智能模擬工廠技術(shù)在煉化裝置建設(shè)階段的應(yīng)用

石鳳勇，黨曉峰，于彥明，于洪祥，陶興文

(1. 中國石油天然氣股份有限公司 華北石化分公司，河北 滄州 061000;2. 北京賽普泰克技術(shù)有限公司，北京 100012)

中國石油煉化、化工工業(yè)正在經(jīng)歷從粗線條的快速產(chǎn)能擴張階段到應(yīng)用先進智能制造技術(shù)進行精細(xì)化管理、節(jié)能減排、大幅提高勞動生產(chǎn)率的轉(zhuǎn)型階段。過去的生產(chǎn)裝置建設(shè)階段，業(yè)主與工程設(shè)計、建設(shè)單位，主要關(guān)注工藝、設(shè)備、儀表的設(shè)計與采購、實施，而缺乏考慮裝置建設(shè)與生產(chǎn)運行周期的需求。有些企業(yè)對于重點裝置也采用了操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，但大多數(shù)停留在簡化建模、用于熟悉工藝流程的培訓(xùn)[1-2]。

根據(jù)國內(nèi)煉化企業(yè)生產(chǎn)裝置的建設(shè)與生產(chǎn)運行周期的需求，本文提出了智能模擬工廠(ASIM)的概念與技術(shù)，并在某煉化廠制氫、醚化裝置的建設(shè)階段進行了成功應(yīng)用，取得了良好的效果。

1 工廠生產(chǎn)裝置的建設(shè)與生產(chǎn)運行周期需求分析

流程工廠的生產(chǎn)操作是復(fù)雜的，多面的。為縮短開工時間，節(jié)約生產(chǎn)成本，工廠需要在開工前提前發(fā)現(xiàn)并解決該2套新的工藝流程裝置在開工中可能遇到的各種問題，摸清裝置運行規(guī)律，制訂切合實際的操作規(guī)程及操作卡，并嚴(yán)格按照這些生產(chǎn)操作卡對員工進行真實的操作培訓(xùn)，同時要求培訓(xùn)系統(tǒng)管理簡便且?guī)в锌茖W(xué)的評分考核功能，以保證以后長期的高效利用。

1.1 設(shè)計驗證需求

設(shè)計驗證需求包括工藝設(shè)計驗證及控制方案設(shè)計驗證。在設(shè)計階段，對于新裝置在正常穩(wěn)態(tài)運行階段的設(shè)計要求一般能夠考慮的比較全面，但對于其他工況，尤其是不斷變化的開工過程，即使設(shè)計單位采用比較成熟的工藝流程，在結(jié)合了業(yè)主實際生產(chǎn)背景和要求后，也經(jīng)常出現(xiàn)許多細(xì)節(jié)上的設(shè)計疏漏。如果在開工過程中才發(fā)現(xiàn)該類設(shè)計問題，即使簡單的管線或儀表改裝也將大幅延長開工時間，增加生產(chǎn)成本。另外，工廠資深的技術(shù)操作員根據(jù)多年經(jīng)驗，針對裝置實際情況有許多新的、好的設(shè)計想法，也需要通過某種手段得以驗證并完善。

1.2 開工前預(yù)調(diào)試需求

控制系統(tǒng)的組態(tài)文件中總會有一些只有在實際開工過程中才能發(fā)現(xiàn)的控制回路組態(tài)問題： 如量程、單位、顯示位數(shù)、流程畫面是否準(zhǔn)確合理；控制邏輯及公式在一些極值或轉(zhuǎn)變條件下是否計算合理；控制器作用方向是否正確等。另外，控制器的控制參數(shù)整定也需要長期的摸索，該類問題往往成為裝置能夠順利開工的主要制約因素之一。因此，需要將實際的控制系統(tǒng)組態(tài)文件與某個真實動態(tài)響應(yīng)的“虛擬工藝裝置”連接集成，提前在測量數(shù)據(jù)不斷動態(tài)變化的“開工”過程中發(fā)現(xiàn)并解決該類問題，同時整定得到初步的控制參數(shù)作為實際開工的基礎(chǔ)和參考。

1.3 工廠操作規(guī)程/知識的智能化需求

對于新裝置的生產(chǎn)操作規(guī)程及詳細(xì)操作步驟，設(shè)計單位通常只能提供大體的開工方案，雖然能從兄弟單位借鑒一些類似裝置的開工步驟，但由于原料、工藝設(shè)備、控制系統(tǒng)及生產(chǎn)條件和要求的差異，其生產(chǎn)操作規(guī)程及操作卡只能作為初步的參考。因此，需要結(jié)合操作規(guī)程/操作卡管理和執(zhí)行工具，提前在定制的“虛擬裝置”上反復(fù)操作，摸清裝置的運行和操作規(guī)律，不斷探索和細(xì)化切合該裝置實際情況的生產(chǎn)操作卡。

1.4 人員培訓(xùn)與考核及評估的需求

需要提供基于工藝機理動態(tài)模型的培訓(xùn)系統(tǒng)環(huán)境，滿足以下要求：

1) 動態(tài)工藝模型培訓(xùn)系統(tǒng)中的DCS及其他控制系統(tǒng)的控制邏輯與操作站操作畫面及功能要與實際的完全一致。

2) 除中心控制室內(nèi)控制系統(tǒng)的操作站外，還需模擬工藝設(shè)備現(xiàn)場操作的操作站畫面，使得實際操作必需的中心控制室內(nèi)操作和設(shè)備現(xiàn)場操作在培訓(xùn)中都有所體現(xiàn)。

3) 在動態(tài)工藝模型培訓(xùn)系統(tǒng)上進行操作時，所有的數(shù)據(jù)動態(tài)趨勢要與實際變化一致，達到高精度動態(tài)模擬仿真要求。

4) 需要給教員提供能夠簡便管理和運行的操作管理軟件，使得新學(xué)員在不需外人操作指導(dǎo)的情況下能夠嚴(yán)格按照操作卡自行操作，減輕教員負(fù)擔(dān)，保證長期的高效利用率。

5) 需要有先進合理的評分考核功能，不但能評價學(xué)員在每一個操作卡步驟的操作正確與否，還能評價在整個操作過程中的運行穩(wěn)定情況。

6) 培訓(xùn)或考核操作時，系統(tǒng)能夠自動生成并顯示所有的操作失誤或扣分原因，方便學(xué)員的經(jīng)驗總結(jié)。

2 智能模擬工廠技術(shù)

ASIM技術(shù)的定義： 利用計算機的計算能力，采用高精度的數(shù)學(xué)模型模擬生產(chǎn)裝置、控制系統(tǒng)，并將工藝操作的規(guī)程與操作KNOW-HOW知識也集成到ASIM，包括工藝過程操作與響應(yīng)規(guī)程、控制系統(tǒng)操作與響應(yīng)、操作員界面、工藝流程畫面、聯(lián)鎖響應(yīng)、操作方式等。生產(chǎn)裝置的動態(tài)響應(yīng)趨勢與操作均與實際過程一致。

ASIM的模型是以化學(xué)工程、自動控制、反應(yīng)動力學(xué)、化工熱力學(xué)等過程機理為基礎(chǔ)的機理模型。ASIM技術(shù)包括3個部分： 動態(tài)工藝模擬技術(shù)、控制系統(tǒng)模擬技術(shù)、智能化操作規(guī)程技術(shù)。與傳統(tǒng)的OTS模擬技術(shù)相比，ASIM具備以下的創(chuàng)新點： 高精度的模型；工藝操作的知識的結(jié)合；模擬了裝置操作的所有環(huán)節(jié)。

2.1 動態(tài)工藝模擬技術(shù)

ASIM中所有的工藝模型都是基于嚴(yán)格的熱力學(xué)和動力學(xué)的機理模型，即由狀態(tài)方程求解化學(xué)平衡及相平衡。該方法適應(yīng)于多組分、多相變、有化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜體系，并具有很好外延性。

ASIM軟件技術(shù)平臺具有完整的基本模型庫，在模型開發(fā)過程中，可從中調(diào)出模型，將它們在線構(gòu)成工廠流程，在線修改流程和調(diào)試參數(shù)。模型庫包含內(nèi)容見表1所列。

表1 模型庫包含內(nèi)容

2.2 控制系統(tǒng)模擬技術(shù)

ASIM中使用真實的DCS控制模型算法,能更好地模擬該類DCS，結(jié)合嚴(yán)格的過程工藝模型，使整個ASIM能更真實地反映被模擬工藝對象的過程特性?？刂葡到y(tǒng)的模擬系統(tǒng)包括： 圖形顯示、總貌顯示、控制組顯示、調(diào)節(jié)面板顯示、趨勢顯示、報警總顯示，聲像功能、硬拷貝功能、操作員功能、在線幫助功能、其他DCS顯示和功能、安全停車聯(lián)鎖功能。

2.3 智能化操作規(guī)程技術(shù)

ASIM中使用生產(chǎn)操作管理系統(tǒng)(ASOP)，包括以下的操作專用技術(shù)與操作知識：

1) 操作規(guī)程?？梢赃M行實際操作的規(guī)程，通常這些規(guī)程將被整理成可以定義單個操作任務(wù)的操作卡。通過多個操作卡的串聯(lián)或并聯(lián)還可以形成大的操作任務(wù)，如： 開停工操作規(guī)程；異常/應(yīng)急處理預(yù)案；安全島操作規(guī)程及其他規(guī)程。

2) 操作指南。文檔供信息查詢，包括： 工藝技術(shù)規(guī)程；操作指南、操作規(guī)定；儀表控制系統(tǒng)操作法；安全生產(chǎn)及環(huán)境保護。

3 應(yīng)用案例

用戶企業(yè)為原油加工能力5 Mt/a的柴油質(zhì)量升級項目，1.2×104m3/h制氫裝置是該公司的第一套制氫裝置，該項目改造之后將給北京地區(qū)提供優(yōu)質(zhì)國Ⅴ柴油成品油；同時，還有0.3 Mt/a催化輕汽油醚化裝置擴能改造項目，該裝置于2015年7月底一次投產(chǎn)成功，不但大幅提高汽油辛烷值，并且將低廉的甲醇高效轉(zhuǎn)化為高價值的汽油產(chǎn)品，帶來可觀經(jīng)濟效益。

以上2套裝置對于該煉化廠操作員來說都是全新的生產(chǎn)流程，北京賽普泰克公司根據(jù)用戶企業(yè)需求，結(jié)合使用動態(tài)模擬軟件和ABB 800xA模擬軟件，開發(fā)出整個裝置的動態(tài)模擬系統(tǒng)(虛擬裝置)。在開發(fā)及驗收過程中驗證了該工藝流程與控制方案設(shè)計，調(diào)試校正DCS組態(tài)文件并通過該模擬系統(tǒng)整定出初步的PID控制參數(shù)；操作員在該虛擬裝置上反復(fù)開停工操作，結(jié)合操作規(guī)程管理系統(tǒng)制訂并通過驗證得到詳細(xì)完整的生產(chǎn)操作卡；導(dǎo)入定版操作卡的操作規(guī)程管理系統(tǒng)與虛擬裝置連接集成，培訓(xùn)并考核操作工對新裝置的操作能力。

3.1 建立制氫和醚化裝置的ASIM系統(tǒng)

應(yīng)用ASIM技術(shù)建立制氫與醚化裝置的模型。動態(tài)制氫和醚化裝置模型具有完善的物性方法數(shù)據(jù)支持、精確的工藝設(shè)備模塊算法及穩(wěn)定的“壓力-流量”動態(tài)模擬計算方法。根據(jù)實際裝置流程和工藝設(shè)備數(shù)據(jù)配置出的動態(tài)工藝模型，相當(dāng)于高保真的“虛擬工藝裝置”。DCS模擬采用真實裝置的ABB 800xA系統(tǒng)，只是增加了控制運行模擬站環(huán)境，即用相同算法的軟控制器替代真實的硬件控制器，運行真實的DCS組態(tài)文件，用OPC接口替代I/O卡件與動態(tài)裝置模型中對應(yīng)的設(shè)備模塊連接集成，建立完整的動態(tài)裝置模型。

3.2 利用ASIM進行設(shè)計驗證與DCS組態(tài)預(yù)調(diào)試

ASIM集成完成后，能夠在對應(yīng)于外操人員操作的現(xiàn)場操作站和內(nèi)操人員操作的ABB 800xA操作站上，反復(fù)進行開工操作和異常工況操作。由于裝置模型的精度高，在反復(fù)進行的操作和動態(tài)響應(yīng)過程中，發(fā)現(xiàn)了工藝設(shè)計及控制方案設(shè)計方面的某些問題并幫助測試其解決方案。由于ABB 800xA中DCS與實際裝置幾乎完全一致，所以，每一次在動態(tài)裝置模型上進行開工操作，也就相當(dāng)于一次真實的組態(tài)文件預(yù)調(diào)試過程；同時動態(tài)疏理各個控制回路，驗證控制器作用方向和復(fù)雜控制的邏輯和計算公式，并整定出PID控制參數(shù)。在反復(fù)操作過程中不斷摸索裝置運行規(guī)律，改進和細(xì)化各階段的操作步驟，形成更為合理的操作規(guī)程和操作卡。

3.3 建立制氫和醚化裝置先進操作規(guī)程管理系統(tǒng)

建立制氫與醚化裝置的先進操作規(guī)程管理系統(tǒng)，除了能夠很方便地編輯和管理操作規(guī)程、操作卡、作業(yè)票等文件外，還能監(jiān)督各生產(chǎn)操作按照規(guī)章制度及操作要求嚴(yán)格實施和執(zhí)行，并且給出科學(xué)合理的考核評價。先進操作規(guī)程管理系統(tǒng)，不但幫助業(yè)主很方便地整理和驗證出切合實際的操作規(guī)程和操作卡，還能在培訓(xùn)時保證操作工嚴(yán)格按照操作卡步驟操作，并給出科學(xué)合理的考核成績和操作失誤評價，幫助操作工總結(jié)操作失誤經(jīng)驗和教訓(xùn)。

3.4 操作工培訓(xùn)與考核

1) 教員根據(jù)不同需求選擇不同培訓(xùn)操作方案或場景，一鍵啟動動態(tài)制氫和醚化動態(tài)裝置模型系統(tǒng)及先進操作規(guī)程管理系統(tǒng)，在運行界面上可以運行、暫停模型，保存、調(diào)用工況。

2) 操作工在各自操作站上運行現(xiàn)場操作站和DCS操作站，連接到動態(tài)裝置模型系統(tǒng)；同時啟動操作規(guī)程管理系統(tǒng)。

3) 不需教員操作指導(dǎo)，操作工可根據(jù)操作卡步驟在DCS操作站或現(xiàn)場操作站進行傻瓜式的培訓(xùn)操作，每操作完一步就確認(rèn)一步，系統(tǒng)就自動記錄下該步驟的執(zhí)行情況。

4) 每一步確認(rèn)操作時從動態(tài)裝置模型系統(tǒng)中獲得操作響應(yīng)信息，判斷操作是否正確并進行評分。如果扣分，系統(tǒng)會給出操作失誤的原因。另外，還有質(zhì)量評分模式評價整個操作過程中某些重要生產(chǎn)參數(shù)的穩(wěn)定性，如果超出合理范圍，系統(tǒng)會自動提示操作工在哪段時間引起扣分。

5) 培訓(xùn)或考核操作完成后，教員可以在教員站上自動導(dǎo)出該操作工的操作成績單，除了顯示分?jǐn)?shù)外還會給出操作失誤分析報告，便于操作工總結(jié)該次操作的經(jīng)驗和教訓(xùn)。

4 主要成果

4.1 設(shè)計驗證成果舉例

1) 制氫裝置開工初期，需對2條路線分別進行氣密置換，1條是脫硫反應(yīng)器路線，另1條是轉(zhuǎn)換爐至變壓吸附裝置PSA前路線，這2條路線都使用原料氣壓縮機K101A/B提供高壓氮氣。為節(jié)省開工時間，開工方案計劃同時啟動K101A和K101B，分別作為這2條路線的高壓氮氣來源，同時進行氣密置換。在動態(tài)裝置模型系統(tǒng)上模擬操作時發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有管線不能直接共用1條防喘閥管線，需新增1條連接管線和現(xiàn)場閥。

2) 制氫裝置某些分程控制方案不合理，如： 末級分離罐D(zhuǎn)105出口壓力控制器PIC3002，如果只用1個控制器分程控制閥PV3002A和閥PV3002B，開工操作氮氣大循環(huán)時的控制方案與裝置投用PSA正常運行后的控制目的相互矛盾，最后修改為2個控制器PIC3002A和PIC3002B分別控制對應(yīng)閥門的控制方案。

3) 制氫裝置汽包液位三沖量控制方案在開工初始階段由于產(chǎn)汽量很小難以投用，只能手動操作，因而增加了操作工負(fù)荷，為此增加一般的主副環(huán)串級控制方案選項： 即主環(huán)液位控制器直接單獨和副環(huán)流量控制器構(gòu)成串級控制；當(dāng)開工進行到一定程度汽包開始大量產(chǎn)汽后，通過切換按鈕投用三沖量控制方案。

4) 醚化輕汽油產(chǎn)品罐壓力控制器量程上限初始設(shè)計為0.16 MPa，在操作時發(fā)現(xiàn)正常壓力需控制在0.3 MPa左右，立即從儀表硬件至DCS組態(tài)進行一系列的相應(yīng)修改。

5) 醚化蒸餾塔T103A塔頂回流33 t/h、塔底全用冷凝水情況下，T103B塔底所耗蒸汽在9 t/h左右，小于設(shè)計數(shù)據(jù)中的11.8 t/h，T103A塔底流向T103B塔頂?shù)囊毫啃∮谠O(shè)計值。

4.2 DCS預(yù)調(diào)試成果

1) 制氫裝置發(fā)現(xiàn)并校正了44個控制回路中7個控制器作用方向、若干分程控制配置錯誤、控制器量程配置錯誤、模塊連接錯誤等；整定了所有控制器PID參數(shù)。

2) 制氫裝置發(fā)現(xiàn)汽包液位三沖量控制方案和串級控制方案的組態(tài)邏輯和計算公式錯誤，并幫助進行了組態(tài)文件的修改。

3) 制氫裝置發(fā)現(xiàn)PSA部分由于數(shù)據(jù)類型不同，致使順控程序中的所需測量值不能與DCS進行通信，并協(xié)助進行了組態(tài)文件的修改。

4) 醚化裝置發(fā)現(xiàn)并校正了49個控制回路中15個控制器作用方向、若干分程控制配置錯誤、控制器量程配置錯誤、模塊連接錯誤等。整定了所有控制器PID參數(shù)，實際開工時證實大部分直接可用，剩余大多可先分析實際裝置與模型的差異性，再在這些控制參數(shù)基礎(chǔ)上進行調(diào)整： 如對某些流量控制器，由于實際測量信號PV值濾波波動很大，致使控制震蕩，通過減小增益比例參數(shù)和減小積分時間保證控制曲線穩(wěn)定；對于某些溫度控制器，實際裝置由于操作負(fù)荷比設(shè)計值明顯下降，造成設(shè)備熱容效應(yīng)相對增大而致使測量動態(tài)變化更加滯后，通過增大積分時間或必要時再增加微分時間即可達到較好收斂控制。

4.3 操作卡制定和開工方案測試

1) 通過在動態(tài)裝置模型系統(tǒng)上進行操作，反復(fù)測試和驗證了各種開工方案，細(xì)化了各階段操作步驟，初步建立了完整的開工操作卡，作為實際開車的依據(jù)。

2) 制氫裝置的動態(tài)裝置模型系統(tǒng)在開工測試中發(fā)現(xiàn)，在氮氣、蒸汽大循環(huán)階段，如果壓力PIC3302A控制較低，大量蒸汽會集中在末級分離罐上冷凝，引起滿罐現(xiàn)象，需將蒸汽輸入量由10 t/h降至3 t/h左右，或改變方案將壓力PIC3302A提高控制在正常操作值。最后將這兩種方案都制訂出詳細(xì)的操作卡以供實際開車選擇。

4.4 培訓(xùn)與考核

通過在動態(tài)裝置模型系統(tǒng)進行開工操作培訓(xùn)，每個操作工不但熟悉了工藝流程及DCS操作站操作界面，而且對裝置每個階段的操作及響應(yīng)規(guī)律做到了然于胸。例如： 制氫裝置開工過程中如何提升中壓汽包D107，D108壓力的操作，如何實現(xiàn)三沖量控制或串級控制的操作步驟以及如何實現(xiàn)三沖量控制和串級控制的切換。醚化裝置培訓(xùn)使操作工熟練掌握了蒸餾塔及甲醇回收塔的穩(wěn)定調(diào)整操作，如塔底蒸汽量及塔頂回流量的相互配合影響操作，達到優(yōu)化狀態(tài)的操作過程，培訓(xùn)尋找操作平衡點的方法。在醚化裝置實際開工過程中，由于已經(jīng)通過動態(tài)裝置模型系統(tǒng)培訓(xùn)對裝置各階段運行規(guī)律的提前預(yù)知，短時間內(nèi)實現(xiàn)了一次開車成功并很快調(diào)整到穩(wěn)定運行階段。

相對較長時間的開工過程，根據(jù)操作卡拆分成對應(yīng)各主要開工階段的合適培訓(xùn)考核時間的多個題組方案，教員只需根據(jù)需要選擇不同方案，一鍵啟動，組織培訓(xùn)和考核，使得組織培訓(xùn)考核簡單易行，提高了動態(tài)裝置模型系統(tǒng)使用率。考核報告方便導(dǎo)出，不但為操作工提供自身的操作經(jīng)驗總結(jié)，還可作為技能鑒定的重要依據(jù)。

5 結(jié)束語

ASIM技術(shù)在確保工廠操作安全、高效的前提下，減少了裝置開、停車次數(shù)，預(yù)防了安全性事故的發(fā)生；在完全安全的環(huán)境中實現(xiàn)操作員的合格驗證和再驗證，對操作規(guī)程進行安全、快速地評價；為控制工程師提供了系統(tǒng)改造和升級的理想設(shè)計環(huán)境，使技術(shù)員能學(xué)習(xí)和理解診斷的技能和控制理論，加速生產(chǎn)優(yōu)化和改善。系統(tǒng)通過結(jié)合先進而成熟的技術(shù)、豐富的工業(yè)經(jīng)驗，為制氫和醚化裝置實現(xiàn)最優(yōu)控制提供保障。通過ASIM技術(shù)的應(yīng)用，2套裝置都實現(xiàn)了一次開車成功，并立即進入穩(wěn)定的運行。ASIM技術(shù)在生產(chǎn)裝置建設(shè)階段的成功應(yīng)用也為該技術(shù)在生產(chǎn)運行階段的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)，將來可以開展這些模型的在線應(yīng)用，如在線操作優(yōu)化[3]，智能異常診斷[4]，報警管理應(yīng)用[5]等。

參考文獻：

[1] 焦念友.基于組件技術(shù)的DCS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)及在華北石化公司聯(lián)合裝置上的應(yīng)用[J].石油大學(xué)學(xué)報，2004(01)： 35.

[2] 高潔.常壓裝置仿真培訓(xùn)系統(tǒng)及質(zhì)量模型研究[D].青島： 中國石油大學(xué)(華東)，2007.

[3] 劉蕾，趙眾，陶興文，等.催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)的建模與優(yōu)化[J].石油化工自動化，2009，45 (05)： 26-30 .

[4] 陶興文，齊萬松，李陽，等.s_zorb裝置閉鎖料斗異常偵測管理系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J].石油化工自動化，2015，51(05)： 63-66.

[5] 范宗海，賀文敏，冀曉舉，等.先進報警管理系統(tǒng)的設(shè)計實施與應(yīng)用研究[J].石油化工自動化，2018，54(01)： 7-17.