110 地方特考三等 職業安全衛生 安全工程 考古題詳解

核心觀念

本題考查職業安全衛生與安全工程中的五種安全設計理念。答題時應掌握三個層次：

1. 餘備、多樣性：提高系統在零件失效時仍能維持功能的能力。
2. 防愚、失靈安全：分別處理「人為操作錯誤」與「設備發生故障」。
3. 本質較安全：從危害源頭降低危害，而非只依賴防護設備或管理措施。

本題不涉及特定法條，重點在於名詞定義、作用機制及實際案例。

解題方法

每一小題可依下列架構作答：

「名詞定義」→「安全作用」→「實例」→「與相近概念區分」。

其中：

• 餘備重點在「同功能的備援」。
• 多樣性重點在「不同原理或不同設計」。
• 防愚重點在「防止人員錯誤操作」。
• 失靈安全重點在「故障後轉入安全狀態」。
• 本質較安全重點在「直接降低危害源」。

（一）餘備（Redundancy）

定義與核心觀念

餘備是指在系統中設置一個以上具有相同或相近功能的元件、設備或系統，使其中一個元件失效時，其他備援元件仍能繼續執行必要的安全功能。

其核心是：

多設置一套同類功能，以承受單一故障。

餘備可分為：

• 待命式餘備：主要設備失效後，備用設備才啟動。
• 並聯式餘備：多個設備同時運轉，其中一個失效時，其餘仍可維持功能。

餘備可提高系統可靠度，但若多個備援元件同時受到相同原因影響，餘備效果會降低。

實例

工廠鍋爐設置兩台獨立給水泵，正常時由一台運轉，另一台處於備用狀態。當運轉中的給水泵故障時，備用泵自動啟動，以維持鍋爐的必要給水功能。

此例中，兩台給水泵執行相同功能，因此屬於餘備設計。

易混淆處

餘備強調的是「數量增加」與「功能重複」，不要求設備採用不同原理。若兩台泵浦雖然數量增加，卻共用同一條電源、同一控制器及同一管路，這些共同部分發生故障時，兩台泵浦仍會同時失效，稱為共同原因故障。

（二）多樣性（Diversity）

定義與核心觀念

多樣性是指安全系統中採用不同原理、不同構造、不同能源、不同製造方式或不同控制邏輯的安全措施，使各系統不易同時因相同原因失效。

其核心是：

使用不同方法完成相同或相近的安全功能。

多樣性主要用來降低共同原因故障的風險。若兩套保護裝置完全相同，雖然具有餘備，但相同的設計缺陷、環境因素或維護錯誤可能使兩者同時失效。

實例

大型機械設備同時設置：

• 由光電感測器偵測人員進入危險區域；
• 由機械式安全門連鎖開關確認防護門是否關閉。

兩者都具有防止機械在危險狀態下運轉的功能，但一項採用光電感測原理，另一項採用機械連鎖原理，因此具有多樣性。

易混淆處

餘備與多樣性的差異如下：

多樣性通常可與餘備同時使用，例如設置兩套獨立且原理不同的超速保護裝置，即同時具有餘備與多樣性。

（三）防愚（Fool-Proof）

定義與核心觀念

防愚是指透過設備結構、控制方式或操作介面設計，使人員即使誤操作、漏操作、反向操作或操作順序錯誤，也不容易造成危險，或使錯誤操作無法完成。

其核心是：

從設計上防止人員操作錯誤轉化為事故。

防愚設計的主要方式包括：

• 使錯誤零件無法裝入；
• 使錯誤方向無法插接；
• 使危險動作必須經過確認程序；
• 使操作順序錯誤時設備無法啟動；
• 使控制按鈕具有明確形狀、顏色或位置。

實例

電氣控制盤採用不同形狀與規格的插頭，使三相電源插頭無法插入低電壓控制插座，避免人員因插錯位置而造成設備損壞、短路或觸電危害。

另一例為沖床設置雙手操作按鈕，必須由操作人員雙手同時按下，滑塊才會動作，可避免單手仍位於模具危險區域時誤啟動機械。

易混淆處

核心觀念

本題考查可靠度方塊圖的串聯、並聯與橋接網路分析。各元件可靠度相同：

其中 $q$ 為元件失效機率。依可靠度方塊圖的標準假設，各元件彼此獨立。

圖中：

• $A、B$ 為左側輸入端至上、下支路的元件。
• $E、G$ 為上、下支路至右側輸出端的元件。
• $F$ 為中間支路元件。
• $C、D$ 構成連接上、下支路的橋接路徑。

由於 $C、D$ 會改變各節點間的連通關係，最適合採用「依 $C、D$ 的工作狀態分情況計算」。

解題方法

情況一：$C、D$ 均失效

此時中間支路無法與輸入端連通，只剩：

• 上支路：$A、E$ 串聯
• 下支路：$B、G$ 串聯

每一支路可靠度為：

兩支路彼此並聯，因此：

而 $C、D$ 均失效的機率為：

情況二：僅 $C$ 工作，$D$ 失效

$C$ 工作時，經由 $A$ 後可通往 $E$ 或 $F$；下支路仍由 $B、G$ 構成。

經由 $A$ 通過 $E$ 或 $F$ 的可靠度為：

下支路可靠度為：

兩條路徑並聯：

$C$ 工作、$D$ 失效的機率為：

情況三：$C$ 失效，僅 $D$ 工作

此情況與上一情況上下對稱，因此：

其發生機率為：

第三題

（一）安全工程（Safety Engineering）與工程安全（Engineering Safety）

1. 核心觀念

本小題在考「學科或方法」與「工程系統所呈現的安全結果」之區別。

• 安全工程（Safety Engineering）： 是一門以工程學、自然科學及系統分析方法，辨識危害、評估風險、設計防護措施，並預防人員傷亡、財產損失及環境危害的專業領域。

• 工程安全（Engineering Safety）： 是指工程設施、設備、製程或作業，在其生命週期中具備足以避免事故、降低風險及保護人員與財產的安全特性與安全績效。

簡言之：

安全工程是「如何達成安全」的方法與專業；工程安全是「工程是否安全」的結果與狀態。

2. 兩者比較

3. 舉例說明

以化學工廠的高壓反應槽為例：

安全工程人員會進行下列工作：

1. 透過危害辨識找出高溫、高壓、易燃及有毒物質等危害。
2. 以 HAZOP 分析偏離狀態，例如壓力過高、流量過大及冷卻失效。
3. 以 FMEA 分析壓力感測器、控制閥及冷卻系統的失效模式。
4. 以 FTA 分析「反應槽爆炸」的事故發生路徑。
5. 規劃洩壓閥、緊急停機、連鎖控制、隔離及消防系統。
6. 建立檢查、維修、教育訓練及緊急應變制度。

上述「辨識危害、分析風險及設計控制措施」的整體專業活動，就是安全工程。

經過這些設計後，若該反應槽具備：

• 足夠的設計壓力與材質強度；
• 適當的洩壓裝置；
• 壓力及溫度異常時自動停機；
• 可防止人員接觸高溫及危險部位的隔離措施；
• 失效時導向安全狀態的控制系統；

則表示該反應槽具有良好的工程安全。

4. 彼此關係

兩者的關係可表示為：

安全工程提供工程安全所需的理論、程序及工具；工程安全則是安全工程應用後所形成的具體成果。

因此：

• 沒有安全工程的方法，工程安全容易流於經驗判斷。
• 沒有工程安全的具體成果，安全工程也無法真正達成事故預防目的。
• 工程安全不只是設備本身安全，也包括設計、施工、操作、維修、拆除等生命週期階段。
• 安全工程除技術設計外，亦涵蓋人因、管理、程序及組織因素。

5. 解題技巧與常見陷阱

本小題最容易混淆的是把兩者都寫成「防止事故的工程技術」。作答時應明確區分：

Safety Engineering 是「專業領域與方法」；Engineering Safety 是「工程系統所具備的安全狀態與成果」。

再搭配一個完整工程案例，分別說明「安全工程人員做了什麼」及「最後工程具有什麼安全設計」，即可清楚取得比較與關係分數。

（二）並聯（Parallel）與備援（Stand-by）

1. 核心觀念

本小題在考可靠度工程中的冗餘設計（redundancy）。

兩者共同目的，都是在主要元件失效時，仍設法維持系統功能。但兩者的元件運作方式不同：

• 並聯：多個元件同時處於工作狀態，只要其中一個仍能工作，系統即可正常運作。
• 備援：一個元件先執行主要功能，另一個元件平時處於待命狀態，當主要元件失效後，經由切換裝置啟用備用元件。

因此：

並聯是「同時運作的主動冗餘」；備援是「故障後切換的待命冗餘」。

2. 並聯系統

（1）定義

並聯系統中，各元件同時承擔功能。系統在所有元件均失效時才失效。

以兩個獨立元件 $A$、$B$ 為例：

• 元件 $A$ 正常，系統正常；
• 元件 $B$ 正常，系統正常；
• $A$、$B$ 均正常，系統正常；
• $A$、$B$ 均失效，系統失效。

（2）可靠度公式

若各元件失效彼此獨立，則並聯系統可靠度為：

兩個元件時：

若兩元件可靠度相同，均為 $R(t)$，則：

並聯系統的失效機率是所有元件同時失效的機率。

（3）實例

例如工廠冷卻系統配置兩台同時運轉的冷卻泵，每台泵均可提供足夠的最低冷卻流量。只要其中一台仍可運作，製程便不致因冷卻中斷而發生危害，此即為並聯設計。

其他例子包括：

• 兩個同時工作的電源供應模組；
• 多台共同提供通風量的排風機；
• 飛機多具同時運作的引擎；
• 多條同時承擔負荷的結構構件。

3. 備援系統

（1）定義

核心觀念

本題考查空氣清淨裝置依污染物型態所採用的控制原理：

• 除塵裝置：去除空氣中的固體或液體微粒，例如粉塵、煙霧、霧滴。
• 廢氣處理裝置：去除空氣中的氣態污染物，例如有機溶劑蒸氣、酸鹼性氣體、惡臭物質及一氧化碳等。

除塵主要利用微粒的重力、慣性、離心力、過濾、靜電力或液滴捕集作用；廢氣處理則主要利用氣體的吸收、吸附、冷凝、燃燒氧化或生物分解作用。

解題方法

作答時先依污染物是「粒狀」或「氣狀」分類，再分別說明：

1. 裝置的主要作用對象。
2. 污染物與清淨介質接觸的方式。
3. 污染物被分離、轉換或破壞的原理。
4. 典型設備及適用情形。

一、除塵裝置的作用原理

1. 重力沉降式除塵裝置

利用氣流速度降低，使粉塵受重力作用向下沉降，與氣流分離。

粉塵的沉降速度可用終端沉降速度表示。對於小粒徑、低雷諾數微粒，依 Stokes 定律：

其中：

• $v_t$：粉塵沉降速度
• $\rho_p$：粉塵密度
• $\rho_g$：氣體密度
• $d_p$：粉塵粒徑
• $\mu$：氣體黏度

粒徑越大、密度越大，沉降速度越快。因此重力沉降室適合去除大粒徑、密度較高的粉塵，對細小粉塵的去除效率較差。

2. 慣性除塵裝置

使含塵氣流突然改變方向或通過擋板。氣體容易隨流線轉向，粉塵因慣性較大，無法立即改變運動方向，便撞擊擋板而沉降分離。

其效果與粉塵粒徑、密度、氣流速度及流向改變程度有關。適合去除中、大粒徑粉塵，常作為多級除塵設備的前段預除塵裝置。

3. 離心式除塵裝置

以旋風集塵器為代表，使含塵氣流作旋轉運動。粉塵受離心力作用向外壁移動，碰撞器壁後失去動能，沿壁面落入集塵斗；較乾淨的氣體則由中心上升排出。

離心力可表示為：

其中 $m$ 為微粒質量、$v$ 為切向速度、$r$ 為旋轉半徑。提高氣流旋轉速度可增強分離作用，但壓力損失也會增加。

旋風集塵器適合處理：

• 粗粒粉塵；
• 高溫氣體；
• 高粉塵濃度氣流；
• 作為袋式集塵器或其他高效率設備的前置設備。

4. 過濾式除塵裝置

以袋式集塵器、濾筒式集塵器為代表，使含塵氣流通過濾布或濾材，粉塵被截留於濾材表面或內部，乾淨氣體通過濾材排出。

其主要捕集機制包括：

• 篩濾作用；
• 慣性碰撞；
• 截留作用；
• 布朗擴散；
• 粉塵層形成後的深層過濾作用。

袋式集塵器運轉一段時間後，濾布表面會形成粉塵層。此粉塵層可提升細粉塵捕集效率，但也會增加壓力損失，因此必須定期以振動、反吹或脈衝噴吹清灰。

濾材壓力損失可概念性表示為：

其中：

• $\Delta P_f$：濾材本身的壓力損失；
• $\Delta P_c$：粉塵層造成的壓力損失。

過濾式設備對細粉塵具有良好去除能力，但需注意高溫、潮濕、黏性粉塵及可燃性粉塵所造成的濾材損壞、結露或爆炸風險。

5. 靜電集塵裝置

以靜電集塵器為代表。先利用放電電極產生電暈放電，使粉塵帶電，再使帶電粉塵受電場力作用，移向相反電性的集塵板，最後以振打方式使粉塵落入集塵斗。

帶電微粒所受電場力為：

其中：

• $q$：粉塵所帶電量；
• $E$：電場強度。

靜電集塵器適合處理：

• 大風量氣流；
• 高溫煙氣；
• 細小粉塵；
• 燃燒產生的飛灰及煙霧。

其性能受粉塵比電阻、氣流速度、電場強度及粉塵濃度影響。粉塵比電阻過高會造成反電暈，過低則容易產生再飛散。

6. 濕式除塵裝置

使含塵氣體與水或其他洗滌液接觸，粉塵被液滴、液膜或液面捕集，形成泥漿後排出。常見設備包括噴淋塔、填充塔、文氏洗滌器及濕式旋風洗滌器。

其主要捕集機制包括：

• 慣性碰撞；
• 攔截；
• 擴散；
• 粉塵被液體潤濕後凝聚；
• 氣體溶解或化學反應。

濕式除塵對細小粉塵及高溫、可燃性粉塵具有優點，但會產生廢水、泥渣及設備腐蝕問題。文氏洗滌器利用高速氣流將洗滌液粉碎成細小液滴，具有較高的細粉塵捕集能力，但壓力損失較大。

二、廢氣處理裝置的作用原理

廢氣處理的目的不只是將污染物由氣相移除，也可能將其轉換成低毒性、低反應性或容易處理的物質。

1. 吸收式廢氣處理裝置

吸收是利用氣體污染物在液體中的溶解性，將污染物由氣相傳送至液相。常用設備包括填充塔、板式塔及噴淋塔。