引言

本案例研究展示了在化工装置扩建项目前端工程设计（FEED）阶段进行的工艺设计分析。所提出的方法论及采用的AeROS软件同样适用于其他需要缓冲容量计算的行业（如油气、制造业等）。本研究的核心启示在于：进行设计决策时，必须综合考量设备可靠性、维修周期及生产效率对整体工艺流程的影响。

场景描述

图1展示了包含故障敏感设备（混合器与泵）、缓冲罐及反应器的局部工艺流程。缓冲罐的核心作用是确保反应器R1的进料连续性。

除满足既定可用性与生产效率指标外，储罐容量的确定是关键挑战。容量不足可能导致反应器停机，而过大的设计则会增加项目成本（即过度设计）。

基于混合器与泵的故障率及停机特征，如何确定储罐的最优容量以将工艺中断风险控制在可接受范围内？

分析方法

通过系统可靠性模型构建该工艺的数字孪生。

系统可靠性模型

当混合器或泵发生故障时，若能在储罐排空前完成维修，则不影响生产；否则需关闭反应器，且重启需耗时8小时。

数字孪生工作原理

图2中的延迟逻辑通过Arming、Timer、RestartDly和R1节点实现：

正常运行：生产流经路径 M1 → P1 → T1 → RestartDly → R1，Arming节点处于OFF状态

异常事件序列：

• 事件1：M1或P1长期维护导致T1排空 → Arming ON，R1 OFF
• 事件2：维护完成，T1重新进料 → RestartDly OFF
• 事件3：T1液位达25%（可调阈值） → Arming OFF，R1 ON，Timer1开始8小时倒计时
• 事件4：Timer1归零 → RestartDly ON，系统恢复正常运行

AeROS在FEED阶段实现了设计优化，既避免了高昂的错误决策，又提升了未来生产效率。

混合器与泵的可靠性参数均来自设备制造商（OEM）及企业历史数据。

输入参数

标准化生产速率：1单位/小时（价值1000美元/单位）

混合器M1与泵P1的常规产能：1单位/小时；最大产能：2单位/小时

初始储罐设计容量：10单位（基于8-9小时平均维修时长，提供10小时维护窗口）

设备故障率与停机分布特征：

上述参数录入图2中各对应节点

图3所示为1年周期的模拟运行剖面

仿真结果

通过AeROS软件模拟，团队研究了五种不同储罐容量对年产量损失的影响，结果如表2：储罐容量与产量损失的敏感性分析所示。

基于模拟结果，团队拟将储罐容量从10单位增至20单位（改造成本20万美元）。在假设商品价格稳定且忽略通胀的前提下，根据超额产能带来的现金流计算，该改造项目的10年期净现值（NPV）达1,178,520美元（折现率8%）。

仿真结果

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