流程工业卓越智能炼化建设的研究与实践

2018-08-13吴青

无机盐工业 2018年8期

吴青

（中国海洋石油集团有限公司，北京100010）

经过几十年的持续高速发展，中国炼油加工能力已稳居世界第二，其他如产业布局、加工原油适应性以及产品质量升级、加工工艺与技术、装备与工程化等各个方面也取得了长足的进步［1］。在此期间，中国炼油行业综合实力不断增强，为国民经济和社会发展做出了重要贡献，也成为支撑世界经济发展的重要力量与组成部分。但随着经济进入新常态，中国的炼油业也面临着如何应对“资源、能源、环境与安全”的约束［2］，同时实现“资源高效化转化、过程低碳绿色化”的重大挑战。

中国炼油工业的信息化是随着工业化的进程而逐渐发展起来的。工业化主要是通过技术进步实现大规模工业化生产，从而极大地创造财富。信息化则主要通过将先进的信息技术和其他技术通过集成、融合，从而大力提升、改造传统产业，使企业达到“科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥”等目标，即“资源高效化转化、过程低碳绿色化”，最终实现跨越式发展。因此，炼油业面临的“资源、能源、环境和安全”的约束，其根本原因是信息化发展滞后、信息化与工业化融合不深造成的［2］。

当今社会正处在一个由工业社会向信息社会过渡的加速转型时期，加上互联网时代、“德国工业4.0”，特别是“中国制造2025”等国家战略的指引和推动，人类社会生产、生活方式开始大幅蜕变，传统产业正发生革命性的变化。随着工业化和信息化的深度融合、互联网的广泛使用，传统制造业+互联网+智能化不断深化融合而形成的新一代智能制造［3］即“数字化、网络化和智能化的制造”正阔步走来，流程工业炼化产业也因此而正在发生“生产模式、管控决策模式和营销模式”的变革［4］。炼化企业从数字化起步并实施智能化转型升级［2，5-6］，是提升炼化产业整体竞争力的核心技术与实现炼化产业“资源高效化转化和过程低碳绿色化”的重要抓手，也是提质增效的有效途径［7］。因此，炼化企业的智能工厂（即智能炼化）建设目前的发展方兴未艾，其将使未来的炼化企业从根本上改头换面，炼化智能化建设与智慧化发展有望重塑炼化产业的新未来。

1 智能炼化

最近几年制造业的热点和焦点是企业的数字化发展与转型升级，即智能工厂建设问题。这不仅是国家的要求，更是企业为应对外部环境、竞争压力而做出的正常应激反应。

流程工业的智能工厂建设与离散工业完全不同，为此本文采用“智能炼化”的说法。炼化企业生产过程由一系列不同的装置、单元组成，其中原料（原油、中间物料）往往受到性质、加工工艺、反应机理、市场等复杂因素的影响，生产过程中各类参数需要随时调整，但受限于复杂的因素条件难以做到实时或全面的监测与监控。其数字化、模型化以及管控与决策优化均较难，严重依赖富有经验的知识型工程师。因此，流程工业炼化产业的智能工厂（即智能炼化建设）存在一定的特殊性。

通过对炼化产业特点的深入分析，并借鉴行业的相关研究成果与经验［7-12］，笔者研究、实践后认为：智能炼化是在数字炼化基础上，以信息化为主导，将生产过程由自动化、数字化上升为知识化、最优化的过程［2，5-6］。作为工厂信息化发展的新阶段，智能炼化是在数字炼化的基础上，利用物联网技术、设备监控等技术加强信息管理和服务；清晰掌握产销流程、提高生产过程可控性、减少生产流程各装置、单元的人工干预；即时、正确采集装置数据，合理编排并在线优化生产计划与调度（进度），突出体现“高效化”。将绿色智能手段和智能系统等新技术集成，构建高效节能、绿色环保、环境舒适的人性化工厂，突出体现“低碳绿色化”。智能炼化已经具备了自主能力，可以完成采集、分析、判断和规划等工作。通过整体可视技术进行推理预测；利用仿真技术以及多媒体技术，将实境扩增展示设计与生产的过程。系统中各组成部分可以自行组成最佳系统结构，具备协调、重组、扩充的特性。系统也部分具备了自我学习、自行维护的能力。但是，本阶段生产模式转化期间所采用的信息化手段来改造或应用于生产模式时，还是更多地聚焦于分布式、网络化、虚拟化的生产框架，生产系统的自治性、协同性还有待进一步提高。

2 卓越智能炼化建设的整体思路

智能炼化建设，首先应该明确建设的总体目标，企业将运用此技术达到什么样的目的、取得怎样的效益；接着规划好顶层设计、实施的具体路线，因为智能工厂的建设涉及到诸多方面，规划好步骤有利于稳步实践；再次，需要制定好高效的建设策略，不同企业以及同一企业不同时期有不同的建设重点。最后，运用科学的实施方法论开展卓越实践，确保项目实现预定目标。

中海石油炼化有限责任公司（简称“炼化公司”）采取了信息化规划方法论和专题设计方法论相结合的方法，开展了中国海油炼化企业智能化发展与转型升级的研究与实践活动，图1为流程工业智能炼化建设的方法论示意图。

图1 流程工业智能炼化建设的方法论示意图

2.1 总体目标

总体目标可以简述为“4-3-8-7-6”，即采用成熟的数字化、网络化、智能化和集成化的“四化”技术，围绕“工程建设、生产管控、产品营销”（对应数字炼化建设中的“EMM”平台［5，13］）三大方面、“八大”核心业务（即数字化交付、无缺陷开车、生产管控、设备运行、质量控制、能源供给、安全应急、产品营销），采取工程项目信息化综合系统、关键装置优化控制、计划调度操作一体化管控［8］、能源优化减排、安全风险分级管控、生产绩效动态评估、产供销存一体化系统等七大关键措施，着力提升企业工程项目数字资产集成能力、生产管控与产供销存一体化的感知能力、预测能力、协同能力、分析优化能力及IT支撑能力等六种能力，为企业经营管理综合效益和竞争力的提升提供了坚实的保障，最终助力企业实现高效、绿色、安全、最优的管理目标。

2.2 顶层设计

顶层设计可分为3个阶段，如图1所示。

第一阶段为现状调研与需求分析阶段。通过解读炼化公司“十三五”业务战略，分析业务现状和行业发展趋势，结合行业最佳实践的研究成果，分析得到炼化公司的业务需求；通过解读炼化公司 “十三五”信息化规划，分析炼化公司的信息化现状，并结合新兴技术的研究成果和炼化公司的业务需求，得到炼化公司信息化需求。同时开发了信息化智能化水平与能力及其升级的全局性信息化评估模型。

第二阶段为蓝图设计阶段。以信息化需求分析结果为依据，制定炼化公司信息化愿景目标，包括业务架构、应用架构、数据架构、技术架构和IT管控架构的设计。

第三阶段是实施路线图规划阶段。该阶段基于信息化的愿景目标，在与先进系统进行差距分析的基础上，进行项目框架设计，进而开展项目设计，并制定实施计划。

2.3 专题设计

流程工业智能炼化建设中，需针对不同企业的现状、能力水平和发展愿景的不同开展不同的专题设计。如炼化公司的专题设计就包括了“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，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细化设计。

2.4 实施策略

对于炼化企业这样典型的流程工业，实事求是、科学的实施策略是分步实施法，即按照“数字化基础，智能化核心和智慧化目标”的要求，首先建设并夯实数字炼化，经过“智能炼化”建设，最后实现“智慧炼化”［6］，达成新一代智能制造。

3 卓越智能炼化建设

对应企业信息化三层集成模型结构中的“PCS、MES 和 ERP”3 个层面［6］，结合智能炼化的定义，也可以将智能炼化简要地理解为对应了这3个层面的智能化，即操作智能、运营智能和商业智能，这种对应关系也使炼化信息化体现了历史继承性和时代发展的创新性。这3个层面的卓越智能化实践，构成了卓越智能炼化建设的核心。

综合来说，通过智能炼化建设，面向炼化生产过程的控制系统将逐渐发展为智能、自主的控制系统，成为“QHSE监控与溯源”［6］的基础。该系统能够智能感知生产工况的变化并自适应决策控制回路的设定值，从而使得回路控制层的输出对设定值的跟踪及时、快捷，且对运营状况和控制系统的性能能够做到“可视化、远程、移动式、自动”监测与监控，确保生产加工过程的安全、可靠、优化且绿色低碳化运营，与其他的智能自主控制系统相互协同，能够实现全产业链协同优化。

而在企业的管控决策层面，也将逐步发展成为智能优化决策系统以及智能自主控制与智能优化决策一体化的先进系统，从而为资源敏捷优化和全产业链的协同优化［8］奠定坚实基础。这2个系统除了具有上述智能自主的控制系统特点以外，由于它与智能决策系统实现了一体化成为一种新的先进系统，因此可以实现新一代的智能制造即智慧炼化目标：通过实时感知市场（原油、产品、能源等）信息、生产条件与实际运行工况等全局信息，按照“资源高效转化、过程低碳绿色化”的总原则，对包括“规划目标、计划调度、生产运行、生产与控制指令”等在内的全部目标做系统优化。综合应用“人、机”决策系统协同以及“可视化、远程、移动”等手段监测、监控决策过程的动态变化，结合自学习和自动化决策，实现动态环境的精准、实时、优化的决策。

炼化公司综合了上述要求后梳理出本阶段的核心，即生产运营知识化、最优化和可追溯，具体实践包括以下几个方面。

1）智能生产管控。本建设的目标为基于生产系统优化模型，实现生产计划、调度、操作的优化控制。智能生产管控旨在解决以下业务问题：①原油优选过程中没有原油数据库支持；②缺乏生产计划执行情况数据的及时统计与分析，不能获得每天的生产完成情况；③集团和各级管理部门缺乏对生产运营指标的全面了解和动态分析，影响生产过程决策；④缺乏物料平衡、能量平衡数据的自动采集，数据准确性与完整性差距大，影响日统计。

2）智能设备运维。本建设的目标为基于设备运行性能分析，实现预防性维护，延长设备生命周期。智能设备运维旨在解决以下业务问题：①缺乏对关键设备运行性能的分析，不能及时发现设备潜在故障，实施预防性维修，减少非正常停工时间；②设备备品备件的库存不合理，部分产品备件库存量大，备品备件库存与采购急需优化，以降低成本；③生产控制中心操作人员需要对整个系统设备运行性能加以分析，该项工作得不到支持，影响生产指挥决策；④关键设备（例如大型机组）需要专家支持，但专家资源短缺。

3）智能物流。建设的目标为通过物流优化，实现油品库存优化，降低物流成本，提高物流效率。

4）智能加油站。建设目标为基于生产系统优化模型，实现生产计划、调度、操作的优化。智能加油站旨在解决以下业务问题：①由于地理与客流等原因，原油单站销售量小，需要增加客流导入措施；②与车主交互方式单调，不能有效将营销信息推送给有潜在市场价值的客户；③客户支付渠道单一（如加油卡、现金、银行卡等），缺乏互联网渠道，对年轻群体吸引力不足；④缺乏非油品销售与促销手段，非油品销售占比小，影响加油站销售收入；⑤现金管理方式落后，管理成本高。

5）智能销售。建设的目标为应用互联网销售，实现销售模式创新，改善客户体验。智能销售旨在解决以下业务问题：①互联网销售在各业务领域应用，使海油更多的B2B客户需求B2C化油品批发利润空间降低，需要直击客户，减少中间环节；②客户要求更精细的服务，包括对物流的动态监控，需要实现配送计划执行可视化。用户需求随市场变化波动大，需要实现用户需求的预测，并指导生产与销售计划；③实现客户价值管理，提供个性化服务，提升高价值客户的忠诚度。

中海石油炼化公司下属的惠州石化通过对其已有的信息系统数据进行规划、整合，消除 “信息孤岛”，在一体化数据中心的基础上建立了统一的生产全流程协同信息管控平台，信息整合、平台结构示意图分别见图2、图3。

图2 惠州石化生产全流程协同信息整合示意图

在该平台上，实现了惠州石化生产管控系统5大主题25类161个功能模块效用。例如，操作规程子模块，按照公司“六有”工作法，建立操作规程管理模块，对3 306项操作规程执行信息化管控，现场工作严格执行销项作业，通过信息系统固化销项操作理念和流程，使其高效规范运行。销项作业理念［14］是指“风险评估、有效隔离、消项作业、清场恢复”，销项作业主要包含标准作业库、作业申请、作业确认、作业销项、作业关闭等功能，其中数字化标准作业库、通过网络实时传输数据、内外协同审核确认等功能在中国处于先进水平。图4是销项作业功能业务流程图。图5是通过SAP与ERP实现集成的设备管理主题。

在具体实施、实践过程中，必须根据本阶段的实际建设目标、建设重点和应用需要，采取“管理者的决心、榜样与要求；战略规划与顶层设计；技术选择与试点示范；智能化评估模型和所需的能力；数据分析和互联方面的领先者以及稳步实施智能化转型升级”等六大方面［2］的要求，实现卓越智能炼化建设，进而实现“资源高效转化、过程低碳绿色化”，迈向智慧炼化，从而达到新一代的智能制造。