中国炼化企业智能化转型升级的研究与应用

吴 青

（中国海洋石油集团有限公司，北京100010）

炼化工业作为流程工业中最重要的制造业组成部分，是经济社会发展的支柱产业和实体经济的重要基石。经过几十年的发展，中国炼油能力、乙烯产能均已位居世界第二，其中炼油工业在产业布局、加工原油适应性、加工装置配置与产品结构调整、油品质量升级、清洁生产、配套的催化剂与工艺技术、装备与过程自动化水平以及产业工程化能力等方面均取得了长足进步［1］。但是，经济发展进入新常态以后，炼油业也面临着如何解决产能过剩、加快实现炼化一体化、产品结构转型升级与区域优化以及可持续发展等问题，绿色化和高效化是炼化产业发展的必然方向。

信息化及其新技术的迅猛与爆发式发展，对人类社会发展与进步的影响极其深远。在“工业4.0”、“中国制造2025”等国家战略以及“智能制造装备专项”等计划的指引、推动下，特别是互联网的广泛应用，在改变人类生活方式的同时也给传统产业带来了革命性的变化。互联网使生产制造过程中各种设备和信息日益网络化，工业化和信息化的深度融合形成了新的生产方式、产业形态、商业模式和经济增长点，传统的制造业+互联网将走向数字化、网络化和智能化的制造——新一代智能制造［2］，炼化产业因此而发生的包括生产模式、管控决策模式和营销模式在内的各种变革［3］势不可挡。无数的事实也证明，发展也会倒逼转型升级，所以集成、整合、融合以及创新总是引领时代发展，炼化企业信息化及智能化转型升级是提升炼化产业整体竞争力的核心技术与实现炼化产业高效化和绿色化的最重要抓手，是提质增效的有效途径［4］。正因为如此，炼化企业信息化及智能化转型升级目前发展得如火如荼，也使得未来的炼化企业将从根本上改头换面。

1 炼化企业信息化现状与智能化发展的原动力

1.1 信息化现状

炼化企业信息化就是全面应用信息技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术以及现代管理思想与方法、技术等，来武装、提升和改造炼化产业，并在“决策管理层、执行层和过程控制层”以及企业内部和外部，全面提升生产技术能力、经营管理能力和市场应变能力［3］。

炼化企业的信息化构架几十年来基本上一直沿用美国AMR公司提出的三层模型结构［5］，仅有少数企业将EIP（企业信息门户）单独称为一层，简称EIP层或第四层。

近年来，中国炼油工业信息化技术普及工作取得了显著成效，在提升炼厂竞争力方面起到了积极的推动作用。如：底层的过程控制层DCS（分布式控制系统）、PLC（可编程逻辑控制器）、FCS（现场总线控制系统）得到了广泛使用，且国产化DCS应用广泛、效果良好。大中型炼油企业的主要生产过程基本实现了自动控制，基础仪表配备完善，增强了生产过程操作的平稳性，提高了产品质量合格率。在某些具体应用方面，物联网在危化品物流方面的应用、基于自动控制和射频识别技术（RFID）在仓储中的应用等均取得了很好效果。

在生产执行层面，通过生产执行系统（MES）、生产优化技术、生产调度系统的建设与应用提升了管控水平及工作效率。利用企业工厂模型和信息平台，实现了总部与企业网上排产、资源分配，支撑了炼厂的生产计划优化，提高了资源利用的整体效率。通过调度优化软件，提高了生产计划作业人员对生产调度的预见性、精细化程度和工作效率，部分企业实现了计划、调度系统的集成应用。

在经营管理层面，大多数企业应用了企业资源计划系统（ERP），支撑了采购、销售、财务、资金等业务的高效运作，提高了企业经营管理效率；在决策分析层面，不同程度地运用了商业智能分析系统，实现了源系统数据的统一抽取、统一加工，通过建立部门级应用，实现财务、销售、采购等分析应用，可以满足企业生产经营信息全口径、多维度的对比分析。

1.2 信息化的智能化发展原动力

炼化产业经过几十年的发展，秉承安全、健康、环保、绿色、低碳和循环经济与可持续发展等理念，正朝着大型化、清洁化、一体化、基地化、差异化、高价值和智能化等方向发展。但也面临着如下挑战：1）因市场和原料多变，产品数量（产品结构与分布）和质量与生产成本和消耗的优化与控制；2）提高效益与生产可靠、控制平稳和安全之间的矛盾；3）因全球经济一体化导致企业的经营环境更加复杂，供应链壁垒以及各环节的复杂度日益升高；4）能源消费的增长趋缓，炼油与销售的利润空间缩小；5）绿色、低碳时代的环保和节能减排的压力等。上述挑战加快了炼化企业信息化的智能化发展及其转型升级。此外，下述因素也是催生、加快炼化企业信息化的智能化发展与转型升级的原动力。

1）炼化生产和服务模式的变化。国际石油公司都在积极向综合性能源公司转变，并拓展新能源业务、延伸石化产业链；有些企业提出了建立能源互联网、集中利用分布式能源策略，通过智能网络进行整合分配，最大限度实现能源的有效利用；有些企业提出采取扁平化的新型网络经济模式，分享节能效益新模式；互联网技术和可再生能源联合打造的能源互联网，将改变能源的生产和社会分配方式，人们能以近乎零的边际成本生产绿色能源，并通过物联网进行分享；能源互联网的发展，也已成为一种新的商业模式，并促使能源企业改变传统经营模式。另外一个方面，炼油向化工转型［6］以及石化产品技术开发向高性能、高附加值和专用化方向发展，精细化工更接近用户端，具有专用性强、技术密集、附加价值高、经济效益好的特点，成为炼化行业转型升级的方向。而云制造成为新的生产模式，炼油化工的生产模式和服务模式的变革，催生企业向智能化快速发展。

2）生产管控方面的不确定性及其管控。炼化生产过程以及炼化供应链的延伸增加了生产管控的不确定性。不确定性因素主要来自以下几个方面：供应环节的不确定性主要由原料的多样性造成；生产环节的不确定性主要由原料的变化（如重质化、劣质化）、产品（油品）质量升级的要求以及高附加值产品的多品种、小批量生产方式等造成；销售环节的不确定性来自支付方式及客户需求模式的变化。为降低上述不确定性，可以通过全局优化和知识积累来提升应变能力，降低生产不确定性，包括通过对可控点的有效观测和实时管理控制，使其能有效跟踪不确定点，保证生产平稳运行；提高设备负荷率和运行可靠性，持续降本增效等。

1.3 信息化的智能化应用

信息化的智能化应用主要包括：1）跨地域、上下游的供应链集成与优化协同，实现效益最大化。通过跨地域和上中下游业务整合，快速响应原料和市场需求的变化，确保信息实时、一致；集成生产经营及生产管理业务，业务自动化程度及工作效率显著提高。2）强化生产过程的优化及智能化，主要是通过实施装置在线优化，提高生产敏捷性。3）环保、节能和安全等综合管理方面。如：通过强化能源规范管理与优化，实现节能减排。通过能源计划和指标分解，建立贯穿各个运行点的节能调度目标并监控跟踪；针对生产加工方案的变化，实时调整能源管网产耗，保证供给，优化能源运行；通过能源评价，建立与行业先进水平的对标，分析最佳实践，指导改进。4）提升生产运营指挥的智能化水平等。如：通过对KPI（关键绩效指标）体系全局监控，提高科学决策能力。建立上下一体的仪表盘，并基于主题进行信息的统一组织和展示；实现基于角色、灵活、动态的可视化决策支持；支持移动应用，做到信息的随用随取。又如：建设企业级集成框架，支持卓越运营。如：建设基于SOA（面向服务体系架构）的开放式企业集成平台，引入工厂参考模型、行业数据标准，实现数据交互的标准化；实现从工厂实时数据到企业经营层面数据的全面整合与贯通；实现企业级应用系统的流程整合和业务协同；实现生产与经营层面各类异构系统的全面集成企业级集成框架。通过企业级集成架构的建立，可以按需展现各角色在业务活动中的信息；保证所展现的信息数出一门，并准确、可靠；灵活、可扩展的信息系统架构可快速响应和支撑企业的业务变化。另外，信息化及其新技术如“云大物移”、增强与虚拟现实（AR/VR）、人工智能（AI）等的迅猛与爆发式发展，既为炼化企业信息化的智能化发展和转型升级提供了技术可能性，无数事实也证明，它们也常常倒逼智能化的发展和转型升级［3］。

2 智能炼化建设愿景与炼化信息化的智能化评估

2.1 愿景

随着“德国工业 4.0”、“美国工业互联网”、“中国制造2025”等国家战略和专项规划的出台及其对制造业今后发展的宏观指引，在数字化、网络化、智能化为特征的新一轮科技与工业革命的推动以及中国国民经济发展由规模数量发展为主转变为质量效益为主的具体要求下，炼化行业为应对挑战、适应内外部变化因素，采用新一代的智能制造［2］或智能优化制造［7］新模式，实现炼化工业的智能化、智慧化。

工业智能化、智慧化不仅指装置、单元的优化，还包括区域优化、全厂优化以及整个产业链的优化。更重要的是，要通过智慧供应链、原料敏捷优化、先进计划以及全产业链的协同优化、设备全生命周期管理与QHSE（质量、健康、安全、环保）的监控与溯源等核心技术与系统的融合与集成，实现炼化产业的高效化、绿色化和价值链的完美提升。

2.2 评估

评估包括炼化信息化的智能化发展水平的评估模型以及经济（效益）评价两个方面。1）炼化信息化的智能化发展水平评估模型。通过炼化信息化的智能化发展水平评估模型，可以摸清企业信息化发展现状，找出进一步发展（如智能化、智慧化）还有多少差距，从而为企业信息化的智能化发展及转型升级指明方向和实施路线。根据对行业（炼化行业、信息化行业）发展趋势以及业务最佳实践的研究，开发了适合炼化产业智能化建设的信息化能力水平评估模型［5］。该模型主要通过对自动化水平、数字化水平、系统优化水平、一体化水平、基础支撑水平和人员管理水平等6类能力指标的详细评估来实现信息化的智能化能力评估，其中每一项水平（能力）中又细分了相应的能力因素，每项能力因素又分6个细分等级（0～5 级）。

2）经济评估。智能炼化建设的经济效益评估主要解决积极性和可持续推进问题。智能炼化建设涉及投资，自然需要考虑投入产出、经济效益即回报。实施智能化建设，能够提升企业效率，还可以降低能耗、物耗，实现可持续发展。对炼化各种数据、信息通过信息化及其新技术来改善资源效率，让供应链更合理、智慧化，实现资源价值最大化。智能炼化建设还能减少用人等。但是，如果完全按照某些硬指标计算经济效益的话，往往会使得不少企业在推行智能炼化建设的时候踌躇不前。故要设法走出效益 “误区”。实现信息化的智能化发展与升级，技术方面可能需要很长时间的积累，因此收回这类技术方面的投资也需要很长一段时间。在可持续发展日益受到重视、生产安全不断规范、劳动力红利逐步消失的今天，智能炼化建设所实现的节能减排、人机交互、远程控制等紧跟当前形势所带来的显著社会效益也是效益的一种。因此，炼化企业在用一些容易定量的指标评估智能炼化建设效益的同时，还可考虑一些辅助性评估指标，如减少人工作业、提升员工士气（工作不再无聊，而是更加有趣、附加值更高）和加大员工忠诚度等定性指标。由于企业所处环境和建设内容等的不同，应采用或开发适合各自的智能炼化建设经济评估模型，相应的评价方法也不同。

3 炼化企业智能化建设及其转型升级

得益于信息技术的高速发展与应用的不断深化，信息化及其新技术已经从生产制造领域的辅助工具逐步上升为支撑力量，并在某些方面渐渐起到引领作用。互联网的广泛应用，改变了人类的生活方式，也给传统产业带来了革命性的变化。炼化企业深化“两化融合”与“互联网+”应用，通过开展“原油资源敏捷优化与先进计划系统、生产与销售全产业链协同优化以及设备全生命周期管理与QHSE的可视化监控与溯源”为主要核心技术与内容的信息化实践，支持企业进一步提升生产能力、管控能力、经营能力和决策能力，并在高效化与绿色化以及安全受控、集成应用等方面取得明显的实际效果，使企业的生产组织、运行方式、管理效率再上一个新台阶，少数企业正从数字化经智能化快速迈向智慧化。

智能化建设可以分为数字炼化、智能炼化和智慧炼化3个阶段，其中数字化是基础，智能化是核心，而智慧化是目标［5］。中国绝大多数的炼化企业正处于数字化建设［8］阶段，只有少数或极少数企业正在进行智能化建设与部分智慧化项目建设的尝试和示范中。推行智能炼化建设，必须注意夯实数字化基础。对于炼化企业的数字化建设即数字炼化建设，可以从夯实数字炼化的实施战略与顶层设计、管理层决心与实施层技术能力、建立试点树立榜样等角度进行。

炼化企业信息化的智能化转型升级是必然，可从以下两个方面来论述。

1）从智能制造角度看。目前，智能制造很热门，一方面各企业均对用数字化、网络化、智能化技术来提升和改造企业有巨大需求，据此降低人工成本等各种费用和消耗，也希望通过数字化、网络化、智能化技术来形成新的生产模式、生产手段（工具），以提高产品质量、目标产品数量（效益）和竞争力。另外一个方面，新一轮的产业革命，特别是新一代信息技术的爆发式发展与制造业的不断深化融合、交互促进，使得数字化、网络化、智能化制造的发展变得势不可挡，世界各国竞相出台相应的国家发展战略与计划，智能制造成了各国竞争的焦点。

智能制造是制造技术与数字技术、AI以及其他信息化新技术高度融合的产物。它面向产品全生命周期（包括设计、制造、服务全过程），具有信息感知、优化控制与决策和深度学习等功能，其目的是为了交货期短、优质、低成本和绿色并服务用户［2］。智能制造的主要特征在于信息感知、优化决策、优化控制和深度学习功能。人工智能及其深度学习是实现真正的智能制造的关键。

西方发达国家经历了机械化、自动化和数字化的工业化发展历程，目前正向智能化方向发展。2012年提出的“智能制造装备专项”，开启了中国发展智能制造的新征程。得益于近几年互联网技术在中国的快速发展与不断深化应用和普及，中国的智能制造实际上已经进入了数字化+互联网的新时期［9］。

2017年7月8日国务院正式发布的《新一代人工智能发展规划》为进一步发展智能制造指明了方向和途径。新一代人工智能的重大突破及其在智能制造领域应用的不断拓展与深化，智能制造的水平将越来越高，数字化与互联网融合后的进一步发展与升级，就会由数字化制造，经数字化网络化制造，到数字化网络化智能化制造，即新一代智能制造阶段［2］。

所以，如果从智能制造角度看数字化、信息化的发展与升级，那么数字化是基础，数字化网络化是过程，之后加上人工智能这个要素，就可以实现或达到新一代智能制造，这是真正意义上的智能制造［9］。也就是说，发展智能制造、实现信息化升级是一个分步完成的过程。

2）从数字炼化经智能炼化到智慧炼化。炼化工业受地缘政治、资源、全球气候变化、新能源和新技术等的影响，正面临前述挑战。而“两化融合”等正在改变石化产品市场格局和用户消费行为，改变了炼化的“生产、销售和管理决策”等业务模式，推动着炼化企业的数字化转型［3］。

从数字炼化经智能炼化迈向智慧炼化，就是应用包括物联网、大数据、人工智能等新技术，实现横向上从原油生产、运输、仓储到炼化生产、油品仓储、物流、销售的整个供应链的协同优化，使生产和供应及时响应市场变化，实现智慧供应链；纵向上基于石油分子工程与管理技术，实现炼厂的计划优化、调度优化、全局在线优化，最终实现资源的敏捷优化、全产业链的协同优化和QHSE的溯源与监控。而基于一体化的工程-生产-销售平台（EMM 平台）［8］、实现了设备全生命周期管理体系的设备预防性维修维护等服务项目，与上述项目、系统的融合实现了炼化企业的高效化、绿色化与价值链的提升。

智能炼化建设目标是为了实现智慧炼化［5］。为实现智慧炼化目标，在具体实施步骤上可分3个阶段进行：首先，数字炼化是基础。建设、完善、夯实数字炼化建设。人、设备、操作运营数字化以及流程自动化和管理信息化是数字炼化的核心应用。通过数字炼化建设，将实现工厂运营可视化，提高生产与销售系统管理效率。其次，智能炼化是核心。正如智能制造的发展一样，数字炼化转型升级到第二阶段即智能炼化建设阶段。生产运营知识化和最优化是本阶段的主要应用。智能炼化强调企业模型体系建设，包括生产系统计划优化与调度优化模型、生产操作优化模型、设备预测性分析模型、仓储物流优化模型、客户聚类分析模型等。石油分子工程与管理、工业与销售大数据分析等是企业模型建立的新技术，也是目前炼化企业应用重点。基于优化模型，智能炼化将实现生产计划、调度、操作的优化控制，实现设备全生命周期管理和可预测性维护，优化全厂用能系统，实现销售与物流一体化优化，建立智能加油站。最后，智慧炼化是目标。炼化企业最终要实现全价值的优化，因此需要建立智慧供应链。通过智慧供应链实现从市场销售到原油采购整个产业链各个环节的可视、协同和优化，实现价值链最大化。对于炼厂生产和产品销售，应从各环节成本优化出发，实现炼厂和销售各环节成本优化，包括生产可变成本管理与价值最大化、库存优化与销售价值最大化。因此，智能炼化建设是分步实现的，即从数字炼化经过智能炼化再到智慧炼化的过程。

4 智能炼化建设的实施与展望

为控制风险、确保项目成功，具体开展智能炼化建设时应做好战略规划，并落实好相应的保障措施。其中智能炼化建设的战略规划编制方法可以参考中海石油炼化有限责任公司（中海炼化）采用的方法，即分成信息化规划方法论（顶层设计）和专题设计方法论两方面，见图1。

图1 智能炼化建设战略规划方法论（示意图）

智能炼化建设的顶层设计可分为现状调研与需求分析阶段、蓝图设计阶段和实施路线图规划阶段。以中海炼化为例，在顶层设计基础上，针对智慧炼化、产供销存一体化平台、数字化销售、信息安全等4个专题，分别从功能架构、技术架构、解决方案、系统实施及系统收益等方面进行细化设计。

实施智能炼化建设及其转型升级，夯实了数字化基础，集成、融合了包括工程、原油采购与运输、炼化生产、仓储物流、销售等多方面在内的各种信息与相关技术，形成满足智慧炼化建设的核心技术构架体系，实现炼化企业“建设、供应、加工、储运、营销以及管理、控制”综合一体化的智慧决策与集成优化，使得包括信息资源在内的资源价值和资产价值最大化，达到石油炼制生产与管控决策的低碳、绿色和高效化，并提升综合管理水平，以信息化的智能化提升炼化企业的综合竞争能力。

HG/T 5215—2017《工业硫酸铜》

5H2O）/%w（As）/%w（Pb）/%w（Fe）/%w（氯化物，以Cl计）/%w（水不溶物）/%pH（50 g/L溶液）指标 优等品 ≥98.0 ≤0.001 ≤0.001 ≤0.002 ≤0.01 ≤0.02 3.5～4.5一等品 ≥97.0 ≤0.002 ≤0.003 ≤0.005 ≤0.03 ≤0.05试验方法项目 w（CuSO4·氧化还原滴定法氢化物原子荧光光谱法（仲裁法）；砷斑法原子吸收分光光度法（仲裁法）；电感耦合等离子体发射光谱法原子吸收分光光度法（仲裁法）；电感耦合等离子体发射光谱法电位滴定法（仲裁法）；比浊法重量法 仪器法

（中海油天津化工研究设计院有限公司 王莹，王玉超，李光明）