韓振飛

（中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103）

2020 年第七十五屆聯(lián)合國大會上，我國向世界鄭重承諾力爭在2030年前實現(xiàn)碳達峰，努力爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和。這是我國應(yīng)對氣候變化新的國家自主貢獻目標和長期愿景，是中國首次向全球明確實現(xiàn)碳中和的時間點，也是迄今為止各國中做出的最大減少全球變暖預(yù)期的氣候承諾[1]。

現(xiàn)代煤化工是煤炭清潔高效利用的途徑之一，但其碳排放強度高，單個項目碳排放量大，在國家“雙碳”目標下，面臨巨大減碳壓力，煤化工項目的推進受到制約，因此探尋現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)低碳化發(fā)展迫在眉睫。對煤化工產(chǎn)業(yè)的碳排放研究目前國內(nèi)大部分學(xué)者聚焦于生產(chǎn)過程中，如：凈化裝置產(chǎn)生的CO2尾氣排放、動力中心鍋爐產(chǎn)生的煙氣排放、氣化爐和鍋爐的灰渣排放以及外購熱、電產(chǎn)生的間接排放等，而忽略了現(xiàn)場運行過程中產(chǎn)生的一些非正常碳排放，包括非計劃停車導(dǎo)致的碳排放、裝置長期非最優(yōu)操作導(dǎo)致能耗、消耗過高造成的額外碳排放等。本文在分析了我國煤化工裝置的碳排放來源和引起煤化工裝置運行過程中非正常碳排放的原因的基礎(chǔ)上，提出了采用信息化、智能化的手段，融合現(xiàn)代工廠模式與智能工廠理念，來提高煤化工裝置運行效率及穩(wěn)定性，可為未來降低煤化工裝置非正常碳排放提供參考。

1 “雙碳”目標對煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響

1.1 煤化工裝置碳排放現(xiàn)狀

2015 年我國碳排放量中，煤化工產(chǎn)業(yè)碳排放量占工業(yè)排放量的13%，其中煤制油、煤制氣、煤制烯烴、煤制乙二醇所產(chǎn)生的CO2總排放量合計9 062萬t[2]。據(jù)劉殿棟等[3]測算，2020年現(xiàn)代煤化工裝置CO2排放總量約3.2億t，約占石化行業(yè)排碳量的22.5%；其中，煤制烯烴碳排放約占23.3%、煤制油碳排放約占10.9%、煤制天然氣碳排放約占6.8%、煤制乙二醇碳排放約占6.2%、煤制甲醇(不含煤制烯烴中甲醇)碳排放占比最大，約52.8%。2020年現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)各產(chǎn)品路線碳排放分布情況如圖1所示。

圖1 2020年現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳排放分布情況

1.2 煤化工裝置碳排放來源

正常生產(chǎn)過程中，煤化工裝置碳排放來源主要有兩大類，一是作為原料的工藝過程碳排放，如：凈化裝置產(chǎn)生的CO2尾氣排放、氣化爐灰渣中的碳排放等；二是作為燃料產(chǎn)生的碳排放，如：動力中心鍋爐產(chǎn)生的煙氣排放、鍋爐的灰渣排放等過程中的碳排放。降低工藝過程碳排放，需要從工藝技術(shù)革新入手，如：通過煤炭的分級、分質(zhì)利用，進一步提高碳利用率，將煤與天然氣、可再生能源等進行耦合以減少或取消變換過程產(chǎn)生的CO2排放等；隨著我國可再生能源發(fā)電比例的不斷提高，煤化工可以通過提高電驅(qū)比例，以電驅(qū)替代蒸汽驅(qū)動，來減少或避免煤炭直接燃燒帶來的碳排放。另外，碳捕集、利用、封存技術(shù)也是降低煤化工裝置碳排放的技術(shù)手段之一，現(xiàn)代煤化工CO2主要來自凈化排放尾氣和鍋爐煙氣中，凈化尾氣中CO2含量很高，其體積分數(shù)基本在70%以上，有的甚至超過99%，鍋爐煙氣中CO2體積分數(shù)為10%～20%[3]。

煤化工裝置現(xiàn)場運行過程中還會產(chǎn)生一些非正常碳排放，如：裝置非計劃停車導(dǎo)致的碳排放，裝置長期非最優(yōu)操作導(dǎo)致能耗、消耗過高造成的額外碳排放等。雖然這部分碳排放的占比可能不是很大，但其絕對量也不小。因此，減少因人為操作、非計劃停車等造成的煤化工裝置非正常碳排放，對減碳意義重大。

造成煤化工裝置非計劃停車多、長期處于非最優(yōu)操作的主要原因如下：

（1）煤化工工藝流程復(fù)雜、工段間關(guān)聯(lián)性大，前一工段的波動可引起后工段操作變化較大，目前煤化工企業(yè)缺少對裝置生產(chǎn)全過程進行精準診斷分析及優(yōu)化的手段，在原料或負荷調(diào)整時，運行參數(shù)不能快速、準確進行調(diào)整。

（2）煤化工裝置設(shè)備故障多，且對煤氣化裝置長周期運行可能出現(xiàn)的問題（如燒嘴壽命、耐火磚壽命）缺少預(yù)判的手段，導(dǎo)致檢修及切爐存在主觀性。

（3）煤化工運行工況苛刻，多為高溫、高壓工況，且存在易燃易爆、腐蝕性介質(zhì)，長周期運行后關(guān)鍵儀表失靈，裝置缺乏精確地監(jiān)控。

（4）煤化工裝置在運行過程中遇煤種及工況變化時，多依據(jù)經(jīng)驗進行操作，催化劑更換亦是如此，導(dǎo)致操作參數(shù)非最優(yōu)。以水煤漿氣化爐操作為例，不同煤種對應(yīng)的操作參數(shù)存在較大差異，比如無煙煤適宜的氣化溫度比褐煤、煙煤高50℃左右，若操作不當(dāng)，則易造成煤炭轉(zhuǎn)化率低，嚴重時甚至造成非計劃停車。

煤化工行業(yè)為技術(shù)型行業(yè)，其生產(chǎn)裝置技術(shù)含量高，工藝流程復(fù)雜，各工段間的聯(lián)系緊密，關(guān)聯(lián)性大，大型設(shè)備類別和數(shù)量多，對企業(yè)的運行管理水平和突發(fā)工況的響應(yīng)處理要求較高，因此如何提高裝置運行穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，是企業(yè)目前急需解決的問題，也是解決煤化工裝置非正常碳排放的有效手段。

目前，提高裝置運行穩(wěn)定性的手段主要有優(yōu)化工藝技術(shù)、提高設(shè)備制造水平、提升控制手段、提高人員操作水平、采用智能信息技術(shù)等，工藝、設(shè)備、控制手段的進步往往依賴于整個行業(yè)的技術(shù)進步，人員操作水平的提升也需要經(jīng)過長時間的培養(yǎng)，而智能信息技術(shù)是可以基于現(xiàn)有工藝、設(shè)備、人員技術(shù)水平，利用智能化、信息化的手段，使裝置處于最優(yōu)操作條件。因此，本文主要分析智能化在提高煤化工裝置運行穩(wěn)定性、減少非計劃停車、進而減少煤化工裝置碳排放中的作用。

1.3 智能化助力化工產(chǎn)業(yè)碳減排

近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等浪潮席卷全球，中國以“創(chuàng)新驅(qū)動，質(zhì)量為先”的原則，發(fā)布了《中國制造2025》發(fā)展戰(zhàn)略。當(dāng)前，我國流程工業(yè)面臨第四次工業(yè)革命的歷史契機、中國制造升級轉(zhuǎn)型和供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的關(guān)鍵時期?！爸袊圃?025”和“新一代人工智能”為流程工業(yè)的發(fā)展指出了新的方向和帶來新的機遇。充分利用大數(shù)據(jù)，將人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、建模、控制和優(yōu)化等信息技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)過程的物理資源緊密融合與協(xié)同，研發(fā)實現(xiàn)智能制造目標的各種新功能，才可能使制造業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展[4]。

在國內(nèi)，以中國石化集團公司為首的大型石化企業(yè)率先借鑒國外煉化企業(yè)信息化建設(shè)的實踐經(jīng)驗，結(jié)合自身的發(fā)展情況，進行了智能工廠建設(shè)探索，在國內(nèi)石化行業(yè)起到了良好的引領(lǐng)和示范作用，入選國家智能制造試點示范的石化企業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，智能化水平達到了國內(nèi)一流、國外先進水平[5]，但總體而言，國內(nèi)石化行業(yè)整體數(shù)字化、智能化水平還有很大提升空間。

針對煤化工裝置運行特點及存在的問題，研究人員也進一步探索了利用信息技術(shù)手段，通過智能化的方法解決煤化工裝置生產(chǎn)運行中的問題，提高裝置運行穩(wěn)定性和運行效率，減少裝置的碳排放。

2 煤化工裝置非正常運行工況減碳智能化研究

隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展，“云、網(wǎng)、端”是新的基礎(chǔ)設(shè)施，“裝置運行數(shù)據(jù)”是新的生產(chǎn)要素，“大規(guī)模社會化協(xié)同”是新的分工特點。信息技術(shù)與各行業(yè)產(chǎn)業(yè)的深入融合為企業(yè)提供了一種新的生產(chǎn)運營管理模式，在降低化工過程能耗，減少非必要碳排放方面發(fā)揮了重要作用。

2.1 技術(shù)手段

針對目前煤化工裝置的運行狀況，可采用大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)、流程模擬、數(shù)字工廠等技術(shù)手段，建立煤化工裝置數(shù)據(jù)庫及數(shù)字孿生工廠，通過數(shù)據(jù)分析及整合利用，提高裝置的信息化管理水平與運行管理水平，達到降本增效、節(jié)能降耗的目的。

2.2 研究方法

煤化工裝置運行穩(wěn)定性面臨的主要問題有三類：一是長期非最優(yōu)操作，導(dǎo)致裝置能耗高，效率低。主要原因是煤化工裝置受煤質(zhì)影響較大，尤其是作為源頭的煤氣化裝置，一旦煤種性質(zhì)發(fā)生變化，煤氣化裝置操作參數(shù)就需要進行適應(yīng)性調(diào)整，另外，由于不同煤種產(chǎn)出的合成氣性質(zhì)不同，位于煤氣化裝置下游的變換、酸性氣脫除等裝置的操作參數(shù)也需要進行同步調(diào)整。而目前煤化工裝置對于操作參數(shù)的調(diào)整多依據(jù)經(jīng)驗進行，缺少數(shù)據(jù)支持。二是裝置運行環(huán)境惡劣，設(shè)備故障率較高，現(xiàn)場缺乏對設(shè)備故障預(yù)判的手段，往往是在設(shè)備發(fā)生故障停車后，才對其進行補救性維修，導(dǎo)致非計劃停車頻繁。三是煤化工裝置多在高溫、高壓、易燃易爆、腐蝕性介質(zhì)的工況中運行，長期運行后關(guān)鍵儀表失靈，易造成關(guān)鍵參數(shù)的檢測不準確，無法精確指導(dǎo)現(xiàn)場操作。針對上述問題，提出以下解決方案。

2.2.1 進行煤質(zhì)集總

建立煤質(zhì)大數(shù)據(jù)庫，針對不同煤質(zhì)，提供與其相適應(yīng)的最優(yōu)操作參數(shù)，指導(dǎo)裝置操作。

煤質(zhì)是影響煤氣化爐操作性能的重要因素，加強煤質(zhì)監(jiān)管、提升原料煤煤質(zhì)的穩(wěn)定性、掌握原料煤質(zhì)變化情況并及時調(diào)整和優(yōu)化氣化爐的操作條件，是提高氣化爐運行穩(wěn)定性的關(guān)鍵。因此，建立煤質(zhì)集總分析數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對不同煤質(zhì)的操作參數(shù)指導(dǎo)，有利于提高煤氣化裝置的操作穩(wěn)定性。

通過煤質(zhì)分析，基于現(xiàn)有煤氣化裝置煤種、配煤數(shù)據(jù)以及氣化操作參數(shù)，形成煤質(zhì)集總分析數(shù)據(jù)庫。利用分析數(shù)據(jù)庫對各煤種及配煤數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，利用智能化技術(shù)得到與不同煤質(zhì)對應(yīng)的關(guān)鍵操作點的最優(yōu)操作參數(shù)、煤和氧氣的消耗、合成氣組成等數(shù)據(jù)，預(yù)先提供與實際煤種相吻合的操作參數(shù)，指導(dǎo)優(yōu)化裝置操作，使裝置能在不同煤種下穩(wěn)定運行。

2.2.2 建立機理模型

通過建立流程模擬模型，為裝置操作參數(shù)在線分析和優(yōu)化校正提供基礎(chǔ)。

機理模型是基于流體性質(zhì)，由過程機理出發(fā)、經(jīng)推導(dǎo)得到描述過程的方程組、并由實驗驗證建立起來的模型。煤化工裝置機理模型的開發(fā)可自煤氣化裝置、變換裝置、酸脫裝置等單元開始進行逐步研究，采用穩(wěn)態(tài)模擬工具Aspen Plus搭建各單元的模擬模型，并對其進行校正，使結(jié)果與裝置的實際運行狀況吻合。機理模型開發(fā)需要經(jīng)歷數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、模型開發(fā)、模型校正確認等過程，目的是確保建立的模型能夠真實反映裝置的運行狀況，為裝置在線分析和優(yōu)化提供計算基礎(chǔ)。

2.2.3 進行設(shè)備故障預(yù)測

建立設(shè)備故障預(yù)測模型，通過對設(shè)備狀態(tài)的在線分析，提前預(yù)測設(shè)備可能發(fā)生的故障，及時進行故障排除，避免設(shè)備故障造成的非計劃停車。

傳統(tǒng)的設(shè)備運維模式一般采用定期維護、事故后維修的模式，該模式在復(fù)雜工況和苛刻環(huán)境下的局限性越來越大。利用現(xiàn)有工業(yè)大數(shù)據(jù)，采集和分析相關(guān)狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)設(shè)備的故障預(yù)警，進而進行預(yù)測性維護是減少裝置非計劃停車的有效手段。

設(shè)備故障預(yù)測預(yù)警是以生產(chǎn)設(shè)備為核心，整合設(shè)備相關(guān)的運行狀態(tài)、檢修、故障、運行標準、產(chǎn)品質(zhì)量等數(shù)據(jù)，形成設(shè)備數(shù)據(jù)資產(chǎn)庫，通過機器學(xué)習(xí)（ML）對設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行分析，并結(jié)合設(shè)備失效機理模型，建立設(shè)備故障預(yù)測模型。通過采集設(shè)備運行數(shù)據(jù)，運用設(shè)備故障預(yù)測模型，對運行中的設(shè)備進行實時診斷與評估，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，快速啟動排除故障方案，減少因設(shè)備故障造成的非計劃停車次數(shù)。

2.2.4 建立軟儀表

通過建立軟儀表，實現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的模型監(jiān)測，避免因儀表失靈造成的關(guān)鍵參數(shù)缺失。

軟儀表是指利用計算機技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)有的測量儀表信號和工藝技術(shù)參數(shù)，通過構(gòu)建參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系推算難于檢測或不能檢測的重要參數(shù)，用以控制生產(chǎn)[6]。已有學(xué)者通過軟儀表的建立，有效克服傳統(tǒng)計量設(shè)備因環(huán)境苛刻造成的計量缺陷[7]。煤化工裝置運行環(huán)境惡劣，長期運行后關(guān)鍵儀表參數(shù)容易失靈，且部分運行數(shù)據(jù)難以通過儀表進行測量，因此，需要運用軟儀表的手段，通過模型計算與現(xiàn)場數(shù)據(jù)校正，實現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的模型監(jiān)測，將真實儀表與軟儀表相結(jié)合，為裝置運行提供全面監(jiān)測手段。

2.2.5 建立數(shù)字孿生工廠

通過建立數(shù)字孿生工廠，實時模擬預(yù)測生產(chǎn)過程，通過模擬尋找最優(yōu)操作點，實現(xiàn)裝置在線優(yōu)化，維持裝置最優(yōu)操作。

數(shù)字孿生主要是由物理空間的物理實體和虛擬空間的虛擬實體組成，通過虛實之間的數(shù)據(jù)進行動態(tài)連接。從化工裝置上來講，企業(yè)可以通過生產(chǎn)裝置的虛擬模型，實時監(jiān)測當(dāng)前實體工廠的運行狀態(tài)，并通過虛擬模型對實體工廠進行實時智能控制，進一步實現(xiàn)物理工廠和虛擬工廠間的控制與反饋[8-9]。數(shù)字孿生工廠的構(gòu)建，需要建立機理與大數(shù)據(jù)融合的工廠模型，通過對實體工廠運營的實時感知，利用工業(yè)智能技術(shù)對工廠的運營數(shù)據(jù)進行更高層次的實時綜合調(diào)度和優(yōu)化，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的模擬預(yù)測，監(jiān)測現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)單因素與多因素尋優(yōu)（EO尋優(yōu)）的操作點，實現(xiàn)在線優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率。同時，數(shù)字孿生工廠可以對比顯示系統(tǒng)關(guān)鍵運行和模型計算參數(shù)，提供動態(tài)可視界面。

2.2.6 整合優(yōu)化

通過建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、構(gòu)建數(shù)字孿生工廠、收集與分析運行大數(shù)據(jù)，可以從原料性質(zhì)、工藝操作優(yōu)化、設(shè)備的多維度分析與故障預(yù)判等不同角度對裝置進行監(jiān)測與分析，最終將這些功能進行整合優(yōu)化，實現(xiàn)整個工廠的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行。

3 結(jié) 語

煤化工裝置運行過程中，因人為操作、非計劃停車等導(dǎo)致的非正常碳排放，是煤化工裝置碳排放的重要組成部分。采用信息化、智能化技術(shù)，融合現(xiàn)代工廠模式與理念，可為煤化工裝置穩(wěn)定生產(chǎn)運行提供保障。

通過大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)、數(shù)字工廠、流程模擬等技術(shù)手段，建立機理模型及運行大數(shù)據(jù)，基于數(shù)字孿生工廠，對裝置運行狀況進行工藝分析和診斷，并進行實時在線優(yōu)化，可確保裝置維持最優(yōu)操作，提高裝置運行效率及穩(wěn)定性。對設(shè)備狀態(tài)進行實時檢測及故障預(yù)警，實現(xiàn)設(shè)備預(yù)測性維護，減少非計劃停車，可初步實現(xiàn)通過提高運行穩(wěn)定性，降低裝置能耗，減少煤化工裝置非正常碳排放。