炼化企业生产智能化规划与实施路径

刁俊武，乔志强

（中海油信息科技有限公司智能制造（惠州）分公司，广东 惠州 516086）

1 引言

自2010年以来，德国、美国等传统经济强国相继出台了以新一代信息技术为重要支撑的发展战略。随着云计算、大数据、物联网、移动互联网和人工智能等技术的发展及应用，石油化工行业也提出了“智能炼化”的概念，并与“两化融合”“工业4.0”“智能制造”“智能工厂”等概念一脉相承。面对全球工业化智能化的大潮流，国内出台了《中国制造2025》战略，表明国家开始积极行动起来，把握新一轮发展机遇实现工业化的智能化转型升级。新一代信息技术与炼油业的紧密结合已成为炼油业发展新趋势，信息技术的使用将极大提高炼厂的安全性、生产效率和盈利能力。因此，炼化企业从自动化、数字化炼油厂转型升级为信息化、智能化炼油厂，是炼油厂升级发展的必由之路。

（1）国外现状

过去30年，欧美等国家在石油化工行业结合先进的工艺技术与设备技术，开发并应用了智能操作管理与优化技术，在安全生产、劳动生产率和经济效益等方面达到了非常高的水平，特别是Exxon-mobile、Shell等国外各大石油公司对于装置智能化的技术开发和应用极其重视，从20世纪90年代就陆续开发了各自的智能操作管理与优化技术，并推广至全球各大炼油石化厂及油田管道等生产领域，尤其是炼化企业的多数生产装置都采用了智能控制技术，其中美国重点装置的智能控制技术普及率已达到90%以上。

（2）国内现状

目前，我国炼化企业已基本实现数字化，国内的硬件设备、工艺技术等方面已经迎头赶上国际先进水平，但由于智能化、自动化等软领域的差距导致我们与国际一流炼化企业在劳动生产率、安全管理和经济效益等方面存在较大的差距。国内炼化装置的建设与生产运行管理分别由工艺包厂家、设计院和业主负责，缺少全生命周期的技术与规范。国内炼化领域的智能化程度不高，装置基本控制回路有效投用率不高，但人工操作负荷高，导致我国炼化装置的操作人员劳动生产率大大低于国际先进水平。

2 炼化企业生产管理面临的挑战

结合国内炼化企业现状，通过自动化、数字化、系统优化、一体化、基础支撑和人员管理六个方面，对炼化企业的信息化进行了分析，国内炼化企业信息化水平总体不均衡，呈现出两极分化的特征。其中存在的重大技术瓶颈问题和难点问题如下。

（1）基础服务

炼化企业自有终端网络薄弱，束缚终端销售新模式、新业态发展。

（2）全面感知

实时数据采集水平参差不齐，实时数据采集未形成统一标准，数据准确性较差，其采集范围及频率仅可满足现有业务应用；由于各专业系统独立建设，系统之间没有建立有效的数据共享机制或渠道，存在数据重复录入的情况。

（3）整体协同

现有信息系统均为各业务部门自主牵头建设，缺少统一规划和技术标准，通常仅对当前自身业务支持做重点考虑，系统分散，存在“信息孤岛”问题，难以支撑跨专业、跨层级和跨部门的全业务协同，整体运营执行效率不高，全产业链业务协同能力不足。

（4）科学决策

大数据、智能技术等新技术的应用滞后，大部分局限在通过数据报表、看板提供辅助支撑数据，缺少基于海量数据的预测模型，难以有效支撑业务决策；因为缺少模型、算法与智能化系统软件，目前大量的实际生产数据没有被充分利用，更是很少采用数据分析、数据挖掘和大数据应用技术为经营管理和优化决策提供数据支持。

（5）主动优化

目前工艺流程和关键设备设施管理方面缺少基于装置智能模型的智能控制和优化；部分设备虽然有传感器和数据，但是没有智能诊断与预警软件。设备设施可靠性分析及风险评估能力较弱，无法对故障进行早期风险识别及预测性预警；各作业工序缺乏智能管控，工控设备之间大多缺乏统一的接口和规范，实现智能化应用需要二次改造。

3 炼化企业生产智能化发展规划

为促进我国炼化企业工业化智能化转型，实现智能生产，本文主要从装置操作智能化、装备管理智能化、能源控制与优化和生产协同优化四个方面提出战略规划，具体方法如下所述。

3.1 装置操作智能化

（1）业务痛点

国内炼化企业装置的硬件设备、工艺技术等方面已经迎头赶上国际先进水平，但由于智能化、自动化等软领域的差距导致我们与国际一流石化企业在劳动生产率、安全管理和经济效益等方面仍存在较大的差距。目前国内炼化装置大多在仪表、控制、数字化信息平台、信息展示、计划优化和调度优化等工厂管理层次的建设，对于工艺操作智能化方面还有较大的差距。

（2）规划方案

建立装置的高精度工艺动态模拟，包括离线的智能模拟装置与主要工段的在线智能模型，基于机理的智能动态模型研究、分析装置瓶颈，提出工艺优化与脱瓶颈工艺改造初步建议方案；完善装置的智能化异常工况受控系统，包括智能异常诊断与预警技术，可实现关键仪表、设备和控制回路的异常诊断和管理，实时预警原因分析，并针对异常工况进行操作指导；通过装置的智能控制与操作优化，根据装置负荷、原料性质变化和进料波动等实现装置自动化无人操作，达到装置各种工况的平稳过渡及最终产品切割与能耗优化的目的。

3.2 装备管理智能化

（1）业务痛点

石油化工企业是设备密集型企业，设备资产价值高，维护保养费用极高，尤其是大型机组设备具有价格昂贵、无备机和检修周期长等特点，一旦发生故障导致停机检修，将造成整个生产装置的全面停产或大幅度减产，造成重大的经济损失，甚至引发安全生产事故。

设备资产的可用性和可靠性可能落后于基本的性能预期；设备停机时间不能满足客户要求；而且可能带来灾难性的安全后果。故障和不合时宜的维护可能造成浪费、破坏且效率低下。

（2）规划方案

完善炼化企业设备管理业务相关的智能巡检、设备状态监测、油液监测管理和设备设施完整性平台等信息化建设，完善各单位管理手段；基于工业互联网平台，采用大数据技术、人工智能技术等，针对设备状态监测数据以及与设备相关的工艺数据进行建模分析，形成数据趋势预测、数据关联性分析、故障及潜在故障的诊断分析和大数据分析等设备预测性维护应用，使装备管理水平向更高水平的预测性维修、主动维修迈进，形成设备的全生命周期所有管理过程具有全面感知、安环受控、生产智能和全厂优化特点的智能化管理平台。

（3）预期效益

通过对设备进行状态和效能分析，可以建立模型，更好地了解设备运行状态；确定设备的最佳维护策略，提高维护的可靠性，实现设备维护可持续改善性循环；实现设备运行的长周期，保障设备运行稳定性，切实解决企业痛点；提高设备安全性、稳定性，最小化设备风险；节约维修费用，减少设备及原材料库存积压等问题，提高企业的综合效益；精简管理流程；提高炼化企业的竞争力，在未来发展中处于有利位置。

3.3 能源管控与优化

（1）业务痛点

炼化企业能耗数据为对外结算、离线和非实时类的统计数据，信息存在一定的滞后性及人为因素，不利于节能工作的监管。存在采集的数据颗粒度相对较粗糙，不能实现装置级和设备级的能耗对比分析，无法满足企业的能源管理需求。信息化落后的生产企业大多都是通过手工填报和处理，存在人工干预的情况，无法保证数据的准确性。

随着炼化企业智能化炼厂建设，对能源管理的精细化要求进一步提升，对能源的利用情况、异常状况及节能方向、节能空间等及时甄别和预测，发现能耗异常问题，及时制定科学有效的节能优化措施，以持续降低企业的能源消耗。为提高蒸汽、氢气和瓦斯系统管网的运行效率和稳定性，有必要根据生产实际及蒸汽、氢气和瓦斯系统运行状况，构建一套智能化能源管控与公用介质优化系统，实现炼化企业能源管理智能化、精细化。

（2）规划方案

能源管控平台采用成熟安全数据采集技术，包括能耗采集端设备和数据传送加密机制。高效安全地将分散能耗数据进行采集和分析，实现对各种能源介质和重点耗能设备的监测、统计分析和综合管理，及时了解和掌握各种能源介质的生产、使用以及各种关键耗能设备的运行工况。

公用介质平衡与优化系统以加强氢气、蒸汽和瓦斯系统监控，提高公用介质的产耗平衡率以及降低系统波动，实现炼化企业干气有效组分的最大化回收利用、氢气资源的高效利用、蒸汽产耗装置整体运行效率最大为目标；针对炼化企业公用介质的产耗现状，构建以实时监控、统计分析、绩效考核、管网模拟、产耗预测及调度优化为主要功能模块的信息化系统，实现对公用介质排放、存储、输送和消耗等全过程的精细化管控。

（3）预期效益

使单位产量所需的原料下降，实现单位成本的下降，综合收益的提高使企业在行业竞争中处于有利地位；使单位产量所需的燃料能耗降低，提高能源的利用率；通过核算设备实际效率和能耗，并于设计指标进行偏差分析，找到优化方向；有效降低了低压瓦斯的异常排放，减少了放火炬造成的环境污染；提高了氢气资源的利用效率和蒸汽锅炉运行的总体效率，带来了明显的节能减排效果；降低了调度及管理人员的劳动强度及工作成本，减少调度过程对调度人员经验的依赖。实现“十四五”规划中对节能减排要求，对整个社会起到带头示范的作用；实现可持续发展，使企业能够顺应未来潮流的发展。

3.4 生产协同优化

（1）业务痛点

炼化企业生产流程相对复杂，原料与产品市场影响因素多，生产过程多原料输入、多产品输出，流程连接呈网状结构，对自动化程度要求高。

传统的计划系统不具备生产方案的全局优化功能，也不提供自动排产，而需要调度员人工制定方案，在效率和速度方面存在巨大挑战。

（2）规划方案

基于ODS的智能工厂生产运营信息综合集成应用模式，将PIMS、RSIM、Orion、MES和LIMS等接入ODS并进行输入输出信息的标准化交换与共享，使生产计划、调度的需求能够有效满足并互相配合，实现生产计划的优化。

（3）预期效益

将传统的油品和石化产品生产与现代智能化、信息化和自动化技术融合集成；使这些信息集成化、模块化和可视化；实现对企业生产、经营和装置操作等各种活动信息的及时采集、传输、分析处理和综合应用；敏捷响应生产计划出现的变化和要求；实现炼化企业生产运营应该具备的一体化的计划优化与操作执行体系；实施生产计划优化与工艺操作流程业务信息的有效集成，优化生产计划。

4 实施策略

从炼化企业战略要求出发，采取分类施策的实施策略，通过差异化设计分阶段实施，推动试点先行，重点突破，以点带面，稳步有序推进炼化企业智能化转型。

1）对于智能化能力薄弱的单位，在综合考虑经济成本效益的基础上，有针对性地开展生产设备智能化改造、信息系统建设等，夯实基础、补齐短板，为生产智能化建设打好基础。

2）对于智能化能力领先的单位，重点进行智能化创新，依靠良好的数字化基础，将新兴技术与业务发展要求相结合，开展重点领域的智能化创新与应用，并通过试点项目的示范作用，实现以点带面，全面推动炼化企业智能化转型。

5 建设路径

炼化企业生产智能化建设路径分两步走：2021—2022年首先实现智能化全面升级；2023—2025年进一步推进“智能+炼化”的模式，迈向卓越。

智能化全面升级：开展装置操作智能化、装备管理智能化、能源管控与优化和生产协同优化建设，全面推进智慧炼厂建设工作，实现生产智能、计划优化和协同调度，进而推动炼化企业智能化的全面升级。

智能+炼化：全面实现装置操作智能化、装备管理智能化、能源管控与优化和生产协同优化等智能化项目的推广建设，实现一体化优化、全流程全局操作优化。全面建成生产运营智能化信息系统，实现供应链的计划优化、协同调度和销售集成，进而推动炼化企业智能化的全面升级，实现“智能+炼化”升级。

6 结束语

炼化企业响应国家实施《中国制造2025》的战略要求，综合利用云计算、大数据、物联网、移动互联及新技术，做好装置操作智能化、装备管理智能化、能源管控与优化及生产协同优化的规划与建设工作，推动智能化转型，提升企业整体智能化水平，打造“智能+炼化”产业链，实现全面感知、优化协同、预测预警和科学决策的智能生产运营能力建设，支撑企业生产运行实现在线控制智能化、生产过程可视化、管理控制一体化和运行状态最优化，为构建高效节能、绿色环保和环境舒适的人性化工厂打好坚实的基础。