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标志性成果
 添加时间:2015/06/19 发布: 来自:zhouru
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1)危险性化工装置重大事故预防与控制技术装备及其工程应用

奖励:国家科技进步二等奖、中国石油与化工协会技术进步一等奖

从分子结构着手,开发了基于遗传算法、支持向量机及混合算法的易燃易爆及有毒有害物质12种危险特性参数(闪点、爆炸极限、自燃点、燃烧热、辛烷值、十六烷值、LC50、LD50、撞击感度、静电感度、自加速分解温度SADT、放热反应开始温度等)的QSPR定量预测模型与方法;建立了基于热参数敏感性分析的高危险性化工装置内反应热失控临界判据模型,为工艺装置本质安全设计和监测预警提供依据;揭示了典型化工装置重大火灾、爆炸与泄漏扩散事故机理及动力学演化过程,建立了精度较高的蒸气云爆炸超压计算模型和考虑自身重力沉降引起的湍流及周围大气湍流双重影响的LTA-HGDM重气扩散模型;建立了精度较高的储罐火灾沸溢效应预测模型、火灾环境下储罐热响应模型和失效判别准则;建立了利用综合风险指标表征同一装置区域不同布局方案相对风险的事故连锁效应分析评估模型。

 

2)化工过程安全监测预警与事故应急处置技术及工程应用

发表相关论文56篇, SCIEIISTP收录41篇次,SCI总被引频次49次,出版专著、教材6部。已获得授权国家发明专利2项,公开发明专利3项,实用新型专利4项,软件著作权登记11件,软件产品3件,高新技术产品1件。

研究提出了基于遗传算法、支持向量机及混合算法的物质危险特性预测方法;揭示了典型化工装置重大火灾、爆炸与泄漏扩散事故机理,建立了系统化的蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸汽爆炸模型、重气扩散模型、储罐火灾沸溢效应预测模型及事故连锁效应分析模型;建立了灾害环境下化工装置的热响应模型、失效判别准则及装置安全设计方法;建立了化工过程安全风险及重大事故隐患评估技术体系。

 

3)城市工业危险源应急管理软硬件技术及其应用

发表100篇学术论文,SCIEIISTP收录41篇次,总被引频次49,他引42次;出版专著、教材6部。已获得授权国家专利6项,公开专利3项:软件著作权登记5件。

建立了城市危险化学品重大事故隐患评价技术体系;系统构建了基于危险分析调查表和事故模式-字符串映射表实现快速危险辨识和模型自动匹配的城市工业危险源重大事故后果评价模型库;建立了工业危险源在热辐射、超压和破片作用下导致连锁事故的风险评价模型,提出了城市工业危险源连锁事故区域风险评价方法。

 

4)化工装置定量风险评价技术及工程应用

本项研究的成果已发表60余篇学术论文,SCIEIISTP收录24获得授权实用新型专利2项,公开发明专利2项,部分成果已在项目负责人的教材和专著《危险化学品安全技术与管理》、《工业装置安全卫生预评价方法》和《事故调查分析技术》中阐述。

研究的重点内容是深入研究化工装置灾害性事故的发生机理、相关条件及伤害机理,建立灾害性事故的严重度模拟评价模型和事故模拟分析技术,主要包括典型化工装置火灾、爆炸、毒物泄漏、扩散等模型;将GIS技术与事故隐患分级技术引入到化工装置定量风险评价中,开发基于GIS的定量风险管理系统,实现化工装置定量风险评价与动态风险管理;将该项成果应用于化工装置的风险评价、隐患评估、应急救援、事故调查分析、工程设计、厂房选址、风险投资决策、专业教学等方面,取得了良好的效果。以南京市为研究对象,基于理论成果设计开发的基于GIS的城市重大危险源风险管理系统软件已经被应用于南京市及其辖区的化工装置定量风险评价与管理、事故调查分析、安全工程专业教学、工程设计与厂房选址以及南京市重大事故隐患分级评估,在国务院应急管理办公室和南京市政府分别举行的两次重大危险源重特大事故应急救援演练中获得应用,已初步取得了显著的社会效益和经济效益

 

5)有机混合物燃爆特性的实验及理论预测研究

获得国家自然科学基金资助,出版学术专著1部,录用和发表期刊论文20篇,国际会议论文3篇,国内会议论文1篇,论文被SCIEI收录9篇;新申请国家发明专利2项,获授权2项;获软件著作权登记1项,培养硕士2人。

有机混合物的燃爆特性是衡量可燃混合物发生火灾爆炸难易程度的重要参数,是表征混合物在生产、储存和运输等过程中危险程度的重要指标,在工程设计和风险评估等工作中应用广泛。本研究项目以化工过程安全为背景,对有机混合物的燃爆特性(闪点、自燃点、爆炸极限)进行实验及理论预测研究。以烃类、醇、酮、醛、醚、酸、酯、苯系物等工业常用有机物在不同情况下组成的混合物为研究对象,对其在不同组成不同配比下的各燃爆特性数据进行测定,研究各燃爆特性随组分、配比的变化规律。

本项目的创新点在于:

1)本项目进行了遗传-偏最小二乘优化算法的改进研究;

2)揭示了各燃爆特性随组分、配比的变化规律;

3)提出新的特征变量优化筛选方法,揭示影响有机物各燃爆特性的特征理化因素及其影响规律,构建简便可靠、性能优越的有机混合物各燃爆特性理论预测模型;

在此基础上,建立了有机混合物燃爆特性预测与查询系统。

社会效益及经济效益:

本项目研究得出的模型简便可靠、性能优越,仅根据常见理化参数就能实现对复杂燃爆特性的预测,解决了混合物燃爆特性基础数据缺乏的问题;同时,揭示了影响有机混合物各燃爆特性的特征理化因素及其影响规律,为混合物配置及防火防爆等工作指明方向。在此基础上建立的有机混合物燃爆特性预测与查询系统,为衡量有机混合物的危险性提供了必要的基础数据,为工业设计与风险评估等提供了理论依据与技术支持。

 

6活性化学物质自反应危险性的构效关系及预测模型研究

发表和录用学术论文18篇,其中SCI收录5篇,EI收录4篇;申请和授权发明专利各1项;出版专著1部;项目获软件著作权登记1项。

自反应性化学物质是一类极其不安定的化学物质,在外界能量作用下容易发生火灾、爆炸事故,同时,有机过氧化物、硝基化合物等自反应性化学物质在化学工业、医药工业、军事工业等领域应用十分广泛。因此,为减少或避免相关事故的发生,开展针对自反应性化学物质的安全可靠性研究具有十分重要的意义。近年来,有机物定量结构-性质相关性(Quantitative Structure- Property Relationship,QSPR)研究得到了迅速发展。它根据化合物性能与分子结构密切相关的原理,寻求分子结构与物质性质之间的内在定量关系。本项目从分子结构角度出发,应用QSPR方法对活性化学物质的自反应危险性进行定量预测研究,建立了相应的理论预测模型,提出了预测各自反应危险性参数的新方法;对预测模型进行解释,确定了与不同活性化学物质自反应危险性密切相关的结构因素,掌握了结构因素对自反应危险性的影响规律;根据所建立的预测模型,开发了相应的活性化学物质自反应危险性预测与评价系统。

本项目的创新点在于:

1)提出了两种新的QSPR组合算法,即改进GA-MLR算法和GA-SVM算法,实现了对分子结构特征参数的快速筛选及模型的优化,弥补了现有算法的缺陷与不足;

2)建立了活性化学物质自反应危险性的QSPR研究体系,重点从模型全面性、模型评价验证及模型机理解释等方面对传统研究进行了改进和完善,确保了体系的完善性和有效性。

3)从分子结构角度出发,对活性化学物质的自反应危险性进行了系统的理论预测研究:①揭示并掌握了对活性化学物质自反应危险性起决定作用的特征结构因素及其影响作用规律,揭示了物质微观结构对宏观热危险性的影响,填补了文献上相关研究的缺失;②提出了预测活性化学物质自反应危险性的新方法,建立了可靠、高效的理论预测模型,实现了根据分子结构方便快捷地预测和评价活性化学物质自反应危险性的功能;

4)将支持向量机方法引入活性化学物质自反应危险性的QSPR研究。一方面应用其优异的泛化性能,对分子描述符与目标特性间的非线性关系进行模拟,建立了相应的预测模型,弥补线性建模方法的缺陷与不足;另一方面应用其强大的非线性拟合能力,结合遗传算法的全局优化搜索能力,建立了新的GA-SVM算法,对活性化学物质自反应危险性与分子结构间的纯非线性关系进行研究,建立相应的非线性模型,弥补传统QSPR算法的缺陷与不足。

5)提出了一种新的非线性模型描述符重要度分析方法,对支持向量机等“黑箱”模型所反映的构效关系机理进行了合理有效的解释和分析,填补了文献上相关方法的缺失。

社会效益及经济效益:

建立起活性化学物质自反应危险性预测与评价系统,为衡量活性化学物质在生产、使用、储存和运输等过程中的危险程度提供必要的基础数据,为定量评价活性化学物质的自反应危险性提供理论依据与技术支持。

该项目研究的成果从一定程度上改变了相关领域长期依赖高成本实验获取相关数据的现状,预测精度高,经济性强,提高了有机过氧化物、硝基芳香化合物等活性化学物质在生产、储存、运输和使用等过程中的安全性,从而有效降低事故发生的可能性和严重程度,带来了巨大的间接经济效益和社会效益。

 

7基于剩余寿命的设备运行风险预警系统

获得江苏省科技支撑项目1项,申请发明专利4项,授权软件著作权3项,发表相关论文26篇。2013.12年通过江苏省教育厅成果鉴定,成果整体达到国际先进水平。

项目简介

基于设备风险监测的迫切需求和发展趋势,研究开发石化设备风险运行预警系统,实现石化企业由基于时间的预防性检维修模式向基于状态和基于风险分析的预知性检维修模式的转变为目标,将安全评价技术与腐蚀监测管理、剩余寿命评价、损伤模式判别及分级评价、材料升级管理等深度结合,降低风险发生的可能性,建立一个动态循环,将安全评价与设备全过程管理结合起来,用安全评价来指导设备在线检测和定期检验,用检测、检验结果来验证、改进评价结果,实现石化装备的的运行预警,切实提高装置的安全管理水平。该系统的成功应用,为企业各种腐蚀管理和控制措施的实施以及实施结果的综合集成提供一套系统的管理和应用工具

项目的主要创新点和取得的突破有:

    (1)针对高温、高压和高腐蚀的石化装置,提出了集腐蚀监测、风险动态评估和寿命预测为一体的石化装置安全预警技术,包括采用数据挖掘技术和腐蚀机理分析方法进行腐蚀数据处理、基于损伤机理的剩余寿命评价计算、材质适应性评价、风险评估、损伤模式及敏感性判别、测厚布点规划和图形化显示等。

    (2)基于故障分析的RBI动态修正方法,剩余寿命的材质适应性评价方法及石化装备腐蚀速率异常变化的分析方法,提出了石化设备风险动态评估及材质环境适应性评价方法。

    (3)研究和实现了石化设备风险运行预警系统,该系统国内领先,国际先进。

    项目社会经济效益:

由于石化生产高温、高压、有毒及连续化生产的特点,石化行业是爆炸伤人、环境污染等事故频发行业。本项目研究成果加强了对石化企业设备风险监控管理,减少了恶性事件的发生,具有重要的社会效益。本系统已经在中国石化北京燕山石化分公司、扬子石化-巴斯夫有限责任公司成功应用,在中国石化镇海炼化分公司进行试应用,减少了事故的发生,得到了用户的普遍好评,取得了很好的社会效益。

对于使用方,效益表现在:1)降低了设备检验、维修成本;2)降低装备运行风险,减少企业非计划停工所产生的经济效益(装置的每次非计划停车往往带来几十万的损失);3)降低了设备失效安全风险,减少了人员伤亡、设备损坏和环境破坏损失所产生的效益。

在项目执行期间,开发的系统为企业避免经济损失2955万元。

 


     项目研究建立了密闭容器、管道和连通容器气体爆炸实验测试系统。研究探索了多种结构形式和尺寸大小的条件下密闭容器、管道和连通容器气体爆炸传播规律。研究了密闭容器、管道和连通容器动力学特征、障碍物与气体爆炸强度的关系。通过对比实验和理论分析,研究建立了考虑结构尺寸影响的密闭容器、管道和连通容器气体爆炸强度预测模型。

创新点:课题揭示了密闭容器、管道和连通容器动力学特征及与气体爆炸强度的关系;建立了考虑结构尺寸影响的密闭容器、管道和连通容器气体爆炸强度预测模型。研究成果对于容器管道系统气体爆炸防爆安全设计具有重要的指导作用,为工业装置气体爆炸灾害预防和控制提供了科学依据。

 

9)连通装置气体泄爆机理及其安全设计方法研究

获得国家自然科学基金资助,累计发表SCIEIISTP收录学术论文24篇(含后续研究进展),获得授权发明专利4项和实用新型专利2项,申请发明专利2

在理论模型及其相关成果研究的基础上,研究建立了连通装置气体爆炸特性分析与测试系统;建立了含N2、CO2混合气体的甲烷爆炸极限的预测模型;探索了单个容器和连通装置泄爆内外流场动力学特征;研究了连通装置气体泄爆规律及其影响因素,研究建立了连通装置平衡泄爆和非平衡泄爆两种泄爆设计准则,绘制了连通装置的气体泄爆计算图表;对连通装置气体泄爆实验数据进行了分析,提出了公式法和线解法等两种泄爆安全设计方法,建立了八种工况下连通装置泄爆安全设计曲线图;对连通装置泄爆外流场压力变化特性、影响因素及其二次爆炸条件进行了实验研究,建立了描述气体泄爆后二次爆炸伤害后果的计算模型;建立了四类爆炸事故碎片数量的概率分布模型。

创新点:项目揭示了单个容器和连通装置泄爆内外流场动力学特征;研究绘制了连通装置的气体泄爆计算图表;建立了描述气体泄爆后二次爆炸伤害后果的计算模型;建立了四类爆炸事故碎片数量的概率分布模型,研究结果为工业上连通装置泄爆安全防护提供理论支持和科学依据。

 

10)高倍消防泡沫覆盖下LNG与周围环境传热传质过程研究

获得省自然科学基金资助,发表SCIEIISTP收录学术论文5篇。

项目设计搭建了实验测试系统,通过实验中对高倍泡沫堆叠形态的观察,建立了泡沫的物理结构模型,在此基础上对高倍泡沫与LNG液体之间的传热进行了分析,并建立了高倍泡沫与LNG液体之间的传热模型。通过对实验中LNG蒸气以蒸气团形式通过泡沫堆这一现象的观察,建立了泡沫与进入泡沫内部的LNG蒸气之间的传热模型。通过实验中对稳定阶段冰层(含下方触角)及其内部冰管结构的观察,建立了冰层的物理结构模型,在此基础上对冰盘及触角与LNG液体之间的传热进行了分析,并建立了冰盘及触角与LNG液体之间的传热模型。通过对实验中LNG蒸气通过冰管这一现象的分析,建立了冰管与进入冰管内部的LNG蒸气之间的传热模型。通过对LNG水泥地面泄漏场景的环境影响因素的分析,去除掉对LNG温度及蒸发量影响不大的外界因素,筛选出实际应用中对LNG泄漏液池传热蒸发影响较为显著的地面及围堤热传导因素,进而对两者之间的传热进行分析,并建立传热模型。以物性参数相似的液氮(LN2)替代LNG,通过控制水压、泡沫厚度和浓度、泡沫添加方式进行小型实验研究,结合热量交换速率和液体蒸发速率的双重影响,得出增强危险源扩散的关键控制因素和最优控制方案。

实验测试系统

 

11)水幕作用下液化天然气泄漏扩散动力学机理研究

获得教育部博士点基金资助,项目发表论文4篇,其中EI检索1篇。

在分析水幕作用前后环境流场变化的基础上,研究水幕对液化天然气气体云的动力拖曳、卷吸空气的稀释混合、LNG气体云与水滴、卷吸空气之间的热量、动量传递、相变过程及其对扩散模式和行为的影响,并结合实验及数值模拟,揭示水幕作用下LNG泄漏扩散动力学机理。通过实验及数值模拟,研究水幕形式、水幕特性参数、气象条件对水幕防护效果的影响以及相互之间的联系、作用规则和原理。结合理论分析,提出表征液化天然气泄漏扩散水幕防护效果的无量纲准数、相互关系及其对水幕防护效果的影响,建立基于无量纲准数的水幕防护效果判据,为LNG泄漏扩散的安全防护设计提供理论依据。

本项目的特色与创新之处:

(1)研究LNG气体云与水滴、卷吸空气之间的热量、动量传递过程及其对扩散模式及行为的影响,揭示水幕作用下LNG泄漏扩散动力学机理;

(2)建立基于无量纲准数的LNG泄漏扩散水幕防护效果判据。

 

12)有毒重气体泄漏扩散水幕防护系统及装备研发

项目获得江苏省科技支撑计划(社会发展)项目资助,培养硕士研究生7人,其中已毕业研究生5人,在读研究生2人。共发表论文9篇,其中EI检索2篇,授权实用新型专利1项。已本项目为背景指导3名本科生进行课外学术活动,获南京工业大学城建学院本科生科技论坛优秀论文二等奖2次,南京工业大学本科生科技论坛优秀论文一等奖1次,指导本科生在国际会议上发表论文1篇,在专业核心期刊上发表论文1篇,并成功获批江苏省大学生创新创业训练计划重点项目及国家级大学生创新创业训练计划项目。

本研究通过研究水幕工作参数对水幕稀释阻隔气体扩散效果的影响,提出现场水幕设置指南,并开发出使用方便、连接快捷的便携式水幕防护系统及装置。

项目主要内容及创新之处:

针对不同性质、不同泄漏状态下的重气体,研究并提出水幕的主要稀释阻隔作用及方式;研究水幕特征参数、水幕设置形式、环境参数、泄漏状态对重气体稀释阻隔效果的影响;在实验研究的基础上,提出简单适用的基于无量纲准数的水幕稀释阻隔效果判断指导泄漏事故现场水幕的快速、高效设置;进行系统优化设计,研发出使用方便、连接快速的便携式水幕防护系统及装置。

开发了新型水幕防护装备,如下图:

关键技术

(1)水幕旋转部件的设计。

(2)装置稳定性。

(3)压力控制。

功能指标

(1)实现现有消防车直连接使用;

(2)实现喷射角度(与地面角度可达到45o到135o)可调节且可控制;

(3)实现压力控制可量化;

(4)完成装置稳定性设计;

(5)实现喷头种类可替换。

 

13)基于本质安全的化工过程装置连锁事故风险评价及其控制研究

项目获得江苏省自然科学基金资助。

通过化工过程装置连锁事故案例数据统计分析建立了4类连锁事故传递破坏作用分类:超压、破片、火灾热辐射等物理破坏作用及装置间工艺关联。研究了破坏作用的产生、传递和引发连锁事故的过程机理,建立了前述4类破坏作用下化工装置连锁事故风险评价模型;耦合装置间多类型连锁事故风险,改进了化工过程装置连锁事故区域风险。

评价方法及模型;提出了基于不同社会人群风险协商的化工园区风险可接受标准的制定原则。研究了爆炸碎片与热辐射连锁效应下化工装置连锁事故风险削弱技术机理,提出了基于典型防护隔板和保护层(聚氯乙烯、石棉等)的本质安全设计方法;提出了基于化工工艺物质危险性评价的工艺路线设计初期本质安全化设计方法:提出了基于风险评价的化工装置连锁事故风险监控系统建设原则;建立了化工集中区生命周期阶段划分,提出布局设计在化工集中区生命周期各阶段的本质安全化设计目标和影响因素指标体系,针对不同阶段开发了化工园区本质安全度风险评价模型。建立了区域化工装置连锁事故定量风险评价及控制的程序与算法,开发了基于GIS的连锁事故风险评价及控制软件系统。以化工园区为研究对象,通过实证研究系统化基于本质安全的化工过程装置连锁事故风险控制技术。

 

14)化工园区安全容量动态分析模型及优化技术研究

项目获得国家自然科学基金资助,开发的化工园区安全容量定量评价系统正申请软件著作权。已发表文章6,其中EI收录2篇。

建立了化工园区危险总量指标体系,并基于化工园区生命周期划分初步建立了化工园区安全总量控制指标体系。提出了基于AHP-模糊方法的某化工园区应急能力评估技术。考虑到社会群体对于化工园区风险认知的主观特性,探索了化工区不同人群风险观影响下凤霞协商冲突机理,辅助对于风险可接受阈值标准的决策。项目研究理论成果被用于连云港临港产业园化工集中区区域风险评价,昆山市千灯精细化工区区域风险评价及二期发展规划、昆山市千灯精细化工区区域应急预案编制技术等咨询服务项目。

 

15)多孔环境下阴燃向明火突变的机理和制约因素的多尺度研究

项目获得国家自然科学基金资助,发表学术论文19篇(EI收录6篇);获得教学奖项5项,科技奖项3项;申请发明专利和实用新型专利各1项,其中授权发明专利1项、实用新型专利1项、发明专利公开1项;开展国内外交流合作13次。

阴燃向明火突变是阴燃成灾的关键环节,已给国家生命和财产安全带来持续的重大威胁。本项目从防灾角度出发,根据阴燃成灾燃烧链理论,通过微观、细观和宏观等不同尺度上的模拟和表征试验,针对这一突变过程,深入研究多孔环境的自身特性(结构特性等)和物理化学特性演变(结构形态、表面组成和燃烧产物等)以及典型因素(密度、形态、连续性和阻燃性及含氧量)的影响,探讨这些因素和过程与阴燃向明火突变趋势性的关系,拟从本质上揭示这种突变产生的临界条件、机理(多孔环境、可燃介质、热量、可燃挥发物和氧气的综合作用)和主要制约因素(特别是新型阻燃剂的作用),建立一定的参数模型,为今后发展有效的防控技术提供科学依据。本项目顺应和推动学科领域前沿的发展,促进安全科学、燃烧学、材料学及其相关学科的交叉融合,从应用上满足了对阴燃诱发火灾预防和扑救的迫切要求,具有重要的科学价值、现实意义和应用前景。

 

(16)企业端视频监控与数据监测一体化设备

对全国1000多家重点化工生产、经营、储存等企业实现了在线监测与预警和企业、政府联动报警,提升了政府对突发安全生产事故的应急响应和处置能力,有效的防范了企业重大事故发生,提高了企业本质安全化水平。

 

(17)安全生产应急管理与应急指挥系统

实现了对使用单位重大安全生产事故的应急值守、应急响应、应急评估、综合研判、辅助决策和指挥调度以及应急资源的数字化管理等功能,为应急工作的动态调度和管理提供了有效手段。

 

(18)危险化学品重大事故隐患评价技术体系及工程应用

对南京、厦门、大连等30多个城市危险化学品重大事故隐患整改,降低了事故隐患转化为事故的可能性,对于预防与控制重特大事故的发生具有重要的意义。

 

(19)基于GIS的城市重大危险源风险管理系统

对南京厦门、大连等30多个城市重大危险源进行风险管理,对重大危险源进行了辨识与分级。通过该成果的定量风险评价模型技术,实现了对化工装置的火灾、爆炸、泄漏等典型事故的定量评价与风险分析,实现了基于定量风险评价计算的化工装置动态管理。



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