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發展的必然趨勢，而智能化是助推煉化一體化項目安全、綠色、集約和效益發展的重要手段。本文首先介紹了煉化一體化發展的內涵，剖析了其發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

煉化產業是關乎我國民生和國家安全的支柱性產業。近10年來，隨著工業技術的發展和供需產業結構的變化，煉化企業面臨著巨大的挑戰：（1）國際原油價格寬幅震蕩和國內外行業競爭激烈，對企業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、環保要求日趨嚴格，致使企業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發展的必然選擇[2-4]。然而我國的煉化一體化項目大而不強，主要是因為傳統生產管理模式難以適應其規模化、集約化和上下游一體化的發展特征，限制了煉化一體化效能的釋放。隨著IT技術的發展，掀起了第四次工業革命，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安全、綠色、集約和效益的高質量發展。

本文首先介紹了煉化一體化發展的內涵，剖析了其發展特征和運營、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 煉化一體化發展的內涵

十多年前，我國的煉油、化工企業平均規模普遍偏小，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，并隨著競爭環境的加劇、效益的下降促使煉化企業不得不走上提質增效、產業轉型升級的道路。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展，進而實現資源的節約和有效利用，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的抗風險能力，這也是國家經濟發展由資源消費型向循環經濟型、資源節約型和環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展優化策略，而且具有更加豐富的技術內涵：上下游原料互供、優化利用一體化；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化配置與利用。

3 煉化一體化的發展特征和面臨的問題

煉化一體化模式經過多年的發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、規模化特征愈發明顯。

（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體，傳統生產管理模式和工具難以滿足其發展的要求并暴露出諸多問題。

（1）大型化和規模化直接導致設備的數量、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變化導致公用工程的保供和有效節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、環保的風險更加集中、危害程度更大，監控和管理風險、防范于未燃是煉化一體化企業必須高度重視的問題。

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

這些問題都屬于“人、機、料、法、環”生產要素的精益化管理、動態優化配置的管控范疇。但由于煉化一體化的高度集約化發展，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” 的龐大工業體。傳統生產管理模式借助信息化技術，一定程度上緩解了超大規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務豎井，難以實現業務協同和智能科學決策，無法適應其高質量發展的要求。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務豎井的壁壘，實現泛在感知、預測預警、協同優化、科學決策等智能化手段與煉化一體化業務的深度融合，進而激發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務豎井等數據割裂問題，實現數據驅動的業務協同。（2）智能化應用是種探索與追求，將隨著業務深入開展和技術進步而不斷有新的部署和優化升級，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務應用提供了經濟、便捷的途徑，實現了強大后臺、優化中臺和敏捷前臺的優良運維環境。

4.2 典型應用場景

設備、能源、安全環保和生產優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。煉化企業中的設備“安、穩、長、滿、優”運行是重中之重，但由于煉化一體化的規模化發展，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變化的。因此，利用智能化技術建立能源管控模型，實時監控能源產/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，同時有的放矢地節能降耗，達到公用工程動態集約的優化平衡，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）智能安環監管。大型煉化一體化的高度集中，致使安全、環保的風險更加集中、危害程度更大和關聯危害更廣，在國家綠色發展的要求下，應加強其安全和環保的監管。通過視頻在線監控、人員定位、周界報警、事故推演、安環與應急和生產系統聯動等智能化應用，從事后管理向事前預測、事中控制轉變，增強管控能力，降低安環風險。

（4）智能生產優化。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、穩態判定、模型校正和先進控制等技術，將RTO優化的操作參數下裝給APC系統，由其實現穩定的閉環優化控制。分子煉油和RTO/APC優化技術相結合將為整個采、產、供、銷價值鏈提供了的動態優化手段，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、生產計劃的優化與驗證，以及工藝方案調整仿真驗證等功能，支撐監測、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，遵循整體規劃、分步實施、再優化的技術路線，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，打通業務間的壁壘，加強業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，應當結合企業現狀和中長遠發展戰略加強頂層設計，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格局，但不久的將來煉化行業將迎來更深層次的變革，競爭重心將從對規模的追逐轉向對精益化管控、再增值創效的能力上來。“智能煉化一體化”的發展范式憑借其在海量數據處理、業務協同優化、科學輔助決策、上下游產業融合等方面的巨大優勢，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未來發展的必然趨勢。

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