重大危险源监控与监管关键技术装备研发

中国安全生产科学研究院 方来华 吴宗之 魏利军/文

　　石油和化工等工业领域频繁发生的重特大事故，造成了巨大人员伤亡和财产损失，而且严重危及环境和社会安全，已成为制约我国社会经济发展与和谐社会建设的重要因素之一。严峻的安全形势迫切要求我国加强工业领域，尤其是危险化学品重大危险源的安全监控、管理和技术保障体系研究，以及加快重大危险源安全监控监管系统的研发与相关标准制定。

　　研发背景

　　《安全生产法》第三十三条规定"生产经营单位应对重大危险源进行监控”。《国务院关于进一步加强安全生产工作的决定》第八条要求"加强国家、省（区、市）、市（地）、县（市）四级重大危险源监控工作，建立应急救援预案和生产安全预警机制。”《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将"重大生产事故预警与救援”列入了公共安全领域的优先主题，并提出了"重点研究开发燃烧、爆炸、毒物泄漏等重大工业事故防控与救援技术及相关设备。”

　　根据上述相关法律法规的要求及危险化学品重大危险源安全监控与监管的严峻形势，在国家科学技术部和国家安全生产监督管理总局大力支持下，2006年11月，国家"十一五”科技支撑计划课题"重大危险源监控与监管关键技术及装备研发”正式启动。课题设置4个专题：化学工业园区定量风险评价与安全规划技术研究；重大危险源智能安全监控技术与装备研发；重大危险源网络化监管系统研发及工程示范；重大危险源监控系统的功能安全保障技术研究。

　　研发过程

　　1.化学工业园区定量风险评价与安全规划技术

　　主要包括：研究重大危险源集中布局条件下的火灾、爆炸多米诺事故后果模型及事故概率分析方法；开发基于量化风险的化学工业园区风险评价方法；编制化学工业园区安全规划风险基准指标体系、量化方法和确定标准；建立化学工业园区安全规划分类、程序方法与规划技术导则；研究化学工业园区应急能力评价指标体系、评价模型及方法，提出化学工业园区应急能力评估规范；研制基于GIS的化学工业园区定量风险评价软件与应急能力评估和安全规划决策支持系统；最后选取1?2个化学工业园区进行安全规划工程示范。

　　2.重大危险源智能安全监控技术与装备研发

　　开发高危环境下安全监控设备信息采集、安全通讯及数据融合技术；研制嵌入式智能安全监控设备；提出典型重大危险源工艺安全状况、设备状态与现场环境的实时监测、智能诊断和优化控制技术；建立典型生产装置安全事故的事故追忆技术；开发安全监控系统与其他网络系统的无缝集成与数据交换技术；研制安全监测实时数据库技术，设计开发分层实时在线安全监控系统，并选取一个典型危险源企业进行工程示范。

　　3.重大危险源网络化监管系统研发及工程示范

　　研究重大危险源动态监管体系的框架及组网技术，提出重大危险源动态安全监管指标体系与网络化监管系统的建设规范；开发重大危险源自动辨识、评价分级和风险评估软件包；研究基于海量实时监控数据挖掘分析的动态优化安全监管技术；开发基于3DGIS的重大危险源网络化智能安全监管平台，建立数据采集、实时通讯、数据分析、信息管理、大屏显示整体平台；研究各监管信息系统间及与企业监控系统、制造执行系统（MES）、物料需求计划（MRP）的通讯和集成；研究监管系统和监控系统通讯时，保障各自系统安全性和完整性机制，实施重大危险源网络化监管系统工程示范1项，系统整体架构如图2所示。

　　4.重大危险源监控系统的功能安全保障技术研究

　　研究典型安全监控系统功能安全行为状态的建模技术与方法，建立典型安全监控设备的可靠性数据库；开发基于风险分析的系统安全完整性量化方法，研制适用于安全仪表系统（SIS）整个生命周期的功能安全设计与综合分析平台；提出安全仪表系统整个生命周期的功能安全活动和安全管理技术；编制典型安全监控系统安全完整性等级（SIL）测评技术规范。

　　设计思路

　　研究课题以安全系统工程理论为指导，针对危险化学品生产、储存过程中的危险特性，以重大危险源为研究中心，以安全评价、规划、监控、监管和应急技术为主线，分析影响危险化学品安全生产的共性、关键技术问题。借鉴国内外相关领域的成熟技术和最新研究成果，对现有技术进行完善和集成，自主研发油气集输企业安全监控系统、嵌入式智能安全监控终端等一批仪器仪表、装备和软件，形成一批先进实用的危险化学品重大危险源事故防治技术，为危险化学品重大危险源的事故监控与防治提供先进、可靠技术条件。

　　在研究方法上，采取资料调研、抽样调查、实验室实验和现场试验相结合，以实验模拟和数值分析为手段，研究危险化学品重大危险源事故的发生、发展规律及其主要影响因素；针对这些规律，开发相应的评价、规划、监控、监管与应急救援技术、装备和软件；进行现场示范应用，对技术、装备和软件进行验证，进一步完善和修改，最后形成高效实用的成套技术、装备和软件系统。

　　技术创新要点

　　本课题技术创新主要包括以下几点：

　　●针对油气集输站、加油站、锅炉系统等危险源场所特点，提出了典型重大危险源安全监控预警与管理系统总体架构，研制了基于GIS的集自动监控、预警报警、智能安全分析与管理等功能于一体的重大危险源安全监控预警软硬件系统。其中，所研制的锅炉及换热站智能监控系统获得发明专利，油气集输作业安全监控预警与安全管理信息系统等5个系统获得实用新型专利。

　　●立足我国重大危险源监督管理工作的实际需求，建立了由保障层、平台支撑层、业务应用层、接口层等组成的重大危险源网络化监管系统的总体结构。基于XML数据共享与交换技术，研发了集重大危险源自动辨识、评价分级、监测预警与应急救援等功能于一体的重大危险源网络化监管系统，并获得数项软件著作权。

　　●将事故多米诺影响分析引入化工园区的安全规划和土地使用安全优化中，提出了化工园区火灾热辐射、爆炸冲击波、爆炸碎片等引发多米诺事故的机理及基于阈值距离和传播概率的多米诺事故概率计算方法。

　　●提出了基于潜在生命损失——经济收益的化工园区土地使用安全规划优化的技术方法，建立了无约束和有约束条件下的优化模型；自主开发了化工园区安全规划与应急能力评估决策支持系统软件，该软件基于GIS平台开发，融合风险与潜在生命损失值计算、等值线二次平滑与快速追踪、遗传算法、有效前沿搜索、土地使用安全优化决策等关键技术，具有操作方便，计算速度快等特点。

　　●融合典型石化企业危险源工艺安全状况、设备状态、人员操作与现场环境风险分析及现场传感器优化冗余布置等关键技术，开发了基于ARM和ZigBee技术的集重大危险源安全状态信息采集、存储、处理与通信等功能于一体的监控终端与移动式便携巡检仪。

　　●针对电气、电子、可编程电子系统失效率的特点，研究建立了典型安全仪表系统行为状态可靠性的马尔科夫模型，为安全仪表系统计算安全性与可用性指标的数值解提出了有效方法，减少了计算所需的时间和成本；针对马尔科夫模型规模随系统结构冗余数的增加而迅速增大的特点，对于复杂安全系统，研究提出了涵盖故障模式、自诊断、共因失效等相关因素的安全仪表系统马尔科夫模型自动建模新方法，解决了手动建模繁琐、容易出错等技术问题。

　　市场应用

　　此次研发的重大危险源定量风险评价与安全规划技术及相关软件系统，已在广州市南沙区安全生产监管局、浙江杭州湾上虞工业园区管委会、广州市南沙（小虎）化工区应急响应中心、中国石油天然气股份有限公司、内蒙古三联化工股份有限公司、广西广维化工股份有限公司等地方政府及企业进行了示范应用。从示范应用的情况看，通过对企业安全现状定量风险分析，提出了满足风险可接受条件下的改进措施，避免了单个企业因停产造成的损失。

　　首先，通过广州市南沙（小虎）化工区区域风险——收益的安全规划优化分析的应用来看，研发的方法及软件可有效指导化工区优先引入高附加值的生产型企业，减少了风险大、收益低的项目，提高土地利用的安全度和收益率，为单个化工区的发展带来很大效益。

　　另外，重大危险源智能安全监控技术及基于GIS的重大危险源安全监控预警软硬件系统，已在中国石油化工股份有限公司等单位油田场站、加油站等场所示范应用，提高了油田场站、加油站等安全监控管理水平，在很大程度上降低了事故风险。所研发基于GIS的重大危险源网络化监管系统，已在不少地方安全生产监督管理局得到成功的示范应用。在应用工程中，兼顾重大危险源监管、监控、应急救援等多方面安全生产工作实际需要。日常情况下，该系统作为安全生产监管部门实施安全生产监管、监控的网络平台，一旦发生安全生产事故则为政府进行事故救援提供辅助决策支持，为地方安全生产监管部门和企业建立安全生产长效机制提供了技术支持，具有重要的社会效益和经济效益。功能安全管理系统平台可为安全仪表系统的分析、设计、运行和验收等过程提供实用工具，有助于用户安全使用电气、电子、可编程电子系统,减少生产事故的发生。