考虑可靠性的气体探测器多目标布置优化方法研究

摘要

石油炼化装置易发生危险气体泄漏事故，对安全生产造成了巨大的负面影响；探测器的优化布置对保障人员安全和减少事故损失起到重要的作用，但当前我国对危险气体泄漏检测优化的研究尚为薄弱，出台的相关标准仅规定了气体探测器布置的总体要求，而未能结合不同厂区和工况下的具体情况进行具有针对性的研究。本文结合中央高校基本科研业务经费专项资金资助项目(13CX02079A)“化工装置气体检测报警仪布置优化方法研究”以及山东省自然科学基金项目(2016ZRE28163)“多元随机变量下炼油装置气体泄漏检测优化问题研究”，系统开展气体探测器布置优化模型及算法研究，为提高炼化装置安全生产保障能力和风险管理水平提供理论支撑和技术保障。具体研究内容如下： 1、硫化氢潜在泄漏源辨识及危险性评估 根据柴油加氢装置工艺流程及危险因素对硫化氢潜在泄漏源进行辨识，确定其具体位置，利用灰色系统理论中的灰色关联分析法，以硫化氢泄漏事故发生的可能性、暴露在危险环境中的频率和事故后果的严重程度为因素作为潜在泄漏源的主要辨识指标，计算各潜在泄漏源与最优辨识指标的关联度，从而为各潜在泄漏源的危险性进行排序，为后续的气体探测器布置优化奠定基础。 2、基于K-means聚类算法的泄漏场景缩减 以风场集和泄漏源集为元素，构建柴油加氢装置硫化氢气体泄漏场景集。采用K-means聚类算法将组成泄漏场景各因素的差异进行聚类，选出聚类后每个类中的代表性场景，将这些代表性场景形成新的泄漏场景集，以有限的离散场景来有效定量表征全部场景，从而达到对泄漏场景缩减，提高泄漏场景的描述效率的目的，为提高气体探测器布置优化的计算效率提供有力依据，并对泄漏场景缩减方法的有效性进行验证。 3、构建考虑可靠性及鲁棒性的气体探测器布置优化数学模型 以时效性和鲁棒性为评价指标，以考虑泄漏场景概率和探测器失效概率的累积检测时间期望值反映时效性，以由于首选探测器失效，增加的检测时间符合可接受标准的数量值反映鲁棒性，用两个目标函数组成的二元组刻画布置优化决策的目标向量，建立失效情景下气体探测器多目标布置优化数学模型。 4、提出NSGA-Ⅱ（Non-nominated sorting genetic algorithm-Ⅱ）算法和基于模拟退火的多目标粒子群算法 利用NSGA-Ⅱ算法和基于模拟退火的多目标粒子群算法对提出的布置优化数学模型进行求解，得到气体探测器布置优化方案，采用理想点逼近法（TOPSIS）对方案进行排序，从所有方案中优选出若干个方案，根据决策者的不同需求从优选出来的方案中确定最终的布置方案，对数学模型中的鲁棒性标准进行敏感性分析，最终对两种算法的性能进行对比。

目录

第一章 绪论

1.1课题研究背景与研究意义

1.2国内外研究现状与进展

1.2.1气体探测器布置优化研究现状

1.2.2可靠性设施选址问题研究现状

1.2.3多目标优化及求解研究现状

1.2.4聚类分析方法研究现状

1.3研究目标、内容及路线

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容及技术路线

第二章 硫化氢潜在泄漏源辨识及危险性评估

2.1柴油加氢装置简介

2.1.1柴油加氢装置概述

2.1.2柴油加氢装置工艺原理及流程

2.2潜在泄漏源辨识方法及灰色关联分析法简介

2.2.1潜在泄漏源辨识方法确定

2.2.2灰色关联分析法计算流程

2.3硫化氢潜在泄漏源辨识及危险性评估实例

2.4本章小结

第三章 气体泄漏场景集构建及场景缩减

3.1气体泄漏场景构建

3.1.1风场集构建

3.1.2泄漏源集构建

3.1.3泄漏场景集构建

3.2聚类分析方法概述

3.2.1聚类分析方法的基本概念

3.2.2聚类分析算法的分类

3.3基于K-means聚类算法的泄漏场景缩减

3.3.1基于K-means聚类的泄漏场景缩减算法原理

3.3.2基于K-means聚类的泄漏场景缩减算法设计流程

3.4泄漏场景缩减实例

3.5本章小结

第四章 气体探测器多目标布置优化数学模型及求解算法

4.1设施选址P-中值问题数学模型简介

4.1.1设施选址P-中值模型

4.1.2设施选址可靠性P-中值模型

4.2气体探测器多目标布置优化数学模型

4.2.1问题描述

4.2.2模型假设

4.3气体探测器多目标布置优化数学模型求解算法

4.3.1多目标优化问题简介

4.3.2非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）求解流程设计

4.3.3基于模拟退火的多目标粒子群算法（SA-PSO）求解流程设计

4.4理想点逼近法（TOPSIS）原理及设计流程

（1）正理想解

（2）负理想解

（3）欧式距离

（4）相对接近度

4.5本章小结

第五章 算例分析

5.1CFD模型构建及模拟

5.1.1CFD模型与建立网格划分

5.1.2硫化氢泄漏扩散监测点设置

5.1.3CFD模拟计算步骤

5.2气体探测器布置优化求解与算法对比

5.3鲁棒性标准的敏感性分析

5.4泄漏场景缩减有效性验证

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢