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基于综合概率框架（IPF）的最优布局研究：原油油库的案例
Mingguang Zhang a , 1 , Zhan Dou a , b , * , 1 , Longfei Liu a , Juncheng Jiang a , ** ,
Ahmed Mebarkib , *** , Lei Ni a , b
（南京理工大学安全科学与工程学院，江苏省危险化学品安全与控制重点实验室，南京210009）
摘 要：本文提供了一个综合概率框架（IPF），用于处理工业工厂中设施的最佳布局。本文详细介绍了原油油库的具体情况，其中包括油罐以及基于安全和疏散的相应最佳布局。
罐体可以由原燃料罐内壁上普遍存在的自燃铁硫化物的氧化自放热引起，特别是在呼吸/安全阀中。氧化自放热或硫化铁的自燃是一种氧化过程，通常受到五种外部因素的影响，包括含水量，单位面积下铁硫化物的质量，罐的操作温度，流速和面向氧气面的氧浓度。铁硫磺根据以前关于硫化铁自加热过程的文献，固相的最高温度（Tmax）是代表特定环境下铁硫化物自燃特征的重要指标。并且可以通过从支持向量机（SVM）技术开发的模型来预测最高温度（Tmax）。在将预测的最高温度（Tmax）与确定的阈值进行比较的同时，可以确定铁硫化物的氧化自加热是否会导致爆炸，然后导致储罐熔化。在此基础上，通过蒙特卡罗模拟可以获得由于铁硫化物的氧化自热引起的罐内燃烧的可能性。
热辐射的是对于储罐火灾，对周围储罐和工人的主要物理损害的主要银色，而不是超压或碎片冲击。考虑到最坏的情况，即在覆盖有火焰的水箱中的汽 - 液界面，则可以导出在远离水箱的特定距离处通过接收器的热辐射流。相反，如果给出通过接收器的临界热辐射流，则可以获得罐和接收器之间的临界水平距离。假设对接收器的热辐射的最小和最大风险分别为0和1，对应于不同的热辐射流，则可以通过热辐射流动方程确定罐或工人接收给定热辐射流的风险。
在包含一个以上罐的原油罐区中，物体在任意位置接收的潜在热辐射流是来自不同罐的那些的叠加。为了从固有安全设计中优化油库的空间配置和面积，如果一个物体从其他整体油箱的损坏风险等于临界可接受的损害风险，并且油库的相应面积是最小的，它将肯定会产生最佳的空间搭配。上述问题的处理方法在某种程度上固有地减少了财产损失和伤亡。
关键词：原油油库优化布局、综合概率模型框架（IPF）、热流模型
文章历史：2017年1月20日收到
2017年4月23日修订表格
2017年4月23日接受
2017年4月26日在线提供
通讯作者:南京工业大学安全科学与工程学院江苏省危险化学品安全与控制重点实验室，南京210009
通讯作者:电子邮件地址：chemydw@hotmail.com（Z.Dou），jcjiang@njtech.edu.cn（J.Jiang），Ahmed.Mebarki@u-pem.fr（A.Mebarki）。
1.引言
在石油、石化等化工企业中，在火源存在、爆炸、火灾和其他等严重事故的假设下，生产、储存过程中产生的大量有害物质，可能导致火灾。由于内部或外部原因，引发的爆炸和火灾可能会蔓延，从而影响在其附近建立的反应堆、储罐、管道和公用事业设施以及现场工作的施工人员。这种传播可能会带来灾难性的后果:结构的破坏和人的伤害或死亡(Mebarki et al.， 2014)。
作为减少上述传播的一种固有方式，工艺设备和建筑物的合理布置尤其应在初步设计阶段加以确定和应用。一些灾难性事件突出了这个项目。Flixborough(1974)和Pasadena(1989)的爆炸涉及到与油库布局问题相关的注意事项。工艺设备与被占用的建筑物(控制室)之间的不适当距离是造成这些悲剧的一个有效因素(职业健康与安全管理局，1990)。类似地，异构化过程单元和拖车之间的空间不足是德克萨斯城炼油厂爆炸事故的主要原因之一(2005年)(美国化学安全和危害调查委员会，2007)。此外，Seveso(1976)和Bhopal(1984)发生的灾难也表明，存在安全危险工厂附近的人口密集地区确实会受到事故发生后的强烈影响(Joseph et al.， 2005)。上述灾害的发生，使设备或机组的布置方案成为影响工艺安全的一个关键因素。
除了事故的传播之外，实际上还需要考虑其他几个不同的问题，其中包括对原油油库工艺流程的设计及要求，成本，安全，法规，服务和公用设施可用性的限制，这些问题必须考虑到油库平面布局设计中（Tugnoli et al）。由此可以推断，化工厂中各个功能区，储罐和管道的最佳布局的确定较为困难，也是一项复杂的多学科任务，需要化学工程，物理和数学方面的丰富知识（主要是概率和优化）。在给定位置确定单元的最佳布局需要优化计算，即与过程安全相关的各种距离约束（Jung，2016）。在布置图设计中，通常会对各种特定设备或机组的一些分离距离值进行建议优化和应用(Mecklenburgh,1985;Mannan,2012)。其他文献考虑了成本方面，甚至布局优化设计中的安全问题（Nolan and Bradley,1987;Penteado and Ciric,1996;Patsiatzis et al.,2004;Diaz-Ovalle et al.,2010;Jung et al.,2010,2011）Cozzani（Cozzaniet al.,2004）和Gubinelli（Gubinelli et al.,2004）深化了较为详细的安全分析，对涉及油库整体布置图设计的重大事故场景进行了建模、评价和后果分析。为了预测布局设计中与防止传播有关的安全问题，Tugnoli提出了适合于布局设计早期阶段的多个指标。（Tugnoli et al.，2008a，2008b，）这对于之后的油库布局设计的评估具有较大意义。
为了解决事故和安全问题的进一步扩散的问题，本文引入了一个集成的概率框架(IPF)，通过在某油库储罐区的应用来处理设备或单元的最优布置。原油一般储存在外浮顶油罐中，而爆炸这一危险事件的主要潜在引发因素为内壁自燃硫化铁的氧化自热反应，除此之外还可能导致油罐或防火堤的起火(Mannan, 2012)。因此，在目前情况下，有必要将适当的历史事故进行严格评估，即储罐起火事故。储罐起火事故的主要威胁集中在对储罐和工人的物理损伤(热辐射)上。在此基础上，开发了一系列相关计算的程序，分别根据罐体和储罐区排布不同计算出所对应的不同可接受热辐射，对特定区域的空间配置进行优化。最后，通过具体的案例分析，探讨了这些优化算法及程序的可行性。
2.主油箱火灾及其发生概率
在内壁和壳体的呼吸/安全阀内腔上形成的铁硫化物在给定的恶劣条件下可能在原油储存过程中产生爆炸和燃烧。这些最初的事故可能会影响其附近的储罐，管道，电力线和设施。此外，这种传播可能导致灾难性的后果：结构失效将导致二次序列，如火灾和爆炸，以及经济损失和人员伤亡，这就是所谓的火灾多米诺效应。
原则上，在原油储罐上安装氮气保护装置可以延缓硫化铁的氧化自热，但不能完全防止其氧化自热。由于油的输送和接收以及大大小小的呼吸，自燃硫化铁往往先与空气中的氧气发生反应，然后在呼吸/安全阀的内腔中反复发生硫化氢反应(Qiao and Li, 2013)。随着时间的推移，硫化铁的积累增加，自热的可能性增大。事实上，现有的文献和研究表明，硫化铁氧化自热过程易受外部因素的影响，包括硫化铁单位面积含水量和质量、罐体运行温度、面对硫化铁的流量和氧气浓度（Walker et al.,2006; Zhao et al.,2007）。此外，根据已发布的报告（Hu et al.,2007; Wu et al.,2008; 2016），在硫化铁与氧气，化学品的反应中氧化发生在70℃，且是白色的。由于SO2的形成而出现烟雾。因此，有理由认为，氧化自热过程中的阈值温度(70℃)可以作为判断事故是否发生的一个标准。本文假设最高温度超过70℃的情况时，硫化铁发生灾难性的自热，会引起储罐的火灾和爆炸(Gabriele et al., 2011)。
最近，提出了一种SVM方法来开发模拟模型作为预测工具来计算铁硫化物氧化熵增过程中固相的最高温度，该模型的输入是上述五个因素（1.硫化铁单位面积含水量2.硫化铁单位面积质量3.罐体运行温度4.硫化铁化合物表面积上方的空气流量5.硫化铁化合物表面积上方空气的氧气浓度）。此外，人工神经网络（ANN）也可以被认为是最高温度的预测（Hichem Noura et al.,2017）。如果最高温度Tmax是高于临界温度（70 ℃），那么火灾或火焰爆炸将作为一个启动触发事件发生，事件发生突然且没有任何预防。此外，铁硫化物的氧化自热不仅会导致一系列事故（火灾，爆炸）（Nguyen et al.,2009; Mebarki et al.,2012），而且它也可能产生多米诺骨牌效应（ Mebarki et al.,）通过后续和周围设施的级联事故。为了评估由于硫化铁的氧化自热导致的自燃事故ESC，事件ESC被描述为：
（1）
其中：E（Tmaxgt;Tcrit）是与最高温度超过临界温度阈值（70 ℃）的情况相对应的概率事件。然后，第一次事故的概率由原油中的硫化铁的氧化自加热引发。由此，储罐的概率模型P(Esc)变为：
（2）
其中：P(E(Tmaxgt;Tcrit))是在临界温度下从SVM模型获得的预测Tmax的概率。。随着掌握了硫化铁五个控制因素的概率密度函数（铁含量的单位面积含水量和质量，罐的工作温度，流动速率和面对铁硫化物的氧浓度），然后可以通过蒙特卡罗模拟计算第一次事故的概率。
在收集了中国石化集团公司（中国石化集团公司）和中国石油天然气集团公司（CNPC）的基本信息后，表1总结了五种控制因素采用的概率分布。
表格1.管理参数及其分布
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管理因素 概率密度函数的定性描述 |
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铁硫酸盐的含水量 对数正态分布 |
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每单位面积铁硫化物 均匀分布的质量 |
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储罐的工作温度 对数正态分布 |
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面向铁硫的氧气流速 均匀分布 |
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面向铁硫化物的氧气浓度 指数分布 |
为了准确的结果和灵敏度分析，分别在MATLAB下模拟实现了1000,2000和10,000次总模拟数。使用条件和分离采样时，对应于上述不同总模拟数的他们的结果先后为1.854times;10-6,
1.855times;10-6和1.856times;10 -6。事实上，总数为2000次的模拟为铁硫化物的氧化自加热引发华仔的事件概率提供了良好的收敛性。由此，启动事件的概率被证实为每罐每年1.855times;10-6。对于储存原油的储罐，包括火灾和爆炸在内的第一次事故可以同时产生一个或多个事件，即:
——结构碎片（储罐罐壁壁板、罐壁上的零部件等）：每个生成的碎片都可以从原油储罐中喷出，由此成为抛射物；
——火球和热效应；
——爆炸波和冲击波；
——失去了连接（原油泄漏）：当通过防火堤限制在储罐区中的泄漏原油遇到火球时，将发生泄漏池的火灾或爆炸事故。
根据中国石油化工集团公司（中国石化集团公司）和中国石油天然气集团公司（CNPC）在过去二十年中历史事故数据中获得的信息，由于位于原油储罐空间罐壁上的铁硫化物氧化自热引起的爆炸和火灾造成的子事件统计总结在表2中。
表2.中国石化集团和中石油集团获得的子事件统计数据
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子事件 |
分段 |
火球和热效应 |
爆炸波 |
原 资料编号：[3404] |
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