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基于氨厂的设备布局优化的经济分析

摘要

在这个工作中工程安全的概念成为一个氨厂设备布局构造的一部分。四个关键工艺单元即，初级转换炉，二段转换炉，高温变换炉和氨合成塔被选作为超压和有毒的释放源。四个设备的位置，包括控制室，两个操作室和氨气的收集器被认为是布局优化的关键单元。由于有毒气体释放和爆炸超压的结果，关键单元被建模成各种各样最糟糕的情况。结构的破坏和人类的损伤被转换使用合适概率函数，频率和成本参数的经济模型，这些参数与适当的破坏和死亡事故的赔偿有关。最后为了找出不同设施和工程设备的最优位置，使用混合证书线性优化项目来求解优化问题。

关键词：设施布局；氨厂；危机分析；优化

1. 引言

工程设备的设计是一个复杂和要求高的任务。结构工程布局是一个设备设计的基本部分，也是一个最重要的任务在设备建造之前。通常来说，布局只关注于每个工程单元和设施的大部分最节约的空间配置，以及关于他们的相互连接性，即管道成本。在过去，启发式算法和图像法[1-3]被经常使用在仅仅考虑可利用的设备布局区域的优化使用的情况下的设施布局设计。现在的方法论也包括在结构设施布局上的危机和经济因素[4-7]。

在孟加拉共和国，化学工程工厂在历史上的两次重大的事故都发生在化学肥料厂，即尿素化肥厂有限公司（UFFL）从1974年到1991年。两个事故影响控制室的操作者导致了增加的设施设备数量在合适的破坏和相关的布局问题上。

在目前的工作中我们在一个氨气生产厂中考虑安全和经济的情况下，需找一个不同设施设备的优化布局方法。在这里，安全被包含在设备经济中通过转换爆炸的危机和有毒气体的释放变成成本参数，就是结构破坏和死亡赔偿。这些花费权衡管道和管子的的花费，去找到不同设备设施的优化位置。

1. 优化方法

在这项工作中，基于荣格网格法的方法被用来决定不同不同设施设备的安排在一个氨厂的工程加工区里。在孟加拉国吉大港的卡拉普里河化学肥料有限公司中已经存在的设备布局就是才哟用了这个目的。以下的步骤被用来优化在加工区域的不同设施设备的布局。

首先，这整个加工区域被离散化成多个固定大小的网格。这里假设每个单元和设施坐落在这些网格上。接着，氨气生产厂中大部分关键单元根据操作温度，压力和可能的后果被鉴别。四个重要的设施被选择作为关于关键单元的布局优化。与每一个网格有联系的风险被计算，使用每一个加工区域中的关键单元的结果分析。由于蒸汽爆炸导致的超压爆炸和有毒气体释放的结果被认为是计算相关的风险。这些风险值被转换成使用合适的概率函数的风险分数。

最后，考虑到设施设备安装和维修成本的经济参数，一个总花费的数学公式被开发出来。这个数学公式在不同的约束条件下进行优化，为了在氨气生产工艺厂找到四个被选中的设施的合适位置。

2.1加工区域的离散化和关键单元和设施的选择

KAFCO氨厂的整个加工区域是13038平方米（123mtimes;106m）。为了方便起见，在这项工作中被认为是由100个（10mtimes;10m）的方格组成的10000平方米的加工区域。四个关键的加工单元，即初级转换炉，二级转化炉，氨气发生器和高温转换炉被选作为由于操作压力，温度和冒险结果导致的爆炸和有毒气体释放的来源。关键加工单元和加工区域安排的表格位置被展示在图10。每个单元带着表格的位置对应着在KAFCO实际的工厂中的位置。即控制室，两个操作室和氨厂的蓄电池被选作优化布局的决定。

• 1. 风险图

两个不同的风险评分进行离散化过程中区域风险图

1. 由于有毒气体排放的风险评分
2. 由于VCE的风险评分

每个网格的有毒气体的浓度分布是用ALOHA软件考虑到最坏的情况下进行测定的，这些浓度值转换为使用以下概率函数的死亡概率[46]：

Pr=-28.33 2.27ln（） （1）

这里，Pr=由于有毒氨气释放导致的死亡可能性；

C=氨气的释放浓度（ppm）

t =曝光时间(min)

ALOHA使用给时间平均结果的高斯模型，在这个模拟中，60min的曝光时间被考虑为了结果的测定，相似的，考虑最坏情况下，由于蒸汽云的超压用ALOHA软件进行测定。超压分布被转换为使用以下函数的结构损伤概率[8,9]:

Pr=-20.0 2.6lnP (2)

这里，Pr=由于VCE导致的结构损伤的可能性

P=超压值（N/）

最后使用以下公式计算由于毒气释放和蒸汽云爆炸导致的风险值：

风险值=可能性times;事故频率times;设备使用寿命times;因素 （3）

2.3优化目标函数

本研究的目的是确定不用的设施安排的加工区内最大限度的额减少总成本，包括初始投资成本和运行维护成本，优化目标函数可以按照以下的形式书写：

Min (4)

这里， =由于在加工场有毒气体释放导致的风险评分

=目前在第i个工厂里工人的数量

=在第i个厂死亡补偿费用

=由于超压的风险分数

=第i个厂的设施建筑花费

=从第i个设施到第K个网格的直线距离

=装置的管路或互连成本和设施

=非重叠的约束

非重叠的约束确保每个设备占有一个单独的单一网格而不重叠其他设施的位置。在非重叠的约束，其他的两个约束，即距离约束的限制被认为是优化[3]。

3.结果和讨论

首先，不同设备的一些最坏的情况被鉴别，例如氨气转换炉的泄露，初级转换炉的灾难性失败，二级转化炉，氨气转换器和高温合成氨转换炉。在每一种情况下，它被假设是瞬间释放这个单元的内容。表格1显示的是糟糕情况下的关键单元：

表1：考虑工艺装置和相应的更加糟糕的情况

这些潜在后果的事故频率降低从标准事故频率作为实际化肥肥料厂的事故数据是不能得到的。对于有毒气体释放和火灾爆炸引起的灾难性失败导致的风险分数被测定。由于VCE导致的超压情况只有气态物质被认为出现在这关键设备上。

1000MTPD氨厂，大约3100摩尔/小时的气态氨被生产用氨合成转换器在大约440oC和150个大气压力的情况下。从氨合成转换器释放的有毒气体的结果通过使用ALOHA来定位。一个连续的释放从氨气转换器的顶部被假设在仿真模拟中，风速，大气温度和相对湿度分别为1.5m/s，250oC和50%对于最坏的情况[11]。

一个直径为3m，高度为24.5m的圆柱形罐子包含大约9000的液氨在温度为440oC和140个大气压的情况在模拟仿真中被假设[12]。图1显示由于在转换器顶部的泄露导致的有毒氨气释放的后果。这个威胁区域图显示在风和侧风方向导致的后果。在目前的研究中，在风的方向上的结果被用来计算这表格的浓度。这些浓度值随后被转换成使用概率函数计算风险评分的死亡概率。

图1.氨气转换器中的氨气释放威胁区域

由于蒸汽云爆炸导致的超压被考虑对于初级转换器，二级转换器，氨气发生器和高温转换器。这些制造单元的结果也在考虑了最糟糕的情况下被计算。对于氨气发生器，氢气在439oC和140个大气压下从转换器的顶部不停的连续释放。风速、大气温度和湿度分别被假设为1.5m/s,25oC和50%。相似的大气数据被用于在初级转换器，二级转换器和HTS转换器对于决定每一个网格的结果。图形2显示了在加工区域中对于这些单元的蒸汽云爆炸的联合威胁区域。在图2中的红色矩形中心代表了合成氨厂的相对大小和位置。相关的超压值转换成使用概率函数的结构损伤的概率。最后，利用蒸汽云爆炸概率函数计算风险评分。

图2.信心线在初级转换炉、二级转换炉、高温转换炉和氨合成塔

不同的设备有不同的安装和连接的费用。在这个论文中，四个被选中的氨气生产设备的安装和连接费用被估计从文学价值到工厂专家，这些数据被呈现在表格2。

表2：不同设备的安装和连接费用

工作在氨厂的工人和操作员的数量在加工区域的不同位置是分布不均匀的。在今天的现代的合成氨厂中，大部分的操作员通常都呆在控制室里。为了模拟仿真的目的，不同数量的人被假设在不同的设备上。表格3显示在一个公司中不得不支付的事故伤害和死亡赔偿，以及在不同的设施上工人和操作员的数量和死亡赔偿费用。

表3：不同设备上工人数量和责任赔偿

结合以上建筑成本参数，死亡责任和管道在总的成本函数。一个混合的整数线性规划被用AMPL的形式表示，这是使用CPLEX求解的。图3显示了四种在氨厂加工区内的不同设施的优化布局（控制室、操作室-1、操作室-2和氨气收集器）。在优化布局中，控制室被放在右上角，是因为在可能发生的事故下非常高的资本成本和死亡赔偿费。图4对比了在KAFCO中的设备的实际位置和模拟优化的位置。在实际的KAFCO的设备布局中，有一个氨和尿素联合控制和实验室建设，这是位于在合成氨厂的外面。在目前的研究中操作室的位置优化被发现在氨厂的顶部和左边底部的角落里。一个操作室的位置与一个在KAFCO中已经存在的窗口位置相一致。然而，在实际布局时的其他窗口被发现位于不安全带额位置。在布局优化中一个氨厂的位置被发现在KAFCO中密闭距离的实际位置。

图3.在氨厂中四个设备的优化布局 图4.设备优化布局与在KAFCO中已经存在的设备的对比

4.结论

一个对于氨厂设备布局优化的系统方法是使用风险和经济分析。氨厂中四个重要设施的位置被优化，相对于四个关键加工单元使用风险分数、资本成本和分开距离限制来进行优化。每个网格的风险图是采用ALOHA来对有毒气体的释放好火灾爆炸情况的计算。尽管，只有四个不同的设施被考虑进这个研究，这个方法论能进一步扩展对于所有其他的氨厂设备单元。本文的工作是基于荣格等人提出的额方法理论。然而，使用他们的方法对于单个的释放和单个设备的优化。这是一个第一次尝试去应用这个方法到模拟真正的植物场景。这项工作也在一个重要的练习上鉴别主要的风险因素在一个氨厂设备上，理解在设计阶段和操作过程中安全的重要性。化工程和网络技术的发展，很多企业开发了多种多样的信息系统如CAM，CAPP，PDM，MES和ERP，使得企业开发和生产的能力大大提高。虽然这些系统的很大一部分是被数字化工具所支持的，但是由于不同阶段是不整合的，因此这些系统之间一般是处于隔离状态的。由于缺乏规划阶段和生产阶段之间的沟通，这只解决了在各自领域

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