A fuzzy Bayesian network approach for risk analysis in process industries

YesFault tree analysis is a widely used method of risk assessment in process industries. However, the classical fault tree approach has its own limitations such as the inability to deal with uncertain failure data and to consider statistical dependence among the failure events. In this paper, we propose a comprehensive framework for the risk assessment in process industries under the conditions of uncertainty and statistical dependency of events. The proposed approach makes the use of expert knowledge and fuzzy set theory for handling the uncertainty in the failure data and employs the Bayesian network modeling for capturing dependency among the events and for a robust probabilistic reasoning in the conditions of uncertainty. The effectiveness of the approach was demonstrated by performing risk assessment in an ethylene transportation line unit in an ethylene oxide (EO) production plant

Development of New Metrics and a Tool for Social Quantification of Sustainable Process Design

The concept of sustainable design has emerged as a new paradigm. Sustainability combines economic, environmental and social aspects of Process design. In our research all the available metrics, tools that are being used for social quantification with good definition, description and calculation methodology is reviewed. Then a new tool is proposed which considers both the inherent safety and occupational health quantification for sustainable process design. The method is tailored for the process research and development stage by including only such chemical properties and process operating conditions which are obtainable at early design stage. The approach is demonstrated for the two alternative processes of DME production and for the base case and optimized case Acrylonitrile production using simulation engine ASPEN PLUSTM . With the help of the developed standard index scale and the retrofitted SUSTAINABILITY EVALUATOR the best socially sustainable process design is assessed.Chemical Engineerin

DESIGN AND DEVELOPMENT OF A SMART ADVISORY SYSTEM FOR HAZARDOUS MATERIALS TRANSPORTATION RISK ANALYSIS VIA QUANTITATIVE APPROACHES

Safe transportation of hazardous materials is critical as it has a high potential of catastrophic accidents depending on the amount of transported product, its hazardous characteristics and the environmental conditions. Consequently, an efficient, smart and reliable intervention is essential to enhance prediction on the impacts of transportation hazards. Although various risk assessment techniques have been used in industry and regulatory bodies, they were developed for evaluating risk of hazardous materials for fixed installation cases instead of moving risk sources. This study applies the Transportation Risk Analysis (TRA), which is an extension of a well-known Quantitative Risk Analysis (QRA) technique in developing and design a Smart Advisory Systems (SAS), to determine the safest routes for transportation of hazardous materials according to Malaysia scenario

Social, Economic and Environmental Metrics for the Sustainable Optimization of Chemical and Petroleum Processes

This research is focused on adopting a systematic methodology for address sustainability concerns during early stages of engineering design. Traditionally, engineers designed processes to achieve beneficial operations and economic goals. However, given the need to balance the economic benefits of chemical engineering processes, safety, health and environmental impacts, the improved focus on sustainability of production processes has introduced more complex dimensions to consider. When it comes to addressing the three conflicting dimensions of sustainability, there is no well-defined methodology or tool for achieving this. A thorough review was completed to investigate the applications and limitations of existing economic, environmental, health and safety evaluation tools. Therefore, the methodology combines already established approaches, concepts and tools into a novel systematic technique that addresses sustainability concerns during early stages of chemical process design. A methodology that involves the use of the SUSTAINABILITY EVALUATOR and ASPEN PLUS was developed for evaluating processes for sustainability. The SUSTAINABILITY EVALUATOR is a novel impact assessment tool developed for this research. This tool applies selected metrics that address economic, environmental as well as health and safety concerns. The SUSTAINABILITY EVALUATOR is a Microsoft Excel based tool that uses mass and energy balance inputs from ASPEN PLUS to evaluate the sustainability of a process. This impact assessment tool equips the process designer with a framework to design industrial processes for sustainability. The objective is for processes designers to use the results generated from the tool to assess and improve the sustainability of a process. The proposed framework involved the use of ASPEN PLUS to simulate processes, calculate mass and energy balances, complete sensitivity analysis and lastly optimize processes An overall sustainability impact which has been incorporated into the SUSTAINABILITY EVALUATOR was developed to quantify sustainability issues in process design. The methodology was demonstrated on two case studies: the acrylonitrile process and the allyl chloride process. The application of the methodology on the two case studies resulted in a more economic, environmental and socially acceptable processes.School of Chemical Engineerin

A Study on the Efficient Framework and Methodology for Quantifying the Risk in the Process Industry

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 화학생물공학부, 2012. 8. 윤인섭.석유, 가스 및 화학 공정산업은 인류에게 편리성과 더불어 사고 발생시 근로자, 인접 주민 및 환경 등에 막대한 피해를 줄 수 있는 위험성을 동시에 부가하는 양면성을 가지고 있으며 역사적 사건들은 이를 증명하고 있다. 이로 인해 전 세계적으로 위험성 평가 및 위험관리에 관한 규제 및 코드/표준들이 끊임없이 생성, 적용되고 있으며 그것들의 핵심적 철학은 순환적 위험 분석 및 실행을 통해 위험을 지속적으로 통제토록 한다는 것이다. 위험성 평가는 크게 두 가지로 분류되며 그 하나는 위험의 확인에 주로 초점을 두는 정성적 위험성 평가이고 또 다른 하나는 규정한 위험을 확률적으로 계산하는 정량적 위험성 평가(QRA)이다. 각각의 방법은 고유의 역할과 장단점이 있고 통상적으로 QRA는 정성적 평가에 이어 수행이 된다. 최근 안전 규제기관과 공정 산업계에서는 정량적 위험성 평가의 활용도가 점차 커지고 있다. 그 이유는 산업의 팽창과 인구증가로 인한 건설 부지의 부족, 공사 및 운영 비용 한계 등과 같은 여러 가지 제약들로 인해 안전성과 생산성의 상관관계가 더욱 복잡해져 안전의사 결정시 계량적 위험도 산출이 절대적으로 필요하기 때문이다. 하지만 이러한 필요성과 기술적 동향에 의해 최근 20년간 다양한 정량 위험 분석 모델이 개발되고 많은 국가에 관련 규제가 도입, 적용되고 있음에도 불구하고 위험관리 프로세스에서 QRA를 효율적으로 추진키 위한 관리적, 실행적 차원에서의 체계(모델)는 아직 제시된 바가 없어 그것을 활성화하는 데 있어서는 한계에 도달했다. 본 논문에서는 이러한 상황을 극복하기 위하여 위험관리에 있어 정량적 위험 분석을 지속적 도구로 포용하기 위한 목적 특성을 3가지로 규정하고 그것을 달성할 수 있는 체계에 관하여 연구하였다. 달성코자 하는 3가지 특성은 협력성(분업성)과 위험 분석 모델의 검토성과 연속성의 실현이다. 이를 위해 본 논문에서는 ARHSP(Accidental Release Hazard Scenario Point)라고 하는 구심점 기반의 위험성 평가를 제안하였다. 이것은 정량 위험 분석 과정의 중간 산출물인 중요 사고경위를 중심으로 사고결과 분석 이론과 통합하여 확률적 해석을 완료하는 체계론적 접근법이다. ARHSP는 사고에 관한 중요 사건들에 대한 정보를 담고 있어 비전문가, 즉 이해관계자들의 위험 분석에 대한 이해를 돕고 각 기본사건들의 확률을 쉽게 얻기 위한 분업화 체계를 가짐으로서 효율적 QRA를 추구한다. 이런 체계를 기반으로 하여 공정의 초기설계단계부터 운영단계까지 위험 분석 정보를 축적하고 공유할 뿐만 아니라 발전시켜나갈 수 있는 정량적 위험관리 프로세스 모델을 제시하였다. 그리고 그것을 실현할 수 있는 구체적인 QRA 시스템 구조와 분석 절차를 설계하고 작성하였다. 또한 본 논문에서는 2개의 사례 연구를 통하여 제안한 방법에 기반한 QRA 시스템을 구축하고 실제 산업의 안전관리에 적용한 결과를 보임으로서 그 유효성을 실증하였다. 사례연구1에서는 가스 공급시설에 대한 웹기반의 QRA 시스템을 구축하고 적용하였는데 백여개 이상의 시설들에 대하여 전문가와 안전관리자가 분업적 협력을 통해 분석 시간을 기존 방법에 비해 획기적으로 줄임으로서 제안한 방법이 매우 효율적임을 입증하였다. 사례연구2에서는 보다 유연한 ARHSP 작성 기능을 가진 일반화된 QRA 시스템을 구축하고 LNG 시설에 적용하였다. 그리고 더 나아가 이미 적용된 ARHSP를 쉽게 개선하고 응용한 결과를 보임으로서 제안한 방법이 QRA 연속성과 이해성의 실현을 가능케 하는 매우 실용적인 체계임을 확인하였다. 결론적으로 본 논문은 기존 QRA 수행과정, 즉 위험요소 확인, 모델 수립, 데이터 설정, 위험도 해석 과정에 있어 대부분을 전문가에 의존했던 기존 체계를 탈피하고 협력적 체계로 분석을 효율적으로 수행할 수 있는 새로운 방법을 보여주었다. 이로 인해 국가나 기업에서 QRA를 보다 쉽게 적용할 수 있는 새로운 기틀(패러다임)을 마련하였다. 또한 위험관리 프로세스에서 가장 핵심 철학인 모든 관련자의 위험 분석 및 실행 참여를 가능케 하는 실용적 모델을 제시함으로서 QRA 규제/표준 수립 및 그 활성화와 응용 시스템 발전에 기여하였다. 마지막으로 공정산업에서 QRA를 통해 근로자 및 국민의 안전성을 담보하고 합리적 의사 결정을 이룰 수 있는 위험 기반 관리 기술 확산에 기여하였다.1. 서 론 1 1.1 연구 배경 1 1.2 연구 목적 및 범위 7 1.3 논문의 구성 9 2. 공정 산업에 대한 위험성 평가 12 2.1 정성적 위험성 평가 개론 13 2.2 정량적 위험성 평가 절차 및 방법론 고찰 20 2.2.1 QRA 목적 수립 및 위험요소 확인 25 2.2.2 누출 사고 생성 및 선택 25 2.2.3 사고빈도 분석 28 2.2.4 사고결과 분석 40 2.2.5 위험(도)의 표현 및 기준 43 3. 정량적 위험성 평가 적용/연구 현황 및 문제점 55 3.1 공정산업에서 물질 위험요소의 중요성 55 3.2 QRA 적용 및 연구 현황 61 3.3 기존 위험 정량화 방법 및 체계의 문제점 74 4. 제안하는 방법론 77 4.1 기본 아이디어 77 4.2 ARHSP 제안 기반 논리 83 4.3 ARHSP 내부 수식 구성 86 4.3.1 질의들 및 기본 사건 확률 부분 87 4.3.2 사고 경위 및 빈도 계산 부분 92 4.3.3 최종 사고 시나리오 및 빈도 부분 93 4.4 사고결과 및 위험도 분석 흐름도 94 4.5 정량적 위험관리 프로세스 모델 98 4.6 ARHSP 기반 연속적 정량 위험 분석 실현 101 5. ARHSP 기반 QRA 시스템 플랫폼 및 분석 절차 104 5.1 QRA 시스템 플랫폼 구조 104 5.2 ARHSP 시스템적 세부 구조 108 5.3 ARHSP 작성 흐름도 112 5.3.1 하나의 누출 시나리오를 포함한 ARHSP 작성 흐름도 114 5.3.2 두개 이상의 누출 시나리오를 포함한 ARHSP 작성 흐름도 116 5.3.3 사고결과 분석 ARHSP 개선 작성 흐름도 118 5.4 제안한 QRA 플랫폼에 기반한 위험성 평가 절차 121 5.4.1 초기 설계 단계에서의 분석 절차 123 5.4.2 상세 설계 단계에서의 분석 절차 126 5.4.3 설비 운영 단계에서의 분석 절차 129 6. 사례 연구 132 6.1 사례 1 : 가스시설에 대한 웹기반 QRA 시스템 구축과 적용 134 6.1.1 적용 개요 134 6.1.2 천연가스 공급시설에 대한 이해와 ARHSP 작성 사전 준비 136 6.1.3 가스 공급시설에 대한 QRA 시스템 구축 144 6.1.4 개발 시스템 적용과 고찰 149 6.2 사례 2 : 유연한 ARHSP 기능을 가진 웹기반 LNG 플랜트 정량적 위험성 평가 시스템 구축과 적용 152 6.2.1 적용 개요 152 6.2.2 LNG 인수시설에 대한 이해와 ARHSP 작성 사전 준비 153 6.2.3 시스템 구축과 적용 161 6.2.4 활용 및 고찰 169 7. 결론 및 제안사항 172 7.1 결론 및 기여 172 7.2 제안 사항 178 참고문헌 181 영문 요약서 192Docto

Reliability Block Diagram Assessment of Ethylene Oxide Production Facilities

Reliability block diagram assessment of ethylene oxide production facilities. Having a maintenance plan by referring to the OEM manual is not the optimum time interval. The manual usually created to follow the failure rate of the equipment in a general operating range and condition, and tested independently. Difficulty in having optimal maintenance plan is the accuracy of the data and the equipment modeling. Accuracy in the data usually is very low therefore creating optimum strategy is the best solution. In the study component prioritization is the strategy based on risk. Focused on the developing the reliability block diagram for the ethylene oxide production facilities

Comprehensive quantitative dynamic accident modelling framework for chemical plants

This thesis introduces a comprehensive accident modelling approach that considers hazards associated with process plants including those that originate from the process itself; human factors including management and organizational errors; natural events related hazards; and intentional and security hazards in a risk assessment framework. The model is based on a series of plant protection systems, which are release, dispersion, ignition, toxicity, escalation, and damage control and emergency management prevention barriers. These six prevention barriers are arranged according to a typical sequence of accident propagation path. Based on successes and failures of these barriers, a spectrum of consequences is generated. Each consequence carries a unique probability of occurrence determined using event tree analysis. To facilitate this computation, the probability of failure for each prevention barrier is computed using fault tree analysis. In carrying out these computations, reliability data from established database are utilized. On occasion where reliability data is lacking, expert judgment is used, and evidence theory is applied to aggregate these experts’ opinion, which might be conflicting. This modelling framework also provides two important features; (i) the capability to dynamically update failure probabilities of prevention barriers based on precursor data, and (ii) providing prediction of future events. The first task is achieved effectively using Bayesian theory; while in the second task, Bayesian-grey model emerged as the most promising strategy with overall mean absolute percentage error of 18.07% based on three case studies, compared to 31.4% for the Poisson model, 22.37% for the first-order grey model, and 22.4% for the second-order grey model. The results obtained illustrated the potentials of the proposed modelling strategy in anticipating failures, identifying the location of failures and predicting future events. These insights are important in planning targeted plant maintenance and management of change, in addition to facilitating the implementation of standard operating procedures in a process plant

FIRE HAZARDS & RISK ASSESSMENT IN OFFSHORE PETROLEUM FACILITIES

This project highlights the methods to analyze and determine Fire Hazards & Risk Assessment in Offshore Petroleum Facilities. A comprehensive risk assessment study is conducted to find the best and effective method or techniques for determining the fire risk in offshore petroleum facilities. The project is based on Quantitative risk assessment and Qualitative Risk Assessment Techniques. A comparison between qualitative and quantitative risk assessment techniques is done for specifying the best methodology to effectuate the objects of the project. An offshore structure is a mammoth platform with facilities to drill wells, to extract and process oil and natural gas or to temporarily store products until they can be brought on the shore for refining and marketing. As the natures of the operations are hostile it may encounter extreme pressure and dangerous environments. Risks, accidents and tragedies can occur spontaneously. Process operations are the most hazardous activity. A small miss-happening in the Oil & Gas offshore platform process operations can escalate to catastrophe

Cascading events triggering industrial accidents: quantitative assessment of NaTech and domino scenarios

The so called cascading events, which lead to high-impact low-frequency scenarios are rising concern worldwide. A chain of events result in a major industrial accident with dreadful (and often unpredicted) consequences. Cascading events can be the result of the realization of an external threat, like a terrorist attack a natural disaster or of “domino effect”. During domino events the escalation of a primary accident is driven by the propagation of the primary event to nearby units, causing an overall increment of the accident severity and an increment of the risk associated to an industrial installation. Also natural disasters, like intense flooding, hurricanes, earthquake and lightning are found capable to enhance the risk of an industrial area, triggering loss of containment of hazardous materials and in major accidents. The scientific community usually refers to those accidents as “NaTechs”: natural events triggering industrial accidents. In this document, a state of the art of available approaches to the modelling, assessment, prevention and management of domino and NaTech events is described. On the other hand, the relevant work carried out during past studies still needs to be consolidated and completed, in order to be applicable in a real industrial framework. New methodologies, developed during my research activity, aimed at the quantitative assessment of domino and NaTech accidents are presented. The tools and methods provided within this very study had the aim to assist the progress toward a consolidated and universal methodology for the assessment and prevention of cascading events, contributing to enhance safety and sustainability of the chemical and process industry