經(jīng)驗總結(jié)：石化裝置區(qū)水噴霧滅火系統(tǒng)可靠性研究
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作者：林曉磊
水噴霧滅火系統(tǒng)具有表面冷卻、窒息、乳化、稀釋、電絕緣的滅火機能，其中乳化對石化企業(yè)油類火災的撲救具有特殊的作用二此外，水噴霧滅火系統(tǒng)還具有冷卻生產(chǎn)裝置的火災防護機能，是石化企業(yè)生產(chǎn)裝置區(qū)廣泛應用的消防系統(tǒng)。《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》( GB50160 - 2008)要求石化裝置區(qū)固定水炮不能保護的范圍應設(shè)置水噴霧滅火系統(tǒng)。
目前消防系統(tǒng)可靠性的研究，主要包括消防系統(tǒng)功能過程可靠性以及設(shè)備設(shè)施布置可靠性，如孟川運用故障樹分析方法，研究地下建筑消防給水系統(tǒng)的可靠性，查找影響可靠性因素；張力運用故障樹分析方法，計算穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)消防水泵的可靠度，分析消防水泵不能正常啟動與出口流量異常的原因。采用障樹分析方法，可以查找系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)可靠性的分析精度。但是傳統(tǒng)故障樹基本事件可靠度取值單一，消防系統(tǒng)作為可修復系統(tǒng)，其部件可靠度用一定的區(qū)間值來表示時，傳統(tǒng)的計算方法存在局限性。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型選取部件可靠度維持在某一區(qū)間范圍內(nèi)，很好地解決了傳統(tǒng)故障樹可靠度取值單一的局限性。王
巖峰在民航維修人因安全分析研究中，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的特殊算法，克服了傳統(tǒng)方法中只能用單一可靠度值的局限性。李盼在鉆井井塌事故定量分析中，將故障樹轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，運用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)信念傳播算法推算井塌事故概率分布。
本文在運用故障樹分析方法分析石化裝置水噴霧滅火系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于故障樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，解決故障樹分析方法可靠度取值單一的局限性，定量計算系統(tǒng)的可靠度區(qū)間分布；并將系統(tǒng)可靠度分布計算方法，應用到防止該系統(tǒng)失效模式的事件重要度分析中。
1 石化裝置區(qū)水噴霧滅火系統(tǒng)可靠性研究模式
1.1 系統(tǒng)可靠性研究過程
1)確定石化裝置水噴霧滅火系統(tǒng)可靠性研究范圍。
2)建立系統(tǒng)失效故障樹，確定系統(tǒng)失效模式（最小割集）。
3)根據(jù)故障樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)映射的原則與步驟，建立系統(tǒng)失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。
4)根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)信念傳播算法，計算系統(tǒng)可靠度區(qū)間分布。
5)應用系統(tǒng)可靠度區(qū)間分布計算方法，結(jié)合4）中計算結(jié)果，分析防止系統(tǒng)失效模式（最小徑集）中事件的重要度。
6)根據(jù)事件重要度分析結(jié)果，提出合理化的建議措施。
1.1.1 系統(tǒng)可靠性范圍的確定
石化裝置區(qū)可靠的水噴霧滅火系統(tǒng)是指系統(tǒng)在未動作狀態(tài)時，穩(wěn)壓泵能夠維持消防管網(wǎng)中水壓在0.7~1. 2MPa范圍內(nèi)；系統(tǒng)在動作狀態(tài)時，主消防泵能夠成功啟動，同時雨淋閥組能夠通過火災探測與報警系統(tǒng)的自動控制、操作人員遠程手動控制、現(xiàn)場應急操作三種方式中的任何一種方式啟動，并且出水管路的水量與水壓達到設(shè)計要求。
1.1.2 系統(tǒng)故障樹的建立與分析
故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）法闡明了故障事件的內(nèi)在聯(lián)系，并且能夠定性分析系統(tǒng)各種固有、潛在的故障因素。根據(jù)石化裝置水噴霧滅火系統(tǒng)的組件構(gòu)成及運行特點，分析引起系統(tǒng)失效的故障因素，并確定故障事件之間的邏輯關(guān)系，建立石化裝置水噴霧滅火系統(tǒng)失效故障樹，確定系統(tǒng)失效模式即故障樹最小割集。
1.1.3 基于故障樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立
貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個有向無環(huán)圖( Direc - ted A'cyclic Graph，DAG)，它由代表變量的節(jié)點及連接這些節(jié)點的有向邊（即影響概率）構(gòu)成。故障樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)映射需要遵循兩個原則：故障樹中的事件要與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點依次對應；故障樹中邏輯門關(guān)系反映貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的條件概率。故障樹轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的主要步驟。
1)故障樹的每一個基本事件轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的父節(jié)點，如果故障樹的基本事件多次出現(xiàn)，則貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中只用一個節(jié)點表示。
2)故障樹的每一個邏輯門轉(zhuǎn)化為葉斯網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，轉(zhuǎn)化的節(jié)點狀態(tài)值要與故障樹邏輯門的輸出事件相對應。
3)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點之間要用有弧線連接，并用箭頭表示其因果關(guān)系。
4)故障樹基本事件的概率值賦給貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點，作為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點的先驗概率。
5)有向弧連接的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點，需要用條件概率表述出其依賴關(guān)系的因果 程度。
根據(jù)上述原則與步驟，建立石化裝置水噴霧滅火系統(tǒng)失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。
1.1.4 系統(tǒng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析
1)可靠度區(qū)間分布的計算
假定E為觀測參數(shù)，X為未知參數(shù)，對于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)而言，E為X的子節(jié)點，則通過E估計X的概率分布為：
BeI(X) =P(X l E) =P(X I E-X,E+x) =αP(E-x )P(X l Ex+) (1)
式中：E=E-xuEx+，α=[P（E-x IEx+）]-1為歸一化因子；E-x反映的是以X為根節(jié)點的子樹，Ex+反映的是樹的其余部分。令�(X) =P（E-x IX）表示對診斷的支持，∏ (X)=P(XI Ex+)表示對預報的支持，則有Bel(X) =αn(x)�（x）。
在實際推理過程中，根據(jù)系統(tǒng)觀測參數(shù)E確定�(X)和α的值時，如果僅憑以往經(jīng)驗和分析得到的概率分布作為基本事件的估計參數(shù)，即僅獲得網(wǎng)絡(luò)中根節(jié)點的先驗概率分布，則網(wǎng)絡(luò)中的信念分布只是先驗概率分布，那么可將式中�（X）近似為(1，1)，歸一化因子α亦可近似為(1，1)，由此貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中通過子節(jié)點E估計X的概率分布可簡化為BeI(X) =n（x）=P(XI E+x)。如果各個初始節(jié)點的概率分布已知，則運用簡式可以推算出下一層（父）節(jié)點的概率分布，依此類推，逐步計算出最高層節(jié)點的概率分布。
由石化裝置水噴霧滅火系統(tǒng)失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點的區(qū)間概率，以及節(jié)點間的條件概率，可計算得系統(tǒng)失效概率區(qū)間（P（T）），則系統(tǒng)可靠度區(qū)間（Rs）可以表示為：Rs =(1，1)- P(T).
2)可靠度區(qū)間分布的應用
任意選取某一防止系統(tǒng)失效模式（最小徑集），根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)信念傳播算法，分別計算模式中基本事件獨自發(fā)生，即對應的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點值為(0，0)時，系統(tǒng)的可靠度區(qū)間，分析其對系統(tǒng)可靠度的影響。
1.2 系統(tǒng)可靠性研究結(jié)果與討論
根據(jù)石化裝置水噴霧滅火系統(tǒng)失效模式，可以確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。另外，運用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)信念傳播算法，可以定量計算系統(tǒng)的可靠度區(qū)間分布。當系統(tǒng)失效模式中基本事件繁多時，可由事件重要度的分析結(jié)果，采取針對性的管理維護措施。
2案例應用
選取天津某石化乙烯裝置水噴霧滅火系統(tǒng)為研究對象，該系統(tǒng)由消防水池、消防泵、環(huán)狀供水管道、雨淋閥組和水霧噴頭等組成。其中雨淋閥組能夠?qū)崿F(xiàn)火災探測與報警系統(tǒng)的自動控制以及操作人員遠程手動控制、現(xiàn)場應急操作啟動，消防泵共包括2臺穩(wěn)壓泵（1在用．1備用）、4臺主消防泵（2在用，2備用），水霧噴頭采用開式噴頭。
2.1 乙烯裝置水噴霧滅火系統(tǒng)失效故障樹的建立與分析
乙烯裝置水噴霧滅火系統(tǒng)失效主要表現(xiàn)為水泵失效、管網(wǎng)故障、雨淋閥組失效，建立系統(tǒng)失效故障樹如圖1所示。
乙烯裝置水噴霧滅火系統(tǒng)失效故障樹事件與事件編號如表1所示。
2.2 乙烯裝置水噴霧滅火系統(tǒng)失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立與分析
2.2.1 系統(tǒng)失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立
根據(jù)故障樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)映射的原則與步驟，建立系統(tǒng)失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。
設(shè)事件X=l表示事件發(fā)生，事件X=O表示事件不發(fā)生。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點的條件概率：
P( M4 =1|X 1X2 =1) =1
P(M5=1| X 3X4 =1) =1
P（M1=1|（M4-1）（Ms -1）=0）=1
P(M9=1|xl2-X13=1)=1
P(M8 =1| (M9 -1)(X11-1) =0) =1
P(M7 =1| (M8 -1)(X10 -1)=0)=1
P(M6 =1| (M7-1) (X9 -1) =0) =1
P((M3=1| (M6 -1)(X7-1)(X8 -1)=0)=1
P(M2 =1| (X5 -1)(X6 -1) =0) =1
2.2.2 系統(tǒng)失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析
1)可靠度區(qū)間分布的計算
系統(tǒng)失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點的平均失效率，如表2所示。平均失效率以每年365d，每天24h計算。本文數(shù)據(jù)主要來源于該企業(yè)乙烯裝置區(qū)消防設(shè)施維保記錄，以及系統(tǒng)設(shè)備出廠說明。
根據(jù)表2中根節(jié)點X1、X2的平均失效率(�×10 -4)，以及對應或門轉(zhuǎn)換的中間節(jié)點M4的條件概率，計算節(jié)點M4的概率(� xl0-4)分布：
通過歸一化處理，即可得到
BeL(M4)=αA(M4 =1)∏(M4 =1)=(0. 0005278 ,0. 0008347)
同理，由于X12、X13通過與門與M9相連，可求得
∏(M9=1)=∑P(M9|X12,X13)
∏M9( X12)∏M9( X13)=(o.0009408 ,0. 0014822)
Bel(M9)=αA(M9=1)∏(M9=1)=(0. 0009408 ,0. 0014822)
根據(jù)表2中根節(jié)點的失效概率區(qū)間值，以及節(jié)點之間的條件概率，運用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)信念傳播算法，逐步計算中間節(jié)點的概率區(qū)間，計算結(jié)果如表3所示。
根據(jù)表3計算結(jié)果，可以得到乙烯裝置區(qū)水噴霧滅火系統(tǒng)可靠度區(qū)間分布：
Rs=l- P(T)=(1,1)- (9.7234×10-4,13. 2939×10-4)=(0. 9987,0. 9990)
2)系統(tǒng)失效模式事件重要度分析
假設(shè)事件X'表示事件X的對立事件。選取某一防止系統(tǒng)失效模式{ X1'．X'3，X'5，X'6，X'7，X'8，X'9}，如果事件X'發(fā)生，則
將以上計算過程與結(jié)果帶人式(1)中的系統(tǒng)區(qū)間運算，可求得事件X1'發(fā)生時系統(tǒng)的可靠度區(qū)間。同理依次求得事件X'3，X'5，X'6，X'7，X'8，X'9分別發(fā)生時，系統(tǒng)的可靠度區(qū)間，結(jié)果如表4所示。
從表4可以看出，該防止乙烯裝置水噴霧滅火系統(tǒng)失效模式中，基本事件X'1，X'3， X'9發(fā)生時，系統(tǒng)的可靠度分布基本不變，并且約等同于系統(tǒng)原有可靠度區(qū)間分布；基本事件X'7，X'8發(fā)生時，可相對顯著提高系統(tǒng)的可靠度。
2.3 乙烯裝置水噴霧滅火系統(tǒng)可靠性研究結(jié)果與討論
該企業(yè)乙烯裝置水噴霧滅火系統(tǒng)失效主要表現(xiàn)在水泵失效、管網(wǎng)故障、雨淋閥組失效，系統(tǒng)的可靠度區(qū)間為(0. 9987，0.9990)二從防止系統(tǒng)失效模式的組成可以看出，需要在多個環(huán)節(jié)上采取防范措施，缺乏針對性。從事件重要度分析看出，基本事件X'7（雨淋閥正常）、X'8（信號蝶閥正常）重要度較大，對系統(tǒng)可靠度影響較大，事件X'7，X'8狀態(tài)對應雨
淋閥組的可靠性，建議企業(yè)著重加強雨淋閥組的維護管理。
3 結(jié)論
本文采用基于故障樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，對石化裝置水噴霧滅火系統(tǒng)的可靠性進行了定性與定量研究。在采用故障樹分析方法．對石化裝置水噴霧滅火系統(tǒng)事故模式研究的基礎(chǔ)上，應用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)信念傳播算法，計算系統(tǒng)的可靠度區(qū)間，解決了故障樹分析中可靠度取值的單一性。最后應用該計算方法分析了防止該系統(tǒng)失效模式中事件的重要度，對事件相對系統(tǒng)可靠度的影響程度進行了評估，使維護管理措施更加具有針對性。
4摘要：
針對石化裝置區(qū)水噴霧滅火系統(tǒng)可靠性研究中，故障樹分析方法可靠度取值單一的局限性，構(gòu)建基于故障樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，定量計算系統(tǒng)的可靠度分布，蘭確定系統(tǒng)失效模式，以及防止系統(tǒng)失效模式的事件重要度。應用到某乙烯置水噴霧滅火系統(tǒng)，得到系統(tǒng)可靠度區(qū)間( 0. 9987，0.9990)；當某一防止系統(tǒng)失效模式中事件X．’（雨淋閥正常X8’（信號蝶閥正常）獨自發(fā)生時，系統(tǒng)可靠度提高到( 0. 9991，0.9993)、（0,9990.0.9992．建議企業(yè)加強雨淋閥組的維護管理。
