當數字孿生遇到化工安全

數字化轉型，需要化工企業從被動向主動轉變。

化工作為國民經濟發展的支柱型產業之一，對于推動社會發展具有重要的作用。同時，化工是一個高危行業。其生產過程具有高溫高壓、易燃易爆及有毒有害等特征，存在較大的安全風險。盡管近年來我國化工安全事故發生率呈現連續下降趨勢，但重特大事故仍時有發生。這不僅造成了嚴重的人員財產損失，而且暴露了傳統化工安全管理中出現的問題。

在“雙碳”目標與數字化轉型的雙重驅動下，構建數字孿生技術已經成為當前化工行業急需解決的重要課題。

動態風險評估范式革新

基于數字線程理論（NIST SP 800-160 Vol2）現代化工企業構建的虛實映射體系，實現了本體對象與數字鏡像的有機耦合。萬華化學在90萬噸/年的乙烯裝置技改中，通過分布式光纖測溫系統獲取反應器表面熱場分布數據，結合催化熱力學參數建立了多物理場耦合仿真模型。該系統部署的67382個傳感節點覆蓋管廊、儲罐等關鍵區域，應用卡爾曼濾波算法實現噪聲數據清洗后，可準確反映0.1℃的溫度梯度變化。2023年裝置試運行期間，該模型成功預警分餾塔再沸器結焦趨勢，較設計檢修周期提前37天實施維護，避免了非計劃停車損失超過2300萬元。

工藝體系優化。國際化工巨頭在硝基苯加氫制苯胺工藝中引入反應器數字孿生技術。研發團隊開發了多物理場耦合仿真模型。該系統集成了328個溫度傳感單元與中子背散射檢測裝置，實現催化劑活性位點的納米級活性監測。數據表明，在60MPa高壓工況下，氫氣流速優化使轉化率從87.3%提升至94.1%，單套裝置年節約蒸汽12萬噸。值得關注的是，動態調優算法的應用，可以根據原料品質波動自動調節冷卻水循環量，使脫氫副反應產物生成量降低42%。

預警式設備管理。揚子石化在機組運維領域取得了突破性進展，創新采用振動頻譜深度學習架構。通過對32臺離心壓縮機組加裝高頻聲發射傳感器，構建了轉子動力學特征數據庫。其研發的HHT-Hilbert時頻分析算法，可以精準捕捉0.03mm級別的葉片微裂紋，較傳統檢測手段提前23天識別異常信號。工程應用數據顯示，該系統在2019—2023年間累計預警設備劣化76次，關鍵機組非計劃停機時間下降了73%，生命周期維護成本節約3800萬元。

環境風險防控升級。臺塑集團麥寮園區部署的電子鼻陣列采用交叉敏感氣敏元件，可以同步識別苯系物、硫化氫等17種氣體，并結合高斯煙羽模型預測濃度分布。該系統采用改進型卡爾曼濾波算法處理環境數據，實現了苯系物擴散路徑的實時追蹤與預測。

事故響應效能提升路徑

基于實時態勢感知的應急決策支持系統，突破了傳統預案的時空局限性。陶氏化學德國基地構建的虛擬應急指揮平臺，具有典型的示范意義。當控制系統檢測到某批次環氧乙烷反應器溫度異常時，系統可瞬時激活三重響應機制——裝置DCS歷史數據回放追溯異常源頭；Fluent軟件重構反應器三維流場；歷史事故數據庫篩選近五年類似案例啟動自學習。系統17秒內生成三套處置方案，再經蒙特卡洛模擬評價后鎖定最優策略。實際應用中，系統可以成功將放空量控制在安全閾值內，避免裝置聯鎖停車造成300萬美元的經濟損失。關鍵應用模式，主要包括以下幾個方面。

事故情景智能推演體系。恒力石化在苯乙烯儲罐區應用離散相模型（DPM），可以模擬不同破損孔徑下的物料泄漏軌跡。采用改進型離散相模型（DPM）與計算流體力學（CFD）耦合算法，系統構建了歐拉—拉格朗日框架下的氣液兩相流湍流模型，可以精確模擬不同壓差條件下的泄漏擴散路徑。在2023年的應急演練中，系統對12種典型失效模式進行迭代運算。結果顯示，在DN50管道破裂工況下，系統的應急物資調度效率提升了38.6%。實驗數據驗證，當風向變化頻率≥3次/小時的時候，兩階段自適應網格優化算法將響應時間誤差控制在±8.3%以內。

多模態數據融合決策。杜邦上海工廠應急系統整合了氣象局風力預報、道路交通流量等7類動態數據，通過圖卷積網絡預測洗消作業最優路徑，創新型應用時空圖注意力網絡（ST-GAT），構建了包含325個節點的應急資源拓撲圖，節點權重實時更新間隔縮短至2分鐘。在模擬二甲苯罐車側翻事故中，系統提前17分鐘鎖定了最優疏散路徑，次生風險消減率達到了92.4%。核心技術突破體現在開發了基于橫向聯邦學習的數據融合框架，模型訓練迭代次數降低46%。

智能協同指揮系統。福建聯合石化開發的智能戰情室，應用自然語言處理技術實時解析應急通話記錄，自動生成事件進展時間軸與責任矩陣圖。系統集成BERT預訓練模型與領域知識圖譜，實現了應急預案條款與實時工況的智能匹配。實戰案例顯示，在催化裂化裝置異常波動事件中，系統在46秒內完成了137條語音指令的結構化解析，生成包含四維決策要素（風險等級、影響范圍、處置優先級、資源需求）的應急預案矩陣。值得注意的是，分布式數字沙盤系統的應用，通過動態三維建模還原事故現場態勢，提升指揮決策準確率至89.2%。

分級分類推進數字孿生技術

Gartner《2023年流程工業數字化成熟度報告》顯示，采用數字孿生技術的化工企業平均年度事故率下降46%，但行業整體應用率不足34%。因此，建議化工行業分級分類推進機制。

建立基礎級重點構建數據治理架構。建立跨平臺的模型集成框架，如萬華化學制定的裝置元數據規范包含328類屬性標簽；實現了與資產績效管理系統（APM）的秒級數據交互，設備運行效率平均提升23.6個百分點。

完善模型互操作標準。某國際化工集團上海研發中心基于德國工業4.0參考架構模型（RAMI 4.0），開發出了包含37個工業組件的本體庫。其中，針對反應釜單元構建的六維信息模型（3D幾何模型+熱力學模型+控制邏輯+材料清單+運維記錄+質檢數據），使設備全生命周期數據歸檔效率提升了82%。

領先級探索虛實聯動控制。參考中科院長春應化所在聚烯烴裝置實施的數字代理（Digital Proxy）模式，其構建的流化床反應器代理模型集成了動網格技術與多相流耦合算法，實現了顆粒速度場和溫度場的三維動態重構。在某35萬噸/年聚乙烯裝置調試中，數字代理系統成功預測了乙烯分壓突變特征，提前37分鐘觸發了進料調節程序。關鍵技術指標顯示，代理模型物性預測誤差控制在1.8%以內，動態響應抖動小于±0.5%配置值。

德勤預測，未來三年，化工行業數字孿生市場規模將突破82億美元。因此，建議化工行業重點突破基于原子層沉積技術的智能傳感涂層，通過構建覆蓋全產業鏈的虛實共生系統，最終形成“實時感知—智能預測—自主調控”的安全管控范式，助推化工行業實現從合規管理向價值創造的跨越。

本文作者單位為阜陽順泰注冊安全工程師事務所有限公司

責任編輯：曲紹楠

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