煉化企業設備的本質安全可靠與監管智能化對策研究

王慶鋒，劉家赫，柳建軍，王學斌，李中

（1.北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2.中國石油慶陽石化公司，甘肅慶陽 745002）

一、前言

2005—2016年我國煉化企業事故頻發，引起國家的高度關注。2005年11 月13 日，中國石油吉林石化公司雙苯廠硝基苯精餾塔發生爆炸并引發松花江跨境水污染事件；2011年9 月8 日，上海賽科石油化工有限責任公司超臨界乙烯輸送管道某流量計旁路閘閥的閥蓋與閥體突然分離，乙烯泄漏引發爆炸和火災；2013年11 月22 日，中國石油化工股份有限公司管道儲運分公司東黃輸油管道原油泄漏發生爆炸；2015年4 月21 日，中國石化揚子石油化工有限公司烯烴廠乙二醇T-430 塔發生爆炸。大型煉化裝置事故頻發，不僅經濟損失巨大，還給國家造成了嚴重的社會或國際影響[1]。2016年年底，我國煉油能力已達到7.5×108t/a，其中1×107t/a級煉廠24 座，合計煉油能力達到3.14×108t/a，約占全國煉油能力的42%。大型化、高速化、自動化、智能化的煉化裝備制造成為國家戰略[2]。大型裝備創造巨大經濟利益的同時，一旦發生事故，輕則造成生產中斷給企業帶來巨大經濟損失[3]，重則造成嚴重的安全環保事故給國家造成嚴重社會影響甚至國際性影響。煉化設備本質安全與監管智能化對于煉化企業安全可靠、清潔環保運行起到重要的作用。

國內外對本質安全與監管智能化的理念進行了很大程度的拓展，在設備本質安全可靠運行及可靠性設計/制造等方面開展了相關研究。許正權等[4]分析了國內本質安全化管理研究現狀及存在問題，提出了基于交互式安全管理理論的本質安全化管理研究的基本思路。王欽方[5]根據工業發展的實際需求，提出了包括人員、機具設備、工作環境、管理和文化5 個模塊在內的企業本質安全化模型。吳宗之等[6]將本質安全思想與“計劃-執行-檢查-改進”（PDCA）管理模式融合，提出了具有可操作性的基于本質安全化的PDCA 管理模式。白晶[7]通過分析設備的危害因素及其控制原則以及實現設備安全的途徑，提出加強設備的安全管理重點應為設備的本質安全化及設備使用過程的安全管理。Woo [8]闡述了可靠性嵌入式設計過程及其方法發展的必要性，建議將新參數壽命加速測試（ALT）引入到可靠性方法中。Perng 等[9]在監管智能化方面進行了研究，提出了兩種類型的智能監管控制器，性能達到或超出線性控制限制，優于模糊控制器和神經控制器。Miao 等[10]研究了復雜多變的工業控制系統，總結了智能工業控制綜合應用的計算機、通信、人工智能、信息和決策等技術，概述了智能工業控制的發展趨勢。Dai 等[11]以基于狀態監測的可靠性分析方法為主線，提出了基于條件信息的信號選擇和可靠性評估方法。

本文立足煉化設備本質安全可靠與監管智能化研究現狀，力求揭示本質安全可靠與監管智能化的內涵與特征；通過梳理煉化設備本質安全可靠與監管智能化發展趨勢，明確煉化企業面臨的挑戰；針對設備本質安全可靠與監管智能化提出了對策、措施和建議；最后給出了國內相關工程應用案例。

二、煉化設備本質安全可靠與監管智能化的內涵與特征

（一）煉化設備本質安全可靠與監管智能化的內涵

國外的本質安全理論研究集中在系統可靠性理論方面，更偏重于技術因素，研究思路逐漸從安全評價轉向問題解決方案設計，由此來提高系統整體安全性[12]。本質安全是指運用組織架構設計、技術、管理、規范及文化等多種手段，在保障人、物及環境可靠的前提下，通過理順系統在運行過程中的基本交互關系、規范交互關系及文化交互關系，從源頭上預防系統在運行中出現的反效交互、無效交互及II 型有效交互所引起的系統不和諧，進而保證實現系統安全、設備可靠、管理全面及安全文化深入人心，最終達到對事故的長效預防[4]。本質安全貫穿于設計、制造、運行、維修等設備全生命周期的各個階段：設計階段采用本質安全技術，留足安全系數，采用安全裝置（固定、聯鎖、控制、跳閘等形式）實現機械化和自動化；制造階段落實加工、裝配、測試等標準，確保零部件的在役可靠性；運行階段采用的控制系統設計應考慮各種作業的操作模式，具有故障顯示、自動監控、人工干預等功能；維修階段采用物聯網監測、故障診斷、基于風險的維修管理等技術實現精準維修，保證設備始終處于可靠和可用狀態。

設備本質安全可靠與監管智能化的內涵可定義為：以設備的可靠性設計和制造為根本，以風險管理手段為核心，以監測控制智能化和信息化技術為支撐，實現設備實時狀態感知、狀態辨識與預測、外部環境擾動或自身故障自適應調節控制和自主式維修保障決策，確保設備運行可靠安全和人、機、環境和諧。可靠性設計/制造、風險管理、監測控制智能化和信息化是確保設備本質安全可靠的3 個關鍵要素。

（二）煉化設備本質安全可靠與監管智能化特征

1.以可靠性設計/制造為根本

裝備在規定的時間內完成規定功能的能力即為可靠性。可靠性設計包含質量、成本、可靠度三方面，優化過程把產品的總體可靠度作為性能約束，會產生與合理安全性相協調的平衡設計[13]。可靠性設計/制造是指在設備設計和制造方面從設備的本質安全出發，為消除設備的潛在缺陷和薄弱環節、防止故障發生，以確保滿足規定的固有可靠性要求所采取的技術活動。設備運行可靠性約90%是由可靠性設計/制造決定的。可靠性設計/制造能保證設備的本質安全，杜絕或減少傷亡事故，減少設備故障，從而提高設備利用率，實現安全生產；設備的設計選型也要選擇有可靠性設計/制造保證的產品。

2.以風險管理為全生命周期管理的核心

風險管理是指利用風險辨識、風險分析、風險定量計算、可靠性管理等手段保證設備正常、安全的運行狀態[14]。針對動靜電儀設備開展以可靠性為中心的維修（RCM）、基于風險的檢驗（RBI）、安全完整性等級（SIL）等風險評估，找出影響設備可靠運行的關鍵因素，采用故障根除措施，制定降險措施或一次性變更任務，提高設備本質安全可靠性。風險管理技術貫徹到設備設計、建造、安裝、運行、維護、報廢等設備全生命周期的各個階段。

3.監測控制以智能化信息化為技術支撐

“監測與預警、診斷與預測”成為設備監測診斷的發展方向。利用工業互聯、移動互聯、狀態監測與診斷、信息化云平臺技術，通過數據把人和機器聯系起來，實現設備以可靠性為中心的維修，提高人的工作效率、確保設備運行安全。

4.以全面感知、狀態辨識與預測、自主維修決策為實現途徑

基于煉化設備RCM 評估，針對高風險故障模式開展故障可探測性分析，確定故障特征敏感參數，給機器安裝各類傳感器使其具備故障感知能力；給機器配置信號處理分析的“大腦”，利用設備健康度評價模型、能效評價模型、可靠性評價及其相應的評價績效標準，使機器具備狀態辨識與預測能力；讓機器連接網絡，使狀態辨識與預測信息通過網絡實現故障預警；借助于RCM 維修決策知識庫，自主決策維修內容。

5.以外部環境擾動或自身故障的自適應調節控制為技術保障

在系統論的指導下，打破傳統的專業壁壘，借鑒和移植現代醫學“自主調理”治療原理，集成狀態監測診斷、人工智能、主動和自適應控制等技術，研究以事故預防和自愈為目標的過程自主調控，使煉化企業設備具備故障自愈功能，從而大幅度減少故障和事故、減少停機生產損失。

6.故障根除任務是有效途徑

設備維修只能保持而不能提高設備固有的可靠性，自主式維修保障決策就是決定最佳的維修時機和維修內容，做到避免“維修不足”或“維修過剩”。故障根除任務是自主式維修保障決策的重要內容之一，針對高風險故障模式，開展故障根源分析，制定故障根除措施，是提高設備固有可靠性的有效途徑[15]。

三、設備本質安全可靠與監管智能化發展趨勢

（一）設備設計與制造向智能化方向發展

1.數字化設計與仿真技術是重要手段

在數字化集成環境下，開展可靠性與性能一體化的設計與仿真，針對機械、機電等復雜產品進行結構/機構、設備、系統級產品復雜環境下多場耦合、多機理相關的可靠性量化分析、壽命預測、方案優化等研究，具體包括多學科工具集成、試驗設計、響應面耦合、可靠性分析、系統可靠性分析、可靠性優化、耐久性分析7 個功能模塊。

2.機械裝備智能化是發展趨勢

當今社會大量地采用智能技術，包括各種智能生產控制系統、智能物流系統、智能制造系統等。過程裝備的自我感知、自動辨識、自動預測、外部擾動自適應調整、故障自愈化等特性都帶有典型的智能化特征。流體機械的防喘振控制、無級氣量調節控制、聯鎖保護、過載保護等自控設施是智能化控制的基礎。

3.智能制造是實現途徑

智能制造是指面向產品全生命周期，實現泛在感知條件下的信息化制造。在現代傳感技術、網絡技術、自動化技術、擬人化智能技術等先進技術的基礎上，通過智能化的感知、人機交互、決策和執行技術，實現設計過程、制造過程和制造裝備智能化，是信息技術、智能技術與裝備制造技術的深度融合與集成。充分利用網絡化制造、數字化制造的基礎，融入人工智能和機器人技術，形成人、機、物的交互與深度融合，使設計、工藝、試驗仿真、生產過程、保障及管理等各階段的智能化成為現實[16,17]。

（二）風險管理技術將成為設備完整性管理的重要支撐

1.設備完整性管理是設備管理發展趨勢

設備管理模式從故障后維修（BM）、計劃維修（TBM）、狀態維修（CBM）、基于風險的維修（RBM）發展到資產完整性管理（AIM）。完整性管理貫穿設備設計、制造、安裝、運行、維修、報廢等全生命周期的各個階段，是煉化企業設備管理模式的主流發展趨勢。

2.風險管理是完整性管理的核心

設計階段應用量化風險評價（QRA）、危害與可操作性分析（HAZOP）、可靠性/可用性分析（RAM）、SIL 等風險評估工具，識別設計階段存在的風險因素并采用一次性變更措施，確保設備設計本質安全可靠。

運行、維修階段利用設備失效分析（FTA）、根本原因分析（RCA）方法識別造成設備缺陷的潛在因素；靜設備應用RBI 技術進行風險分析并制定檢驗計劃；動設備應用RCM、RAM 技術進行可靠性分析，制定檢驗維修策略；儀表電氣應用SIL 技術進行安全完整性等級分析，制定相應的管理策略；操作方面采用完整性操作窗口（IOW）設定設備失效的操作邊界，預防與干預設備狀態劣化造成的事故發生，確保設備安全運行。

3.風險管理促使傳統的設備管理模式從制度層面轉向技術層面

傳統的設備管理依靠制度規范，明確了人要怎么管設備。風險管理從技術層面出發，提出設備需要怎么管理才能確保設備安全可靠運行的同時降低維修資源耗費和提高裝置的運轉周期。

（三）設備監測將向網絡化、智能化方向發展

1.監測預警智能化

常規的監測報警容易出現假報警、虛報警和反復穿越多次報警。監測預警智能化的發展趨勢表現為取代門檻閾值報警方式，根據設備運行工況、服役年限等因素設置智能報警線；報警不但分級，而且給出報警的位置、報警的危險級別和解除、延緩報警的策略方法。

2.監測診斷智能化

以多參數、大容量替代單參數監測，平穩運行監測發展到非平穩運行監測，信息集成、融合、分解、提純等技術（取代單參數的閾值比較）是監測診斷智能化發展的基礎。監測診斷智能化的發展趨勢是實現設備自動故障診斷、自動故障預測和剩余壽命預測。

3.監測診斷網絡化

實時在線監測替代定期監測和巡回監測，分布式、網絡化監測代替集中監測，這是監測診斷的發展趨勢。以物聯網、云計算、大數據等為代表的新一代信息與通信技術創新活躍，發展迅猛，正在全球范圍內掀起新一輪科技革命和產業變革，成為推動經濟社會發展的重要力量。物聯網可以將所有行使獨立功能的普通物體與互聯網相連，進行信息交換和通信，以實現智能化的識別、定位、跟蹤、監控和管理。從全球來看，物聯網大數據處理和公共平臺服務方興未艾，物聯網相關的終端制造和應用服務仍在成長培育期。

不依靠機理研究而直接從大數據出發識別設備運行狀態，這也是煉化設備智能監管的一個趨勢。借助物聯網、云計算、大數據，充分利用煉化企業大數據進行數據挖掘，通過統計、在線分析、機器學習、模式識別等方法開展數據的分類與估計、規則關聯、聚類、可視化描述等應用，從而實現設備故障識別、早期預警與診斷、設備健康狀態在線評估等功能。一些互聯網公司開始利用人工智能技術支持煉化企業探索智能生產，綜合采用多種網絡技術保障設備之間、設備與制造云數據中心之間的數據交換，為智能工廠提供監測智能化的數據基礎。

基于工業大數據和網絡的制造服務，以云計算、數據融合處理與分析、遠程監控與診斷等技術為支撐，建立網絡遠程狀態監控與診斷和后勤保障系統，支撐運營模式變革，擴展維護、租賃和數據分析管理等服務，由此奠定設備本質安全可靠與監管智能化的技術基礎。

四、我國煉化設備本質安全可靠與監管智能化宏觀研究

（一）我國煉化設備本質安全可靠與監管智能化存在的問題

設備可靠性設計/制造、風險管理和智能化監控方面的法律、法規或規章制度不健全；設備重特大事故的調查往往以追責為目的，事故往往無法追根溯源。

設備可靠性設計/制造、風險管理和智能化監控標準評價體系缺乏或不健全；風險管理、監管智能化從業人員資格未有認證制度，從業人員技術水平有待整體性提升。

設備采購低價中標制度不能鼓勵提高設計/制造質量，也難以推動設備本質安全可靠所需的安全設施建設。

設備設計/制造監測控制智能化程度不高，技術水平相對落后；設計院、制造廠的產品設計相對保守，在“源頭”就缺乏設備故障可探測性、自適應調控性和自愈化等功能設計。

在設備運行維護管理階段，一方面管理者由于知識所限，認為監測控制智能化設施功能“畫蛇添足”而不重視；另一方面設備監測控制智能化程度達不到用戶預期功能。兩種現象同時存在。

設備管理模式的傳統想法根深蒂固，RBI、RCM、SIL、HAZOP 等先進成熟的管理模式難以落地生根。

設備決策管理靠經驗、靠領導，缺乏利用設備運行數據、監測診斷數據、檢修維護數據等進行科學決策的意識和能力。

設備本質安全可靠智能化程度低，造成設備運行不敢卡邊操作、以犧牲運行效率換取安全的現狀普遍存在。

（二）我國煉化設備本質安全可靠與監管智能化對策與建議

在國家層面著手建立煉化設備設計/制造本質安全可靠相關的法律、法規或規章制度；設備重大事故根源為設計/制造缺陷的，要對相關單位追責。

制定煉化設備設計/制造、風險管理、監管智能化方面的行業標準或規范并建立定期評審、更新機制；以最佳可行技術為依據，提高企業在標準制定過程中的參與程度；對從業人員實行資格認證制度，提高風險評估、監測診斷結論的權威性。

從設備本質安全可靠與監管智能化的內在需求出發，完善設備及其零部件采購管理制度；設備運行效率、無故障運行周期、故障平均修復時間、年維修費用、事故安全影響和環境影響等作為重要評價指標。

在設備設計/制造方面，開展故障可檢測性設計和工業互聯設計，提升裝備的故障感知能力、狀態辨識與預測能力和工業互聯能力；通過數字化、自動化、模型化、智能化、信息化等措施提升裝備本質安全設計水平；實現煉化企業全流程安全生產管控一體化，形成裝備運行狀態辨識與預測、自適應規劃控制與動態補償修復、智能維修決策等能力（見圖1）。

建立健全設備完整性管理制度體系，實現設備設計、制造、安裝、運行、維修、報廢等全生命周期的管理。

在設備全生命周期的各個階段，貫徹應用RBI、RCM、SIL 等風險評估工具，成為國家或行業性的正式要求；煉化企業要制定與之相適應的管理規章制度并監督執行。

利用大數據、云計算和人工智能等基礎技術，突破設備故障自動診斷、自動預測、智能預警等核心關鍵技術，構建設備完整性管理智能運維決策信息平臺，實現數據驅動的設備智能運維決策（見圖2）。

掌握煉化設備健康與能效監控關鍵技術，建立壓縮機機組智能調控系統，利用專家系統對煉化設備進行集中控制，采用智能化算法優化負載分配，使各壓縮機機組運行在最優工況，從而實現運行效益的最大化。采用大機組防喘振優化控制和故障自愈調控技術，在提升機組運行效率的同時，確保設備卡邊運行的安全可靠。

圖1 動靜電儀設備本質安全可靠與監管智能化設計框架圖

圖2 數據驅動的設備智能維修決策框架原理圖

五、煉化設備本質安全可靠與監管智能化技術的工程應用案例

采用煉化設備本質安全可靠與監管智能化技術進行了工程案例實施[18]。中國石油化工集團有限公司某子公司催化裝置的主風機在使用的8年時間內曾數次出現卡件、系統報警和聯鎖誤動作等故障，2011年2-4 月期間主風機出現兩次靜葉漂移關閉到22°位置致使系統停車。據不完全統計，國內相關單位平均每年因主風機靜葉可調機構鎖位或跑位故障造成系統停產為3～5 次，平均每次系統停產造成的損失約為3024 萬元。為減少系統停產所造成的損失，保障設備安全運行，針對該主風機系統開展本質安全可靠智能化監管改造。

（一）本質安全可靠智能化監管對象確定

可靠性數據和維修數據統計分析表明，主風機常規電液控制系統的故障概率（PFD）達到了2.5207，而同期先進水平控制系統PFD 僅為0.1。主風機本質安全可靠智能化監管對象據此確定為主風機靜葉可調執行機構常規電液控制系統。

（二）可靠性關鍵影響因素及個性化再設計

影響主風機運行可靠性的主要因素在于，主風機靜葉可調執行機構的常規電液控制系統的特閥存在“堵、卡、漂”現象，同時智能化程度低。基于可靠性設計和故障仿生自愈原理，研制具有自診斷及自愈化為特征的智能化電液控制系統，提出一種基于功能代償的多靶點電液控制系統故障自愈調控方法。基于集散控制系統/安全儀表系統（DCS/SIS）平臺開發了主風機靜葉可調執行機構電液控制故障自愈調控系統，使靜葉可調執行結構的故障可探測性和自適應調控性得到了根本性提高。

（三）本質安全可靠智能化監管改造效果

在技術性方面，電液控制性實現了狀態感知、故障可探測、靜葉可調執行機構閥位鎖位或跑位故障自愈調控。

在經濟性方面，具有自愈調控功能的智能化電液控制系統研制成本為120 萬元，每年按照減少1 次系統停車計算預期收益為3024 萬元，投入/產出比僅為0.03968。

在服役性方面，智能電液控制性PFD 僅為0.005864；系統實現了在線不停產維修，平均修復時間（MTTR）不大于2 h；設計服役時限可達3×105h。

在資源性方面，智能電液控制運行功耗為0.47 kW，優于國內最好水平（12 kW），單位原油加工電耗、蒸汽消耗平均降低0.5%。

在環境性方面，主風機運行可靠性顯著提高，系統停產造成的氣體、液體排放總量降低1 個數量級以上。

六、結論

本文揭示了設備本質安全可靠與監管智能化的內涵與特征。可靠性設計/制造、風險管理、監測控制智能化和信息化是確保設備本質安全可靠的3 個關鍵要素。梳理了煉化設備本質安全可靠與監管智能化發展趨勢：設備設計與制造向智能化方向發展，風險管理技術將成為設備完整性管理的重要支撐，設備監測將向網絡化、智能化方向發展。明確了我國煉化設備本質安全可靠與監管智能化實現面臨的挑戰，提出了設備本質安全可靠與監管智能化的對策、措施和建議。

著眼未來，基于信息物理系統（CPS）實現設備全面感知、早期故障預警、運行狀態實時評估和智能維修決策，這是設備本質安全可靠與智能化監管技術的發展趨勢。