雙碳戰(zhàn)略下的石化行業(yè)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備發(fā)展探討

王存智，趙天雷

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

1 引言

2020年 9 月 22 日，在第 75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上，國(guó)家主席習(xí)近平向全世界宣布，將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭(zhēng)于 2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。

石化行業(yè)是溫室氣體重點(diǎn)排放行業(yè)，“雙碳”目標(biāo)的提出加速了石化行業(yè)轉(zhuǎn)型，石化行業(yè)面臨發(fā)展和減排的雙重挑戰(zhàn)[2]。煉油能力結(jié)構(gòu)性過(guò)剩、高端煉化產(chǎn)品需求加大、新增產(chǎn)能不斷釋放、煉化新技術(shù)快速迭代，石化行業(yè)進(jìn)入整合轉(zhuǎn)型升級(jí)期，向綠色、低碳、潔凈、多元化深度蛻變，流程智能化、管理數(shù)字化、資源集約化、產(chǎn)品高端化成為轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要趨勢(shì)。

2 行業(yè)進(jìn)入整合關(guān)鍵期和深度蛻變期

2.1 煉化結(jié)構(gòu)調(diào)整催生“新局勢(shì)”

2022年中國(guó)煉油總能力達(dá)到9.37 億t/a，保持世界首位[3]，煉油能力過(guò)剩的矛盾進(jìn)一步突出；2022年中國(guó)的乙烯產(chǎn)能(4933萬(wàn)t/a)，躍居全球乙烯第一生產(chǎn)大國(guó)[4]，我國(guó)三大高分子材料(合成樹脂、合成纖維、合成橡膠)的產(chǎn)能、產(chǎn)量和消費(fèi)量均居世界第一。

隨著“十四五”的到來(lái)，煉化行業(yè)迎來(lái)新一輪的大變局，國(guó)務(wù)院下發(fā)的《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，指出2025年，將國(guó)內(nèi)原油一次加工能力控制在10億噸以內(nèi)。據(jù)預(yù)測(cè)，2025年乙烯產(chǎn)量約為5670×104t，當(dāng)量消費(fèi)量為7512萬(wàn)噸，當(dāng)量自給率達(dá)到76%[5]。對(duì)于高分子材料，我國(guó)的技術(shù)研究與開發(fā)的投入不足，缺少原創(chuàng)性，開發(fā)中重生產(chǎn)工藝、缺少產(chǎn)品開發(fā)

2.2 煉化深度一體化成為“新形勢(shì)”

煉化一體化是大煉化企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的最大優(yōu)勢(shì)和主要方向，這已經(jīng)成為行業(yè)共識(shí)。一體化不僅降低成本，提高經(jīng)營(yíng)效率，而且能為企業(yè)帶來(lái)較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的煉化一體化也已經(jīng)由早期的煉油與化工的簡(jiǎn)單聯(lián)合(化工裝置為了消化先期建設(shè)的煉廠石腦油等產(chǎn)物)逐漸向深度一體化轉(zhuǎn)變，從以生產(chǎn)成品油為主、大宗石化原料為輔的傳統(tǒng)一體化，轉(zhuǎn)向多產(chǎn)高附加值產(chǎn)品和延伸石化產(chǎn)業(yè)鏈的新型一體化。

根據(jù)“十四五”規(guī)劃，中國(guó)石化將在7個(gè)地方(福建漳州、廣東湛江、海南洋浦、天津南港、新疆庫(kù)車、湖南岳陽(yáng)、寧波鎮(zhèn)海)布局大型煉化一體化項(xiàng)目，力爭(zhēng)在“十四五”末期建成1～2個(gè)世界級(jí)煉化一體化中心。

2.3 綠色、高效、智能打造“新態(tài)勢(shì)”

在“雙碳”目標(biāo)的大背景下，氫能將成為新一輪能源技術(shù)變革的重要方向，石化企業(yè)發(fā)展氫能具有先天優(yōu)勢(shì)。提升氫氣產(chǎn)能，降低制氫成本，將成為石化行業(yè)氫能產(chǎn)業(yè)的下階段布局。石化行業(yè)在氫能的生產(chǎn)、運(yùn)輸、輸出、基建鋪設(shè)等多個(gè)鏈條中的專用設(shè)備需求量將會(huì)日益增加。

2022年6月，工業(yè)和信息化部等六部委聯(lián)合發(fā)布《工業(yè)能效提升行動(dòng)計(jì)劃》，提出到2025年，規(guī)模以上工業(yè)單位增加值能耗比2020年下降13.5%[6]。據(jù)了解，煉化行業(yè)能耗基準(zhǔn)水平和標(biāo)桿水平普遍存在10%～20%的差距，從降低能耗角度來(lái)看，還有極大發(fā)展空間，而機(jī)械設(shè)備是煉廠能耗占比最大的部分，大型煉廠的全廠能耗組成中，80%以上為設(shè)備能耗。近年，煉化行業(yè)加速向綠色低碳轉(zhuǎn)型，生產(chǎn)過(guò)程更加注重節(jié)能降耗、提高能效，振動(dòng)指標(biāo)、能耗指標(biāo)、噪聲指標(biāo)等，成為選擇設(shè)備時(shí)更加關(guān)注的問(wèn)題。

中國(guó)煉化行業(yè)正處于新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時(shí)期，數(shù)字化、信息化進(jìn)一步與煉化行業(yè)深度融合，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、新一代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信等先進(jìn)信息技術(shù)建設(shè)數(shù)字化、智能化工廠，可顯著提升經(jīng)營(yíng)管理水平及生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)水平，進(jìn)一步促進(jìn)企業(yè)提質(zhì)增效，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?！笆奈濉庇?jì)劃周期內(nèi)，誰(shuí)能更好的利用數(shù)據(jù)的力量，挖掘出數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值，誰(shuí)就能立于不敗之地、引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。

3 石化轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備發(fā)展方向

3.1 高端可靠

機(jī)械裝備的穩(wěn)定性直接影響到煉化企業(yè)的效益，因此，機(jī)械裝備未來(lái)的發(fā)展方向在于引領(lǐng)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化向高端化轉(zhuǎn)變，在高效率、高可靠性、長(zhǎng)周期、低能耗等方向進(jìn)行裝備質(zhì)量提升。

3.1.1 核心裝備技術(shù)自主可控

石化行業(yè)多年的發(fā)展已經(jīng)孕育了許多優(yōu)秀領(lǐng)先企業(yè)，在制造能力上已經(jīng)可以和國(guó)外企業(yè)分庭抗禮，大型機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化率有了極大地提升。但在一些在嚴(yán)苛工況(高溫、高壓、高粘度)、新材料設(shè)備等前沿技術(shù)方面，與國(guó)際先進(jìn)水平還有差距，還需要下大力氣進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步。例如，高壓聚乙烯裝置一、二次機(jī)核心技術(shù)、高彈性體聚合物裝置熔體泵技術(shù)、聚合物彈性體擠出機(jī)及切粒系統(tǒng)成套技術(shù)等核心技術(shù)攻關(guān)，此外，對(duì)于以國(guó)產(chǎn)化的設(shè)備，其中的零部件，諸如，高速、重載、高運(yùn)行精度、高可靠性滑動(dòng)軸承；高速、大軸徑密封國(guó)產(chǎn)化；高性能、高靈敏傳感器、工業(yè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等仍需要盡快攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

3.1.2 設(shè)備本體提質(zhì)增效

在解決“有沒有”之后如何更快速的解決“好不好”的問(wèn)題，首先應(yīng)在設(shè)備質(zhì)量與技術(shù)提升上深入探索。例如，國(guó)內(nèi)某大型設(shè)計(jì)院，針對(duì)乙烯三機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能、操作與調(diào)節(jié)、系統(tǒng)配置存在的問(wèn)題，進(jìn)行了質(zhì)量與技術(shù)提升攻關(guān)研究。開發(fā)了“乙烯三機(jī)”專有葉輪模型級(jí)，提升機(jī)組運(yùn)行效率至少2%，拓寬機(jī)組可調(diào)節(jié)范圍至少5%，提升了機(jī)組設(shè)計(jì)預(yù)期性能與實(shí)際運(yùn)行的匹配度；質(zhì)量與技術(shù)提升結(jié)果已應(yīng)用在中石化鎮(zhèn)海120萬(wàn)t/a乙烯、中石油廣東140萬(wàn)t/a乙烯、裕龍150萬(wàn)t/a乙烯等裝置中。

3.1.3 高端壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)

增材制造技術(shù)是一種集數(shù)字制造、智能制造和綠色制造于一體的革命性技術(shù)，十分契合石油化工領(lǐng)域的戰(zhàn)略方針，理應(yīng)探索該技術(shù)在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景，在裝備快速修復(fù)和再制造；突破傳統(tǒng)冶金對(duì)材料制備及性能的原理性瓶頸，實(shí)現(xiàn)新一代高性能設(shè)備與復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造；實(shí)現(xiàn)設(shè)備重量、材料損耗量、零部件數(shù)量以及安裝工作量的減量化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行前瞻性研究和相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備，突破壓縮機(jī)在性能提升方向所面臨的瓶頸，帶動(dòng)制造廠商提升設(shè)備制造質(zhì)量和技術(shù)水平。

3.2 節(jié)能降碳

石油化工行業(yè)作為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，也是碳排放的重要來(lái)源之一，應(yīng)率先響應(yīng)“碳達(dá)峰、碳中和”要求，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展新能源。而作為煉化裝置的能耗大戶和動(dòng)力來(lái)源，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的節(jié)能降耗將成為行業(yè)未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵路徑。

3.2.1 氫能相關(guān)設(shè)備開

上文已經(jīng)深刻闡明了氫能的高效利用在“雙碳”戰(zhàn)略中的重要性，“十四五”期間，中石化擬規(guī)劃布局1000座加氫站或油氫合建站[7]。應(yīng)加快推進(jìn)氫能領(lǐng)域關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品研制及工程應(yīng)用。針對(duì)加氫站用90 MPa隔膜氫氣壓縮機(jī)、氫氣母站大容量高壓充氫壓縮機(jī)(35 MPa，氣量不低于3000 N·m3/h)、液氫制備系統(tǒng)氫液化膨脹機(jī)(排氣溫度≥ 31 K，處理量≥7000 Nm3/h)、加氫站用90 MPa液驅(qū)氫氣壓縮機(jī)等設(shè)備組織攻關(guān)，盡快實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化工程應(yīng)用。

3.2.2 節(jié)能技術(shù)研究

目前石油化工行業(yè)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的優(yōu)化生產(chǎn)、節(jié)能減排還有較大優(yōu)化空間，針對(duì)目前壓縮機(jī)和泵效能落后，變工況適應(yīng)能力差，工藝參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)偏離較大等問(wèn)題，可通過(guò)開發(fā)高效三元流葉輪；優(yōu)化設(shè)備控制和調(diào)節(jié)方案；進(jìn)行寬調(diào)節(jié)范圍、變工況適應(yīng)能力強(qiáng)的壓縮機(jī)和泵技術(shù)開發(fā)；同時(shí)重點(diǎn)針對(duì)潤(rùn)滑、密封、冷卻等輔助系統(tǒng)以及齒輪箱、電機(jī)、軸承等配套設(shè)備進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的系統(tǒng)節(jié)能。

從設(shè)備驅(qū)動(dòng)源的角度考慮，以汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)蒸汽為例，可以進(jìn)行高效、梯級(jí)、深度利用的研究。在國(guó)內(nèi)某煉化項(xiàng)目中，作為壓縮機(jī)透平驅(qū)動(dòng)蒸汽的0.45 MPa(G)蒸汽，通過(guò)螺桿升壓機(jī)升壓至1.85 MPa(G)，供本裝置加熱設(shè)備、壓縮機(jī)抽汽器直接使用，其余部分直接送出裝置替代常規(guī)設(shè)計(jì)中通過(guò)3.5 MPa(G)蒸汽減溫減壓后作為裝置內(nèi)加熱設(shè)備介質(zhì)的用量，消除了高品位蒸汽減溫減壓過(guò)程造成的能量浪費(fèi)，顯著提高了裝置余熱發(fā)生蒸汽的利用效率。

此外，對(duì)于蒸汽驅(qū)動(dòng)的大型機(jī)組，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)代替的方案，將極大改善煉化裝置的整體碳排放情況，緩解高蒸汽耗量與綠色低碳的矛盾。但此方案的必要條件是要保證電力來(lái)源是穩(wěn)定的綠電供應(yīng)，其次，還需解決大型壓縮機(jī)組拆分可靠性(變頻器功率限制)；大功率變頻器冗余配置可靠性；配套電氣系統(tǒng)占地變化的工程性影響；高可靠性電網(wǎng)晃電應(yīng)對(duì)方案；電驅(qū)機(jī)組控制運(yùn)維方案等技術(shù)攻關(guān)。

3.3 數(shù)字智能

數(shù)字智能的重要性已經(jīng)反復(fù)闡述，而轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的數(shù)字智能則重點(diǎn)體現(xiàn)在智能運(yùn)維上。

3.3.1 機(jī)理模型

智能運(yùn)維是一種服務(wù)，必須依附于用戶主體即轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，目的也在于將原本的底層運(yùn)行規(guī)律通過(guò)數(shù)字手段進(jìn)行智能化管理，因此其離不開轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行診斷機(jī)理模型的建立。針對(duì)大型離心機(jī)組、往復(fù)機(jī)組、螺桿機(jī)組、大型擠壓造粒機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障案例進(jìn)行深入整合分析，已開發(fā)出針對(duì)不同機(jī)組，不同結(jié)構(gòu)，不同故障類別的診斷機(jī)理模型，并以此為基礎(chǔ)建立預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)可視化系統(tǒng)管理。目前，針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的機(jī)理模型研究已經(jīng)較為深入，與常規(guī)預(yù)警相比，防止反復(fù)穿越報(bào)警、趨勢(shì)預(yù)警、智能快變報(bào)警、智能動(dòng)態(tài)閾值報(bào)警等功能均已具備。

3.3.2 工藝耦合

從行業(yè)整體角度分析，設(shè)備是工藝流程中的關(guān)鍵點(diǎn)，設(shè)備運(yùn)維不可能脫離工藝流程單獨(dú)存在。因此，通過(guò)結(jié)合智能化手段，將工藝動(dòng)態(tài)流程模擬與轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備動(dòng)態(tài)模擬相結(jié)合，可為企業(yè)發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行是否偏離理想?yún)^(qū)間提供數(shù)據(jù)支撐，在線、量化的評(píng)估及操作優(yōu)化建議。以風(fēng)光制氫項(xiàng)目為例，制氫量每天呈現(xiàn)大幅波動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)組的進(jìn)氣壓力持續(xù)波動(dòng)，如何維持穩(wěn)定的氫氣輸出并優(yōu)化能耗是此項(xiàng)課題的關(guān)鍵：利用氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，配合級(jí)間壓控閥維持機(jī)組正常的操作，可完成氫氣外輸壓縮機(jī)、氫氣增壓機(jī)的節(jié)能控制。

3.3.3 咨詢服務(wù)

智能運(yùn)維的最終目標(biāo)是搭建專家分析系統(tǒng)。理想系統(tǒng)通過(guò)積累監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將過(guò)往檢維修記錄、故障診斷報(bào)告等設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)作為學(xué)習(xí)樣本，利用人工智能技術(shù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)不斷提升系統(tǒng)的判斷能力和準(zhǔn)確性。對(duì)于實(shí)時(shí)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用時(shí)域、頻域分析，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析等方法得到數(shù)據(jù)運(yùn)行的特征值、異常值，進(jìn)行趨勢(shì)判斷，通過(guò)與正常趨勢(shì)對(duì)比確定潛在危險(xiǎn)，從基于設(shè)備狀態(tài)的條件維護(hù)升級(jí)為預(yù)測(cè)性維護(hù)，最后預(yù)測(cè)和提供適合樣本客戶的專有性運(yùn)營(yíng)維護(hù)指導(dǎo)意見。這樣的專家系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備健康狀況，進(jìn)行故障預(yù)判，達(dá)到減少停機(jī)、降低成本、延長(zhǎng)設(shè)備壽命、識(shí)別能耗影響因素、提高生產(chǎn)安全性等功能。

上述智能運(yùn)維是“頂層”目標(biāo)，在此之前的“基層”-數(shù)據(jù)采集處理終端、“中層”-機(jī)械設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)湖、“保障層”-數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等層面仍有許多技術(shù)難點(diǎn)需要攻關(guān)，篇幅所限，不再展開。

3.4 聯(lián)合創(chuàng)效

隨著技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備全生命周期成本理念的提升，引導(dǎo)設(shè)備制造行業(yè)的高附加值不斷向上下游兩端延伸，即向工程咨詢、技術(shù)開發(fā)、設(shè)備成套、故障診斷及設(shè)備健康體檢服務(wù)等環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移，而上述一切是任何一家企業(yè)都無(wú)法單獨(dú)完成的，產(chǎn)業(yè)鏈上下游的聯(lián)合創(chuàng)效將是行業(yè)保持高增長(zhǎng)的秘鑰。

接下來(lái)，行業(yè)上下游應(yīng)該充分發(fā)揮“大兵團(tuán)”作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)，聚焦關(guān)鍵技術(shù)、核心技術(shù)、前瞻技術(shù)，聯(lián)合高等院校、科研院所、設(shè)計(jì)單位、制造企業(yè)，針對(duì)新材料、新工藝、工業(yè)軟件、高性能設(shè)備、智能化運(yùn)營(yíng)等前沿技術(shù)領(lǐng)域，以一兩個(gè)實(shí)際項(xiàng)目為出發(fā)點(diǎn)，加大投入、聯(lián)合攻關(guān)，借助全行業(yè)的力量，營(yíng)造一個(gè)有利于企業(yè)提升自主創(chuàng)新能力的良好環(huán)境，加大創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。引領(lǐng)設(shè)備制造企業(yè)不斷提升自身深層次服務(wù)能力，滿足高質(zhì)量發(fā)展需求。

4 結(jié)語(yǔ)

“十四五”是推動(dòng)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級(jí)將進(jìn)一步加快。雙碳目標(biāo)下的石化裝備應(yīng)該聚焦新技術(shù)、新材料、新能源方向，向著綠色、高端、智能不斷前進(jìn)。著力在卡脖子技術(shù)突破、質(zhì)量提升、節(jié)能增效、數(shù)字智能運(yùn)維等方面攻堅(jiān)創(chuàng)效，堅(jiān)決促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，發(fā)揮“大兵團(tuán)作戰(zhàn)”優(yōu)勢(shì)，為石化裝備的高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)智慧力量。