一种气体探测器优化布置方案的实验验证方法技术

本发明专利技术公开了一种气体探测器优化布置方案的实验验证方法，建立石油化工装置危险气体泄漏后果预测的CFD模型，结合拟建实验平台大小得到缩小CFD模型，并搭建实验室验证平台，通过CFD软件对气体泄漏场景集进行模拟，得到所有监测点的浓度数据，利用随机规划方法得到探测器数量不同的优化布置方案；在实验平台中铺满探测器并进行所有泄漏场景的实验，采集探测器实验浓度数据；在一定实验误差范围内，计算优化布置方案检测效果优于同等探测器数量下的其它布置方案，验证优化布置方案的有效性。本发明专利技术通过实验验证减少了算法求解模型得到探测器布置方案的不确定性，验证了布置优化方案的有效性，使求解结果更加贴近装置气体泄漏实际情况。

An experimental verification method for the optimal layout of gas detector

【技术实现步骤摘要】
一种气体探测器优化布置方案的实验验证方法
本专利技术涉及危险气体检测报警仪布置方案验证领域，尤其涉及一种气体探测器优化布置方案的实验验证方法。
技术介绍
在石油化工领域，通常传统的气体检测报警仪布置是基于经验及相关技术标准(如SH3063-1999《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》、GB50493-2009《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》、SY6503-2016《石油天然气工程可燃气体检测报警系统安全规范》等)来确定的。据英国HSE(HealthandSafetyExecutive，UK)碳氢化合物泄漏事故的统计数据表明，气体探测器准确检测泄漏工况的成功率并不理想，如1992-2014年发生的气体泄漏事故中由气体探测器成功检测出的仅占52％。近年来，我国石油化工企业由于危险性气体泄漏发生的事故数量及严重程度均呈现上升态势，这对气体探测系统的可靠程度提出更高的要求。专利技术人发现，在气体探测系统使用过程中，只有气体探测系统成功检测到气体泄漏，才能起到事故预防和风险减缓的效果。而石化装置可能发生的危险气体泄漏事故具有泄漏源、泄漏概率、泄漏流速、气象环境等诸多不确定因素，针对上述不确定条件，在探测器优化布置时常引入随机规划方法，以泄漏风险最小化为优化目标，以探测器数量为约束条件得出优化布置方案。然而该方案是基于优化模型与求解算法所得出的结论，其在真实泄漏条件下的检测效率尚未得到有效验证；难以对探测器优化方案的有效性进行合理有效的实验验证。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种气体探测器优化布置方案的实验验证方法，该方法通过搭建与石油化工装置布局一致的气体泄漏扩散模拟实验室比例缩小模型，进行气体泄漏模拟实验；采集探测器检测到的浓度数据，分析通过随机规划方法得到的探测器布置方案在实验中的检测效率，从而验证探测器布置优化方案的有效性。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种气体探测器优化布置方案的实验验证方法，包括以下步骤：步骤一：建立石油化工装置危险气体泄漏后果预测的三维CFD模型；结合拟建设的验证实验平台大小，对CFD模型按比例进行缩小，得到实验验证装置尺寸，根据实验探测器的高度在CFD模型中预设监测点；以泄漏工况和风场为随机性因素组建危险气体泄漏场景集，利用CFD软件对实验装置中的危险气体泄漏场景进行数值模拟，获得所有泄漏场景中各监测点气体泄漏扩散实时浓度数据；步骤二：设定气体报警浓度阈值C'，以探测器数量为约束条件，构建考虑场景概率加权的累积检测时间最小化模型，通过求解分别得到包含n个探测器的布置方案集合分别选取集合中累积检测时间最小的方案作为该数量下的探测器优选布置方案步骤三：根据步骤一中得到的实验室模型装置尺寸，搭建与气体泄漏CFD模型大小一致的实验验证装置，且在实验装置中确定CFD模型所设置的N个监测点位置，并布置探测器；实验中改变风场和泄漏工况，遍历步骤一中的所有气体泄漏场景；步骤四：采集N个探测器在泄漏过程中检测到的气体浓度；数据处理结果中，以布置方案包含的探测器数量不同，得到N个集合，每个集合中分别有种布置方案，n为布置方案包含的探测器数量；以C'为浓度阈值，考虑场景发生概率，依次求出各集合中每一个布置方案在所有场景下的累积检测时间n为布置方案包含的探测器数量，p为n个探测器所有可能得到的布置方案数量；步骤五：模拟优选布置方案在试验装置中得到累计实验检测时间为optTn(n＝{1，2，3…N})；依次比较optTn与同一集合内其他所有布置方案的时间，计算检测时间大于optTn的布置方案数量在集合中布置方案总数量的占比为An％；循环计算所有集合，得到数组A＝An％(n＝{1，2，3…N})；步骤六：对数组A进行数理统计分析，取均值的置信度为1-α，求得置信区间(XA，XB)，即认为在当前实验条件与实验误差允许范围内，模拟优选布置方案优于同等探测器数量下其他布置方案的优越性在置信度为1-α的置信区间是(XA，XB)，验证了气体探测器优化布置方案的有效性。进一步地，所述步骤一中，CFD模型中监测点的高度设定为实验装置中探测器有效检测面距离实验装置底面的高度；基于世界范围内石油化工装置泄漏事故数据库，计算出各个区域、工艺段和设备泄漏的可能情况，以泄漏工况和风场为随机性因素组合得到模拟气体泄漏场景集。进一步地，所述步骤二中，气体报警浓度阈值C'根据国家及行业相关标准进行设定；为尽可能优化探测器布置位置，得到合适的探测器布置数量，以探测器数量为约束条件，构建考虑场景概率加权的累积检测时间最小化模型式中，I—危险气体泄漏场景集合，Pi—危险气体泄漏场景i的发生概率，I＝{1,2,…,i}；J—探测器的备选点集合，J＝{1,2,…,j}；—在泄漏场景i下探测器j检测到危险气体泄漏工况的时间，此时探测器成功检测的浓度指标为C'；Yi,j—决策变量，探测器成功检测到危险气体泄漏工况的标志，当在泄漏场景i下探测器j率先成功检测报警时取值为1，否则为0；利用算法求解模型得到布置n个探测器的方案集合与集合中每一个布置方案的累积检测时间，选取每一个集合中累积检测时间最小的方案作为布置n个探测器时的优选布置方案，得到累积检测时间为进一步地，所述步骤三中，实验验证装置及内部设备模型的形状、大小与CFD模型大小一致；实验验证装置包括风场系统、气体泄漏系统和数据检测采集系统；风机制造与CFD模拟中风速大小相等、方向相同的风场环境；通气体泄漏系统进行气体泄漏时保证实验区域内气体的泄漏方向、泄漏位置和泄漏量与CFD模型一致；数据检测采集系统能够实时记录存储气体泄漏过程中探测器检测到的气体浓度。进一步地，所述步骤四中，提取探测器在气体泄漏检测阶段采集到的浓度数据文件；在N个探测器备选点中布置n个探测器，共有种布置方案，其中包含优选布置方案以及其它种布置方案；以C'为浓度阈值，考虑场景发生概率，由下式求出集合中每一个布置方案在所有场景下的累积检测时间式中，I—危险气体泄漏场景集合，Pi—危险气体泄漏场景i的发生概率，I＝{1,2,…,i}，所有场景的发生概率总和为1；ti—在泄漏场景i下探测器布置方案检测到危险气体浓度C'的时间；进一步地，所述步骤五中，在n(n＝{1，2，3…N})个探测器数量的布置方案集合中，将优选布置方案的检测时间optTn与同一集合中其他个布置方案的实验检测时间逐次比较，得到检测时间大于optTn的布置方案数量，计算这些布置方案数量在集合中布置方案总数量的占比为An％；循环计算所有集合，得到数组A＝An％(n＝{1，2，3…N})；进一步地，所述步骤六中，数理统计分析可在统计数据资料的性质、分布特点不清楚时挖掘出我们所需要的统计信息；根据不同的实验条件及实验要求可设置数组A的均值置信度1-α，求得其置信区间(XA，XB)的大小与置信度的选取有关；探测器布置方案的优越性，即优化布置方案的有效性，是指通过随机规划得到的探本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体探测器优化布置方案的实验验证方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：建立石油化工装置危险气体泄漏后果预测的三维CFD模型；结合拟建设的验证实验平台大小，对CFD模型按比例进行缩小，得到实验验证装置尺寸，根据实验探测器的高度在CFD模型中预设监测点；以泄漏工况和风场为随机性因素组建危险气体泄漏场景集，利用CFD软件对实验装置中的危险气体泄漏场景进行数值模拟，获得所有泄漏场景中各监测点气体泄漏扩散实时浓度数据；/n步骤二：设定气体报警浓度阈值C'，以探测器数量为约束条件，构建考虑场景概率加权的累积检测时间最小化模型，通过求解分别得到包含n个探测器的布置方案集合

【技术特征摘要】
1.一种气体探测器优化布置方案的实验验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立石油化工装置危险气体泄漏后果预测的三维CFD模型；结合拟建设的验证实验平台大小，对CFD模型按比例进行缩小，得到实验验证装置尺寸，根据实验探测器的高度在CFD模型中预设监测点；以泄漏工况和风场为随机性因素组建危险气体泄漏场景集，利用CFD软件对实验装置中的危险气体泄漏场景进行数值模拟，获得所有泄漏场景中各监测点气体泄漏扩散实时浓度数据；
步骤二：设定气体报警浓度阈值C'，以探测器数量为约束条件，构建考虑场景概率加权的累积检测时间最小化模型，通过求解分别得到包含n个探测器的布置方案集合(n＝{1，2，3…N}，N为探测器备选点总数量)，分别选取集合中累积检测时间最小的方案作为该数量下的探测器优选布置方案opt(n＝{1，2，3…N})；
步骤三：根据步骤一中得到的实验室模型装置尺寸，搭建与气体泄漏CFD模型大小一致的实验验证装置，且在实验装置中确定CFD模型所设置的N个监测点位置，并布置探测器；
步骤四：采集N个探测器在泄漏过程中检测到的气体浓度；实验结果中，以探测器数量不同，得到N个实验布置方案的集合，每个集合中分别有(n＝{1，2，3…N})种包含n个探测器的布置方案；以C'为浓度阈值，考虑场景发生概率，求出集合中每一个布置方案在所有场景下的累积检测时间n＝{1，2，3…N})；
步骤五：模拟优选布置方案opt(n＝{1，2，3…N})在试验装置中得到累计实验检测时间为optTn(n＝{1，2，3…N})；依次比较optTn与同一集合内其他所有布置方案的时间，计算检测时间大于optTn的布置方案数量在集合中布置方案总数量的占比为An％；循环计算所有集合，得到数组A＝An％(n＝{1，2，3…N})；
步骤六：对数组A进行数理统计分析，取均值的置信度为(1-α)，求得置信区间(XA，XB)，即认为在当前实验条件与实验误差允许范围内，模拟优选布置方案opt优于同等探测器数量下其他布置方案的优越性在置信度为(1-α)下的置信区间是(XA，XB)，验证了气体探测器优化布置方案的有效性。


2.如权利要求1所述的一种气体探测器优化布置方案的实验验证方法，其特征在于，所述步骤一中，CFD模型中监测点的高度设定为实验装置中探测器有效检测面距离实验装置底面的高度；基于世界范围内石油化工装置泄漏事故数据库，计算出各个区域、工艺段和设备泄漏的可能情况，以泄漏工况和风场为随机性因素组合得到模拟气体泄漏场景集。


3.如权利要求1所述的一种气体探测器优化布置方案的实验验证方法，其特征在于，所述步骤二中，气体报警浓度阈值C'根据国家及行业相关标准进行设定；为尽可能优化探测器布置位置，得到合适的探测器布置数量，以探测器数量为约束条件，构建考虑场景概率加权的累积检测时间最小化模型如下：



式中，I—危险气体泄漏场景集合，Pi—危险气体泄漏场景i的发生概率，I＝{1,2,…,i}；J—探测...

【专利技术属性】
技术研发人员：章博，宁志康，杨敬，董立超，褚治成，张博，刘昕，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37