智能操作优化与管理系统在S Zorb装置的应用

宋曙光，刘 毅，张全新

（1.华北石化公司 仪电运行部，河北 任丘 062552；2.华北油田公司 通讯处，河北 任丘 062552）

0 引言

目前华北石化公司S Zorb装置正常生产时由DCS、LMS、SIS系统进行实时控制，出现紧急情况时实施联锁控制。但对于异常工况的提前预警以及优化操作上仍然存在以下优化提升的空间：

1）降低 S Zorb装置在脱硫过程中伴随着较大的辛烷值损失。

2）目前吸附剂循环速率、吸附剂载硫量、硫差、吸附剂活性、循环氢纯度等没有量化的在线显示参数。

3）吸附剂循环周期较长，反应器、再生器、还原器、闭锁料斗，以及多个接收器、进料罐的料位控制复杂、调节滞后时间长，导致人工操作负荷大，操作波动也较大。

4）S Zorb装置存在多种影响长周期运行、危险的异常工况，需要操作人员及时判断异常原因，采取正确的措施以尽快恢复正常操作，保证装置安全运行。

5）闭锁料斗系统中使用了包括分析仪、压力、温度、流量等20多个仪表。关键控制回路由于工艺变化或调节阀的问题等会引起控制性能下降或参数震荡等问题，造成潜在的操作安全隐患。

通过调研与研究，决定实施S Zorb装置智能化操作优化与管理系统项目，由北京赛普泰克技术有限公司承担系统研发。经过各方面努力，S Zorb装置于2017年2月9日举行开工会进行研发，2017年10月27日投用使用，2018年3月12日现场验收成功。

1 项目智能模拟系统功能设计

1.1 主要功能设计

工艺模拟方面采用动态模拟技术对工艺流程进行机理建模，DCS控制系统模拟则是在工艺模型开发平台上根据设计的控制方案使用DCS模拟控制模块直接开发控制模型并与工艺点连接，操作站也是根据DCS操作站界面开发的模拟操作站，这种模式也能很好地模拟装置的开停车及紧急工况操作动态响应，满足对操作工的培训要求及其它操作设计和优化功能要求。

工艺模型和控制模型在同一个平台软件中开发完成并安装在服务器上运行，通过工程师站软件进行模型修改和维护。DCS模拟操作站模拟真实DCS操作站界面及操作功能，写入并显示控制模型中对应的变化参数，操作对装置的动态响应。

管理站（或教员站）上安装了操作管理系统；对于学员来说，它能提供培训和考核两种模式，能够提供学员自学操作指导功能，帮助分析操作失误，并给出合理的科学评价，帮助学员总结经验和教训，提高培训效率和质量；对于教员来说，主要在于能够很方便地启动整个系统，布置培训或考试场景，同时还能对学员的培训和考核情况自动汇总分析功能，便于教员很方便地掌握所有学员平时的培训频率和深度，安排合理的培训方案。

本技术方案允许将所有软件，包括智能模型、DCS模拟操作站，FOD现场操作站以及操作管理系统，安装在同一台学员站电脑上，这样学员可以在一台计算机上，无需任何网络连接就可一键启动整个系统进行独立的操作培训和考核。

本方案中，利用华北石化现有的15个软件许可，可以同时在15台学员站电脑上同时启动15个模拟装置，满足15人同时独立培训和考核要求：既能够实现多个学员站连接同一个工艺装置模型操作，达到多人协同操作培训目的；也能够实现多人竞争性的相互完全独立的培训与考核操作；还能实现多组协同操作地竞争性培训与考核。另外，还将使用已有的工程师站许可，对模型及其它操作站软件都能进行长期的修改和维护。

1.2 仿真功能模块设计

1）DCS与LMS系统模拟

◆ iSIM软件能够提供如下实际DCS系统的控制模型算法：Emerson DeltaV

◆ LMS

iSIM软件中使用真实的DCS控制模型算法，能更好地模拟该类DCS系统控制工程，结合严格的过程工艺模型，将使整个iSIM软件能更真实地反映被模拟工艺对象的过程特性。

本次项目采用原厂家的LMS模拟软件对LMS系统的顺控、联锁、操作站等进行模拟。

2）模拟操作站

iSIM开发的智能模拟工厂是根据实际装置情况开发的，装置模型包括两部分：工艺模型和控制模型，分别对应于工艺设备现场装置和中控控制服务器中的控制组态软件模块。在该智能模拟工厂中，实际装置的现场、DCS及LMS系统对应各个模拟操作站：现场站、DCS站及其它控制模拟站，这些操作站界面也是图形化模块化组态，维护简便。

2 技术方案研究与应用

2.1 研究内容

1）开发针对华北石化SZORB装置的反应器/再生器/闭锁料斗动态模型，基于该模型建立在线的软仪表系统，为操作人员提供实时的操作指导；该模型还可以用在现有问题的分析，装置改造方案的验证，操作人员的培训，以及用于操作优化与管理系统/异常诊断系统的开发与验证。

2）基于动态模拟系统，完善并开发SZORB装置的操作规程包括：操作卡、作业卡、巡检等，并开发SZORB装置的操作规程管理系统。

3）开发基于在线模型的操作优化与管理系统，减少汽油产品质量的波动，通过优化模块降低辛烷值损失。

4）对于可能造成产品质量不合格，引起装置非计划停车的工艺/设备/仪表故障，建立原因诊断分析系统。对于关键的风险点，建立降低风险的屏障管理系统，辅助装置操作人员减少产品质量波动，及时保证相关仪表设备的正常运行，减少非计划停车。

5）控制回路优化：全面改进控制回路的设计、优化控制回路参数、提升控制回路的投用率。

6）通过本次项目的智能动态模型、操作规程管理、异常预警管理、控制回路优化以及先进控制与操作优化等系统，真正实现智能自动化装置，实施生产操作安全环境下的“黑屏”操作，提升操作效率与安全生产水平，提高经济效益。

2.2 主要研究成果及达到的技术指标

2.2.1 智能模拟系统完成情况及技术成果

智能模拟系统于2017年9月上旬在北京赛普泰克技术有限公司进行了FAT验收测试工作，2017年9月下旬在中国石油华北石化分公司培训中心进行现场验收测试。期间培训测试人员对模拟系统提出了很多修改建议，赛普泰克系统开发人员对其进行了逐一修改。目前，已经部署在SZORB装置外操室和培训中心机器，供装置操作人员使用。

图1 启动训练方案选择Fig.1 Starting training program selection

图2 消项卡消项操作Fig.2 Elimination card elimination operation

智能模拟系统模拟范围包括了实际DCS站、现场FOD站、LMS系统、SIS系统、闭锁料斗系统，另外对装置技术人员比较关注的反应系统以及再生系统的吸附剂循环量以及闭锁料斗循环等进行了详细模拟。

智能模拟系统自投用以来显著提高了操作人员对工艺系统的理解，同时对控制系统验证，装置操作卡的编写起到了指导性的作用。

2.2.2 S Zorb装置的先进操作规程管理系统完成情况及技术成果

操作规程管理系统分为在线管理系统和离线管理系统。在线管理系统已经部署在服务器上，技术人员可以通过该管理系统进行人员管理（注册，权限，所属部门，岗位）以及操作卡的操作（导入、导出，编辑，执行以及统计分析）功能。

智能模拟系统同时也使用到了操作规程管理系统的离线功能。在此离线版本中，装置技术人员也可以进行人员管理以及操作卡的导入，导出，及分析统计功能。培训人员则可以使用该管理系统进行销项操作，操作评定、分析。

图3 原料硫含量趋势对比图Fig.3 Comparison chart of sulfur content trend of raw materials

图4 产品硫含量趋势对比图Fig.4 Comparison chart of sulfur content trend of products

2.2.3 在线模型及预警系统完成情况及技术成果

在线模型及预警系统自开发完成并投用以后，在线模型一直在进行实时计算，预警系统也在正常运行。对于在线模型的计算值，引入了相应的实际值与其做对比，通过对历史数据进行分析比较，计算值还是比较接近实际值的，从而为操作员提供一定的参考价值。具体情况如图3、图4所示。

1）原料硫和产品硫分析结果

图3和图4取自2017年9月4日至2017年9月23日现场运行数据。由图3和图4对比图可以看出，模型计算值比分析仪更接近化验值，且对于AI5201出现的突增或者突降的情况，模型计算值的变化则比较平稳。

2）待生剂载和再生剂载硫分析结果

3）藏量分析结果

4）循环量和循环速率分析结果

5）循环氢分析结果

6）高效人机界面HMI

对于硫含量、吸附剂载硫量及吸附剂循环量等在线模型的计算值，设计了高效人机界面。

7）预警树状图

图5 预警树状图Fig.5 Early warning tree diagram

表1 操作负荷对比Table 1 Operating load comparison

针对S Zorb装置的关键仪表、步续及工艺变量等所设计的预警，为了更直观地查看，将其展示在AEDM的树状图中。当有预警报出时，可以查看预警详情，并通过历史数据的变化趋势，确定工艺过程是否异常，从而抑制异常工况的发生，减少事故的出现。

8）长周期运行管理

针对S Zorb装置，根据国际HMI标准ISA-101.01以及报警规范的要求，从长期需要监控的角度出发，设计了长周期运行管理的HMI。用于长期监测换热器E101和过滤器ME101的运行情况。并将闭锁料斗关键阀门、压缩机相关变量和联锁相关变量，分别汇总在一起，以便整体了解它们的运行情况。

2.2.4 优化操作与管理系统完成情况及技术成果

优化操作与管理系统自从开发完成并系统投用以后，R102料位控制器，氢油比控制器以及稳定塔控制器一直在投用并取得了很好的效果。

图6 长周期管理HMIFig.6 Long cycle management HMI

表2 关键变量标准偏差对比Table 2 Comparison of standard deviations of key variables

先进控制系统的成功投用为S Zorb装置带来了巨大的改善，显著地降低了操作工的操作负荷，减小了装置关键变量测量值的标准偏差，减小了产品硫质量指标的波动范围，降低了产品的辛烷值损失。

1）操作负荷削减情况

2）关键变量标准偏差削减情况

3）辛烷值损失对比情况

图7是自2017年6月起至2018年1月期间的辛烷值损失趋势图，红线部分代表投用了先进控制系统之后的辛烷值损失趋势图，从图中可以看出，投用了先进控制系统以后，产品汽油的辛烷值损失相比较于投用前有了明显的改善且辛烷值有了明显的继续下降的趋势，经过统计，优化操作与管理系统稳定运行以后，产品辛烷值损失均值相较于投用前降低了0.02以上。

2.2.5 回路统计监控与诊断管理完成情况及技术成果

图7 辛烷值损失趋势图Fig.7 Trend chart of octane loss

AEDM_LOOP软件能够对S Zorb装置所有PID控制回路进行实时监控并给出实时的回路评价，回路总览界面能够实时地对S Zorb装置所有PID控制回路进行监控并将S Zorb装置所有PID控制回路信息统一显示出来，同时给出当前PID控制回路的运行质量信息以便工艺员及操作工进行参考。

3 经济效益、社会效益

1）完成了项目中装置对智能系统提出的各项要求。

2）减少汽油产品质量波动20%以上，卡边操作使产品汽油的硫含量更接近指标10ppm，产品硫控制器投用前产品硫标准偏差为2.13，投用后标准偏差为1.46，产品硫波动减小幅度为31%。

3）降低辛烷值损失0.02以上。

4）基本回路投用率为100%，优化控制系统投用率95%以上。

5）减轻操作负荷，优化控制投用后，操作员操作负荷降低75.63%。

6）装置运行更加稳定，吸附剂品质良好，吸附剂耗量有所降低。

7）装置优化控制投用后，未发生过非计划停工。

4 结束语

装置操作人员经过近半年的培训、测试以及后期使用，已经熟练掌握了本系统的操作方法。智能模拟系统产生的投用效果体现在以下4个方面：

1）能够对实际DCS控制方案进行验证，对工艺优化改造提供验证基础。

2）通过智能模拟系统进行PID整定的训练，有助于实际装置操作过程中的调节控制。

3）有助于开发新的操作卡并对其可行性进行验证操作。

4）有助于提高装置操作人员应对突发事故的响应速度。