数字化转型，需要化工企业从被动向主动转变。

　　化工作为国民经济发展的支柱型产业之一，对于推动社会发展具有重要的作用。同时，化工是一个高危行业。其生产过程具有高温高压、易燃易爆及有毒有害等特征，存在较大的安全风险。尽管近年来我国化工安全事故发生率呈现连续下降趋势，但重特大事故仍时有发生。这不仅造成了严重的人员财产损失，而且暴露了传统化工安全管理中出现的问题。

　　在“双碳”目标与数字化转型的双重驱动下，构建数字孪生技术已经成为当前化工行业急需解决的重要课题。

　　动态风险评估范式革新

　　基于数字线程理论(NIST SP 800-160 Vol2)现代化工企业构建的虚实映射体系，实现了本体对象与数字镜像的有机耦合。万华化学在90万吨/年的乙烯装置技改中，通过分布式光纤测温系统获取反应器表面热场分布数据，结合催化热力学参数建立了多物理场耦合仿真模型。该系统部署的67382个传感节点覆盖管廊、储罐等关键区域，应用卡尔曼滤波算法实现噪声数据清洗后，可准确反映0.1℃的温度梯度变化。2023年装置试运行期间，该模型成功预警分馏塔再沸器结焦趋势，较设计检修周期提前37天实施维护，避免了非计划停车损失超过2300万元。

　　工艺体系优化。国际化工巨头在硝基苯加氢制苯胺工艺中引入反应器数字孪生技术。研发团队开发了多物理场耦合仿真模型。该系统集成了328个温度传感单元与中子背散射检测装置，实现催化剂活性位点的纳米级活性监测。数据表明，在60MPa高压工况下，氢气流速优化使转化率从87.3%提升至94.1%，单套装置年节约蒸汽12万吨。值得关注的是，动态调优算法的应用，可以根据原料品质波动自动调节冷却水循环量，使脱氢副反应产物生成量降低42%。

　　预警式设备管理。扬子石化在机组运维领域取得了突破性进展，创新采用振动频谱深度学习架构。通过对32台离心压缩机组加装高频声发射传感器，构建了转子动力学特征数据库。其研发的HHT-Hilbert时频分析算法，可以精准捕捉0.03mm级别的叶片微裂纹，较传统检测手段提前23天识别异常信号。工程应用数据显示，该系统在2019—2023年间累计预警设备劣化76次，关键机组非计划停机时间下降了73%，生命周期维护成本节约3800万元。

　　环境风险防控升级。台塑集团麦寮园区部署的电子鼻阵列采用交叉敏感气敏元件，可以同步识别苯系物、硫化氢等17种气体，并结合高斯烟羽模型预测浓度分布。该系统采用改进型卡尔曼滤波算法处理环境数据，实现了苯系物扩散路径的实时追踪与预测。

　　事故响应效能提升路径

　　基于实时态势感知的应急决策支持系统，突破了传统预案的时空局限性。陶氏化学德国基地构建的虚拟应急指挥平台，具有典型的示范意义。当控制系统检测到某批次环氧乙烷反应器温度异常时，系统可瞬时激活三重响应机制——装置DCS历史数据回放追溯异常源头;Fluent软件重构反应器三维流场;历史事故数据库筛选近五年类似案例启动自学习。系统17秒内生成三套处置方案，再经蒙特卡洛模拟评价后锁定最优策略。实际应用中，系统可以成功将放空量控制在安全阈值内，避免装置联锁停车造成300万美元的经济损失。关键应用模式，主要包括以下几个方面。

　　事故情景智能推演体系。恒力石化在苯乙烯储罐区应用离散相模型(DPM)，可以模拟不同破损孔径下的物料泄漏轨迹。采用改进型离散相模型(DPM)与计算流体力学(CFD)耦合算法，系统构建了欧拉—拉格朗日框架下的气液两相流湍流模型，可以精确模拟不同压差条件下的泄漏扩散路径。在2023年的应急演练中，系统对12种典型失效模式进行迭代运算。结果显示，在DN50管道破裂工况下，系统的应急物资调度效率提升了38.6%。实验数据验证，当风向变化频率≥3次/小时的时候，两阶段自适应网格优化算法将响应时间误差控制在±8.3%以内。

　　多模态数据融合决策。杜邦上海工厂应急系统整合了气象局风力预报、道路交通流量等7类动态数据，通过图卷积网络预测洗消作业最优路径，创新型应用时空图注意力网络(ST-GAT)，构建了包含325个节点的应急资源拓扑图，节点权重实时更新间隔缩短至2分钟。在模拟二甲苯罐车侧翻事故中，系统提前17分钟锁定了最优疏散路径，次生风险消减率达到了92.4%。核心技术突破体现在开发了基于横向联邦学习的数据融合框架，模型训练迭代次数降低46%。

　　智能协同指挥系统。福建联合石化开发的智能战情室，应用自然语言处理技术实时解析应急通话记录，自动生成事件进展时间轴与责任矩阵图。系统集成BERT预训练模型与领域知识图谱，实现了应急预案条款与实时工况的智能匹配。实战案例显示，在催化裂化装置异常波动事件中，系统在46秒内完成了137条语音指令的结构化解析，生成包含四维决策要素(风险等级、影响范围、处置优先级、资源需求)的应急预案矩阵。值得注意的是，分布式数字沙盘系统的应用，通过动态三维建模还原事故现场态势，提升指挥决策准确率至89.2%。

　　分级分类推进数字孪生技术

　　Gartner《2023年流程工业数字化成熟度报告》显示，采用数字孪生技术的化工企业平均年度事故率下降46%，但行业整体应用率不足34%。因此，建议化工行业分级分类推进机制。

　　建立基础级重点构建数据治理架构。建立跨平台的模型集成框架，如万华化学制定的装置元数据规范包含328类属性标签;实现了与资产绩效管理系统(APM)的秒级数据交互，设备运行效率平均提升23.6个百分点。

　　完善模型互操作标准。某国际化工集团上海研发中心基于德国工业4.0参考架构模型(RAMI 4.0)，开发出了包含37个工业组件的本体库。其中，针对反应釜单元构建的六维信息模型(3D几何模型+热力学模型+控制逻辑+材料清单+运维记录+质检数据)，使设备全生命周期数据归档效率提升了82%。

　　领先级探索虚实联动控制。参考中科院长春应化所在聚烯烃装置实施的数字代理(Digital Proxy)模式，其构建的流化床反应器代理模型集成了动网格技术与多相流耦合算法，实现了颗粒速度场和温度场的三维动态重构。在某35万吨/年聚乙烯装置调试中，数字代理系统成功预测了乙烯分压突变特征，提前37分钟触发了进料调节程序。关键技术指标显示，代理模型物性预测误差控制在1.8%以内，动态响应抖动小于±0.5%配置值。

　　德勤预测，未来三年，化工行业数字孪生市场规模将突破82亿美元。因此，建议化工行业重点突破基于原子层沉积技术的智能传感涂层，通过构建覆盖全产业链的虚实共生系统，最终形成“实时感知—智能预测—自主调控”的安全管控范式，助推化工行业实现从合规管理向价值创造的跨越。

　　本文作者单位为阜阳顺泰注册安全工程师事务所有限公司

　　责任编辑：曲绍楠