化工企業(yè)智能安全生產(chǎn)管控平臺建設(shè)實踐

王治平 中國成達工程有限公司 成都 610041

賀 革 四川大學(xué)互聯(lián)化工研究中心 成都 610065

由于化工復(fù)雜的工藝和生產(chǎn)流程存在安全風(fēng)險，化工企業(yè)個體的安全生產(chǎn)水平在一定程度上影響到地區(qū)和行業(yè)的整體安全生產(chǎn)水平[1]。黨中央、國務(wù)院對化工安全生產(chǎn)高度重視，于2020年后相繼制訂、推出了《危險化學(xué)品安全專項整治三年行動實施方案》(安委〔2020〕3號)、《全國危險化學(xué)品安全風(fēng)險集中治理方案》(安委〔2021〕12號)、《“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”行動計劃(2021—2023 年)》(工信部聯(lián)信發(fā)〔2020〕157號)等文件 ，從思想認識、法規(guī)要求、技術(shù)路線等方面多管齊下解決化工生產(chǎn)的安全問題[2]。

為認真貫徹落實黨中央、國務(wù)院關(guān)于危險化學(xué)品安全生產(chǎn)工作的決策部署，響應(yīng)國家應(yīng)急管理部、省應(yīng)急管理廳及市應(yīng)急部門的要求。云南祥豐石化公司開展了以智能化安全平臺為核心的本質(zhì)安全建設(shè)與提升工程。采用目前國際先進的換熱式轉(zhuǎn)化、低能耗MDEA脫碳、低壓合成工藝生產(chǎn)合成氨，合成氨30萬t/a、尿素30萬t/a、車用尿素5萬t/a。合成氨生產(chǎn)工藝名列國家公布的《首批重點監(jiān)管的危險化工工藝目錄》，重點監(jiān)管單元包括合成塔、壓縮機、氨儲存系統(tǒng)。要解決包括設(shè)備疲勞、異常與故障、工藝安全、應(yīng)急處置等相關(guān)問題。云南祥豐把安全生產(chǎn)放在首位，已建成DCS、SIS、PLC等生產(chǎn)控制系統(tǒng)，以及環(huán)境監(jiān)測、門禁、視頻、消防、雙重預(yù)防和能源采集等基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。為進一步提升企業(yè)本質(zhì)安全水平，成為云南省的智能化標(biāo)桿企業(yè)，云南祥豐基于多年的經(jīng)驗與知識積累，在企業(yè)現(xiàn)有信息化基礎(chǔ)上，與中國成達、四川大學(xué)合作開發(fā)了安全監(jiān)管與安全應(yīng)急一體化智慧平臺。成達公司具備行業(yè)領(lǐng)先的數(shù)字化工程交付能力，通過虛擬化、混合云架構(gòu)等技術(shù)搭建了安全穩(wěn)定的企業(yè)數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為客戶及工程項目提供高效的數(shù)字化技術(shù)支撐。

1 項目建設(shè)目標(biāo)、架構(gòu)與內(nèi)容

依據(jù)企業(yè)智能化戰(zhàn)略規(guī)劃，建設(shè)生產(chǎn)及過程安全智能化系統(tǒng)，將云南某石化有限公司打造為智能化標(biāo)桿企業(yè)。技術(shù)目標(biāo)[3-6]包括：

(1)建設(shè)工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，解決多專業(yè)、多裝置、多時間尺度差異化的“數(shù)據(jù)孤島”問題，保證平臺的兼容性、可擴展性、互操作性和標(biāo)準(zhǔn)性等，為數(shù)據(jù)資產(chǎn)化夯實基礎(chǔ)。

(2)基于數(shù)據(jù)和機理模型建立由重點裝置到全廠的數(shù)字孿生系統(tǒng)，對重點設(shè)備重點工序進行實時安全可靠性評價，降低報警誤報率，解決報警泛濫問題，同時對安全風(fēng)險進行超早期預(yù)警，減少非計劃停產(chǎn)，實現(xiàn)企業(yè)高效安全、節(jié)能降耗的智能化運行。

(3)全面提升企業(yè)安全管理智慧化水平，保障企業(yè)安全生產(chǎn)過程合規(guī)化。依據(jù)“過程管理”、“系統(tǒng)管理”、“關(guān)口前移”、“預(yù)防為主，應(yīng)急為輔”的理念思想，安全管理覆蓋所有要素和業(yè)務(wù)流程，構(gòu)建監(jiān)督檢查體系，規(guī)范安全檢查方案，提高安全檢查的質(zhì)量和效率，有效防范安全風(fēng)險；充分發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)“安全職責(zé)明確化、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)場管控智能化、考核評價自動化”，促進企業(yè)安全管理水平提升，保障企業(yè)安全生產(chǎn)過程合規(guī)化。

該次項目參照應(yīng)急部提出的智慧化工園區(qū)安全平臺架構(gòu)進行高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)[7]，提出了企業(yè)安全智能管理平臺，見圖1。

圖1 企業(yè)安全智能技術(shù)架構(gòu)

2 項目建設(shè)內(nèi)容

2.1 項目建設(shè)總體內(nèi)容

項目建設(shè)內(nèi)容包含企業(yè)數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用支持平臺及應(yīng)用系統(tǒng)等。①基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包含主控顯示、機房服務(wù)器及人員定位基礎(chǔ)設(shè)施等；②應(yīng)用支持平臺為應(yīng)用系統(tǒng)功能的基座，采用工業(yè)大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、地理信息等技術(shù)，為智能化管控平臺提供數(shù)據(jù)底座；③應(yīng)用系統(tǒng)作為企業(yè)生產(chǎn)及安全智能化系統(tǒng)的主要建設(shè)內(nèi)容，見表1。

表1 智能化安全管控平臺功能

總體來說，項目整合全廠各類控制數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、關(guān)鍵設(shè)備運行數(shù)據(jù)，在OT和IT層面進行深度融合，提升了數(shù)據(jù)匯集和數(shù)據(jù)資產(chǎn)化管理水平，實現(xiàn)了現(xiàn)場管理和現(xiàn)場運維的可視化、數(shù)字化、模型化，及關(guān)鍵工藝與設(shè)備環(huán)節(jié)的智能化，為企業(yè)生產(chǎn)管控及優(yōu)化、安全管控及優(yōu)化、能源監(jiān)測及優(yōu)化、設(shè)備完整性管控及優(yōu)化提供了支撐，真正實現(xiàn)智慧生產(chǎn)、降本增效，是實質(zhì)意義上的技術(shù)賦能和為安全生產(chǎn)保駕護航。智能安全管控平臺的部分功能界面見圖2。

圖2 智能安全管控平臺功能

2.2 數(shù)字孿生平臺

基于工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，開發(fā)了與祥豐公司實際工藝匹配并面向知識模型的數(shù)字孿生系統(tǒng)，見圖3。對合成氨、尿素工藝，以基于機理的穩(wěn)態(tài)模擬技術(shù)、動態(tài)模擬與仿真技術(shù)、在線模擬和優(yōu)化技術(shù)等為支撐，形成實際工藝過程在虛擬空間的數(shù)字孿生體，服務(wù)于過程優(yōu)化和決策支持[14]。

圖3 數(shù)字孿生系統(tǒng)面向知識模型的架構(gòu)體系

數(shù)字孿生系統(tǒng)首先基于嚴格機理的穩(wěn)態(tài)模擬，貫穿全工藝流程及公輔，指導(dǎo)生產(chǎn)工藝優(yōu)化、設(shè)備性能監(jiān)控、節(jié)能降耗，及調(diào)度優(yōu)化。同時，數(shù)字孿生系統(tǒng)與實時數(shù)據(jù)庫連接，不斷矯正迭代模型，提升模型實時運行效率與準(zhǔn)確性，具有穩(wěn)態(tài)檢測、數(shù)據(jù)過濾和校正功能，全方位在線監(jiān)控運行裝置的物料平衡、能量平衡、工藝性能、設(shè)備性能和健康狀態(tài)、用能分析、成本、經(jīng)濟效益等，為裝置優(yōu)化運行提供控制指引、預(yù)警和聯(lián)動分析見圖4。

圖4 基于數(shù)字孿生的安全模型體系與應(yīng)用

以數(shù)字孿生系統(tǒng)和人工智能技術(shù)為依托，從物料性質(zhì)、設(shè)備性能、過程控制、生產(chǎn)組織、業(yè)務(wù)模式等方面出發(fā)，綜合工業(yè)現(xiàn)場的感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、危險源辨識[12]、質(zhì)量管理系統(tǒng)等，形成一個具有泛在感知、在線安全評價、安全事件應(yīng)急處理，以及安全知識共享等功能的綜合性安全管理平臺。

(1)從裝置運行的機電監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻音頻等數(shù)據(jù)出發(fā)，發(fā)現(xiàn)潛在危險性和不穩(wěn)定性，及時捕捉任何發(fā)生的偏離，追蹤偏離發(fā)展過程，并根據(jù)其程度與影響大小，科學(xué)確定消缺措施。

(2)在線監(jiān)測企業(yè)的安全生產(chǎn)狀態(tài)，評價安全風(fēng)險程度，對出現(xiàn)的安全隱患及時提出安全報警以及應(yīng)急處置措施。

(3)根據(jù)設(shè)備可靠性狀態(tài)和性能變化規(guī)律，在設(shè)備管理條例和安全管理體系下，幫助企業(yè)更科學(xué)合理地制定設(shè)備維修(保養(yǎng))計劃，保障通過設(shè)備預(yù)防性維保、預(yù)測性維修，有效改善設(shè)備運行的安全性。

(4)對企業(yè)設(shè)備維保、檢修過程進行指導(dǎo)，幫助企業(yè)擬定設(shè)備維保及檢修措施，克服企業(yè)在設(shè)備檢修施工中只注重檢修進度，忽視過程安全的問題。在檢修方案和檢修過程中全面地采用HSE的危險辨識及安全評價技術(shù)進行危害識別、風(fēng)險評估，并進行環(huán)境影響識別與評價，以減少維保施工對環(huán)境的影響和對人身健康的損害。

3 結(jié)語

該項目基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)了點巡檢等安全相關(guān)業(yè)務(wù)、安全隱患排查治理的數(shù)字化閉環(huán)式管理；提升了兩重點一重大等在線安全監(jiān)控、智慧預(yù)警報警的智能化水平；實現(xiàn)了數(shù)字化定量展示并評價生產(chǎn)安全狀態(tài)。全面提升了企業(yè)安全生產(chǎn)、風(fēng)險管控與應(yīng)急處置過程的前置化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化水平，設(shè)備運行效率、工藝穩(wěn)定性等也得到了優(yōu)化，項目成果達到預(yù)期水平。智能安全平臺作為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一部分，為建設(shè)智慧化工廠奠定了堅實基礎(chǔ)。