贾伟杰，张伟江，南婧怡，王丹丹，王婷婷，梁昌晶

1.中国石油华北油田分公司第四采油厂，河北廊坊 065000

2.中国石油华北油田分公司第五采油厂，河北辛集 052360

3.中国石油华北油田公司第一采油厂，河北任丘 062552

随着我国经济的发展，油气管道的建设迎来了高峰期，预计至2025 年底，原油、成品油和天然气管道的里程将分别达到3.7×104、4×104、16.3×104km[1]。油气站场作为连接能源产地和下游用户的中间环节，其安全性和重要性不言而喻。油气站场因介质易燃易爆、整体布局紧凑、工艺流程复杂、所处环境高危等特点，具有较高的事故发生概率，一旦某些前导事件（即报警、未遂事件和事故的统称）发生，其子系统的风险可能直接传递至其余子系统或设备，造成持续性的破坏[2]。2006年，国内某油气田富加输气站发生天然气爆炸事故，造成10人死亡、3人重伤，该事故是以管材焊缝裂纹为起始点，将风险逐级转移至其他周边区域和系统，进而形成重大事故。因此，对油气站场的系统结构进行风险评价和动态分析，对于降低站场总体风险和防灾减灾具有重要意义。

目前，对于油气站场的风险评价多以事故树[3]、模糊综合评价法[4]、综合指数法[5]和模糊物元法[6]为主，但这些评价对象均为静态环境，忽略了不同系统因素间的耦合作用，忽视了单一风险出现后与其余风险因子相互作用使风险增大的可能性。系统动力学（SD）是由Forrester 在1950 年左右提出的系统仿真方法，可同时表述和分析多个系统的控制变量和不安全行为，在突发事故处理中具有一定优势[7-8]。油气站场系统具有复杂性、多阶性、反馈性和长期性的特点，与SD 的理念和建模方法类似。基于此，在分析油气站场系统风险要素的基础上，定义关键变量，建立SD 存量流量图，通过决策试验与评估实验室（DEMATEL）模型构建SD 方程，并考察不同子系统安全投入对站场风险的影响。

1 油气站场系统动力学模型

1.1 油气站场系统风险要素分析

根据海因里希因果联锁论，事故产生的原因可总结为技术和经验不足、态度不端正和工作环境不佳，后人又补充了管理和教育的内容，形成完整体系。因此可从人员系统、管理系统、环境系统和设备系统等方面构建与站场风险相关的要素信息[9]，同时可将油气站场系统视为一个整体概念集合，从暴露度、脆弱度和适应力等三个方面来衡量站场的风险情况，油气站场的风险结构见图1。

暴露度是指系统在扰动状态下的暴露程度，可理解为事故隐患程度，体现系统受外界影响的概率。该指标与周边环境复杂性、设备设施可靠性和人员操作准确性等有关。油气站场较沿线管道具有更强的独立性，受山洪、滑坡、泥石流等自然灾害和雾霾、酸雨等极端天气的影响较大；同时，站场内三相分离器、吸收塔、再生塔、储罐等设备也受环境的影响，容易引发元件锈蚀和老化，具有较高的暴露度。此外，国内多数站场还未实现一键启停和完全自动化，还需依靠人工操作完成安全仪表系统的预警和启动，此时人的安全心理水平、安全意识水平等均会影响暴露度的结果。

脆弱度反映系统受到扰动时的反应程度，体现为系统对事故伤亡情况和事故经济损失的影响。油气站场附近具有较高的人口密度，当发生较大事故时，受逃生路径和应急方式的限制，将会对站场设备和周围环境造成不可逆的破坏，同时危害人员及财产安全，增加站场的脆弱度。此外，丰富的经验、完备的培训和应急演练也可能降低站场脆弱度的结果。

适应力反映系统抵抗外界扰动的能力，体现系统对预警系统完备性、应急有效性和事故处理成本产生的影响。事故发生时，站场系统安全性呈熵增趋势，需在短时间内完成停产及应急救援工作，此时如具有可靠的紧急关断系统、完善的应急预案准备和充分的外部救援力量，可降低事故后果严重性，避免二次及高级多米诺事故发生，表现为较高的适应力。然而，考虑到我国管道沿线地区等级普遍从设计初期的三、四级地区升至一、二级地区，人员控制事故发展和走势的能力较差，站场的风险敏感性也会大幅增加，适应力有所下降。

1.2 SD模型建立

利用上述分析，利用VENSIM PLE 软件构建系统动力学模型，模型涉及水准变量、速率变量、辅助变量和常量。将暴露度、脆弱度和适应力向水准变量映射，暴露度水平、脆弱度水平和适应力水平向速率变量映射，人员系统、管理系统、环境系统和设备系统及其影响因素向辅助变量和常量映射。此外，将各系统的安全投入作为常量，便于后期对比安全投入对系统风险的影响，SD 存量流量见图2。

图2 SD存量流量

以环境系统为例，随着站场服役时间的延长，周边人口密度不断增加，环境系统的承受能力逐渐降低，导致暴露度和脆弱度有所升高，适应力有所降低，站场系统的风险增加，再通过站场事故发生频率影响事故伤亡情况和事故经济损失，最后对安全规章制度和安全监督管理形成反馈机制。依次类推，构成多个闭式安全回路。

1.3 SD参数确定

对于常量和水准变量的初值，可以利用德菲尔法，采用1～9 标度法通过专家经验确定，规则见表1。

表1 常量和水准变量初值打分规则

对于辅助变量之间的关系，采用DEMATEL 模型描述[10-11]，邀请专家建立两两因素的直接影响矩阵，随后计算综合影响矩阵及影响度、被影响度，最后在笛卡尔坐标系中绘制中心度-原因度分布，见图3。其中，中心度表示影响因素的重要程度；原因度表示因素之间的影响程度，原因度为正则该因素为原因因素，原因度为负则该因素为结果因素。可见，安全监督管理和维护维修情况的中心度较大，中心度越大，表示这些因素对站场风险水平的影响越大，且从图2中也可以看出，这两个因素的流入、流出关系较多，形成的反馈也较多。原因因素中安全监督管理、人口密度、站场安全水平的重要程度较大，这些因素通过反馈直接或间接影响其他因素；结果因素中工艺设备、通信设备和消防设备的重要程度较大，这些因素容易受其他因素的影响。

图3 中心度-原因度分布

对中心度值进行归一化处理，确定子系统和影响因素的权重，根据权重建立对应的SD 方程，见表2。其中，INTEG（6.5，暴露度水平）表示积分运算，“6.5”为暴露度的初值，根据表1 规则由数位专家打分确定。

表2 油气站场系统的SD方程

2 仿真结果分析

以某油田油气站场为例，该站场年处理原油量10×104t，处理天然气5×108m3，站场内设有油处理区、气处理区、水处理区、装卸区、储罐区和放空区等。考虑到站场系统的整改通常以月为单位，故将分析时间步设置为1个月，进行为期24个月的仿真模拟，分析站场系统暴露度的变化趋势，见图4。随着时间的推移，初始状态下的站场暴露度先升高后保持平稳，这与设备劣化、管理系统提升、人员素质提高等因素相关，在10 个月后达到平衡状态。增加安全投入后，环境系统对暴露度几乎不造成影响，这与油气站场建设的固化性和不可移动性有关，只有人口密度可以通过站内工艺简化、地方政府协调等有所减少；管理系统和人员系统对暴露度的影响较大，同样在初期降低较快，后期保持稳定；设备系统对暴露度的影响最大，且在24个月后暴露度仍呈下降趋势。因此，增加设备系统中各节点设备的可靠性，定期对危险源和关键部位进行检验监测，尤其是工艺和消防设备，可保证油气站场系统暴露度的有效下降。

图4 站场系统暴露度曲线

同理，分析站场系统脆弱度和适应力的变化趋势，见图5、图6。

图5 站场系统脆弱度曲线

图6 站场系统适应力曲线

随着时间的推移，初始状态下的站场脆弱度先呈线性增加后保持平稳，这是由于站场布局具有集中化和大型化的特点，一旦发生事故，极易引发多米诺事故，但事故影响范围受边界效应的控制，不会无限增加。增加安全投入后，环境系统和人员系统对脆弱度几乎不造成影响；设备系统和管理系统对脆弱度的影响相似，前期管理系统的影响较大，在15 个月后设备系统的影响较大。因此，增强设备和管理系统的耦合作用，加强监督管理制度，可有效降低站场系统的脆弱度，降低事故后果严重性对站场的影响。

随着时间的推移，初始状态下的站场适应力呈线性增加，这是由于在已有安全资源的条件下，人员素质和安全水平均有所提高，应对突发事件的能力也有所提升。增加安全投入后，环境系统对适应力几乎不造成影响；设备系统和管理系统对适应力的影响相似，均呈先快后慢的变化趋势；人员系统对适应力的影响最大，在24 个月后仍呈小幅增加趋势。因此，人员系统对于提高系统适应力具有重要作用，可定期组织员工培训，提高安全意识水平，提高站场对事故后果的抵抗能力和从中快速恢复的能力。

3 结论

1）从系统动力学的角度剖析了影响站场系统的因素，利用德菲尔法和DEMATEL模型确定了SD相关方程，其中安全监督管理和维护维修情况的中心度较大，对站场风险水平的影响较大；安全监督管理、人口密度、站场安全水平的原因度较大，这些因素会影响其他因素；工艺设备、通信设备和消防设备的原因度较小，这些因素易受其他因素影响。

2）在无安全投入时，站场系统的暴露度、脆弱度和适应力均有所升高，站场风险增大；设备系统对于降低暴露度起到关键作用，设备和管理系统对于降低脆弱度起到关键作用，人员系统对于提升适应力起到关键作用。

3）今后可考虑将上、下游管道纳入系统风险评价中，结合管网拓扑结构和经济性分析，将站场风险维持在可接受的范围内。