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60年代末，是我國第一個煉油化工聯(lián)合企業(yè)，經過幾代建設者的不懈努力，已發(fā)展成為具有1 000萬t/a煉油能力、80萬t/a乙烯生產能力的大型煉化一體化企業(yè)。近年來，燕山石化結合自身實際，提出了“打造數(shù)字燕山，建設智能工廠”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)的轉型。燕山石化“智能工廠”建設目前已取得階段性成果，企業(yè)信息化進入智能應用階段。較強的信息化能力和業(yè)務智能水平扎實推進了燕山石化“本質安全、環(huán)境友好、持續(xù)贏利”城市型煉化企業(yè)的工作目標。

1 節(jié)能環(huán)保與安全管控技術

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

石化生產過程是諸多工藝流程相互影響、相互制約的復雜過程；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，造成產品質量下降或生產周期延誤，嚴重的會導致事故發(fā)生甚至人員傷亡，對生產過程的安全構成極大威脅。因此，生產過程的安全管控日益被企業(yè)所關注，需要采用先進的信息技術手段構建相關信息系統(tǒng)，來實現(xiàn)對生產過程的安全管控，隨著生產過程的復雜性提高，需要采用基于數(shù)據(jù)及機理模型的方法對生產過程監(jiān)測。

2 總體技術架構

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用，在燕山石化MES物料生產管理的基礎上，增加能源管理和安全管控兩條業(yè)務主線，實現(xiàn)生產過程高效、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/耗能設備建模、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)通過對生產過程異常工況的分析與安全操作導航技術、過程風險注冊與根原因分析技術和面向工藝操作的過程安全管理評估技術，實現(xiàn)生產過程風險的動態(tài)監(jiān)測、評估和管控，提高生產裝置的安全平穩(wěn)運行水平?？傮w技術架構見圖1。

圖1 節(jié)能環(huán)保與安全管控系統(tǒng)總體架構

3 節(jié)能環(huán)保與安全管控系統(tǒng)功能

3.1 能源生產管理

從典型設備（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)變化與設備能耗需求耦合的產/耗能建模方法，構建工廠級的能耗需求模型；對多介質能源系統(tǒng)進行聯(lián)合建模；結合工藝機理分析，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消耗在線監(jiān)控，結合具體工藝流程特點選取關鍵決策變量，根據(jù)過程模型進行乙烯生產過程在線優(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，對供、產、輸、轉、耗的能源相關數(shù)據(jù)進行采集，并對日常能源產耗過程進行監(jiān)控和管理。通過管網(wǎng)平衡、指標核算、報表發(fā)布等能源統(tǒng)計業(yè)務的在線化，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)的時效性及準確性差的問題。

實現(xiàn)對能源日產耗數(shù)據(jù)、能源計量儀表情況、能源關鍵指標、主要管網(wǎng)損失情況等進行預警、展示、綜合分析，為各級能源管理用戶的事前預測、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 復合報警分析

復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)此采取相應的對策。針對復合報警異常工況，建立復合報警模型，在復雜工況下對裝置多參數(shù)報警進行關聯(lián)分析與實時異常檢測，并對異常工況進行復合報警提示。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 在線質量預測

丙烯產品中乙烯含量是乙烯裝置衡量產品質量的重要質量指標，無在線質量分析儀表，主要依賴定期質量分析，但是LIMS的檢測周期較長，因此在實際操作過程中經常會出現(xiàn)含量超標現(xiàn)象，導致丙烯產品不合格，因此為了保證丙烯產品質量，采用在線質量預測。根據(jù)乙烯裝置生產工藝，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品中乙烯含量的關鍵因素，將上述變量作為模型的輸入進行完善。

3.5 設備綜合狀態(tài)監(jiān)測

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

設備綜合狀態(tài)監(jiān)測是根據(jù)關鍵設備歷史數(shù)據(jù)，建立多維狀態(tài)空間分析模型，挖掘設備海量運行數(shù)據(jù)中各參數(shù)之間的耦合關聯(lián)以及設備在各工況下的歷史運行規(guī)律。當設備狀態(tài)偏離歷史同工況下的安全狀態(tài)時，自動觸發(fā)預警并對潛在故障進行關聯(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生的因素之間的關聯(lián)關系。如針對裂解爐進料流量波動問題可以構建故障樹分析模型，裂解爐進料波動的因素包括儀表風壓、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聯(lián)關系的優(yōu)點，因此應用該方法針對乙烯生產過程確定型的異常工況進行在線監(jiān)測預警。

裂解爐及乙烯精餾塔是乙烯裝置關鍵設備，由于其結構復雜、反應劇烈等原因其故障模式極多且非常復雜，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險分析，對裂解爐、乙烯精餾塔等關鍵設備建立參數(shù)間邏輯關聯(lián)關系模型，實現(xiàn)在復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、關聯(lián)上下游關系，揭示偏離原因、后果的優(yōu)點，非常適合在復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，首先對裝置工藝風險進行分析，找出引起關鍵參數(shù)偏離的因素，然后在此基礎上利用單元設備內參數(shù)的相互關聯(lián)關系建立SDG分析模型，實現(xiàn)在復雜工況下對裝置不確定型異常工況的實時異常檢測。

3.7 風險識別

從工藝操作、關鍵設備故障、作業(yè)過程三方面對乙烯裝置的壓縮機、裂解爐、塔、反應器等關鍵工藝設備進行風險識別與分析評價，并結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險注冊庫。

3.8 操作報警

基于EEMUA191與ISA18.2標準，對生產過程中的限值、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)中的生產運行參數(shù)，可以實時查看各個能源介質的消耗量、原料的加工量、乙烯等各產品產量等能耗相關參數(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)控設備故障

通過設備綜合狀態(tài)監(jiān)測，系統(tǒng)顯示從2015年6月13日開始GB201壓縮機的綜合指標一直處于預警狀態(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，判斷是由于調速器抽氣控制、轉速控制出現(xiàn)異常造成，通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)調速器故障，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前DCS的報警情況，系統(tǒng)通過統(tǒng)計分析展現(xiàn)當前DCS報警存在的問題，為用戶改進報警提供指導；自定義跟蹤關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聯(lián)關系。2015年4—7月，在系統(tǒng)指導下，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)裂解單元黑屏時間可達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，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，產生直接經濟效益約1 464萬元。