節(jié)能環(huán)保與安全管控系統(tǒng)在乙烯裝置上的應(yīng)用

李冰

（中國石化北京燕山分公司，北京 102500）

中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司（簡稱燕山石化）建于20世紀(jì)60年代末，是我國第一個煉油化工聯(lián)合企業(yè)，經(jīng)過幾代建設(shè)者的不懈努力，已發(fā)展成為具有1 000萬t/a煉油能力、80萬t/a乙烯生產(chǎn)能力的大型煉化一體化企業(yè)。近年來，燕山石化結(jié)合自身實際，提出了“打造數(shù)字燕山，建設(shè)智能工廠”的信息化發(fā)展戰(zhàn)略，大力推動“兩化”深度融合，努力實現(xiàn)傳統(tǒng)國企向現(xiàn)代企業(yè)的轉(zhuǎn)型。燕山石化“智能工廠”建設(shè)目前已取得階段性成果，企業(yè)信息化進入智能應(yīng)用階段。較強的信息化能力和業(yè)務(wù)智能水平扎實推進了燕山石化“本質(zhì)安全、環(huán)境友好、持續(xù)贏利”城市型煉化企業(yè)的工作目標(biāo)。

1 節(jié)能環(huán)保與安全管控技術(shù)

能源生產(chǎn)是石化生產(chǎn)全過程中的重要組成部分，能源消耗直接影響高耗產(chǎn)品的成本，直接關(guān)系到企業(yè)的競爭力，能源的合理使用與平衡調(diào)配，對環(huán)境保護起著至關(guān)重要的作用。采用先進的優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)能源優(yōu)化，對企業(yè)的合理生產(chǎn)、能量的高效利用以及安全節(jié)能生產(chǎn)具有十分重要的作用。對于能源優(yōu)化問題，目前國內(nèi)外較為先進的方式是通過對企業(yè)實際業(yè)務(wù)問題進行分析和抽象，然后構(gòu)建出與企業(yè)實際相符的能源優(yōu)化模型，并選擇相應(yīng)的求解方法最終計算出最優(yōu)的優(yōu)化方案。

石化生產(chǎn)過程是諸多工藝流程相互影響、相互制約的復(fù)雜過程；高溫、高壓、易燃、易爆等因素都可能引發(fā)異常工況的發(fā)生，造成產(chǎn)品質(zhì)量下降或生產(chǎn)周期延誤，嚴(yán)重的會導(dǎo)致事故發(fā)生甚至人員傷亡，對生產(chǎn)過程的安全構(gòu)成極大威脅。因此，生產(chǎn)過程的安全管控日益被企業(yè)所關(guān)注，需要采用先進的信息技術(shù)手段構(gòu)建相關(guān)信息系統(tǒng)，來實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的安全管控，隨著生產(chǎn)過程的復(fù)雜性提高，需要采用基于數(shù)據(jù)及機理模型的方法對生產(chǎn)過程監(jiān)測。

2 總體技術(shù)架構(gòu)

石油化工的節(jié)能環(huán)保與安全管控系統(tǒng)選取燕山石化乙烯裝置進行能源優(yōu)化和安全管控的試點應(yīng)用，在燕山石化MES物料生產(chǎn)管理的基礎(chǔ)上，增加能源管理和安全管控兩條業(yè)務(wù)主線，實現(xiàn)生產(chǎn)過程高效、節(jié)能、環(huán)保和安全的全方位閉環(huán)管控。

節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)通過對乙烯產(chǎn)/耗能設(shè)備建模、裝置工藝過程建模，研究能源系統(tǒng)參數(shù)在線優(yōu)化，實現(xiàn)對乙烯裝置能源產(chǎn)耗的實時監(jiān)控與優(yōu)化，降低裝置綜合能耗，提高能源使用效率。安全管控系統(tǒng)通過對生產(chǎn)過程異常工況的分析與安全操作導(dǎo)航技術(shù)、過程風(fēng)險注冊與根原因分析技術(shù)和面向工藝操作的過程安全管理評估技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程風(fēng)險的動態(tài)監(jiān)測、評估和管控，提高生產(chǎn)裝置的安全平穩(wěn)運行水平。總體技術(shù)架構(gòu)見圖1。

圖1 節(jié)能環(huán)保與安全管控系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 節(jié)能環(huán)保與安全管控系統(tǒng)功能

3.1 能源生產(chǎn)管理

從典型設(shè)備（高溫裂解爐、蒸汽透平、蒸汽加熱器和減溫減壓器）的耗能原理出發(fā)，研究工藝過程物流狀態(tài)變化與設(shè)備能耗需求耦合的產(chǎn)/耗能建模方法，構(gòu)建工廠級的能耗需求模型；對多介質(zhì)能源系統(tǒng)進行聯(lián)合建模；結(jié)合工藝機理分析，將優(yōu)化模型抽象成MINLP優(yōu)化問題，采用分支定界算法求解，滿足在線優(yōu)化的實時性要求。

建立乙烯裝置設(shè)備、工藝過程模型對乙烯裝置的蒸汽、循環(huán)水和電等主要能源介質(zhì)消耗在線監(jiān)控，結(jié)合具體工藝流程特點選取關(guān)鍵決策變量，根據(jù)過程模型進行乙烯生產(chǎn)過程在線優(yōu)化。

3.2 能源統(tǒng)計與評價分析

對能源運行監(jiān)控，以計劃為基礎(chǔ)，對供、產(chǎn)、輸、轉(zhuǎn)、耗的能源相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集，并對日常能源產(chǎn)耗過程進行監(jiān)控和管理。通過管網(wǎng)平衡、指標(biāo)核算、報表發(fā)布等能源統(tǒng)計業(yè)務(wù)的在線化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一、數(shù)出一門，實現(xiàn)數(shù)據(jù)核查快速準(zhǔn)確，跟蹤及時到位，解決核查數(shù)據(jù)困難，統(tǒng)計數(shù)據(jù)的時效性及準(zhǔn)確性差的問題。

實現(xiàn)對能源日產(chǎn)耗數(shù)據(jù)、能源計量儀表情況、能源關(guān)鍵指標(biāo)、主要管網(wǎng)損失情況等進行預(yù)警、展示、綜合分析，為各級能源管理用戶的事前預(yù)測、事中分析、事后追蹤，提供統(tǒng)一、多視角決策和分析綜合視圖。

3.3 復(fù)合報警分析

復(fù)合報警就是通過各種異常的癥兆，判斷所發(fā)生的異常工況是何類型，并據(jù)此采取相應(yīng)的對策。針對復(fù)合報警異常工況，建立復(fù)合報警模型，在復(fù)雜工況下對裝置多參數(shù)報警進行關(guān)聯(lián)分析與實時異常檢測，并對異常工況進行復(fù)合報警提示。例如在判斷是否是堿洗失效、催化劑中毒時，可以綜合三段堿濃度異常、堿濃度分析取樣帶黃油、反應(yīng)器床層溫度急劇下降等癥狀來判斷是否發(fā)生了堿洗效果變差問題，合并氫氣進氣量下降，管網(wǎng)壓力波動等異常情況，可以進一步明確是否是堿洗失效、催化劑中毒。

3.4 在線質(zhì)量預(yù)測

丙烯產(chǎn)品中乙烯含量是乙烯裝置衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要質(zhì)量指標(biāo)，無在線質(zhì)量分析儀表，主要依賴定期質(zhì)量分析，但是LIMS的檢測周期較長，因此在實際操作過程中經(jīng)常會出現(xiàn)含量超標(biāo)現(xiàn)象，導(dǎo)致丙烯產(chǎn)品不合格，因此為了保證丙烯產(chǎn)品質(zhì)量，采用在線質(zhì)量預(yù)測。根據(jù)乙烯裝置生產(chǎn)工藝，塔DA202的操作溫度、物料流量FIC216、塔釜物料乙烯含量為影響丙烯產(chǎn)品中乙烯含量的關(guān)鍵因素，將上述變量作為模型的輸入進行完善。

3.5 設(shè)備綜合狀態(tài)監(jiān)測

裂解爐等靜設(shè)備的運行狀態(tài)相對穩(wěn)定，但隨著運行時間的延長會出現(xiàn)結(jié)焦、加熱效率不斷下降等問題，如果結(jié)焦嚴(yán)重，會導(dǎo)致爐管燒穿，造成火災(zāi)甚至爆炸等嚴(yán)重后果；壓縮機等動設(shè)備通常在高溫、粉塵、結(jié)垢、高轉(zhuǎn)速的條件下長時間運轉(zhuǎn)出現(xiàn)高振動、磨損、結(jié)垢等問題，嚴(yán)重時出現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片折斷、聯(lián)軸器斷裂、飛車等惡性事故。

設(shè)備綜合狀態(tài)監(jiān)測是根據(jù)關(guān)鍵設(shè)備歷史數(shù)據(jù)，建立多維狀態(tài)空間分析模型，挖掘設(shè)備海量運行數(shù)據(jù)中各參數(shù)之間的耦合關(guān)聯(lián)以及設(shè)備在各工況下的歷史運行規(guī)律。當(dāng)設(shè)備狀態(tài)偏離歷史同工況下的安全狀態(tài)時，自動觸發(fā)預(yù)警并對潛在故障進行關(guān)聯(lián)排序分析。

3.6 根原因分析

針對確定型的異常工況，故障樹分析方法可以非常明晰地表達出異常工況及造成異常工況產(chǎn)生的因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。如針對裂解爐進料流量波動問題可以構(gòu)建故障樹分析模型，裂解爐進料波動的因素包括儀表風(fēng)壓、進料閥開度、進料壓力及稀釋蒸汽溫度等，而引起進料壓力與稀釋蒸汽溫度過低也具有許多因素。因為故障樹分析方法具有揭示故障根源及關(guān)聯(lián)關(guān)系的優(yōu)點，因此應(yīng)用該方法針對乙烯生產(chǎn)過程確定型的異常工況進行在線監(jiān)測預(yù)警。

裂解爐及乙烯精餾塔是乙烯裝置關(guān)鍵設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、反應(yīng)劇烈等原因其故障模式極多且非常復(fù)雜，難以建立完整的確定型故障根原因分析模型。不確定性分析是通過對裝置的流程及風(fēng)險分析，對裂解爐、乙烯精餾塔等關(guān)鍵設(shè)備建立參數(shù)間邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，實現(xiàn)在復(fù)雜工況下對裝置不確定型異常工況的實時異常檢測，并分析可能發(fā)生的原因及不利后果，保障裝置安全平穩(wěn)運行。因為符號有向圖（SDG）分析方法有可以定性揭示故障傳播路徑、關(guān)聯(lián)上下游關(guān)系，揭示偏離原因、后果的優(yōu)點，非常適合在復(fù)雜工況下對不確定型異常工況的監(jiān)測，因此針對不確定型的異常工況，首先對裝置工藝風(fēng)險進行分析，找出引起關(guān)鍵參數(shù)偏離的因素，然后在此基礎(chǔ)上利用單元設(shè)備內(nèi)參數(shù)的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系建立SDG分析模型，實現(xiàn)在復(fù)雜工況下對裝置不確定型異常工況的實時異常檢測。

3.7 風(fēng)險識別

從工藝操作、關(guān)鍵設(shè)備故障、作業(yè)過程三方面對乙烯裝置的壓縮機、裂解爐、塔、反應(yīng)器等關(guān)鍵工藝設(shè)備進行風(fēng)險識別與分析評價，并結(jié)合乙烯裝置典型事故事件與安全操作規(guī)程，采用特定提取方法建立乙烯裝置風(fēng)險注冊庫。

3.8 操作報警

基于EEMUA191與ISA18.2標(biāo)準(zhǔn)，對生產(chǎn)過程中的限值、偏差、變化率、狀態(tài)報警進行報警提示；并提供高級報警（濾波、延遲、死區(qū)、多變量復(fù)合報警、動態(tài)報警）等報警監(jiān)控功能；通過報警統(tǒng)計分析，對裝置DCS系統(tǒng)進行合理化改進，降低報警數(shù)量。

4 應(yīng)用效果

4.1 乙烯裝置綜合能耗降低

系統(tǒng)集成了實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的生產(chǎn)運行參數(shù)，可以實時查看各個能源介質(zhì)的消耗量、原料的加工量、乙烯等各產(chǎn)品產(chǎn)量等能耗相關(guān)參數(shù)。實時了解到乙烯裝置的能耗狀況，查看乙烯裝置的能耗相關(guān)參數(shù)運行情況，包括對各等級蒸汽、水、電、燃料氣等各能源介質(zhì)的消耗，裂解、急冷、壓縮、分離4個單元的能耗，并且提供各能耗關(guān)鍵參數(shù)的歷史趨勢查詢。

系統(tǒng)從乙烯裝置裂解深度，蒸汽的分級利用兩個方面進行能源優(yōu)化，根據(jù)用戶輸入的實操范圍，給出乙烯裂解爐出口溫度的實操優(yōu)化值與壓縮機透平的抽汽量的優(yōu)化實操值，操作人員按照優(yōu)化實操值對乙烯裝置進行操作，降低了乙烯裝置綜合能耗。系統(tǒng)還提供了對整個優(yōu)化實操過程進行監(jiān)控的功能，可以看出能源優(yōu)化前后的對比。乙烯裝置能耗監(jiān)控主界面見圖2。

4.2 監(jiān)控設(shè)備故障

通過設(shè)備綜合狀態(tài)監(jiān)測，系統(tǒng)顯示從2015年6月13日開始GB201壓縮機的綜合指標(biāo)一直處于預(yù)警狀態(tài)，且呈下降趨勢，反映了壓縮機性能狀態(tài)逐漸惡化，原因為蒸汽出氣量FRC707、一段吸入壓力PIC201等出現(xiàn)大幅振蕩。通過根原因分析，判斷是由于調(diào)速器抽氣控制、轉(zhuǎn)速控制出現(xiàn)異常造成，通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)調(diào)速器故障，與系統(tǒng)分析相符。

4.3 報警數(shù)量減少

系統(tǒng)的報警管理模塊可以綜合評價乙烯裝置當(dāng)前DCS的報警情況，系統(tǒng)通過統(tǒng)計分析展現(xiàn)當(dāng)前DCS報警存在的問題，為用戶改進報警提供指導(dǎo)；自定義跟蹤關(guān)鍵位號的報警及變化趨勢，幫助用戶分析多個報警及事件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。2015年4—7月，在系統(tǒng)指導(dǎo)下，乙烯裝置優(yōu)化和減少報警，各崗位每周報警數(shù)據(jù)均有下降。報警減少后，老區(qū)裂解單元黑屏?xí)r間可達4 h，分離單元分離崗位黑屏可達2 h，分離單元壓縮崗位黑屏達4 h，新區(qū)單元黑屏約0.5 h。

5 結(jié)論

圖2 乙烯裝置能耗監(jiān)控主界面

節(jié)能環(huán)保與安全管控系統(tǒng)于2014年1月開始在燕山石化建設(shè)，并于2015年6月上線運行，2017年2月完成驗收。該系統(tǒng)實現(xiàn)了石油化工生產(chǎn)過程高效、節(jié)能、環(huán)保和安全的全方位閉環(huán)管控。

系統(tǒng)投用后乙烯裝置平均綜合能耗降低1.11%；裝置平均操作失誤率降低12.6%；操作平穩(wěn)率波動降低5.11%；通過能耗和操作失誤率的降低，據(jù)初步估算，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益約1 464萬元。