石化企業“智慧水務”建設及未來發展思考

焦云強, 李晨光, 王建平,宋昊爽,呂波

(1. 石化盈科信息技術有限責任公司,北京 100020; 2. 中國石化天津分公司,天津 300271)

石化行業水務專業在“十三五”期間,通過深入開展專業競賽,裝置安穩運行水平不斷提升,技術經濟指標不斷進步,服務保障能力不斷增強,節能環保取得顯著成效,但是在合規性、可靠性、經濟性三個方面,也存在諸多問題。為此,需要通過建設“智慧水務”實現業務升級,不斷提升水務裝置裝備水平與服務保障能力,提高水務挖潛創效的能力,緩解人工依賴度大和現場用工不足等問題。在水務生產與管理中實現運行自動化、數據信息化、決策智能化,已成為水務業務數字化轉型的發展思路和主要方向。

中國石化天津分公司作為中國石化集團公司水務信息化試點單位,與石化盈科信息技術有限責任公司合作,圍繞水務“水量、水質、指標”專業重點,進行了水務智能化應用平臺的開發,現已開發崗位運行、生產監控、水量管理、水質管理、報警預警、樣板水場、水務競賽、決策支持、移動應用等水務數字化應用,得到集團公司的高度認可,相應成果已經在中國石化各企業水務系統進行推廣;在智能化驗機器代人、污水建模優化、動態水平衡、水質預測等水務數字化轉型方面也成功進行了探索,積累了一定的實踐經驗。近年來,隨著人員退休老齡化、新增裝置等情況,造成裝置操作自動化程度低和人員相對不足矛盾日益突出,屬地化管理、專業管理分散也影響了水務裝置運行水平的進一步提升。因此,未來還需進一步對水務系統進行自動化改造,逐步實現水務現場裝置“無人值守、少人值守”,并大力推動數字化轉型與“智慧水務”建設,探索新型創新管理模式,也存在現實緊迫性和需求。

1 建設思路與實踐

“智慧水務”建設的核心是水務數字化轉型,即以提高運行操作效率和專業管理效率為目標,通過裝置自動化改造和管理信息化開發,實現“運行自動化、數據信息化、決策智能化”?，F場裝置操作“無人化、少人化”,大幅降低人員依賴;專業管理科學、高效,實現從經驗管理向專業管理提升,建設“智慧水務”。

“智慧水務”按照技術層面和業務層面進行頂層設計,總體架構為以數據感知為基礎,歸集多數據源的水務數據;結合各類業務模型,提供平臺化服務;基于平臺服務,建立面向不同業務的智慧應用模塊。整體平臺架構充分利用現有物聯網、互聯網、云計算、大數據等先進的信息技術[1-5],構建智能感知、智能仿真、智能診斷、智能預警、智能調度、智能處置和智能服務全方位的智慧水務應用平臺[6-7],實現水務系統運行過程的動態可視化監測和集中管控;開展水務系統的智慧分析應用,進行水務系統數據的深度挖掘應用,構建感知更全面、服務更主動、資源更整合、決策更科學、應對更及時的水務系統管控體系,形成水務智能化應用平臺。智慧水務應用平臺功能架構如圖1所示。

在智慧水務建設中,采用了以下的實施思路,并通過實踐進行研究驗證。

1.1 運行自動化建設

為了夯實水務數字化轉型基礎,針對原有水務裝置建設分散、自動化水平低的情況,進行了化學水、循環水整合,先后關停了烯烴、化工化學水站和聚醚循環水系統,按照“無人值守、少人值守”的方式,新建了烯烴三循和化工二循兩套循環水裝置,對水五化學水站等7個車間裝置設計了自動化改造方案,將水務部5種類型DCS操作系統整合成一種操作系統。各個區域操作系統通過光纜遷入CCR2控制室,實現控制系統和操作模式的統一,內操人數降至32人,支撐水務部職工總人數降至300人,降幅達30%;形成支撐“1+3+N”管理架構,即1個中心控制室、3個現場作業區和N個外操巡檢點,并為遠期實施“1+2+N” 專業管理架構提升打下基礎。

1.2 數據信息化建設

水務管理信息系統在前期感知層建設過程中,在綜合考慮覆蓋率與成本的基礎上,充分發揮現有成熟的通信技術的優勢,構建了異構的現場數據采集網絡,實現了水務系統生產過程數據的泛在接入[8]。

針對崗位數據,采用崗位報表電子化的方式,實現崗位電子報表的自動取數;同時面向崗位技術工人提供敏捷、友好、輕量化的數據錄入與核對功能。共開發電子報表62個,包含信息3 760項,崗位報表電子化不僅使崗位運行管理規范、標準,而且彌補了部分儀表不具備自動取數條件的不足,使水務信息化感知層面更加完整。

對于廠區內及周圍較為分散的計量/監測數據以及設備巡檢數據,采用了工業無線技術,通過構建現場工業無線局域網的方式,將較為分散的計量與監測節點的數據、設備巡檢的數據自動采集并接入企業管理網,并通過OPC推送至實時數據庫,對DCS進行了較好的補充。

對于廠區外較為偏遠區域的計量節點以及對第三方的監視數據,充分發揮4G/5G物聯網優勢,采用信息中心提供的VPDN技術,實現了偏遠地區及第三方數據的接入。

對水務系統中已有的LIMS和數采系統等多類型系統集成接入的需求,開發了多數據源接入的數據感知與集中集成接口,實現了包括實時數據庫、無線數采數據庫、巡檢數據庫、LIMS數據庫、振動監測數據庫等7大類別數據源、7 118個數據點的感知與集成接入。

經過采取多數據源集成、多路徑開發的方式,構建多源數據采集接入的異構網絡,水務生產過程數據采集覆蓋率可達到90%以上,支撐了水務系統崗位錄入、流程監控、性能分析、健康評價與預測預警等業務的進一步提升與完善,輔助支撐了水務系統的精細化管理,為水務系統數字化轉型夯實了數據基礎。

1.3 決策智能化建設

為了能夠提高決策科學性,提高管理人員的工作效率,圍繞水量管理、污水運行、循環水水質及水源優化等方面工作的決策智能化進行了開發探索,在關鍵生產環節進行大數據探索與嘗試,建立水務系統的模擬模型、診斷模型、數據穿透模型,通過數據整合、業務應用系統關聯,進行系統數據的深度挖掘應用,嘗試構建感知更全面、服務更主動、資源更整合、決策更科學、應對更及時的水務系統智能決策支持體系。

1.3.1 構建煉化企業用水節水綜合指標和工業水平衡體系

建立以“三級節水指標”為管控基準的全廠用水動態管理體系及以“單位產品用水定額/單耗”、裝置用水成本為管控基準的裝置用水動態管理體系,實現全廠水平衡與裝置用水的業務關聯;構建具有示范推廣價值的煉化企業用水節水綜合指標在線管控體系和動態跟蹤評價體系[9],基于由上向下、由外向內、流程端到端的數據穿透方法,建立水務系統穿透業務模型,實現用水異常的報警、預警及定位,實現企業動態高效的節水減排管理與全流程效果評價。

基于多信息源集成技術、數據可視化技術、動態鏈接展示技術,構建天津石化區域動態水平衡體系,建立全廠工業水整體平衡、區域平衡及裝置平衡的三級在線動態平衡模型,對全廠工業水的供用水平衡進行在線動態平衡,通過全廠供用水平衡分析、區域用水當量分析、裝置供用水分析、用水同比與環比分析等高層級應用,實現工業水利用現狀的分析應用,覆蓋天津石化59套生產裝置,7個水處理車間,6個水專業,構建了全廠完整的用水管理體系。

1.3.2 構建“一圖、一庫、一平臺”的智慧水網體系

2021年開始結合總部智能水網項目,基于GIS技術、BIM技術等專業工具[10]以及大數據、云計算、物聯網、人工智能等信息化手段,依托實體水網、空間數據、地理信息、業務流程、用水工藝,集成空間數據水網、工藝流程水網和拓撲關系水網信息,構建“一張圖”——一張全廠水網地理信息圖,“一庫”——一個水網綜合數據庫,“一平臺”——一個水網數字集成平臺,形成“一圖、一庫、一平臺”的智慧水網體系,提供基于天津石化整體的虛擬水系統,服務于整體優化和管理。數字化管理支持管理創新和運營創新,實現全廠水網的實時監測、快速傳輸、準確預報、優化決策、精準調配、高效管理。

在污水管網監測與綜合管理應用中,利用污水管線“環保一張圖”,實現污雨管的基礎數據的可視化維護管理,包括對管道分布走向、環保設施、拓撲關系、文檔資料、路由變更的日常維護管理;排放監測管理對已有的排放監測數據,根據污雨水管線分布情況,實現各項內控指標及外排指標的綜合展示、實時監控及歷史追溯;污水管線應急處置通過對突發事件快速定位、路由拓撲分析、環境敏感點污染分析,融合現場監測監控、環保應急預案、模型模擬、移動應用,實現環保應急處置各個環節的協同管理。

1.3.3 構建循環水運行質量監控新體系

基于多信息源集成技術、故障診斷技術及軟測量建模技術,采用以“壓差法”為特征的生物粘泥在線檢測思路,建立“趨勢溫度法”進行循環水系統粘附速率的在線檢測新方法;對生產裝置特定水冷器的關鍵信息進行在線感知與狀態報警,形成了以水冷器法為核心的循環水運行質量監控新方法;對循環水的水質數據進行分析建模、在線計算并預測循環水運行質量,形成了以水質法為核心的循環水運行質量監控新方法;最終構建了集成智能監測換熱器法、裝置水冷器法、循環水水質法的全新循環水質量監控體系,覆蓋該廠煉油、化工、烯烴、熱電區域。

1.3.4 工業水多水源優化與循環水全流程優化技術開發與應用

以系統用水成本最小為目標,建立多水源優化分配模型,綜合考慮企業實際約束條件,開展水務系統的多水源優化,通過調節各水源的補水比例,降低系統補水量,給出最佳的多水源優化分配方案,將基于經驗的用水分配提升到基于模型的“定量分配”,可降低水務系統的運行成本,實現水資源綜合利用的優化管理,熱電、煉油脫鹽水用水水源優化、擴大回用水用量,實現年降本增效1千萬元人民幣以上。多水源優化技術應用流程如圖2所示。

基于超結構優化建模、軟測量建模及流程模擬技術,開發循環水全流程優化技術。綜合考慮循環水系統流量平衡、熱量平衡、水冷器、循環水泵、冷卻塔風機、循環水管網、壓力、現場實際條件等多項因素,搭建循環水系統的全流程優化模型,對循環水系統進行水量、壓力及節電優化,開展循環水系統的全流程優化,獲得更加切合煉油企業實際的循環水系統整體優化方案,減少裝置的循環水用量,降低循環水系統的運行壓力,節省循環水系統的電力消耗。通過循環水系統的優化,可實現節水10%以上、節電20%以上,獲得經濟效益525萬元/年。

1.3.5 智能診斷技術開發與應用

智能診斷分析技術在水務系統中的設備診斷、系統運行診斷、不平衡量診斷分析等方面有較大的應用前景,使現場用戶能精確定位工業水系統的故障,及時把控預警點的故障征兆,提高工業水系統現場的運行管理水平。

智能診斷技術以系統當前狀況為依據,利用歷史數據及實時監測數據,從狀態特征信息的復雜性和不確定性出發,采用定性和定量特征相結合的思想,充分利用各種監測、診斷、試驗系統和運行經驗的狀態特征證據,通過全面的狀態監測、可靠性評價及預測等手段,判斷設備的狀態,識別故障的早期征兆,在出現異常數據時及時提出預警,提前對系統故障進行診斷和預防,對故障部位及其嚴重程度、故障發展趨勢作出判斷。

利用噪聲檢測儀進行滲漏識別是智能診斷技術的一項典型應用。噪聲監測儀能夠幫助供水單位快速、高效地辨別供水管道是否漏損。通過底部強磁吸附在供水管道或者金屬管件上,每日夜間對前后管道的漏水噪聲進行自動監測;通過終端反饋的監測結果,同時結合噪聲音頻文件和頻譜分析,普通的檢漏人員即可輕松地確診漏點。該項技術的應用,突破了人工檢漏的各項局限,不受環境、氣候、埋深、特殊管段的影響,不僅能夠全天候工作,而且能夠大幅縮短巡檢周期,使檢漏工作變得便捷高效,在“保安全、降漏損”方面建立高效“人機結合”模式,有效支持全廠水平衡工作。

1.4 智能化驗技術開發與應用

水質管理是水務業務的核心任務,關系到鍋爐、機泵、水冷器等用水設備的穩定運行和煉化裝置長周期可靠運行,良好的水質依靠高水平的過程管理與高質量的分析化驗數據。近年來,水質分析人員數量不足問題突出,加強水質過程管理的基礎十分薄弱,這就需要加快推進水務管理信息化進程。集團公司推薦了在線儀表、實驗室智能儀表和“工業制程”三種化驗解決方案,其中,“工業制程”是天津石化科研立項研究開發的工業過程水質分析解決方案,通過智能化的中央控制技術及多參數、多功能、一體化、信息化的系統集成技術,實現了原位分析、智能檢測,一機多項、一項多點,遠程診斷、應用服務等內容,自2020年底投用后,展現出較強的技術特點和性價比優勢。智能化驗技術應用流程如圖3所示。

圖3 智能化驗技術應用流程示意

智能化驗技術是將工業機器人、分析化驗儀器與信息管理平臺結合實現采集、化驗、數據輸出一體化的技術。傳統化驗室是大量化驗人員重復作業采集化驗數據,有檢測分析周期長、分析效率低、分析力量不足的問題?，F將工業機器人引入化驗系統替代手工操作,可大幅減少人工誤差在分析化驗中的產生,提升化驗效率與準確性。同時,信息管理平臺可實現數據分析、報告、預警等功能,為水質化驗分析開發出新的解決方案,并通過大數據、數字化驗、新型檢測方法和信息化的聯合應用,強化水質監督與預測,解決傳統分析化驗相對滯后,無法支撐高質量運行的瓶頸問題,實現“一機多樣、一機多項、無人檢測”,實現現場工藝分析化驗的自動化、智能化及批量化,滿足系統高質量運行對化驗分析的高頻次、多項目及工藝調整需要,滿足現場自動化、智能化及批量化的工藝分析化驗需求,實現現場化驗分析的“機器代人”,支持水務裝置高質量運行,現已陸續在鍋爐水、循環水、凝液、化學水及污水系統進行推廣。

2 “智慧水務”未來發展思考

未來進一步實施水務業務數字化轉型、建設智慧水務工作中,一方面應以現有的技術與智能化應用為基礎擴展推廣,另一方面還需要關注以下新技術的研究及在智慧水務建設中的應用。

2.1 數字孿生技術及其應用

“數字孿生技術”被譽為“未來制造的新的數字技術范式”“點燃第四次工業革命的顛覆性創新之火”,該技術已成為從工業到產業、從軍事到民生各個領域的智慧新代表。數字孿生技術是現有或將有的物理實體對象的數字模型,通過實測、仿真和數據分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態,通過優化和指令來調控物理實體對象的行為,通過相關數字模型間相互學習來進化自身,同時改進利益相關方在物理實體對象生命周期內的決策。

未來通過數字孿生技術的應用,實現水務系統數字化BIM交付,可助力水務系統打造設備級、單元級、系統級、全廠級數字孿生體,繪制水務系統智慧虛擬畫像,激活水務系統數據資源價值,實現水務系統可控可預測、模擬仿真廠區動態運行[11]。該技術在智慧水務建設中,還可以應用在工業水系統漫游導航、管網溯源、關鍵設備定位、應急管理以及操作培訓等多個方面,具有巨大的應用潛力。

2.2 智能優化技術及其應用

智能優化技術是融合線性優化、非線性優化、混合整數優化、流程模擬技術、進化算法、大數據、人工智能等技術為一體的優化技術[12],基于智能優化技術,可開展水務系統、系統單元(循環水系統、污水系統、化學水系統、新鮮水系統)、相關設備(水泵、風機)的離線優化和在線優化,在保證系統安全穩定運行的基礎上,輸出系統運行成本最小化下的最佳運行方案,給出系統的改造方案,有效減少系統的水耗、電耗和藥耗,降低系統的運行成本。循環水優化技術應用流程如圖4所示。

圖4 循環水優化技術應用流程示意

2.3 智能預測預警技術及其應用

智能預測預警技術通過采集水務系統的大量基礎數據,在有效監控關鍵指標的基礎上,經過數據處理,通過人工智能算法進行學習和分析,預測其未來的發展趨勢,對可能出現的異常情況進行提前預警,并采取相應措施,使系統運行保持在最佳狀態[13-14]。

基于智能預測預警技術,可建立工業水系統的預測預警中心,通過對工業水系統中的關鍵指標進行有效的監測預警,給出當前關注指標現狀和未來變化趨勢的評價和預報,并針對突發性事件,制定有效的應急處理預案,為運行管理部門的決策制定提供有效、及時和可靠的依據,使得決策部門能夠及時采取安全應急響應措施,保證現場用水安全。該技術可實現對水務系統的有效管理,使水務系統長期處于良好運行狀態,提高運行效率,降低能耗,維持水質使其保證在合理的狀態,降低全廠工藝流程的風險。

2.4 智能應急處理技術及其應用

智能應急處理技術是以預警、報警系統為指導,互聯網、移動通信、GIS與GPS技術等為支持,以實現資源快速調配完成故障搶修的智能化平臺。該技術同時與物聯網、傳感網對接,實時獲取關鍵設備的運行狀態及各種運行調度信息,結合模型計算和預測分析技術,對突發事故應急處理提供服務決策支持[15-17]。在智慧水務建設中,該技術面向企業水務系統建立模型,實現水資源聯合調度與利用、風險管理等分析,為領導科學決策提供支持。該技術對現有水務信息平臺的預警、報警信號快速響應,通過各類在線的運行數據確定緊急情況發生地點、故障程度,并針對已有資源反饋最佳的人員、設備調配方案,最終完成故障排除。相關單位可以依據該技術進行各類應急預案與重大活動保障預案的制定。

2.5 移動應用技術及其應用

工業場景的移動應用技術是基于移動通信網絡與工業信息平臺以實現集群通信、多媒體調度能力、數據無線傳輸等功能的技術[18]。

目前,復雜多樣的水系統往往貫穿整個廠區,并且上下游相互關聯牽一發而動全身,在檢修、故障排查等任務時需要多人多地同時工作。而移動應用技術在智慧水務建設中可以提供多媒體調度能力,通過集群語音、視頻監控信號傳輸實現“一人多地”“遠程指導”的工作模式,大幅提升了水務系統中的工作效率。

同樣,移動應用系統作為配套的移動端軟件服務基于現有水務信息平臺,可以方便檢修部門在手機終端上快速查詢相關水務信息[19],便于預知水務系統故障、檢查水務運行情況等。該系統還可與檢驗分析設備相關聯,同時關聯廠區的多個智能檢驗設備。關聯后通過系統可以及時查看各個設備的使用情況,接收設備發過來的水務信息,調整更改設備的設置等,明顯方便了廠區的水務管理體驗。

2.6 智能化驗分析技術及其應用

智能化驗技術是將工業機器人、分析化驗儀器與信息管理平臺結合實現采集,化驗,數據輸出一體化的技術[20-21]。傳統化驗室是大量化驗人員重復作業采集化驗數據,有著檢測分析周期長、分析效率低、分析力量不足的問題?，F將工業機器人引入化驗系統替代手工操作,可大幅減少人工誤差在分析化驗中的產生,提升化驗效率與準確性。同時信息管理平臺可實現數據分析、報告、預警等功能。

在智慧水務建設中,污水源頭管控、工藝過程調整與分析化驗相對不足的矛盾日益突出,已經成為各公司普遍存在、急需解決的突出問題。而智能化驗技術的選擇,除了能夠滿足常規性的技術指標外,還能夠在工藝的各個點位自動間斷地讀取檢驗現場實時數據,并上傳到信息平臺,從而形成具有推廣和示范價值的污水水質智能分析系統。該技術針對煉化污水開發運行穩定、可靠性高、操作簡單、運維便捷的現場無人污水水質智能檢測系統,實現“一機多樣、一機多項、無人檢測”,滿足污水處理高質量運行需要,也解決人工分析化驗的人員瓶頸問題,降低分析成本。

2.7 智能傳感器技術及應用

智能傳感器是智慧水務建設的基礎。目前,水務系統中核心化驗部位的在線檢測傳感器長期被國外壟斷,有必要開發新型在線檢測傳感器的硬件和軟件系統,實現水務系統中核心部位國產化替代,提升石化行業水質監測設備的國產化水平。

智能感知技術是智慧水務系統平臺構建的基礎技術之一?；谖锫摼W“泛在網絡”實現“泛在服務”的技術思想和應用需求,結合煉化企業水務系統的特點,可建立PLC數據、無線數據、DCS數據、化驗分析數據、崗位運行數據、巡檢數據、關系型數據的采集和傳輸接口,實現不同層面、不同業務模塊、不同數據類型的全方位數據感知,實現水質控制、生產運行和設備狀態和HSSE監控等參數的信息化和移動應用,充分體現“深入感知、廣泛互聯、高度智能”的應用特點,實現水務系統數據感知“測得準、傳得快、說得清”的總體目標。

傳統的工業水務系統自動化控制水平較低,基本上采用DCS,PLC進行局部控制,因此智慧水務建設中,亟待開發水務系統全局智能控制優化技術,實現污水系統的實時閉環優化控制。即以智能控制技術為基礎的智能系統,接收離線優化的指導或在線優化的結果,采用模式識別、專家系統、多變量模型預測控制、大數據分析等多種智能化技術,結合現場生產歷史與實時數據,融合現場感知和專家經驗,并采用基于多維度數字化模型的多對多協調控制方式代替人工,智能化調節裝置基礎控制回路的設定值或閥位值,實現精準控制和閉環優化。在智慧水務建設中應用智能控制技術,可充分發揮過程控制層面在現場基礎控制系統與上層實時優化系統中承上啟下的關鍵作用,實現水務系統在控制層面的智能化、數字化。

2.8 5G物聯網技術及其應用

在智慧水務的發展中,5G物聯網技術能帶來更優的技術解決方案以及更加豐富的應用前景[22]?；?G+物聯網的現代通信技術,智慧水務信息傳輸的通信網絡系統的建立可以形成高效、安全的信息傳輸體系,并支持云計算和大數據技術的應用,為構建一體化的智慧水務數據中心和應用支撐平臺提供保障。在智慧水務建設的背景下,水務信息的上傳下達,各類業務應用的整合,水務管理方案和決策的迅速傳達均發揮著5G技術的能力。目前正結合地下水管線泄漏在線監測技術,進行泄漏噪聲 NB-IoT技術應用研究。

3 結束語

通過水務信息化和智能化開發,可以實現水務業務的數字化轉型,建設智慧水務平臺,支撐水務業務管理方式和業務全面創新提升,對操作人員的依賴大幅降低。未來發展中要重視新技術的應用,使運行決策更加科學智能,管理手段更加高效,安全保障能力大幅提高,挖潛創效手段更加全面。