ＨＡＺＯＰ分析化工過程故障診斷研究

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摘要：危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP）分析是一種廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)等流程工業(yè)的危險(xiǎn)分析方法，它能通過頭腦風(fēng)暴的方式，發(fā)現(xiàn)裝置中可能存在的安全隱患和操作問題。而故障診斷方法是保障化工過程安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要技術(shù)。目前，大多數(shù)故障診斷方法都需要利用過程本身的工藝知識或歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)在線診斷。而HAZOP分析報(bào)告則是集合了各方面專家知識和歷史經(jīng)驗(yàn)的寶貴財(cái)富。因此，本文提出了一套新的故障診斷專家系統(tǒng)，將HAZOP分析報(bào)告轉(zhuǎn)化為故障診斷系統(tǒng)能夠解讀的專家知識庫，利用知識庫對化工過程的在線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對化工過程的故障診斷。

關(guān)鍵詞：HAZOP分析；化工過程；專家系統(tǒng)；故障診斷

石油和化工行業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，提高化工生產(chǎn)的安全水平一直是該行業(yè)的一項(xiàng)重要目標(biāo)。在過去的幾十年問，為減少或排除化工過程中的潛在危險(xiǎn)，各種過程危險(xiǎn)分析（PHA）方法被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，如危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP）、故障模式和影響分析（FMEA）、定量危害分析（QRA）、故障樹分析（FTA）等。而HAZOP作為其中一項(xiàng)系統(tǒng)深入的PHA方法，近年來被國內(nèi)眾多石油石化公司、化工生產(chǎn)企業(yè)和設(shè)計(jì)施工單位普遍接受，并應(yīng)用于裝置、設(shè)備生命周期始終。另一方面，故障診斷作為DCS控制系統(tǒng)之后的一項(xiàng)保障化工過程安全運(yùn)行的技術(shù)，已有40多年的研究歷史。然而，由于化工過程本身工藝異常復(fù)雜，涉及數(shù)據(jù)量十分龐大，到目前為止有關(guān)理論和技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。當(dāng)一個化工過程經(jīng)過了HAZOP分析，它的許多潛在的風(fēng)險(xiǎn)隱患都被發(fā)現(xiàn)出來，許多可能發(fā)生的故障前因后果都在HAZOP分析過程中，經(jīng)過各專業(yè)的專家討論揭發(fā)出來。那如果能夠?qū)AZOP分析的結(jié)論應(yīng)用于故障診斷，無疑能給化工過程的故障診斷技術(shù)的研究提供一個新的思路。

1HAZOP分析與故障診斷

HAZOP分析可按分析的準(zhǔn)備、完成分析和編制分析結(jié)果報(bào)告3個步驟來完成。HAZOP分析首先要建立由各種專業(yè)人員（如：工藝、設(shè)備、自控、現(xiàn)場操作人員等）組成的分析小組，并確立主持人和記錄員。然后以頭腦風(fēng)暴的方式召開小組會議，按照規(guī)定的方法對偏離設(shè)計(jì)的工藝條件進(jìn)行分析。分析的過程中，主持人將化工過程劃分為若干節(jié)點(diǎn)，小組成員再在主持人的引導(dǎo)下依次選擇節(jié)點(diǎn)、參數(shù)、偏差，分析偏差可能產(chǎn)生的原因、導(dǎo)致的結(jié)果及已有保護(hù)措施，并判斷風(fēng)險(xiǎn)是否能夠接受，提出改進(jìn)建議。在這一過程中，主持人充分引導(dǎo)、發(fā)揮小組成員的專業(yè)知識，確保每一個工藝細(xì)節(jié)的偏差及其可能存在的安全、操作隱患都充分考慮。而最后這些分析討論的結(jié)果，都將編輯到一個HAZOP分析報(bào)告中，根據(jù)該報(bào)告采取糾正措施，并為實(shí)際的生產(chǎn)操作提供一定的指導(dǎo)。由HAZOP分析的過程我們不難發(fā)現(xiàn)，HAZOP分析主要就是圍繞化工過程的參數(shù)偏差展開的頭腦風(fēng)暴。這讓我們很容易聯(lián)想到，在化工過程故障診斷研究中，故障的定義：化工過程中的某一個觀測變量或操作參數(shù)出現(xiàn)不可接受的偏離［1］。可見，故障診斷與HAZOP一樣，關(guān)注的重點(diǎn)也是化工過程的一個偏差。正因如此，一直以來都有一些學(xué)者嘗試將HAZOP分析與故障診斷相結(jié)合，而符號有向圖（SDG）就成為大多數(shù)學(xué)者將HAZOP與故障診斷技術(shù)結(jié)合的一個紐帶技術(shù)。SDG是由節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間有方向的連線所構(gòu)成的一個網(wǎng)絡(luò)圖，它表達(dá)了不同節(jié)點(diǎn)所代表的狀態(tài)互相之間的一種傳遞關(guān)系。如果某個節(jié)點(diǎn)的值偏離了正常范圍，應(yīng)用SDG模型推理，能夠找到這些偏離在系統(tǒng)中傳播的結(jié)果或者造成這些偏差的原因。這一偏差傳遞的前因后果恰好與HAZOP分析的思想相吻合。普渡大學(xué)VenkatVenkatasubramanian的科研小組最先將SDG應(yīng)用于HAZOP分析的建模，建立的模型稱為SDG模型［2－3］。在SDG模型基礎(chǔ)上Venkat等人開發(fā)了PHASuite軟件，試圖替代專家進(jìn)行HAZOP分析，并在一些簡單的化工過程中實(shí)現(xiàn)了較好的應(yīng)用［4－5］。由于SDG只能體現(xiàn)變量偏差的傳遞，卻不能表現(xiàn)操作等的影響，化工大學(xué)的崔琳等人又提出了分層有向圖（LDG），大大擴(kuò)展了模型的表達(dá)能力［6－7］。而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，對于在線數(shù)據(jù)的偏差，可以通過SDG模型反向推導(dǎo)，查找導(dǎo)致偏差的根本原因。這一點(diǎn)又恰好能解決故障診斷技術(shù)的需求，因此一直以來有不少學(xué)者都嘗試使用SDG模型來進(jìn)行故障診斷［8－10］。而將HAZOP與故障診斷結(jié)合起來，便有學(xué)者提出基于SDG－HAZOP的故障診斷，并應(yīng)用于加熱爐［11］、合成氨［12］、催化裂化［13］等石油化工過程的研究。然而在實(shí)踐過程中人們發(fā)現(xiàn)，對于十分復(fù)雜的石油化工過程，SDG模型的建立和驗(yàn)證非常困難，且SDG模型不能全面的表達(dá)所偏差推導(dǎo)中的所有原因后果，因此基于SDG的HAZOP分析始終無法在所有化工過程中得到應(yīng)用。因此，當(dāng)前主流的HAZOP軟件并不試圖取代專家做分析，而是為專家提供更好的工具，輔助專家進(jìn)行分析工作，而HAZOP分析工作本身還是以專家小組的頭腦風(fēng)暴形式為主。同樣由于SDG建模困難，對于故障原因、后果不能全面表達(dá)，且在在線診斷過程中網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜可能導(dǎo)致推導(dǎo)速度受限，SDG方法也始終沒有在更多的化工過程故障診斷研究中得到應(yīng)用。然而，盡管用SDG模型進(jìn)行HAZOP分析存在諸多問題，但是HAZOP針對偏差傳遞的分析思路依然對在線故障診斷有著啟發(fā)意義。而HAZOP報(bào)告作為對過程進(jìn)行了全面系統(tǒng)分析的匯集了眾多專家智慧的寶貴財(cái)富，如果能將其應(yīng)用于故障診斷的建模，無疑能夠?qū)み^程的安全運(yùn)行起到極大的幫助。因此，本文提出了不依靠SDG模型，而是將HAZOP分析報(bào)告中的內(nèi)容通過系統(tǒng)的方法建立專家知識庫，開發(fā)故障診斷專家系統(tǒng)，應(yīng)用于化工過程故障診斷的方法研究。

2基于HAZOP分析的故障診斷

專家系統(tǒng)對于缺少歷史數(shù)據(jù)，工藝又十分復(fù)雜無法建立精確數(shù)學(xué)模型的化工過程，采用基于知識的專家系統(tǒng)是故障診斷研究的一個主要方法。專家系統(tǒng)將專家積累的豐富經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠解讀并應(yīng)用的知識，對在線數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和分析，推理化工過程的故障原因。一個典型的化工過程故障診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由人機(jī)界面、知識獲取程序、知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)和解釋器六部分組成。1故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖人機(jī)界面用于操作員和專家與故障診斷專家系統(tǒng)溝通。專家可以通過人機(jī)界面將知識錄入系統(tǒng)，通過知識獲取程序，將專家的還是轉(zhuǎn)化為專家系統(tǒng)而已用于診斷的知識存入知識庫。知識庫是專家系統(tǒng)的核心，它以不同的形式和結(jié)構(gòu)存儲來存儲故障診斷的知識及規(guī)則。而在在線診斷時，化工過程在線數(shù)據(jù)被專家系統(tǒng)讀入，存儲至數(shù)據(jù)庫中。推理機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)，選擇知識庫內(nèi)的知識規(guī)則，對在線數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，搜索、判斷化工過程可能存在故障。最后，再通過解釋器將推理結(jié)果經(jīng)人機(jī)界面展示給操作員。關(guān)于化工過程故障診斷專家系統(tǒng)的推理機(jī)及知識庫設(shè)計(jì)，華南理工大學(xué)李秀喜的科研小組有一套系統(tǒng)的研究方法［14－15］。而本文的研究重點(diǎn)是如何將HAZOP分析報(bào)告的報(bào)告內(nèi)容經(jīng)解讀后存入故障診斷專家系統(tǒng)的知識庫。表1為一個典型HAZOP報(bào)表中的一個偏差的分析記錄，將這樣一個分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為專家系統(tǒng)的知識，首先要確定變量偏差規(guī)則，也就是專家系統(tǒng)的事實(shí)規(guī)則。這些變量規(guī)則可能是偏差，也可能是原因、后果，他們都是能夠通過在線數(shù)據(jù)測量推導(dǎo)的。該實(shí)例中包含的變量規(guī)則就可以表示為IFFI101＜1．2m3／sTHEN進(jìn)料流量低；IFΔLI101＜0．1mTHEN反應(yīng)器液位下降；IFΔLI101＝0THEN反應(yīng)器液位空；IFFI102＝0THEN產(chǎn)品采出中斷。然后要確定變量關(guān)系的傳遞規(guī)則，也就是專家系統(tǒng)的中間規(guī)則。這就涉及HAZOP分析中對于偏差原因、后果的推導(dǎo)。在此例中的傳遞規(guī)則有：IF進(jìn)料泵故障停THEN進(jìn)料流量低；IF進(jìn)料流量低THEN反應(yīng)器液位下降；IF反應(yīng)器液位空THEN產(chǎn)品采出中斷；IF產(chǎn)品采出中斷THEN產(chǎn)品泵抽空損壞。在線運(yùn)行過程中，推理機(jī)首先對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，首先對異常數(shù)據(jù)按變量偏差規(guī)則，推導(dǎo)化工過程中存在的偏差。再對推導(dǎo)出的偏差由傳遞規(guī)則分別由前后進(jìn)行推理得到其它滿足的相關(guān)規(guī)則。最后對所有滿足的規(guī)則進(jìn)行綜合分析，判斷出現(xiàn)故障的原因，給出目前故障發(fā)展的情況，以及可能導(dǎo)致的后果。

3應(yīng)用案例

精餾塔是石油化工過程中最典型的裝置。如圖2所示，以一個簡單的乙醇－水體系精餾塔實(shí)驗(yàn)裝置為案例，討論基于HAZOP的故障診斷專家系統(tǒng)的診斷過程。正常操作時，體積比30％的乙醇－水溶液經(jīng)計(jì)量泵P101以10L／h的流速進(jìn)入預(yù)熱器E102，與塔釜采出換熱后進(jìn)入精餾塔T101。T101塔釜由電阻絲加熱，塔釜液位由出口閥控制在35cm。T101塔釜與塔頂均有溫度和壓力的DCS指示。塔頂采出經(jīng)冷凝器E101與冷卻水換熱后進(jìn)入回流罐V102，冷卻水的流量由控制閥控制。V102內(nèi)部分物料由計(jì)量泵P102打回流至T101塔頂，并與V102液位關(guān)聯(lián)進(jìn)行控制，固定回流比，再由計(jì)量泵P103采出乙醇產(chǎn)品。計(jì)量泵的流量均遠(yuǎn)傳至DCS。表2記錄了關(guān)于精餾塔液位高這一偏差的HAZOP分析結(jié)果。由上述HAZOP分析報(bào)告得出事實(shí)規(guī)則有：IFLI101＞36THEN精餾塔液位高；IFFI＞10THEN進(jìn)料流量過大；IFP102＞2kPaTHEN塔釜壓力大；IFT102＞89THEN塔釜溫度高；IFFI104＝0THEN塔釜采出中斷。中間規(guī)則有IF進(jìn)料流量過大THEN精餾塔液位高；IFLIC101回路故障，LV101關(guān)THEN精餾塔液位高；IFLIC101回路故障，LV101關(guān)THEN塔釜采出中斷；IF精餾塔液位高THEN精餾塔溫度高；IF精餾塔液位高THEN可能導(dǎo)致淹塔。實(shí)際生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)LI101＝36．1，啟動推理機(jī)進(jìn)行推理。由事實(shí)規(guī)則推理得到“精餾塔液位高”。再經(jīng)反向推理得到可能原因“進(jìn)料流量過大”及“LIC101回路故障，LV101關(guān)”，但此時數(shù)據(jù)庫中FI101＝10，與“IFFI＞10THEN進(jìn)料流量過大”規(guī)則矛盾，表明該原因不合理，只保留原因“LIC101回路故障，LV101關(guān)”。再順向推理得到結(jié)論“塔釜采出中斷”，“塔釜溫度高”，“可能淹塔”。此時數(shù)據(jù)庫中FI104＝0，負(fù)荷規(guī)則“IFFI104＝0THEN塔釜采出中斷”，表明該后果已發(fā)生。而TI102＝88．4，不符合規(guī)則“IFT102＞89THEN塔釜溫度高”，表明該后果還未發(fā)生。而“可能淹塔”的結(jié)果不能由事實(shí)規(guī)則判斷，因此直接作為結(jié)果輸出給操作員。經(jīng)以上推理，專家系統(tǒng)的人機(jī)界面即可給出診斷結(jié)果：偏差：精餾塔液位高。可能原因：LIC101回路故障，LV101關(guān)。已產(chǎn)生后果：塔釜采出中斷。可能產(chǎn)生后果：“塔釜溫度高”，“可能淹塔”。而操作員則應(yīng)當(dāng)根據(jù)上述專家系統(tǒng)的診斷結(jié)果提示，采取相應(yīng)的應(yīng)對措施來處理故障。在在線診斷過程中，對于“進(jìn)料流量過大”這樣的原因要通過其他節(jié)點(diǎn)關(guān)于流量大的偏差分析結(jié)果得到的中間規(guī)則，推理出導(dǎo)致進(jìn)料流量過大的根本原因，例如“計(jì)量泵故障”，“備用泵誤開”等。

4結(jié)論與探討

由于HAZOP分析報(bào)告中的原因和后果不一定是必然對應(yīng)關(guān)系的，有的后果是原因發(fā)生后必然發(fā)生的，而有的后果是原因和偏差發(fā)生到一定程度后才會發(fā)生的，因此在將HAZOP分析報(bào)告結(jié)果轉(zhuǎn)化為知識的時候，對于部分中間規(guī)則要靈活地應(yīng)用AND、OR等邏輯關(guān)系詞。而對于一些并列可能發(fā)生原因及后果，可以參考文獻(xiàn)14中的算法，對其進(jìn)行可能性的排序，給操作員更明確的提示。HAZOP分析報(bào)告是匯集了各專業(yè)專家知識的一個寶貴成果。本文提出的故障診斷專家系統(tǒng)，將HAZOP分析報(bào)告轉(zhuǎn)化為故障診斷系統(tǒng)能夠解讀的專家知識庫，利用知識庫對化工過程的在線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對石化過程的故障診斷。未來要實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的大規(guī)模化工過程HAZOP分析報(bào)告在故障診斷中的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)在分析階段就考慮故障診斷專家系統(tǒng)解讀知識的需要，對一些分析結(jié)論以專家系統(tǒng)能夠識別的格式或說法進(jìn)行記錄，如果能夠?qū)崿F(xiàn)專家系統(tǒng)直接讀取并學(xué)習(xí)HAZOP分析報(bào)告，則該方法離實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用將更進(jìn)一步，而HAZOP分析報(bào)告也更多了一份價(jià)值。

作者：黃超 戴一陽 代長春 單位：四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 四川鴻鵬新材料科技有限公司