石化企业“智慧水务”建设及未来发展思考

焦云强, 李晨光, 王建平,宋昊爽,吕波

(1. 石化盈科信息技术有限责任公司,北京 100020; 2. 中国石化天津分公司,天津 300271)

石化行业水务专业在“十三五”期间,通过深入开展专业竞赛,装置安稳运行水平不断提升,技术经济指标不断进步,服务保障能力不断增强,节能环保取得显著成效,但是在合规性、可靠性、经济性三个方面,也存在诸多问题。为此,需要通过建设“智慧水务”实现业务升级,不断提升水务装置装备水平与服务保障能力,提高水务挖潜创效的能力,缓解人工依赖度大和现场用工不足等问题。在水务生产与管理中实现运行自动化、数据信息化、决策智能化,已成为水务业务数字化转型的发展思路和主要方向。

中国石化天津分公司作为中国石化集团公司水务信息化试点单位,与石化盈科信息技术有限责任公司合作,围绕水务“水量、水质、指标”专业重点,进行了水务智能化应用平台的开发,现已开发岗位运行、生产监控、水量管理、水质管理、报警预警、样板水场、水务竞赛、决策支持、移动应用等水务数字化应用,得到集团公司的高度认可,相应成果已经在中国石化各企业水务系统进行推广;在智能化验机器代人、污水建模优化、动态水平衡、水质预测等水务数字化转型方面也成功进行了探索,积累了一定的实践经验。近年来,随着人员退休老龄化、新增装置等情况,造成装置操作自动化程度低和人员相对不足矛盾日益突出,属地化管理、专业管理分散也影响了水务装置运行水平的进一步提升。因此,未来还需进一步对水务系统进行自动化改造,逐步实现水务现场装置“无人值守、少人值守”,并大力推动数字化转型与“智慧水务”建设,探索新型创新管理模式,也存在现实紧迫性和需求。

1 建设思路与实践

“智慧水务”建设的核心是水务数字化转型,即以提高运行操作效率和专业管理效率为目标,通过装置自动化改造和管理信息化开发,实现“运行自动化、数据信息化、决策智能化”。现场装置操作“无人化、少人化”,大幅降低人员依赖;专业管理科学、高效,实现从经验管理向专业管理提升,建设“智慧水务”。

“智慧水务”按照技术层面和业务层面进行顶层设计,总体架构为以数据感知为基础,归集多数据源的水务数据;结合各类业务模型,提供平台化服务;基于平台服务,建立面向不同业务的智慧应用模块。整体平台架构充分利用现有物联网、互联网、云计算、大数据等先进的信息技术[1-5],构建智能感知、智能仿真、智能诊断、智能预警、智能调度、智能处置和智能服务全方位的智慧水务应用平台[6-7],实现水务系统运行过程的动态可视化监测和集中管控;开展水务系统的智慧分析应用,进行水务系统数据的深度挖掘应用,构建感知更全面、服务更主动、资源更整合、决策更科学、应对更及时的水务系统管控体系,形成水务智能化应用平台。智慧水务应用平台功能架构如图1所示。

在智慧水务建设中,采用了以下的实施思路,并通过实践进行研究验证。

1.1 运行自动化建设

为了夯实水务数字化转型基础,针对原有水务装置建设分散、自动化水平低的情况,进行了化学水、循环水整合,先后关停了烯烃、化工化学水站和聚醚循环水系统,按照“无人值守、少人值守”的方式,新建了烯烃三循和化工二循两套循环水装置,对水五化学水站等7个车间装置设计了自动化改造方案,将水务部5种类型DCS操作系统整合成一种操作系统。各个区域操作系统通过光缆迁入CCR2控制室,实现控制系统和操作模式的统一,内操人数降至32人,支撑水务部职工总人数降至300人,降幅达30%;形成支撑“1+3+N”管理架构,即1个中心控制室、3个现场作业区和N个外操巡检点,并为远期实施“1+2+N” 专业管理架构提升打下基础。

1.2 数据信息化建设

水务管理信息系统在前期感知层建设过程中,在综合考虑覆盖率与成本的基础上,充分发挥现有成熟的通信技术的优势,构建了异构的现场数据采集网络,实现了水务系统生产过程数据的泛在接入[8]。

针对岗位数据,采用岗位报表电子化的方式,实现岗位电子报表的自动取数;同时面向岗位技术工人提供敏捷、友好、轻量化的数据录入与核对功能。共开发电子报表62个,包含信息3 760项,岗位报表电子化不仅使岗位运行管理规范、标准,而且弥补了部分仪表不具备自动取数条件的不足,使水务信息化感知层面更加完整。

对于厂区内及周围较为分散的计量/监测数据以及设备巡检数据,采用了工业无线技术,通过构建现场工业无线局域网的方式,将较为分散的计量与监测节点的数据、设备巡检的数据自动采集并接入企业管理网,并通过OPC推送至实时数据库,对DCS进行了较好的补充。

对于厂区外较为偏远区域的计量节点以及对第三方的监视数据,充分发挥4G/5G物联网优势,采用信息中心提供的VPDN技术,实现了偏远地区及第三方数据的接入。

对水务系统中已有的LIMS和数采系统等多类型系统集成接入的需求,开发了多数据源接入的数据感知与集中集成接口,实现了包括实时数据库、无线数采数据库、巡检数据库、LIMS数据库、振动监测数据库等7大类别数据源、7 118个数据点的感知与集成接入。

经过采取多数据源集成、多路径开发的方式,构建多源数据采集接入的异构网络,水务生产过程数据采集覆盖率可达到90%以上,支撑了水务系统岗位录入、流程监控、性能分析、健康评价与预测预警等业务的进一步提升与完善,辅助支撑了水务系统的精细化管理,为水务系统数字化转型夯实了数据基础。

1.3 决策智能化建设

为了能够提高决策科学性,提高管理人员的工作效率,围绕水量管理、污水运行、循环水水质及水源优化等方面工作的决策智能化进行了开发探索,在关键生产环节进行大数据探索与尝试,建立水务系统的模拟模型、诊断模型、数据穿透模型,通过数据整合、业务应用系统关联,进行系统数据的深度挖掘应用,尝试构建感知更全面、服务更主动、资源更整合、决策更科学、应对更及时的水务系统智能决策支持体系。

1.3.1 构建炼化企业用水节水综合指标和工业水平衡体系

建立以“三级节水指标”为管控基准的全厂用水动态管理体系及以“单位产品用水定额/单耗”、装置用水成本为管控基准的装置用水动态管理体系,实现全厂水平衡与装置用水的业务关联;构建具有示范推广价值的炼化企业用水节水综合指标在线管控体系和动态跟踪评价体系[9],基于由上向下、由外向内、流程端到端的数据穿透方法,建立水务系统穿透业务模型,实现用水异常的报警、预警及定位,实现企业动态高效的节水减排管理与全流程效果评价。

基于多信息源集成技术、数据可视化技术、动态链接展示技术,构建天津石化区域动态水平衡体系,建立全厂工业水整体平衡、区域平衡及装置平衡的三级在线动态平衡模型,对全厂工业水的供用水平衡进行在线动态平衡,通过全厂供用水平衡分析、区域用水当量分析、装置供用水分析、用水同比与环比分析等高层级应用,实现工业水利用现状的分析应用,覆盖天津石化59套生产装置,7个水处理车间,6个水专业,构建了全厂完整的用水管理体系。

1.3.2 构建“一图、一库、一平台”的智慧水网体系

2021年开始结合总部智能水网项目,基于GIS技术、BIM技术等专业工具[10]以及大数据、云计算、物联网、人工智能等信息化手段,依托实体水网、空间数据、地理信息、业务流程、用水工艺,集成空间数据水网、工艺流程水网和拓扑关系水网信息,构建“一张图”——一张全厂水网地理信息图,“一库”——一个水网综合数据库,“一平台”——一个水网数字集成平台,形成“一图、一库、一平台”的智慧水网体系,提供基于天津石化整体的虚拟水系统,服务于整体优化和管理。数字化管理支持管理创新和运营创新,实现全厂水网的实时监测、快速传输、准确预报、优化决策、精准调配、高效管理。

在污水管网监测与综合管理应用中,利用污水管线“环保一张图”,实现污雨管的基础数据的可视化维护管理,包括对管道分布走向、环保设施、拓扑关系、文档资料、路由变更的日常维护管理;排放监测管理对已有的排放监测数据,根据污雨水管线分布情况,实现各项内控指标及外排指标的综合展示、实时监控及历史追溯;污水管线应急处置通过对突发事件快速定位、路由拓扑分析、环境敏感点污染分析,融合现场监测监控、环保应急预案、模型模拟、移动应用,实现环保应急处置各个环节的协同管理。

1.3.3 构建循环水运行质量监控新体系

基于多信息源集成技术、故障诊断技术及软测量建模技术,采用以“压差法”为特征的生物粘泥在线检测思路,建立“趋势温度法”进行循环水系统粘附速率的在线检测新方法;对生产装置特定水冷器的关键信息进行在线感知与状态报警,形成了以水冷器法为核心的循环水运行质量监控新方法;对循环水的水质数据进行分析建模、在线计算并预测循环水运行质量,形成了以水质法为核心的循环水运行质量监控新方法;最终构建了集成智能监测换热器法、装置水冷器法、循环水水质法的全新循环水质量监控体系,覆盖该厂炼油、化工、烯烃、热电区域。

1.3.4 工业水多水源优化与循环水全流程优化技术开发与应用

以系统用水成本最小为目标,建立多水源优化分配模型,综合考虑企业实际约束条件,开展水务系统的多水源优化,通过调节各水源的补水比例,降低系统补水量,给出最佳的多水源优化分配方案,将基于经验的用水分配提升到基于模型的“定量分配”,可降低水务系统的运行成本,实现水资源综合利用的优化管理,热电、炼油脱盐水用水水源优化、扩大回用水用量,实现年降本增效1千万元人民币以上。多水源优化技术应用流程如图2所示。

基于超结构优化建模、软测量建模及流程模拟技术,开发循环水全流程优化技术。综合考虑循环水系统流量平衡、热量平衡、水冷器、循环水泵、冷却塔风机、循环水管网、压力、现场实际条件等多项因素,搭建循环水系统的全流程优化模型,对循环水系统进行水量、压力及节电优化,开展循环水系统的全流程优化,获得更加切合炼油企业实际的循环水系统整体优化方案,减少装置的循环水用量,降低循环水系统的运行压力,节省循环水系统的电力消耗。通过循环水系统的优化,可实现节水10%以上、节电20%以上,获得经济效益525万元/年。

1.3.5 智能诊断技术开发与应用

智能诊断分析技术在水务系统中的设备诊断、系统运行诊断、不平衡量诊断分析等方面有较大的应用前景,使现场用户能精确定位工业水系统的故障,及时把控预警点的故障征兆,提高工业水系统现场的运行管理水平。

智能诊断技术以系统当前状况为依据,利用历史数据及实时监测数据,从状态特征信息的复杂性和不确定性出发,采用定性和定量特征相结合的思想,充分利用各种监测、诊断、试验系统和运行经验的状态特征证据,通过全面的状态监测、可靠性评价及预测等手段,判断设备的状态,识别故障的早期征兆,在出现异常数据时及时提出预警,提前对系统故障进行诊断和预防,对故障部位及其严重程度、故障发展趋势作出判断。

利用噪声检测仪进行渗漏识别是智能诊断技术的一项典型应用。噪声监测仪能够帮助供水单位快速、高效地辨别供水管道是否漏损。通过底部强磁吸附在供水管道或者金属管件上,每日夜间对前后管道的漏水噪声进行自动监测;通过终端反馈的监测结果,同时结合噪声音频文件和频谱分析,普通的检漏人员即可轻松地确诊漏点。该项技术的应用,突破了人工检漏的各项局限,不受环境、气候、埋深、特殊管段的影响,不仅能够全天候工作,而且能够大幅缩短巡检周期,使检漏工作变得便捷高效,在“保安全、降漏损”方面建立高效“人机结合”模式,有效支持全厂水平衡工作。

1.4 智能化验技术开发与应用

水质管理是水务业务的核心任务,关系到锅炉、机泵、水冷器等用水设备的稳定运行和炼化装置长周期可靠运行,良好的水质依靠高水平的过程管理与高质量的分析化验数据。近年来,水质分析人员数量不足问题突出,加强水质过程管理的基础十分薄弱,这就需要加快推进水务管理信息化进程。集团公司推荐了在线仪表、实验室智能仪表和“工业制程”三种化验解决方案,其中,“工业制程”是天津石化科研立项研究开发的工业过程水质分析解决方案,通过智能化的中央控制技术及多参数、多功能、一体化、信息化的系统集成技术,实现了原位分析、智能检测,一机多项、一项多点,远程诊断、应用服务等内容,自2020年底投用后,展现出较强的技术特点和性价比优势。智能化验技术应用流程如图3所示。

图3 智能化验技术应用流程示意

智能化验技术是将工业机器人、分析化验仪器与信息管理平台结合实现采集、化验、数据输出一体化的技术。传统化验室是大量化验人员重复作业采集化验数据,有检测分析周期长、分析效率低、分析力量不足的问题。现将工业机器人引入化验系统替代手工操作,可大幅减少人工误差在分析化验中的产生,提升化验效率与准确性。同时,信息管理平台可实现数据分析、报告、预警等功能,为水质化验分析开发出新的解决方案,并通过大数据、数字化验、新型检测方法和信息化的联合应用,强化水质监督与预测,解决传统分析化验相对滞后,无法支撑高质量运行的瓶颈问题,实现“一机多样、一机多项、无人检测”,实现现场工艺分析化验的自动化、智能化及批量化,满足系统高质量运行对化验分析的高频次、多项目及工艺调整需要,满足现场自动化、智能化及批量化的工艺分析化验需求,实现现场化验分析的“机器代人”,支持水务装置高质量运行,现已陆续在锅炉水、循环水、凝液、化学水及污水系统进行推广。

2 “智慧水务”未来发展思考

未来进一步实施水务业务数字化转型、建设智慧水务工作中,一方面应以现有的技术与智能化应用为基础扩展推广,另一方面还需要关注以下新技术的研究及在智慧水务建设中的应用。

2.1 数字孪生技术及其应用

“数字孪生技术”被誉为“未来制造的新的数字技术范式”“点燃第四次工业革命的颠覆性创新之火”,该技术已成为从工业到产业、从军事到民生各个领域的智慧新代表。数字孪生技术是现有或将有的物理实体对象的数字模型,通过实测、仿真和数据分析来实时感知、诊断、预测物理实体对象的状态,通过优化和指令来调控物理实体对象的行为,通过相关数字模型间相互学习来进化自身,同时改进利益相关方在物理实体对象生命周期内的决策。

未来通过数字孪生技术的应用,实现水务系统数字化BIM交付,可助力水务系统打造设备级、单元级、系统级、全厂级数字孪生体,绘制水务系统智慧虚拟画像,激活水务系统数据资源价值,实现水务系统可控可预测、模拟仿真厂区动态运行[11]。该技术在智慧水务建设中,还可以应用在工业水系统漫游导航、管网溯源、关键设备定位、应急管理以及操作培训等多个方面,具有巨大的应用潜力。

2.2 智能优化技术及其应用

智能优化技术是融合线性优化、非线性优化、混合整数优化、流程模拟技术、进化算法、大数据、人工智能等技术为一体的优化技术[12],基于智能优化技术,可开展水务系统、系统单元(循环水系统、污水系统、化学水系统、新鲜水系统)、相关设备(水泵、风机)的离线优化和在线优化,在保证系统安全稳定运行的基础上,输出系统运行成本最小化下的最佳运行方案,给出系统的改造方案,有效减少系统的水耗、电耗和药耗,降低系统的运行成本。循环水优化技术应用流程如图4所示。

图4 循环水优化技术应用流程示意

2.3 智能预测预警技术及其应用

智能预测预警技术通过采集水务系统的大量基础数据,在有效监控关键指标的基础上,经过数据处理,通过人工智能算法进行学习和分析,预测其未来的发展趋势,对可能出现的异常情况进行提前预警,并采取相应措施,使系统运行保持在最佳状态[13-14]。

基于智能预测预警技术,可建立工业水系统的预测预警中心,通过对工业水系统中的关键指标进行有效的监测预警,给出当前关注指标现状和未来变化趋势的评价和预报,并针对突发性事件,制定有效的应急处理预案,为运行管理部门的决策制定提供有效、及时和可靠的依据,使得决策部门能够及时采取安全应急响应措施,保证现场用水安全。该技术可实现对水务系统的有效管理,使水务系统长期处于良好运行状态,提高运行效率,降低能耗,维持水质使其保证在合理的状态,降低全厂工艺流程的风险。

2.4 智能应急处理技术及其应用

智能应急处理技术是以预警、报警系统为指导,互联网、移动通信、GIS与GPS技术等为支持,以实现资源快速调配完成故障抢修的智能化平台。该技术同时与物联网、传感网对接,实时获取关键设备的运行状态及各种运行调度信息,结合模型计算和预测分析技术,对突发事故应急处理提供服务决策支持[15-17]。在智慧水务建设中,该技术面向企业水务系统建立模型,实现水资源联合调度与利用、风险管理等分析,为领导科学决策提供支持。该技术对现有水务信息平台的预警、报警信号快速响应,通过各类在线的运行数据确定紧急情况发生地点、故障程度,并针对已有资源反馈最佳的人员、设备调配方案,最终完成故障排除。相关单位可以依据该技术进行各类应急预案与重大活动保障预案的制定。

2.5 移动应用技术及其应用

工业场景的移动应用技术是基于移动通信网络与工业信息平台以实现集群通信、多媒体调度能力、数据无线传输等功能的技术[18]。

目前,复杂多样的水系统往往贯穿整个厂区,并且上下游相互关联牵一发而动全身,在检修、故障排查等任务时需要多人多地同时工作。而移动应用技术在智慧水务建设中可以提供多媒体调度能力,通过集群语音、视频监控信号传输实现“一人多地”“远程指导”的工作模式,大幅提升了水务系统中的工作效率。

同样,移动应用系统作为配套的移动端软件服务基于现有水务信息平台,可以方便检修部门在手机终端上快速查询相关水务信息[19],便于预知水务系统故障、检查水务运行情况等。该系统还可与检验分析设备相关联,同时关联厂区的多个智能检验设备。关联后通过系统可以及时查看各个设备的使用情况,接收设备发过来的水务信息,调整更改设备的设置等,明显方便了厂区的水务管理体验。

2.6 智能化验分析技术及其应用

智能化验技术是将工业机器人、分析化验仪器与信息管理平台结合实现采集,化验,数据输出一体化的技术[20-21]。传统化验室是大量化验人员重复作业采集化验数据,有着检测分析周期长、分析效率低、分析力量不足的问题。现将工业机器人引入化验系统替代手工操作,可大幅减少人工误差在分析化验中的产生,提升化验效率与准确性。同时信息管理平台可实现数据分析、报告、预警等功能。

在智慧水务建设中,污水源头管控、工艺过程调整与分析化验相对不足的矛盾日益突出,已经成为各公司普遍存在、急需解决的突出问题。而智能化验技术的选择,除了能够满足常规性的技术指标外,还能够在工艺的各个点位自动间断地读取检验现场实时数据,并上传到信息平台,从而形成具有推广和示范价值的污水水质智能分析系统。该技术针对炼化污水开发运行稳定、可靠性高、操作简单、运维便捷的现场无人污水水质智能检测系统,实现“一机多样、一机多项、无人检测”,满足污水处理高质量运行需要,也解决人工分析化验的人员瓶颈问题,降低分析成本。

2.7 智能传感器技术及应用

智能传感器是智慧水务建设的基础。目前,水务系统中核心化验部位的在线检测传感器长期被国外垄断,有必要开发新型在线检测传感器的硬件和软件系统,实现水务系统中核心部位国产化替代,提升石化行业水质监测设备的国产化水平。

智能感知技术是智慧水务系统平台构建的基础技术之一。基于物联网“泛在网络”实现“泛在服务”的技术思想和应用需求,结合炼化企业水务系统的特点,可建立PLC数据、无线数据、DCS数据、化验分析数据、岗位运行数据、巡检数据、关系型数据的采集和传输接口,实现不同层面、不同业务模块、不同数据类型的全方位数据感知,实现水质控制、生产运行和设备状态和HSSE监控等参数的信息化和移动应用,充分体现“深入感知、广泛互联、高度智能”的应用特点,实现水务系统数据感知“测得准、传得快、说得清”的总体目标。

传统的工业水务系统自动化控制水平较低,基本上采用DCS,PLC进行局部控制,因此智慧水务建设中,亟待开发水务系统全局智能控制优化技术,实现污水系统的实时闭环优化控制。即以智能控制技术为基础的智能系统,接收离线优化的指导或在线优化的结果,采用模式识别、专家系统、多变量模型预测控制、大数据分析等多种智能化技术,结合现场生产历史与实时数据,融合现场感知和专家经验,并采用基于多维度数字化模型的多对多协调控制方式代替人工,智能化调节装置基础控制回路的设定值或阀位值,实现精准控制和闭环优化。在智慧水务建设中应用智能控制技术,可充分发挥过程控制层面在现场基础控制系统与上层实时优化系统中承上启下的关键作用,实现水务系统在控制层面的智能化、数字化。

2.8 5G物联网技术及其应用

在智慧水务的发展中,5G物联网技术能带来更优的技术解决方案以及更加丰富的应用前景[22]。基于5G+物联网的现代通信技术,智慧水务信息传输的通信网络系统的建立可以形成高效、安全的信息传输体系,并支持云计算和大数据技术的应用,为构建一体化的智慧水务数据中心和应用支撑平台提供保障。在智慧水务建设的背景下,水务信息的上传下达,各类业务应用的整合,水务管理方案和决策的迅速传达均发挥着5G技术的能力。目前正结合地下水管线泄漏在线监测技术,进行泄漏噪声 NB-IoT技术应用研究。

3 结束语

通过水务信息化和智能化开发,可以实现水务业务的数字化转型,建设智慧水务平台,支撑水务业务管理方式和业务全面创新提升,对操作人员的依赖大幅降低。未来发展中要重视新技术的应用,使运行决策更加科学智能,管理手段更加高效,安全保障能力大幅提高,挖潜创效手段更加全面。