5G技術在煉化企業安全風險管控中的應用

孫偲桁 劉 奕

(1 中國石油天然氣股份有限公司西北化工銷售分公司,甘肅 蘭州 730070;2 中國石油大學(華東),山東 青島 266580)

近年來,我國煉化生產、銷售企業安全生產形勢總體平穩,但我們也應該清醒地認識到,相關企業在推進本質安全建設、風險管控數字化和智能化進程上與世界先進水平還有一定差距。隨著我國第5代移動通信技術(5G)及工業互聯網技術的迅猛發展,探索更加智能的煉化企業安全風險管控系統是一個新思路、新方案。科技成果不轉化就喪失了其真正價值,依托5G技術,新型煉化企業安全風險管控系統將在事故預防、智能控制、應急管理全流程大有可為[1]。

1 綜合背景

1.1 行業發展

如今“5G+工業互聯網”正融入千行百業,截至2023年,我國已建成世界上體量最大、技術最先進的5G網絡,工業互聯網產業規模超1.2萬億元,“5G+工業互聯網”已成為數字工業經濟的“新名片”。得益于相關部門和中央企業的高度重視,日趨完善的5G技術已在助推中國石油等煉化企業數字化、智能化方面取得了一系列關鍵突破,未來5G技術助力煉化企業打造全流程智慧安全屏障的作用將更加顯著。

1.2 政策支持

自2021年應急管理部印發《“工業互聯網+危化安全生產”試點建設方案》以來,國務院安委辦、工業和信息化部等主管部門密集出臺方案指南,強調數字化升級安全生產,著力提升危險化學品生產、儲運、經營各環節的本質安全能力;2022年3月,應急管理部出臺《“十四五”危險化學品安全生產規劃方案》,方案將“工業互聯網+危化安全生產”作為提升本質安全水平的“5大工程”之一重點建設[2];2023年11月,工業和信息化部印發《“5G+工業互聯網”融合應用先導區試點建設指南》,鼓勵支持中央企業率先開展產線級、車間級、工廠級5G工廠建設,推進5G技術在工業企業核心環節的深層拓展。

1.3 市場現狀

煉化生產、銷售企業普遍面臨巡檢工作量大、盲區多、安全設施和監管手段不足、自動識別和處置能力不強等困境,這也是導致安全保障能力薄弱的原因之一。與此同時,日益增長的生產信息采集需求也急需大帶寬、低時延、高可靠的通信技術作為支撐,而5G技術恰恰滿足了這一需求。化工安全管理存在的人力成本消耗大、事故處理不及時、不充分等市場痛點都呼喚5G與化工安全管理的長效有機結合。

2 Safe-Link新型煉化企業安全風險管控系統

2.1 系統組成

依托5G技術構建的Safe-Link新型煉化企業安全風險管控系統包含以事故規避為主要目的的化工安全生產數據庫、以事故預防為主要目的的裝置智慧大腦系統、以應急處置為主要目的的遠程災害處置系統。

2.2 技術原理

2.2.1 應用場景

(1)增強型移動寬帶(eMBB)場景。依托5G技術,末端上網峰值速率可以達到10～20 Gb/s,包括連續廣域覆蓋場景和熱點高容量場景,符合煉化企業廠區占地面積大、裝置密集、管網復雜等大帶寬應用場景[3]。

(2)超可靠低時延(uRLLC)場景。主要面向時延敏感要求高、可靠性需求強的業務領域。在uRLLC場景下,自控系統聯鎖反應時間可降低至1 ms左右,低時延為人員瞬時介入提供了有效保障。能夠滿足裝置運行中可燃氣體濃度、反應器溫度壓力、關鍵機組振動、現場圖像聲音等可靠性需求強的信息采集需求。

(3)海量機器類通信(mMTC)場景。在滿足小數據量、海量連接技術需求的同時,顯著降低系統運行功耗,在煉化生產企業中,實現對人員、設備、工藝過程、產品儲運、應急管理等方面的物聯感知。

2.2.2 融合系統

利用5G融合云計算區塊構建云存儲、數據庫功能;利用5G融合人工智能區塊組成虛擬操作功能;利用5G融合傳感系統構建生產數據采集功能;利用5G融合控制系統組成自動控制、監測模塊。

2.3 工作流程

系統全程運行應包含以下幾個流程。

2.3.1 智慧大腦系統

(1)裝置自主監測控制子系統。裝置自主監測控制系統依托“5G+人工智能(AI)”技術,融合自適應控制、機器學習(Machine Learning)、先進計算技術,可以做到生產數據實時監控,深度學習,自主控制裝置平穩優運行,實現關鍵工序自動控制、監測異常自動切斷,輔助技術人員在分布式控制系統(DCS)下達操作指令。

(2)設備運行管理子系統。利用5G、數字孿生和視覺識別等先進技術,建立數字廠區,技術人員借助該項系統可隨時調取現場高清實景,查詢異常參數的相關歷史數據。通過“5G+AI”分析技術,工業機器人可定時在裝置區內自動巡檢,采集到的數據通過工業交換機、5G用戶駐地設備(CPE)經由5G基站實時回傳至控制室,實現高危系統、高精設備的實時狀態檢測。

(3)供應鏈子系統。將自動導向車(AGV)、運輸機器人接入工業互聯網平臺,化工產品儲運、銷售企業可以實現無人倉庫和高效物資收發,借助視頻點位地理信息系統(GIS)實現裝卸作業風險監控、車輛排隊叫號,提高煉化銷售企業儲運部門安全管理水平和作業效率。

2.3.2 化工安全生產數據庫

化工安全生產數據庫依托邊緣計算(MEC)平臺部署的“5G+智能預警”系統,自動跟蹤廠區內各區域壓力、溫度、機泵振動等運行狀態,進行全天候實時計算和精準感知,一旦工藝控制指標超出目標范圍,數據庫將自動抓取問題數據,在eMBB場景下回傳至數據庫,及時收集事故信息,為裝置波動處置積累經驗,同時也為相關企業安全教育和事故分析提供寶貴教材。

2.3.3 遠程災害處置系統

遠程災害處置系統依托增強現實、虛擬現實技術,利用5G低時延、物聯網、勝任高流量密度等關鍵技術,將采集到的化工事故現場數據、爆炸范圍、裝置狀況等關鍵信息實時傳給專家組,實時模擬事故現場,彌合事故現場與專家的距離,全力降低人員在事故現場暴露風險,讓應急管理專家在千里之外就可以為事故處置提供“良方”。

3 應用前景分析

3.1 Safe-Link系統優勢

(1)實時監測、快速響應。依托新系統,可以實現對化工生產過程中各種參數和安全狀態的實時監測,相比傳統分布式控制方案,能夠更加及時地發現并降低潛在的安全風險。

(2)遠程操作、以人為本。5G的低延遲特性使新系統中的遠程操作成為可能,技術人員和應急管理專家可以遠程監控和操控設備,從而降低了直接接觸潛在危險的概率。

(3)設備聯網、多體聯動。新系統通過5G連接的設備能夠實現更加智能化的安全監測和反饋,提高了對安全事件的感知和響應速度。

(4)數據分析。5G技術能夠提供更大帶寬和更快速的數據傳輸,新系統中的化工安全生產數據庫有助于對大規模數據進行實時分析,預測和防范可能的安全風險,為兄弟企業提供生動案例。

(5)低碳環保、高效經濟。新系統依托5G技術低功率大連接使用場景,每年可為煉化企業節約能耗10%～30%,實現綠色低碳可持續發展。表1對比了Safe-Link新型煉化企業安全風險管控系統與傳統檢測控制系統的關鍵技術指標[4]。

表1 Safe-Link系統與傳統監測控制系統的關鍵技術指標對比

3.2 市場分析

2023年11月,工業和信息化部公布了《2023年5G工廠名錄》,項目覆蓋24個國民經濟大類,建設投資總額達97.3億元,其中石油和化工行業占35席,位居第二。當前我國工業互聯網產業規模已超1.2萬億元,隨著新一輪政策激勵和產業升級,Safe-Link新型煉化企業安全風險管控系統擁有前所未有的市場機遇,預計到2030年,新系統將在400多家企業實現終端應用。

我國是世界上最大的煉化產品生產國和消費國,總產值位居世界第一。廣闊的市場前景與蓬勃發展的5G技術正雙向促進煉化企業安全風險管控向智能化方向發展。依托5G技術打造的Safe-Link新型煉化企業安全風險管控系統在實時監測、遠程操作、智能控制、數據分析等方面解決了以往企業安全管理的諸多痛點和難點。伴隨著中國石油、中國石化的部分下屬企業在5G技術應用上取得突破性進展,中國移動、中國電信等諸多技術廠商也在積極推進5G組網、切片、MEC、智能控制、安全聯鎖、應急救援等一系列安全管理應用,加快形成“5G+AI”的新型化工安全融合技術解決方案。Safe-Link新型煉化企業安全風險管控系統在給智能制造增添新活力的同時,也為煉化企業的安全運行筑起了“智能防線”。

4 案例分析

4.1 中國石油蘭州石化榆林化工有限公司“5G+”智慧化工園區

園區采用5G SA組網模式,同時下沉MEC,實現5G網絡全覆蓋。新建3個5G宏基站,采用32T 320W設備宏基站,并采用分布式無線接入網(D-RAN)方式開通。園區配置1套會話處理能力5 000電源分配單元(PDU)、忙時吞吐率為10 Gb/s的一體化用戶端口功能(UPF)設備。一體化UPF通過園區傳輸切片分組網(SPN)對接5G核心網,同時通過邊緣UPF連接應用服務器,滿足了數據不出園區的要求[5]。

園區通過5G虛擬專網建設,在高清視頻監控、AI應用分析及工業數據回傳等領域取得了一系列技術突破,實現了設備、人員實時監控,高危、高精設備實時監測。

4.2 中國石油長慶石化公司“全球首個5G全智能煉廠”

企業在MEC平臺上部署5G+動設備智能預警系統,對廠區內數百臺動設備進行24 h不間斷精準感知和計算,以預知性維修替代傳統的定期檢修模式,故障預警準確率達95%以上,裝置非計劃停車次數降為零。

通過5G云網基礎設施建設,滿足了企業在網絡延時、數據安全等方面的應用需求,有效降低了設備的故障發生率和維修保養成本,保障了煉化生產的安全穩定運行。

4.3 中國石油化工股份有限公司天津分公司“5G全連接工廠”

企業依托“5G+北斗”技術,開發出5G防爆手持終端,開啟了安全票證、裝置巡檢的“云端時代”。依托自適應技術,廣泛開展“機器代人”試點,滿足輸油管線及廠際管廊的無人機智能巡檢、智能倉儲機器代人等應用場景。裝置區域關鍵檢測部位布設氣體動態泄漏監測儀,通過激光射線實時監測氣體濃度,數據實時通過5G組網回傳給外操。

企業通過“5G全連接工廠”建設,有力構建了現場作業、人員和環境“三位一體”的閉環“智保安全”精準管控模式。

5 結語

煉化生產、銷售企業安全管理及事故預防已經成為企業的重要研究方向。可以預見的是,5G技術與化工安全的結合將為企業安全管理帶來革命性的變化,融合5G、工業互聯網、邊緣計算、人工智能等技術構建的新型安全風險管控系統,能讓數據傳輸更高效、裝置運行更智能,極大提高企業安全管理效能,減少事故發生,提升全行業的安全管理水平。

下一步,將主要圍繞降成本、定法規、可普及、可持續4個方面踐行“5G+化工安全”理念：進一步降低配套成本,讓更多的“5G+”智慧在煉化企業安全管理中落地生花;制定石油化工5G行業應用規范、應用方案及標桿案例,促進石油化工企業在新技術驅動下開拓產業新格局;推動數智行業中小微企業健康有序發展,吸納和帶動更多科技人才參與系統創新;探索綠色環保可持續發展的新路子,全面推進和深化雙重預防機制數字化建設,嚴格落實企業風險管控和隱患排查治理主體責任,增強危險化學品生產企業安全管理的整體水平[6]。