基于多准则决策的LNG液化工艺安全经济性综合评价：整合过程安全指数(PRI)与定量风险评估(QRA)的创新框架

研究人员针对LNG液化工艺设计中安全性与经济性难以协同优化的问题，创新性地将过程安全指数(PRI)、定量风险评估(QRA)与资本支出(CAPEX)分析相结合，构建了多准则决策(MCDM)评价体系。通过TOPSIS方法对四种混合流体级联(MFC)工艺的综合评估表明，MFC4在平衡安全与经济性时表现最优，其PRI为24.085，年致死频率2.37×10-5，CAPEX 67.962 M$。该研究为化工过程设计阶段的安全-经济多目标优化提供了系统方法论。

　　

随着全球能源结构转型加速，液化天然气(LNG)作为清洁能源的重要性日益凸显。然而在LNG液化工厂的设计阶段，工艺路线的选择往往面临安全性与经济性的"双重悖论"——高压深冷工艺虽能提升效率，却可能增加泄漏爆炸风险；而过度强调安全又会导致设备投资(CAPEX)激增。更棘手的是，传统评估方法常在早期设计阶段缺乏系统工具，难以量化比较不同工艺方案的综合效益。这一困境在混合流体级联(MFC)这类复杂液化工艺中尤为突出，亟需建立融合工程热力学、风险管理和经济分析的创新评价体系。

为破解这一难题，研究人员开发了整合过程安全指数(Process Route Index, PRI)、定量风险评估(Quantitative Risk Assessment, QRA)与资本支出的多准则决策框架。研究首先通过Aspen HYSYS模拟四种MFC工艺的流体力学参数，运用PRI方程量化各工艺的固有安全水平，该指数综合了密度(ρ)、压差(ΔP)、燃烧热(LHV)和可燃性极限(ΔFL_mix)等关键参数。随后采用流程流指数(Process Stream Index, PSI)识别高风险设备，基于国际油气生产者协会(IOGP)事故频率数据，在SAFETI软件中建模泄漏/破裂场景，计算年致死频率(Fatality Frequency, FF)。经济性评估则通过设备功率、换热面积等参数估算CAPEX，最终运用理想解相似排序(TOPSIS)方法进行多目标优化决策。

研究结果显示，在四种MFC工艺中，三循环设计的MFC4展现出最佳综合性能。其PRI值(24.085)显著低于双循环的MFC2(26.415)，表明采用多级制冷可有效分散风险。QRA分析进一步验证，MFC4的年致死频率(2.37×10^-5)较MFC2(1.70×10^-4)降低86%，其F-N曲线完全处于ALARP(合理可行最低)区域。经济性方面，MFC4的CAPEX(67.962 M)与MFC3(68.162M)相当，但比最高风险的MFC2节省3.5 M$。TOPSIS敏感性分析揭示，在安全权重占75%的方案中，MFC4的优先度得分达0.76，远超其他方案；而在经济优先(75% CAPEX权重)时，简单结构的MFC1则更具优势。

该研究的创新性在于建立了可量化的早期设计决策工具链：PRI实现工艺级安全预判→PSI定位关键设备→QRA精确量化社会风险→CAPEX评估经济可行性→TOPSIS完成多目标权衡。特别是将PRI与QRA的协同验证，克服了传统指数法缺乏实际事故数据支撑的局限。实践意义在于为LNG项目提供了差异化的工艺选择策略——寒冷地区宜选用MFC1平衡成本，而环境温度较高时推荐采用MFC4确保安全。未来研究可拓展纳入环境足迹指标，并开发动态风险预警模型，进一步提升全生命周期决策的科学性。论文发表于《Results in Engineering》，为过程工业的可持续设计提供了重要方法论参考。