化工企業(yè)智能安全系統(tǒng)設(shè)計

劉志孝(勝利通海油田服務(wù)股份有限公司，山東 東營 257200)

0 引言

由于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴智能傳感器、無線通信、云計算、增強現(xiàn)實、機器人技術(shù)和其他智能系統(tǒng)等技術(shù)的出現(xiàn)，該行業(yè)正在迅速發(fā)展。近年來，技術(shù)研究開發(fā)了許多創(chuàng)新系統(tǒng)，旨在利用“智能”技術(shù)用于工業(yè)和職業(yè)安全管理。許多先進的智能系統(tǒng)已經(jīng)在商業(yè)上應(yīng)用，并以較低成本在安全性方面取得了重大改進。本文采用智能系統(tǒng)來改善對重大事故危害的控制。重大工業(yè)事故危害員工健康和企業(yè)資產(chǎn)，以及環(huán)境和社會安全。關(guān)注重大事故危害的控制，要求對風(fēng)險進行定性和定量評估。因此，每個經(jīng)營者都必須提供技術(shù)和組織措施，以預(yù)防重大事故的發(fā)生或減輕其后果。控制機構(gòu)除了評估運營商提供的風(fēng)險分析外，還負(fù)責(zé)定期訪問企業(yè)，驗證安全管理系統(tǒng)是否充分、正確實施，以及是否有改進安全的空間[1]。因此，重要的是要了解創(chuàng)新解決方案(包括智能系統(tǒng))是否為安全系統(tǒng)提供優(yōu)勢，以降低事故發(fā)生的可能性或減輕涉及危險材料事故相關(guān)的后果。

1 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)評估

智能技術(shù)，包括用于監(jiān)測和分析情況的傳感、驅(qū)動和控制功能、機器對機器傳輸、無線通信的能力，以及用于管理所有這些功能的軟件。事實上，軟件是將智能技術(shù)升級為智能系統(tǒng)、將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息并有望轉(zhuǎn)化為知識的關(guān)鍵點。軟件還實現(xiàn)了特定工業(yè)用途的功能。發(fā)明家、開發(fā)商和銷售商認(rèn)為，智能系統(tǒng)可以減少人為錯誤的可能性，警告危險情況，提高應(yīng)急活動的效率，為安全管理系統(tǒng)注入活力。但是，重大事故危險因素，需要謹(jǐn)慎對待；每個解決方案都必須在考慮其工作環(huán)境的條件下以定量的方式進行評估。本文客觀地評估在復(fù)雜環(huán)境中使用智能系統(tǒng)的影響，并更新定量風(fēng)險評估，改進驗證安全管理系統(tǒng)，降低重大事故發(fā)生的可能性并減輕其后果，通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和危險情況控制的工廠安全解決方案。在職業(yè)安全方面，本文關(guān)注那些與危險情況相關(guān)的智能系統(tǒng)，這些情況可能是重大事故危害的前兆。

為了評估采用智能系統(tǒng)以降低風(fēng)險或減輕不良事件后果的影響，已經(jīng)確定了一些基本標(biāo)準(zhǔn)，包括準(zhǔn)備就緒、適用性和可靠性。每個標(biāo)準(zhǔn)按從1 到4 的升序建立四個級別。

1.1 準(zhǔn)備就緒標(biāo)準(zhǔn)

準(zhǔn)備就緒標(biāo)準(zhǔn)是指歐盟委員會采用的技術(shù)就緒水平(TRL)，用于評估研究項目中開發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)的成熟度，涵蓋技術(shù)生產(chǎn)的所有階段，從概念想法到產(chǎn)品在操作環(huán)境中得到驗證[2]。表1 為準(zhǔn)備就緒的四個級別標(biāo)準(zhǔn)。前兩個級別分別對應(yīng)TRL8 和TRL9。例如，具有專利的智能系統(tǒng)處于第1 級，而在第2 級則有系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境中運行測試。最后一個級別對應(yīng)市場上已有的產(chǎn)品，作為仍處于測試模式(級別3)或包含在目錄中(級別4)的原型。

表1 準(zhǔn)備就緒標(biāo)準(zhǔn)級別

1.2 適用性標(biāo)準(zhǔn)

每個智能系統(tǒng)的固有屬性，即獨立于應(yīng)用環(huán)境，適用性標(biāo)準(zhǔn)涉及企業(yè)采用特定智能解決方案的能力以及驗證安全管理系統(tǒng)必須納入該創(chuàng)新的能力。盡管在大型化工廠，驗證安全管理系統(tǒng)是強制性的，但它們的特性因組織而異。因此確定了三個層次的驗證安全管理系統(tǒng)：僅基本程序、符合標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)過認(rèn)證的系統(tǒng)、可以實時響應(yīng)智能系統(tǒng)和獲取數(shù)據(jù)的驗證安全管理系統(tǒng)。最后一個層次意味著驗證安全管理系統(tǒng)的深度創(chuàng)新，從文檔系統(tǒng)轉(zhuǎn)向能夠管理信息和知識的動態(tài)系統(tǒng)。尚無“智能”驗證安全管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)定義，但先進行業(yè)出于某些目的(例如基于風(fēng)險的檢查或維護)采用的基于風(fēng)險分析的系統(tǒng)是“智能”系統(tǒng)的有效示例。

因此，如果驗證安全管理系統(tǒng)能夠區(qū)分收集大量數(shù)據(jù)并將其升級為信息，則驗證安全管理系統(tǒng)是“智能的”，這可以由先進的軟件計算技術(shù)輔助。因此，應(yīng)用于智能系統(tǒng)的適用性標(biāo)準(zhǔn)與其在驗證安全管理系統(tǒng)級別方面的就緒狀態(tài)相匹配是可用的。

1.3 可靠性標(biāo)準(zhǔn)

這個標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該滿足兩個問題：系統(tǒng)工作多長時間沒有故障；系統(tǒng)是否真的會提供所請求的服務(wù)。本文考慮的智能系統(tǒng)是提供服務(wù)識別、傳輸、接收和處理數(shù)據(jù)的電子組件或子系統(tǒng)，單個電子元件的故障當(dāng)然是可能的，更重要的是它們提供請求服務(wù)的能力。本文考慮的智能系統(tǒng)能夠檢測不同類型的偏差，包括物理缺陷、錯誤條件和不安全情況。可靠性標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，表明系統(tǒng)在一定數(shù)量的偏差變得危險之前檢測它們的能力。

表2 可靠性指數(shù)

2 應(yīng)用實例

針對工業(yè)安全特定目標(biāo)進行選擇，包括設(shè)備監(jiān)控、運營支持、工人保護[3]。

2.1 設(shè)備監(jiān)控

在流程工業(yè)中，監(jiān)控是一個成熟的概念，意味著對企業(yè)的全部資產(chǎn)和危險工作活動進行觀察、檢查和保持定期監(jiān)控。有線或無線系統(tǒng)已經(jīng)通過物理參數(shù)(包括壓力、溫度、流量和液位)不斷地用于過程控制。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該能夠監(jiān)測和檢查與現(xiàn)象惡化相關(guān)的物理數(shù)據(jù)，以防止損壞。

2.1.1 二維碼和射頻識別

二維碼和射頻識別是用于識別人或物體的無線技術(shù)。二維碼是一種簡單的被動標(biāo)簽，存儲容量有限；它需要一個閱讀器應(yīng)用程序，并且在內(nèi)容修改的情況下需要重新打??；射頻是一種有源標(biāo)簽，能夠存儲小數(shù)據(jù)和雙向通信。在指令中，被風(fēng)險評估確定為對重大事故事件至關(guān)重要的設(shè)備必須以可見和可識別的方式進行標(biāo)記。雖然智能識別系統(tǒng)在日常生活中很流行(例如：智能城市、旅游景點)，但在站點中并不是很流行。

2.1.2 侵蝕聲學(xué)測量

如今，在石油和天然氣設(shè)施中，侵蝕是一個日益嚴(yán)重的問題，主要是由于管道中原油(懸浮砂子、鹽度)和碳鋼的特性，節(jié)省成本但易受鹽水影響。非侵入式砂監(jiān)測技術(shù)使用聲學(xué)傳感器并監(jiān)測噪音影響，以檢測原油和天然氣中存在的噪音和顆粒數(shù)量，這些系統(tǒng)已經(jīng)在海上安裝和煉油廠中工作。由于顆粒材料的存在和湍流現(xiàn)象，其他流體也存在腐蝕問題。這些解決方案已經(jīng)成熟且能以可接受的成本獲得，還具有高可靠性。

2.1.3 超聲波監(jiān)測

厚度監(jiān)測變薄是許多腐蝕機制的主要結(jié)果之一。根據(jù)規(guī)定，必須定期檢查壓力設(shè)備(包括管道、反應(yīng)器和熱交換器) 的厚度，以防止安全殼失效并預(yù)測其剩余使用壽命?；诔暡?UT)方法的技術(shù)，用于監(jiān)測設(shè)備某些關(guān)鍵點的壁厚，主要由高頻超聲發(fā)射器 (一般為1～10 MHz)、定位裝置和無線通信系統(tǒng)組成。專用軟件分析信號并在遠程控制室顯示結(jié)果。先進的企業(yè)和煉油廠已經(jīng)采用基于無線監(jiān)控系統(tǒng)來檢查壁厚。這些系統(tǒng)的性能超過了傳統(tǒng)的細(xì)化監(jiān)測系統(tǒng)，例如探頭或基于過程變量的軟件系統(tǒng)。如果細(xì)化是準(zhǔn)時的，則傳感器的定位可能很關(guān)鍵。然而，監(jiān)控總是需要網(wǎng)絡(luò)中所有關(guān)鍵單元的一定數(shù)量的傳感器，因此冗余有助于提高解決方案的整體可靠性。設(shè)備監(jiān)控還允許有更多時間采取適當(dāng)?shù)拇胧?，從而降低破裂和重大故障的可能性。因此，監(jiān)測降低了腐蝕速率的不確定性。大量可用的測量數(shù)據(jù)可能有助于重新計算腐蝕速率并最終進行更可信的風(fēng)險評估?？傊?，這些解決方案的可靠性嚴(yán)格取決于安裝的充分性。

2.1.4 不對稱缺陷監(jiān)測

不對稱缺陷監(jiān)測是一種全球性的無損檢測方法，低頻超聲波彈性波的傳播(一般可達100 kHz)，其目的是通過測量聲阻抗的變化來監(jiān)測所研究設(shè)備橫截面的變化。這是一種主要用作篩選管道完整性狀態(tài)的方法。智能系統(tǒng)使用圍繞管子定位的一圈換能器，發(fā)射的波沿管子在環(huán)的兩個方向上發(fā)送。可以檢測管道或設(shè)備內(nèi)的缺陷，已用于定期檢查。該智能系統(tǒng)具有創(chuàng)新性，因為它們是無線的，所以可以安裝在難以到達的地方，并配備內(nèi)存和用于數(shù)據(jù)處理的特定軟件。其優(yōu)點是能夠監(jiān)測損壞的演變、計算腐蝕速率和確定設(shè)備的剩余使用壽命。這些類型的系統(tǒng)已經(jīng)商用。顯然，它們僅適用于軸對稱的物體，實際上適用于管道系統(tǒng)。

2.1.5 聲發(fā)射監(jiān)測

聲發(fā)射是指材料中應(yīng)力狀態(tài)突然重新分布所產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到外部刺激(壓力、負(fù)載或溫度的變化)時，局部源會以張力波的形式觸發(fā)能量釋放，這些能量會傳播到表面并被壓電傳感器陣列記錄下來。聲發(fā)射監(jiān)測是一種非破壞性方法，用于識別土木和工業(yè)工程中結(jié)構(gòu)和部件的缺陷(例如裂紋和微裂紋)已有數(shù)十年。該技術(shù)特別適用于構(gòu)建跨大型結(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)由數(shù)字信號處理器、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)傳輸端口、可重構(gòu)邏輯和特定軟件組成。將聲發(fā)射技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用仍然存在相當(dāng)大的問題需要解決，例如信號到達時間的同步和隨之而來的聲發(fā)射源定位、安裝地點傳感器的電源、模式信號傳輸。在實驗室進行的實驗測試顯示出令人鼓舞的結(jié)果，但還需要進一步的研究和試點測試。

2.1.6 旋轉(zhuǎn)機器聲學(xué)監(jiān)測

企業(yè)中有很多旋轉(zhuǎn)機器，例如：泵和壓縮機，它們是發(fā)生重大事故的關(guān)鍵設(shè)備。在煉油廠，定期(例如每月一次)手動控制泵的振動，但這可能不足以迅速檢測到任何關(guān)鍵問題。一些無線異常振動探測器已經(jīng)在商業(yè)上可用并在煉油廠中采用。聲學(xué)傳感器技術(shù)的另一個應(yīng)用是安全閥的超壓事件監(jiān)測。

2.2 運營支持

2.2.1 用于危險材料轉(zhuǎn)移的安全起重機

起重機是建筑活動中眾所周知的關(guān)鍵設(shè)備，橋式起重機和移動式起重機廣泛用于流程工業(yè)。起重機操作可能引發(fā)涉及危險材料的事故，一種基于增強視覺的智能系統(tǒng)，用于提前識別轉(zhuǎn)移操作過程中的潛在碰撞并避免它。可靠性涉及其提前監(jiān)測干擾的能力。初始調(diào)整對于排除混雜因素和提高該智能系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。

2.2.2 用于危險轉(zhuǎn)移的安全叉車

大量的事故、未遂事故或不安全情況涉及叉車操作。用于防止危險產(chǎn)品在擁擠區(qū)域移動期間發(fā)生碰撞，行人和叉車密切合作。一些商用叉車已經(jīng)配備了智能系統(tǒng)來防止可能發(fā)生的碰撞。

2.3 工人保護

在危險區(qū)域工作，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛用于提高個人防護設(shè)備的安全性。在某些工作活動中使用呼吸面罩和處理某些機械有關(guān)的問題?；局悄芗夹g(shù)(例如：信標(biāo)系統(tǒng)、藍牙低功耗)可用于檢查不安全的情況，包括呼吸面罩的錯誤使用，這通常會提高職業(yè)安全性，在處理危險材料的情況下，可能會防止嚴(yán)重事故的發(fā)生，可靠性較高。由于材料和設(shè)計，面罩非常舒適。應(yīng)用程序會警告工人在實際情況需要時佩戴口罩。警告來自可穿戴傳感器的輸入，可監(jiān)測健康和環(huán)境參數(shù)。根據(jù)相關(guān)工業(yè)場所測試情況，面罩具有良好的可靠性。

在化工廠中，由于維護活動或過程異常，工作區(qū)域可能偶爾會受到更高危害的影響，例如極端溫度、較高濃度的有毒或易燃?xì)怏w和較低濃度的氧氣，原因是維護和意外異常。即使在分類區(qū)域之外，也可能發(fā)生危險情況。物聯(lián)網(wǎng)使能技術(shù)的潛力，包括智能傳感和人機通信，具有推動更動態(tài)方法的巨大潛力?；谌齻€基本參與者合作的框架：運營商、移動應(yīng)用程序和安裝在周圍區(qū)域的環(huán)境智能傳感器。操作員配備了移動設(shè)備和人類智能傳感器，能夠收集有關(guān)生命體征和他/她在現(xiàn)場活動的信息。收集此信息的目的是通過藍牙低功耗協(xié)議連接到人類智能傳感器的移動設(shè)備。

3 結(jié)語

智能安全技術(shù)是未來發(fā)展的趨勢，具有廣闊的市場前景和發(fā)展空間，為化工企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營管理提供了更便捷、更智能的模式。在關(guān)鍵設(shè)備上使用此類“智能”系統(tǒng)，可以提高安全性，降低與危險材料丟失相關(guān)的事故的可能性或減輕后果。