有机热载体炉运行风险评价指标体系

有机热载体炉运行风险评价方法研究

彭小兰 吴超 殷先华

1 有机热载体炉系统运行风险评价流程

在有机热载体炉运行的人-机-环境系统中^[4，10]，人是机的操作者，是系统的主体；而人本身是一个有意识活动极其复杂、开放的巨系统，随时随地要与外界进行物质交换、能量交换和信息交换；机是指有机热载体炉承压本体设备、密封系统等凡和有机热载体炉运行活动有关的机械和物质；环境是人机所处的周围条件，包括操作空间、操作环境、辅机系统环境、介质环境等硬环境和管理背景等软环境。

评价流程（图1）具体是先根据专家的职称、学术背景等方面，在一定程度上定量化专家自身的权重，然后，对评价系统的底层单因素指标进行专家打分法风险评估，根据专家的权重则可确定单个底层指标的风险值；其次，基于熵度原理确定底层指标的权重，进一步可以得到相应上一层指标风险的综合评估值，而在其余各层中利用AHP即层次分析法确定指标权重，从而可由底层到顶层一步一步推求有机热载体炉运行人-机-环境系统综合风险值。

图1 有机热载体炉系统评价流程

2 风险评估方法及标准

有机热载体炉运行风险评价是一个动态过程，在不同情况下，影响运行安全的因素会随之变化，选取风险评估方法时要注意其操作过程的开放性、动态性[7-10]。有机热载体炉运行是司炉工在操作，而隧道施工是工人在作业，两者都是人员动态的操作过程，具有一定的相似性，因此，风险评估采用专家打分法并参照《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》中的风险等级标准，分为四级：1为低度风险，2为中度风险，3为高度风险，4为极高风险。采用ALARP风险接受准则，即低度风险可忽略，中度风险可接受，高度风险不期望，极高不可接受。

3 有机热载体炉风险人-机-环境评价指标体系

评价指标体系的选择和确定是评价研究内容的基础和关键，不但要遵循科学性、可行性和可比性原则，而且要具有动态性原则。根据相关文献和对有机热载体炉运行的安全风险状况调查、分析的基础上^[2，3]，建立有机热载体炉运行风险的评价指标体系（表1）。若在实际运行时发现情况发生变化或应用到别的具体工程中，可以对该指标体系的底层评价指标进行增加或减少，从而可实现开放式指标评价体系的建立，方便其推广应用。

表1 有机热载体炉运行评价指标体系

（续）

4 有机热载体炉运行风险人-机-环境系统评价实例

4.1 依托工程概况

有机热载体炉运行风险实例以长沙市市政维护油料场的一台有机热载体炉为例。有机热载体炉炉型为YY（Q）W-600YQ，主要用于生产沥青，制造日期为2005年5月1日，投用日期为2007年8月1日，额定工作压力为0.8MPa，实际使用压力为0.4MPa，整个有机热载体炉系统布置图如图2所示，采用注入式开式系统。

4.2 专家权重的确定

通常有关专家做出评价时，大多是假定专家的权重一样，然而，由于学术背景、职称和从事专业时间的长短等不同，专家的权重和经验也不尽一样。专家自身的权重宜按照其职称、从事有机热载体炉检测工作时间、对有机热载体炉运行风险相关理论的掌握及对本台有机热载体炉运行的了解程度而综合确定^[15]，见表2。

图2 有机热载体炉系统

1—补油管 2—膨胀管 3—大气管 4—排气管 5—油气分离器 6—热载体炉 7—旁路阀 8—冷油置换管 9—循环泵 10—过滤器 11—膨胀管 12—溢流管 13—大气管 14—储油槽 15—注油泵 16—安全阀

表2 有机热载体炉专家权重体系

对于职称栏，考虑了评职称的难易及一般需要的时间（如硕士研究生毕业2～3年后评讲师，讲师3～4年后评副教授，副教授5年后评教授），用数字1，3，6，8和10表示，然后进行归一化处理，则得相应的权重；对于其他项也是根据同样道理推出。由于职称、从事有机热载体炉运行工程时间等几个指标的重要程度相近，可认为各指标权重一样，把各位专家对应的相应分指标权重相加，最后再进行归一化处理，则可得各专家的权重。邀请5位有机热载体炉检测方面专家，专家权重是根据每位专家实际情况求和，然后再归一化处理，结果见表3。

表3 有机热载体炉专家实际权重

注：括号中数据为权重。

4.3 底层指标风险评估

对于人子系统指标层中各评价指标的风险评估值由5位专家进行打分确定，其中V_1ij表示第j个专家对第i个指标所确定的风险值。

所以，人子系统中各指标层的评价指标风险值：

同理，机子系统中各指标层的评价指标风险值由专家打分法可得

环境子系统中各指标层的评价指标风险值如下。

对于操作子环境：

对于辅机系统环境：

对于有机热载体炉运行介质子环境：

对于锅炉房及系统空间布置子环境：R₃₄=[2.794]

对于管理子环境：

4.4 熵度法确定底层指标的权重

权重表示在评价过程中，是被评价对象的不同侧面重要程度的定量分配，对各评价因子在总体评价中的作用进行区别对待。某一指标的权重是指该指标在整体评价中的相对重要程度。目前确定权重系数的方法有很多种^[9]，根据样本数据的有无，可将计算方法分为定量和定性两大类，其中，定量法有熵值法、灰色关联度法、人工神经网络定权法、因子分析法、回归分析法和路径分析法等，定性法有德尔菲法、层次分析法、模糊聚类法和比重法等。由于不同方法有各自的适用范围和相对的优缺点，因此在实际运用中，运用单一方法得到的结论可信度或多或少存在一定的偏差。为了提高评价结果的精度和可信度，采用熵权来反映各底层指标的权重。

熵（Entropy）代表着关于“不确定性”的一种度量，是由Shannon最早提出的，随后Jaynes提出了描述这种不确定性的数学方法即极大熵原理。在此之后，熵和极大熵原理日趋广泛地被应用于信息处理问题之中[14-16]。

对于人子系统，计算各底指标熵得e_ij=[0.741 0.679 0.394 0.574]；

计算各底层指标熵权得w_1i=[0.161 0.199 0.376 0.264]。

由计算结果可以看出：指标熵越大，则指标的熵权越小，意味着专家对该指标的把握性越小，不确定性越大。由此，可以确定熵权并不是评价指标实际意义上的重要系数，而是专家对各评价指标提供信息多寡，竞争意识上的相对激烈程度，其与专家对指标的掌握程度有很大的关系。

同理，根据熵权法可以确定机子系统中的各评价指标层的权重为

w_2i=[0.126 0.216 0.294 0.294 0.070]

环境子系统中指标层的指标权重为(www.xing528.com)

对于操作环境：w_31i=[0.085 0.263 0.084 0.211 0.357]

对于辅机系统环境：w_32i=[0.157 0.297 0.219 0.327]

对于有机热载体炉介质运行环境：w_33i=[0.225 0.221 0.555]

对于管理环境：w_35i=[0.110 0.256 0.256 0.189 0.189]

4.5 AHP确定其余层指标的权重

4.5.1 构造判断矩阵

层次分析法（AHP）要求计算出同一层相互联系的评价指标的相对重要性，并予以量化。当上一个层评价指标与下层多个评价指标有联系时，一般难以判断其间的相对重要程度，但若每次取两个评价指标来比较，就较容易定出哪个重要哪个次要^[3]。

层次分析法确定权重的关键是进行评价指标的两两比较评分。比较评分可用Satty提出的1～9标度法，其认为人们在估计成对事物的差别时，可用五种判断等级进行描述，如表4所示。判断矩阵中的数值可以根据资料、专家评价及其对本问题的了解状况等加以综合平衡后给出。

表4 指标比较的分值（1～9比例标度法）

4.5.2 根据判断矩阵求解指标权重

经比较可得若干两两判断矩阵，然后求解该判断矩阵的最大特征值，把其对应的特征向量进行归一化处理，即各因素的权重。一般有直接求解法（可利用Matlab数值计算软件直接求解矩阵的特征值）和近似求解的方法如乘幂法、方根法、和积法等^[7]，本研究采用直接求解指标权重。

4.5.3 判断矩阵的一致性检验

因为有机热载体炉运行人机环境体系的复杂性及人们认知的片面性，在各影响因素重要性的判断上及相应所构造的判断矩阵不一定适当。而判断适当的标准就是要进行一致性检验^[6]，如下式所示：C.R.=C.I./R.I.其中C.I（λ_max-n）/（n-1）。

一般情况下，若C.R.≤0.10，就认为判断矩阵具有一致性。据此而计算的值是可以接受的。

随着n的增加，判断误差就会增加，因此判断一致性时应考虑到n的影响，使用随机性一致性比值，其中R.I.为平均随机一致性指标。表5给出了500样本判断矩阵计算的平均随机一致性指标检验值。

表5 平均随机一致性比率指标R.I.

4.5.4 AHP计算权重实例

第2层次的人-机-环境的判断矩阵见表6。

计算出w_i=[0.2580.1050.637]，λ_max=3.069，C.I.=0.035，R.I.=0.58，C.R.=0.059＜0.1，满足一致性要求。

同理可得第3层次的环境系统的权重为C.R.=0.059＜0.1满足一致性要求。

表6 人机环境的判断矩阵

4.6 人-机-环境系统的综合评估

对于人子系统：R′₁=w_1iR₁=1.830；同理，对于机子系统：R′₂=1.293；

对于操作环境：R′₃₁=1.341；

对于辅机系统环境：R′₃₂=1.393；

对于有机热载体炉运行介质环境：R′₃₃=1.804；

对于管理环境：R′₃₅=1.242；

对于环境子系统：R′₃=1.749；

对于人-机环境系统：R=1.722。

4.7 评估结果分析

从以上评估结果可以看出：

1）人机环境系统的综合评估结果是1.722度，即介于低度和中度风险之间，更偏向中度风险，所以要对整个系统进行监测。

2）人、机、环境各子系统的风险也是位于低度和中度风险之间，风险由大至小顺序为人子系统风险、环境子系统和机子系统，表明有机热载体炉运行系统中人的影响因素很大。

3）在环境子系统中，锅炉房及系统空间布置综合风险最大，为2.794，介于中度风险和高度风险之间。对此要重点监控三方面：①要严格按照《锅炉安全技术监察规程》进行有机热载体炉辅助系统的布置，特别是高低位槽的布置，保证其在有有机热载体泄漏的情况下也不易发生火灾，或者引发的事故影响较小；②自动控制系统空间布置与司炉工生理特性的匹配和易操作性；③安全阀、液面计、爆破片等与司炉工视角位置的观察的便捷性和清晰性。其次较大的是有机热载体炉运行的介质环境属于中度风险。在运行中，一方面要加强对在用有机热载体介质的检测，另一方面要保证启炉和停炉严格按有机热载体炉操作规程，如司炉工启炉时必须对有机热载体进行脱水操作后方可升温等。

4）指标层各评价指标的风险评估如下：人子系统中人员的技术素质风险度最大，为2.423，介于中度风险和高度风险之间，其次风险度较高的是人员的敬业精神，为2.402，而司炉工资质和心理素质的风险为低度风险。这表明人员爱岗敬业和操作有机热载体炉的实际经验有待加强提高，特别是对有机热载体炉操作实践经验的考虑要加强；只有技术素质过硬且敬业精神极强，才可以防范风险；机的底层评价指标中系统密封情况的风险最大，由于有机热载体介质具有易燃、易渗透的特性，一旦泄漏极易引发火灾，这就决定了系统密封的重要性；作业环境中的自动控制系统的人机界面风险最大，为中度风险，要采取适当措施进行改善，尽可能采用人性化的操作界面；在辅机系统环境中，循环泵匹配程度的风险为中度风险，但位于中度和高度风险之间，循环泵影响实际运行中受热面的有机热载体流速，而流速过慢极易形成层流而过热积炭，因此应密切关注运行循环泵的扬程和流量；有机热载体炉运行介质环境中的底层评价指标中的酸值、运动粘度和残炭值检测风险较大，为中度风险和高度风险之间。这是因为有机热载体炉运行中介质的高温过热、氧化和污染情况都与介质的这三项指标密切相关，可以通过其反映其变质及积炭情况；管理环境中的规章制度与人员管理风险最大，为低度和中度风险之间，表明应着重加强各项司炉工管理和制度工作的落实。

5 结论

1）在分析人子系统、机子系统和环境子系统的基础上，结合相关规范、专家法和有机热载体炉实际操作技术，融合专家法、熵度法和层次分析法，提出了有机热载体炉运行风险的人-机-环境系统评价模型，构建了开放式评价指标体系，并进行了模型的一致性检验。

2）将模型应用到某台有机热载体炉运行中，得到人机环境系统的综合评估结果是介于低度和中度风险之间，应对整个系统进行监测。

3）人、机、环境各子系统的风险也是位于低度和中度风险之间，由大到小顺序为人子系统风险，环境子系统和机子系统，表明有机热载体炉运行中人和环境管理的影响因素很大。而人机环境系统的各指标层风险各不一样：人主要是人员操作有机热载体炉的技术素质和敬业精神，机偏重于考虑法兰、阀门等系统的密封情况，环境方面重点是做好有机热载体介质检测、锅炉房系统布置和自动化控制界面的人性化设计。

此次对有机热载体炉人机环境系统的评估与一般的有机热载体定期检验相比，它可以根据有机热载体炉制造水平、检验水平的提高通过专家评分的方法把风险由机向人和环境这两个子系统转移，同时对人机环境及其指标层风险值进行定量化，使得一线检验人员、司炉工关注到在当前制造检验水平下哪些指标层的风险值较大。但这毕竟只是初探，尽管经过了矩阵一致性检验仍不能排除样本的主观性以及考虑指标层的不完善性，这都有待以后的研究逐步完善。