工业价值链生命周期本质安全的事前评估（ExALIS）方法开发与应用

《Process Safety and Environmental Protection》：Ex-ante Assessment of Life cycle Inherent Safety (ExALIS) of Industrial Value Chains

本研究针对工业价值链设计中安全性能早期评估的缺失，开发了名为ExALIS（生命周期本质安全事前评估）的创新方法论。通过将本质安全原则与生命周期分析相结合，该方法实现了对生物甲烷和氢能等清洁能源技术路径的全链条安全风险量化评估，揭示了传统单点评估可能忽略的系统性风险转移现象，为可持续工艺设计提供了前瞻性安全决策工具。

　　

随着工业系统复杂性的不断提升，如何在概念设计阶段前瞻性评估技术路径的安全性能，成为实现可持续工业发展的关键挑战。传统安全评估方法往往聚焦于单个工艺单元，难以捕捉现代价值链中跨单元、跨环节的风险传递和耦合效应。更值得关注的是，在追求环境可持续性的同时，某些看似清洁的技术方案可能隐藏着未被识别的安全风险，这种安全与可持续性之间的权衡需要系统化的评估工具。

针对这一方法论空白，博洛尼亚大学Federica Tamburini等研究人员在《Process Safety and Environmental Protection》发表了题为"Ex-ante Assessment of Life cycle Inherent Safety (ExALIS) of Industrial Value Chains"的研究论文，开发了一套全新的后果型本质安全评估框架。该研究创新性地将生命周期思维引入本质安全领域，建立了可量化、可扩展的评估体系，为早期设计阶段的安全决策提供了科学依据。

研究人员采用的多学科方法整合了流程系统工程、风险分析和生命周期评估等多个领域的技术手段。核心方法学构建包括八个严谨的步骤：从目标范围界定开始，依次完成系统单元分解、节点分类、泄放事件识别、后果距离计算、信用因子赋值、指标计算直至结果分析。特别值得关注的是，该方法建立了完整的设备分类体系（通用类G、储罐类T、管道类P）和泄放模式分类（RC1-RC5），并开发了相应的潜在指标（PI）和危险指标（HI）计算模型。

3.1. Step 1: Definition of the goal and scope of the analysis

研究首先明确了ExALIS方法作为决策支持工具的定位，其核心目标是支持化学产品和能源载体过程及价值链的初步本质安全评估。该方法特别强调在技术成熟度（TRL）较低阶段的适用性，突破了传统方法对详细设计数据的依赖。

3.2. Step 2: Definition of units

通过将系统分解为单元和节点的层级结构，建立了价值链的标准化表征方式。每个单元代表价值链中的特定步骤（如生产、储存、运输等），而节点则是分析的最小单元（具体设备）。这种结构化的分解方法确保了评估的全面性和一致性。

3.3. Step 3: Definition of nodes

研究建立了完善的设备分类体系，将节点分为四大类：通用过程节点、专用过程节点、运输节点和传输节点。基于库存和进料流对泄放严重性的相对影响，进一步将设备划分为G_T、G_P、T和P四类，为后续的后果分析奠定了基础。

3.4. Step 4: Identification of loss of containment events and release modes

基于MIMAH方法学，确定了三种主要的泄放事件（LOC）：灾难性破裂（LOC1）、大孔泄放（LOC2）和小孔泄放（LOC3）。针对不同设备类别，定义了相应的泄放等级（RC1-RC5），建立了从泄放事件到具体泄放模式的映射关系。

3.5. Step 5: Calculation of damage distances

采用事件树分析方法识别端点情景，并利用PHAST等专业软件计算各情景的伤害距离。研究设定了统一的人体、资产和环境伤害阈值，确保了评估结果的可比性。特别引入了最小5米的有效伤害距离准则，解决了近场模型的不确定性问题。

3.6. Step 6: Assignment of credit factors

基于设备故障频率数据库，建立了信用因子赋值体系。针对不同类型的设备（如管道、储罐等）和运行模式（连续、间歇），制定了相应的信用因子计算规则，体现了不同设备的固有风险特性。

3.7. Step 7: Calculation of indicators

建立了完整的指标计算体系，包括节点级、单元级和系统级指标。通过引入利用因子和分配因子，解决了多产品系统和部分利用率设备的指标计算问题。此外，还开发了针对特定危险类型（火灾、爆炸、毒性）的专项指标。

4. Case study

在陶瓷制造业清洁能源供应的案例中，研究人员对比了生物甲烷和氢能两条技术路径。生物甲烷路径包含沼气生产、脱硫升级、膜分离、管道输送和储存五个单元，而氢能路径则包括电解制氢、储存和最终使用三个单元。通过详细的流程设计和操作参数设定，确保了案例的真实性和代表性。

5. Results and Discussion

案例研究结果显示，生物甲烷价值链的SPIH（系统潜在指标）约为430,000 m²，显著高于氢能系统的320,000 m²，主要风险集中在储存单元（BioM-04）。然而，当考虑事故可能性时，氢能系统的SHIH（系统危险指标）达到25 m²/y，远高于生物甲烷的3 m²/y，风险主要来源于电解槽堆（H₂-01）。敏感性分析进一步表明，火球和蒸气云爆炸（VCE）情景的模型不确定性对结果影响最为显著。

研究表明，ExALIS方法能够有效识别价值链中的风险分布特征，避免传统评估可能导致的负担转移问题。例如，在生物甲烷路径中，虽然最终使用单元风险较低，但储存单元却成为主要风险源；而在氢能路径中，电解制氢过程的风险主导了整个系统的安全性能。这种系统视角的评估为技术选择提供了更全面的决策依据。

该研究的创新性在于将本质安全原则与生命周期思维有机结合，建立了定量化、系统化的评估框架。ExALIS方法不仅适用于传统化工过程，还可扩展至新能源、新材料等新兴技术领域，为绿色低碳转型过程中的安全风险管控提供了重要技术支撑。未来研究方向包括整合社会经济风险因素、多米诺效应分析以及与数字孪生技术的深度融合，进一步提升方法的实用性和前瞻性。