炼油装置气体检测报警仪布置定量优化研究

摘要

危险气体检测报警仪作为炼油装置的一项重要保护层，若在泄漏发生时正常发挥作用，事故损失将大幅降低。然而，相关统计数据表明气体泄漏成功探测并报警的效率却不尽如人意。为加强炼油装置安全保障和气体探测系统资源的合理分配，本文结合山东省自然科学基金课题和中央高校基本科研业务经费专项资金资助项目，开展了炼油装置危险气体检测报警仪布置定量优化研究，系统提出了一套炼油装置气体检测报警仪布置定量优化的技术方案，具体内容如下： 1. 基于CFD的危险气体泄漏扩散模型 为在危险气体泄漏扩散 CFD 模型计算域中体现近地层气象条件，提出指数率风场轮廓线模型和气温垂直梯度的设置方法，并提出风场一致性检验、温度场一致性检验和基于经验模型的CFD模型有效性验证。采用验证的CFD模型进行数值模拟可以获得炼油装置各泄漏场景下，符合现场装置布局和气象条件的危险气体泄漏扩散浓度场，为后续危险气体泄漏风险量化提供支持。 2. 危险气体泄漏场景集定量构建方法 以泄漏源、风场条件为主要随机性因素，提出炼油装置危险气体泄漏场景集的定量构建方法，包括泄漏危险源辨识、泄漏源和风场条件的离散化描述、气体泄漏易发性预测、风场联合分布概率预测以及泄漏源与风场的融合机制等关键步骤。为兼顾工程计算的准确性与经济性，结合气体扩散经验模型和场景发生概率定义泄漏场景风险指数，据此提出了泄漏场景优选方案。 3. 危险气体检测报警仪布置定量优化模型 基于风险三元组理论和泄漏场景集，提出以研究装置实时风险为布置决策风险量化指标。以布置决策风险最小化为优化目标，以检测报警仪数量为约束条件，建立了考虑可用性和表决逻辑的风险最小化的P-中值模型（Minimal Risk P-Median Problems Including Unavailability and Voting Effects，MRPMP-UV）。在此基础上，考虑场景后果的长尾分布，加入最优条件风险值约束，提出考虑条件风险值的优化模型（Minimal Risk P-Median Problems Including Unavailability,Voting Effects and CVaR，MRPMP-UVCVaR）。数学模型中以报警仪布置备选点的选择与否作为决策变量，枚举满足约束函数的报警仪布置组合方案属于NP（Non-Deterministic Polynomial）-hard问题。研究采用粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）对模型求解。为研究优化方案对泄漏场景的依赖性，提出场景敏感性分析方法，在一定置信水平下，估计优化方案目标值偏移量置信区间。 4. 案例分析 经上述研究，以柴油加氢装置为典型研究对象，开展硫化氢气体检测报警仪布置定量优化，从众多备选点中定量给出了最佳布置数量和选址位置。研究结果表明：通过MRPMP-UVCVaR模型获得的报警仪布置方案，可较好地实现气体检测报警仪对场景风险和场景后果的削减。

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