基于云平臺的煉化企業(yè)智慧循環(huán)水系統(tǒng)

呂文進，傅曉萍，何 杉，周 祥，秦 冰

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

隨著我國工業(yè)化進程的推進，工業(yè)用水總量上升，隨之引發(fā)的水資源問題和環(huán)境問題逐漸顯露。工業(yè)用水的水量消耗大戶是冷卻用水。水的成本低、比熱大，冷卻水在煉油廠中常作為換熱器的換熱介質(zhì)，用以降低設(shè)備溫度，延長設(shè)備壽命，保障生產(chǎn)的順利進行[1]。冷卻水系統(tǒng)分為直接排放和循環(huán)冷卻兩種，直接排放對水量的需求過大，排污的處理量也隨之升高；而循環(huán)冷卻水可以重復(fù)使用，在節(jié)水、節(jié)能方面都更勝一籌[2-3]。

循環(huán)水系統(tǒng)對水質(zhì)有很高的要求，若不加控制的長期運行，水質(zhì)將由于被冷卻物料泄漏等因素而不斷惡化，產(chǎn)生腐蝕、結(jié)垢、微生物生長等危害，進而導(dǎo)致設(shè)備換熱能力降低，嚴重的甚至?xí)斐缮a(chǎn)停滯，帶來安全隱患[4-6]。循環(huán)水系統(tǒng)與裝置設(shè)備的平穩(wěn)運行息息相關(guān)，對水質(zhì)的監(jiān)控、即時反饋和調(diào)節(jié)是安全生產(chǎn)、效益保障的關(guān)鍵。而煉化企業(yè)普遍存在水質(zhì)監(jiān)控不足，加藥、補水、排污等操作調(diào)整滯后的現(xiàn)象，缺少實時監(jiān)控管理和在線診斷調(diào)優(yōu)。針對此問題，提升循環(huán)水系統(tǒng)的自動化、信息化水平，實現(xiàn)智能化管理，并在此前提下開發(fā)智慧循環(huán)水系統(tǒng)具有重大意義。

智慧循環(huán)水系統(tǒng)本質(zhì)上是一種通過Web訪問的應(yīng)用程序，采用B/S(瀏覽器端/服務(wù)器端)模式，一般以網(wǎng)頁的形式存在，對用戶來說，除了瀏覽器之外不需要安裝其他軟件，不區(qū)分電腦端與手機端，也不依賴于操作系統(tǒng)，適用性廣。將該系統(tǒng)部署在云平臺上，如遇修復(fù)或升級，只需在服務(wù)器端修改并下發(fā)，所有客戶端同步更新，部署及維護成本低。用戶從適配瀏覽器登錄，即可實現(xiàn)計算、存儲、應(yīng)用程序等方面的資源共享。

云平臺強大的計算能力、巨大的存儲空間以及優(yōu)質(zhì)的部署環(huán)境皆為應(yīng)用開發(fā)提供了有效助力[7-9]。智慧循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)與云計算的普及推廣相輔相成，各類模型、系統(tǒng)的開發(fā)與云端部署已逐漸成為科研任務(wù)中不可或缺的環(huán)節(jié)?；谠破脚_的循環(huán)水系統(tǒng)，功能設(shè)計靈活，適于分析多維度數(shù)據(jù)，可以充分發(fā)揮運算速率快、數(shù)據(jù)共享水平高的特點，是循環(huán)水在線控制、水質(zhì)調(diào)優(yōu)，進而實現(xiàn)節(jié)水節(jié)能、安全生產(chǎn)的有效手段。

智慧循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)用于某石化公司的循環(huán)水處理過程，通過數(shù)據(jù)云端的上傳和存儲，實現(xiàn)了各項水處理數(shù)據(jù)的可視化，利用后端數(shù)據(jù)計算模型，可以對水質(zhì)問題進行在線報警和診斷，提出參數(shù)優(yōu)化方向，在工廠的實際應(yīng)用過程取得到了良好的評價與反饋。該系統(tǒng)具有易于更新的特點，可以根據(jù)不同的水處理流程進行迭代升級和模型優(yōu)化，并實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。以下對該智慧循環(huán)水系統(tǒng)進行介紹。

1 智慧循環(huán)水系統(tǒng)開發(fā)

1.1 前后端分離技術(shù)

智慧循環(huán)水系統(tǒng)的開發(fā)采取前后端分離技術(shù)，前端主要使用JavaScript作為開發(fā)語言，結(jié)合HTML和CSS，使用Visual Studio Code作為開發(fā)環(huán)境。后端采用基于Python語言的Flask框架開發(fā)計算模型。前后端分離采用MVVM(模型層-視圖層-視圖模型層)模式，視圖層與模型層分離，同時又與視圖模型層綁定，通過發(fā)送請求建立通訊，從而實現(xiàn)頁面構(gòu)建。該模式下的前端與后端耦合度低，后端只負責服務(wù)層開發(fā)，提供數(shù)據(jù)存儲、模型計算并返回結(jié)果，不控制前端界面的渲染效果，而前端只負責交互層設(shè)計，控制邏輯、渲染的實現(xiàn)，調(diào)取后端接口，優(yōu)化交互體驗等。前后端的交互過程如圖1所示。前端上傳數(shù)據(jù)并向后端發(fā)送請求，模型與數(shù)據(jù)庫連接，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲寫入、模型計算、讀取調(diào)用等功能。請求返回的結(jié)果再加載到前端，根據(jù)設(shè)計布局顯示具體的頁面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。

圖1 云平臺上的數(shù)據(jù)交互過程

在開發(fā)過程中，前后端分離可以使開發(fā)人員分工更加明確，后端工作只需要專注于模型開發(fā)，而前端工作只需要專注于網(wǎng)頁設(shè)計，兩部分互不干擾，各司其職，可以并行開發(fā)，通過接口即可將工作成果融合。前后端代碼的修改、重構(gòu)和維護也相對獨立，有助于提高開發(fā)效率、減小開發(fā)難度、降低維護成本。此外，可通過設(shè)置頁面模板和組件的形式，簡化代碼編輯工作，提高重復(fù)利用率。

1.2 Vue.js開發(fā)框架及其組件

目前比較主流的前端開發(fā)框架主要包括Vue.js，Angular JS，React。循環(huán)水系統(tǒng)在開發(fā)過程中利用Vue.js創(chuàng)建單頁面應(yīng)用。Vue.js是基于MVVM模式構(gòu)建用戶界面的開源漸進式框架，以Java Script，HTML，CSS為基礎(chǔ)，受到所有主流瀏覽器的支持，為Web應(yīng)用的快速開發(fā)提供便利。它的優(yōu)勢在于簡單靈活，易于開發(fā)，數(shù)據(jù)響應(yīng)式雙向綁定，避免單向綁定的增刪改查操作，有效降低工作量。通過vue-router配置路由，實現(xiàn)組件按需加載，組件之間可以組合，使用真正的DOM作為模板，數(shù)據(jù)也綁定在真實的節(jié)點上，性能顯著提升。

為實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的各項功能，除Vue.js以外還需要其他組件共同配合以達到目標效果，循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計所需組件如圖2所示。前端純JS讀取Excel文件，需引入js-xlsx工具庫，它支持包括xls和xlsx在內(nèi)十幾種格式的數(shù)據(jù)解析和導(dǎo)出。數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗并統(tǒng)一格式，上傳至云平臺，完成數(shù)據(jù)的收集與備份。Axios是封裝了Ajax技術(shù)的數(shù)據(jù)請求和響應(yīng)插件，寫法簡單明確，可以發(fā)送get和post請求。數(shù)據(jù)可視化方面引入V-charts。V-charts是基于Vue2.0和Echarts封裝的圖表組件，通過簡單配置即可生成折線圖、柱狀圖、餅圖、環(huán)圖、散點圖等常見的圖表，同時可以與數(shù)據(jù)進行實時交互。引入Element-ui中的Table和Table Column組件，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計表格，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類填充和按需排序。Vuex可以存儲管理應(yīng)用的所有組件狀態(tài)，實現(xiàn)多個組件共享狀態(tài)，若狀態(tài)發(fā)生變化，組件也會即時得到響應(yīng)更新。組件化是Vue.js的一大特點，組件之間分而治之，能有效劃清功能界限，降低維護成本。

圖2 循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計所需組件

1.3 后端系統(tǒng)簡介

后端采取RPC方式，對模型進行封裝，并提供相應(yīng)微服務(wù)。目前提供Thrift和gRPC兩種接口，可以支持現(xiàn)今主流的編程語言調(diào)用。模型內(nèi)部按照不同循環(huán)水指標，建立相應(yīng)子模型，并提供調(diào)用接口。這種方式的好處在于方便與外部應(yīng)用系統(tǒng)集成，在云平臺上容器化部署也較為清晰，同時針對多用戶調(diào)用還提供負載均衡等機制。模型主要基于專家經(jīng)驗進行建模，涵蓋大部分循環(huán)水水質(zhì)指標，并會針對特定體系進行相應(yīng)調(diào)整。模型主體采用Python語言進行開發(fā)，使用Pandas、Numpy等開發(fā)組件。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

循環(huán)水系統(tǒng)可以劃分為3個模塊，分別是數(shù)據(jù)上傳、分析指標和水質(zhì)管理模塊，如圖3所示。

圖3 循環(huán)水系統(tǒng)模塊設(shè)置

數(shù)據(jù)上傳模塊，以某石化公司各裝置換熱器循環(huán)水的各項檢測指標為依據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標準化，編寫適配的數(shù)據(jù)讀取模型，同時本模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)再分析。

分析指標模塊將每個樣本的10余項檢測指標以圖和表的形式分別進行可視化展示。檢測指標的種類根據(jù)樣本的不同也有所區(qū)別，大致分為pH、電導(dǎo)率、濁度、鈣離子濃度、堿度、氯離子濃度等。此外，監(jiān)測數(shù)據(jù)還包括水處理藥劑的每日加藥量和換熱器的進出口溫度、流量等。

水質(zhì)管理模塊提供循環(huán)水水質(zhì)調(diào)優(yōu)專家系統(tǒng)的評價結(jié)果。循環(huán)水調(diào)優(yōu)需要綜合考慮水質(zhì)、節(jié)能減排、運行成本和節(jié)水效果，這些指標與水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)密切相關(guān)。

以下結(jié)合某石化公司廠區(qū)內(nèi)的幾個典型循環(huán)水樣本(包括：聚丙烯裝置循環(huán)水、聚乙烯裝置循環(huán)水、工業(yè)水和回用水)對系統(tǒng)模塊的設(shè)計思路和功能進行說明。在本案例中，主要的污染問題包括3個方面：①隨著循環(huán)次數(shù)的增加，冷卻水內(nèi)部的溶解物逐漸增加，引起冷卻管道及設(shè)備腐蝕和破壞；②敞開體系由于蒸發(fā)作用造成水中各種礦物質(zhì)和離子濃度增加，發(fā)生結(jié)垢；③含油物料泄漏引起的微生物滋生。這些問題如不進行處理，會對設(shè)備運行、生產(chǎn)安全和經(jīng)濟效益造成嚴重影響。

本案例中，核心的工藝處理方式包括以下3種：①補水操作，在敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，由于蒸發(fā)作用，系統(tǒng)中的水越來越少，而水中各種礦物質(zhì)和離子的濃度就會越來越大。為了使水中鹽含量維持在一定的范圍，必須補入新鮮水。②排出濃縮水在維持水質(zhì)正常方面也有重要作用，可以大幅降低新鮮水的注入量。此外，隨著水循環(huán)次數(shù)的增加，水處理的難度也就越大，需要進行排污。③加藥處理能降低微生物的含量。碳酸鹽、聚磷酸鹽等緩蝕劑可以起到保護金屬作用，但濃度過高會導(dǎo)致結(jié)垢。在循環(huán)過程中由于外界引入的干擾，緩蝕劑濃度會發(fā)生改變，其濃度窗口控制就顯得至關(guān)重要。

上述3個核心工藝處理方式的總體效果可以用濃縮倍數(shù)來衡量，濃縮倍數(shù)可以反映水資源復(fù)用率的大小，是衡量循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行情況的一項重要指標[10]。濃縮倍數(shù)過小，補充水量和水處理藥劑消耗量較大，容易因藥劑濃度不足而難以控制腐蝕。提高濃縮倍數(shù)不但可以節(jié)約用水，也可以減少隨排污而流失的藥劑量，節(jié)約了藥劑費用。但濃縮倍數(shù)如果過大，析出結(jié)垢和發(fā)生腐蝕的可能性也會隨之增加。究竟選用多大的濃縮倍數(shù)合適，必須綜合考慮當?shù)厮此|(zhì)、水處理藥劑情況和運行管理條件等。操作時，若保持濃縮倍數(shù)不變，則應(yīng)在蒸發(fā)量大時增大補充水量；若保持水平衡，增大補充水量或排污水量，都會使?jié)饪s倍數(shù)下降。因此操作時，不能任意改變補充水量和排污水量。提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)時，水質(zhì)的好壞占據(jù)很大的因素。循環(huán)水濃縮倍數(shù)越高，對節(jié)能降耗方面越有利，但水質(zhì)會越來越差，水處理的難度也隨之增大。在循環(huán)水系統(tǒng)的日常運行中，需要尋求補水量、排污量和水處理藥劑加藥量之間的最佳平衡點。

圖4為智慧循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)調(diào)優(yōu)模型構(gòu)建邏輯。根據(jù)指標間的邏輯關(guān)系，建立關(guān)聯(lián)模型，系統(tǒng)在后臺計算并提出可供參考的操作建議。循環(huán)水系統(tǒng)的3個模塊相互耦合，可以達成數(shù)據(jù)的前端收集與后臺計算聯(lián)動，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲及可視化功能。

圖4 水質(zhì)調(diào)優(yōu)模型構(gòu)建邏輯

儀表顯示參數(shù)包括了十幾種不同的指標，指標之間的關(guān)系非常復(fù)雜，不同的核心處理工藝對這些指標的影響也有不同的對應(yīng)關(guān)系，涉及到多維度參數(shù)的耦合，用人工試錯法的方式無法尋找到最優(yōu)解。本系統(tǒng)可以在前端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，通過后端的計算，以濃縮倍數(shù)的優(yōu)化為基準，對核心處理工藝進行指導(dǎo)，提出補水、排污、加藥等方面的最優(yōu)化處理方式建議。同時，在之后的工藝優(yōu)化過程中，利用核心運行參數(shù)的輸入，在水質(zhì)最優(yōu)的基礎(chǔ)上，降低新鮮水的補充量、污水排放量和藥劑的投入量，最大化濃縮倍數(shù)這一核心指標。通過智能化的核心處理工藝優(yōu)化，杜絕水質(zhì)劣化造成的危害，實現(xiàn)裝置循環(huán)水的運行保持最佳狀態(tài)。

3 系統(tǒng)功能應(yīng)用及效果分析

循環(huán)水系統(tǒng)主界面的頁面布局對應(yīng)前述的數(shù)據(jù)上傳、指標分析和水質(zhì)管理3個模塊，布局于云端，同時設(shè)置導(dǎo)航欄，給出了相應(yīng)的快捷跳轉(zhuǎn)選項，實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)、功能的隨時調(diào)用和分析。

3.1 數(shù)據(jù)上傳模塊

在數(shù)據(jù)上傳導(dǎo)航欄下，用戶可以執(zhí)行數(shù)據(jù)庫上傳命令，在本模塊下，系統(tǒng)具有3大優(yōu)勢：①基于后臺的數(shù)據(jù)庫格式兼容性優(yōu)化，可以兼容常見的表格、數(shù)據(jù)庫格式(包括xlsx，json，csv等)；②本系統(tǒng)上傳模塊通過流程優(yōu)化，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)傳輸，可以快速回顧數(shù)據(jù)可靠性；③數(shù)據(jù)庫部署于云平臺存儲，數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入云平臺儲存，通過gRPC等技術(shù)手段，后臺能夠隨時調(diào)用，實現(xiàn)了較高的運行速率，這些數(shù)據(jù)也可以在任意平臺上進行上傳和分析，保障安全性的同時保證了數(shù)據(jù)取用的機動性和靈活性。在某石化公司的應(yīng)用案例中，對歷史版本的數(shù)據(jù)進行了上傳，實現(xiàn)了高兼容性、實時傳輸和云平臺存儲等核心功能特征。

3.2 指標分析模塊

數(shù)據(jù)成功上傳后，通過可視化處理，用戶可以查看水質(zhì)分析結(jié)果。根據(jù)某石化公司的循環(huán)水水質(zhì)日報，應(yīng)用于2020年3月的工業(yè)水樣本，通過數(shù)據(jù)分析模塊對樣本進行分析，得到圖5所示的工業(yè)水pH監(jiān)測指標跟蹤案例，由其清晰跟蹤一個月內(nèi)的水質(zhì)變化。在實際的軟件界面中，通過鼠標懸停的方式在圖中讀取任意日期監(jiān)測數(shù)據(jù)的具體數(shù)值。

圖5 工業(yè)水pH監(jiān)測指標跟蹤

工業(yè)水具有多項輸入和輸出參數(shù)，其中的關(guān)聯(lián)異常復(fù)雜。為了實現(xiàn)多指標間關(guān)系的解耦合，該系統(tǒng)也設(shè)計了圖例的多選功能，用戶可根據(jù)具體需求，將關(guān)注的輸入、輸出指標進行逐項對比，獲得核心處理工藝和儀表顯示參數(shù)的關(guān)系，優(yōu)化相關(guān)的輸入工藝與輸出指標，利用數(shù)據(jù)分析模塊同時顯示同一樣本的多項指標。在某石化公司的具體應(yīng)用中，用戶關(guān)注上述同一實例中鈣離子質(zhì)量濃度、氯離子質(zhì)量濃度和堿度在一段時間的變化情況，通過選擇可視化圖線對應(yīng)的圖例，得到圖6所示的顯示結(jié)果。由圖6可以看出鈣離子質(zhì)量濃度、氯離子質(zhì)量濃度與堿度的相關(guān)性，實現(xiàn)了指標分析的功能。與可視化圖線相對應(yīng)，系統(tǒng)界面提供數(shù)據(jù)表的完整展示功能，可按日期或具體指標作遞增或遞減排序。表1為按日期截取的某5天內(nèi)某石化公司循環(huán)水水質(zhì)日報中工業(yè)水各項指標的表格化顯示。

圖6 工業(yè)水監(jiān)測數(shù)據(jù)間的相關(guān)性

表1 某石化公司循環(huán)水水質(zhì)日報中工業(yè)水各項指標的表格化顯示

3.3 水質(zhì)管理模塊

水質(zhì)管理部分對接后端邏輯算法，作為一個開放系統(tǒng)平臺，在本階段已實現(xiàn)企業(yè)系統(tǒng)集成，并可以提供水質(zhì)狀況評判和特殊狀況應(yīng)對建議?；谀呈狙h(huán)水水質(zhì)日報中3月1日的數(shù)據(jù)實例，通過建立各指標之間的關(guān)聯(lián)模型，計算并返回水質(zhì)評判和特殊狀況應(yīng)對的智能化建議，具體如表2所示。由表2可以看出：根據(jù)系統(tǒng)的計算結(jié)果，氯離子濃度指標正常，水質(zhì)正常，無操作建議；pH和鈣離子濃度指標不正常，水質(zhì)不佳，建議操作分別為“關(guān)閉硫酸泵”和“關(guān)閉排污閥”。水質(zhì)管理模塊目前可以幫助企業(yè)對異常情況預(yù)警，通過依賴煉油廠歷史Lims數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗，對現(xiàn)場人員提出建議，實現(xiàn)了水質(zhì)評判和特殊狀況應(yīng)對指導(dǎo)的功能。

表2 針對3月1日數(shù)據(jù)實例的水質(zhì)調(diào)優(yōu)操作建議

需要說明的是，隨著企業(yè)項目推進迭代，本模塊在未來可以集成多指標判斷、基于氣相色譜的查漏、水質(zhì)優(yōu)化等功能模塊。建立在企業(yè)生產(chǎn)實際管理的智能化升級基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)可以逐步實現(xiàn)智能化、定量的水質(zhì)管理和提升，幫助企業(yè)降本增效。

4 結(jié)論與展望

(1)智慧循環(huán)水系統(tǒng)利用3個模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)庫讀寫、數(shù)據(jù)可視化、圖形交互展示、水質(zhì)處理算法設(shè)計、操作建議指導(dǎo)等功能。該系統(tǒng)已經(jīng)在某石化公司的水處理過程中獲得了良好的使用效果。

(2)智慧循環(huán)水系統(tǒng)目前以Web應(yīng)用的形式發(fā)布，部署在云平臺，利用VPN系統(tǒng)進行訪問，在保證系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)上提升了穩(wěn)定性和易用性。同時，為避免瀏覽器版本、內(nèi)核差異等原因造成的打開或顯示問題，系統(tǒng)也可封裝成客戶端軟件發(fā)布給用戶，而在線診斷和操作建議的調(diào)取仍需連接服務(wù)器。其他技術(shù)服務(wù)平臺也可作為數(shù)據(jù)收集和展示窗口，與云計算功能形成聯(lián)動，更好地為科研工作者提供服務(wù)。