化工人都在提“本質安全”，那到底什么才是本質安全？
發布時間：
2024-06-27 11:28
化工生產過程通常會涉及多種危險化學品，具有易燃易爆、有毒有害、高溫高壓、危險源集中等特點，一旦發生安全事故，將給人民生命健康、生態環境、社會穩定等帶來嚴重損害。
當前，數字化變革正在重塑化學品生產、消費模式，工業互聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術與安全管理深度融合，“工業互聯網+安全生產”成為有效提升行業安全治理水平的必然選擇。此外，我國作出“碳達峰、碳中和”的戰略部署，未來能源結構將產生重大變革，以氫能、太陽能、風能等為代表的新能源形式將會逐步代替傳統的化石能源。因此，在相當長的時期內傳統化石能源將與新能源共存發展，安全風險疊加。
化工生產過程在新時期、新發展階段面臨的安全問題需要通過科技創新、技術進步來解決，安全技術的進步是防范和化解安全生產風險的重要途徑，過程強化、風險感知與監測預警、風險管控與處置等一系列技術手段能夠有效降低和控制安全風險，實現化工生產過程的本質安全化。本文將系統介紹化工生產過程本質安全技術的研究進展，并分析未來化工生產過程安全化技術的發展趨勢，為化工過程安全生產技術開發提供指導。
化工過程本質安全化概述
本質安全（inherent safety）概念最早由英國的Trevor Kletz于1976年提出，其理念是從工藝源頭上永久地消除風險，而不是單獨靠控制系統、報警系統、聯鎖系統的使用來減小事故發生概率和減輕事故后果的嚴重性。本質安全是絕對安全的理想狀態，生產運行上很難達到，實際中需要通過本質安全化（inherently safer）的一系列技術措施降低過程風險，使化工過程本質上更安全。化工過程全生命周期的本質安全如圖1所示，最小化、替代、緩和、簡化這4個本質安全化策略適用于研發、設計、建設、操作、變更和維護等化工過程的整個生命周期。工藝過程的本質安全化與被動型、主動型和程序型安全防護措施一起構成了化工過程的保護層，其中本質安全化工藝技術在所有保護層中處于最核心的部分，對安全風險控制起到決定性作用。
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在化工過程工藝研發和裝置設計的早期階段，本質安全化的需求最迫切，相應的風險降低效果最明顯。早期階段的本質安全化投入可以減少裝置建成及運行后安全設備、設施的投入及維護成本，在化工過程的整個生命周期內提升綜合效益。然而，僅通過工藝技術本身并不能做到絕對安全，仍需要保護層策略來控制安全風險。本質安全化工藝技術和其他保護層技術共同發揮作用，才能確保化工過程的安全風險降低到可接受水平。
通常，降低化工過程風險的保護層策略主要有5個方面：
①通過調整物料組成或工藝條件減小或消除危險性；
②通過增大安全距離減小對人員或周圍環境的危害；
③通過提升工藝或設備設計能力減小過程危害；
④通過執行報警、聯鎖等安全控制措施監控過程異常工況；
⑤通過實施操作規程、培訓、應急響應等管理措施防止安全事故。保護層各自能夠獨立發揮作用，降低危險事故發生的頻率或嚴重程度，但這并不意味著保護層措施越多越有效。過多的保護層措施會增加相應的操作維護成本，并可能增加誤動作幾率。
因此，化工過程首先要提高工藝技術本身的安全性，從源頭上降低過程風險，然后采取適當的保護層技術措施，降低事故發生的頻率和嚴重程度，從而實現化工過程的本質安全化。
化工過程本質安全化技術
近年來，化工過程本質安全化技術和保護層理念不斷進步，逐漸向系統化、工程化、智能化的方向發展。筆者認為，化工過程的本質安全化要從圖2所示的幾個方面實現。在辨識化工過程固有安全風險的基礎上，首先通過提高工藝技術本身的安全性，盡可能從源頭上降低風險；其次，在裝置運行過程中，運用工業互聯網、人工智能等手段對風險進行實時感知和監測預警；最后，對化工裝置的重大風險，要采取有效地管控和處置措施進行抑制和控制。將上述技術手段反復迭代，實現化工過程的安全風險漸次降低，不斷提升本質安全水平。下面將從基于過程強化的本質安全化工藝、風險感知與監測預警、風險管控與處置等方面介紹最新技術研究進展。
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01基于過程強化的本質安全化工藝技術
過程強化技術是將化學工程小型化、清潔化、安全化、節能化的技術，涉及反應、傳質、傳熱等多個學科，包含強制傳遞強化、外加能量場強化、反應介質強化等方面。過程強化技術通過提高生產效率，降低工藝設備尺寸、危化品存量和能量消耗，從而提升化工過程的安全性。
近年來，基于過程強化的新型反應器和分離技術不斷發展，如微反應器、振蕩擋板反應器、膜反應器、旋轉圓盤反應器、含有靜態混合單元的管式反應器、離心精餾技術、高比表面積換熱器等。采用微反應器、膜反應器等可強化傳遞過程，提高反應轉化率和選擇性；采用緊湊型和微型熱交換器可提高傳熱效率，避免熱量累積；采用填充床接觸器和離心吸收器等可促進流體流動與混合，強化分離過程的傳質。
微反應技術是一種重要的過程強化技術。當反應器微通道尺寸降低到微米級別時，反應器內比表面積和物料相的界面面積顯著增加，傳熱和傳質的效率比傳統反應器提升1~2個數量級，顯著降低了危險工藝過程的火災、爆炸風險，極大地提高了過程的安全性。在加氫、氧化、氯化、氟化、硝化、格氏、疊氮和磺化等涉及強放熱、強腐蝕、高危險、有毒物料的反應中具有明顯優勢。國內外研發機構對微尺度下的物料流動與反應過程開展了大量基礎研究，建立了微尺度下物料流動、傳熱、傳質與反應行為的理論模型。以康寧、拜耳等為代表的國外公司在高端材料和精細化學品制造領域廣泛采用微反應器，工業化應用走在前列；國內方面，微化工技術在磷酸二氫銨、己內酰胺、硝基三氟甲氧基苯、石油磺酸鹽等生產工藝中進行了工程示范應用。
通過施加外場能量提升反應效率是另一種重要的過程強化手段，能量形式包括電場、等離子體、超重力、超聲、微波等。其中，等離子體技術是氣體分子在等離子體發生器作用下產生激發態，發生在常規條件下難以進行的化學反應，目前已在新工藝路線開發、功能材料與催化劑制備等方面廣泛應用，如采用等離子化學技術分解硫化氫、催化甲烷轉化、處理VOCs等。超重力反應技術利用超重力條件下流體的獨特流動行為，強化多相傳質與傳熱，實現高效的反應過程，已經應用于氣體凈化、廢水處理、水脫氧等領域。
反應介質強化技術是從綠色化學合成的理念出發，選擇能夠強化傳遞、反應過程且能簡化溶劑回收工藝的反應媒介，降低原料和能源消耗。例如，離子液體具有不揮發、不可燃的特點，可以作為反應溶劑和某些反應的催化劑，目前在烯烴環氧化、加氫、脫硫脫硝、酰基化、選擇性烷基化等反應中得到廣泛應用，在溶劑萃取、核燃料和核廢料的分離與處理等方面也體現出一定的應用前景。上述新技術、新材料的應用，為解決化工裝置的安全問題提供了新思路，能夠從源頭上提高過程的安全性。
02風險感知與監測預警技術
化工裝置運行狀態大致可分為正常、異常和事故3種。實際運行中，由于變量波動或外界擾動會導致系統偏離原始設計條件，出現異常工況。如果不及時進行監測和處理，異常工況可能會演變為事故，因此，對異常工況進行風險的早期監測和感知至關重要。化工裝置的風險感知是通過對裝置的技術參數和狀態進行監控實現的，主要監測內容包括工藝運行情況、設備狀態、氣體泄漏等。目前國內監測預警技術面臨的問題主要包括：對事故預測、預警方法與模型的研究不足，對偶然性、突發性事故難以提煉反映風險本質的關鍵指標；工業互聯網、人工智能和大數據等前沿技術在風險監測預警方面的應用較少，智能化水平有待提升；化工企業生產流程復雜、耦合因素眾多，安全監測預警技術的可靠性、可用性和穩定性仍面臨很大的挑戰。未來化工裝置的安全風險感知及監測預警，需要集成工藝安全動態風險評估、設備健康度動態評估、泄漏監測智能感知、裝置在線故障診斷等，形成化工裝置故障診斷與動態風險監測平臺，健全化工生產和儲運場所極端惡劣環境（如強腐蝕、強干擾、雷電災害等）下的監測預警技術，以實現化工裝置全生命周期狀態可感知、風險可管控，支撐危化品企業數字化、智能化建設。
近年來，各種用于過程監控和故障診斷的技術逐漸發展起來。根據診斷模型構建過程對機理知識和過程數據的需求關系，化工過程故障診斷技術一般分為基于機理模型、基于知識和基于數據的3類技術。基于機理模型的故障診斷技術利用先驗的物理、化學知識，構建精確的數學模型并用于故障診斷；基于知識的故障診斷技術依賴于操作經驗和專家知識；基于數據的故障診斷技術則是通過大量數據分析，建立具有故障診斷功能的系統或算法模型。得益于集散控制系統（DCS）等自動控制系統帶來的海量過程數據和分析數據，采用機器學習算法深度挖掘數據建立過程模型變得可行。數據驅動模型在訓練階段需要較少的過程機理，在使用階段具有計算量小、求解快、在模型建立的數據范圍內準確度高等優點，因而在各類故障診斷任務中取得了良好的效果。隨著網絡化、信息化、智能化技術的不斷應用，化工過程風險感知與監測預警技術將實現快速發展，工業互聯網、大數據分析、數字孿生等新技術在數據采集、實時數據和視頻圖像傳輸、數據交互等方面應用更加廣泛，以滿足數據快速響應的要求。以催化裂化裝置為例，將數字孿生與異常監測預警技術相結合，構建反應器、再生器單元，分餾單元和吸收、穩定單元（簡稱反再-分餾-吸穩單元）的工藝混合驅動模型和油漿系統的數字孿生模型，可實現深層信息感知、性能趨勢預測、異常監測預警和操作優化指導，助力裝置長周期安全平穩運行。
對設備腐蝕及運行狀態的監測是設備運行風險感知的重要手段。對于設備的腐蝕檢測，常規的技術有超聲波檢測、渦流檢測，新興的有相控陣技術等，這些檢測技術均為逐點檢測，不能實現大范圍覆蓋。進行設備狀態的在線監測是風險感知技術的發展方向，包括聲發射、超聲導波、光纖傳感、電磁超聲、脈沖渦流等技術。例如，可將機械振動參數的變化轉換成電量或電參數的變化，傳輸至控制器處理，并判斷大機組動設備異常工況；采用聲波、聲阻抗、張力波等傳感器可監測管道或儲罐內非正常物料的侵蝕、設備腐蝕損傷情況及結構部件中的裂紋；建立設備非侵入、在線、實時的無縫隙化健康在線監測技術體系，可有效解決設備腐蝕損傷缺陷的識別、定位和程度分級，以及二維溫度應變場、異常振動實時動態監測問題。在獲取設備腐蝕多源數據基礎上，開發腐蝕機理預測模型、基于大數據算法的關鍵腐蝕參數預測模型，構建設備腐蝕監測預警平臺，可實現裝置腐蝕風險的遠程監測與推送，未來通過與物聯網、智能穿戴、人工智能等技術結合，逐漸向設備狀態監測系統發展，能夠接入更多實時腐蝕監測數據，智能推送設備風險、壽命及檢修方案等。
目前，監測有毒有害氣體的傳感器以半導體、電化學以及催化燃燒氣體傳感器為主。該類型傳感器技術成熟、壽命長，但體積大、響應時間長、選擇性差、準確度低、檢出限高、價格高，因而應用場合有限，無法滿足復雜氣體環境監測的需求。隨著納米材料制備技術、微機電加工技術以及人工智能和大數據處理技術的發展，給研發更加便攜、便宜和精確的氣體傳感器提供了理論和技術支持。比如，開發基于微納傳感器陣列的高靈敏氣體監測儀、基于聲發射原理的泄漏源定位監測儀、非制冷式紅外光譜成像監測儀等多元感知設備，構建基于工業互聯網融合的點面結合、多元感知的全方位氣體泄漏監測體系。在多元感知體系獲取數據的基礎上，建立基于覆蓋率算法的監測有效性評估、優化技術，開發多元數據融合的泄漏預警模型與算法，及將分子特征數據庫與擴散模型相結合的快速、高效泄漏溯源算法，能夠實現泄漏的提早感知、及時預警和精準溯源，極大提升企業泄漏監測與風險感知水平。
03風險管控與處置技術
采用工藝本質安全化、風險感知與監測預警等技術手段，可以有效降低化工過程的安全風險；而對于火災、爆炸等重大安全風險，仍需要采取專用的風險管控技術，如石化裝置阻火抗爆技術、化工裝置事故應急救援與處置技術等。這些風險管控技術雖然不能從源頭上降低安全風險，但能夠在很大程度上減輕事故的危險程度。
在建筑結構抗爆方面，目前除少數新建的化工裝置外，大部分距離高爆炸危險性裝置較近的內部人員用建筑物，僅考慮防火性能而未考慮抗爆性能，因而存在較大安全風險。對現有建筑物的加固改造步驟通常包括風險識別與量化、建筑物分類、破壞評估和減輕破壞等。對既有建筑物抗爆改造，要綜合考慮結構特征、爆炸載荷、改造成本、施工難度等因素，通常比新建建筑物復雜。建筑物抗爆改造的對象包括結構連接處、框架結構、砌體墻等；而常用的抗爆改造方法有：為墻壁安裝垂直鋼柱，對墻壁進行外層鋼筋混凝土加固，在墻面上粘合高強度纖維復合材料、噴涂抗爆涂層等。其中，負載纖維復合材料、抗爆涂層加固方法充分利用材料強度高的特點，加固效果顯著，且施工方便、操作性強，相比其他加固方法有較大優勢，應用更加廣泛。
在事故應急救援處置方面，當化工裝置發生事故后，現場環境極其復雜，難以獲取事故現場數據。因此，有效的感知事故現場態勢對科學研判事故發展趨勢，高效指揮和調度，防止次生、衍生事故發生，降低事故損失具有重要意義。當前，我國在應急處置中對事故風險的研判能力還需要進一步提高，而應急救援處置的指揮與協調能力亟待提升。近年來，應急處置技術正借助新技術、新材料的優勢向智能化、精確化、系統化方向發展。紅外偵測與無人機集成技術已經用于事故現場遠距離非接觸偵檢；視頻智慧處理及結構化技術正不斷促進事故現場重構與評估技術的升級換代；借助沉浸式虛擬演練和外部識別裝備等先進手段，可對事故現場風險進行動態研判，預測事故發展態勢。比如，采用虛擬現實（VR）及交互式應急推演技術、典型情景構建技術，可建立基于云架構的化學事故信息捕獲與動態研判系統，能夠解決面向事故現場數據融合與分發、事故動態研判與應急處置方案生成等技術性難題。
總結與展望
本質安全化理念已深入到化工過程的全生命周期，在新材料應用、過程強化、人工智能等技術進步的帶動下，本質安全化技術取得了快速發展，成為化工裝置安全平穩運行的重要保障和企業持續健康發展的核心競爭力。化工過程風險控制是一個系統工程，需要本質安全化工藝技術、風險感知與監測預警、風險管控與處置等一系列保護層措施共同發揮作用。當前，我國經濟發展、產業結構正在發生深刻變革，新技術、新領域、新業務的應用和發展也影響著安全生產形勢，工業互聯網、大數據分析、云計算、人工智能等新生代技術對化工過程的本質安全帶來新的機遇和挑戰。
（1）促進傳統能源化工領域安全高質量發展。
傳統能源化工產業在重特大事故的遏制方面仍面臨較大壓力。針對危化品生產、儲存、運輸等重點環節事故致災機理尚缺乏系統深入的認識，特別是工藝熱失控、泄漏擴散與燃爆、環境的相互作用機制有待進一步研究，需積累不同尺度各類關鍵基礎科學數據。隨著自主創新工藝技術的開發和應用，安全保障技術創新和攻關的步伐亟需加快。
（2）通過工業互聯網技術提升危化品安全生產水平。
隨著國家“中國制造2０25”工業計劃的實施和人工智能、工業互聯網等技術的應用，化工企業逐步向智能工廠方向發展。當前，需要通過新一代網絡信息技術提升行業的安全監管智能化水平；而未來，要以工業互聯網為脈絡，將智能傳感器、測量儀表和邊緣計算網關串聯起來，實現全要素生產信息采集和參數指標快速感知，打通種類繁多的生產控制及優化系統，打破系統孤島化、信息碎片化的現狀，實現信息的高效流轉和綜合分析。
（3）構建可虛實交互的數字孿生體。
數字孿生體是在數字空間內生成的虛擬裝置，是智能感知、過程機理、大數據分析、人工智能等技術高度集成后的產物。它能通過實時數據交互自適應地調整自身，從而與物理實體在全生命周期內保持一致，并模擬實體在現實環境中的行為。因此，以數字孿生體為基礎，可有效實現透視化的全息感知、智能化的預警分析、動態化的運行模擬。
（4）布局系統化新能源安全保障技術體系。
國家提出碳達峰、碳中和的發展戰略，氫能是實現碳中和的重要途徑，綠色潔凈的氫能產業將會快速發展，圍繞氫氣制備、儲存、運輸、加注等過程的氫能安全防護技術需加快研發步伐。未來，需要建立針對高壓臨氫部件和設備安全可靠性的檢測評價技術能力，確保零部件與氫的兼容性；研發基于氫致變色和微傳感器的氫氣早期泄漏感知技術，保證泄漏可感知；基于物聯網、大數據構建氫能安全風險預警平臺，實現對氫能全流程風險的智能感知與決策；開發氫氣阻燃抗爆、應急處置等全產業鏈安全防護技術，確保事故后果可控。此外，針對化學儲能、光伏發電等新能源形式，要研發安全防護、監測預警及應急處置等安全保障技術。
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