張來勇 趙猛 周暉 張梅英

摘要：煉化一體化是煉油化工行業(yè)發(fā)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(fā)展的重要手段。本文首先介紹了煉化一體化發(fā)展的內(nèi)涵，剖析了其發(fā)展特征和運(yùn)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(shù)架構(gòu)和典型應(yīng)用場景，最后結(jié)合建設(shè)經(jīng)驗總結(jié)了智能化建設(shè)的實施要點和建議。

關(guān)鍵詞：煉化一體化；智能化；應(yīng)用場景；數(shù)據(jù)孤島；技術(shù)架構(gòu)

1 前言

煉化產(chǎn)業(yè)是關(guān)乎我國民生和國家安全的支柱性產(chǎn)業(yè)。近10年來，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和供需產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，煉化企業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)：（1）國際原油價格寬幅震蕩和國內(nèi)外行業(yè)競爭激烈，對企業(yè)的精益化管控提出了更高的要求；（2）石化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)化需求不平衡，迫使燃料型向原料型油轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)型升級；（3）安全、環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，致使企業(yè)的投資和生產(chǎn)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(yè)發(fā)展的必然選擇[2-4]。然而我國的煉化一體化項目大而不強(qiáng)，主要是因為傳統(tǒng)生產(chǎn)管理模式難以適應(yīng)其規(guī)模化、集約化和上下游一體化的發(fā)展特征，限制了煉化一體化效能的釋放。隨著IT技術(shù)的發(fā)展，掀起了第四次工業(yè)革命，形成了眾多以智能化為核心的應(yīng)用技術(shù)[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(jìn)煉化一體化企業(yè)安全、綠色、集約和效益的高質(zhì)量發(fā)展。

本文首先介紹了煉化一體化發(fā)展的內(nèi)涵，剖析了其發(fā)展特征和運(yùn)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(shù)架構(gòu)和典型應(yīng)用場景，最后結(jié)合建設(shè)經(jīng)驗總結(jié)了智能化建設(shè)的實施要點和建議。

2 煉化一體化發(fā)展的內(nèi)涵

十多年前，我國的煉油、化工企業(yè)平均規(guī)模普遍偏小，呈現(xiàn)出“多、小、散、亂”的分布格局，這導(dǎo)致單位產(chǎn)品的成本高、能耗高、環(huán)保治理費(fèi)用高、儲運(yùn)費(fèi)用高，以及供需鏈條協(xié)調(diào)不暢等問題，并隨著競爭環(huán)境的加劇、效益的下降促使煉化企業(yè)不得不走上提質(zhì)增效、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的道路。隨著焦化、加氫、催化裂化和重整等技術(shù)的發(fā)展，給予了煉油和化工裝置“直接牽手”的必要技術(shù)條件。

煉化一體化是指將煉油和化工裝置在有限的地域內(nèi)實現(xiàn)集約發(fā)展，進(jìn)而實現(xiàn)資源的節(jié)約和有效利用，大大降低建設(shè)和生產(chǎn)成本，增強(qiáng)市場適應(yīng)性，提高經(jīng)濟(jì)效益和企業(yè)的抗風(fēng)險能力，這也是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展由資源消費(fèi)型向循環(huán)經(jīng)濟(jì)型、資源節(jié)約型和環(huán)境友好型轉(zhuǎn)變的必然要求。煉化一體化不僅是從技術(shù)經(jīng)濟(jì)層面的發(fā)展優(yōu)化策略，而且具有更加豐富的技術(shù)內(nèi)涵：上下游原料互供、優(yōu)化利用一體化；總平面布置一體化；公用工程/輔助設(shè)施一體化；物流儲運(yùn)一體化；消防、安全和應(yīng)急一體化；環(huán)境保護(hù)一體化；管理服務(wù)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(jī)的整體技術(shù)集成，最終才能實現(xiàn)資源的高效優(yōu)化配置與利用。

3 煉化一體化的發(fā)展特征和面臨的問題

煉化一體化模式經(jīng)過多年的發(fā)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(tǒng)獨立的煉油或化工裝置相比，呈現(xiàn)出鮮明特征。

（1）集群化、大型化、規(guī)?；卣饔l(fā)明顯。

（2）上下游工藝技術(shù)集成度更高，耦合關(guān)系更加復(fù)雜。

（3）集約化和共享化程度更高。

（4）安全、環(huán)保風(fēng)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(yè)體，傳統(tǒng)生產(chǎn)管理模式和工具難以滿足其發(fā)展的要求并暴露出諸多問題。

（1）大型化和規(guī)?；苯訉?dǎo)致設(shè)備的數(shù)量、種類成倍增加且約束條件更加復(fù)雜，運(yùn)維難度更大，非計劃宕機(jī)影響的范圍更廣。

（2）上下游一體化導(dǎo)致裝置間公用工程互供的耦合關(guān)系更加復(fù)雜，裝置的操作條件和負(fù)荷動態(tài)變化導(dǎo)致公用工程的保供和有效節(jié)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(huán)保的風(fēng)險更加集中、危害程度更大，監(jiān)控和管理風(fēng)險、防范于未燃是煉化一體化企業(yè)必須高度重視的問題。

（4）由于煉化一體化裝置的快轉(zhuǎn)、快投和快穩(wěn)難度大，導(dǎo)致對市場的敏捷性沒有發(fā)揮出來，經(jīng)濟(jì)效益沒有得到充分挖潛。

這些問題都屬于“人、機(jī)、料、法、環(huán)”生產(chǎn)要素的精益化管理、動態(tài)優(yōu)化配置的管控范疇。但由于煉化一體化的高度集約化發(fā)展，使其變得異常復(fù)雜，如不采用先進(jìn)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(fā)揮。

4 智能煉化一體化基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)和典型應(yīng)用場景

4.1 智能煉化一體化基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)

煉化一體化完成了生產(chǎn)裝置和技術(shù)的硬擴(kuò)展，但其效能的發(fā)揮取決于是否有先進(jìn)的管控手段駕馭這么“大、多、繁、雜” 的龐大工業(yè)體。傳統(tǒng)生產(chǎn)管理模式借助信息化技術(shù)，一定程度上緩解了超大規(guī)模煉化一體化項目的管理難題，但形成了大量數(shù)據(jù)孤島和業(yè)務(wù)豎井，難以實現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同和智能科學(xué)決策，無法適應(yīng)其高質(zhì)量發(fā)展的要求。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，“數(shù)據(jù)、算力、算法”能力得到大幅提升，在此基礎(chǔ)上提出了智能煉化一體化的基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)，以打破數(shù)據(jù)孤島和業(yè)務(wù)豎井的壁壘，實現(xiàn)泛在感知、預(yù)測預(yù)警、協(xié)同優(yōu)化、科學(xué)決策等智能化手段與煉化一體化業(yè)務(wù)的深度融合，進(jìn)而激發(fā)煉化一體化項目潛能。

本智能煉化一體化技術(shù)架構(gòu)采用平臺化設(shè)計（圖1）。其中，邊緣層與煉化一體化工廠進(jìn)行海量數(shù)據(jù)傳輸和交互，經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗、處理等技術(shù)將多源、異構(gòu)和多模態(tài)數(shù)據(jù)存儲在IaaS層的中央數(shù)據(jù)庫，中央數(shù)據(jù)庫通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的集成與融合，為上層的業(yè)務(wù)協(xié)同和智能化應(yīng)用奠定可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；同時在PaaS層上部署相應(yīng)的算法庫、模型庫、微服務(wù)組件庫、報表庫、控件庫、套件庫等基礎(chǔ)通用單元，使其具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和挖掘等功能；然后根據(jù)實際的業(yè)務(wù)需求在SaaS層上部署相應(yīng)的智能化應(yīng)用，形成N in 1的智能化應(yīng)用平臺，每項智能化應(yīng)用通過調(diào)用PaaS層上的智能化單元并加工IaaS層中央數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，輸出決策信息和控制指令，建立起數(shù)據(jù)驅(qū)動的“描述-診斷-預(yù)測-決策”智能服務(wù)機(jī)制，從而降低人工判斷在決策中的比重，進(jìn)一步提升生產(chǎn)、經(jīng)營、管理精益化、智能化水平。

本技術(shù)架構(gòu)重點突出兩大特征，即中央數(shù)據(jù)庫和N in 1智能化應(yīng)用集成平臺。（1）中央數(shù)據(jù)庫通過主數(shù)據(jù)管理、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)化接口等實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成及共享，從根本上消除數(shù)據(jù)孤島和業(yè)務(wù)豎井等數(shù)據(jù)割裂問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的業(yè)務(wù)協(xié)同。（2）智能化應(yīng)用是種探索與追求，將隨著業(yè)務(wù)深入開展和技術(shù)進(jìn)步而不斷有新的部署和優(yōu)化升級，因此要求技術(shù)架構(gòu)必須具備極強(qiáng)的易擴(kuò)展性，N in 1的數(shù)據(jù)、算法、應(yīng)用的平臺化集中集成為未來擴(kuò)展業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了經(jīng)濟(jì)、便捷的途徑，實現(xiàn)了強(qiáng)大后臺、優(yōu)化中臺和敏捷前臺的優(yōu)良運(yùn)維環(huán)境。

4.2 典型應(yīng)用場景

設(shè)備、能源、安全環(huán)保和生產(chǎn)優(yōu)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(yīng)在夯實基礎(chǔ)平臺的基礎(chǔ)上，以需求為導(dǎo)向著重建設(shè)以下典型應(yīng)用場景。

（1）智能設(shè)備管理。煉化企業(yè)中的設(shè)備“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運(yùn)行是重中之重，但由于煉化一體化的規(guī)?；l(fā)展，設(shè)備的數(shù)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(fā)現(xiàn)和定位設(shè)備問題。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實時自動采集海量的設(shè)備關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，并建立設(shè)備健康模型，在線分析健康狀況，預(yù)測設(shè)備故障，分析、挖掘和規(guī)避設(shè)備故障影響因素，進(jìn)而解決非計劃宕機(jī)、帶病運(yùn)行或過度維修等問題，建立科學(xué)維保、降本增效的智能化、精細(xì)化3P設(shè)備管理體系，實現(xiàn)設(shè)備全壽命周期的科學(xué)管理。另外，設(shè)備故障預(yù)測算法中可采用數(shù)據(jù)、圖形、頻譜和多變量關(guān)聯(lián)等方法提高預(yù)測的準(zhǔn)確性和提前量。

（2）智能能源管控。煉化一體化項目由于目標(biāo)產(chǎn)品的動態(tài)調(diào)整以及裝置間的產(chǎn)品和能源互供的耦合關(guān)系，導(dǎo)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(tài)變化的。因此，利用智能化技術(shù)建立能源管控模型，實時監(jiān)控能源產(chǎn)/耗數(shù)據(jù)，分析能源供消特征，實現(xiàn)由粗放型保供向精細(xì)化保供轉(zhuǎn)變，同時有的放矢地節(jié)能降耗，達(dá)到公用工程動態(tài)集約的優(yōu)化平衡，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本、提高效益。另外，還可通過對重點設(shè)備和裝置能耗的分析，挖掘生產(chǎn)、安全和設(shè)備更深層次的問題。

（3）智能安環(huán)監(jiān)管。大型煉化一體化的高度集中，致使安全、環(huán)保的風(fēng)險更加集中、危害程度更大和關(guān)聯(lián)危害更廣，在國家綠色發(fā)展的要求下，應(yīng)加強(qiáng)其安全和環(huán)保的監(jiān)管。通過視頻在線監(jiān)控、人員定位、周界報警、事故推演、安環(huán)與應(yīng)急和生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)動等智能化應(yīng)用，從事后管理向事前預(yù)測、事中控制轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)管控能力，降低安環(huán)風(fēng)險。

（4）智能生產(chǎn)優(yōu)化。分子煉油技術(shù)就是在分子尺度上對原油進(jìn)行加工評價，準(zhǔn)確預(yù)測產(chǎn)品性質(zhì)，據(jù)此優(yōu)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(yōu)化原則提升每個分子的價值。RTO和APC是針對目標(biāo)產(chǎn)品，充分考慮成本、約束條件、安全等因素，利用數(shù)據(jù)處理、穩(wěn)態(tài)判定、模型校正和先進(jìn)控制等技術(shù)，將RTO優(yōu)化的操作參數(shù)下裝給APC系統(tǒng)，由其實現(xiàn)穩(wěn)定的閉環(huán)優(yōu)化控制。分子煉油和RTO/APC優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合將為整個采、產(chǎn)、供、銷價值鏈提供了的動態(tài)優(yōu)化手段，增強(qiáng)了上下游系列裝置的“敏捷性”和對原油/產(chǎn)品市場波動快速響應(yīng)的能力，大大提高了生產(chǎn)價值和產(chǎn)率，進(jìn)一步釋放了煉化一體化的增值創(chuàng)效潛能。

（5）3D數(shù)字化工廠和數(shù)字孿生。其是隨著建模、圖形圖像以及數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的發(fā)展孕育而生的新應(yīng)用場景，是龐大煉化工廠的海量數(shù)據(jù)和生產(chǎn)機(jī)理的承載體。通過這項技術(shù)可以實現(xiàn)沉浸式的巡檢、操作培訓(xùn)、設(shè)備維護(hù)指導(dǎo)、應(yīng)急仿真演練、報警顯性化展示、事故推演、生產(chǎn)計劃的優(yōu)化與驗證，以及工藝方案調(diào)整仿真驗證等功能，支撐監(jiān)測、預(yù)測和假設(shè)分析以及多角度可視化展示和輔助決策等各類應(yīng)用，快速提升煉化一體化運(yùn)營的管控業(yè)務(wù)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(jié)出以下實施要點和建議。

（1）以需求為導(dǎo)向確定整體目標(biāo)，遵循整體規(guī)劃、分步實施、再優(yōu)化的技術(shù)路線，且基礎(chǔ)設(shè)施最好在工程項目建設(shè)階段同步建設(shè)，避免后續(xù)的修修補(bǔ)補(bǔ)。

（2）功能設(shè)計、模塊設(shè)計、接口設(shè)計、數(shù)據(jù)設(shè)計等要遵循標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計原則，為日后的智能化升級和新的智能化應(yīng)用的部署奠定基礎(chǔ)。

（3）夯實工廠自動化/數(shù)字化基礎(chǔ)，為智能化應(yīng)用提供實時、可靠的數(shù)據(jù)。

（4）消除數(shù)據(jù)孤島，打通業(yè)務(wù)間的壁壘，加強(qiáng)業(yè)務(wù)間顯性聯(lián)系和數(shù)據(jù)隱性關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)生產(chǎn)、經(jīng)營一體化管理，發(fā)揮出智能化的整體效益。

（5）在智能化建設(shè)階段就要建立與之相適應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)和規(guī)章制度，確保其能夠扎實落地、良好運(yùn)行。

（6）加強(qiáng)信息安全建設(shè)，讓安全風(fēng)險可控。

因此，煉化一體化的智能化建設(shè)不能一蹴而就、急于求成，應(yīng)當(dāng)結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀和中長遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略加強(qiáng)頂層設(shè)計，注重智能化應(yīng)用實效，以實現(xiàn)煉化一體化項目的精益化管控。

6 結(jié)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(jìn)化，已初步形成新的煉化行業(yè)格局，但不久的將來煉化行業(yè)將迎來更深層次的變革，競爭重心將從對規(guī)模的追逐轉(zhuǎn)向?qū)婊芸?、再增值?chuàng)效的能力上來?！爸悄軣捇惑w化”的發(fā)展范式憑借其在海量數(shù)據(jù)處理、業(yè)務(wù)協(xié)同優(yōu)化、科學(xué)輔助決策、上下游產(chǎn)業(yè)融合等方面的巨大優(yōu)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(yè)未來發(fā)展的必然趨勢。

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