1.2 本質安全化設計方法研究進展

本質安全的概念由Kletz[3]在1978年提出，本質安全化（inherently safer）是指消除事故的最佳方法不是依靠附加的安全設施，而是通過在設計中消除危險或降低危險程度以取代這些安全裝置，從而降低事故發生的可能性和嚴重性[4],[5]。本質安全化是基于事物自身特性、規律，通過消除或減少工藝、設備中存在的危險物質或危險操作的數量，避免危險而非控制危險。實現本質安全化取決于生產所用材料的基本特性、工藝操作條件以及與工藝自身密切聯系的其他相關特性，而不是依靠控制系統、互鎖、冗長而特殊的操作程序來預防事故[6]。經過長期的實踐，本質安全化的基本策略總結為四個方面的內容：危害物質的最小化（minimize）、高危物質的替代化（substitute）、劇烈反應的溫和化（moderate）以及過程工藝的簡單化（simplify）。盡管無法完全消除所有危險源，但通過改變工藝和操作方式能減少事故發生的危害性[7]。Hendershot[8]綜述了本質安全化設計方法在層次保護系統中降低系統潛在風險的特性。

對工藝過程的本質安全化的量化表征是研究的重點，研究人員提出了多種本質安全化的評價指數設計方法。Edwards等[9]提出了本質安全原型指數（prototype inherent safety index, PIIS）計算不同反應路徑的本質安全化程度。Heikkl等[9]提出本質安全指數（inherent safety index, ISI）作為PIIS的補充。Koller等[10]提出綜合考慮安全健康環境指數（safety, health, safety index, SHE）方法，增加了對人員健康和周邊環境影響因素的考慮。Palaniappan等[11],[12]針對PIIS和ISI指數區間水平不明顯的缺點提出了i-Safe指數，當PIIS和ISI指數評價反應路徑的分數接近時，用增加的特性指數作為補充來區分化工過程的本質安全化水平。Gentile等[13],[14]提出了基于模糊理論分析的本質安全指數（fuzzy based inherent safety index），針對PIIS、ISI和i-Safe指數方法中階梯函數在處理端點數值時的不足，運用模糊邏輯和概率理論，將指數區間設置為連續，使用if-then的規則將定量的數據與定性的信息相結合，具有更好的邏輯性。王艷華等[15]采用基于模糊邏輯的Mamdani型模糊推理方法，確定評價指數，結果直觀可視。李求進等[16]采用基于遺傳算法的Shepard插值算法，在離散參照點之間插值確定不同工藝路線本質安全指數。Gupta等[17]提出了圖形化的方法表征本質安全特性，將多方面指數同時繪制在一張圖中進行比較，具有良好的擴展性。Khan等[18]提出了集成的本質安全指數（integrated inherent safety index, I2SI），流程被分割為多個子流程，計算子流程安全指數，最后求解總的流程安全指數，具有很好的靈活性。Meel等[19]使用博弈論的方法對化工過程的經濟性（profitability index, PI）、可控性（controllability index, CI）、安全性（safety and/or product quality index, S/Q）和柔性（flexibility index, FI）進行了綜合，對多組離散的操作點進行多目標優化。Srinivasan等[20]提出了本質優良性指數（inherent benign-ness index, IBI），用主成分分析不同反應路徑的各個方面的指數組成一個矩陣，選擇本質優良性的反應路徑，具有良好的擴展性，克服了早期指數方法中主觀劃分范圍和主觀設置權重的不足。Leong等[21],[22]提出本質安全指數模型的方法（inherent safety index module, ISIM）和反應路徑指數方法（process route index, PRI），將本質安全化理念的判斷方法集成到HYSYS流程模擬軟件中，在模擬流程的同時找到更嚴格并且本質更安全化的反應路徑。Khan等[23],[24]對已有的一些本質安全評價指數方法進行了匯總和評價。樊曉華等[25],[26]也對本質安全指數的部分方法進行了報道和評價。

上述工作中定量的本質安全化評價指數更多地用于指導如何選擇反應路徑，降低事故發生時可能帶來的損失，但不能確保降低事故發生的概率，因為化工過程具有強非線性，對于選定的反應路徑，系統存在多個穩態（如圖1-5所示），這些穩態操作點的穩定性不完全相同（如圖1-6所示），對于穩定的穩態操作點它們的穩定性也不盡相同（如圖1-7所示）；另一方面，在化工過程的體系中還存在Hopf奇異點（如圖1-8所示）引發的周期性的振蕩（如圖1-9所示）生成復雜的極限環（如圖1-10所示），影響過程的穩定性，降低產品的質量。因此，在化工過程設計階段就需要考慮選擇具有更好穩定性的穩態操作點，同時盡量避免選擇可能產生自發振蕩過程的操作點，進而從理論上降低化工過程中可能發生事故的概率，提高化工過程的本質安全化水平。

圖1-5 化工過程的多穩態

圖1-6 穩態操作點的不同穩定性

圖1-7 穩定穩態點的不同穩定性收斂范圍

圖1-8 不同操作參數情況下體系中的霍普夫（Hopt）奇異點

圖1-9 化工過程中的振蕩現象

圖1-10 奇異點附近產生的極限環