智能化在煉化一體化項目中的應用研究

張來勇 趙猛 周暉 張梅英

摘要：煉化一體化是煉油化工行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，而智能化是助推煉化一體化項目安全、綠色、集約和效益發(fā)展的重要手段。本文首先介紹了煉化一體化發(fā)展的內涵，剖析了其發(fā)展特征和運營管理中面臨的問題，然后提出了“智能煉化一體化”的基本技術架構和典型應用場景，最后結合建設經驗總結了智能化建設的實施要點和建議。

關鍵詞：煉化一體化；智能化；應用場景；數據孤島；技術架構

1 前言

煉化產業(yè)是關乎我國民生和國家安全的支柱性產業(yè)。近10年來，隨著工業(yè)技術的發(fā)展和供需產業(yè)結構的變化，煉化企業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)：（1）國際原油價格寬幅震蕩和國內外行業(yè)競爭激烈，對企業(yè)的精益化管控提出了更高的要求；（2）石化產品結構化需求不平衡，迫使燃料型向原料型油轉化轉型升級；（3）安全、環(huán)保要求日趨嚴格，致使企業(yè)的投資和生產成本大幅攀升[1]。因此，老舊、低效的煉油廠和化工廠必將被淘汰，而煉化一體化則成為煉化行業(yè)發(fā)展的必然選擇[2-4]。然而我國的煉化一體化項目大而不強，主要是因為傳統(tǒng)生產管理模式難以適應其規(guī)?；?、集約化和上下游一體化的發(fā)展特征，限制了煉化一體化效能的釋放。隨著IT技術的發(fā)展，掀起了第四次工業(yè)革命，形成了眾多以智能化為核心的應用技術[5，6]，這為煉化一體化的精益管控提供了一把利劍，必將促進煉化一體化企業(yè)安全、綠色、集約和效益的高質量發(fā)展。

本文首先介紹了煉化一體化發(fā)展的內涵，剖析了其發(fā)展特征和運營、管理中面臨的問題，然后提出了“智能煉化一體化”的基本技術架構和典型應用場景，最后結合建設經驗總結了智能化建設的實施要點和建議。

2 煉化一體化發(fā)展的內涵

十多年前，我國的煉油、化工企業(yè)平均規(guī)模普遍偏小，呈現出“多、小、散、亂”的分布格局，這導致單位產品的成本高、能耗高、環(huán)保治理費用高、儲運費用高，以及供需鏈條協調不暢等問題，并隨著競爭環(huán)境的加劇、效益的下降促使煉化企業(yè)不得不走上提質增效、產業(yè)轉型升級的道路。隨著焦化、加氫、催化裂化和重整等技術的發(fā)展，給予了煉油和化工裝置“直接牽手”的必要技術條件。

煉化一體化是指將煉油和化工裝置在有限的地域內實現集約發(fā)展，進而實現資源的節(jié)約和有效利用，大大降低建設和生產成本，增強市場適應性，提高經濟效益和企業(yè)的抗風險能力，這也是國家經濟發(fā)展由資源消費型向循環(huán)經濟型、資源節(jié)約型和環(huán)境友好型轉變的必然要求。煉化一體化不僅是從技術經濟層面的發(fā)展優(yōu)化策略，而且具有更加豐富的技術內涵：上下游原料互供、優(yōu)化利用一體化；總平面布置一體化；公用工程/輔助設施一體化；物流儲運一體化；消防、安全和應急一體化；環(huán)境保護一體化；管理服務一體化等。然而，這些一體化不是簡單的羅列和組合，而是有機的整體技術集成，最終才能實現資源的高效優(yōu)化配置與利用。

3 煉化一體化的發(fā)展特征和面臨的問題

煉化一體化模式經過多年的發(fā)展已從初級的以單供原料為主的松散型提升為全面互供的緊密型，與傳統(tǒng)獨立的煉油或化工裝置相比，呈現出鮮明特征。

（1）集群化、大型化、規(guī)?；卣饔l(fā)明顯。

（2）上下游工藝技術集成度更高，耦合關系更加復雜。

（3）集約化和共享化程度更高。

（4）安全、環(huán)保風險密度更大，影響面更廣、危害程度更大。

然而，面對這樣“大、多、繁、雜”的煉化一體化流程工業(yè)體，傳統(tǒng)生產管理模式和工具難以滿足其發(fā)展的要求并暴露出諸多問題。

（1）大型化和規(guī)?；苯訉е略O備的數量、種類成倍增加且約束條件更加復雜，運維難度更大，非計劃宕機影響的范圍更廣。

（2）上下游一體化導致裝置間公用工程互供的耦合關系更加復雜，裝置的操作條件和負荷動態(tài)變化導致公用工程的保供和有效節(jié)能降耗變得異常困難。

（3）大型煉化一體化的高度集成，致使安全、環(huán)保的風險更加集中、危害程度更大，監(jiān)控和管理風險、防范于未燃是煉化一體化企業(yè)必須高度重視的問題。

（4）由于煉化一體化裝置的快轉、快投和快穩(wěn)難度大，導致對市場的敏捷性沒有發(fā)揮出來，經濟效益沒有得到充分挖潛。

這些問題都屬于“人、機、料、法、環(huán)”生產要素的精益化管理、動態(tài)優(yōu)化配置的管控范疇。但由于煉化一體化的高度集約化發(fā)展，使其變得異常復雜，如不采用先進的管控手段和方法，必將降低煉化一體化項目的競爭力和效能的發(fā)揮。

4 智能煉化一體化基礎技術架構和典型應用場景

4.1 智能煉化一體化基礎技術架構

煉化一體化完成了生產裝置和技術的硬擴展，但其效能的發(fā)揮取決于是否有先進的管控手段駕馭這么“大、多、繁、雜” 的龐大工業(yè)體。傳統(tǒng)生產管理模式借助信息化技術，一定程度上緩解了超大規(guī)模煉化一體化項目的管理難題，但形成了大量數據孤島和業(yè)務豎井，難以實現業(yè)務協同和智能科學決策，無法適應其高質量發(fā)展的要求。隨著人工智能、大數據、云計算、互聯網等技術的不斷發(fā)展，“數據、算力、算法”能力得到大幅提升，在此基礎上提出了智能煉化一體化的基礎技術架構，以打破數據孤島和業(yè)務豎井的壁壘，實現泛在感知、預測預警、協同優(yōu)化、科學決策等智能化手段與煉化一體化業(yè)務的深度融合，進而激發(fā)煉化一體化項目潛能。

本智能煉化一體化技術架構采用平臺化設計（圖1）。其中，邊緣層與煉化一體化工廠進行海量數據傳輸和交互，經過數據清洗、處理等技術將多源、異構和多模態(tài)數據存儲在IaaS層的中央數據庫，中央數據庫通過數據標準化實現各類數據的集成與融合，為上層的業(yè)務協同和智能化應用奠定可靠的數據基礎；同時在PaaS層上部署相應的算法庫、模型庫、微服務組件庫、報表庫、控件庫、套件庫等基礎通用單元，使其具有強大的數據分析和挖掘等功能；然后根據實際的業(yè)務需求在SaaS層上部署相應的智能化應用，形成N in 1的智能化應用平臺，每項智能化應用通過調用PaaS層上的智能化單元并加工IaaS層中央數據庫中的數據，輸出決策信息和控制指令，建立起數據驅動的“描述-診斷-預測-決策”智能服務機制，從而降低人工判斷在決策中的比重，進一步提升生產、經營、管理精益化、智能化水平。

本技術架構重點突出兩大特征，即中央數據庫和N in 1智能化應用集成平臺。（1）中央數據庫通過主數據管理、標準化數據、標準化接口等實現數據的集成及共享，從根本上消除數據孤島和業(yè)務豎井等數據割裂問題，實現數據驅動的業(yè)務協同。（2）智能化應用是種探索與追求，將隨著業(yè)務深入開展和技術進步而不斷有新的部署和優(yōu)化升級，因此要求技術架構必須具備極強的易擴展性，N in 1的數據、算法、應用的平臺化集中集成為未來擴展業(yè)務應用提供了經濟、便捷的途徑，實現了強大后臺、優(yōu)化中臺和敏捷前臺的優(yōu)良運維環(huán)境。

4.2 典型應用場景

設備、能源、安全環(huán)保和生產優(yōu)化是煉化一體化項目精益化管控的重點和難點，智能煉化一體化應在夯實基礎平臺的基礎上，以需求為導向著重建設以下典型應用場景。

（1）智能設備管理。煉化企業(yè)中的設備“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行是重中之重，但由于煉化一體化的規(guī)?；l(fā)展，設備的數量、種類繁多，僅僅依靠人工點巡檢不僅工作量巨大而且很難及時發(fā)現和定位設備問題。運用網絡、大數據等技術，實時自動采集海量的設備關聯數據，并建立設備健康模型，在線分析健康狀況，預測設備故障，分析、挖掘和規(guī)避設備故障影響因素，進而解決非計劃宕機、帶病運行或過度維修等問題，建立科學維保、降本增效的智能化、精細化3P設備管理體系，實現設備全壽命周期的科學管理。另外，設備故障預測算法中可采用數據、圖形、頻譜和多變量關聯等方法提高預測的準確性和提前量。

（2）智能能源管控。煉化一體化項目由于目標產品的動態(tài)調整以及裝置間的產品和能源互供的耦合關系，導致水、電、氣、汽和煤等公用工程的消耗在時間和空間維度上也是動態(tài)變化的。因此，利用智能化技術建立能源管控模型，實時監(jiān)控能源產/耗數據，分析能源供消特征，實現由粗放型保供向精細化保供轉變，同時有的放矢地節(jié)能降耗，達到公用工程動態(tài)集約的優(yōu)化平衡，進而降低生產成本、提高效益。另外，還可通過對重點設備和裝置能耗的分析，挖掘生產、安全和設備更深層次的問題。

（3）智能安環(huán)監(jiān)管。大型煉化一體化的高度集中，致使安全、環(huán)保的風險更加集中、危害程度更大和關聯危害更廣，在國家綠色發(fā)展的要求下，應加強其安全和環(huán)保的監(jiān)管。通過視頻在線監(jiān)控、人員定位、周界報警、事故推演、安環(huán)與應急和生產系統(tǒng)聯動等智能化應用，從事后管理向事前預測、事中控制轉變，增強管控能力，降低安環(huán)風險。

（4）智能生產優(yōu)化。分子煉油技術就是在分子尺度上對原油進行加工評價，準確預測產品性質，據此優(yōu)化工藝流程和操作條件，以“宜油則油、宜烯則烯、宜芳則芳”的優(yōu)化原則提升每個分子的價值。RTO和APC是針對目標產品，充分考慮成本、約束條件、安全等因素，利用數據處理、穩(wěn)態(tài)判定、模型校正和先進控制等技術，將RTO優(yōu)化的操作參數下裝給APC系統(tǒng)，由其實現穩(wěn)定的閉環(huán)優(yōu)化控制。分子煉油和RTO/APC優(yōu)化技術相結合將為整個采、產、供、銷價值鏈提供了的動態(tài)優(yōu)化手段，增強了上下游系列裝置的“敏捷性”和對原油/產品市場波動快速響應的能力，大大提高了生產價值和產率，進一步釋放了煉化一體化的增值創(chuàng)效潛能。

（5）3D數字化工廠和數字孿生。其是隨著建模、圖形圖像以及數據處理等技術的發(fā)展孕育而生的新應用場景，是龐大煉化工廠的海量數據和生產機理的承載體。通過這項技術可以實現沉浸式的巡檢、操作培訓、設備維護指導、應急仿真演練、報警顯性化展示、事故推演、生產計劃的優(yōu)化與驗證，以及工藝方案調整仿真驗證等功能，支撐監(jiān)測、預測和假設分析以及多角度可視化展示和輔助決策等各類應用，快速提升煉化一體化運營的管控業(yè)務水平。

5 智能化實施要點和建議

通過多個智能化項目的實踐，可以總結出以下實施要點和建議。

（1）以需求為導向確定整體目標，遵循整體規(guī)劃、分步實施、再優(yōu)化的技術路線，且基礎設施最好在工程項目建設階段同步建設，避免后續(xù)的修修補補。

（2）功能設計、模塊設計、接口設計、數據設計等要遵循標準化設計原則，為日后的智能化升級和新的智能化應用的部署奠定基礎。

（3）夯實工廠自動化/數字化基礎，為智能化應用提供實時、可靠的數據。

（4）消除數據孤島，打通業(yè)務間的壁壘，加強業(yè)務間顯性聯系和數據隱性關聯，實現生產、經營一體化管理，發(fā)揮出智能化的整體效益。

（5）在智能化建設階段就要建立與之相適應的組織結構和規(guī)章制度，確保其能夠扎實落地、良好運行。

（6）加強信息安全建設，讓安全風險可控。

因此，煉化一體化的智能化建設不能一蹴而就、急于求成，應當結合企業(yè)現狀和中長遠發(fā)展戰(zhàn)略加強頂層設計，注重智能化應用實效，以實現煉化一體化項目的精益化管控。

6 結語

目前，在全球大型煉化一體化項目的浪潮下，大煉化完勝小煉化，并完成淘汰和進化，已初步形成新的煉化行業(yè)格局，但不久的將來煉化行業(yè)將迎來更深層次的變革，競爭重心將從對規(guī)模的追逐轉向對精益化管控、再增值創(chuàng)效的能力上來?！爸悄軣捇惑w化”的發(fā)展范式憑借其在海量數據處理、業(yè)務協同優(yōu)化、科學輔助決策、上下游產業(yè)融合等方面的巨大優(yōu)勢，必將助推煉化一體化項目整體躍升且成為煉油和化工企業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢。

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