1.4　本质安全指数评价法

本质安全设计的研究主要集中在前期的流程设计中，但是绝对安全的过程是不存在的，所以，人们需要建立合适的评价方法和指标体系，能够实现对化工过程本质安全化程度的评估，把对安全、健康、环境的影响进行量化。目前，国内外有很多学者在从事该领域的研究工作，并取得了大量成果，其中比较有代表性的方法包括：PIIS、ISI、INSET、EHS、i-Safe、FBISI和I2SI等[2，16，17]。

PIIS评价法：Edwards等[18]在1993年提出了本质安全原型指标法PIIS（Prototype Index for Inherent Safety），是世界上第一个针对本质安全开发的指数型评价方法。该方法将本质安全指标分为两类：一类是化学物质指数，包括易燃性、爆炸性和毒性；另一类是工艺过程指数，包括存储量、温度、压力和产率等。其中，每一个指数可以分为10个子区间，每一个子区间可以在数值上进行评分，通过计算每条路线过程分和化学分之和得到该路线的总分值。在PIIS方法中，分值最高的路线被认为是最不安全的路线。PIIS法的目的是在概念设计阶段选择本质安全性较高的流程，对在过程设计早期获取本质安全信息是具有实际意义的。并且，该方法能在过程详细设计数据未知的情况下使用，其实用性是比较广泛的。该方法的缺点是没有综合考虑过程的环境、健康、安全危害，指标相对比较简单。

ISI评价法：本质安全指标法ISI（Inherent Safety Index）由Heikkilä等[19]在1996年提出。该方法在保持PIIS基本结构不变的基础上，扩大了指标选取范围。其中化学类本质安全指标包括主反应热、潜在的副反应热、易燃性、爆炸性、毒性、腐蚀性和化学品的相互作用。过程本质安全指标包括存储量、温度、压力、工艺设备安全和过程结构安全。总的本质安全指标是化学类和过程类指标之和。ISI的计算是基于最坏的情况，与PIIS一样，较低的指数值代表了相对本质安全的过程。ISI方法也是适用于概念设计阶段的指标型方法，相比于PIIS方法，ISI增加了反应危害和过程、结构危害的本质安全考虑，从而对过程的把握更加全面。其中，设备子指标是通过事故统计和布局数据进行确定的，过程结构安全是以系统工程的观点，结合以往设计案例数据，采用遗传算法进行确定的。该方法的缺点是指标权重和等级划分比较主观，所得结果之间具有差异性，并且不具有可比性。

INSET[20]工具箱：是由欧盟资助，针对本质安全化技术在欧洲的应用，推出的复合型（30余种）方法，是将安全、健康和环境三方面综合在一起的工具系统。INSET工具箱测量化工过程本质安全指数的工具依赖于它的一些性能指标，这些指标涉及一些相对简单的计算，能够快速评估很多过程。INSET工具箱推荐了一种多属性决策分析技术，用来评估各种过程选项的总体固有安全性。它可以作为一种固有的安全度量工具有两个原因。首先，它代表了一些公司和组织的共识；其次，它旨在一套工具箱内同时考虑安全、健康和环境因素，与CCPS（Center for Chemical Process Safety，美国化工过程安全中心）/CWRT（Center for Waste Reduction Technologies，美国废物减量技术中心）的建议一致。

EHS评价法：环境、健康、安全指标法EHS（Index Based Environment，Health and Safety）由Koller等[21]在2000年提出。主要是针对精细化工和间歇反应。该方法集成了安全、健康和环境三方面的评估，具有多种不同的算法，即使部分信息缺失，仍能实现部分计算功能。

i-Safe评价法：2002年，Palaniappan等[22，23]在PIIS和ISI的基础上，针对两者指标区间水平不明显的问题，开发了i-Safe指标方法。该方法进一步扩充了原来的指标范围，增加了5个补充指标，分别为危险化学指数（HCI）、危险反应指数（HRI）、总体化学指数（TCI）、糟糕化学指数（WCI）和糟糕反应指数（WRI）。在PIIS、ISI指标分数相近时，可以应用补充指标对其进行评价。

FBISI评价法：Gentile等[24，25]于2003年开发了基于模糊理论的本质安全指标法FBISI（Fuzzy Based Inherent Safety Index），该方法针对指标分析中得分的不灵敏性，运用模糊逻辑和概率理论，将指标分数的子区间设置为连续性，从而在一定程度上降低了指标分析中存在的主观性和不确定性。该方法的创新性主要体现在两个方面。首先，它将指标分析的区间边界模糊化了，从而更符合实际。其次，运用if-then规则能够系统地将定量数据与定性信息结合，使指标分析具有逻辑性。该方法的缺点为区间内函数形状和参数的选择不合理会导致结果的偏离，而且区间划分不合理会导致函数复杂化而不易分析。

I2SI评价法：集成的本质安全指标法I2SI（Integrated Inherent Safety Index）是由Khan等[26，27]于2004年提出的。该方法综合了两种主要危险性评价指数HI（Hazard Index）和ISPI（Inherent Safety Potential Index），前者用于计算考虑安全控制措施后的潜在风险破坏程度，后者考虑过程中的本质安全性原则的适用性。根据HI和ISPI的结果，利用如下公式I2SI=ISPI/HI得到I2SI值。ISPI和HI的数值范围均在1～200，该范围给了足够的灵活性来定量I2SI指数。显而易见，I2SI值大于1是本质安全应用的积极响应（本质上更安全的选择），I2SI值越大，本质安全影响越明显。I2SI集成了本质安全基本原理，将本质安全的应用程度转化成指标形式来评价过程的本质安全性，能够直观地显示本质安全原理的应用对过程的影响。同时，它还考虑了控制系统指标。该指标适用于过程的整个生命周期，有很好的通用性。

除上述方法外，道化学火灾爆炸指数评价法和蒙德法（Dow F & E Index and Mond Index）也可用于过程的本质安全性评价[28]。该方法是开发较早的用于评价过程安全性的定量方法，目前广泛应用于化工过程安全评价领域。该方法能较好地覆盖化工厂中已存在的风险和危害，但分析时需要过程的详细信息，如工厂平面布置图、工艺流程图、过程类型、操作条件、设备及损失保护等。在过程设计的早期阶段许多信息仍未知，因此，这两类方法只能粗略地应用于概念设计阶段的本质安全评价。

Gupta等[29]于2003年提出了一个基于PIIS的图像式本质安全化评价方法，该方法可用于区分同一终端产品的两个或多个过程。主要步骤包括：考虑影响安全性的每一个重要参数以及对于最终产品所考虑的所有工艺路线，这些参数可能的取值范围；计算每个流程路径中的每一步并进行比较；用一个总的本质安全设计指标隐含不同参数对过程的影响。该方法的主要优点是将经济、监管、污染控制、工人健康以及工作舒适度等方面全部考虑在内，而且会引导设计者和决策者考虑过程特定变化，从而减少过程的不安全性。

Shan等[30]于2003年在EHS方法的基础上，提出了一种分层评价方法。该方法揭示了安全性、健康性和环境性在不同层次的非理想程度。包括所涉及化学物质的性质（物质层面）；物质间可能的相互作用（反应层面）；在所涉及的各种设备中物质和操作条件相结合所产生的可能情况（装备层面）；按照法律法规，安全运行过程所需的安全性和终止技术（安全技术层面），该方法尤其适用于早期过程设计阶段。

Srinivasan等[31]于2008年提出了本质优良性指示法IBI（Inherent Benign-ness Indicator）。该方法应用主元分析法（PCA），分析影响危害的各种因素，从而揭示本质最良性的路径，克服指标型方法中主观划分范围、主观设置权重、影响覆盖面有限等不足。

Shariff等[32]于2012年提出了一种流程指标法PSI（Process Stream Index）。从爆炸的角度来评估过程初始设计阶段的本质安全水平。根据爆炸的可能性对流程进行优先排序，使设计工程师可以很容易地识别出需要改进的关键流程，从而避免或减少爆炸危险。

Gangadharan等[33]于2013年提出了一种适用于早期过程设计阶段的综合本质安全指标法CISI（Comprehensive Inherent Safety Index）。该方法根据化学、工艺和关联分将设备安全评分分配给流程中的各个单元。化学分考虑过程单元中每种物质的质量加权分和化学反应分；每个单元的化学混合物的反应分分别计算；由于高度相互关联单元的存在会增加危害，因此引入关联分的概念。该方法可以直观地显示每个单元所造成的危险，是一种可以更清楚地了解过程真实安全状况行之有效的方法。CISI的结果可以用于根本原因分析，从而找出最不安全的设备。

不同的安全指标评价方法，其适用阶段、评价范围、特点等是不同的。各本质安全指标评价方法的比较，如表1.5所示[2]。可见，现有的本质安全指标评价方法主要用于概念设计阶段的过程路径选择，为过程路径决策提供依据。主要涵盖物质、反应、过程、结构危害评价，基本均采用指标评分的方式。

根据表1.5的比较，本质安全指标评价方法向着全面性、综合性、精确性等方向发展，积累了优良的改进思路和经验，但距离实现本质的安全、健康和环境（Safety，Health and Environment， SHE）目标尚具有很大的改进空间。未来本质安全评价指标技术的趋势可能有以下几个方面：①综合的本质安全、健康、环境指标；②克服指标区间划分和权重设置的主观性；③强化指标分析的逻辑性；④本质安全指标与过程设计方法、工具的紧密集成。

表1.5　本质安全评价方法的比较　　

本质安全评价指标方法在过程本质安全设计中占有重要地位，是定量衡量过程设计本质安全水平的重要手段。因此，进一步研究并开发综合性强、适应性广、准确性高、实效性好的本质安全指标方法具有重要的理论意义和实际价值。