本發(fā)明屬于爆炸風(fēng)險評估技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種基于云計算的化工裝置爆炸風(fēng)險評估控制系統(tǒng)。
背景技術(shù):
化工設(shè)備(英文名稱chemicalequipment)是化工機(jī)械(chemicanlmachinery)的一部分,化工機(jī)械包括兩部分,其一是化工機(jī)器,主要是指諸如流體輸送的風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、各種泵等設(shè)備,其主要部件是運(yùn)動的機(jī)械,一般稱為化工機(jī)器。其二是化工設(shè)備主要是指部件是靜止的機(jī)械,諸如塔器等分離設(shè)備,容器、反應(yīng)器設(shè)備等,有時也稱為非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。化工機(jī)械與其他機(jī)械的劃分不是很嚴(yán)格的,例如一些用于化工過程的機(jī)泵,也是其他工業(yè)部門采用的通用設(shè)備。同樣在化工過程中化工機(jī)器和化工設(shè)備間也沒有嚴(yán)格的區(qū)分。例如一些反應(yīng)器也常常裝有運(yùn)動的機(jī)器。
綜上所述,現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是:傳統(tǒng)方法(如tnt當(dāng)量法以及multi-energy方法等)存在的局限性、不直觀、準(zhǔn)確度及表現(xiàn)力不足、不能進(jìn)行爆炸近場預(yù)測。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題,本發(fā)明提供了一種基于云計算的化工裝置爆炸風(fēng)險評估控制系統(tǒng)。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的,一種基于云計算的化工裝置爆炸風(fēng)險評估控制系統(tǒng),所述基于云計算的化工裝置爆炸風(fēng)險評估控制系統(tǒng)包括:
極限壓力獲得模塊,用于利用現(xiàn)場氣象資料及所述化工裝置的周邊環(huán)境獲得的數(shù)據(jù)計算不同場景情況下所述化工裝置發(fā)生爆炸時的極限壓力;
爆炸概率獲得模塊,與極限壓力獲得模塊連接,用于利用生產(chǎn)中的實(shí)際數(shù)據(jù)計算獲得所述化工裝置發(fā)生爆炸事故的爆炸概率;
云計算模塊,與爆炸概率獲得模塊連接,用于獲取極限壓力獲得模塊和爆炸概率獲得模塊的信息,計算爆炸風(fēng)險的概率;
風(fēng)險性評估模塊,與云計算模塊連接,用于利用云計算模塊獲得的化工裝置發(fā)生爆炸時的極限壓力和化工裝置發(fā)生爆炸事故的爆炸概率形成累積概率-爆炸后果評估曲線,最終對化工裝置的爆炸風(fēng)險性進(jìn)行評估;風(fēng)險性評估模塊采用定量化與定性分析相結(jié)合,結(jié)合工程實(shí)際建立評價集,建立綜合評價判斷矩陣,根據(jù)每一失效因素對化工裝置的損傷率及其對化工裝置安全影響的權(quán)重計算總的損傷率,摒棄采用單一角度評定、過分依賴或現(xiàn)場數(shù)據(jù)的方式,綜合考慮影響在役化工裝置安全性的所有主要因素,并明確各影響的相互聯(lián)系,作出綜合性安全評價;在役化工裝置失效因素評定包括:
平面缺陷的斷裂評定,評定方法為采用失效評定圖的方法進(jìn)行,失效評定曲線方程為:
垂直線的方程為:
對奧氏體不銹鋼,
對無屈服平臺的低碳鋼及奧氏體不銹鋼焊縫,
對無屈服平臺的低合金鋼及其焊縫,
對于具有長屈服平臺的材料,
對于不能按鋼材類別確定
平面缺陷的疲勞評定方法:
平首先依據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dn與裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子變化幅度δk關(guān)系式
風(fēng)險性評估模塊,對化工裝置的爆炸風(fēng)險性進(jìn)行評估具體包括:建立因素集:
影響在役化工裝置的各種參數(shù)組成因素集合,取二級因素u={u1,u2,u3,u4}={缺陷,重要部件,材質(zhì),內(nèi)部環(huán)境},u1={u11,u12}={平面缺陷的斷裂失效,平面缺陷的疲勞失效},u2={u21,u22,u23,u24}={膠芯,活塞,密封圈,液壓控制油路},u3={u31,u32,u33}={材料加工質(zhì)量,材料機(jī)械性能,設(shè)計合理性},u4={u41,u42,u43}={壓力,溫度,腐蝕性};
建立評價集:
為了對各評價指標(biāo)進(jìn)行定量分析需要確定各指標(biāo)的評價集,采用5級百分制評價把評價集v劃分5個評價等級,即v={v1,v2,v3,v4,v5}={極小,很小,小,較大,大},其中v1為在役化工裝置多因素失效危險性極小,評分區(qū)間為90~100,中值為95;v2為危險性很小,評分區(qū)間為80~89,中值為84.5;依此類推;選擇各區(qū)間的中值作為等級的參數(shù),則5個等級所對應(yīng)的參數(shù)為{95,84.5,74.5,64.5,49.5},參數(shù)列向量為ν={95,84.5,74.5,64.5,49.5}t;
建立權(quán)重集:
(1)建立遞階層次結(jié)構(gòu):
根據(jù)建立的在役化工裝置評價因素集即評價指標(biāo)體系,將問題所包含的各因素分為四個層次:第一層是評價的總目標(biāo)層g,即在役化工裝置綜合安全;第二層是準(zhǔn)則層c,即缺陷,重要部件,材質(zhì)和內(nèi)部環(huán)境;最后將個具體指標(biāo)作為第三層,即指標(biāo)層p;
(2)構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣:
根據(jù)1~9標(biāo)度法逐層對各個要素兩兩之間進(jìn)行重要性程度賦值,構(gòu)造判斷矩陣u=(uij)n×n,其中uij表示因素ui和uj相對于準(zhǔn)則層的重要值,矩陣u具有性質(zhì):uii=1,uij=1/uji,i,j=1,2,…,n,得出判斷矩陣:將矩陣x1~x5按列歸一化,即:
計算出矩陣y為:
(3)單一準(zhǔn)則下元素相對權(quán)重的計算:
將y矩陣按行相加,由公式
w1=(2.6520.6860.2530.409)t
w2=(11)t
w3=(1.2730.3710.2212.135)t
w4=(1.90.3190.781)t
w5=(2.1210.6040.275)t
將得到的和向量進(jìn)行歸一化處理,由公式
(4)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn):
計算判斷矩陣的最大特征根λmax,由公式
根據(jù)公式
ci1=0.019
ci2=0
ci3=0.031
ci4=0.020
ci5=0.048
由公式
cr1=0.022
cr2=0
cr3=0.035
cr4=0.038
cr5=0.092
cr<0.1,均滿足一致性要求,因此各因素的相對權(quán)重
隸屬度計算:
多位使用頻數(shù)統(tǒng)計法,對被評價的各項(xiàng)指標(biāo)按評價集對在役化工裝置各項(xiàng)指標(biāo)的危險程度進(jìn)行評級,得到因素集的隸屬度:
確定評判隸屬矩陣:
由得到第k個因素集的相對隸屬度矩陣:
其中:
式中:rk—第k個因素集的相對隸屬度矩陣;
rkij—第k個因素集的第i個因素屬于評價集中的j的隸屬度;
pkij—組成員對第k個因素集的第i個因素指標(biāo)評級為j的頻數(shù);
存儲器,與風(fēng)險性評估模塊連接,用于對風(fēng)險性評估模塊的評估結(jié)果進(jìn)行存儲。
進(jìn)一步,所述極限壓力獲得模塊的超壓值計算方法包括:
δp=δp°
r表示目標(biāo)與爆炸中心距離,m;r°表示目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心的相當(dāng)距離,m;q°表示基準(zhǔn)爆炸能量,tnt,kg;q表示爆炸時產(chǎn)生沖擊波消耗的能量,tnt,kg;δp表示目標(biāo)處的解壓,mpa;δp°表示基準(zhǔn)目標(biāo)處的超壓mpa;α表示炸藥爆炸實(shí)驗(yàn)?zāi)M比。
所述極限壓力獲得模塊進(jìn)一步包括:
三維模型的建立模塊,運(yùn)用三維建模技術(shù)構(gòu)建所述化工裝置的三維模型;
化工裝置內(nèi)風(fēng)場分析以及通風(fēng)換氣分析模塊,根據(jù)所述化工裝置周邊環(huán)境以及現(xiàn)場氣象資料,在計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)風(fēng)場分析以及通風(fēng)換氣分析;
泄漏擴(kuò)散后果評估模塊,通過對所述風(fēng)場分析以及通風(fēng)換氣分析步驟獲得的風(fēng)場及通風(fēng)換氣數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類,再使其結(jié)合化工裝置特點(diǎn)選擇不同的泄漏點(diǎn)、泄漏量、泄漏時間、泄漏物質(zhì),利用三維數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)泄漏場景模擬分析與計算,得出其最壞情況下的工藝氣泄漏場景以及影響區(qū)域;
爆炸后果評估模塊,在所述泄漏擴(kuò)散后果評估步驟獲得的氣云尺寸上,設(shè)定不同的點(diǎn)火源及點(diǎn)火位置,建立三維爆炸事故場景,得出所述化工裝置在不同位置處的爆炸極限壓力。
所述爆炸概率獲得模塊進(jìn)一步包括:
風(fēng)向頻率獲得模塊,綜合分析當(dāng)?shù)仫L(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù),按照0~1m/s、1~2m/s、2~3m/s、3~5m/s、5~7m/s、7~10m/s,>10m/s等級別,每30°風(fēng)向進(jìn)行各個風(fēng)向頻率統(tǒng)計計算,利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)給出各種風(fēng)速風(fēng)向頻率分布;
泄漏概率獲得模塊,利用事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫結(jié)合設(shè)備失效頻率數(shù)據(jù)庫,按照失效概率求和的方式得到化工裝置發(fā)生泄漏的概率。
平面缺陷的疲勞評定采用構(gòu)造的模糊評判矩陣進(jìn)行評判結(jié)果,具體包括:
由各指標(biāo)的權(quán)向量
計算綜合評判結(jié)果:
由模糊評判矩陣b和評價集的參數(shù)列向量,可求得綜合評判結(jié)果z;
z=b·v
由上式可得到模糊綜合評價的結(jié)果,再根據(jù)評價等級規(guī)定,可以評定在役化工裝置多因素失效危險性大小。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為:本發(fā)明可以解決傳統(tǒng)方法(如tnt當(dāng)量法以及multi-energy方法等)存在的局限性、不直觀、準(zhǔn)確度及表現(xiàn)力不足、不能進(jìn)行爆炸近場預(yù)測的問題,考慮了爆炸事故發(fā)生發(fā)展的過程,并結(jié)合事故發(fā)生概率等因素的影響,能夠全面的考慮化工裝置的爆炸風(fēng)險,結(jié)果更加合理準(zhǔn)確。更加適用于管道密集、裝置繁多的化工廠區(qū)爆炸風(fēng)險評估以及爆炸風(fēng)險性的確定。
本發(fā)明提供的安全評價方法,克服不能動態(tài)檢測災(zāi)害趨勢的困難,能更好、更準(zhǔn)確的及時發(fā)現(xiàn)災(zāi)害,做到提前預(yù)防;采用模糊綜合評價系統(tǒng),定量化與定性分析相結(jié)合,結(jié)合工程實(shí)際建立評價集,建立綜合評價判斷矩陣,根據(jù)每一失效因素對化工裝置的損傷率及其對化工裝置安全影響的權(quán)重計算總的損傷率,摒棄采用單一角度評定、過分依賴或現(xiàn)場數(shù)據(jù)的方式,綜合考慮影響在役化工裝置安全性的所有主要因素,并明確各影響的相互聯(lián)系,在此基礎(chǔ)上作出綜合性安全評價;不僅能正確得出是否能安全工作的結(jié)論,還能解決安全程度的問題;簡化評價過程,消除評價的主觀隨意性,本發(fā)明的可靠性高、可操作性好,使評估結(jié)果能更客觀真實(shí)地反映化工裝置實(shí)際。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于云計算的化工裝置爆炸風(fēng)險評估控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖中:1、極限壓力獲得模塊;2、爆炸概率獲得模塊;3、云計算模塊;4、風(fēng)險性評估模塊;5、存儲器。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合實(shí)施例,對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。
如圖1所示,本發(fā)明實(shí)施例提供的基于云計算的化工裝置爆炸風(fēng)險評估控制系統(tǒng)包括:
極限壓力獲得模塊1,用于利用現(xiàn)場氣象資料及所述化工裝置的周邊環(huán)境獲得的數(shù)據(jù)計算不同場景情況下所述化工裝置發(fā)生爆炸時的極限壓力;
爆炸概率獲得模塊2,與極限壓力獲得模塊1連接,用于利用生產(chǎn)中的實(shí)際數(shù)據(jù)計算獲得所述化工裝置發(fā)生爆炸事故的爆炸概率;
云計算模塊3,與爆炸概率獲得模塊2連接,用于獲取極限壓力獲得模塊和爆炸概率獲得模塊的信息,計算爆炸風(fēng)險的概率;
風(fēng)險性評估模塊4,與云計算模塊3連接,用于利用云計算模塊獲得的化工裝置發(fā)生爆炸時的極限壓力和化工裝置發(fā)生爆炸事故的爆炸概率形成累積概率-爆炸后果評估曲線(即qra風(fēng)險評估中使用的f-n曲線),最終對所述化工裝置的爆炸風(fēng)險性進(jìn)行評估。風(fēng)險性評估模塊采用定量化與定性分析相結(jié)合,結(jié)合工程實(shí)際建立評價集,建立綜合評價判斷矩陣,根據(jù)每一失效因素對化工裝置的損傷率及其對化工裝置安全影響的權(quán)重計算總的損傷率,摒棄采用單一角度評定、過分依賴或現(xiàn)場數(shù)據(jù)的方式,綜合考慮影響在役化工裝置安全性的所有主要因素,并明確各影響的相互聯(lián)系,作出綜合性安全評價;在役化工裝置失效因素評定包括:
平面缺陷的斷裂評定,評定方法為采用失效評定圖的方法進(jìn)行,失效評定曲線方程為:
垂直線的方程為:
對奧氏體不銹鋼,
對無屈服平臺的低碳鋼及奧氏體不銹鋼焊縫,
對無屈服平臺的低合金鋼及其焊縫,
對于具有長屈服平臺的材料,
對于不能按鋼材類別確定
平面缺陷的疲勞評定方法:
平首先依據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dn與裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子變化幅度δk關(guān)系式
風(fēng)險性評估模塊,對化工裝置的爆炸風(fēng)險性進(jìn)行評估具體包括:建立因素集:
影響在役化工裝置的各種參數(shù)組成因素集合,取二級因素u={u1,u2,u3,u4}={缺陷,重要部件,材質(zhì),內(nèi)部環(huán)境},u1={u11,u12}={平面缺陷的斷裂失效,平面缺陷的疲勞失效},u2={u21,u22,u23,u24}={膠芯,活塞,密封圈,液壓控制油路},u3={u31,u32,u33}={材料加工質(zhì)量,材料機(jī)械性能,設(shè)計合理性},u4={u41,u42,u43}={壓力,溫度,腐蝕性};
建立評價集:
為了對各評價指標(biāo)進(jìn)行定量分析需要確定各指標(biāo)的評價集,采用5級百分制評價把評價集v劃分5個評價等級,即v={v1,v2,v3,v4,v5}={極小,很小,小,較大,大},其中v1為在役化工裝置多因素失效危險性極小,評分區(qū)間為90~100,中值為95;v2為危險性很小,評分區(qū)間為80~89,中值為84.5;依此類推;選擇各區(qū)間的中值作為等級的參數(shù),則5個等級所對應(yīng)的參數(shù)為{95,84.5,74.5,64.5,49.5},參數(shù)列向量為ν={95,84.5,74.5,64.5,49.5}t;
建立權(quán)重集:
(1)建立遞階層次結(jié)構(gòu):
根據(jù)建立的在役化工裝置評價因素集即評價指標(biāo)體系,將問題所包含的各因素分為四個層次:第一層是評價的總目標(biāo)層g,即在役化工裝置綜合安全;第二層是準(zhǔn)則層c,即缺陷,重要部件,材質(zhì)和內(nèi)部環(huán)境;最后將個具體指標(biāo)作為第三層,即指標(biāo)層p;
(2)構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣:
根據(jù)1~9標(biāo)度法逐層對各個要素兩兩之間進(jìn)行重要性程度賦值,構(gòu)造判斷矩陣u=(uij)n×n,其中uij表示因素ui和uj相對于準(zhǔn)則層的重要值,矩陣u具有性質(zhì):uii=1,uij=1/uji,i,j=1,2,…,n,得出判斷矩陣:將矩陣x1~x5按列歸一化,即:
計算出矩陣y為:
(3)單一準(zhǔn)則下元素相對權(quán)重的計算:
將y矩陣按行相加,由公式
w1=(2.6520.6860.2530.409)t
w2=(11)t
w3=(1.2730.3710.2212.135)t
w4=(1.90.3190.781)t
w5=(2.1210.6040.275)t
將得到的和向量進(jìn)行歸一化處理,由公式
(4)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn):
計算判斷矩陣的最大特征根λmax,由公式
根據(jù)公式
ci1=0.019
ci2=0
ci3=0.031
ci4=0.020
ci5=0.048
由公式
cr1=0.022
cr2=0
cr3=0.035
cr4=0.038
cr5=0.092
cr<0.1,均滿足一致性要求,因此各因素的相對權(quán)重
隸屬度計算:
多位使用頻數(shù)統(tǒng)計法,對被評價的各項(xiàng)指標(biāo)按評價集對在役化工裝置各項(xiàng)指標(biāo)的危險程度進(jìn)行評級,得到因素集的隸屬度:
確定評判隸屬矩陣:
由得到第k個因素集的相對隸屬度矩陣:
其中:
式中:rk—第k個因素集的相對隸屬度矩陣;
rkij—第k個因素集的第i個因素屬于評價集中的j的隸屬度;
pkij—組成員對第k個因素集的第i個因素指標(biāo)評級為j的頻數(shù)。
存儲器5,與風(fēng)險性評估模塊4連接,用于對風(fēng)險性評估模塊4的評估結(jié)果進(jìn)行存儲。
所述極限壓力獲得模塊1的超壓值計算方法包括:
δp=δp°
r表示目標(biāo)與爆炸中心距離,m;r°表示目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心的相當(dāng)距離,m;q°表示基準(zhǔn)爆炸能量,tnt,kg;q表示爆炸時產(chǎn)生沖擊波消耗的能量,tnt,kg;δp表示目標(biāo)處的解壓,mpa;δp°表示基準(zhǔn)目標(biāo)處的超壓mpa;α表示炸藥爆炸實(shí)驗(yàn)?zāi)M比。
所述極限壓力獲得模塊1進(jìn)一步包括如下模塊:
三維模型的建立模塊,運(yùn)用三維建模技術(shù)構(gòu)建所述化工裝置的三維模型;
化工裝置內(nèi)風(fēng)場分析以及通風(fēng)換氣分析模塊,根據(jù)所述化工裝置周邊環(huán)境以及現(xiàn)場氣象資料,在計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)風(fēng)場分析以及通風(fēng)換氣分析;
泄漏擴(kuò)散后果評估模塊,通過對所述風(fēng)場分析以及通風(fēng)換氣分析步驟獲得的風(fēng)場及通風(fēng)換氣數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類,再使其結(jié)合化工裝置特點(diǎn)選擇不同的泄漏點(diǎn)、泄漏量、泄漏時間、泄漏物質(zhì)等,利用三維數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)泄漏場景模擬分析與計算,得出其最壞情況下的工藝氣泄漏場景以及影響區(qū)域;
爆炸后果評估模塊,在所述泄漏擴(kuò)散后果評估步驟獲得的氣云尺寸上,設(shè)定不同的點(diǎn)火源及點(diǎn)火位置,建立三維爆炸事故場景,得出所述化工裝置在不同位置處的爆炸極限壓力。
所述爆炸概率獲得模塊2進(jìn)一步包括如下模塊:
風(fēng)向頻率獲得模塊,綜合分析當(dāng)?shù)仫L(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù),按照0~1m/s、1~2m/s、2~3m/s、3~5m/s、5~7m/s、7~10m/s,>10m/s等級別,每30°風(fēng)向進(jìn)行各個風(fēng)向頻率統(tǒng)計計算,利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)給出各種風(fēng)速風(fēng)向頻率分布;
泄漏概率獲得模塊,利用事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫結(jié)合設(shè)備失效頻率數(shù)據(jù)庫,按照失效概率求和的方式(即把計算區(qū)域內(nèi)的每個裝置、設(shè)備、閥門等的失效概率加到一起)得到所述化工裝置發(fā)生泄漏的概率。
平面缺陷的疲勞評定采用構(gòu)造的模糊評判矩陣進(jìn)行評判結(jié)果,具體包括:
由各指標(biāo)的權(quán)向量
計算綜合評判結(jié)果:
由模糊評判矩陣b和評價集的參數(shù)列向量,可求得綜合評判結(jié)果z;
z=b·v
由上式可得到模糊綜合評價的結(jié)果,再根據(jù)評價等級規(guī)定,可以評定在役化工裝置多因素失效危險性大小。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。