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    基于层次分析法的危险化学品仓库选址风险评估研究

      信息来源:   发布时间:2021-08-27  点击数:

    “十三五”期间,以化工新材料为代表的新兴化工行业快速发展,2019年化工新材料产量约2 464万t,较2015年提高了46%[1]。据预计,接下来5年中全球石化行业将新增产能1.18亿t,其中60%在中国[2]。在化工行业持续快速发展的同时,对配套的危险化学品仓储物流服务需求量也不断增大。危险化学品仓库作为化工仓储物流链中不可或缺的一部分,在整个产业服务中起着重要的作用。

    随着近年来对危险化学品相关行业的安全监管日趋严格,危险化学品仓库的布局、选址、安全等问题已受到监管部门以及社会公众越来越多的关注。防范危险化学品仓库带来的风险,其选址布局尤其关键,合理选址可降低事故对周边居民区、公共设施、企业等人员密集场所的不良影响,既有利于保证危险化学品仓储环境的安全,也有利于事故发生后应急救援工作的开展。若缺乏合理规划布局,一旦发生事故可对周边造成巨大影响,如2015年8月天津港危险品仓库特大事故共造成165人遇难、8人失踪、798人受伤,并对周边设施导致了灾难性的后果[3]。因此,无论是新建仓库选址,还是政府部门对现有危险化学品仓库布局进行调整,对其选址布局进行风险评估是十分必要的。

    美国匹兹堡大学T.L.Saaty在20世纪70年代中期提出层次分析法,该方法是一种半定量法,其基本思想是把一个复杂的问题分解为各个组成因素,并将这些因素按支配关系分组,通过两两比较的方式确定层次中诸因素的相对重要性,然后综合各人的判断以确定诸因素相对重要性的总排序[4]。经文献检索,未发现同类方法在危险化学品仓库选址中的应用,因此本文拟应用层次分析法,确定危险化学品仓库选址各风险要素的权重,然后通过对要素赋值进行风险程度评估,以期为化学品仓库的风险评价提供另一种思路。

    1 对象与方法

    1.1 对象

    选取上海市三家有代表性的危险化学品仓储企业为研究对象。仓库A位于某化工区物流分区,库房面积约40 000 m2,距最近居民区700 m,存放毒性气体、易燃液体等,各种危险化学品最大存放量约28 000 t,构成危险化学品二级重大危险源。仓库A各类安全设施完整有效,为危险化学品安全生产标准化二级达标单位;安全管理文件体系完整,三年内未发生过事故。仓库B位于郊区某工业地块(非园区),库房面积约8 000 m2,距最近居民区574 m,存放易燃固体、易燃液体、毒害品等,各种危险化学品最大存放量约4 700 t,构成危险化学品三级重大危险源。仓库B各类安全设施基本齐全,为危险化学品安全生产标准化三级达标单位,安全管理文件体系基本完整,三年内未发生过事故。仓库C不在工业区,库房面积约6 700 m2,距最近居民点(村)170 m,主要存放易燃液体,各种危险化学品最大存放量约4 500 t,构成危险化学品三级重大危险源。仓库C各类安全设施基本齐全,为危险化学品安全生产标准化三级达标单位,安全管理文件要素基本齐全但部分记录缺失,三年内未发生过事故。

    1.2 方法

    1.2.1 基于层次分析法的模型构建

    本文采用的风险评估主要步骤为:首先,根据《危险化学品安全管理条例》[5]等法规的要求,结合实际工作经验和文献查询结果[6,7,8]对影响危险化学品仓库选址安全的各种情况进行分析,包括企业内外部安全间距、周边敏感目标、库存危险化学品的固有危险性等,确定风险要素;然后,应用层次分析法确定各要素权重;最后,通过对各要素进行评判、赋值并汇总,得到对仓库选址的风险评估结果。

    上述过程中,层次分析法由以下基本步骤组成[9,10,11]:

    (1)建立递阶层次结构:将需要解决的问题所包含的因素划分层次,用框图说明层次的递阶结构与从属关系,包括目标层、指标层等。

    (2)构造判断矩阵:将需要确定权重的元素依次排列在矩阵行和列中,并对这些元素两两比较,确定相对重要程度,对重要程度按1~9分赋值。重要性赋值采用德尔菲法(Delphi法,即专家调查法)[12],从上海市应急管理部门及行业协会的专家库中邀请5名在危险化学品安全管理领域有较丰富经验的专家各自给出赋值意见。判断矩阵及其重要性程度的意义见公式(1)及表1。

     


    表1 判断矩阵重要性标度含义表     下载原表

    表1 判断矩阵重要性标度含义表

    (3)层次单排序(计算权向量)与一致性检验:计算判断矩阵A的最大特征根λmax和其对应的经归一化后的特征向量W,由此得到的特征向量W=[W1,W2,…,Wn]T即为对应评价要素的权重向量。

    采用方根法,按公式(2)~(4)进行计算,求得特征向量。

     


     


     


    以上各式中:n为矩阵阶数;aij为矩阵元素;Mi为矩阵每行乘积;Wi为特征向量。计算得到的特征向量Wi即为经归一化处理后的各要素的权重系数。

    为检验判断矩阵的一致性,需计算一致性指标CI,并与平均随机一致性指标RI比较,当比率CR≤0.10时,即认为判断矩阵具有满意的一致性。CI与CR的计算见公式(5)~(7)。

     


     


     


    以上各式中:λmax为矩阵A的最大特征根;(AW)i为向量AW的第i个元素;CI为一致性指标;RI为随机一致性指标,其取值见表2。

    (4)层次总排序与检验:若有多个层次,计算各层次所有因素对于最高层相对重要性的排序权值,由高到低逐层进行,然后再检验一致性。

    表2 随机一致性指标RI取值     下载原表

    表2 随机一致性指标RI取值

    1.2.2 各要素风险赋值

    确定各要素权重后,根据各要素的内容,对其风险程度进行评价并赋分。将各个要素的风险程度分为“高”“较高”“中等”“较低”“低”5个等级,在0~10之间平均分配分值,分值越高,表明风险越低。各要素的赋值标准同样按照最理想状况到最差状况,相应较为平均地、阶梯式地分为5个等次。评估时,根据实际情况,符合赋值标准的可取所在分值区间的中间值(1,3,5,7,9),不完全符合赋值标准描述的可在分值区间内上下适当调整。

    1.2.3 模型构建后的具体应用

    综合基于层次分析法的模型构建和各要素的风险赋值,进一步对三家目标仓库选址风险情况进行评估。风险评估总分值按公式(8)计算:

     


    式中,αi为第i个要素的权重系数,Ai为第i个要素的风险赋值,R为选址风险评估总分。

    2 结果

    2.1 专家一般情况

    5名专家包括男性3人,女性2人;年龄40~55岁;高级工程师4人,工程师1人;均从事和化学品安全相关的技术工作。

    2.2 风险要素辨识结果

    通过归纳法对仓库选址风险要素进行辨识。收集整理近年来上海市危险化学品仓储企业(包括仓储经营和自有储存设施的批发经营企业)在安全评价与许可审批等过程中存在的问题,发现存在较难解决的主要是企业内外部间距的问题,尤其是外部间距。另外,通过对历年事故的收集分析,可见危险化学品仓库所存放物质的性质及存量对事故后果有着直接的影响;而仓储企业安全设施的完好有效则可降低事故概率、控制事故后果、减少事故影响。企业良好的安全管理也对防范事故起着重要作用。综上,确定影响危险化学品仓库选址风险程度的要素见表3。

    构建危险化学品仓库选址风险评估体系如图1所示。其中,目标层为“仓库风险评估”,指标层为A1~A5所对应的各个评估要素。

    表3 危险化学品仓库选址风险要素     下载原表

    表3 危险化学品仓库选址风险要素
    图1 危险化学品仓库选址风险评估要素

    图1 危险化学品仓库选址风险评估要素   下载原图


    2.3 确定要素权重

    通过德尔菲法征询专家意见,根据专家评价的平均值得出各要素重要性标度,按照公式(1)构建判断矩阵为:

     


    计算判断矩阵A的最大特征根λmax和其对应的经归一化后的特征向量W。采用方根法,求得特征向量:W1=0.260,W2=0.373,W3=0.172,W4=0.120,W5=0.075。对以上结果进行一致性检验,计算得λmax=5.09,CI=0.023,查表得RI=1.12,计算得CR=0.02<0.1,通过一致性检验。

    综上,“所在地块性质”“周边敏感目标距离”“危险化学品种类与存量”“安全设施”“企业安全管理绩效”五个要素的权重系数分别为0.260、0.373、0.172、0.120、0.075。

    2.4 各风险要素赋值和汇总

    为各要素建立评价赋值原则见表4,对各要素赋值打分后加权汇总,得到一个量化的风险值,用以反映仓库选址的风险程度。

    表4 各风险要素评价赋值     下载原表

    表4 各风险要素评价赋值

    注:(1)“危险化学品种类与存量”中关于重大危险源的辨识以及分级按国家标准GB 18218—2018《危险化学品重大危险源辨识》[13]的相关要求执行;(2)按安全管理体系及文件记录的有效性、安全标准化达标建设情况、外部检查或处罚情况、是否发生过事故情况等进行评估。

    2.5 仓库选址风险评估结果

    仓库A:位于化工园区,符合规划,A1要素取10;距敏感目标700 m,A2取7;构成二级重大危险源,但涉及毒性气体,A3在1~3之间,酌情取2;安全设施完好,A4取9;安全管理良好,二级标准化达标,文件记录齐全,无事故和处罚记录,A5取9。

    仓库B:不在化工园区但属于工业地块,A1取5;距敏感目标略大于500 m,A2取6;构成三级重大危险源,涉及易燃固体,A3取5;安全设施基本齐全,A4酌情取8;安全管理较好,三级标准化达标,记录基本齐全略有瑕疵,A5取8。

    仓库C:非工业用地,A1取1;距敏感目标约170 m,A2取3;构成三级重大危险源,品种仅涉及易燃液体,A3在5~7之间,酌情取6;安全设施基本齐全,A4取8;三级标准化达标,安全管理文件部分记录缺失,有处罚记录,A5取5。

    仓库A~C综合评价分值为7.31、5.96和3.75,对应风险等级为“较低”“中等”和“较高”。见表5。

    表5 仓库选址风险评估     下载原表

    表5 仓库选址风险评估

    3 讨论

    本研究使用层次分析法确定了危险化学品仓库选址风险中各要素的权重。由结果可见,要素“周边敏感目标距离”权重系数最高。根据《危险化学品安全管理条例》[5]《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》[14]等相关规定,敏感目标主要包括居住区、商业区、学校、医院、交通设施、党政机关以及各种保护区域等,一般来说都是人口密集场所或重要目标,一旦受到火灾、爆炸、毒物泄漏等事故影响,后果比较严重,社会影响大。随着城市化进程的加快,许多原本位于城市郊区的危险化学品仓库正在逐渐被居民区、商业区或其他城镇公共设施包围,使其安全风险不断升高;而对于外部安全防护间距的问题,企业通常难以通过自身整改来解决。因此,该要素显示出相对较高的重要度。对于危险化学品仓库,现行的涉及外部间距(防火间距、安全防护间距)的标准主要有GB 50016—2014《建筑设计防火规范》、GB 18265—2019《危险化学品经营企业安全技术基本要求》、GB/T 37243—2019《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》、GB 36894—2018《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》等。其中,GB 50016对仓库的外部防火间距的最大要求是50 m(至重要公众建筑等)[15];GB18265要求爆炸物库房采用事故后果法确定防护间距且距离防护目标不小于1 000 m,对于有毒气体和易燃气体且构成重大危险源的库房则须按定量风险评价确定防护间距[16];GB/T 37243提供了事故后果法、定量风险评价等方法原则[17]。然而,在合规的前提下,距离敏感目标的距离不同仍然意味着不同的风险值,因此本研究提出“周边敏感目标距离”,将合规的仓库的风险进一步细分,同时也可覆盖不在GB/T 37243规定需要进行定量风险评价范围的仓库。

    要素“地块性质”主要考虑了是否位于工业园区内以及地块的性质。“地块性质”与“周边敏感目标距离”有类似之处,即仓库选址一旦确定后,除进行搬迁等布局调整外,企业难以通过自身努力对上述两个要素进行改变,因此在风险评估中具有较高的重要度。工业园区通常都有统一完整的规划,位于园区内的仓储企业发生事故后一般来说社会影响相对较小;非工业区或工业地块内的企业,则周边情况更为复杂,事故影响可能较大,会给应急救援带来各种不利因素。

    要素“危险化学品种类与存量”主要考量库存危险化学品的固有危险性,本次研究得到其权重系数0.172,重要度属中等。仓库所存放物质的性质及存量对事故后果有着直接的影响,如爆炸品、有毒气体等对周边造成的影响较大,腐蚀品等对周边影响相对较小;同时,储存量也从一定程度反映了风险的大小。本要素对风险的实际影响较大,但企业可以通过调整存放化学品的品种和储量来控制。

    要素“安全设施”主要考察企业安全设施的合规性,本次研究得到其权重系数0.120,重要度亦为中等。一般来说,安全设施的不足可以通过整改在一定程度上予以弥补。

    “企业安全管理绩效”在很大程度上决定了仓储的实际安全程度,可以通过考察企业的安全管理体系的有效性,如安全管理体系标准化达标情况,安全管理制度文件及相应的记录是否齐全,人员取证和设备检验情况是否及时有效,外部检查或处罚情况,以及是否发生过事故等,来综合判断其安全管理水平。但是该要素仅适用于评估已建成的仓储企业,对于尚未建造而在选址阶段进行评估的企业来说,本要素可不列入评估范围。

    危险化学品仓库选址布局对于其安全运营和应急救援具有重要意义。我们可以根据评估结果,优先调整风险较高的要素,比如对布局不合规的危险化学品仓库,采取“关、停、并、转”等措施以消除风险;对于中等风险的仓库,可采取调整存放危险化学品的品种、控制危险化学品的储存数量、加强安全防护措施等手段,降低实际风险。

    目前化工行业的主流定量风险评价工具软件,如DNV Safeti 7等,比较适用于工艺装置或储罐等[18];而仓库存放的危险化学品一般单个包装较小,仅对单个包装的危险化学品进行泄漏与风险计算,结果较难反映仓库的实际风险,而考虑单个化学品泄漏后可能引发的连锁反应又比较复杂。本文提供了一种相对简便的半定量方法,对仓库的选址进行风险评估,具有较好的可操作性,可供监管部门在进行仓储布局规划或布局调整时参考,有一定的实用价值。但应注意本方法采用专家评判意见决定权重标度,有一定主观性,且定性成分较多,需要使用者对危险化学品仓库风险具有较全面的了解。

    作者声明本文无实际或潜在的利益冲突

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