树

图3 三角模糊数的隶属函数曲线

(1)

三角模糊事故树与一般事故树的计算过程类似，但也有其特殊性，具体步骤为：

1) 构建所需分析系统的事故树，同时将所有逻辑门转变为“与”“或”门；

2) 通过统计和专家评分等多种途径得到每个基本事件的发生概率；

3) 将有精确统计和无精确统计的概率转化为三角模糊数；

4) 求出事故树的最小割集或最小径集；

5)通过“与”“或”模糊逻辑门的计算方法来求解顶事件的模糊发生概率；

6) 利用中值运算方法对各基本事件的重要度进行模糊计算，得出其模糊重要度；

7) 将所得的结果进行分析，为了改善整体的安全性，在此过程中可以提出一些建设性意见.

(2)

其中C为模糊数的倍数.

三角模糊事故树与传统事故树的计算过程类似，“模糊与”门和“模糊或”门的计算公式为[7]

(3)

(4)

在现实系统中，无精确概率统计数据的基本事件占多数，在模糊处理其概率时，推荐使用3σ表征法[7].3σ表征法是所有基本事件的可能发生概率由一个3人以上专家团队评出，根据得出的结果计算其平均数m与标准差σ.假定结果能够遵从正态分布，依据3σ准则，估计值在区间[m-3σ,m+3σ]上的概率为99.7%.因此，令l=u=3σ，3σ为波动的上下边界值，把各个概率值用(3σ,m,3σ)的形式来表征，从而将其转化为三角模糊数的形式[8].

与传统事故树分析能够求解出结构重要度不同，模糊事故树的基本事件概率是一个不确定的模糊数，其只能表征概率可能性分布范围，因此，在模糊事故树分析中引入中值法进行计算[9].A1和A2分别代表两块区域的面积，并有一点Z，在模糊曲线内使得通过此点平分线的两块区域面积相等，那么点Z就是此三角模糊数的中位数，其计算公式为

(5)

3 基本事件的概率模糊处理

表2 有精确概率统计的基本事件的三角模糊概率Tab.2 Triangular fuzzy probability of elementary event with accurate probability

其中无精确概率统计数据的基本事件有：X1，X3，X4，X6，X7，X8，X12，X14，X15，X17，X19，X22，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X29，X30，X31，Xt.对于这种概率的求取，通过专家的经验评分，以3σ法确定波动范围l与u，计算结果见表3.

续表3

序号专家1专家2专家3mσX190.005 80.005 40.005 10.005 40.000 4X220.006 20.005 20.004 40.005 30.000 9X230.004 80.004 60.003 80.004 40.000 5X240.005 60.004 80.004 40.004 90.000 6X250.006 60.005 60.004 80.005 70.000 9X260.005 40.005 20.004 60.005 10.000 4X270.005 20.004 60.004 40.004 70.000 4X280.005 20.004 60.004 40.004 70.000 4X290.005 10.004 20.003 60.004 30.000 8X300.004 90.004 60.004 20.004 60.000 4X310.004 70.004 60.004 20.004 50.000 3Xt0.087 60.085 20.083 80.085 50.001 9