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      基于層次分析法的危險化學品倉庫選址風險評估研究

        信息來源:   發布時間:2021-08-27  點擊數:

      “十三五”期間,以化工新材料為代表的新興化工行業快速發展,2019年化工新材料產量約2 464萬t,較2015年提高了46%[1]。據預計,接下來5年中全球石化行業將新增產能1.18億t,其中60%在中國[2]。在化工行業持續快速發展的同時,對配套的危險化學品倉儲物流服務需求量也不斷增大。危險化學品倉庫作為化工倉儲物流鏈中不可或缺的一部分,在整個產業服務中起著重要的作用。

      隨著近年來對危險化學品相關行業的安全監管日趨嚴格,危險化學品倉庫的布局、選址、安全等問題已受到監管部門以及社會公眾越來越多的關注。防范危險化學品倉庫帶來的風險,其選址布局尤其關鍵,合理選址可降低事故對周邊居民區、公共設施、企業等人員密集場所的不良影響,既有利于保證危險化學品倉儲環境的安全,也有利于事故發生后應急救援工作的開展。若缺乏合理規劃布局,一旦發生事故可對周邊造成巨大影響,如2015年8月天津港危險品倉庫特大事故共造成165人遇難、8人失蹤、798人受傷,并對周邊設施導致了災難性的后果[3]。因此,無論是新建倉庫選址,還是政府部門對現有危險化學品倉庫布局進行調整,對其選址布局進行風險評估是十分必要的。

      美國匹茲堡大學T.L.Saaty在20世紀70年代中期提出層次分析法,該方法是一種半定量法,其基本思想是把一個復雜的問題分解為各個組成因素,并將這些因素按支配關系分組,通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的相對重要性,然后綜合各人的判斷以確定諸因素相對重要性的總排序[4]。經文獻檢索,未發現同類方法在危險化學品倉庫選址中的應用,因此本文擬應用層次分析法,確定危險化學品倉庫選址各風險要素的權重,然后通過對要素賦值進行風險程度評估,以期為化學品倉庫的風險評價提供另一種思路。

      1 對象與方法

      1.1 對象

      選取上海市三家有代表性的危險化學品倉儲企業為研究對象。倉庫A位于某化工區物流分區,庫房面積約40 000 m2,距最近居民區700 m,存放毒性氣體、易燃液體等,各種危險化學品最大存放量約28 000 t,構成危險化學品二級重大危險源。倉庫A各類安全設施完整有效,為危險化學品安全生產標準化二級達標單位;安全管理文件體系完整,三年內未發生過事故。倉庫B位于郊區某工業地塊(非園區),庫房面積約8 000 m2,距最近居民區574 m,存放易燃固體、易燃液體、毒害品等,各種危險化學品最大存放量約4 700 t,構成危險化學品三級重大危險源。倉庫B各類安全設施基本齊全,為危險化學品安全生產標準化三級達標單位,安全管理文件體系基本完整,三年內未發生過事故。倉庫C不在工業區,庫房面積約6 700 m2,距最近居民點(村)170 m,主要存放易燃液體,各種危險化學品最大存放量約4 500 t,構成危險化學品三級重大危險源。倉庫C各類安全設施基本齊全,為危險化學品安全生產標準化三級達標單位,安全管理文件要素基本齊全但部分記錄缺失,三年內未發生過事故。

      1.2 方法

      1.2.1 基于層次分析法的模型構建

      本文采用的風險評估主要步驟為:首先,根據《危險化學品安全管理條例》[5]等法規的要求,結合實際工作經驗和文獻查詢結果[6,7,8]對影響危險化學品倉庫選址安全的各種情況進行分析,包括企業內外部安全間距、周邊敏感目標、庫存危險化學品的固有危險性等,確定風險要素;然后,應用層次分析法確定各要素權重;最后,通過對各要素進行評判、賦值并匯總,得到對倉庫選址的風險評估結果。

      上述過程中,層次分析法由以下基本步驟組成[9,10,11]:

      (1)建立遞階層次結構:將需要解決的問題所包含的因素劃分層次,用框圖說明層次的遞階結構與從屬關系,包括目標層、指標層等。

      (2)構造判斷矩陣:將需要確定權重的元素依次排列在矩陣行和列中,并對這些元素兩兩比較,確定相對重要程度,對重要程度按1~9分賦值。重要性賦值采用德爾菲法(Delphi法,即專家調查法)[12],從上海市應急管理部門及行業協會的專家庫中邀請5名在危險化學品安全管理領域有較豐富經驗的專家各自給出賦值意見。判斷矩陣及其重要性程度的意義見公式(1)及表1。

       


      表1 判斷矩陣重要性標度含義表     下載原表

      表1 判斷矩陣重要性標度含義表

      (3)層次單排序(計算權向量)與一致性檢驗:計算判斷矩陣A的最大特征根λmax和其對應的經歸一化后的特征向量W,由此得到的特征向量W=[W1,W2,…,Wn]T即為對應評價要素的權重向量。

      采用方根法,按公式(2)~(4)進行計算,求得特征向量。

       


       


       


      以上各式中:n為矩陣階數;aij為矩陣元素;Mi為矩陣每行乘積;Wi為特征向量。計算得到的特征向量Wi即為經歸一化處理后的各要素的權重系數。

      為檢驗判斷矩陣的一致性,需計算一致性指標CI,并與平均隨機一致性指標RI比較,當比率CR≤0.10時,即認為判斷矩陣具有滿意的一致性。CI與CR的計算見公式(5)~(7)。

       


       


       


      以上各式中:λmax為矩陣A的最大特征根;(AW)i為向量AW的第i個元素;CI為一致性指標;RI為隨機一致性指標,其取值見表2。

      (4)層次總排序與檢驗:若有多個層次,計算各層次所有因素對于最高層相對重要性的排序權值,由高到低逐層進行,然后再檢驗一致性。

      表2 隨機一致性指標RI取值     下載原表

      表2 隨機一致性指標RI取值

      1.2.2 各要素風險賦值

      確定各要素權重后,根據各要素的內容,對其風險程度進行評價并賦分。將各個要素的風險程度分為“高”“較高”“中等”“較低”“低”5個等級,在0~10之間平均分配分值,分值越高,表明風險越低。各要素的賦值標準同樣按照最理想狀況到最差狀況,相應較為平均地、階梯式地分為5個等次。評估時,根據實際情況,符合賦值標準的可取所在分值區間的中間值(1,3,5,7,9),不完全符合賦值標準描述的可在分值區間內上下適當調整。

      1.2.3 模型構建后的具體應用

      綜合基于層次分析法的模型構建和各要素的風險賦值,進一步對三家目標倉庫選址風險情況進行評估。風險評估總分值按公式(8)計算:

       


      式中,αi為第i個要素的權重系數,Ai為第i個要素的風險賦值,R為選址風險評估總分。

      2 結果

      2.1 專家一般情況

      5名專家包括男性3人,女性2人;年齡40~55歲;高級工程師4人,工程師1人;均從事和化學品安全相關的技術工作。

      2.2 風險要素辨識結果

      通過歸納法對倉庫選址風險要素進行辨識。收集整理近年來上海市危險化學品倉儲企業(包括倉儲經營和自有儲存設施的批發經營企業)在安全評價與許可審批等過程中存在的問題,發現存在較難解決的主要是企業內外部間距的問題,尤其是外部間距。另外,通過對歷年事故的收集分析,可見危險化學品倉庫所存放物質的性質及存量對事故后果有著直接的影響;而倉儲企業安全設施的完好有效則可降低事故概率、控制事故后果、減少事故影響。企業良好的安全管理也對防范事故起著重要作用。綜上,確定影響危險化學品倉庫選址風險程度的要素見表3。

      構建危險化學品倉庫選址風險評估體系如圖1所示。其中,目標層為“倉庫風險評估”,指標層為A1~A5所對應的各個評估要素。

      表3 危險化學品倉庫選址風險要素     下載原表

      表3 危險化學品倉庫選址風險要素
      圖1 危險化學品倉庫選址風險評估要素

      圖1 危險化學品倉庫選址風險評估要素   下載原圖


      2.3 確定要素權重

      通過德爾菲法征詢專家意見,根據專家評價的平均值得出各要素重要性標度,按照公式(1)構建判斷矩陣為:

       


      計算判斷矩陣A的最大特征根λmax和其對應的經歸一化后的特征向量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。對以上結果進行一致性檢驗,計算得λmax=5.09,CI=0.023,查表得RI=1.12,計算得CR=0.02<0.1,通過一致性檢驗。

      綜上,“所在地塊性質”“周邊敏感目標距離”“危險化學品種類與存量”“安全設施”“企業安全管理績效”五個要素的權重系數分別為0.260、0.373、0.172、0.120、0.075。

      2.4 各風險要素賦值和匯總

      為各要素建立評價賦值原則見表4,對各要素賦值打分后加權匯總,得到一個量化的風險值,用以反映倉庫選址的風險程度。

      表4 各風險要素評價賦值     下載原表

      表4 各風險要素評價賦值

      注:(1)“危險化學品種類與存量”中關于重大危險源的辨識以及分級按國家標準GB 18218—2018《危險化學品重大危險源辨識》[13]的相關要求執行;(2)按安全管理體系及文件記錄的有效性、安全標準化達標建設情況、外部檢查或處罰情況、是否發生過事故情況等進行評估。

      2.5 倉庫選址風險評估結果

      倉庫A:位于化工園區,符合規劃,A1要素取10;距敏感目標700 m,A2取7;構成二級重大危險源,但涉及毒性氣體,A3在1~3之間,酌情取2;安全設施完好,A4取9;安全管理良好,二級標準化達標,文件記錄齊全,無事故和處罰記錄,A5取9。

      倉庫B:不在化工園區但屬于工業地塊,A1取5;距敏感目標略大于500 m,A2取6;構成三級重大危險源,涉及易燃固體,A3取5;安全設施基本齊全,A4酌情取8;安全管理較好,三級標準化達標,記錄基本齊全略有瑕疵,A5取8。

      倉庫C:非工業用地,A1取1;距敏感目標約170 m,A2取3;構成三級重大危險源,品種僅涉及易燃液體,A3在5~7之間,酌情取6;安全設施基本齊全,A4取8;三級標準化達標,安全管理文件部分記錄缺失,有處罰記錄,A5取5。

      倉庫A~C綜合評價分值為7.31、5.96和3.75,對應風險等級為“較低”“中等”和“較高”。見表5。

      表5 倉庫選址風險評估     下載原表

      表5 倉庫選址風險評估

      3 討論

      本研究使用層次分析法確定了危險化學品倉庫選址風險中各要素的權重。由結果可見,要素“周邊敏感目標距離”權重系數最高。根據《危險化學品安全管理條例》[5]《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》[14]等相關規定,敏感目標主要包括居住區、商業區、學校、醫院、交通設施、黨政機關以及各種保護區域等,一般來說都是人口密集場所或重要目標,一旦受到火災、爆炸、毒物泄漏等事故影響,后果比較嚴重,社會影響大。隨著城市化進程的加快,許多原本位于城市郊區的危險化學品倉庫正在逐漸被居民區、商業區或其他城鎮公共設施包圍,使其安全風險不斷升高;而對于外部安全防護間距的問題,企業通常難以通過自身整改來解決。因此,該要素顯示出相對較高的重要度。對于危險化學品倉庫,現行的涉及外部間距(防火間距、安全防護間距)的標準主要有GB 50016—2014《建筑設計防火規范》、GB 18265—2019《危險化學品經營企業安全技術基本要求》、GB/T 37243—2019《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》、GB 36894—2018《危險化學品生產裝置和儲存設施風險基準》等。其中,GB 50016對倉庫的外部防火間距的最大要求是50 m(至重要公眾建筑等)[15];GB18265要求爆炸物庫房采用事故后果法確定防護間距且距離防護目標不小于1 000 m,對于有毒氣體和易燃氣體且構成重大危險源的庫房則須按定量風險評價確定防護間距[16];GB/T 37243提供了事故后果法、定量風險評價等方法原則[17]。然而,在合規的前提下,距離敏感目標的距離不同仍然意味著不同的風險值,因此本研究提出“周邊敏感目標距離”,將合規的倉庫的風險進一步細分,同時也可覆蓋不在GB/T 37243規定需要進行定量風險評價范圍的倉庫。

      要素“地塊性質”主要考慮了是否位于工業園區內以及地塊的性質?!暗貕K性質”與“周邊敏感目標距離”有類似之處,即倉庫選址一旦確定后,除進行搬遷等布局調整外,企業難以通過自身努力對上述兩個要素進行改變,因此在風險評估中具有較高的重要度。工業園區通常都有統一完整的規劃,位于園區內的倉儲企業發生事故后一般來說社會影響相對較??;非工業區或工業地塊內的企業,則周邊情況更為復雜,事故影響可能較大,會給應急救援帶來各種不利因素。

      要素“危險化學品種類與存量”主要考量庫存危險化學品的固有危險性,本次研究得到其權重系數0.172,重要度屬中等。倉庫所存放物質的性質及存量對事故后果有著直接的影響,如爆炸品、有毒氣體等對周邊造成的影響較大,腐蝕品等對周邊影響相對較??;同時,儲存量也從一定程度反映了風險的大小。本要素對風險的實際影響較大,但企業可以通過調整存放化學品的品種和儲量來控制。

      要素“安全設施”主要考察企業安全設施的合規性,本次研究得到其權重系數0.120,重要度亦為中等。一般來說,安全設施的不足可以通過整改在一定程度上予以彌補。

      “企業安全管理績效”在很大程度上決定了倉儲的實際安全程度,可以通過考察企業的安全管理體系的有效性,如安全管理體系標準化達標情況,安全管理制度文件及相應的記錄是否齊全,人員取證和設備檢驗情況是否及時有效,外部檢查或處罰情況,以及是否發生過事故等,來綜合判斷其安全管理水平。但是該要素僅適用于評估已建成的倉儲企業,對于尚未建造而在選址階段進行評估的企業來說,本要素可不列入評估范圍。

      危險化學品倉庫選址布局對于其安全運營和應急救援具有重要意義。我們可以根據評估結果,優先調整風險較高的要素,比如對布局不合規的危險化學品倉庫,采取“關、停、并、轉”等措施以消除風險;對于中等風險的倉庫,可采取調整存放危險化學品的品種、控制危險化學品的儲存數量、加強安全防護措施等手段,降低實際風險。

      目前化工行業的主流定量風險評價工具軟件,如DNV Safeti 7等,比較適用于工藝裝置或儲罐等[18];而倉庫存放的危險化學品一般單個包裝較小,僅對單個包裝的危險化學品進行泄漏與風險計算,結果較難反映倉庫的實際風險,而考慮單個化學品泄漏后可能引發的連鎖反應又比較復雜。本文提供了一種相對簡便的半定量方法,對倉庫的選址進行風險評估,具有較好的可操作性,可供監管部門在進行倉儲布局規劃或布局調整時參考,有一定的實用價值。但應注意本方法采用專家評判意見決定權重標度,有一定主觀性,且定性成分較多,需要使用者對危險化學品倉庫風險具有較全面的了解。

      作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突

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