1、引言仿真技术是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的 或设想的系统进行动态试验。例如，汽车或飞机的驾驶训练模拟器，就是应用仿真技术的成果。信息处理技术和网络技术的发展，实际上已经完全改变为仿真的概念。随着科技的进步，生产逐步向集中化、复杂化、连续化发展，生产过程中的自动化程度越来越高，随之对生产过程中的操作人员素质的要求也越来越高，特别是对于那些高危生产过程的企业来讲，高素质的操作人员对于安全生产显得尤为重要。目前，仿真模拟技术在国外安全科学技术领域已有大量研究和应用，用以加强安全系统设计、安全教育培训，进行事故调查
2、、诊断和研究、安全评价，应急预案演练等，以达到减少安全事故的目的。美国及其他发达国家通过采用计算机仿真模拟、虚拟现实技术，预测建设项目施工过程中由于操作失误、控制系统故障或设备故障等非正常原因导致的危险事故，以及故障在流程中传播的不利后果，并将施工过程和安全控制融合在一起，发挥各自的长处，从而增强了对安全隐患的预见性，大幅度减少了工程施工过程中的意外险情，同时还可以设定十扰，以确定最佳的安全控制方案和救援预案。国内仿真技术的研究与应用较早，发展迅速。随着安全科学技术特别是安全系统科学的发展成热，安全模拟与安全仿真学已成为其重要学科分支。随着信息技术和计算机技术的发展，仿真技术在安全评价、安全监
3、测、安全控制与安全训练等多领域多层面，正在或即将发挥着越来越大的作用。目前，仿真技术已成功地应用于揭示工艺过程内在危险;设备结构疲劳分析;毒物泄漏、扩散、爆炸、燃烧三维可视化分析;故障识别与诊断;辅助安全训练。仿真技术已成为系统安全工程中的关键技术之一。石油化工是危险性极高的行业之一。科技和经济的发展使得石油化工过程日益大型化、复杂化，生产中一旦发生火灾、爆炸、毒气泄漏等重大恶性事故，其损失将极为惨重。据专家统计，一年内仅美国而言，由于事故在石油化工领域造成的经济损失就达 200 亿美元。据我国不完全统计，石油化工企业自 1983年至 1988 年发生重大事故达 647 起，死亡人数达 117
4、 人，造成巨大的经济损失。为了预防事故保障人员、物资和设备安全、保障环境不受污染，自二十世纪八十年代以来许多国家开始立法。国际安全标准要求，对石油化工过程的潜在危险及危险可能造成的损失，必须进行定期全面深入的分析与评价。严格的与伤害、溢出和废物生成有关的标准规范，以及越来越严格的违反法规的处罚，使得石油化工在设计阶段就必须考虑工厂的工艺、设备及控制方案应当是木质安全的，进而必须保障装置运行直到装置报废全生命周期的安全及环保。石油化工安全评价和安全监控涉及:工艺过程中的危险识别、风险评估、失效分析、事故预案、事故分析、故障诊断、安全检测与监控等多项内容。仿真技术在石油化工安全评价和安全监控中的作
5、用越来越显重要。我国国家学科分类标准(GB/T 13745-92)将安全利科学技术列为一级学科，其中安全模拟与安全仿真学是安全学的重要学科之一。仿真技术在安全学中之所以如此重要，其原因在于，大型工业过程不可能也不允许进行真实的事故实验。此类实验不但要耗用巨大的人力、物力和投资，而且会造成严重的破坏及环境污染。近十年来，仿真技术在石油化工安全领域得到广泛应用，主要体现在如下五方面:工艺过程内在危险的仿真；设备结构的危险仿真;爆炸、燃烧、毒物扩散对环境影响的仿真；安全仿真训练；基于仿真技术的故障诊断。1.工艺工程内在仿真一般来讲，在石油企业生产工艺的过程中潜在的主要危险有来自装置操作失误产生的危险
6、、控制系统故障产生的危险、超压超温等产生的危险。对于生产工艺过程中潜在危险的仿真技术主要有:首先是定量模型的仿真。该仿真模型的工作原理是，用代数方程或者是微分方程来描述石油化工在反映过程中能量、动能、质量等内在的变化规律。当前对定量模型仿真采用的软件 HYSYS:一是借助于该软件能够对石油化工生产的运行特征进行有效分析，有助于对运行过程中产生的小稳定状态等状况进行研究和模拟;二是借助于该软件能够对石油化工安全控制的方案进行有效研究。采用该软件可以有效实现石油化工相关工艺与控制实现有效融介，实现对石油化工的装置的有效研究;三是借助于该软件能够确定石油化工平稳的开工方案。在石油化工企业中，开工方案
7、是否平稳，自接关系到化工企业的安全生产状况;确定平稳的开工方案，可以有效解决在温度等相关负荷小容易确定的问题。其次是定性模拟仿真。定性模拟仿真是相对于定量仿真而言的;该种模型仿真的工作原理主要是运用一些非数学方法表达信息、结果输出等环节，在定性模型的支持下推到出系统定性行为。这种模型仿真相对于定量仿真模型来讲，要简单的多。当前主要借助于 HAZOP 安全分析法。这种方法在石油化工企业中的应用比较广泛。定性仿真技术操作简单、在评价思路与人工评价上具有很强的统一性，应用前景比较广阔。2.设备结构的危险仿真安全是一个系统工程问题，不但要考虑石油化工工艺过程内在危险，而且要考虑设备及材料的强度和寿命。
8、国际上，每年因结构疲劳的原因，大量的产品在有效寿命期内报废，由于疲劳破坏而造成的恶性事故不断发生。据统计，美国每年早期断裂造成经济损失达 1190 亿美元，其中 95%是疲劳断裂。欧洲每年早期断裂造成经济损失达 800 亿欧元。通过疲劳耐久性分析大约可以避免 50%的损失。 传统的寿命估算误差较大，因此必须通过物理样机的耐久性试验才能最终估计寿命。这种力一法试验周期长、耗资大、容易受到不确定因素的影响，许多相关参数与失效的定量关系无法在试验中得到。因此设备的疲劳寿命仿真分析越来越受关注。美国 ANSYS 公司与英国安全技术公司(SAFE TECHNOLOGY LIMITED)合作开发的商品化软
9、件 ANSYS/FE-SAFE 是比较著名的软件。该软件由用户界而、材料数据库管理系统、疲劳分析程序和信号处理程序组成。软件采用大规模有限元分析计算，能计算出单位载荷或实际工作载荷下的弹性应力，然后根据实际载荷工况和交变载荷形式将结果比例迭加产生工作应力时间历程，也可换算成特定类型载荷作用下的弹性应力。ANSYS/FE-SAFE 的功能和特点是:具有高温、蠕变疲劳分析功能;能有效处理块载荷谱、快速分析旋转载荷作用下的疲劳寿命;能计算随机振动情况下的疲劳寿命;可仿真复杂的“试验场”载荷条件;可进行焊接部位的疲劳分析;可考虑残余应力对疲劳寿命的影响。软件可以在微机上运行，通用性和可视化程度高，在石
10、油化工设备安全分析方面有广阔应用前景。3.毒物泄露爆炸，燃烧，扩散仿真石油化学工业所特有的爆炸、燃烧、毒物扩散事故己成为现代工业灾害中最严重的灾害形式之一。例如 1976 年意大利剧毒化学品爆炸，散布而积达 18平力公里。1984 年 11 月墨西哥城由于管线泄漏导致的液化气容器大爆炸使得工厂成为废墟，650 人遇难，4000 多人受伤。同年 12 月印度博帕尔联合碳化物杀虫剂厂剧毒气体泄漏，蔓延 40 平力公里，3800 人遇难，150000 人必须入院治疗，成为震惊世界的惨痛事故。爆炸、燃烧、毒物扩散事故之所以造成损失非常巨大，其原因在于物料的特殊性质。以液化石油气为例，其泄漏灾害事故突发
11、性强、气体泄漏量大。气体扩散迅速并呈重气特征，极易形成很大的危险区。液化气极易燃烧，其爆炸速度为 2000-3000m/s，火焰温度达 2000 度，因此极易发生灾难性爆炸、火灾事故造成巨大损失。此外还可能发生二次、二次爆炸事故，造成群死、群伤。采用仿真技术建立泄漏扩散模型是以数学方法对化学物质发生泄漏时，其泄漏过程和扩散过程的物理描述。用于评价危险物质泄漏事故造成的灾害性后果。有害物质泄漏扩散模型是在大气污染、核尘扩散的基础上发展起来的。美国、英国、德国等发达国家在上世纪八十年代初就完成了一系列大规模现场泄漏扩散实验。九十年代，又针对毒性物质的泄漏扩散进行了现场实验研究。迄今为止，己经形成了
12、数以百计的泄漏扩散模型。应用这些模型在安全分析中可以预先进行风险定量(半定量)评估。国内有关本领域的应用基础研究比较薄弱，未见有商品化计算流体动力学仿真平台。4.安全仿真训练在石油化工企业生产过程中，高素质的操作人员对于安全生产显得尤为重要。以往对操作人员的培训主要通过师傅带徒弟或是现场讲解，这种培训方式不可避免的存在许多缺点： 学员的培训时间得不到充分的保证，培训效果有限; 培训过程中无法主动制造事故，使学员缺乏排除故障的练习机会，处理紧急情况的能力有限; 往往采取统一的方式来进行培训，不能根据不同学员的不同情况来培训，针对性较差; 无法对学员的学习效果进行合理的评价。采用动态仿真训练器进行
13、与安全有关的仿真训练具有特殊效果。日前，由大庆石化公司培训中心历时一年多时间开发的炼油化工安全技术与技能仿真培训系统软件，通过专家验收。这套系统软件的开发成功，填补了国内炼化领域没有安全仿真培训软件的空白，具有广阔的应用前景。 在开发人员演示的化工装置事故现场，记者看到在这套仿真系统里，每台电脑的操作员就相当于化工装置各岗位的操作工，可以根据自己的岗位进行与实际操作一致的事故处理，每步操作都会记录在电脑中，最后通过与标准操作对比，由电脑给出这名操作员的实际分数，并且还可以指出他存在的错误操作。由于采用多媒体、仿真、虚拟现实等先进技术，培训人员上机操作跟真实现场一样，培训效果较传统培训大幅提高。
14、这套系统软件解决了炼化企业由于连续生产不能进行实际操作演练的难题，涵盖安全知识与技术、安全技能、事故案例分析、事故应急预案演练四个方面内容，能够迅速提高岗位操作员工的安全技能和处理事故的能力。5.基于仿真技术的故障诊断故障诊断是指对运行中的石油化工装置的异常状态的检测、异常状态原因的识别以及预测的各种技术的总称。故障诊断与故障分析在力一法上可能完全相同，然而两者的主要区别是，诊断具有在线性质，是为实时事故监测和监控服务的，是安全系统的重要组成部分，必须快速识别和预测，只能由计算机系统自动完成，无法由人工进行。仿真技术己经成为石油化工过程故障诊断的重要力一法之一。 基于仿真技术的故障诊断可分为定
15、量模型法和定性模型法两大分支。定量模型力一法应用在线系统辨识技术来实时地为系统建立数学模型，当系统中存在故障时，系统的输入输出关系就会改变，这些变化会反映在数学模型中，通过观测数学模型的参数变化，便能判定系统是否存在故障。基于定量模型的故障诊断力方法能够深入研究系统本质的动态性质并进行实时诊断，该方法可以分为状态估计方法、等价空间方法和参数估计方法。定量模型法对现场的实时数据完备性和准确性要求很高，不易得到满足。定性模型方法采用系统状态的趋势模型描述故障传播规律。当某个状态发生偏离时，用推理方式沿故障可能传播的路径反向搜索非正常原因。SDG 法是目前广泛关注的定性仿真故障诊断方法。定性模型对现
16、场的实时数据完备性和准确性要求较低，容易实现。由于定性的不确定性，使得故障诊断的分辨率不高，是今后必须改进的关键问题之一。 6.总结仿真技术的作用己经深入到石油化工安全工程的许多方面，是实现安全技术的计算机化、信息化、智能化和自动化的关键技术与核心技术。我国在这方面的研究和应用刚刚起步，与国际先进水平还有较大差距。今后的发展方向应当从理论上将仿真技术与安全科学技术更密切的结合;系统地、全而地研究开发计算机辅助安全工程的集成化软件平台，以便在企业中推广应用，为石油化工安全生产作出贡献。参考文献：1牟善军，姜春明，吴重光.石油化工安全仿真技术及应用J.科学仿真学报.2003(10).2王辉,周东华
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