煉化企業生產智能化規劃與實施路徑

刁俊武，喬志強

（中海油信息科技有限公司智能制造（惠州）分公司，廣東 惠州 516086）

1 引言

自2010年以來，德國、美國等傳統經濟強國相繼出臺了以新一代信息技術為重要支撐的發展戰略。隨著云計算、大數據、物聯網、移動互聯網和人工智能等技術的發展及應用，石油化工行業也提出了“智能煉化”的概念，并與“兩化融合”“工業4.0”“智能制造”“智能工廠”等概念一脈相承。面對全球工業化智能化的大潮流，國內出臺了《中國制造2025》戰略，表明國家開始積極行動起來，把握新一輪發展機遇實現工業化的智能化轉型升級。新一代信息技術與煉油業的緊密結合已成為煉油業發展新趨勢，信息技術的使用將極大提高煉廠的安全性、生產效率和盈利能力。因此，煉化企業從自動化、數字化煉油廠轉型升級為信息化、智能化煉油廠，是煉油廠升級發展的必由之路。

（1）國外現狀

過去30年，歐美等國家在石油化工行業結合先進的工藝技術與設備技術，開發并應用了智能操作管理與優化技術，在安全生產、勞動生產率和經濟效益等方面達到了非常高的水平，特別是Exxon-mobile、Shell等國外各大石油公司對于裝置智能化的技術開發和應用極其重視，從20世紀90年代就陸續開發了各自的智能操作管理與優化技術，并推廣至全球各大煉油石化廠及油田管道等生產領域，尤其是煉化企業的多數生產裝置都采用了智能控制技術，其中美國重點裝置的智能控制技術普及率已達到90%以上。

（2）國內現狀

目前，我國煉化企業已基本實現數字化，國內的硬件設備、工藝技術等方面已經迎頭趕上國際先進水平，但由于智能化、自動化等軟領域的差距導致我們與國際一流煉化企業在勞動生產率、安全管理和經濟效益等方面存在較大的差距。國內煉化裝置的建設與生產運行管理分別由工藝包廠家、設計院和業主負責，缺少全生命周期的技術與規范。國內煉化領域的智能化程度不高，裝置基本控制回路有效投用率不高，但人工操作負荷高，導致我國煉化裝置的操作人員勞動生產率大大低于國際先進水平。

2 煉化企業生產管理面臨的挑戰

結合國內煉化企業現狀，通過自動化、數字化、系統優化、一體化、基礎支撐和人員管理六個方面，對煉化企業的信息化進行了分析，國內煉化企業信息化水平總體不均衡，呈現出兩極分化的特征。其中存在的重大技術瓶頸問題和難點問題如下。

（1）基礎服務

煉化企業自有終端網絡薄弱，束縛終端銷售新模式、新業態發展。

（2）全面感知

實時數據采集水平參差不齊，實時數據采集未形成統一標準，數據準確性較差，其采集范圍及頻率僅可滿足現有業務應用；由于各專業系統獨立建設，系統之間沒有建立有效的數據共享機制或渠道，存在數據重復錄入的情況。

（3）整體協同

現有信息系統均為各業務部門自主牽頭建設，缺少統一規劃和技術標準，通常僅對當前自身業務支持做重點考慮，系統分散，存在“信息孤島”問題，難以支撐跨專業、跨層級和跨部門的全業務協同，整體運營執行效率不高，全產業鏈業務協同能力不足。

（4）科學決策

大數據、智能技術等新技術的應用滯后，大部分局限在通過數據報表、看板提供輔助支撐數據，缺少基于海量數據的預測模型，難以有效支撐業務決策；因為缺少模型、算法與智能化系統軟件，目前大量的實際生產數據沒有被充分利用，更是很少采用數據分析、數據挖掘和大數據應用技術為經營管理和優化決策提供數據支持。

（5）主動優化

目前工藝流程和關鍵設備設施管理方面缺少基于裝置智能模型的智能控制和優化；部分設備雖然有傳感器和數據，但是沒有智能診斷與預警軟件。設備設施可靠性分析及風險評估能力較弱，無法對故障進行早期風險識別及預測性預警；各作業工序缺乏智能管控，工控設備之間大多缺乏統一的接口和規范，實現智能化應用需要二次改造。

3 煉化企業生產智能化發展規劃

為促進我國煉化企業工業化智能化轉型，實現智能生產，本文主要從裝置操作智能化、裝備管理智能化、能源控制與優化和生產協同優化四個方面提出戰略規劃，具體方法如下所述。

3.1 裝置操作智能化

（1）業務痛點

國內煉化企業裝置的硬件設備、工藝技術等方面已經迎頭趕上國際先進水平，但由于智能化、自動化等軟領域的差距導致我們與國際一流石化企業在勞動生產率、安全管理和經濟效益等方面仍存在較大的差距。目前國內煉化裝置大多在儀表、控制、數字化信息平臺、信息展示、計劃優化和調度優化等工廠管理層次的建設，對于工藝操作智能化方面還有較大的差距。

（2）規劃方案

建立裝置的高精度工藝動態模擬，包括離線的智能模擬裝置與主要工段的在線智能模型，基于機理的智能動態模型研究、分析裝置瓶頸，提出工藝優化與脫瓶頸工藝改造初步建議方案；完善裝置的智能化異常工況受控系統，包括智能異常診斷與預警技術，可實現關鍵儀表、設備和控制回路的異常診斷和管理，實時預警原因分析，并針對異常工況進行操作指導；通過裝置的智能控制與操作優化，根據裝置負荷、原料性質變化和進料波動等實現裝置自動化無人操作，達到裝置各種工況的平穩過渡及最終產品切割與能耗優化的目的。

3.2 裝備管理智能化

（1）業務痛點

石油化工企業是設備密集型企業，設備資產價值高，維護保養費用極高，尤其是大型機組設備具有價格昂貴、無備機和檢修周期長等特點，一旦發生故障導致停機檢修，將造成整個生產裝置的全面停產或大幅度減產，造成重大的經濟損失，甚至引發安全生產事故。

設備資產的可用性和可靠性可能落后于基本的性能預期；設備停機時間不能滿足客戶要求；而且可能帶來災難性的安全后果。故障和不合時宜的維護可能造成浪費、破壞且效率低下。

（2）規劃方案

完善煉化企業設備管理業務相關的智能巡檢、設備狀態監測、油液監測管理和設備設施完整性平臺等信息化建設，完善各單位管理手段；基于工業互聯網平臺，采用大數據技術、人工智能技術等，針對設備狀態監測數據以及與設備相關的工藝數據進行建模分析，形成數據趨勢預測、數據關聯性分析、故障及潛在故障的診斷分析和大數據分析等設備預測性維護應用，使裝備管理水平向更高水平的預測性維修、主動維修邁進，形成設備的全生命周期所有管理過程具有全面感知、安環受控、生產智能和全廠優化特點的智能化管理平臺。

（3）預期效益

通過對設備進行狀態和效能分析，可以建立模型，更好地了解設備運行狀態；確定設備的最佳維護策略，提高維護的可靠性，實現設備維護可持續改善性循環；實現設備運行的長周期，保障設備運行穩定性，切實解決企業痛點；提高設備安全性、穩定性，最小化設備風險；節約維修費用，減少設備及原材料庫存積壓等問題，提高企業的綜合效益；精簡管理流程；提高煉化企業的競爭力，在未來發展中處于有利位置。

3.3 能源管控與優化

（1）業務痛點

煉化企業能耗數據為對外結算、離線和非實時類的統計數據，信息存在一定的滯后性及人為因素，不利于節能工作的監管。存在采集的數據顆粒度相對較粗糙，不能實現裝置級和設備級的能耗對比分析，無法滿足企業的能源管理需求。信息化落后的生產企業大多都是通過手工填報和處理，存在人工干預的情況，無法保證數據的準確性。

隨著煉化企業智能化煉廠建設，對能源管理的精細化要求進一步提升，對能源的利用情況、異常狀況及節能方向、節能空間等及時甄別和預測，發現能耗異常問題，及時制定科學有效的節能優化措施，以持續降低企業的能源消耗。為提高蒸汽、氫氣和瓦斯系統管網的運行效率和穩定性，有必要根據生產實際及蒸汽、氫氣和瓦斯系統運行狀況，構建一套智能化能源管控與公用介質優化系統，實現煉化企業能源管理智能化、精細化。

（2）規劃方案

能源管控平臺采用成熟安全數據采集技術，包括能耗采集端設備和數據傳送加密機制。高效安全地將分散能耗數據進行采集和分析，實現對各種能源介質和重點耗能設備的監測、統計分析和綜合管理，及時了解和掌握各種能源介質的生產、使用以及各種關鍵耗能設備的運行工況。

公用介質平衡與優化系統以加強氫氣、蒸汽和瓦斯系統監控，提高公用介質的產耗平衡率以及降低系統波動，實現煉化企業干氣有效組分的最大化回收利用、氫氣資源的高效利用、蒸汽產耗裝置整體運行效率最大為目標；針對煉化企業公用介質的產耗現狀，構建以實時監控、統計分析、績效考核、管網模擬、產耗預測及調度優化為主要功能模塊的信息化系統，實現對公用介質排放、存儲、輸送和消耗等全過程的精細化管控。

（3）預期效益

使單位產量所需的原料下降，實現單位成本的下降，綜合收益的提高使企業在行業競爭中處于有利地位；使單位產量所需的燃料能耗降低，提高能源的利用率；通過核算設備實際效率和能耗，并于設計指標進行偏差分析，找到優化方向；有效降低了低壓瓦斯的異常排放，減少了放火炬造成的環境污染；提高了氫氣資源的利用效率和蒸汽鍋爐運行的總體效率，帶來了明顯的節能減排效果；降低了調度及管理人員的勞動強度及工作成本，減少調度過程對調度人員經驗的依賴。實現“十四五”規劃中對節能減排要求，對整個社會起到帶頭示范的作用；實現可持續發展，使企業能夠順應未來潮流的發展。

3.4 生產協同優化

（1）業務痛點

煉化企業生產流程相對復雜，原料與產品市場影響因素多，生產過程多原料輸入、多產品輸出，流程連接呈網狀結構，對自動化程度要求高。

傳統的計劃系統不具備生產方案的全局優化功能，也不提供自動排產，而需要調度員人工制定方案，在效率和速度方面存在巨大挑戰。

（2）規劃方案

基于ODS的智能工廠生產運營信息綜合集成應用模式，將PIMS、RSIM、Orion、MES和LIMS等接入ODS并進行輸入輸出信息的標準化交換與共享，使生產計劃、調度的需求能夠有效滿足并互相配合，實現生產計劃的優化。

（3）預期效益

將傳統的油品和石化產品生產與現代智能化、信息化和自動化技術融合集成；使這些信息集成化、模塊化和可視化；實現對企業生產、經營和裝置操作等各種活動信息的及時采集、傳輸、分析處理和綜合應用；敏捷響應生產計劃出現的變化和要求；實現煉化企業生產運營應該具備的一體化的計劃優化與操作執行體系；實施生產計劃優化與工藝操作流程業務信息的有效集成，優化生產計劃。

4 實施策略

從煉化企業戰略要求出發，采取分類施策的實施策略，通過差異化設計分階段實施，推動試點先行，重點突破，以點帶面，穩步有序推進煉化企業智能化轉型。

1）對于智能化能力薄弱的單位，在綜合考慮經濟成本效益的基礎上，有針對性地開展生產設備智能化改造、信息系統建設等，夯實基礎、補齊短板，為生產智能化建設打好基礎。

2）對于智能化能力領先的單位，重點進行智能化創新，依靠良好的數字化基礎，將新興技術與業務發展要求相結合，開展重點領域的智能化創新與應用，并通過試點項目的示范作用，實現以點帶面，全面推動煉化企業智能化轉型。

5 建設路徑

煉化企業生產智能化建設路徑分兩步走：2021—2022年首先實現智能化全面升級；2023—2025年進一步推進“智能+煉化”的模式，邁向卓越。

智能化全面升級：開展裝置操作智能化、裝備管理智能化、能源管控與優化和生產協同優化建設，全面推進智慧煉廠建設工作，實現生產智能、計劃優化和協同調度，進而推動煉化企業智能化的全面升級。

智能+煉化：全面實現裝置操作智能化、裝備管理智能化、能源管控與優化和生產協同優化等智能化項目的推廣建設，實現一體化優化、全流程全局操作優化。全面建成生產運營智能化信息系統，實現供應鏈的計劃優化、協同調度和銷售集成，進而推動煉化企業智能化的全面升級，實現“智能+煉化”升級。

6 結束語

煉化企業響應國家實施《中國制造2025》的戰略要求，綜合利用云計算、大數據、物聯網、移動互聯及新技術，做好裝置操作智能化、裝備管理智能化、能源管控與優化及生產協同優化的規劃與建設工作，推動智能化轉型，提升企業整體智能化水平，打造“智能+煉化”產業鏈，實現全面感知、優化協同、預測預警和科學決策的智能生產運營能力建設，支撐企業生產運行實現在線控制智能化、生產過程可視化、管理控制一體化和運行狀態最優化，為構建高效節能、綠色環保和環境舒適的人性化工廠打好堅實的基礎。