工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)賦能石化行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型方法論

信息化與軟件產(chǎn)業(yè)研究所

石化行業(yè)是資產(chǎn)密集型行業(yè)，具有設(shè)備價(jià)值高、工藝復(fù)雜、產(chǎn)業(yè)鏈長、危險(xiǎn)性高、環(huán)保壓力大的行業(yè)特征，面臨設(shè)備管理不透明、工藝知識(shí)傳承難、產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同水平不高、安全生產(chǎn)壓力大等行業(yè)痛點(diǎn)，亟需加快基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型步伐，全面提升設(shè)備管理、生產(chǎn)管理、供應(yīng)鏈管理、安全管理、節(jié)能降耗等環(huán)節(jié)的數(shù)字化水平。恒逸石化、恒力石化、石化盈科、中油瑞飛等企業(yè)以設(shè)備智能管控、生產(chǎn)協(xié)同優(yōu)化為切入點(diǎn)，加速推動(dòng)石化行業(yè)向全流程智能化方向加速轉(zhuǎn)型。

石化行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型

趨勢分析

設(shè)備管理：從黑箱管理向健康管理轉(zhuǎn)變。石化行業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備具有危險(xiǎn)性，一旦設(shè)備在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)異常高溫、高壓、設(shè)備腐蝕泄漏的情況，會(huì)引發(fā)火災(zāi)或者爆炸事故，造成人員傷亡。過去，企業(yè)很難及時(shí)了解企業(yè)設(shè)備的情況，只能定期派人對設(shè)備檢查和維護(hù)，浪費(fèi)了大量的人力物力。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用的大背景下，基于傳感器、自適應(yīng)感知、精確控制與執(zhí)行等數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期的實(shí)時(shí)態(tài)勢感知、遠(yuǎn)程故障診斷和預(yù)測性維護(hù)。

知識(shí)管理：從紙質(zhì)封存向模型封存轉(zhuǎn)變。我國石化行業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，積累了大量的工藝技術(shù)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)。它們大多在少數(shù)專家手中，碎片化現(xiàn)象嚴(yán)重，知識(shí)傳播渠道以線下的培訓(xùn)為主，受時(shí)間和空間的諸多限制。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用的大背景下，聚焦煉化生產(chǎn)的工藝優(yōu)化、質(zhì)量管控、節(jié)能降耗場景，推動(dòng)石化工藝知識(shí)以機(jī)理模型、業(yè)務(wù)模型、算法模型的形式共享、復(fù)用、傳播，大幅降低石化知識(shí)創(chuàng)新的門檻。

供應(yīng)鏈管理：從企業(yè)內(nèi)向企業(yè)間協(xié)同轉(zhuǎn)變。我國石化行業(yè)的原油和天然氣進(jìn)口依存度高。在國際原油價(jià)格大幅波動(dòng)，供應(yīng)鏈成本壓力持續(xù)發(fā)酵的大背景下，我國石化行業(yè)需要提高供應(yīng)鏈整體的敏捷性和靈活性，對市場變化快速做出反應(yīng)，及時(shí)調(diào)整，統(tǒng)籌安排開采、外購、運(yùn)輸、生產(chǎn)和銷售。因而，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為連接樞紐，實(shí)現(xiàn)上游原油供應(yīng)企業(yè)、中游煉化生產(chǎn)企業(yè)、下游產(chǎn)品分銷企業(yè)之間的供應(yīng)鏈協(xié)同成為大勢所趨。

安全管理：從人工巡檢向智能巡檢轉(zhuǎn)變。中國油氣運(yùn)輸管線約7萬公里，跨度大、范圍廣，部分管線處于地形地貌復(fù)雜、自然環(huán)境惡劣、環(huán)境敏感區(qū)域，輸送介質(zhì)危險(xiǎn)性大。石油煉化生產(chǎn)的原料和產(chǎn)品大多是高溫高壓、易燃易爆有毒的危險(xiǎn)品，規(guī)模龐大，微小的事故就會(huì)造成災(zāi)難性危害。常規(guī)人工巡檢速度慢、成本高、效率低、受自然和地理?xiàng)l件制約大。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大背景下，利用傳感器、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡、無人機(jī)、智能機(jī)器人等工具，大幅提高了巡檢的實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)性和可視性，提高巡檢效率。

典型應(yīng)用場景及實(shí)踐

設(shè)備管理。一是設(shè)備狀態(tài)檢測。通過對物理設(shè)備的幾何形狀、功能、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字孿生建模，實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的各部件的運(yùn)行情況。中石油青海油田對10萬臺(tái)口油氣水井和3000余座場站的采油設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了邊遠(yuǎn)油田派遣人數(shù)和人工成本大幅下降。二是遠(yuǎn)程故障診斷。將設(shè)備的歷史故障與維修數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)，與故障診斷知識(shí)庫相連，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和知識(shí)圖譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障檢測、判斷與定位。中油瑞飛工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對中石油海外油田設(shè)備提供了跨國油田遠(yuǎn)程技術(shù)支持服務(wù)，結(jié)合專家遠(yuǎn)程診斷和工人維修指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了50%以上的問題無需設(shè)備服務(wù)商到場解決非現(xiàn)場解決。三是預(yù)測性維護(hù)。構(gòu)建設(shè)備數(shù)字孿生體，實(shí)時(shí)采集各項(xiàng)內(nèi)在性能參數(shù)，提前預(yù)判設(shè)備零部件的損壞時(shí)間，主動(dòng)、及時(shí)和提前進(jìn)行維護(hù)服務(wù)。燕山石化建立了調(diào)節(jié)閥故障模型，通過對煉化裝置流量控制閥進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和診斷，實(shí)現(xiàn)了對控制閥的預(yù)測性維護(hù)，降低無效維修50%以上，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益近5000萬元。

煉化生產(chǎn)。一是工藝優(yōu)化。在實(shí)際煉化生產(chǎn)前，對原油原料、工藝流程、煉化設(shè)備進(jìn)行數(shù)字孿生建模，對工藝配方、工藝流程等全方位模擬仿真，優(yōu)化原料配比參數(shù)和裝置優(yōu)化路徑，得出最優(yōu)的煉化生產(chǎn)方案。中石油云南石化對開工原油的煉化工藝流程進(jìn)行模擬分析，明確各項(xiàng)操作參數(shù)，從而指導(dǎo)生產(chǎn)操作，實(shí)現(xiàn)了常減壓裝置1次開車成功，制氫聯(lián)合裝置核心設(shè)備投產(chǎn)1次成功。二是質(zhì)量管控。實(shí)時(shí)采集和分析油品煉化全流程的質(zhì)量數(shù)據(jù)，對各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)分析和預(yù)測預(yù)警，實(shí)現(xiàn)煉化全流程質(zhì)量跟蹤及自動(dòng)控制。中石化九江石化在煉化生產(chǎn)過程中，對各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和動(dòng)態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)了油品煉化質(zhì)量的大幅提升，噸原油除成品油率提高到82%，產(chǎn)出率提升7個(gè)百分點(diǎn)。三是節(jié)能降耗。通過對關(guān)鍵耗能設(shè)備和高耗能加工流程的數(shù)據(jù)采集，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能算法和專家知識(shí)庫，分析耗能的關(guān)鍵因素，找出能耗最低的工藝參數(shù)來指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，提高關(guān)鍵耗能設(shè)備的維護(hù)精度。恒逸工業(yè)大腦通過對歷年鍋爐燃燒數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)，推算出最優(yōu)的鍋爐燃燒參數(shù)，燃煤發(fā)電效率提升2.6%，同時(shí)節(jié)約了成本。

供應(yīng)鏈協(xié)同。一是企業(yè)內(nèi)供應(yīng)鏈協(xié)同。實(shí)時(shí)采集和分析供應(yīng)鏈運(yùn)行情況，識(shí)別資源配置低效的環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)方案，提高企業(yè)內(nèi)部資源配置效率。中石化鎮(zhèn)海煉化將原油采購、資源配置、裝置運(yùn)行、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、銷售物流等進(jìn)行全流程建模，系統(tǒng)分析供應(yīng)鏈協(xié)同的重點(diǎn)難點(diǎn)和優(yōu)化潛力點(diǎn)，測算了各類優(yōu)化方案637個(gè)，累計(jì)創(chuàng)效3.9億元。二是企業(yè)間的供應(yīng)鏈協(xié)同。以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為連接樞紐，打通石化上游原油供應(yīng)、中游煉化生產(chǎn)、下游產(chǎn)品銷售各環(huán)節(jié)，優(yōu)化全產(chǎn)業(yè)鏈資源配置。當(dāng)前，我國石化產(chǎn)業(yè)鏈的供應(yīng)鏈協(xié)同正處于探索應(yīng)用階段，新冠肺炎疫情期間，基于石化盈科ProMACE工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，鎮(zhèn)海煉化、恒力石化進(jìn)行生產(chǎn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整，提高防疫所需原材料的供給能力，同時(shí)與口罩、防護(hù)服生產(chǎn)企業(yè)實(shí)時(shí)對接、協(xié)同排產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了上下游醫(yī)衛(wèi)用品資源配置的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，提升產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同效率。

安全巡檢。一是生產(chǎn)安全監(jiān)控。實(shí)時(shí)采集的煉化生產(chǎn)過程中的各類安全數(shù)據(jù)，結(jié)合安全生產(chǎn)監(jiān)控模型，對生產(chǎn)異常狀態(tài)和安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)報(bào)警。中石化茂名石化基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)匯聚廠區(qū)內(nèi)外的安全信息，結(jié)合安全風(fēng)險(xiǎn)診斷模型，實(shí)現(xiàn)了異常狀態(tài)和安全風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)報(bào)警，發(fā)現(xiàn)并消除了1800多項(xiàng)生產(chǎn)異常問題減少了安全隱患。二是管道智能巡檢。在油氣管道內(nèi)外利用傳感器、智能陰保樁、管道巡檢機(jī)器人、無人機(jī)等數(shù)據(jù)采集工具，以及連接地理、氣象等環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)外運(yùn)行狀態(tài)的全面感知和實(shí)時(shí)監(jiān)測，對管道異常狀況（如泄漏）快速定位?；赑roMACE工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，石化盈科在中石化西北油田開展了原油管線泄漏視頻智能識(shí)別應(yīng)用，通過訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析處理，巡檢視頻識(shí)別效率提高70%以上。

推進(jìn)應(yīng)用場景落地的著力點(diǎn)

加強(qiáng)底層數(shù)據(jù)分析，促進(jìn)邊云協(xié)同。一是邊緣數(shù)據(jù)采集方面，安裝傳感器、無人機(jī)、攝像頭、三維掃描儀等數(shù)據(jù)采集工具，利用泛在感知技術(shù)，采集油田地質(zhì)勘探、鉆井、開采、運(yùn)輸、煉化、銷售領(lǐng)域的多源設(shè)備、異構(gòu)系統(tǒng)、運(yùn)營環(huán)境、人員等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對油田、運(yùn)輸管道、煉化工廠運(yùn)行狀態(tài)的全面感知。二是邊緣數(shù)據(jù)分析方面，在原油開采裝置、煉化重點(diǎn)裝置、運(yùn)輸管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部署機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法，在邊緣控制器上集成分析引擎，實(shí)現(xiàn)對裝置的自動(dòng)調(diào)整和優(yōu)化。在設(shè)備管理、質(zhì)量管控、智能巡檢場景下，可以考慮將云端的機(jī)器學(xué)習(xí)模型和深度學(xué)習(xí)模型，部署在邊緣設(shè)備端，在模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)三方面實(shí)現(xiàn)邊云協(xié)同。

梳理煉化工藝知識(shí)，研發(fā)工業(yè)模型。一是面向設(shè)備管理，重點(diǎn)研發(fā)煉化重點(diǎn)裝置的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模型、遠(yuǎn)程故障診斷模型和預(yù)測性維護(hù)模型。二是面向煉化生產(chǎn)，重點(diǎn)研發(fā)煉化工藝流程模擬優(yōu)化模型、聚合物反應(yīng)模型、換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型、公用工程系統(tǒng)優(yōu)化模型以及能量系統(tǒng)優(yōu)化模型、生產(chǎn)質(zhì)量管控模型。三是面向供應(yīng)鏈管理，重點(diǎn)研發(fā)原油進(jìn)口供應(yīng)鏈擾動(dòng)緩解模型、供應(yīng)鏈柔性作業(yè)模型、供應(yīng)鏈均衡協(xié)調(diào)模型、成本和風(fēng)險(xiǎn)平衡模型、計(jì)劃和調(diào)度模型等。四是面向安全管理，研發(fā)基于多源安全數(shù)據(jù)融合的火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型、高危設(shè)備監(jiān)測和故障預(yù)警模型、危險(xiǎn)源監(jiān)測和預(yù)警模型、應(yīng)急資源管理模型、安全應(yīng)急調(diào)度模型。

研發(fā)行業(yè)解決方案，推廣典型應(yīng)用。一是打造設(shè)備管理解決方案。重點(diǎn)研發(fā)和推廣煉化重點(diǎn)裝置的狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程故障診斷、預(yù)測性維護(hù)解決方案，提升煉化裝置管理水平。二是打造煉化生產(chǎn)解決方案。重點(diǎn)研發(fā)煉化生產(chǎn)裝置流程模擬、智能化驗(yàn)室、運(yùn)營管理優(yōu)化、生產(chǎn)質(zhì)量管控等解決方案，實(shí)現(xiàn)煉化生產(chǎn)優(yōu)化。三是打造供應(yīng)鏈協(xié)同類解決方案。重點(diǎn)研發(fā)石化企業(yè)內(nèi)部的供應(yīng)鏈協(xié)同解決方案和企業(yè)間的供應(yīng)鏈協(xié)同解決方案，實(shí)現(xiàn)石化供應(yīng)鏈全流程的優(yōu)化、資源合理利用以及價(jià)值的優(yōu)化。四是打造安全管理類解決方案。重點(diǎn)研發(fā)煉化生產(chǎn)安全監(jiān)管解決方案、管線漏失動(dòng)態(tài)監(jiān)測、鉆孔破壞點(diǎn)精確定位、應(yīng)急指揮解決方案，實(shí)現(xiàn)對煉化生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)提前報(bào)警，對油氣長輸管道泄漏的實(shí)時(shí)檢測和準(zhǔn)確定位。