陈丙珍院士谈化工安全系统的信息化支撑技术

化工安全系统的信息化支撑技术化工安全系统的信息化支撑技术化工安全系统的信息化支撑技术化工安全系统的信息化支撑技术陈陈陈陈丙丙丙丙珍珍珍珍清华大学化学工程系清华大学化学工程系清华大学化学工程系清华大学化学工程系报告内容报告内容报告内容报告内容�背景背景背景背景�本质安全过程设计多稳态，稳定性,,,,可控性，多目标优化�异常工况早期诊断�事故仿真�结束语结束语结束语结束语现有装备老化严重现有装备老化严重现有装备老化严重现有装备老化严重安全监控及应急水平低安全监控及应急水平低安全监控及应急水平低安全监控及应急水平低装置规模逐年增大装置规模逐年增大装置规模逐年增大装置规模逐年增大事故高发课题背景课题背景课题背景课题背景课题背景课题背景课题背景课题背景�我国第一次将安全发展与节约发展、清洁发展和可持续发展紧密联系在一起，共同构成科学发展观的重要内容。�安全发展为过程系统工程学科的发展提供了一个重大发展机遇如何实现石油化学工业的安全发展这一关键问题如何实现石油化学工业的安全发展这一关键问题如何实现石油化学工业的安全发展这一关键问题如何实现石油化学工业的安全发展这一关键问题•做什么？做什么？做什么？做什么？•怎么做？怎么做？怎么做？怎么做？课题背景课题背景课题背景课题背景过程设计运行生产运输储存和使用根本解决安全问题，必须从过程设计入手。化工过程全生命周期的安全问题化工过程全生命周期的安全问题化工过程全生命周期的安全问题化工过程全生命周期的安全问题应急预案本质安全设计危险预警柔性可控性泄露扩散模型多目标优化数据校正故障诊断稳定性人员疏散模型地理信息系统厂区布局图化工安全系统信息化支撑技术平台化工安全系统信息化支撑技术平台HAZOPHAZOPHAZOPHAZOP分析动态模拟本质安全过程设计本质安全过程设计本质安全过程设计本质安全过程设计有无可能设计/改造出一个在一定程度上能承受不确定参数变化的过程？挑战8本质安全过程设计本质安全过程设计本质安全过程设计本质安全过程设计稳态解和稳定性稳态解和稳定性稳态解和稳定性稳态解和稳定性�稳态解(,)ddt=xxxxFxFxFxFxαααα=0000αααααααα0000x=xx=xx=xx=x00000000F(x,F(x,F(x,F(x,αααα)=0)=0)=0)=00000xxxx(,)ddt=xxxxFxFxFxFxαααα=0000αααααααα(,)ddt⎧=⎪⎨⎪⎩0000xxxxFxFxFxFxααααx(0)=x+x(0)=x+x(0)=x+x(0)=x+ΔΔΔΔxxxx0000xxxxΔΔΔΔxxxx()txxxxlim()tt→∞=0000xxxxxxxx0000xxxx对于动态系统当的稳态解是当稳态解小的扰动如果是一个稳定的稳态解微分方程的解�稳定性时时同伦延拓同伦延拓同伦延拓同伦延拓((((homotopyhomotopyhomotopyhomotopycontinuation)continuation)continuation)continuation)法法法法(,)HλzzzzFrom：://www.umbc.edu/://www.umbc.edu/HomotopyHomotopyHomotopyHomotopy-continuation-continuation-continuation-continuationλ()0P=zzzz()0P=zzzz(,)()(1)()HQPλλλ=−+zzzzzzzzzzzz(0,)()(1,)()HQHP==zzzzzzzzzzzzzzzz()0Q=zzzz(,)0Hλ=zzzz求同伦算法的思想是人为地引入一个参数使得假设的解已知，从=0出发可以求解的解构造一个函数族λ当=1时求解出λ稳态解构成的空间曲面稳态解构成的空间曲面稳态解构成的空间曲面稳态解构成的空间曲面产物浓度与进料流量，冷却水流量的关系。稳定性分析稳定性分析稳定性分析稳定性分析�系统的稳定性是指系统自身对微小扰动的忍耐能力。�对于线性微分方程组，矩阵所有特征值的实部小于0，则微分方程组的解随时间增加逐渐趋于一个数值，此时系统是稳定的。�可以由特征值来判断系统稳定性。min0020000110000*0()()()()(0.5)()()()2mmpfmmIIinIIIIpminjpptctdfmmmpfmmjcwwjjwpwIItdCFCCkkCPdtVFCFCdCkCdtVHkCFTTdTUAPTTdtCCVVdDFDkkPkCPdtVdDFDMkkCPdtVdTFTTUATTdtVCVfCkPkρρρ−=−++−=−+−∆−=−−+=++−=+−−−=+=,,,,,rdtcERTrrkkAerpfmItdtc−+==A.Silva-BeardandA.Flores-Tlacuahuac,Effectofprocessdesign/operationonthesteady-stateoperabilityofamethylmethacrylatepolymerizationreactor,Ind.Eng.Chem.Res,vol.38,pp.4790-4804,1999.ModelofMMAModelofMMAModelofMMAModelofMMA�对于用数值描述的化工过程，如果能确定关对于用数值描述的化工过程，如果能确定关对于用数值描述的化工过程，如果能确定关对于用数值描述的化工过程，如果能确定关键参数合适的操作区间，就可以选取合适的键参数合适的操作区间，就可以选取合适的键参数合适的操作区间，就可以选取合适的键参数合适的操作区间，就可以选取合适的操作点。这样设计出来的化工过程本质上就操作点。这样设计出来的化工过程本质上就操作点。这样设计出来的化工过程本质上就操作点。这样设计出来的化工过程本质上就会更安全。会更安全。会更安全。会更安全。12112()()()()()()()()()()()()()AAfAABBfBBAABfABccccfcccccdCQCCkTCdtVdCQCCkTCkTCdtVHHdTQUATTkTCkTCTTdtVCpCpCpVdTQUATTTTdtVCpVρρρρ=−−=−−+−∆−∆=−++−−=−+−化学反应的稳定性分区化学反应的稳定性分区化学反应的稳定性分区化学反应的稳定性分区例：全混釜放热串级反应ABC→→进料A产物B、C冷却水012345678900.10.20.30.40.50.60.70.80.9q()x2(B)qc=0.3()稳定区稳定区非稳定区16反应方程反应方程反应方程反应方程2()()()())()()()dptERTddERTppERTttdIPtiIftIIdIprmMftMMpMPprtfmMftMpMPcprppccfcccccpcckAekAekAefkCCkFCFCdCkCdtVFCFCdCkCCdtVFTTHFCFCdThAkCCTTdtVccVFTTdThATTdtVcVρρρ−−−====−=−−=−−−∆−=+−−−=+−稳态解与稳定性分析工具稳态解与稳定性分析工具稳态解与稳定性分析工具稳态解与稳定性分析工具V.Prasad,M.Schley,L.Russo,andB.WayneBequette,Productpropertyandproductionratecontrolofstyrenepolymerization,JournalofProcessControl,vol.12,pp.353-372,2002.OOOOnOOOO+OO+OO聚苯乙烯过程的模型*Ft*CI-0.595e15*exp(-0.14897e5/T)*CI,dCM/dt=0.349125e-2-0.3333333333e0*Ft*CM-0.2533377824e11*exp(-0.3557e4/T)*CM*(exp(-0.14897e5/T)*CI/exp(-0.843e3/T))^0.5e0,dT/dt=0.3333333333e0*Ft*(0.30671e3-T)+0.1175205824e13*exp(-0.3557e4/T)*CM*(exp(-0.14897e5/T)*CI/exp(-0.843e3/T))^0.5e0-0.6481481480e-3*T+0.6481481480e-3*Tc,dTc/dt=0.3019323671e0*Fc*(0.29485e3-Tc)+0.2187236438e-3*T-0.2187236438e-3*Tc实线：稳定的稳态解虚线：不稳定的稳态解S&SATS&SATS&SATS&SAT（Steadyandstabilityanalysistool）图1111反应器温度随单体流量变化关系图2222冷却夹套温度随单体流量变化关系图3333单体浓度随单体流量变化关系图4444引发剂浓度随单体流量变化关系，系统在不确定性参数一定变化程度的影响下仍能维持过程稳态操作的能力。（在可行域内操作，满足所有的约束条件）柔性问题柔性分析柔性分析柔性分析柔性分析�其中不确定参数的变化范围（也即柔性区）可以描述为以标称值为中心，正负偏差大小为，（为事先人为给定或按几率分布给定）的超矩形（Grossmann,1983）{}+−∆+≤≤∆−=θδθθθδθθδNNT)(θ∆柔性区柔性分析柔性分析柔性分析柔性分析可行区换热网络(不确定参数T3T5)柔性分析柔性分析柔性分析柔性分析可行域((((当QQQQCCCC为可调的控制变量))))柔性分析柔性分析柔性分析柔性分析本质安全过程设计多目标优化本质安全过程设计多目标优化本质安全过程设计多目标优化本质安全过程设计多目标优化�对策::::各个目标的模型（量化）–利润–柔性–可控性–安全性SamMannan,TexasA&MUniv.,WarrenSeader,PynnsylvaniaUniv.TrevorKletz,,LoughboroughUniv.,England本质安全过程设计多目标优化本质安全过程设计多目标优化本质安全过程设计多目标优化本质安全过程设计多目标优化�过程设计阶段若能同时考虑过程的经济性、可控过程设计阶段若能同时考虑过程的经济性、可控过程设计阶段若能同时考虑过程的经济性、可控过程设计阶段若能同时考虑过程的经济性、可控性、安全性和柔性的多目标优化，则可保证所设性、安全性和柔性的多目标优化，则可保证所设性、安全性和柔性的多目标优化，则可保证所设性、安全性和柔性的多目标优化，则可保证所设计流程具有多种优异特性。计流程具有多种优异特性。计流程具有多种优异特性。计流程具有多种优异特性。经济性目标经济性目标经济性目标经济性目标：：：：可控性目标：可控性目标：可控性目标：可控性目标：安全性目标：安全性目标：安全性目标：安全性目标：柔性目标：柔性目标：柔性目标：柔性目标：=(1-)(-)-TCIPItSCiC×processprocessCImax/minλλ=RLRLFI=(FI+FI)/2-|FIFI|−processzerodynamicsS/QwRe{RHP}+Re{RHP}λλ=×多目标优化算法多目标优化算法多目标优化算法多目标优化算法�多目标优化研究热点：给出尽量完备的协商解多目标优化研究热点：给出尽量完备的协商解多目标优化研究热点：给出