1.2 本质安全化设计方法研究进展

本质安全的概念由Kletz[3]在1978年提出，本质安全化（inherently safer）是指消除事故的最佳方法不是依靠附加的安全设施，而是通过在设计中消除危险或降低危险程度以取代这些安全装置，从而降低事故发生的可能性和严重性[4],[5]。本质安全化是基于事物自身特性、规律，通过消除或减少工艺、设备中存在的危险物质或危险操作的数量，避免危险而非控制危险。实现本质安全化取决于生产所用材料的基本特性、工艺操作条件以及与工艺自身密切联系的其他相关特性，而不是依靠控制系统、互锁、冗长而特殊的操作程序来预防事故[6]。经过长期的实践，本质安全化的基本策略总结为四个方面的内容：危害物质的最小化（minimize）、高危物质的替代化（substitute）、剧烈反应的温和化（moderate）以及过程工艺的简单化（simplify）。尽管无法完全消除所有危险源，但通过改变工艺和操作方式能减少事故发生的危害性[7]。Hendershot[8]综述了本质安全化设计方法在层次保护系统中降低系统潜在风险的特性。

对工艺过程的本质安全化的量化表征是研究的重点，研究人员提出了多种本质安全化的评价指数设计方法。Edwards等[9]提出了本质安全原型指数（prototype inherent safety index, PIIS）计算不同反应路径的本质安全化程度。Heikkl等[9]提出本质安全指数（inherent safety index, ISI）作为PIIS的补充。Koller等[10]提出综合考虑安全健康环境指数（safety, health, safety index, SHE）方法，增加了对人员健康和周边环境影响因素的考虑。Palaniappan等[11],[12]针对PIIS和ISI指数区间水平不明显的缺点提出了i-Safe指数，当PIIS和ISI指数评价反应路径的分数接近时，用增加的特性指数作为补充来区分化工过程的本质安全化水平。Gentile等[13],[14]提出了基于模糊理论分析的本质安全指数（fuzzy based inherent safety index），针对PIIS、ISI和i-Safe指数方法中阶梯函数在处理端点数值时的不足，运用模糊逻辑和概率理论，将指数区间设置为连续，使用if-then的规则将定量的数据与定性的信息相结合，具有更好的逻辑性。王艳华等[15]采用基于模糊逻辑的Mamdani型模糊推理方法，确定评价指数，结果直观可视。李求进等[16]采用基于遗传算法的Shepard插值算法，在离散参照点之间插值确定不同工艺路线本质安全指数。Gupta等[17]提出了图形化的方法表征本质安全特性，将多方面指数同时绘制在一张图中进行比较，具有良好的扩展性。Khan等[18]提出了集成的本质安全指数（integrated inherent safety index, I2SI），流程被分割为多个子流程，计算子流程安全指数，最后求解总的流程安全指数，具有很好的灵活性。Meel等[19]使用博弈论的方法对化工过程的经济性（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）进行了综合，对多组离散的操作点进行多目标优化。Srinivasan等[20]提出了本质优良性指数（inherent benign-ness index, IBI），用主成分分析不同反应路径的各个方面的指数组成一个矩阵，选择本质优良性的反应路径，具有良好的扩展性，克服了早期指数方法中主观划分范围和主观设置权重的不足。Leong等[21],[22]提出本质安全指数模型的方法（inherent safety index module, ISIM）和反应路径指数方法（process route index, PRI），将本质安全化理念的判断方法集成到HYSYS流程模拟软件中，在模拟流程的同时找到更严格并且本质更安全化的反应路径。Khan等[23],[24]对已有的一些本质安全评价指数方法进行了汇总和评价。樊晓华等[25],[26]也对本质安全指数的部分方法进行了报道和评价。

上述工作中定量的本质安全化评价指数更多地用于指导如何选择反应路径，降低事故发生时可能带来的损失，但不能确保降低事故发生的概率，因为化工过程具有强非线性，对于选定的反应路径，系统存在多个稳态（如图1-5所示），这些稳态操作点的稳定性不完全相同（如图1-6所示），对于稳定的稳态操作点它们的稳定性也不尽相同（如图1-7所示）；另一方面，在化工过程的体系中还存在Hopf奇异点（如图1-8所示）引发的周期性的振荡（如图1-9所示）生成复杂的极限环（如图1-10所示），影响过程的稳定性，降低产品的质量。因此，在化工过程设计阶段就需要考虑选择具有更好稳定性的稳态操作点，同时尽量避免选择可能产生自发振荡过程的操作点，进而从理论上降低化工过程中可能发生事故的概率，提高化工过程的本质安全化水平。