一種考慮多因素的煉油裝置氣體檢測報警儀選址布置方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮多因素的煉油裝置氣體檢測報警儀選址布置方法，基于風險三元組理論和泄漏場景集實現(xiàn)煉油裝置實時風險定量表征，并以此為布置決策風險量化指標。然后以布置決策風險最小化為優(yōu)化目標，以檢測報警儀數(shù)量為約束條件，以報警儀布置備選點的選擇與否作為二元決策變量，定義優(yōu)化模型目標函數(shù)以及約束函數(shù)，建立了考慮可靠性、表決邏輯的決策風險最小化的P?中值模型。本發(fā)明有益效果如下：在進行方案優(yōu)化時，充分考慮到檢測報警儀的不可用以及失效情況，將檢測報警儀成功檢測概率納入考慮范圍之內，使得優(yōu)化結果更加準確。
【專利說明】
一種考慮多因素的煉油裝置氣體檢測報警儀選址布置方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種考慮多因素的煉油裝置氣體檢測報警儀選址布置方法。
【背景技術】
[0002] 目前在石油煉化領域，相關技術標準（如SH3063-1999《石油化工企業(yè)可燃氣體和 有毒氣體檢測報警設計規(guī)范》、GB50493-2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計 規(guī)范》、SY6503-2000《可燃氣體檢測報警使用規(guī)范》及SY-6503-2008《石油天然氣工程可燃 氣體檢測報警系統(tǒng)安全技術規(guī)范》等)作為傳統(tǒng)氣體檢測報警儀布置的主要依據(jù)，僅從可燃 氣體和有毒氣體檢測器設定原則、檢測器設置位置、檢測器與釋放源距離、檢測器覆蓋范 圍、檢測器安裝高度、報警器報警值設定、檢測報警響應時間等方面做了規(guī)定。
[0003] 因此，現(xiàn)有傳統(tǒng)的危險氣體泄漏檢測報警儀布置方法檢測效果欠佳。據(jù)英國HSE (Health and Safety Executive)碳氫化合物泄漏事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，氣體檢測報警儀 準確檢測泄漏工況的成功率并不理想，如1992~2014年發(fā)生的氣體泄漏事故中由氣體探測 器成功檢測出的僅占46%，若考慮未知泄漏事件，氣體探測報警系統(tǒng)的探測效率甚至更低。
[0004] 究其原因，首先，煉油裝置可能發(fā)生的危險氣體泄漏具有泄漏源、泄漏概率、泄漏 流速、氣象環(huán)境等諸多不確定因素。目前氣體檢測報警儀布置的相關技術標準未能有效的 解決危險氣體泄漏的不確定性因素。因此，為提高氣體檢測報警儀探測效率，應在在上述不 確定條件下實現(xiàn)氣體檢測報警儀選址方案優(yōu)選。
[0005] 其次，在實際生產過程中氣體泄漏檢測報警儀并不是理想的，存在誤報警和不報 警的狀況。據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，由于維護和維修不利，氣體檢測報警儀容易出現(xiàn)一系列失效模 式，如輸出不穩(wěn)定或輸出失敗、功能失效、信號雜亂、假報警等。氣體檢測報警儀處于上述失 效狀況，就會產生安全失效或危險失效。因此，在危險氣體檢測報警儀布置定量優(yōu)化過程 中，須嚴格考慮氣體泄漏檢測報警儀的不可用性，并設置報警安全冗余及邏輯表決。
[0006] 還有，以檢測時間代表場景后果，未建立場景實時后果表征模型。泄漏場景的風險 受泄漏源位置、泄漏流速、風向、風速、發(fā)生概率及檢測時間等多種條件的影響，因此，一方 面不同泄漏場景的中毒或爆炸風險不同，另外，同一泄漏場景在不同檢測時間下風險也不 相同。相同的檢測時間，對于不同風險的泄漏場景影響不同。從這個角度出發(fā)，氣體泄漏檢 測報警儀布置的最優(yōu)方案應該是最大限度地降低裝置的泄漏風險?？紤]泄漏場景風險大 小，重點檢測泄漏風險大的泄漏場景，兼顧泄漏風險較小的泄漏場景，實現(xiàn)總體風險削減最 大化。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種考慮多因素的煉油裝置氣體檢測報警儀選 址布置方法，實現(xiàn)在考慮不確定性因素、報警儀可靠性和表決邏輯等多因素的情況下，從眾 多備選點中定量地評判出最優(yōu)的檢測報警儀布置方案。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：
[0009] -種考慮多因素的煉油裝置氣體檢測報警儀選址布置方法，包括以下步驟：
[0010] (1)以泄漏源工況、風場條件為隨機性因素，定量構建煉油裝置危險氣體泄漏場景 集，采用歷史氣象數(shù)據(jù)獲得風場的風速風向聯(lián)合分布概率，獲取設備泄漏發(fā)生概率，從而獲 得泄漏場景發(fā)生的近似概率；
[0011] (2)建立該煉油裝置的最優(yōu)精細三維CH)模型，依據(jù)相關氣體檢測報警儀高度和間 距設置規(guī)定，在預設高度平鋪設置監(jiān)測點，作為泄漏檢測報警儀的布置的備選點；
[0012] (3)利用所述三維CFD模型，對泄漏場景集各場景進行數(shù)值模擬，記錄監(jiān)測點氣體 擴散濃度，根據(jù)危險氣體報警濃度閾值，計算各監(jiān)測點在各場景下的檢測報警時間；
[0013] (4)根據(jù)不同泄漏場景的泄漏氣體化學性質的不同，分別確定泄漏氣體在泄漏場 景i下的實時后果嚴重程度；
[0014] (5)針對每個泄漏場景，根據(jù)報警儀達到報警閾值的時間先后順序，最多在R個梯 級上各分派一個報警儀檢測泄漏氣體;確定在k 〇〇(R+l)表決邏輯下的報警儀在r級成功檢 測的概率;其中，r為報警儀所處的級，r e [ 0，R];
[0015] (6)對于某場景下始終未達到報警閾值或者各級報警儀均發(fā)生失效的情況，賦予 一個懲罰值Dmax,i;
[0016] 確定考慮報警儀表決邏輯以及懲罰值的單個泄漏場景實時后果嚴重程度；
[0017] (7)以布置決策風險最小為優(yōu)化目標，以報警儀布置數(shù)量為約束條件，以報警儀布 置備選點的選擇與否作為二元決策變量，建立氣體檢測報警儀選址布置優(yōu)化模型；
[0018] 對優(yōu)化模型進行求解，在備選檢測點中選出最優(yōu)布置方案。
[0019] 進一步地，所述步驟（1)中，每個泄漏場景包括泄漏源位置、泄漏源孔徑、泄漏流 速、風速、風向和該場景的發(fā)生頻率。
[0020] 進一步地，所述步驟(4)中，
[0021] 針對可燃氣體泄漏，依據(jù)可燃濃度范圍劃定可燃氣云范圍，以可燃氣云體積表征 可燃氣體泄漏場景i的實時后果嚴重程度；
[0022] 針對有毒氣體泄漏，結合毒物劑量-反應模型關系式定義有毒氣體泄漏場景i的實 時后果嚴重程度。
[0023] 進一步地，所述有毒氣體泄漏場景i的實時后果嚴重程度具體為：
[0025] 其中，Ddt)為第i個場景在泄漏t時刻的后果嚴重程度;J為備選點總數(shù)；AS為網(wǎng) 格點代表單位面積; 為備選點j在泄漏t時刻的死亡概率。
[0026] 進一步地，所述步驟(5)中，設定在R個報警儀梯級中只有k個報警儀均報警才能對 一個泄漏場景進行確認。
[0027]進一步地，假設報警儀不可用的概率均為q，且各報警儀相對獨立，則在k〇〇(R+l) 表決邏輯下，報警儀在r級成功檢測的概率為：
[0028] ；P^ q'^' q)i· ,re[k~X,R^·,
[0029] 其中，<表示在k〇〇(R+l)表決邏輯下，報警儀在r級成功檢測的概率;q表示報警儀 不可用的概率;C'廠~表示r中選r-k+Ι的組合數(shù)。
[0030]進一步地，所述步驟(6)中，確定考慮報警儀表決邏輯以及懲罰值的單個泄漏場景 實時后果嚴重程度具體為：
[0032]其中，t1>r為在場景i下第r級備選點達到報警閾值的時間;Ddty)為t1>r時刻場景 i的后果；< 表示在k〇〇(R+l)表決邏輯下，報警儀在r級成功檢測的概率;Dmax,A懲罰值，取 場景泄漏擴散穩(wěn)態(tài)時刻的后果。
[0033]進一步地，建立的氣體檢測報警儀選址布置優(yōu)化模型具體為：
[0035] 其中，i為泄漏場景編號；I為泄漏場景總數(shù);P,為第i個場景的發(fā)生概率；j為報警 儀布置備選點編號;1^為在場景i下達到報警閾值的布置備選點集合;為在場景i下第j 個備選點達到報警閾值的時間AKtu)為時刻場景i的各級后果。
[0036] 進一步地，建立的氣體檢測報警儀選址布置優(yōu)化模型約束條件具體為：
[0040] X , 6 ;
[0041 ] Γ 6 {0.1}.V1 - 1,1 - j - J,〇 - /· - ? ;：
[0042]其中，r表示備選點j在r級檢測場景i時為1，否則為0;p為報警儀布置數(shù)量約 束;xj為布置方案的二元決策向量，取1表示該備選點布置報警儀，取0則表示該備選點不布 置報警儀；i為泄漏場景編號；I為泄漏場景總數(shù)；j為報警儀布置備選點編號；1^為在場景i 下達到報警閾值的布置備選點集合。
[0043]本發(fā)明的有益效果是：
[0044] (1)通過本方法，可實現(xiàn)在煉油裝置泄漏檢測報警儀的布置設計時，科學準確地從 眾多備選點中給出哪些點放置檢測報警儀，哪些點不放置檢測報警儀，解決了布置方案選 擇時的盲目性，極大地提高檢測報警儀檢測效率；
[0045] (2)綜合考慮煉油裝置可能發(fā)生的危險氣體泄漏的諸多不確定因素，科學預測并 模擬未來可能發(fā)生的所有重要泄漏場景，使得氣體檢測報警儀的布置方案更貼近煉油裝置 的實際情況；
[0046] (3)本發(fā)明在進行方案優(yōu)化時，充分考慮到檢測報警儀的不可用以及失效情況，將 檢測報警儀成功檢測概率納入考慮范圍之內，使得優(yōu)化結果更加準確。
[0047] (4)相比簡單地采用檢測時間代表場景后果進行氣體檢測報警儀選址布置，本發(fā) 明基于風險三元組理論和泄漏場景集實現(xiàn)煉油裝置實時風險定量表征，以布置決策風險最 小為優(yōu)化目標進行氣體檢測報警儀選址布置，可綜合考慮泄漏場景風險大小，重點檢測泄 漏風險大的泄漏場景，兼顧泄漏風險較小的泄漏場景，實現(xiàn)總體風險削減最大化。
【具體實施方式】
[0048] 下面結合實施方式對本發(fā)明作進一步說明。
[0049] 本發(fā)明綜合考慮煉油裝置可能發(fā)生的危險氣體泄漏的諸多不確定因素，基于風險 三元組理論和泄漏場景集實現(xiàn)煉油裝置實時風險定量表征，并以此為布置決策風險量化指 標。然后以布置決策風險最小化為優(yōu)化目標，以檢測報警儀數(shù)量為約束條件，以報警儀布置 備選點的選擇與否作為二元決策變量，定義優(yōu)化模型目標函數(shù)以及約束函數(shù)，建立了考慮 可靠性、表決邏輯的決策風險最小化的P -中值模型(Minimal Risk P-Median Problems Including Unavailability and Voting Effects，MRPMP_UV)。具體步驟如下：
[0050] (1)以泄漏源工況、風場條件為隨機性因素，定量構建煉油裝置危險氣體泄漏場景 集，場景集每個場景用i表示，i e [ 1，I ]。采用歷史氣象數(shù)據(jù)獲得風場的風速風向聯(lián)合分布 概率，獲取設備泄漏發(fā)生概率，從而獲得泄漏場景發(fā)生的近似概率；
[0051 ] (2)建立該煉油裝置的最優(yōu)精細三維CH)模型，依據(jù)相關氣體檢測報警儀高度和間 距設置規(guī)定，在預設高度平鋪設置監(jiān)測點，作為泄漏檢測報警儀的布置的備選點；
[0052] (3)采用該三維CFD模型，對泄漏場景集各場景進行數(shù)值模擬，記錄監(jiān)測點氣體擴 散濃度。然后根據(jù)危險氣體報警濃度閾值，計算各監(jiān)測點在給場景下的檢測報警時間； [0053] (4)針對可燃氣體，依據(jù)可燃濃度范圍劃定可燃氣云范圍，以可燃氣云體積表征可 燃氣體泄漏場景i的實時后果嚴重程度Ddt)。針對有毒氣體泄漏，結合毒物劑量-反應模型 采用式定義有毒氣體泄漏場景i的實時后果嚴重程度Ddt)。由于CH)三維模擬獲得各泄漏 場景的實時濃度場在空間與時間上均為離散化的。因此需將毒物劑量-反應模型公式近似 表示為：
[0055]其中，以為備選點j在泄漏t時刻的概率變量;t為暴露時間，min; △ T為時間間隔， min; A，B為毒物的性質常數(shù);η為濃度指數(shù);C為備選點j在泄漏τ時刻的濃度。
[0057]其中，義,為備選點j在泄漏t時刻的死亡概率;w是一個積分變量。
[0059] 其中，Ddt)為第i個場景在泄漏t時刻的后果嚴重程度;J為備選點總數(shù)；AS為網(wǎng) 格點代表單位面積。
[0060] (5)針對每個泄漏場景，根據(jù)報警儀達到報警閾值的時間先后順序，最多在R個梯 級上各分派一個報警儀檢測泄漏氣體。分派報警儀所處的級用re [0，R]表示，r = 〇表示第 一個達到報警閾值的位置，r=l表示第二個達到報警閾值的位置，以此類推。只有在最先達 到報警閾值的r個報警儀均發(fā)生危險失效的情況下，才取第r級報警儀達到報警閾值的時間 為場景泄漏時間t。為降低報警儀的安全失效概率，設定在R個報警儀梯級中只有k個報警儀 均報警才能對一個泄漏場景進行確認。假設報警儀不可用的概率均為q，且各報警儀相對獨 立，則在k 〇〇(R+l)表決邏輯下，報警儀在r級成功檢測的概率為：
[0062] 其中，< 表示在k〇〇(R+l)表決邏輯下，報警儀在r級成功檢測的概率;q表示報警儀 不可用的概率;< 表示r中選r-k+Ι的組合數(shù)。
[0063] 說明：
[0064] ①報警儀所處的級r的說明：第一個達到報警閾值的報警儀所處的級r = 0,第二個 達到報警閾值的報警儀所處的級r= 1。以此類推，第R+1個達到報警閾值的報警儀所處的級 r = R。因此，R個報警儀梯級需要R+1個報警儀才能實現(xiàn)。
[0065] ②表決邏輯k〇〇(R+l)(設定在R個報警儀梯級中只有k個報警儀均報警才能對一個 泄漏場景進行確認。）實際上是在R+1個報警儀中有k個報警儀報警。
[0066] ③Prk表示在k〇〇(R+l)表決邏輯下，報警儀在r級成功檢測的概率。其計算說明為：
[0067] 在表決邏輯下，報警儀在r級成功檢測，即在r+Ι個報警儀中有k個報警儀報警。這 就意味著，在r+Ι個報警儀中有r+1-k個報警儀不可用。并且必須的，第r+Ι個報警儀是成功 報警的。因此，實際上，在r個報警儀中有r+1-k個報警儀不可用。 + 1表示r中選r-k+Ι的組 合數(shù)，即在r個報警儀中有r+1-k個報警儀不可用的組合數(shù)。
[0068] ④<Tk+1表示r+1-k個報警儀不可用的概率;（l_q)k表示k個報警儀可用的概率。
[0069] (6)此外，實際存在某些備選點在某場景下始終未達到報警閾值或者各級報警儀 均發(fā)生失效的情況，從而導致優(yōu)化方案出現(xiàn)場景檢測失敗的情況。為此，對該情況下的泄漏 后果賦予一個懲罰值D max>1，取場景泄漏擴散穩(wěn)態(tài)時刻的后果。
[0070] (7)綜上所述，考慮可靠性和表決邏輯的單個泄漏場景實時后果可表示為：
[0072]其中，t1>r為在場景i下第r級備選點達到報警閾值的時間;Ddty)為t1>r時刻場景 i的后果;Dmax>1S懲罰值，取場景泄漏擴散穩(wěn)態(tài)時刻的后果。
[0073] (8)考慮可靠性和表決邏輯的風險最小化的P-中值模型。模型如下：

[0082] 其中，i為泄漏場景編號；I為泄漏場景總數(shù);h為第,個場景的發(fā)生概率;j為報警儀 布置備選點編號;1^為在場景i下達到報警閾值的布置備選點集合;為在場景i下第j個 備選點達到報警閾值的時間Adtu)為時刻場景i的各級后果;X偽布置方案的二元決 策向量，取1表示該備選點布置報警儀，取〇則表示該備選點不布置報警儀;Yi,j,r表示備選點 j在r級檢測場景i時為1，否則為0;p為報警儀布置數(shù)量約束。
[0083] 約束條件(0-8)保證只有備選點j布置報警儀時，才能夠在r級檢測場景i。約束條 件(0-10)表示針對每個場景在R個梯級上各分派一個檢測報警儀。
[0084] (9)采用啟發(fā)式算法中的粒子群算法對上述優(yōu)化模型進行求解，在備選檢測點中 選出最優(yōu)布置方案。
[0085] 上述雖然對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限 制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付 出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。
【主權項】
1. 一種考慮多因素的煉油裝置氣體檢測報警儀選址布置方法，其特征是，包括W下步 驟： (1) W泄漏源工況、風場條件為隨機性因素，定量構建煉油裝置危險氣體泄漏場景集， 采用歷史氣象數(shù)據(jù)獲得風場的風速風向聯(lián)合分布概率，獲取設備泄漏發(fā)生概率，從而獲得 泄漏場景發(fā)生的近似概率； (2) 建立該煉油裝置的最優(yōu)精細Ξ維CH)模型，依據(jù)相關氣體檢測報警儀高度和間距設 置規(guī)定，在預設高度平鋪設置監(jiān)測點，作為泄漏檢測報警儀的布置的備選點； (3) 利用所述Ξ維CFD模型，對泄漏場景集各場景進行數(shù)值模擬，記錄監(jiān)測點氣體擴散 濃度，根據(jù)危險氣體報警濃度闊值，計算各監(jiān)測點在各場景下的檢測報警時間； (4) 根據(jù)不同泄漏場景的泄漏氣體化學性質的不同，分別確定泄漏氣體在泄漏場景i下 的實時后果嚴重程度； (5) 針對每個泄漏場景，根據(jù)報警儀達到報警闊值的時間先后順序，最多在R個梯級上 各分派一個報警儀檢測泄漏氣體;確定在koo(R+l)表決邏輯下的報警儀在r級成功檢測的 概率;其中，r為報警儀所處的級，r e [ 0，R]; (6) 對于某場景下始終未達到報警闊值或者各級報警儀均發(fā)生失效的情況，賦予一個 懲罰值； 確定考慮報警儀表決邏輯W及懲罰值的單個泄漏場景實時后果嚴重程度； (7) W布置決策風險最小為優(yōu)化目標，W報警儀布置數(shù)量為約束條件，W報警儀布置備 選點的選擇與否作為二元決策變量，建立氣體檢測報警儀選址布置優(yōu)化模型； 對優(yōu)化模型進行求解，在備選檢測點中選出最優(yōu)布置方案。2. 如權利要求1所述的一種考慮多因素的煉油裝置氣體檢測報警儀選址布置方法，其 特征是，所述步驟（1)中，每個泄漏場景包括泄漏源位置、泄漏源孔徑、泄漏流速、風速、風向 和該場景的發(fā)生頻率。3. 如權利要求1所述的一種考慮多因素的煉油裝置氣體檢測報警儀選址布置方法，其 特征是，所述步驟(4)中， 針對可燃氣體，依據(jù)可燃濃度范圍劃定可燃氣云范圍，W可燃氣云體積表征可燃氣體 泄漏場景i的實時后果嚴重程度化(t); 針對有毒氣體泄漏，結合毒物劑量-反應模型采用式定義有毒氣體泄漏場景i的實時后 果嚴重程度化(t);針對有毒氣體泄漏，Di(t)的計算方法：其中節(jié)為備選點j在泄漏t時刻的概率變量;t為暴露時間，min; A T為時間間隔，min; A， B為毒物的性質常數(shù);η為濃度指數(shù);C為備選點j在泄漏τ時刻的濃度；其中，為備選點j在泄漏t時刻的死亡概率;W是一個積分變量；其中，Di(t)為第i個場景在泄漏t時刻的后果嚴重程度;J為備選點總數(shù)；As為網(wǎng)格點代 表單位面積。4. 如權利要求1所述的一種考慮多因素的煉油裝置氣體檢測報警儀選址布置方法，其 特征是，所述步驟巧）中，設定在R個報警儀梯級中只有k個報警儀均報警才能對一個泄漏場 景進行確認。5. 如權利要求1所述的一種考慮多因素的煉油裝置氣體檢測報警儀選址布置方法，其 特征是，假設報警儀不可用的概率均為q，且各報警儀相對獨立，則在koo(R+l)表決邏輯下， 報警儀在r級成功檢測的概率為：其中，Prk表示在koo(R+l)表決邏輯下，報警儀在r級成功檢測的概率;q表示報警儀不可 用的概率; < 表示r中選r-k+1的組合數(shù)。6. 如權利要求1所述的一種考慮多因素的煉油裝置氣體檢測報警儀選址布置方法，其 特征是，所述步驟(6)中，確定考慮報警儀表決邏輯W及懲罰值的單個泄漏場景實時后果嚴 重程度具體為：其中，ti,r為在場景i下第r級備選點達到報警闊值的時間;Di(ti,r)為ti,r時刻場景i的后 果;Pfk表示在k〇0(R+l)表決邏輯下，報警儀在r級成功檢測的概率;Dmax,i為懲罰值，取場景 泄漏擴散穩(wěn)態(tài)時刻的后果。7. 如權利要求1所述的一種考慮多因素的煉油裝置氣體檢測報警儀選址布置方法，其 特征是，建立的氣體檢測報警儀選址布置優(yōu)化模型具體為：其中，i為泄漏場景編號；I為泄漏場景總數(shù);Pi為第i個場景的發(fā)生概率;j為報警儀布置 備選點編號;Li為在場景i下達到報警闊值的布置備選點集合;為在場景i下第j個備選 點達到報警闊值的時間;Di(tij)為ti,擁刻場景i的各級后果;刮為布置方案的二元決策向 量，取1表示該備選點布置報警儀，取0則表示該備選點不布置報警儀;Yi, W表示備選點j在r 級檢測場景i時為1，否則為〇;P為報警儀布置數(shù)量約束。
【文檔編號】G06F17/50GK106096104SQ201610389149
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月2日 公開號201610389149.2, CN 106096104 A, CN 106096104A, CN 201610389149, CN-A-106096104, CN106096104 A, CN106096104A, CN201610389149, CN201610389149.2
【發(fā)明人】章博, 王志剛, 慕超, 董立超, 劉悅
【申請人】中國石油大學(華東)