節能環保與安全管控系統在乙烯裝置上的應用

李冰

（中國石化北京燕山分公司，北京 102500）

中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司（簡稱燕山石化）建于20世紀60年代末，是我國第一個煉油化工聯合企業，經過幾代建設者的不懈努力，已發展成為具有1 000萬t/a煉油能力、80萬t/a乙烯生產能力的大型煉化一體化企業。近年來，燕山石化結合自身實際，提出了“打造數字燕山，建設智能工廠”的信息化發展戰略，大力推動“兩化”深度融合，努力實現傳統國企向現代企業的轉型。燕山石化“智能工廠”建設目前已取得階段性成果，企業信息化進入智能應用階段。較強的信息化能力和業務智能水平扎實推進了燕山石化“本質安全、環境友好、持續贏利”城市型煉化企業的工作目標。

1 節能環保與安全管控技術

能源生產是石化生產全過程中的重要組成部分，能源消耗直接影響高耗產品的成本，直接關系到企業的競爭力，能源的合理使用與平衡調配，對環境保護起著至關重要的作用。采用先進的優化技術實現能源優化，對企業的合理生產、能量的高效利用以及安全節能生產具有十分重要的作用。對于能源優化問題，目前國內外較為先進的方式是通過對企業實際業務問題進行分析和抽象，然后構建出與企業實際相符的能源優化模型，并選擇相應的求解方法最終計算出最優的優化方案。

石化生產過程是諸多工藝流程相互影響、相互制約的復雜過程；高溫、高壓、易燃、易爆等因素都可能引發異常工況的發生，造成產品質量下降或生產周期延誤，嚴重的會導致事故發生甚至人員傷亡，對生產過程的安全構成極大威脅。因此，生產過程的安全管控日益被企業所關注，需要采用先進的信息技術手段構建相關信息系統，來實現對生產過程的安全管控，隨著生產過程的復雜性提高，需要采用基于數據及機理模型的方法對生產過程監測。

2 總體技術架構

石油化工的節能環保與安全管控系統選取燕山石化乙烯裝置進行能源優化和安全管控的試點應用，在燕山石化MES物料生產管理的基礎上，增加能源管理和安全管控兩條業務主線，實現生產過程高效、節能、環保和安全的全方位閉環管控。

節能環保系統通過對乙烯產/耗能設備建模、裝置工藝過程建模，研究能源系統參數在線優化，實現對乙烯裝置能源產耗的實時監控與優化，降低裝置綜合能耗，提高能源使用效率。安全管控系統通過對生產過程異常工況的分析與安全操作導航技術、過程風險注冊與根原因分析技術和面向工藝操作的過程安全管理評估技術，實現生產過程風險的動態監測、評估和管控，提高生產裝置的安全平穩運行水平。總體技術架構見圖1。

圖1 節能環保與安全管控系統總體架構

3 節能環保與安全管控系統功能

3.1 能源生產管理

從典型設備（高溫裂解爐、蒸汽透平、蒸汽加熱器和減溫減壓器）的耗能原理出發，研究工藝過程物流狀態變化與設備能耗需求耦合的產/耗能建模方法，構建工廠級的能耗需求模型；對多介質能源系統進行聯合建模；結合工藝機理分析，將優化模型抽象成MINLP優化問題，采用分支定界算法求解，滿足在線優化的實時性要求。

建立乙烯裝置設備、工藝過程模型對乙烯裝置的蒸汽、循環水和電等主要能源介質消耗在線監控，結合具體工藝流程特點選取關鍵決策變量，根據過程模型進行乙烯生產過程在線優化。

3.2 能源統計與評價分析

對能源運行監控，以計劃為基礎，對供、產、輸、轉、耗的能源相關數據進行采集，并對日常能源產耗過程進行監控和管理。通過管網平衡、指標核算、報表發布等能源統計業務的在線化，實現數據統一、數出一門，實現數據核查快速準確，跟蹤及時到位，解決核查數據困難，統計數據的時效性及準確性差的問題。

實現對能源日產耗數據、能源計量儀表情況、能源關鍵指標、主要管網損失情況等進行預警、展示、綜合分析，為各級能源管理用戶的事前預測、事中分析、事后追蹤，提供統一、多視角決策和分析綜合視圖。

3.3 復合報警分析

復合報警就是通過各種異常的癥兆，判斷所發生的異常工況是何類型，并據此采取相應的對策。針對復合報警異常工況，建立復合報警模型，在復雜工況下對裝置多參數報警進行關聯分析與實時異常檢測，并對異常工況進行復合報警提示。例如在判斷是否是堿洗失效、催化劑中毒時，可以綜合三段堿濃度異常、堿濃度分析取樣帶黃油、反應器床層溫度急劇下降等癥狀來判斷是否發生了堿洗效果變差問題，合并氫氣進氣量下降，管網壓力波動等異常情況，可以進一步明確是否是堿洗失效、催化劑中毒。

3.4 在線質量預測

丙烯產品中乙烯含量是乙烯裝置衡量產品質量的重要質量指標，無在線質量分析儀表，主要依賴定期質量分析，但是LIMS的檢測周期較長，因此在實際操作過程中經常會出現含量超標現象，導致丙烯產品不合格，因此為了保證丙烯產品質量，采用在線質量預測。根據乙烯裝置生產工藝，塔DA202的操作溫度、物料流量FIC216、塔釜物料乙烯含量為影響丙烯產品中乙烯含量的關鍵因素，將上述變量作為模型的輸入進行完善。

3.5 設備綜合狀態監測

裂解爐等靜設備的運行狀態相對穩定，但隨著運行時間的延長會出現結焦、加熱效率不斷下降等問題，如果結焦嚴重，會導致爐管燒穿，造成火災甚至爆炸等嚴重后果；壓縮機等動設備通常在高溫、粉塵、結垢、高轉速的條件下長時間運轉出現高振動、磨損、結垢等問題，嚴重時出現轉子葉片折斷、聯軸器斷裂、飛車等惡性事故。

設備綜合狀態監測是根據關鍵設備歷史數據，建立多維狀態空間分析模型，挖掘設備海量運行數據中各參數之間的耦合關聯以及設備在各工況下的歷史運行規律。當設備狀態偏離歷史同工況下的安全狀態時，自動觸發預警并對潛在故障進行關聯排序分析。

3.6 根原因分析

針對確定型的異常工況，故障樹分析方法可以非常明晰地表達出異常工況及造成異常工況產生的因素之間的關聯關系。如針對裂解爐進料流量波動問題可以構建故障樹分析模型，裂解爐進料波動的因素包括儀表風壓、進料閥開度、進料壓力及稀釋蒸汽溫度等，而引起進料壓力與稀釋蒸汽溫度過低也具有許多因素。因為故障樹分析方法具有揭示故障根源及關聯關系的優點，因此應用該方法針對乙烯生產過程確定型的異常工況進行在線監測預警。

裂解爐及乙烯精餾塔是乙烯裝置關鍵設備，由于其結構復雜、反應劇烈等原因其故障模式極多且非常復雜，難以建立完整的確定型故障根原因分析模型。不確定性分析是通過對裝置的流程及風險分析，對裂解爐、乙烯精餾塔等關鍵設備建立參數間邏輯關聯關系模型，實現在復雜工況下對裝置不確定型異常工況的實時異常檢測，并分析可能發生的原因及不利后果，保障裝置安全平穩運行。因為符號有向圖（SDG）分析方法有可以定性揭示故障傳播路徑、關聯上下游關系，揭示偏離原因、后果的優點，非常適合在復雜工況下對不確定型異常工況的監測，因此針對不確定型的異常工況，首先對裝置工藝風險進行分析，找出引起關鍵參數偏離的因素，然后在此基礎上利用單元設備內參數的相互關聯關系建立SDG分析模型，實現在復雜工況下對裝置不確定型異常工況的實時異常檢測。

3.7 風險識別

從工藝操作、關鍵設備故障、作業過程三方面對乙烯裝置的壓縮機、裂解爐、塔、反應器等關鍵工藝設備進行風險識別與分析評價，并結合乙烯裝置典型事故事件與安全操作規程，采用特定提取方法建立乙烯裝置風險注冊庫。

3.8 操作報警

基于EEMUA191與ISA18.2標準，對生產過程中的限值、偏差、變化率、狀態報警進行報警提示；并提供高級報警（濾波、延遲、死區、多變量復合報警、動態報警）等報警監控功能；通過報警統計分析，對裝置DCS系統進行合理化改進，降低報警數量。

4 應用效果

4.1 乙烯裝置綜合能耗降低

系統集成了實時數據庫系統中的生產運行參數，可以實時查看各個能源介質的消耗量、原料的加工量、乙烯等各產品產量等能耗相關參數。實時了解到乙烯裝置的能耗狀況，查看乙烯裝置的能耗相關參數運行情況，包括對各等級蒸汽、水、電、燃料氣等各能源介質的消耗，裂解、急冷、壓縮、分離4個單元的能耗，并且提供各能耗關鍵參數的歷史趨勢查詢。

系統從乙烯裝置裂解深度，蒸汽的分級利用兩個方面進行能源優化，根據用戶輸入的實操范圍，給出乙烯裂解爐出口溫度的實操優化值與壓縮機透平的抽汽量的優化實操值，操作人員按照優化實操值對乙烯裝置進行操作，降低了乙烯裝置綜合能耗。系統還提供了對整個優化實操過程進行監控的功能，可以看出能源優化前后的對比。乙烯裝置能耗監控主界面見圖2。

4.2 監控設備故障

通過設備綜合狀態監測，系統顯示從2015年6月13日開始GB201壓縮機的綜合指標一直處于預警狀態，且呈下降趨勢，反映了壓縮機性能狀態逐漸惡化，原因為蒸汽出氣量FRC707、一段吸入壓力PIC201等出現大幅振蕩。通過根原因分析，判斷是由于調速器抽氣控制、轉速控制出現異常造成，通過現場檢查發現調速器故障，與系統分析相符。

4.3 報警數量減少

系統的報警管理模塊可以綜合評價乙烯裝置當前DCS的報警情況，系統通過統計分析展現當前DCS報警存在的問題，為用戶改進報警提供指導；自定義跟蹤關鍵位號的報警及變化趨勢，幫助用戶分析多個報警及事件之間的關聯關系。2015年4—7月，在系統指導下，乙烯裝置優化和減少報警，各崗位每周報警數據均有下降。報警減少后，老區裂解單元黑屏時間可達4 h，分離單元分離崗位黑屏可達2 h，分離單元壓縮崗位黑屏達4 h，新區單元黑屏約0.5 h。

5 結論

圖2 乙烯裝置能耗監控主界面

節能環保與安全管控系統于2014年1月開始在燕山石化建設，并于2015年6月上線運行，2017年2月完成驗收。該系統實現了石油化工生產過程高效、節能、環保和安全的全方位閉環管控。

系統投用后乙烯裝置平均綜合能耗降低1.11%；裝置平均操作失誤率降低12.6%；操作平穩率波動降低5.11%；通過能耗和操作失誤率的降低，據初步估算，產生直接經濟效益約1 464萬元。