【摘 要】
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海洋石油生产是一个具有高风险的作业过程,而大部分的碳氢化合物爆炸和火灾事故与可燃气体的意外释放有关。气体检测系统是工艺设备中预防火灾爆炸事故的重要环节。为了实现早期检测,气体探测器的正确放置成为探测器系统设计中的一个主要问题。然而,气体检测系统的实际性能仍然不尽如人意。为了保障海洋生产的安全并且充分利用气体探测系统这些经济资源,本文结合校自主创新科研项目,系统提出了一套高效的考虑多目标的海洋平台危
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海洋石油生产是一个具有高风险的作业过程,而大部分的碳氢化合物爆炸和火灾事故与可燃气体的意外释放有关。气体检测系统是工艺设备中预防火灾爆炸事故的重要环节。为了实现早期检测,气体探测器的正确放置成为探测器系统设计中的一个主要问题。然而,气体检测系统的实际性能仍然不尽如人意。为了保障海洋生产的安全并且充分利用气体探测系统这些经济资源,本文结合校自主创新科研项目,系统提出了一套高效的考虑多目标的海洋平台危险气体探测器选址优化方案,具体内容如下:1、海洋平台气体泄漏场景集构建方法分析海洋平台生产工艺特点,通过工艺危害分析和HSE数据库相结合,识别出潜在泄漏源,建立了泄漏源集,并得到泄漏源的泄漏概率;结合气象资料的历史数据,定量构建出了海上平台的风场集,并使用了风场联合分布概率预测风场的概率;随机组合泄漏源集与风场集,从而构建出完整的气体泄漏事故场景集;基于工程计算的经济性与准确性考量,根据场景的发生概率以及K-means聚类分析方法筛选除最终的场景。2、基于CFD的海上平台危险气体泄漏模拟本章采用Gambit和Fluent软件,基于上章建立的123种气体泄漏事故场景,建立了海洋平台上乙烷的泄漏扩散CFD模型,设定边界条件,布置监测点,并且为确定最佳的网格数量进行了网格无关性分析。采用建立的CFD模型进行数值模拟得到了泄漏扩散浓度场。记录浓度和时间的变化规律,为下一步优化检测器布置提供定量数据。3、建立预测探测器报警时间的人工神经网络ANN模型CFD计算成本大且耗时,考虑能直接基于上述建立的场景得到后续优化所需数据。因此以构成场景的元素和探测器为输入变量,模拟得到的有效检测时间为输出变量,设计建立了一个基于ANN的快速预测模型构建输入变量与输出变量的联系,无须经过CFD复杂模拟。并且通过训练集和测试集的比较验证ANN回归的准确性,从而得到可以快速预测探测器报警时间的ANN模型。4、气体探测器多目标布置优化模型及求解算法根据风险三元组理论,基于P-中值模型的拓展,以上述场景和模拟数据为基础,建立由考虑各场景概率加权下基于探测器可靠性的检测时间最小化、成本收益比最小化、鲁棒性最大化三个优化目标构成的多目标优化模型。开发了适应本研究中特定的多目标问题的NSGA-II算法。在Matlab的全局优化工具箱中实现,最终得到一组能满足多目标优化问题最优条件的Pareto非劣解集,使得决策者能根据自己的喜好选择一种策略。
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