IEMOS-CW循環(huán)水在線診斷與優(yōu)化軟件在上海石化的應(yīng)用

朱　渝

(中國石化上海石油化工股份有限公司,上海200540)

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IEMOS-CW循環(huán)水在線診斷與優(yōu)化軟件在上海石化的應(yīng)用

朱渝

(中國石化上海石油化工股份有限公司,上海200540)

摘要：介紹了IEMOS-CW循環(huán)水在線診斷與優(yōu)化軟件系統(tǒng)在中國石化上海石油化工股份有限公司某循環(huán)水場的應(yīng)用情況。該軟件系統(tǒng)實現(xiàn)了對循環(huán)水系統(tǒng)中循環(huán)水泵、循環(huán)水冷卻塔、循環(huán)水冷卻器、管網(wǎng)、循環(huán)水水質(zhì)等的閉環(huán)在線監(jiān)測和診斷，并根據(jù)診斷結(jié)果給出預(yù)警信息和優(yōu)化建議，同時集成了系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)報表，使循環(huán)水系統(tǒng)的管理大數(shù)據(jù)化，提高了企業(yè)整體循環(huán)水管理水平，同時對節(jié)水和節(jié)能也具有良好的指導意義。

關(guān)鍵詞：循環(huán)水系統(tǒng)在線診斷信息化管理應(yīng)用節(jié)能

工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)作為工業(yè)生產(chǎn)不可或缺的公用工程，應(yīng)用于石油、化工、鋼鐵等各個領(lǐng)域。循環(huán)水系統(tǒng)作為生產(chǎn)輔助系統(tǒng)，普遍缺乏整體監(jiān)控，一般只對循環(huán)水場和裝置上回水進行簡單監(jiān)控。目前國內(nèi)相繼開發(fā)了一些循環(huán)水軟件，包括工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管理軟件[1]、循環(huán)冷卻水模擬分析軟件[2]、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)成垢過程預(yù)測軟件[3]、工業(yè)循環(huán)水加藥系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和遠程監(jiān)控軟件[4]等。

這些軟件都具有一定的代表性，分別在預(yù)測、監(jiān)控、管理等方面不同程度地解決了目前循環(huán)水系統(tǒng)中遇到的一些問題，在某些方面有較好的功能，但都未對循環(huán)水系統(tǒng)中的循環(huán)水管網(wǎng)和終端用戶進行監(jiān)控，無法從整體上監(jiān)控循環(huán)水系統(tǒng)。當裝置負荷或生產(chǎn)工況發(fā)生變化時，管理人員無法對循環(huán)水系統(tǒng)運行狀態(tài)和風險做出準確評估，不能及時優(yōu)化調(diào)整運行操作方案。由于缺少對終端用戶循環(huán)水冷卻器的實時監(jiān)控和診斷分析，技術(shù)人員和管理人員無法掌握各循環(huán)水冷卻器的循環(huán)水需求量，更不清楚循環(huán)水冷卻器的循環(huán)水流速、出口溫度、結(jié)垢速度、污垢熱阻、壓降等實時數(shù)據(jù)，對發(fā)生的結(jié)垢、泄漏、耗水量大等問題只能在事故發(fā)生后做處理，甚至由于缺少關(guān)鍵信息而難以做出準確的事故分析，缺乏大數(shù)據(jù)化管理，無法從整體上診斷循環(huán)水系統(tǒng)。

目前，中國石油化工股份有限公司系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)水管理普遍存在上述問題，為了從根本上改變這種狀態(tài)，達到降低成本、延長運行周期、改善管理的要求，中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)和上海優(yōu)華系統(tǒng)集成股份有限公司聯(lián)合開發(fā)了一套IEMOS-CW循環(huán)水在線診斷與優(yōu)化軟件系統(tǒng)，對循環(huán)水系統(tǒng)中循環(huán)水運行參數(shù)、循環(huán)水泵、循環(huán)水冷卻器、循環(huán)水水質(zhì)、管網(wǎng)等進行在線監(jiān)測和診斷，并根據(jù)診斷結(jié)果給出預(yù)警信息和優(yōu)化建議，提高系統(tǒng)整體能效，促進系統(tǒng)管理從“結(jié)果”向“過程細節(jié)”的轉(zhuǎn)變，達到裝置長周期運行與節(jié)能節(jié)水的雙重目標。

1循環(huán)水系統(tǒng)簡介

2007年10月，IEMOS-CW系統(tǒng)選擇在上海石化4#煉油裝置2#循環(huán)水場進行試點。2#循環(huán)水場設(shè)計循環(huán)水量為5 000 m3/h，由1座涼水塔(2間逆流式機械通風塔，2臺風機)、3臺立式循環(huán)水泵、1臺旁濾罐和加藥裝置組成，主要為3套裝置(1 200 kt/a延遲焦化裝置、100 kt/a硫磺裝置及1 300 t/h污水汽提裝置)提供循環(huán)水。3套裝置共有循環(huán)水冷卻器31組(臺)，實際循環(huán)水用量約為3 200 m3/h，循環(huán)水場全年平均供水溫度為23 ℃，平均供水壓力為0.46 MPa。

2軟件系統(tǒng)主要功能設(shè)計

IEMOS-CW系統(tǒng)軟件從功能上可分為6個獨立的模塊，即循環(huán)水系統(tǒng)總覽、循環(huán)水場診斷與優(yōu)化、裝置循環(huán)水冷卻器實時診斷與優(yōu)化、數(shù)據(jù)查詢與分析、報表管理和公共信息維護。整個軟件的功能框架如圖1所示。

圖1　IEMOS-CW系統(tǒng)軟件功能框架

2.1循環(huán)水系統(tǒng)總覽

該模塊對循環(huán)水系統(tǒng)進行整體監(jiān)測與診斷，實時監(jiān)測循環(huán)水進出水場和各個裝置的工藝參數(shù)以及重要水冷卻器運行狀況等，包括流量、溫度、壓力、出水與回水溫差及壓降等，并對超出工藝控制指標的參數(shù)進行預(yù)警。

2.2循環(huán)水場診斷與優(yōu)化

該模塊是對循環(huán)水場的循環(huán)水泵、冷卻塔及風機、補水與排污、水質(zhì)等進行監(jiān)測和診斷。其中循環(huán)水泵部分包括實時電流、出口壓力監(jiān)測和泵效率計算。對超出額定電流的數(shù)據(jù)進行實時預(yù)警。通過循環(huán)泵效率計算集成循環(huán)水泵性能曲線，計算得到循環(huán)水泵實時揚程、流量、功率和效率數(shù)據(jù)，循環(huán)水泵效率計算系統(tǒng)運行情況如圖2所示。

冷卻水塔是循環(huán)水系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一，循環(huán)水與空氣在塔內(nèi)進行接觸，通過接觸與汽化傳熱，空氣溫度升高，濕度達到或接近飽和，水溫度降低。冷卻塔的熱力計算較復雜，焓差法計算是冷卻塔熱力計算的基礎(chǔ)理論，IEMOS-CW系統(tǒng)中的“冷卻塔運行監(jiān)測”模塊可以根據(jù)氣象條件、循環(huán)水量、進出塔水溫度、風量等工藝條件及設(shè)計參數(shù)，計算正在運行的冷卻塔冷卻效率[5]。通過后臺程序設(shè)計，可讓工藝人員根據(jù)需要方便快捷地計算冷卻塔的運行狀況，為冷卻塔改造和開發(fā)提供理論依據(jù)。冷卻塔運行監(jiān)測功能運行情況見圖3。

圖2　循環(huán)水泵效率計算界面

“補水與排污監(jiān)測”部分主要設(shè)計了補水與排水監(jiān)測和理論補水量計算。補水與排水監(jiān)測數(shù)據(jù)從實時數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控循環(huán)水場的補水量、旁濾量、排污量等數(shù)據(jù)指標。循環(huán)冷卻水在運行過程中，系統(tǒng)水量在運行一段時間后會由于蒸發(fā)損失、風吹損失、排污水量及滲漏損失等原因有所減少，使循環(huán)水中各種離子濃度及藥劑濃度發(fā)生變化，產(chǎn)生濃縮情況。為保持系統(tǒng)水量的平衡，需要補充一定量的新鮮水。理論補水量是根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)的容積、循環(huán)水量、冷卻塔進出水溫差、氣象條件等固定參數(shù)及濃縮倍數(shù)等來計算系統(tǒng)運行過程中的各種水損失量、排污量及維持水量平衡所需要補充的理論水量[6]。

圖3　循環(huán)水冷卻塔運行監(jiān)測參數(shù)界面

“水質(zhì)監(jiān)測”部分除了對循環(huán)水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)進行監(jiān)測外，還根據(jù)水質(zhì)分析數(shù)據(jù)進行水質(zhì)指標計算。其中水質(zhì)分析數(shù)據(jù)包括總堿度、鈣離子、濁度、pH、硫酸根、總鐵、電導率、總磷、化學需氧量(COD)等20多項分析結(jié)果，如水質(zhì)數(shù)據(jù)不在控制范圍內(nèi)則報警。同時提供了水質(zhì)分析查詢功能，可按需查詢某時段內(nèi)的水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)趨勢圖及數(shù)據(jù)分析表(包括數(shù)據(jù)最大值、最小值、平均值、樣本數(shù)、高報值、低報值等)，顯示數(shù)據(jù)的正態(tài)分布圖。通過文獻[7]可知，循環(huán)冷卻水水質(zhì)穩(wěn)定性判斷方法主要有兩種：一種是基于CaCO3溶解平衡的水質(zhì)判斷指數(shù)法，另一種是基于多參數(shù)分析的水質(zhì)判斷指數(shù)法。我們結(jié)合了兩種方法各自的優(yōu)勢，通過從實驗室管理信息系統(tǒng)(LIMS)采集循環(huán)水水質(zhì)及補水水質(zhì)數(shù)據(jù)，計算Langelier飽和指數(shù)、R.S.I指數(shù)、拉森指數(shù)和水質(zhì)的結(jié)構(gòu)因子和水質(zhì)的腐蝕因子[8]，并根據(jù)計算結(jié)果對水質(zhì)的腐蝕與結(jié)垢傾向做出模擬分析與判斷，為循環(huán)水化學處理方案的選擇提供參考。

2.3循環(huán)水冷卻器實時診斷與優(yōu)化

循環(huán)水冷卻器作為循環(huán)水系統(tǒng)的終端用戶，影響其冷卻效果的因素很多，如：運行周期過長、生物黏泥、水質(zhì)較差、操作不當?shù)龋瑫r，冷卻器結(jié)垢后冷卻效果下降，管線的阻力也會相應(yīng)增大，導致循環(huán)水量減少、列管堵塞等問題。垢下腐蝕以及應(yīng)力腐蝕還會造成循環(huán)水冷卻器管束腐蝕穿孔，進而發(fā)生泄漏，污染整個循環(huán)水系統(tǒng)，甚至影響裝置的正常運行。目前在中國石油化工股份有限公司系統(tǒng)內(nèi)，一般在水場一端設(shè)有遠程分散控制系統(tǒng)(DCS)，而另一端——用水終端(循環(huán)水冷卻器)卻缺少實時監(jiān)控和診斷，沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)化、精細化管理。

實時診斷與優(yōu)化模塊通過實時數(shù)據(jù)庫采集換熱器工藝側(cè)及循環(huán)水側(cè)參數(shù)(如出入口溫度、流量、壓力等)，同時結(jié)合其設(shè)備參數(shù)，計算循環(huán)水冷卻器的運行狀態(tài)參數(shù)，包括循環(huán)水冷卻器的傳熱量，水側(cè)流速、污垢熱阻、管壁溫度和壓降等，依據(jù)《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》(GB 50050—2007)中關(guān)于換熱設(shè)備的控制條件和指標規(guī)定，對循環(huán)水冷卻器進行診斷、預(yù)警和提出優(yōu)化建議，實時診斷與優(yōu)化模塊的運行情況見圖4所示。

圖4　循環(huán)水冷卻器實時診斷與優(yōu)化界面

通過對循環(huán)水冷卻器運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，可有效降低結(jié)垢傾向，減少泄漏風險，延長水冷器壽命，保障裝置平穩(wěn)、長周期運行。

2.4歷史數(shù)據(jù)查詢

歷史數(shù)據(jù)查詢模塊，該系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)查詢時間周期與實時數(shù)據(jù)庫、LIMS查詢時間同步，正常情況可追溯到前3年，特殊情況經(jīng)申請可查詢前3～5年的數(shù)據(jù)。

2.5管理報表

報表功能的開發(fā)，是為了提高工作效率，減少用戶日常工作量。通過整合各種數(shù)據(jù)，實現(xiàn)日常管理報表的自動生成、修改和Excel電子表格導出。

2.6公共信息維護

為了增加軟件的適應(yīng)性，增加了數(shù)據(jù)配置的功能。當發(fā)生實時數(shù)據(jù)庫、LIMS系統(tǒng)功能障礙，或現(xiàn)場儀表失效時，可以進行人工錄入干涉，并且根據(jù)后臺系統(tǒng)的核算，約束用戶輸入的范圍，包括最大值與最小值，提示錯誤信息。在用戶重新配置后，軟件也能夠正常使用，增強了軟件系統(tǒng)的靈活性與可移植性。

3軟件的開發(fā)

IEMOS-CW軟件系統(tǒng)的開發(fā)采用了Windows Server+IIS+SQLServer+ASP.NET組合技術(shù)，在Web界面自動或人工錄入相關(guān)參數(shù)(數(shù)據(jù)來源包括實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、LIMS數(shù)據(jù)和現(xiàn)場儀表等)，經(jīng)后臺自主開發(fā)的程序處理后，將結(jié)果及時呈現(xiàn)在Web界面，實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)實時監(jiān)控、診斷和優(yōu)化功能，同時將所有數(shù)據(jù)和結(jié)果保存至專有服務(wù)器中，以便統(tǒng)計和分析使用。系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：換熱器模擬、腐蝕阻垢模擬、數(shù)學規(guī)劃、信息技術(shù)。工業(yè)循環(huán)冷卻水能量優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架見圖5所示。

圖5　工業(yè)循環(huán)冷卻水能量優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架4　軟件實施效果

2014年11月上海石化在4#煉油裝置2#水場IEMOS-CW系統(tǒng)正式上線運行。上線以來，系統(tǒng)運行平穩(wěn)、計算結(jié)果準確、使用方便、響應(yīng)時間合理,實現(xiàn)了預(yù)期的功能，取得了較好的節(jié)水和節(jié)能效果。

(1)集成實時數(shù)據(jù)庫、LIMS等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對循環(huán)水場設(shè)備、循環(huán)水水質(zhì)、裝置水冷器等實時監(jiān)測功能，和相關(guān)現(xiàn)場業(yè)務(wù)的實時監(jiān)測管理。

(2)根據(jù)對循環(huán)水冷卻器溫差的監(jiān)測和診斷結(jié)果，實時給出操作優(yōu)化調(diào)整方案，通過調(diào)節(jié)循環(huán)水泵出口閥門開度、裝置循環(huán)水冷卻器閥門開度、管路調(diào)整等措施，使循環(huán)水回水和上水溫差提高了1～2 K。

(3)根據(jù)對循環(huán)水泵的計算結(jié)果，通過對循環(huán)水泵進行節(jié)能改造，預(yù)計每年可以創(chuàng)造50萬元的節(jié)能效益。

(4)集成了循環(huán)水相關(guān)報表的開發(fā)設(shè)計，降低了管理人員的勞動強度，提高了循環(huán)水場的管理效率。

(5)實現(xiàn)了對重點循環(huán)水冷卻器實時監(jiān)控，有效降低結(jié)垢傾向，延長循環(huán)水冷卻器壽命，促進裝置平穩(wěn)運行。

通過該項目的建設(shè)，徹底改變了國內(nèi)目前循環(huán)水場和裝置側(cè)水冷器分別管理、較少溝通的現(xiàn)狀，將循環(huán)水場、管網(wǎng)和水冷器作為一個整體系統(tǒng)來管理，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中監(jiān)控、核算，便于發(fā)現(xiàn)問題，通過大數(shù)據(jù)系統(tǒng)診斷分析問題，實現(xiàn)整體優(yōu)化，實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)專業(yè)化管理。

5下一步改進

(1)增設(shè)相關(guān)在線儀表，強化在線監(jiān)測和診斷功能，減少人工錄入數(shù)據(jù)，進一步提高系統(tǒng)運行效率；

(2)根據(jù)系統(tǒng)診斷結(jié)果，擇機進行循環(huán)水泵和管網(wǎng)的節(jié)能改造，以創(chuàng)造出節(jié)能效益。

(3)在試點裝置成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，積極向其余33套循環(huán)水場推廣，早日實現(xiàn)上海石化整個循環(huán)水系統(tǒng)的統(tǒng)一管理平臺。

6結(jié)語

通過IEMOS-CW優(yōu)化軟件系統(tǒng)在上海石化4#煉油裝置2#水場的成功應(yīng)用，實現(xiàn)了循環(huán)水系統(tǒng)(包括冷卻水塔、水冷器、管網(wǎng))的運行監(jiān)測、分析診斷優(yōu)化等主要業(yè)務(wù)的一體化管理，改變了以往分段管理的鄙陋。

將來上海石化其余33套循環(huán)水場都應(yīng)用該軟件后，即可搭建上海石化總體循環(huán)水系統(tǒng)管理業(yè)務(wù)的一體化信息平臺，可最大限度實現(xiàn)該系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集成化，大大提高循環(huán)水系統(tǒng)的管理效率和管理水平，實現(xiàn)從業(yè)人員的集約化。該系統(tǒng)未來還可與手機聯(lián)網(wǎng)，將徹底改變我們現(xiàn)有的管理模式。

另外，在提高企業(yè)生產(chǎn)層面的信息化應(yīng)用水平的同時，通過IEMOS-CW優(yōu)化軟件系統(tǒng)給出的具體改進措施，企業(yè)還可取得良好的節(jié)水和節(jié)電效果，對同類循環(huán)水場具有良好的示范和推廣意義。

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Application of Circulating Water On-line Diagnosis and Optimization System with IEMOS-CW

Zhu Yu

(SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.，Shanghai200540)

ABSTRACT

Keywords：circulating water system,on-line diagnosis,informationization management,application,energy saving

收稿日期：2016-02-20。

作者簡介：朱渝，女，1967年出生，1989年畢業(yè)于浙江大學化工系有機化工專業(yè)，高級工程師，上海石化煉油工藝專家，長期從事石油化工的生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

文章編號：1674-1099(2016)02-0036-06中圖分類號：TP277

文獻標識碼：A

The application of circulating water on-line diagnosis and optimization system in a circulating water plant of Sinopec Shanghai Petrochemical Co.,Ltd.was introduced.The system realized on-line monitoring and diagnosis of processing parameters of circulating pumps,circulating water cooling tower,circulating water cooler,pipe network,circulating water quality,and could provide early warning information and optimization recommendations based on the diagnostic results.The system also incorporated the systematic data reports,which improved the management level of circulating water by big data,and provided guidance for water reducing and energy consumption of the system.