一种基于定量风险评价的油气集输站场站内设施布局优化方法

本发明涉及油气集输站场站内设施布局优化领域，具体涉及一种基于定量风险评价的油气集输站场站内设施布局优化方法。

背景技术：

1、集输站场作为油气油田开采和生产的过程中重要的中转枢纽，存在大量的安全隐患。集输站场中的设备大多属于压力容器，其内部介质均为易燃、易爆物质。一旦出现设备失效的情况，极易气体泄漏或火灾等安全事故。作为油气集输系统的重要组成部分，集输站场安全平稳运行，不仅可以保证石油和天然气的输送质量，还能够提升集输站场的经济效益，同时，极大程度保障了公共安全。

2、在集输站场中，工艺设备及建筑物的布局可能会对站场的效益以及经济有较大影响，一般而言站场的布局应有利于生产流程，尽量减少物料与搬运成本，同时考虑到未来可能进行的扩建。合理的设施布局可以改善站场流程和提高生产效率，更重要的是，设施布局已经从主要基于核对表的设备和建筑物放置的概念演变为对人员暴露于潜在过程危险的高度技术性和量化的分析，与过程安全和过程危险分析(pha)息息相关，目标是减少重大事件人员、环境、业务和资产的伤害。

3、在油气集输站场的规划布局中，站场的平面设计不仅需要满足各种行业规范和消防要求，而且还应侧重于以处理介质流向为主导，实现同类设备的集中布置，减少管网交叉和物料多次往返流动。通过充分利用压能和热能，避免不必要的增压和加热，可以显著减少能源浪费。这样的布局旨在实现流程的顺畅衔接、物料流向的合理性以及管理和维护的便捷性，从而降低物料搬运和操作成本。然而，在现有的油气集输站场规划布局中，往往缺乏同时考虑经济性与安全性的综合视角。针对油气集输站场失效所面临的高风险后果，本发明提出了一个全新的布局优化方案，通过应用定量风险分析与选址理论对站场设施布局进行了优化研究，为油气集输站场提供了一种高效、经济且安全的布局策略。

技术实现思路

1、针对油气集输站场风险后果大、现有油气集输站场的规划布局少有同时考虑经济性与安全性的问题，本发明基于优化理论，提出了一种基于定量风险评价的油气集输站场站内设施布局优化方法，该方法不仅提高油气站场建设方案的经济性，还能够有效降低其运营风险水平，为油气集输站场的设计与建设提供了重要的指导意义。

2、为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供的一种基于定量风险评价的油气集输站场站内设施布局优化方法，包括：

4、s1：收集油气集输站场工艺区块结构参数、风险参数、设施成本及土地成本参数；

5、s2：构建基于定量风险评价的油气集输站场站内设施布局优化模型的约束条件；

6、s3：根据约束条件及最小站内设施布局总成本目标函数构建基于定量风险评价的油气集输站场站内设施布局优化模型；

7、s4：求解基于定量风险评价的油气集输站场站内设施布局优化模型，得到兼具安全性与经济性的站内设施布局方案。

8、一实施例中，所述的油气集输站场工艺区块结构参数包括区块内所包含的工艺设备类型、工艺设备规格及工艺设备间管线连接关系；

9、所述的油气集输站场工艺区块风险参数包括区块内工艺流程、工艺处理介质、工艺设备通用失效概率；

10、所述的油气集输站场工艺区块设施成本包括区块内的设备购买成本、建筑成本。

11、一实施例中，步骤s2中所述的约束条件包括土地约束、非重叠约束和风险约束；

12、根据《石油地面工程设计手册》中的要求，每个占地面积3000m2以上的设备区周围应设置宽不小于5m的环形通道，所述的土地约束关系式为：

13、

14、

15、式中，lxs为区块s的长度；lys为区块s的宽度；xs为区块s中心点的横坐标；ys为区块s中心点的纵坐标；lx为整个站场的长度；ly为整个站场的宽度；st为街道的宽度，此处设为5m。

16、为了避免在布局方案中出现设施重叠的情况，使用非重叠约束进行限制，所述非重叠约束关系式为：

17、

18、

19、

20、式中，lxk为另一已安装区块长度；lyk为另一已安装区块宽度；为区块s中心点与区块k中心点在x轴方向上的最小间距；为区块s中心点与区块k中心点在y轴方向上的最小间距；

21、所述的风险约束包括：设备随机风险约束、设备固有风险约束及设备连锁风险约束；

22、所述的随机风险约束考虑了设备失效概率，即设备在正常运行状态下失效的可能性；所述的设备失效概率取决于设备损伤因子、企业管理因子以及设备通用失效概率，所述的约束关系式为：

23、pf＝gff·df·fms

24、式中，pf为设备失效概率；gff为通用失效概率；df为设备损伤因子；fms为企业管理因子；

25、所述的设备损伤包括：壁厚减薄、外部损伤、应力腐蚀、氢致开裂、脆断以及机械疲劳，设备损伤因子计算公式为：

26、

27、式中，为壁厚减薄因子；为外部损伤因子；为应力腐蚀因子；为氢致开裂因子；为脆断因子；为机械疲劳因子；

28、所述设备固有风险约束用于反映设备故障导致后果的严重程度，其约束关系式为：

29、ri＝pf×c

30、式中，ri为设备固有风险；c为设备危险指数；

31、所述的设备危险指数计算公式为：

32、

33、式中，g为设备内危险物质流量；o1为工艺稳定性因子；o2为设备外屏蔽因子；o3为物质泄漏相态因子；glim为设备内危险物质的临界流量；mf为物质系数；

34、所述的设备连锁风险指的是输气站场设备发生初始事故后，产生的热辐射、超压和碎片可能会引起附近设备失效，发生连锁反应，造成更严重的风险，方法考虑蒸汽云爆炸引起的冲击波超压导致设备失效的情况；

35、当联合站场设备发生泄漏后，初始事件概率关系式为：

36、p0＝0.04pf

37、式中，p0为设备泄漏概率；

38、所述的蒸气云爆炸引起的冲击波超压值采用tnt当量法计算，可燃气体的爆炸总能量关系式为：

39、e＝1.8αwq

40、式中，e为爆炸总能量；α为可燃气体蒸气云当量系数；w为可燃气体质量；q为可燃气体的燃烧热；

41、爆炸冲击波正相最大超压关系式为：

42、δp＝p0exp(-0.9216-1.5058+0.167ln2r-0.0320ln3r)

43、式中，r为无量纲距离；

44、所述的连锁反应概率采用扩展函数概率模型计算，计算公式为：

45、

46、式中，f为目标设备发生损坏的可能性；y为目标设备损坏概率的概率单位值；

47、所述的设备连锁风险约束关系式为：

48、

49、式中，rd为设备连锁风险；fi为初始事件发生后，因多米诺效应引发第i个设备失效的可能性；ci为第i个设备的危险指数；

50、一实施例中，步骤s3中所述的最小站内设施布局总成本包括土地成本、建造成本和设备失效成本；

51、所述的土地成本为集输站场用于开发、购买或租赁土地所需的费用总和，其关系式为：

52、cland＝cllxly

53、式中，cland为土地总成本；cl为单位面积土地成本；

54、所述的建造成本包括管道或电缆表电缆的铺设成本，其关系式为：

55、

56、式中，cp为单位长度建造成本；di,j为设备i和j之间的分离距离；

57、所述设备失效成本为站场中的设备失效时，造成的损失，其关系式为：

58、cr＝sl×r×fci×wi

59、式中，sl为站场的使用寿命；r为站场中事故风险；fci设施i的成本；wi为设施的危险权重；

60、根据约束条件及油气集输站场建设最小总成本目标函数，通过minlp模型生成所述的基于定量风险评价的油气集输站场站内设施布局优化模型。

61、一实施例中，模型求解方法采用一种基于重新制定的空间分支定界法；在数值上，非重叠约束的求解具有一定的困难，因为它的结果是一个非常非凸的可行区域，并且可能存在多个局部最优解；本方法通过引入一组新的变量，重新描述非重叠约束，对优化模型进行求解；非重叠约束重新描述关系式如下：

62、

63、

64、

65、

66、

67、

68、

69、

70、

71、

72、

73、

74、

75、

76、

77、

78、

79、

80、

81、式中，为s安装在k左方的分解变量；为s安装在k右方的的分解变量；为s安装在k上方和下方的分解变量；为s安装在k上方的分解变量；为s安装在k下方的分解变量；为s安装在k左方或右方的分解变量；

82、一实施例中，油气集输站场站内设施布局优化结果包括：油气集输站场建设的土地成本、风险成本、建造成本以及设施布局坐标。

83、综上所述可得，本发明提供的基于定量风险评价的油气集输站场站内设施布局优化方法，通过收集目标集输站场的结构参数、风险参数、设施成本及土地成本参数，考虑油气集输站场工艺流程、设施间管线连接关系以及设备风险后果建立油气集输站场站内设施布局优化模型的约束条件；基于该约束条件及油气集输站场建设最小总成本目标函数构建基于定量风险评价的油气集输站场站内设施布局优化模型，对该模型进行求解，输出经济性与安全性兼顾的油气集输站场站内设施布局方案。本发明主要解决的是油气集输站场站内设施布局优化问题，考虑了油气集输站场建设的安全性，并将风险成本量化耦合进总成本进行站场布局优化研究。另外，本发明在满足设计规范的要求下还可减少总平面布置花费以及发生危险时事故对设施以及人的伤害风险。针对以往油气集输站场的规划布局少有同时考虑经济性与安全性的问题，本发明基于布局优化的角度，提出了一种基于定量风险评价的油气集输站场站内设施布局优化方法，用于帮助决策者创建低风险的布局结构。