5G技术在炼化企业安全风险管控中的应用

孙偲桁 刘 奕

(1 中国石油天然气股份有限公司西北化工销售分公司,甘肃 兰州 730070;2 中国石油大学(华东),山东 青岛 266580)

近年来,我国炼化生产、销售企业安全生产形势总体平稳,但我们也应该清醒地认识到,相关企业在推进本质安全建设、风险管控数字化和智能化进程上与世界先进水平还有一定差距。随着我国第5代移动通信技术(5G)及工业互联网技术的迅猛发展,探索更加智能的炼化企业安全风险管控系统是一个新思路、新方案。科技成果不转化就丧失了其真正价值,依托5G技术,新型炼化企业安全风险管控系统将在事故预防、智能控制、应急管理全流程大有可为[1]。

1 综合背景

1.1 行业发展

如今“5G+工业互联网”正融入千行百业,截至2023年,我国已建成世界上体量最大、技术最先进的5G网络,工业互联网产业规模超1.2万亿元,“5G+工业互联网”已成为数字工业经济的“新名片”。得益于相关部门和中央企业的高度重视,日趋完善的5G技术已在助推中国石油等炼化企业数字化、智能化方面取得了一系列关键突破,未来5G技术助力炼化企业打造全流程智慧安全屏障的作用将更加显著。

1.2 政策支持

自2021年应急管理部印发《“工业互联网+危化安全生产”试点建设方案》以来,国务院安委办、工业和信息化部等主管部门密集出台方案指南,强调数字化升级安全生产,着力提升危险化学品生产、储运、经营各环节的本质安全能力;2022年3月,应急管理部出台《“十四五”危险化学品安全生产规划方案》,方案将“工业互联网+危化安全生产”作为提升本质安全水平的“5大工程”之一重点建设[2];2023年11月,工业和信息化部印发《“5G+工业互联网”融合应用先导区试点建设指南》,鼓励支持中央企业率先开展产线级、车间级、工厂级5G工厂建设,推进5G技术在工业企业核心环节的深层拓展。

1.3 市场现状

炼化生产、销售企业普遍面临巡检工作量大、盲区多、安全设施和监管手段不足、自动识别和处置能力不强等困境,这也是导致安全保障能力薄弱的原因之一。与此同时,日益增长的生产信息采集需求也急需大带宽、低时延、高可靠的通信技术作为支撑,而5G技术恰恰满足了这一需求。化工安全管理存在的人力成本消耗大、事故处理不及时、不充分等市场痛点都呼唤5G与化工安全管理的长效有机结合。

2 Safe-Link新型炼化企业安全风险管控系统

2.1 系统组成

依托5G技术构建的Safe-Link新型炼化企业安全风险管控系统包含以事故规避为主要目的的化工安全生产数据库、以事故预防为主要目的的装置智慧大脑系统、以应急处置为主要目的的远程灾害处置系统。

2.2 技术原理

2.2.1 应用场景

(1)增强型移动宽带(eMBB)场景。依托5G技术,末端上网峰值速率可以达到10～20 Gb/s,包括连续广域覆盖场景和热点高容量场景,符合炼化企业厂区占地面积大、装置密集、管网复杂等大带宽应用场景[3]。

(2)超可靠低时延(uRLLC)场景。主要面向时延敏感要求高、可靠性需求强的业务领域。在uRLLC场景下,自控系统联锁反应时间可降低至1 ms左右,低时延为人员瞬时介入提供了有效保障。能够满足装置运行中可燃气体浓度、反应器温度压力、关键机组振动、现场图像声音等可靠性需求强的信息采集需求。

(3)海量机器类通信(mMTC)场景。在满足小数据量、海量连接技术需求的同时,显著降低系统运行功耗,在炼化生产企业中,实现对人员、设备、工艺过程、产品储运、应急管理等方面的物联感知。

2.2.2 融合系统

利用5G融合云计算区块构建云存储、数据库功能;利用5G融合人工智能区块组成虚拟操作功能;利用5G融合传感系统构建生产数据采集功能;利用5G融合控制系统组成自动控制、监测模块。

2.3 工作流程

系统全程运行应包含以下几个流程。

2.3.1 智慧大脑系统

(1)装置自主监测控制子系统。装置自主监测控制系统依托“5G+人工智能(AI)”技术,融合自适应控制、机器学习(Machine Learning)、先进计算技术,可以做到生产数据实时监控,深度学习,自主控制装置平稳优运行,实现关键工序自动控制、监测异常自动切断,辅助技术人员在分布式控制系统(DCS)下达操作指令。

(2)设备运行管理子系统。利用5G、数字孪生和视觉识别等先进技术,建立数字厂区,技术人员借助该项系统可随时调取现场高清实景,查询异常参数的相关历史数据。通过“5G+AI”分析技术,工业机器人可定时在装置区内自动巡检,采集到的数据通过工业交换机、5G用户驻地设备(CPE)经由5G基站实时回传至控制室,实现高危系统、高精设备的实时状态检测。

(3)供应链子系统。将自动导向车(AGV)、运输机器人接入工业互联网平台,化工产品储运、销售企业可以实现无人仓库和高效物资收发,借助视频点位地理信息系统(GIS)实现装卸作业风险监控、车辆排队叫号,提高炼化销售企业储运部门安全管理水平和作业效率。

2.3.2 化工安全生产数据库

化工安全生产数据库依托边缘计算(MEC)平台部署的“5G+智能预警”系统,自动跟踪厂区内各区域压力、温度、机泵振动等运行状态,进行全天候实时计算和精准感知,一旦工艺控制指标超出目标范围,数据库将自动抓取问题数据,在eMBB场景下回传至数据库,及时收集事故信息,为装置波动处置积累经验,同时也为相关企业安全教育和事故分析提供宝贵教材。

2.3.3 远程灾害处置系统

远程灾害处置系统依托增强现实、虚拟现实技术,利用5G低时延、物联网、胜任高流量密度等关键技术,将采集到的化工事故现场数据、爆炸范围、装置状况等关键信息实时传给专家组,实时模拟事故现场,弥合事故现场与专家的距离,全力降低人员在事故现场暴露风险,让应急管理专家在千里之外就可以为事故处置提供“良方”。

3 应用前景分析

3.1 Safe-Link系统优势

(1)实时监测、快速响应。依托新系统,可以实现对化工生产过程中各种参数和安全状态的实时监测,相比传统分布式控制方案,能够更加及时地发现并降低潜在的安全风险。

(2)远程操作、以人为本。5G的低延迟特性使新系统中的远程操作成为可能,技术人员和应急管理专家可以远程监控和操控设备,从而降低了直接接触潜在危险的概率。

(3)设备联网、多体联动。新系统通过5G连接的设备能够实现更加智能化的安全监测和反馈,提高了对安全事件的感知和响应速度。

(4)数据分析。5G技术能够提供更大带宽和更快速的数据传输,新系统中的化工安全生产数据库有助于对大规模数据进行实时分析,预测和防范可能的安全风险,为兄弟企业提供生动案例。

(5)低碳环保、高效经济。新系统依托5G技术低功率大连接使用场景,每年可为炼化企业节约能耗10%～30%,实现绿色低碳可持续发展。表1对比了Safe-Link新型炼化企业安全风险管控系统与传统检测控制系统的关键技术指标[4]。

表1 Safe-Link系统与传统监测控制系统的关键技术指标对比

3.2 市场分析

2023年11月,工业和信息化部公布了《2023年5G工厂名录》,项目覆盖24个国民经济大类,建设投资总额达97.3亿元,其中石油和化工行业占35席,位居第二。当前我国工业互联网产业规模已超1.2万亿元,随着新一轮政策激励和产业升级,Safe-Link新型炼化企业安全风险管控系统拥有前所未有的市场机遇,预计到2030年,新系统将在400多家企业实现终端应用。

我国是世界上最大的炼化产品生产国和消费国,总产值位居世界第一。广阔的市场前景与蓬勃发展的5G技术正双向促进炼化企业安全风险管控向智能化方向发展。依托5G技术打造的Safe-Link新型炼化企业安全风险管控系统在实时监测、远程操作、智能控制、数据分析等方面解决了以往企业安全管理的诸多痛点和难点。伴随着中国石油、中国石化的部分下属企业在5G技术应用上取得突破性进展,中国移动、中国电信等诸多技术厂商也在积极推进5G组网、切片、MEC、智能控制、安全联锁、应急救援等一系列安全管理应用,加快形成“5G+AI”的新型化工安全融合技术解决方案。Safe-Link新型炼化企业安全风险管控系统在给智能制造增添新活力的同时,也为炼化企业的安全运行筑起了“智能防线”。

4 案例分析

4.1 中国石油兰州石化榆林化工有限公司“5G+”智慧化工园区

园区采用5G SA组网模式,同时下沉MEC,实现5G网络全覆盖。新建3个5G宏基站,采用32T 320W设备宏基站,并采用分布式无线接入网(D-RAN)方式开通。园区配置1套会话处理能力5 000电源分配单元(PDU)、忙时吞吐率为10 Gb/s的一体化用户端口功能(UPF)设备。一体化UPF通过园区传输切片分组网(SPN)对接5G核心网,同时通过边缘UPF连接应用服务器,满足了数据不出园区的要求[5]。

园区通过5G虚拟专网建设,在高清视频监控、AI应用分析及工业数据回传等领域取得了一系列技术突破,实现了设备、人员实时监控,高危、高精设备实时监测。

4.2 中国石油长庆石化公司“全球首个5G全智能炼厂”

企业在MEC平台上部署5G+动设备智能预警系统,对厂区内数百台动设备进行24 h不间断精准感知和计算,以预知性维修替代传统的定期检修模式,故障预警准确率达95%以上,装置非计划停车次数降为零。

通过5G云网基础设施建设,满足了企业在网络延时、数据安全等方面的应用需求,有效降低了设备的故障发生率和维修保养成本,保障了炼化生产的安全稳定运行。

4.3 中国石油化工股份有限公司天津分公司“5G全连接工厂”

企业依托“5G+北斗”技术,开发出5G防爆手持终端,开启了安全票证、装置巡检的“云端时代”。依托自适应技术,广泛开展“机器代人”试点,满足输油管线及厂际管廊的无人机智能巡检、智能仓储机器代人等应用场景。装置区域关键检测部位布设气体动态泄漏监测仪,通过激光射线实时监测气体浓度,数据实时通过5G组网回传给外操。

企业通过“5G全连接工厂”建设,有力构建了现场作业、人员和环境“三位一体”的闭环“智保安全”精准管控模式。

5 结语

炼化生产、销售企业安全管理及事故预防已经成为企业的重要研究方向。可以预见的是,5G技术与化工安全的结合将为企业安全管理带来革命性的变化,融合5G、工业互联网、边缘计算、人工智能等技术构建的新型安全风险管控系统,能让数据传输更高效、装置运行更智能,极大提高企业安全管理效能,减少事故发生,提升全行业的安全管理水平。

下一步,将主要围绕降成本、定法规、可普及、可持续4个方面践行“5G+化工安全”理念：进一步降低配套成本,让更多的“5G+”智慧在炼化企业安全管理中落地生花;制定石油化工5G行业应用规范、应用方案及标杆案例,促进石油化工企业在新技术驱动下开拓产业新格局;推动数智行业中小微企业健康有序发展,吸纳和带动更多科技人才参与系统创新;探索绿色环保可持续发展的新路子,全面推进和深化双重预防机制数字化建设,严格落实企业风险管控和隐患排查治理主体责任,增强危险化学品生产企业安全管理的整体水平[6]。