基于DEMATEL-SD 模型的油氣站場系統風險評價和動態分析

賈偉杰，張偉江，南婧怡，王丹丹，王婷婷，梁昌晶

1.中國石油華北油田分公司第四采油廠，河北廊坊 065000

2.中國石油華北油田分公司第五采油廠，河北辛集 052360

3.中國石油華北油田公司第一采油廠，河北任丘 062552

隨著我國經濟的發展，油氣管道的建設迎來了高峰期，預計至2025 年底，原油、成品油和天然氣管道的里程將分別達到3.7×104、4×104、16.3×104km[1]。油氣站場作為連接能源產地和下游用戶的中間環節，其安全性和重要性不言而喻。油氣站場因介質易燃易爆、整體布局緊湊、工藝流程復雜、所處環境高危等特點，具有較高的事故發生概率，一旦某些前導事件（即報警、未遂事件和事故的統稱）發生，其子系統的風險可能直接傳遞至其余子系統或設備，造成持續性的破壞[2]。2006年，國內某油氣田富加輸氣站發生天然氣爆炸事故，造成10人死亡、3人重傷，該事故是以管材焊縫裂紋為起始點，將風險逐級轉移至其他周邊區域和系統，進而形成重大事故。因此，對油氣站場的系統結構進行風險評價和動態分析，對于降低站場總體風險和防災減災具有重要意義。

目前，對于油氣站場的風險評價多以事故樹[3]、模糊綜合評價法[4]、綜合指數法[5]和模糊物元法[6]為主，但這些評價對象均為靜態環境，忽略了不同系統因素間的耦合作用，忽視了單一風險出現后與其余風險因子相互作用使風險增大的可能性。系統動力學（SD）是由Forrester 在1950 年左右提出的系統仿真方法，可同時表述和分析多個系統的控制變量和不安全行為，在突發事故處理中具有一定優勢[7-8]。油氣站場系統具有復雜性、多階性、反饋性和長期性的特點，與SD 的理念和建模方法類似。基于此，在分析油氣站場系統風險要素的基礎上，定義關鍵變量，建立SD 存量流量圖，通過決策試驗與評估實驗室（DEMATEL）模型構建SD 方程，并考察不同子系統安全投入對站場風險的影響。

1 油氣站場系統動力學模型

1.1 油氣站場系統風險要素分析

根據海因里希因果聯鎖論，事故產生的原因可總結為技術和經驗不足、態度不端正和工作環境不佳，后人又補充了管理和教育的內容，形成完整體系。因此可從人員系統、管理系統、環境系統和設備系統等方面構建與站場風險相關的要素信息[9]，同時可將油氣站場系統視為一個整體概念集合，從暴露度、脆弱度和適應力等三個方面來衡量站場的風險情況，油氣站場的風險結構見圖1。

暴露度是指系統在擾動狀態下的暴露程度，可理解為事故隱患程度，體現系統受外界影響的概率。該指標與周邊環境復雜性、設備設施可靠性和人員操作準確性等有關。油氣站場較沿線管道具有更強的獨立性，受山洪、滑坡、泥石流等自然災害和霧霾、酸雨等極端天氣的影響較大；同時，站場內三相分離器、吸收塔、再生塔、儲罐等設備也受環境的影響，容易引發元件銹蝕和老化，具有較高的暴露度。此外，國內多數站場還未實現一鍵啟停和完全自動化，還需依靠人工操作完成安全儀表系統的預警和啟動，此時人的安全心理水平、安全意識水平等均會影響暴露度的結果。

脆弱度反映系統受到擾動時的反應程度，體現為系統對事故傷亡情況和事故經濟損失的影響。油氣站場附近具有較高的人口密度，當發生較大事故時，受逃生路徑和應急方式的限制，將會對站場設備和周圍環境造成不可逆的破壞，同時危害人員及財產安全，增加站場的脆弱度。此外，豐富的經驗、完備的培訓和應急演練也可能降低站場脆弱度的結果。

適應力反映系統抵抗外界擾動的能力，體現系統對預警系統完備性、應急有效性和事故處理成本產生的影響。事故發生時，站場系統安全性呈熵增趨勢，需在短時間內完成停產及應急救援工作，此時如具有可靠的緊急關斷系統、完善的應急預案準備和充分的外部救援力量，可降低事故后果嚴重性，避免二次及高級多米諾事故發生，表現為較高的適應力。然而，考慮到我國管道沿線地區等級普遍從設計初期的三、四級地區升至一、二級地區，人員控制事故發展和走勢的能力較差，站場的風險敏感性也會大幅增加，適應力有所下降。

1.2 SD模型建立

利用上述分析，利用VENSIM PLE 軟件構建系統動力學模型，模型涉及水準變量、速率變量、輔助變量和常量。將暴露度、脆弱度和適應力向水準變量映射，暴露度水平、脆弱度水平和適應力水平向速率變量映射，人員系統、管理系統、環境系統和設備系統及其影響因素向輔助變量和常量映射。此外，將各系統的安全投入作為常量，便于后期對比安全投入對系統風險的影響，SD 存量流量見圖2。

圖2 SD存量流量

以環境系統為例，隨著站場服役時間的延長，周邊人口密度不斷增加，環境系統的承受能力逐漸降低，導致暴露度和脆弱度有所升高，適應力有所降低，站場系統的風險增加，再通過站場事故發生頻率影響事故傷亡情況和事故經濟損失，最后對安全規章制度和安全監督管理形成反饋機制。依次類推，構成多個閉式安全回路。

1.3 SD參數確定

對于常量和水準變量的初值，可以利用德菲爾法，采用1～9 標度法通過專家經驗確定，規則見表1。

表1 常量和水準變量初值打分規則

對于輔助變量之間的關系，采用DEMATEL 模型描述[10-11]，邀請專家建立兩兩因素的直接影響矩陣，隨后計算綜合影響矩陣及影響度、被影響度，最后在笛卡爾坐標系中繪制中心度-原因度分布，見圖3。其中，中心度表示影響因素的重要程度；原因度表示因素之間的影響程度，原因度為正則該因素為原因因素，原因度為負則該因素為結果因素。可見，安全監督管理和維護維修情況的中心度較大，中心度越大，表示這些因素對站場風險水平的影響越大，且從圖2中也可以看出，這兩個因素的流入、流出關系較多，形成的反饋也較多。原因因素中安全監督管理、人口密度、站場安全水平的重要程度較大，這些因素通過反饋直接或間接影響其他因素；結果因素中工藝設備、通信設備和消防設備的重要程度較大，這些因素容易受其他因素的影響。

圖3 中心度-原因度分布

對中心度值進行歸一化處理，確定子系統和影響因素的權重，根據權重建立對應的SD 方程，見表2。其中，INTEG（6.5，暴露度水平）表示積分運算，“6.5”為暴露度的初值，根據表1 規則由數位專家打分確定。

表2 油氣站場系統的SD方程

2 仿真結果分析

以某油田油氣站場為例，該站場年處理原油量10×104t，處理天然氣5×108m3，站場內設有油處理區、氣處理區、水處理區、裝卸區、儲罐區和放空區等。考慮到站場系統的整改通常以月為單位，故將分析時間步設置為1個月，進行為期24個月的仿真模擬，分析站場系統暴露度的變化趨勢，見圖4。隨著時間的推移，初始狀態下的站場暴露度先升高后保持平穩，這與設備劣化、管理系統提升、人員素質提高等因素相關，在10 個月后達到平衡狀態。增加安全投入后，環境系統對暴露度幾乎不造成影響，這與油氣站場建設的固化性和不可移動性有關，只有人口密度可以通過站內工藝簡化、地方政府協調等有所減少；管理系統和人員系統對暴露度的影響較大，同樣在初期降低較快，后期保持穩定；設備系統對暴露度的影響最大，且在24個月后暴露度仍呈下降趨勢。因此，增加設備系統中各節點設備的可靠性，定期對危險源和關鍵部位進行檢驗監測，尤其是工藝和消防設備，可保證油氣站場系統暴露度的有效下降。

圖4 站場系統暴露度曲線

同理，分析站場系統脆弱度和適應力的變化趨勢，見圖5、圖6。

圖5 站場系統脆弱度曲線

圖6 站場系統適應力曲線

隨著時間的推移，初始狀態下的站場脆弱度先呈線性增加后保持平穩，這是由于站場布局具有集中化和大型化的特點，一旦發生事故，極易引發多米諾事故，但事故影響范圍受邊界效應的控制，不會無限增加。增加安全投入后，環境系統和人員系統對脆弱度幾乎不造成影響；設備系統和管理系統對脆弱度的影響相似，前期管理系統的影響較大，在15 個月后設備系統的影響較大。因此，增強設備和管理系統的耦合作用，加強監督管理制度，可有效降低站場系統的脆弱度，降低事故后果嚴重性對站場的影響。

隨著時間的推移，初始狀態下的站場適應力呈線性增加，這是由于在已有安全資源的條件下，人員素質和安全水平均有所提高，應對突發事件的能力也有所提升。增加安全投入后，環境系統對適應力幾乎不造成影響；設備系統和管理系統對適應力的影響相似，均呈先快后慢的變化趨勢；人員系統對適應力的影響最大，在24 個月后仍呈小幅增加趨勢。因此，人員系統對于提高系統適應力具有重要作用，可定期組織員工培訓，提高安全意識水平，提高站場對事故后果的抵抗能力和從中快速恢復的能力。

3 結論

1）從系統動力學的角度剖析了影響站場系統的因素，利用德菲爾法和DEMATEL模型確定了SD相關方程，其中安全監督管理和維護維修情況的中心度較大，對站場風險水平的影響較大；安全監督管理、人口密度、站場安全水平的原因度較大，這些因素會影響其他因素；工藝設備、通信設備和消防設備的原因度較小，這些因素易受其他因素影響。

2）在無安全投入時，站場系統的暴露度、脆弱度和適應力均有所升高，站場風險增大；設備系統對于降低暴露度起到關鍵作用，設備和管理系統對于降低脆弱度起到關鍵作用，人員系統對于提升適應力起到關鍵作用。

3）今后可考慮將上、下游管道納入系統風險評價中，結合管網拓撲結構和經濟性分析，將站場風險維持在可接受的范圍內。