概念设计阶段安全性的自动化评估：基于指数方法的单元与工艺安全分析

《Process Safety and Environmental Protection》：Automated evaluation of safety at the conceptual stage: An index-based methodology for units and processes

本文针对传统安全分析在详细设计完成后进行、导致工艺修改成本高昂的问题，提出了一种在概念设计阶段应用的自动化安全指数方法。研究人员开发了Stream Safety Index (SSI)、Unit Safety Index (USI)和Process Flowsheet Safety Index (PFSI)三级指数，均采用连续函数并在0-10固定标度内评估安全性。该方法与Aspen Plus流程模拟器集成，实现了全自动化计算，对包含40条流股和15个单元的工艺流程评估时间小于40秒。研究以甲烷热解工艺的两个替代方案为案例，结果表明该方法能有效指导工程师实现本质更安全的设计，显著优于现有指标的计算效率，为早期工艺设计中的安全考量提供了可靠、快速的量化工具。

　　

在化学工业的宏伟蓝图中，工艺设计犹如一座建筑的基石，决定着整个生产系统的安全与效率。然而，传统的安全分析往往在详细设计完成后才姗姗来迟，此时工艺路线已基本定型，任何修改都意味着巨大的时间和经济成本。这种“事后诸葛亮”式的做法，使得许多本可以在源头避免的安全隐患，不得不依靠后期增加控制回路、防护层等“打补丁”的方式来弥补，但历史事故表明，这些附加措施并非万无一失。因此，将安全考量“前置”到工艺概念设计的萌芽阶段，引导工程师从一开始就选择本质更安全（Inherently Safer）的方案，成为学术界和工业界亟待突破的关键问题。本质安全的核心在于消除或减少危险源，而非仅仅控制它们，这通常能带来更简单、更经济的工厂设计。尽管近年来出现了众多安全指标（Safety Indices），但在应用于概念设计阶段时，仍面临信息有限、评估主观、计算繁琐、难以与流程模拟软件集成等挑战。正是在这样的背景下，一项发表于《Process Safety and Environmental Protection》的研究提出了一套创新的、全自动化的指数评估方法，旨在为概念设计阶段的安全决策提供一把快速、可靠的“标尺”。

为了克服现有指标的局限，本研究团队开发了一套三级指数评估体系，核心技术创新点包括利用前期开发的Stream Safety Index (SSI) 来计算Unit Safety Index (USI)和Process Flowsheet Safety Index (PFSI)；所有指数均基于连续函数而非分段函数，并统一在0-10的固定标度内（数值越高越安全）；采用流股（Streams）、单元（Units）、工艺（Process）三层分析结构，确保评估的全面性；代码与流程模拟器（Aspen Plus）及内置Excel数据库耦合，实现全自动化数据获取与计算。关键技术方法主要包括：基于MATLAB编程环境，实现与Aspen Plus流程模拟软件的无缝对接，自动获取流程的质量与能量平衡数据；利用内置的Excel数据库检索所需纯物质物性参数；构建了涵盖压力、温度、自然点、可燃性、毒性等八个子指数的流股安全指数(SSI)模型；在此基础上，通过算术平均结合针对单元特性（如反应性、热负荷、旋转部件）的惩罚因子，计算单元安全指数(USI)；最终通过对所有单元USI值的算术平均得到工艺总安全指数(PFSI)。该方法显著降低了计算时间，对一个包含约40条流股和15个单元的工艺配置，计算时间可缩短至20-60秒。研究以甲烷热解制氢和碳黑的两个不同工艺配置（Configuration 1和2）作为案例，验证了该方法的有效性。

Stream Safety Index (SSI) 的评估结果

SSI作为基础，首先对工艺流程中的每一条流股进行安全评估。案例研究显示，在Configuration 1中，反应器出口的气相流股（S-3）及其分流后的流股（S-5, S-6）表现出最低的安全指数（SSI ≈ 1.54），这主要是由于它们含有高温的可燃气体混合物（如H₂、CH₄）。与此相对，空气（S-8, S-12）和部分水蒸汽流股则显示出较高的安全性（SSI > 9.8）。SSI矩阵清晰地标识出了工艺流程中最敏感的区域，即反应器高温区、氢气压缩区以及过热蒸汽管线，为后续的单元评估奠定了基础。

Unit Safety Index (USI) 的评估结果

USI在SSI的基础上，进一步结合单元操作的特殊性进行评估。在Configuration 1中，分离器（SEP-1）因处理安全性最差的流股而获得了最低的USI值。然而，当引入惩罚因子（Factor F）考虑反应器的绝热温升（ΔT_ad）、能量比（Energy Ratio）、反应类型（如热解反应惩罚因子为0.11）以及大型旋转设备（如压缩机功率超过阈值则惩罚因子为0.25）等因素后，反应器（REACTOR）、 furnace（FURNACE）和涡轮机组（特别是压缩机COMP-2P1，其F因子达到最大值0.5）等关键设备的安全指数显著降低，更真实地反映了其潜在风险。在Configuration 2中，用于净化氢气的变压吸附（PSA）单元及其前置的压缩机（COMP-1）也显示出较低的安全指数，凸显了处理高纯度、高压氢气的风险。USI评估成功地突出了工艺流程中真正需要关注的核心危险单元。

Process Flowsheet Safety Index (PFSI) 的评估结果与对比

PFSI作为整体工艺安全的单一指标，是所有单元USI值的算术平均。对于案例中的甲烷热解工艺，Configuration 1的PFSI为4.72，而Configuration 2的PFSI为4.21。这表明，尽管Configuration 2的单元数量较少（符合简化原则），但其总体安全性能反而略差于Configuration 1。这主要源于Configuration 2中涉及高压氢气纯化（PSA）的单元风险较高。研究还将PFSI与三种现有指标（CISI, PRI, ISPRRI）进行了对比。虽然不同指标的评估逻辑和侧重点不同导致排序结果存在差异（例如，CISI和ISPRRI认为Configuration 2更安全），但PFSI与PRI均指出Configuration 1是更安全的选择。更重要的是，PFSI在计算效率上具有压倒性优势：自动化代码完成一个配置的计算仅需数十秒，而手动计算CISI和ISPRRI则需要数小时，且易出错。

本研究得出结论，所提出的基于SSI-USI-PFSI的三级自动化安全指数方法论，成功地为概念设计阶段提供了一套可靠、高效且易于理解的安全评估工具。其固定标度（0-10）使评估结果像经济指标（如NPV, ROI）一样直观，便于不同工艺方案的比较和排序。全自动化的实现极大地减轻了工程师的负担，使安全分析能够无缝集成到早期的流程设计与优化循环中。尽管该方法并非旨在取代HAZOP等详细的风险分析，但它能够在前端快速识别主要风险点，引导设计人员朝着本质更安全的方向改进工艺，从而在源头上降低潜在风险，节约后期改造成本。这项工作有力地推动了将安全因素提升为与技术和经济指标同等重要的工艺设计核心目标，对于促进化工过程的可持续发展具有重要意义。未来的研究方向包括开发生态安全指数、引入经济性分析、开展集群分析、适配动态模拟以及开发开源版本等，以进一步拓展该方法的适用性和影响力。