信息集成技术与生态石化工业设计与实现桂宁

主题五：PSE和生态工业园区技术研究及应用151信息集成技术与生态石化工业设计与实现桂宁（中国石化工程建设公司，北京,100101）摘要：提出了在石化企业的规划设计和建设中引入生态的理念,把信息系统集成与物质集成、能量集成、水系统集成置于同等重要地位,加以扩展至设计、建设和生产各个方面,既要求企业经济绩效的很好实现,又更加注重环境与社会效益,利用先进技术进行石化工业系统集成规划设计和优化,采用模块化,预先设计标准组件,降低系统复杂性，提高石化工业系统整体的科学性和可用性的方法,并有效地整合起来,整体化来实现石化工业系统的高可用性、智能化、生态化,对所涉及的信息技术进行了初步分析。关键词：信息集成系统;生态石化工业；质量交换网络0.引言近些年，在我国经济高速持续发展的同时，环境污染问题也表现得十分严峻。从水环境来讲，全国七大河流和流经城市的河段７０％都受到了不同程度的污染，在一些地区，因重金属污染发生的中毒事件令人触目惊心。不少大中城市的空气污浊，空气质量达标城市仅占１／３。全国酸雨区已占国土面积的３０％左右，造成的经济损失巨大。工业废弃物累计堆积量已超过６６亿吨，２／３的城市陷入垃圾包围之中。因此，如何在工业化快速推进的同时，控制工业对环境造成的污染，改善环境质量，恢复生态平衡,构建生态工业系统,已成为实现我国可持续发展战略亟待解决的问题。生态石化工业是有效运用生态系统中各生物种充分利用空间和资源的生物群落共生原理，系统内多种组分相互协调和促进的功能原理及地球化学循环规律，实现物质和能量多层次、多途径利用与转化的原则，通过模拟自然生态系统建立石化工业系统食物链网，即石化工业链网。在石化工业园区对多企业之间原料、能源、水、副产品、废料互供网络进行多目标或多联产系统进行优化设计,采用废物交换、清洁生产等手段把一个企业产生的副产品或废物作为另一个企业的投人或原材料，实现物质闭路循环和能量多级利用，形成相互依存、类似自然生态系统食物链的工业生态系统，使园区内企业之间形成物质、能量、信息的共生关联，从而提高物质、能量、信息的利用程度和生态效率，提高园区产业关联度，形成产业间的横向耦合、纵向闭合的共生关系，显著地改善企业的经济绩效，推动社会经济增长，真正实现经济与环境的协调发展。为缓解高投入、高产出的石化工业所引起的环境问题与降低生产成本，欧美一些发达国家借助于信息技术的发展，纷纷开展生态石化工业的研究及实践。生态石化工业是建立在空间差异数据采集与实时处理之上的过程集成系统，目的在于降低成本、节约资源、大幅度地减少废物的生成。作为一种以信息知识为基础的工业微观管理系统，属于超前性的工业高新技术,是信息技术和人工智能技术在优化管理生产系统上的集成应用。生态工程是一个涉及多种学科知识的集成系统，需要对生产中各过程的物料流、能量流、信息流进行组合，从原料到产品构造一个能满足能耗、经济效益、环境最优要求的工艺流程。需要应用不同子系统已经形成的设计规范、标准、数据格式和已有单项技术成果，研究建立支持技术的新标准。高水平的工程技术与信息技术人员的加盟对提高生态工程设计的可操作性具有重要作用。生态工程其操作过程一般包括4个阶段：（1）随时间及空间变化采集数据；主题五：PSE和生态工业园区技术研究及应用152（2）绘制电子地图，经加工、处理、形成管理执行图件；（3）精确控制流程作业；（4）对其执行效果进行评估。其主要支持技术包括制造执行系统（MES）、地理信息系统（ＧＩＳ）、传感器及监测系统、计算机控制器及变量执行设备等。1.信息集成技术与生态石化企业设计与实现石化工业的信息化、智能化是指将信息技术和智能技术广泛应用于工业结构生态化设计（“生产者、消费者、分解者”/“资源生产”、“加工生产”、“还原生产”；概念设计CAE；详细设计CAD集成；生产过程设计与仿真）、制造、管理和供应、销售的全过程，给企业注入“智慧”，采用智能产品与系统，实现智能制造。在整个企业生产经营管理过程中，通过信息基础设施，在集成平台上实现实时信息的采集（传感器及仪器仪表）、信息传输（网络通信）、信息处理（计算机、数据库、模型和方法）以及信息的安全综合应用（自动化、优化、知识管理、辅助决策等），在计算机上建立起各系统间地物料或能量联系,实现系统各过程之间物质、能量和信息的充分利用和交换,以提高企业的经济效益、创新能力、市场应变能力和竞争能力,并满足环保要求。1.1生态石化工业的数学模型任何过程工业生产,信息集成技术的实施均需要一定精度的数学模型为基础。“一种科学只有成功地运用数学时,才算真正达到完善的地步”,石化工业的数学模型由于石化领域的复杂性,有些是机理模型,但很多是经验(黑箱模型)或半经验半机理模型(灰箱模型),需要利用人工神经网络技术来实现建模。1.2资源节约的质量交换网络理论和优化设计质量交换网络(MEN)指以物质为分离剂的方法,如萃取、吸收等分离方式。MEN不仅在化工生产如原料的预处理、产品的提纯中有广泛的应用,而且随着环境要求日益提高,在废物处理、有用成分的回收等方面也有十分重要的作用,并正在发展成为资源优化配置的一般性方法论。另外分离过程是耗能过程，在能源消耗中占有很大比例。我国的单位产值能源消耗量比世界先进水平高得多，主要原因在于分离过程的能耗大大高于发达国家。新装置和新工艺可大幅度提高生产效率、显著减小设备尺寸、降低能耗和减少废料的生成，并最终达到提高生产效率、降低生产成本，提高安全性和减少环境污染的目的。在实现既定生产目标的前提下，通过大幅度减小生产设备的尺寸、减少装置的数目等方法来使工厂布局更加紧凑合理，单位能耗更低，废料、副产品更少。包括新型反应器、新型热交换器、高效填料、新型塔板等；质量交换网络(MEN)理论着眼于系统多目标或多联产,考虑废物排放最小,安全风险最小等环境,以及社会和不确定的因素的影响。其优化设计的方法主要包括:以资源节约为目标的夹点分析普适方法;企业内和企业间用水网络优化设计;多联产/共生系统的集成;不可再生资源的绿色生态利用;可再生资源的工业化利用;多目标MEN系统的优化设计方法(特别是多智能体人工智能与数学模拟相结合的方法)。由于石化工程具有多学科交叉的特点，只有化学、石油、化工、机械和信息技术等各学科的协同努力，只有加强基础研究，致力创新，开发具有自主知识产权的新过程、新设备和新软件，才能不断推进石化工业过程的生态化。1.3地理信息系统(GIS)项目的建成，将形成纵横交错的巨大管线网络，具有十分复杂的空间和非空间属性，大主题五：PSE和生态工业园区技术研究及应用153量的管线资料需要及时处理，然而传统的手工制图和人工统计，分析的管理方式不能很好地反映各种管线的基本特征、属性和联系，使得管线资料残缺不全，精度不高或者不能准确及时归档，造成设计上的失误和施工中的事故，阻碍了维护效率和服务水平的提高。近年来随着GIS技术发展和成熟，为计算机从事综合管网GIS管理提供了充分的手段，GIS将各种信息与地理位置很好地结合在一起，图文并茂，简便直观，是集中运用地理信息技术、计算机技术、数据库技术、网络技术的成果，可以管理的数据量更大，分析功能更强。对多企业之间原料/能源/水/副产品/废料互供网络系统的设计,相关职能部门的管理创新、技术创新、提高工作效率和经济效益、提高相关市场的竞争力等方面都起着举足轻重的作用。1.4工厂底层自动化与生产数据平台过程控制系统(PCS)系统包括整个化工/炼油工艺过程控制和单体设备基础自动化两个部分，主要解决设备的自动控制以保证生产过程的连续平稳、生产出合格产品，完成对生产过程的监测和常规控制，并根据制造执行系统(MES)下达的生产指令进行各流程的过程控制，设定各种设备的具体动作参数，进行各种模型计算和控制计算，以达到过程优化操作、先进控制、故障诊断、过程仿真等目的，同时收集执行过程中的实际数据上传MES和ERP系统。生产数据平台将生产过程数据、物料移动数据、设备状态、产品质量指标等各种数据采集（与DCS有接口数据自动采集，外操数据无线接入采集）、存储并加工成新的信息资源，提供给经营管理、销售、技术、操作等各层次人员。它是工厂信息集成的平台，起到了将工厂底层控制网络与上层管理信息系统网络连接成一体的桥梁作用。主要功能：a)是生产数据的集成平台；b)是操作信息、生产数据监测显示的平台；c)是装置控制，装置优化的基础数据平台。1.5制造执行系统制造执行系统(MES)主要对整个生产过程进行动态优化管理，从根本上解决流程行业生产过程的多变性和不确定性问题。包括生产计划与调度、操作管理、数据调理与物料平衡、生产管理、绩效监控与绩效管理、储运管理、化验室信息管理等功能。其主要作用是根据ERP系统下达的计划，通过生产调度、生产统计、成本控制、物料平衡和能源管理过程组织生产，并将信息加以采集、传递和加工处理，及时呈报ERP系统。达到实现ERP与PCS间数据的连接与共享，实现生产全过程的一体化，统一计划与物流调度，对现场的生产、质量的控制与管理的目的。例如:生产计划系统,它的主要功能：a)支持非线性生产过程模拟b)进料评价c)生产计划策略研究和计划的制订和优化（年、季、月）d)公用工程系统优化e)先进的生产方案管理能力f)适应生产质量要求不断变化g)为装置改进和扩建等投资计划提供决策依据h)精确的求解结果。支持非线性模拟技术和严格机理的过程模拟技术，能对生产装置作精确的模拟。实施生产计划系统后达到的主要效益：主题五：PSE和生态工业园区技术研究及应用154a)可以根据市场情况和本企业生产经营特点，制订精确的、优化的生产经营方案，使企业效益最大化；b)对工厂的规划、改造方案进行评估，实现决策科学化。1.6在线优化操作与控制由于能源需求的不断增长,进口原油数量,品种的不断增加,石油加工,乙烯裂解等复杂过程的在线操作优化与先进控制相集成是提高企业经济效益的关键。复杂过程优化设定点的建模,计算,以及根据原料变化实时跟踪和在线调整技术;软测量技术,利用现场DCS可测数据和部分实验室分析数据,对复杂过程的不可测参数进行在线计算,指导操作,为实时过程控制提供不可测或无延时的受控变量实际值的在线计算,提高控制性能。过程优化系统的主要功能：a)统一的建模环境，方便地进行流程建立；灵活地进行模型的自定义和模型库的扩展；b)采用基于方程的开放式求解算法，具有优化求解性能和对复杂过程的解算能力；d)具有离线分析、在线优化、数据协调、在线性能监测等功能；利用过程优化系统，可以使生产过程处于最佳运行状态和最优操作参数，达到以下的收益：a)快速诊断装置运行状态的经济性；b)确保过程中的约束条件得到满足(包括环保条件)；c)在规定的过程限制条件内，找到最大效益的生产操作条件和动态的优化路径；e)实施“what-if”工况分析，以提高产率和产品质量；f)快速地侦测和解决生产故障(设备和工艺的)；g)管理操作约束，减少成本，增加利润；h)增加生产操作的可预见性，避免事故的发生；i)为排产和生产操作提供具有指导性的实时、精确的过程和经济信息。1.7在线调度和应急处理快速在线调度和应急处理成为稳定生产,降低库存,提高企业经济效益的重要手段。通过对不确定性事件的连续时间描述,在大规模组合优化计算的基础上,研究快速及强大的在线调度过程及应急处理系统,对流程工业特别是石化企业的发展具有重要的应用价值。其主要功能为：a)根据月度计划，综合考虑产量、质量和产品出厂等约束条件，制订优化后的工厂作业计划，包括原料安排、裂解炉作业计划等。b)能在工厂出现突发事件或改变生产方案时，快速制订新的作业计划。c)建立月度计划与先进过程控制和在线优化系统的连接。1.8以炼化一体化为目标的辅助决策系统长期以来炼化生产一体化都是简单的松散一体化，即炼油厂为裂解厂供应石脑油做裂解原料，同时为芳烃厂供应石脑油和加氢裂化重汽油做芳烃料，裂解汽油运回炼油厂加氢以后用做汽油调合组分或送芳烃厂生产芳烃。油品生产、烯烃生产、芳烃生产都是独立进行，协同作用很低。为了实现炼化生产的效益最大化，最好的办法是通