石油化工行业运用AI安全生产双重预防控制系统实现炼化装置风险监测与隐患自动处置

石油化工行业的炼化装置（如催化裂化装置、加氢精制装置、乙烯裂解装置）是生产核心，其运行环境具有 “高温（反应釜温度可达 800℃+）、高压（管线压力最高达 15MPa）、介质高危（多为易燃易爆 / 有毒有害化学品，如原油、乙烯、硫化氢）、流程连续（单次停工损失超千万元）” 的特点，易因设备腐蚀、介质泄漏、操作偏差引发火灾、爆炸、中毒等重特大事故。传统的人工巡检（依赖巡检员现场抄表、凭经验判断）与被动隐患处置（事故发生后再抢修）方式，难以应对炼化装置 “风险演化快、隐患隐蔽深、后果影响大” 的管理痛点。AI 安全生产双重预防控制系统通过 “多维度数据采集 - 智能风险研判 - 分级预警 - 隐患自动处置” 的全流程闭环，可精准识别炼化装置运行风险，实现隐患从 “被动应对” 到 “主动防控” 的转变，为炼化装置安全稳定运行筑牢智能防线 🛡️💻

一、适配炼化装置场景，构建全维度风险数据采集网络 📡🔧

要实现炼化装置风险监测与隐患自动处置，首先需突破 “高温高压环境下设备耐受、高危介质下数据传输安全、多装置数据协同” 的技术难点，构建覆盖 “设备状态 - 工艺参数 - 环境监测 - 人员操作” 的全维度数据采集网络，为风险分析提供精准、实时的数据支撑。

（一）核心设备与工艺参数采集

针对炼化装置关键设备（反应釜、精馏塔、加热炉、高压管线）与核心工艺，部署具备防爆、耐高温、抗腐蚀特性的专用监测设备，采集影响安全的核心参数：

反应釜 / 反应器：安装隔爆型热电偶（耐受温度 - 200℃~1200℃，精度 ±0.5℃）实时采集釜内反应温度，通过防爆型压力传感器（量程 0~30MPa，精度 ±0.1% FS）监测釜内压力，每 1 秒采集 1 次数据；同时部署超声波液位计（防爆等级 Ex d IIB T4 Ga）监测釜内介质液位，避免液位过低导致干烧或过高导致溢料，液位波动超过 ±5% 时触发数据加密传输 📊⚗️。

精馏塔：在塔体不同塔板位置安装防爆型气相色谱仪（可检测 C1-C10 烃类组分，检测下限 0.1ppm），每 5 分钟分析一次塔顶 / 塔底介质组分，防止组分失衡引发塔内超压；通过分布式光纤传感器（沿塔壁铺设，测温精度 ±1℃）监测塔体表面温度分布，识别局部过热（如塔壁温度骤升 30℃以上可能预示内构件结焦）。

高压管线 / 阀门：采用防爆型超声导波检测仪（检测范围 0~20m，可识别管道内腐蚀、壁厚减薄），每小时扫描一次管线壁厚变化，当壁厚减薄速率超过 0.1mm / 月时标记为 “高风险”；在关键阀门（如紧急切断阀）安装防爆型阀位反馈传感器，实时采集阀门开关状态（全开 / 全关 / 半开）与动作响应时间（要求≤1 秒），避免阀门卡涩导致介质泄漏。

工艺参数联动采集：通过 OPC UA 协议对接炼化装置 DCS 系统（集散控制系统），实时同步核心工艺参数（如进料流量、回流比、催化剂注入量、冷却水温），数据采样频率与 DCS 保持一致（通常 100ms / 次），确保工艺参数与设备状态数据的时间戳对齐，便于后续关联分析（如进料流量骤增与反应釜压力升高的因果关系）。

（二）高危环境与介质监测

针对炼化装置 “易燃易爆、有毒有害” 的环境特性，部署专项监测设备，防范环境风险：

可燃 / 有毒气体监测：在装置区按 “5 米间距” 布置防爆型气体检测仪（可同时检测甲烷、乙烯、硫化氢、一氧化碳等 8 种气体，检测下限 0.1% LEL/0.1ppm），实时采集气体浓度数据，当可燃气体浓度达到 10% LEL 或有毒气体浓度达到 PC-TWA 值时，启动本地声光报警并加密上传数据；同时在装置边界部署激光气体遥测仪（监测距离 0~500m，精度 ±5%），扫描周边区域是否存在气体扩散泄漏 🌬️⚠️。

火焰与热辐射监测：在加热炉、反应釜周边安装防爆型红外火焰探测器（探测角度 120°，响应时间≤0.1 秒），可识别明火、高温热辐射（≥500℃），避免早期火灾未被发现；在装置区制高点部署热成像摄像头（防爆等级 Ex d IIB T6，测温范围 - 20℃~1500℃），实时生成装置区热场分布图，识别 “无明火但局部温度异常升高”（如管线保温层内介质泄漏导致的热辐射超标）。

防雷防静电监测：在装置区避雷针、静电接地极安装防爆型雷电监测传感器（可记录雷电流幅值、极性，响应时间≤1μs），在输送易燃介质的管线上安装静电电压传感器（检测范围 0~10kV，精度 ±5%），实时监测雷电活动与静电积累情况，当静电电压超过 5kV 时，自动触发管线防静电接地报警。

（三）人员操作与应急数据采集

聚焦人员作业安全与应急响应效率，补充采集人员与应急资源数据：

人员定位与行为监测：为装置区作业人员配备防爆型智能安全帽（内置 UWB 定位模块，定位精度≤1 米，防爆等级 Ex ib IIB T4），实时采集人员位置，划定 “防爆区”“受限空间”“操作禁区” 等电子围栏，当人员非法进入禁区时，安全帽立即发出声光报警并上传位置信息；通过安全帽内置的姿态传感器，识别 “未佩戴安全帽”“违规攀爬”“突然倒地” 等异常行为，触发应急通知 🛡️👷。

应急资源状态监测：在装置区消防栓、泡沫罐、应急照明、气体检测仪等应急设备上安装 NFC 标签，通过巡检终端扫码采集设备状态（如消防栓水压、泡沫罐液位、应急灯电量）；对接应急指挥系统，实时获取应急车辆位置、消防队伍响应时间、医疗救援点分布，为隐患处置资源调度提供数据支撑。

二、构建炼化装置风险智能监测与分级预警机制 🚨🎯

炼化装置风险具有 “连锁性（如管线泄漏→气体扩散→爆炸）、隐蔽性（如设备内腐蚀肉眼不可见）、动态性（随工艺负荷变化）” 的特点，需通过 “多维度风险评估模型 - 实时算法分析 - 分级预警推送” 的机制，实现风险精准识别与超前防控。

（一）风险评估指标体系设计

结合炼化装置安全特性，从 “设备健康风险”“工艺偏离风险”“介质泄漏风险”“环境安全风险” 四个维度构建量化指标体系，每个指标均关联行业安全标准（如 GB 50160《石油化工企业设计防火标准》、AQ 3012《危险化学品重大危险源辨识》）：

设备健康风险（权重 40%）：包含设备腐蚀速率（管线壁厚减薄速率＞0.1mm / 月得 10 分）、阀门卡涩频次（每月≥2 次得 8 分）、加热炉炉管结焦程度（结焦厚度＞5mm 得 10 分）、设备维护逾期率（超期未维护设备占比＞5% 得 8 分） 📊⚙️；

工艺偏离风险（权重 30%）：包含反应温度波动（24 小时内温差≥50℃得 10 分）、反应压力超标时长（每日超标≥30 分钟得 8 分）、进料组分偏差（关键组分含量偏离设计值 ±10% 得 8 分）、回流比异常调整（每小时调整次数≥3 次得 6 分）；

介质泄漏风险（权重 20%）：包含可燃气体浓度超标频次（每日≥2 次得 10 分）、有毒气体检测值（达到 PC-STEL 值得 8 分）、管线泄漏速率（模拟计算泄漏量＞1kg/h 得 10 分）；

环境安全风险（权重 10%）：包含雷电活动频次（每日≥3 次得 8 分）、静电电压超标时长（每日≥1 小时得 6 分）、装置区风速（超过 8m/s 得 6 分，可能加剧气体扩散）。

每个指标按 “风险严重程度 - 行业标准阈值” 设定 0-10 分评分规则，得分越高风险越高，如 “反应釜压力超标 10% 且持续 10 分钟” 得 8 分，“超标 20% 且持续 5 分钟” 得 10 分。

（二）风险实时评估算法与等级划分

采用 “加权求和 + 机器学习修正 + 事故连锁分析” 的复合算法，确保风险评估精准性与前瞻性：

基础加权计算：系统实时采集各指标数据，按预设权重计算初始风险综合得分，公式为：

初始得分 =Σ（各维度指标得分 × 对应权重）

例如，某加氢反应釜 “设备健康风险得分 6 分（腐蚀速率 0.08mm / 月）、工艺偏离风险得分 8 分（温度波动 40℃）、介质泄漏风险得分 0 分、环境安全风险得分 2 分”，初始得分 = 6×40%+8×30%+0×20%+2×10%=2.4+2.4+0+0.2=5.0 分。

机器学习修正：引入 LSTM 神经网络模型，基于炼化装置历史风险数据（近 5 年设备故障记录、工艺偏离导致的事故案例）与实时数据，动态调整指标权重。例如，当某地区连续发生 “反应釜超压爆炸” 事故时，模型自动提升 “工艺偏离风险” 中 “压力超标” 指标的权重（从原 30% 提升至 40%）；当装置区进入雷雨季节，“环境安全风险” 权重从 10% 临时提升至 15% 🤖🔧。

事故连锁分析：结合炼化装置工艺流程（如 “反应釜→换热器→精馏塔→产品罐” 的物料流向），构建 “风险传播模型”。例如，当检测到 “反应釜压力超标”（工艺偏离风险）时，系统自动分析后续环节可能受影响的设备（如换热器可能因进料压力过高导致泄漏），叠加关联设备的风险得分，生成 “连锁风险得分”，最终综合得分 = 初始得分 + 连锁风险得分 ×20%。

根据最终综合得分，将风险划分为四级：

重大风险（红色预警）：≥8.0 分（如反应釜超压 20%+ 可燃气体浓度达 30% LEL，可能引发爆炸）；

较大风险（橙色预警）：6.0-7.9 分（如管线腐蚀速率 0.12mm / 月 + 静电电压 6kV，存在泄漏风险）；

一般风险（黄色预警）：4.0-5.9 分（如加热炉温度波动 35℃+ 风速 7m/s，需关注工艺稳定性）；

低风险（蓝色预警）：＜4.0 分（指标均在安全阈值内，仅需常规监测）。

（三）分级预警与应急联动

针对不同风险等级，设计 “多渠道预警 + 应急措施自动触发” 的响应机制，确保风险快速管控：

重大风险（红色预警）：如 “反应釜超压 25% 且可燃气体泄漏浓度达 50% LEL”，系统立即触发：

装置区声光报警（防爆型警报器音量≥120dB）、中控室大屏红色闪烁提醒；

向装置负责人、安全总监、应急指挥中心发送 “语音电话 + 短信 + APP 推送” 三重通知，包含风险位置、影响范围、建议处置措施（如 “立即启动反应釜紧急泄压阀，切断进料阀门，疏散装置区人员”）；

自动联动 DCS 系统，触发紧急停车程序（ESD），关闭反应釜进料阀、加热炉燃料阀，启动消防水喷淋系统，降低事故扩大风险 🚨⛔。

较大风险（橙色预警）：如 “管线腐蚀速率 0.15mm / 月 + 静电电压 7kV”，系统推送预警至设备管理部与现场巡检组，建议 “24 小时内完成管线壁厚复测，启动防静电接地检查，降低工艺负荷至 80%”，同时自动调度附近的防爆检测设备（如超声导波检测仪）至风险位置，支持现场快速核验。

一般风险（黄色预警）：如 “加热炉温度波动 40℃”，系统向工艺工程师发送 APP 提醒，建议 “调整燃料供应流量，每 10 分钟反馈一次温度数据”，并在系统中生成 “风险跟踪任务”，记录处置进展。

低风险（蓝色预警）：系统仅记录风险数据，纳入每日风险汇总报告，无需人工干预，定期（每周）生成风险趋势分析，识别潜在风险演化方向（如 “某管线腐蚀速率呈上升趋势，预计 1 个月后达预警阈值”）。

三、实现炼化装置隐患自动处置全流程闭环 📋🔌

炼化装置隐患处置需兼顾 “安全优先、减少停工、快速响应” 的原则，传统依赖人工现场处置的方式易因响应延迟、操作不当扩大风险。AI 安全生产双重预防控制系统通过 “隐患自动识别 - 分级处置决策 - 远程 / 自动执行 - 效果验证闭环” 的流程，实现隐患处置的智能化、自动化，减少人工干预频次。

（一）隐患自动识别与精准定位

结合 “数据异常分析 + 图像识别 + 模拟仿真” 的方式，实现炼化装置隐患的自动识别与精准定位，避免盲目现场处置：

基于数据异常的隐患识别：系统对采集的设备参数、工艺数据进行 “阈值对比 + 趋势分析”，当数据超出安全范围（如反应釜压力突然升高 10%）或出现异常趋势（如某管线温度持续上升，斜率＞5℃/ 小时）时，自动标记为 “疑似隐患”，并关联历史数据（近 3 个月该参数变化曲线）与行业故障案例，初步判定隐患类型（如 “压力骤升可能为催化剂注入过量或釜内结焦”） 📊🔍。

基于图像识别的隐患识别：在装置区关键位置（如法兰连接、阀门填料函、塔体焊缝）安装防爆型高清摄像头（具备夜视、抗油污能力），系统运用 YOLOv8 + 工业缺陷识别模型，实时分析视频画面，自动识别 “法兰泄漏（可识别最小泄漏痕迹 0.1mm）、阀门填料老化、管线保温层破损” 等视觉类隐患，截取隐患画面并标注位置（如 “加氢装置 C-101 塔第 3 层法兰，泄漏痕迹长度约 5cm”）。

基于模拟仿真的隐患验证：对接炼化装置 HAZOP（危险与可操作性分析）仿真系统，当识别到疑似隐患（如 “精馏塔回流比异常”）时，系统自动输入异常参数进行仿真计算，模拟隐患可能导致的后果（如 “回流比降低 20% 将导致塔顶产品纯度下降 5%，塔底温度升高 15℃，存在结焦风险”），验证隐患真实性与严重程度，避免误判。

（二）隐患分级处置决策与资源调度

根据隐患风险等级与处置难度，系统自动生成处置方案，并调度所需资源，确保处置高效、安全：

自动处置隐患（低风险，无需人工干预）：如 “静电电压超标 6kV”“冷却水温轻微升高（≤5℃）”，系统自动触发预设的自动处置程序：

静电超标：自动启动管线防静电接地装置（如电磁感应式接地夹），调节接地电阻至≤10Ω，同时开启装置区通风设备，加速静电消散；

冷却水温升高：自动调整冷却塔风机转速（从 800r/min 提升至 1200r/min），或切换至备用冷却水泵，确保水温回落至安全范围（≤32℃） 🛠️⚡。

远程处置隐患（一般风险，需远程操作）：如 “反应釜温度波动 35℃”“阀门轻微卡涩（动作响应时间 1.5 秒）”，系统向工艺工程师推送远程处置指令：

温度波动：工程师通过系统远程控制界面，调整反应釜夹套冷却水流量（从 50m³/h 增至 70m³/h），或微调催化剂注入量（从 0.5kg/h 降至 0.4kg/h），实时查看温度变化曲线，直至稳定；

阀门卡涩：远程启动阀门气动 / 电动执行机构的 “吹扫 / 润滑” 功能，注入专用润滑剂，测试阀门动作响应时间，若恢复至≤1 秒则完成处置，否则生成 “现场处置任务”。

现场处置隐患（较大 / 重大风险，需人工现场干预）：如 “法兰泄漏（泄漏量＞0.5kg/h）”“管线腐蚀超标（壁厚减薄 0.2mm / 月）”，系统自动生成：

处置方案：明确 “需关闭的阀门、需隔离的区域、需使用的工具（如防爆堵漏工具、便携式气体检测仪）、安全防护要求（如佩戴正压式呼吸器）”；