过程强化是开发本质安全化工过程和工厂的一个重要策略。通过减少有害物质的存量或过程中的能量,有害物质或能量失控引起的可能后果就会减少。工厂的安全是基于减少可能损害的大小,而不是依赖于附加的安全方法,如联动装置、规程和事故后果减缓系统。虽然安全装置可以设计得高度可靠,但是没有安全装置是完美的,都存在一个有限的故障概率。如果化工厂包含大量的有害物质或能量,附加的安全装置发生故障引起的后果可能是巨大的。体积小的装置或工厂更安全,因为体积小会减少引起损害的内在能力,而不是通过附加的安全装置来控制引起损害的内在能力。
化工过程的安全有赖于多个保护层来保护人、环境和财产免于过程相关的危害。过程设计人员认为,设备会发生故障,操作人会犯错误。虽然可以设计出更可靠的设备,训练并激发人减少错误,但是无法完全消除这些设备和人为错误。因此,提供多个保护层在深度上进行防护,减小风险是非常重要的。即便如此,总还是会有所有保护层同时失效的时候,尽管这种概率很小,但这时往往就会发生事故。同时,保护层的效果取决于当前设备的维护,人员的培训和绩效以及管理系统。如果这些系统性能变差,保护层的可靠性就会降低,风险将会增加。美国化工过程安全中心(CCPS)曾出版了一本书,详细描述了保护层概念,并将其拓展成为定量风险管理技术,即保护层分析(LOPA)。
如果可能事故的规模很大,人们面对可能发生的残留的风险可能永远不会感到舒服,即使这种风险非常小而且具备维护保护系统良好有效运行的管理系统。通过减少可能事故的规模,本质安全设计认为设备、人和管理系统出现故障是必然的,基于减少过程的内在的危害来考虑过程的安全性。本质安全设计减少了过程所需的保护层,如果事故可能的后果严重性可以尽量地减少,则它可以完全地消除保护层。
①本质的策略:本质的消除或减少危害,采用危害较小或无危害的材料。
②被动的策略:被动的控制危害或使危害最小化,采用减少事故频率或后果的设计特征,而没有任何安全装置的积极作用。
③主动的策略:主动地控制或缓和事故,采用控制、安全联锁或紧急停车系统来监测危害状况,采取适当动作使得工厂处于安全状态。
④程序的策略:程序的使用操作规程、行政检查、紧急响应以及其他管理系统来防止事故,为操作人员及时监测事故使装置处于安全状态,减少事故带来的损失。
1)更小更安全原则
减小化工过程设备的尺寸可以从两个方面提高安全性。如果设备较小,当设备泄漏或破裂时释放出的有害物质的数量显然更少。此外,如果设备较小,设备中包含的势能也较小。势能有多种形式,比如高温、高压或来自反应性化学品混合物的反应热。如果这种势能以不可控制的方式释放,诸如火灾、爆炸或设备内物质的泄漏等事故将会发生。
显然,如果设备可以变得很小,物质或能量的不可释放所造成的可能的损失将会减小。设备较小还会带来另外一个好处——通过设备减弱或控制事故后果将会更可行。例如,将一个小的反应器完全套封在一个防爆结构中是可行的。但对一个大反应器来说,这样做可能就不行了,因为防爆结构将会非常大。封装也要足够结实,因为其将要承受来自于较大反应器的可能的更大爆炸。
2)传统的库存最小化方法
对化工厂而言,在过程技术没有根本改变的情况下,可以有很多方法来实现有害物质库存量的最小化。1984 年印度Bhopal事故释放的异氰酸甲酯,造成了约2 000 人死亡和数万人受伤的事故,这是迄今为止化学工业历史上最为严重的事故。在Bhopal事故后,许多化学品公司都重新审视其装置运转情况,以找到减小有害易燃物料库存量的方法。通过这种努力,许多可以明显减少库存量的方法见诸报道,并且相对较快地实现库存减少。显然,在短时间内这些公司并没有采用新技术重建工厂或在现有工厂基础上对过程设备作出更本质的改变。那么,世界范围内的工厂是如何减少有害物质的库存量的呢?他们仔细评估了现有的设备和操作,找到了一些操作上的变化,使得现有工厂可以在更少的有害物料库存量的情况下操作。Bhopal的悲剧使得具有创造性的工程师将目光集中到如何减少有害物质库存量上,他们很快找到了在现有工厂和技术的条件下实现这一目标的方法。
虽然较小的过程可能无法完全消除某种危害,但其通常也有一个好处,即可以使有效的被动层更可行、更合算。这样,用来防止有毒气体逃逸的被动保护装置,如防护堤、防爆壳和安全壳将会更小。主动安全装置,如防爆膜、火炬和净化器的尺寸将会减小。较小的过程设备对其他常见的安全连锁动作反应也会更迅速。下面举例说明过程强化在其他安全方面带来的好处。
不稳定的物质,如爆炸物,有时候是在远程控制中生产,采用防爆壳或防爆仓进行保护。在这种情况下,如果发生爆炸过程设备可能会被严重损坏或摧毁,但是不会有人员受伤,环境和其他财产也会得到保护。这就是被动安全装置——防爆壳无须任何装置或人的动作即可发挥其功能。虽然对小型的装置来说,这种类型的防爆壳是可行的,但是对大型装置来说成本可能会非常昂贵。显然,较大的装置需要较大的安全防护结构。然而,密封壳也需更大的强度,因为大型容器可能爆炸的破坏作用会更大。