為石化生產(chǎn)安全運行保駕護航

王春利　李傳坤

項目團隊先后承擔了 “石化系統(tǒng)定性定量復雜故障診斷技術(shù)研發(fā)”等3項國家863課題，10多項企業(yè)研究課題，獲得了8項發(fā)明專利，開發(fā)出能夠適應各種不同工況，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的石化裝置異常工況監(jiān)測預警診斷系統(tǒng)，填補了在國家這一方面的技術(shù)及產(chǎn)品空白。

石化生產(chǎn)過程工藝連續(xù)性強、控制條件異?？量?，生產(chǎn)在高溫、高壓、易燃、易爆等危險環(huán)境下進行，發(fā)生異常工況后如果處理不當，極易造成設備損壞甚至事故發(fā)生。而石化生產(chǎn)過程異常工況具有隱蔽性強、危害大、關(guān)聯(lián)因素多等特點，目前企業(yè)對異常工況的監(jiān)測預警手段還大多停留在依靠人工經(jīng)驗來分析處置的水平，并且現(xiàn)有控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄無法在異常狀況發(fā)生時為操作人員提供足夠的支持，造成操作人員很難快速、準確地發(fā)現(xiàn)其根原因，從而造成誤判或是誤操作，嚴重的甚至造成事故發(fā)生。因此，如何準確判斷出異常工況并控制異常工況的發(fā)生是避免事故發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

隨著裝置的大型化、復雜化，過去傳統(tǒng)的靜態(tài)、局部、滯后、單一因素的報警和分析的方法已無法適應安全管理的需要，正逐步發(fā)展為針對動態(tài)工況的實時、系統(tǒng)化、多因素的監(jiān)控預警和分析的方法，輔助操作人員全面有效地分析當前狀態(tài)和診斷過程異常。中國石化青島安全工程研究院為了解決生產(chǎn)中異常工況所帶來的問題，密切跟蹤國際上異常工況管理技術(shù)的最新研究成果，自2004年組建了石化裝置安全運行智能監(jiān)測創(chuàng)新團隊，在廣泛研究比較了國外同類型研究成果基礎(chǔ)上，進行了系統(tǒng)工程、化學工程、系統(tǒng)仿真、計算機軟硬件技術(shù)等多學科交叉，充分利用軟件領(lǐng)域的先進技術(shù)，實現(xiàn)了在異常工況基礎(chǔ)理論方法研究、監(jiān)測預警系統(tǒng)軟件開發(fā)、實驗平臺建設及工業(yè)應用等多方面的創(chuàng)新。所開發(fā)的異常工況診斷技術(shù)充分利用DCS控制系統(tǒng)、MES系統(tǒng)及LIMS系統(tǒng)等海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從中挖掘有效的信息，及時發(fā)現(xiàn)裝置異常，并提出相應的標準安全操作措施，幫助操作人員及時發(fā)現(xiàn)和排除由于異常工況等原因造成的安全隱患，有效避免誤操作，降低生產(chǎn)過程的擾動，保障生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運行，實現(xiàn)對石化裝置異常工況智能監(jiān)測預警與安全操作管理。

項目團隊先后承擔了 “石化系統(tǒng)定性定量復雜故障診斷技術(shù)研發(fā)”等3項國家863課題，10多項企業(yè)研究課題，獲得了8項發(fā)明專利，開發(fā)出能夠適應各種不同工況、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的石化裝置異常工況監(jiān)測預警診斷系統(tǒng)，填補了國家在這一方面的技術(shù)及產(chǎn)品空白。

該系統(tǒng)主要包括工藝狀態(tài)監(jiān)測與預警、設備狀態(tài)監(jiān)測與性能分析、故障根原因分析、報警等級評估、安全專家知識庫等功能模塊。針對大型復雜動設備的動態(tài)變化和多參數(shù)耦合的復雜特性，根據(jù)設備的歷史數(shù)據(jù)，采用多維空間狀態(tài)分析技術(shù)建立設備運行正常工況和實時運行的“相似度曲線”，實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)的在線智能監(jiān)測。針對一般的單元操作設備（如換熱器、加熱爐、泵、壓縮機、塔、罐等），按照物料平衡與熱量平衡的計算，對設備運行的關(guān)鍵性能指標進行在線監(jiān)測，從而在設備性能下降的情況下，提前通知設備人員進行維護，在提高生產(chǎn)效率的同時，降低設備突然發(fā)生事故的概率。

針對石化裝置異常工況的多變性和復雜性，研究形成了基于專家系統(tǒng)和機理模型的確定型異常工況識別、基于神經(jīng)網(wǎng)絡和狀態(tài)空間分析的不確定型異常工況監(jiān)測預警等關(guān)鍵技術(shù)，建立了基于特征融合的異常工況監(jiān)測預警運行機制，實現(xiàn)了對異常工況的智能識別與監(jiān)測預警。針對石化生產(chǎn)過程中異常工況多變性和復雜性等特點，將異常工況分為確定型和不確定型兩類，開發(fā)基于專家系統(tǒng)的確定型和基于多維空間狀態(tài)分析的不確定型異常工況識別技術(shù)，實現(xiàn)了對異常工況的準確識別，從而為異常工況的診斷及安全操作提供可靠基礎(chǔ)。

針對生產(chǎn)過程異常工況觸發(fā)因素多、參數(shù)間相互關(guān)聯(lián)性強等特點，重點研究了基于故障樹和基于符號有向圖的異常工況根原因分析技術(shù)，建立了異常工況判斷專家知識庫。該知識庫集成了優(yōu)秀操作人員的操作經(jīng)驗和完善各種事故（異常）情況處理方案，當裝置在運行過程中出現(xiàn)異常情況，通過該系統(tǒng)操作人員還可以及時記錄操作和處理異常情況（包括事故）的過程，并作為專家經(jīng)驗進入專家知識庫，從而幫助操作人員及時積累操作經(jīng)驗，結(jié)合裝置危險與可操作性分析、事故應急預案、操作規(guī)程等涉及工藝、設備及儀表的相關(guān)信息等構(gòu)成專家知識庫。在后續(xù)裝置運行過程中，一旦出現(xiàn)類似情況，即可自動提示相關(guān)專家指導建議，指導操作人員對裝置的運行控制從事后被動干預型變?yōu)槭轮?、事前主動預防型，保障裝置的安全穩(wěn)定運行，提升裝置智能化操作水平。同時系統(tǒng)每天自動統(tǒng)計分析高低報警參數(shù)、平均報警個數(shù)、工段報警個數(shù)、班組報警個數(shù)等，提供評價生產(chǎn)過程操作水平和裝置運行水平的定量依據(jù)，為安全操作及優(yōu)化管理提供指導。

石油化工裝置自身具有很大的危險性，異常工況監(jiān)測預警技術(shù)的研究與開發(fā)是針對裝置在非正常工況、甚至是在事故狀態(tài)下的運行情況，在實際的裝置上進行試驗是不允許的。所以，構(gòu)建一個與實際生產(chǎn)過程高度逼近的仿真試驗系統(tǒng)是非常必要的。石化生產(chǎn)異常工況分析測試仿真試驗平臺借助高速計算機及仿真技術(shù)，通過對石化生產(chǎn)裝置的工藝、控制方案的模擬，構(gòu)造與企業(yè)實際生產(chǎn)過程相類似的試驗平臺，能夠在該平臺上實現(xiàn)工藝的操作優(yōu)化、控制方案的優(yōu)化、故障設置及診斷，并可應用該平臺對開發(fā)的異常工況監(jiān)測預警模型與算法進行檢驗與驗證。該平臺主要實驗裝備由服務器、仿真計算機、DCS控制系統(tǒng)、ESD緊急停車系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫、過程仿真模擬軟件、異常工況監(jiān)測預警系統(tǒng)等軟硬件設施組成，形成了完整的石化生產(chǎn)過程模擬、狀態(tài)監(jiān)測與診斷的安全研究中心。該平臺可用于研究、開發(fā)、試驗、測試和驗證危險識別與分析技術(shù)，故障診斷技術(shù)，非正常工況指導信息系統(tǒng)技術(shù)等，同時也是所開發(fā)應用系統(tǒng)的示范環(huán)境和技術(shù)培訓環(huán)境。在該綜合試驗平臺不僅可以進行單裝置的試驗，還可以在此基礎(chǔ)上進行全廠性的安全工程解決方案研究。

所開發(fā)的系統(tǒng)已經(jīng)在鎮(zhèn)海煉化、燕山石化等大型煉化企業(yè)的常減壓、催化裂化、乙烯及已內(nèi)酰胺等裝置上實現(xiàn)了工業(yè)應用，取得了良好的應用效果。系統(tǒng)通過采集現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)并對各種異常工況進行監(jiān)測預警和根原因分析，幫助現(xiàn)場人員迅速處置，使生產(chǎn)異常的處理模式由事后的經(jīng)驗分析處理變成事前、事中的實時智能監(jiān)測與分析指導，大大提高異常工況的處置效率與成功率，有效地避免了由于異常工況造成的緊急狀態(tài)甚至事故的發(fā)生，實現(xiàn)了異常工況的智能診斷與精細化管理，提高了企業(yè)的生產(chǎn)決策科學性與安全生產(chǎn)管理水平。

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團體簡介：牟善軍領(lǐng)導的石化裝置運行動態(tài)智能監(jiān)控技術(shù)團隊先后承擔了多項國家級課題，以及中國石化科技開發(fā)項目20多項。成功開發(fā)并推廣了異常工況監(jiān)測預警技術(shù)、泄漏監(jiān)測智能預警、防爆EXPAD及移動應用平臺等系列技術(shù)和產(chǎn)品。團隊開發(fā)的“石化裝置異常工況動態(tài)監(jiān)測預警與安全操作指導系統(tǒng)”已被列入了國家重點新產(chǎn)品計劃、國家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局2013年安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)，以及國家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局安全科技“四個一批”推廣應用項目；成果先后獲得國家安全監(jiān)督管理總局科技進步一等獎和中國石化集團科技進步二等獎，并已在燕山石化、齊魯石化等特大型煉化企業(yè)數(shù)十套裝置實現(xiàn)了應用。

團隊的發(fā)展目標是力爭成為中國石化裝置安穩(wěn)運行動態(tài)監(jiān)測預警技術(shù)的支撐單位，在掌握裝置運行規(guī)律的基礎(chǔ)上，進行大數(shù)據(jù)的挖掘，建立中國石化的裝置過程安全數(shù)據(jù)中心。 責編/萬海濱