石鳳勇，黨曉峰，于彥明，于洪祥，陶興文

(1. 中國石油天然氣股份有限公司 華北石化分公司，河北 滄州 061000;2. 北京賽普泰克技術有限公司，北京 100012)

中國石油煉化、化工工業(yè)正在經(jīng)歷從粗線條的快速產能擴張階段到應用先進智能制造技術進行精細化管理、節(jié)能減排、大幅提高勞動生產率的轉型階段。過去的生產裝置建設階段，業(yè)主與工程設計、建設單位，主要關注工藝、設備、儀表的設計與采購、實施，而缺乏考慮裝置建設與生產運行周期的需求。有些企業(yè)對于重點裝置也采用了操作員仿真培訓系統(tǒng)，但大多數(shù)停留在簡化建模、用于熟悉工藝流程的培訓[1-2]。

根據(jù)國內煉化企業(yè)生產裝置的建設與生產運行周期的需求，本文提出了智能模擬工廠(ASIM)的概念與技術，并在某煉化廠制氫、醚化裝置的建設階段進行了成功應用，取得了良好的效果。

1 工廠生產裝置的建設與生產運行周期需求分析

流程工廠的生產操作是復雜的，多面的。為縮短開工時間，節(jié)約生產成本，工廠需要在開工前提前發(fā)現(xiàn)并解決該2套新的工藝流程裝置在開工中可能遇到的各種問題，摸清裝置運行規(guī)律，制訂切合實際的操作規(guī)程及操作卡，并嚴格按照這些生產操作卡對員工進行真實的操作培訓，同時要求培訓系統(tǒng)管理簡便且?guī)в锌茖W的評分考核功能，以保證以后長期的高效利用。

1.1 設計驗證需求

設計驗證需求包括工藝設計驗證及控制方案設計驗證。在設計階段，對于新裝置在正常穩(wěn)態(tài)運行階段的設計要求一般能夠考慮的比較全面，但對于其他工況，尤其是不斷變化的開工過程，即使設計單位采用比較成熟的工藝流程，在結合了業(yè)主實際生產背景和要求后，也經(jīng)常出現(xiàn)許多細節(jié)上的設計疏漏。如果在開工過程中才發(fā)現(xiàn)該類設計問題，即使簡單的管線或儀表改裝也將大幅延長開工時間，增加生產成本。另外，工廠資深的技術操作員根據(jù)多年經(jīng)驗，針對裝置實際情況有許多新的、好的設計想法，也需要通過某種手段得以驗證并完善。

1.2 開工前預調試需求

控制系統(tǒng)的組態(tài)文件中總會有一些只有在實際開工過程中才能發(fā)現(xiàn)的控制回路組態(tài)問題： 如量程、單位、顯示位數(shù)、流程畫面是否準確合理；控制邏輯及公式在一些極值或轉變條件下是否計算合理；控制器作用方向是否正確等。另外，控制器的控制參數(shù)整定也需要長期的摸索，該類問題往往成為裝置能夠順利開工的主要制約因素之一。因此，需要將實際的控制系統(tǒng)組態(tài)文件與某個真實動態(tài)響應的“虛擬工藝裝置”連接集成，提前在測量數(shù)據(jù)不斷動態(tài)變化的“開工”過程中發(fā)現(xiàn)并解決該類問題，同時整定得到初步的控制參數(shù)作為實際開工的基礎和參考。

1.3 工廠操作規(guī)程/知識的智能化需求

對于新裝置的生產操作規(guī)程及詳細操作步驟，設計單位通常只能提供大體的開工方案，雖然能從兄弟單位借鑒一些類似裝置的開工步驟，但由于原料、工藝設備、控制系統(tǒng)及生產條件和要求的差異，其生產操作規(guī)程及操作卡只能作為初步的參考。因此，需要結合操作規(guī)程/操作卡管理和執(zhí)行工具，提前在定制的“虛擬裝置”上反復操作，摸清裝置的運行和操作規(guī)律，不斷探索和細化切合該裝置實際情況的生產操作卡。

1.4 人員培訓與考核及評估的需求

需要提供基于工藝機理動態(tài)模型的培訓系統(tǒng)環(huán)境，滿足以下要求：

1) 動態(tài)工藝模型培訓系統(tǒng)中的DCS及其他控制系統(tǒng)的控制邏輯與操作站操作畫面及功能要與實際的完全一致。

2) 除中心控制室內控制系統(tǒng)的操作站外，還需模擬工藝設備現(xiàn)場操作的操作站畫面，使得實際操作必需的中心控制室內操作和設備現(xiàn)場操作在培訓中都有所體現(xiàn)。

3) 在動態(tài)工藝模型培訓系統(tǒng)上進行操作時，所有的數(shù)據(jù)動態(tài)趨勢要與實際變化一致，達到高精度動態(tài)模擬仿真要求。

4) 需要給教員提供能夠簡便管理和運行的操作管理軟件，使得新學員在不需外人操作指導的情況下能夠嚴格按照操作卡自行操作，減輕教員負擔，保證長期的高效利用率。

5) 需要有先進合理的評分考核功能，不但能評價學員在每一個操作卡步驟的操作正確與否，還能評價在整個操作過程中的運行穩(wěn)定情況。

6) 培訓或考核操作時，系統(tǒng)能夠自動生成并顯示所有的操作失誤或扣分原因，方便學員的經(jīng)驗總結。

2 智能模擬工廠技術

ASIM技術的定義： 利用計算機的計算能力，采用高精度的數(shù)學模型模擬生產裝置、控制系統(tǒng)，并將工藝操作的規(guī)程與操作KNOW-HOW知識也集成到ASIM，包括工藝過程操作與響應規(guī)程、控制系統(tǒng)操作與響應、操作員界面、工藝流程畫面、聯(lián)鎖響應、操作方式等。生產裝置的動態(tài)響應趨勢與操作均與實際過程一致。

ASIM的模型是以化學工程、自動控制、反應動力學、化工熱力學等過程機理為基礎的機理模型。ASIM技術包括3個部分： 動態(tài)工藝模擬技術、控制系統(tǒng)模擬技術、智能化操作規(guī)程技術。與傳統(tǒng)的OTS模擬技術相比，ASIM具備以下的創(chuàng)新點： 高精度的模型；工藝操作的知識的結合；模擬了裝置操作的所有環(huán)節(jié)。

2.1 動態(tài)工藝模擬技術

ASIM中所有的工藝模型都是基于嚴格的熱力學和動力學的機理模型，即由狀態(tài)方程求解化學平衡及相平衡。該方法適應于多組分、多相變、有化學反應的復雜體系，并具有很好外延性。

ASIM軟件技術平臺具有完整的基本模型庫，在模型開發(fā)過程中，可從中調出模型，將它們在線構成工廠流程，在線修改流程和調試參數(shù)。模型庫包含內容見表1所列。

表1 模型庫包含內容

2.2 控制系統(tǒng)模擬技術

ASIM中使用真實的DCS控制模型算法,能更好地模擬該類DCS，結合嚴格的過程工藝模型，使整個ASIM能更真實地反映被模擬工藝對象的過程特性?？刂葡到y(tǒng)的模擬系統(tǒng)包括： 圖形顯示、總貌顯示、控制組顯示、調節(jié)面板顯示、趨勢顯示、報警總顯示，聲像功能、硬拷貝功能、操作員功能、在線幫助功能、其他DCS顯示和功能、安全停車聯(lián)鎖功能。

2.3 智能化操作規(guī)程技術

ASIM中使用生產操作管理系統(tǒng)(ASOP)，包括以下的操作專用技術與操作知識：

1) 操作規(guī)程。可以進行實際操作的規(guī)程，通常這些規(guī)程將被整理成可以定義單個操作任務的操作卡。通過多個操作卡的串聯(lián)或并聯(lián)還可以形成大的操作任務，如： 開停工操作規(guī)程；異常/應急處理預案；安全島操作規(guī)程及其他規(guī)程。

2) 操作指南。文檔供信息查詢，包括： 工藝技術規(guī)程；操作指南、操作規(guī)定；儀表控制系統(tǒng)操作法；安全生產及環(huán)境保護。

3 應用案例

用戶企業(yè)為原油加工能力5 Mt/a的柴油質量升級項目，1.2×104m3/h制氫裝置是該公司的第一套制氫裝置，該項目改造之后將給北京地區(qū)提供優(yōu)質國Ⅴ柴油成品油；同時，還有0.3 Mt/a催化輕汽油醚化裝置擴能改造項目，該裝置于2015年7月底一次投產成功，不但大幅提高汽油辛烷值，并且將低廉的甲醇高效轉化為高價值的汽油產品，帶來可觀經(jīng)濟效益。

以上2套裝置對于該煉化廠操作員來說都是全新的生產流程，北京賽普泰克公司根據(jù)用戶企業(yè)需求，結合使用動態(tài)模擬軟件和ABB 800xA模擬軟件，開發(fā)出整個裝置的動態(tài)模擬系統(tǒng)(虛擬裝置)。在開發(fā)及驗收過程中驗證了該工藝流程與控制方案設計，調試校正DCS組態(tài)文件并通過該模擬系統(tǒng)整定出初步的PID控制參數(shù)；操作員在該虛擬裝置上反復開停工操作，結合操作規(guī)程管理系統(tǒng)制訂并通過驗證得到詳細完整的生產操作卡；導入定版操作卡的操作規(guī)程管理系統(tǒng)與虛擬裝置連接集成，培訓并考核操作工對新裝置的操作能力。

3.1 建立制氫和醚化裝置的ASIM系統(tǒng)

應用ASIM技術建立制氫與醚化裝置的模型。動態(tài)制氫和醚化裝置模型具有完善的物性方法數(shù)據(jù)支持、精確的工藝設備模塊算法及穩(wěn)定的“壓力-流量”動態(tài)模擬計算方法。根據(jù)實際裝置流程和工藝設備數(shù)據(jù)配置出的動態(tài)工藝模型，相當于高保真的“虛擬工藝裝置”。DCS模擬采用真實裝置的ABB 800xA系統(tǒng)，只是增加了控制運行模擬站環(huán)境，即用相同算法的軟控制器替代真實的硬件控制器，運行真實的DCS組態(tài)文件，用OPC接口替代I/O卡件與動態(tài)裝置模型中對應的設備模塊連接集成，建立完整的動態(tài)裝置模型。

3.2 利用ASIM進行設計驗證與DCS組態(tài)預調試

ASIM集成完成后，能夠在對應于外操人員操作的現(xiàn)場操作站和內操人員操作的ABB 800xA操作站上，反復進行開工操作和異常工況操作。由于裝置模型的精度高，在反復進行的操作和動態(tài)響應過程中，發(fā)現(xiàn)了工藝設計及控制方案設計方面的某些問題并幫助測試其解決方案。由于ABB 800xA中DCS與實際裝置幾乎完全一致，所以，每一次在動態(tài)裝置模型上進行開工操作，也就相當于一次真實的組態(tài)文件預調試過程；同時動態(tài)疏理各個控制回路，驗證控制器作用方向和復雜控制的邏輯和計算公式，并整定出PID控制參數(shù)。在反復操作過程中不斷摸索裝置運行規(guī)律，改進和細化各階段的操作步驟，形成更為合理的操作規(guī)程和操作卡。

3.3 建立制氫和醚化裝置先進操作規(guī)程管理系統(tǒng)

建立制氫與醚化裝置的先進操作規(guī)程管理系統(tǒng)，除了能夠很方便地編輯和管理操作規(guī)程、操作卡、作業(yè)票等文件外，還能監(jiān)督各生產操作按照規(guī)章制度及操作要求嚴格實施和執(zhí)行，并且給出科學合理的考核評價。先進操作規(guī)程管理系統(tǒng)，不但幫助業(yè)主很方便地整理和驗證出切合實際的操作規(guī)程和操作卡，還能在培訓時保證操作工嚴格按照操作卡步驟操作，并給出科學合理的考核成績和操作失誤評價，幫助操作工總結操作失誤經(jīng)驗和教訓。

3.4 操作工培訓與考核

1) 教員根據(jù)不同需求選擇不同培訓操作方案或場景，一鍵啟動動態(tài)制氫和醚化動態(tài)裝置模型系統(tǒng)及先進操作規(guī)程管理系統(tǒng)，在運行界面上可以運行、暫停模型，保存、調用工況。

2) 操作工在各自操作站上運行現(xiàn)場操作站和DCS操作站，連接到動態(tài)裝置模型系統(tǒng)；同時啟動操作規(guī)程管理系統(tǒng)。

3) 不需教員操作指導，操作工可根據(jù)操作卡步驟在DCS操作站或現(xiàn)場操作站進行傻瓜式的培訓操作，每操作完一步就確認一步，系統(tǒng)就自動記錄下該步驟的執(zhí)行情況。

4) 每一步確認操作時從動態(tài)裝置模型系統(tǒng)中獲得操作響應信息，判斷操作是否正確并進行評分。如果扣分，系統(tǒng)會給出操作失誤的原因。另外，還有質量評分模式評價整個操作過程中某些重要生產參數(shù)的穩(wěn)定性，如果超出合理范圍，系統(tǒng)會自動提示操作工在哪段時間引起扣分。

5) 培訓或考核操作完成后，教員可以在教員站上自動導出該操作工的操作成績單，除了顯示分數(shù)外還會給出操作失誤分析報告，便于操作工總結該次操作的經(jīng)驗和教訓。

4 主要成果

4.1 設計驗證成果舉例

1) 制氫裝置開工初期，需對2條路線分別進行氣密置換，1條是脫硫反應器路線，另1條是轉換爐至變壓吸附裝置PSA前路線，這2條路線都使用原料氣壓縮機K101A/B提供高壓氮氣。為節(jié)省開工時間，開工方案計劃同時啟動K101A和K101B，分別作為這2條路線的高壓氮氣來源，同時進行氣密置換。在動態(tài)裝置模型系統(tǒng)上模擬操作時發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有管線不能直接共用1條防喘閥管線，需新增1條連接管線和現(xiàn)場閥。

2) 制氫裝置某些分程控制方案不合理，如： 末級分離罐D105出口壓力控制器PIC3002，如果只用1個控制器分程控制閥PV3002A和閥PV3002B，開工操作氮氣大循環(huán)時的控制方案與裝置投用PSA正常運行后的控制目的相互矛盾，最后修改為2個控制器PIC3002A和PIC3002B分別控制對應閥門的控制方案。

3) 制氫裝置汽包液位三沖量控制方案在開工初始階段由于產汽量很小難以投用，只能手動操作，因而增加了操作工負荷，為此增加一般的主副環(huán)串級控制方案選項： 即主環(huán)液位控制器直接單獨和副環(huán)流量控制器構成串級控制；當開工進行到一定程度汽包開始大量產汽后，通過切換按鈕投用三沖量控制方案。

4) 醚化輕汽油產品罐壓力控制器量程上限初始設計為0.16 MPa，在操作時發(fā)現(xiàn)正常壓力需控制在0.3 MPa左右，立即從儀表硬件至DCS組態(tài)進行一系列的相應修改。

5) 醚化蒸餾塔T103A塔頂回流33 t/h、塔底全用冷凝水情況下，T103B塔底所耗蒸汽在9 t/h左右，小于設計數(shù)據(jù)中的11.8 t/h，T103A塔底流向T103B塔頂?shù)囊毫啃∮谠O計值。

4.2 DCS預調試成果

1) 制氫裝置發(fā)現(xiàn)并校正了44個控制回路中7個控制器作用方向、若干分程控制配置錯誤、控制器量程配置錯誤、模塊連接錯誤等；整定了所有控制器PID參數(shù)。

2) 制氫裝置發(fā)現(xiàn)汽包液位三沖量控制方案和串級控制方案的組態(tài)邏輯和計算公式錯誤，并幫助進行了組態(tài)文件的修改。

3) 制氫裝置發(fā)現(xiàn)PSA部分由于數(shù)據(jù)類型不同，致使順控程序中的所需測量值不能與DCS進行通信，并協(xié)助進行了組態(tài)文件的修改。

4) 醚化裝置發(fā)現(xiàn)并校正了49個控制回路中15個控制器作用方向、若干分程控制配置錯誤、控制器量程配置錯誤、模塊連接錯誤等。整定了所有控制器PID參數(shù)，實際開工時證實大部分直接可用，剩余大多可先分析實際裝置與模型的差異性，再在這些控制參數(shù)基礎上進行調整： 如對某些流量控制器，由于實際測量信號PV值濾波波動很大，致使控制震蕩，通過減小增益比例參數(shù)和減小積分時間保證控制曲線穩(wěn)定；對于某些溫度控制器，實際裝置由于操作負荷比設計值明顯下降，造成設備熱容效應相對增大而致使測量動態(tài)變化更加滯后，通過增大積分時間或必要時再增加微分時間即可達到較好收斂控制。

4.3 操作卡制定和開工方案測試

1) 通過在動態(tài)裝置模型系統(tǒng)上進行操作，反復測試和驗證了各種開工方案，細化了各階段操作步驟，初步建立了完整的開工操作卡，作為實際開車的依據(jù)。

2) 制氫裝置的動態(tài)裝置模型系統(tǒng)在開工測試中發(fā)現(xiàn)，在氮氣、蒸汽大循環(huán)階段，如果壓力PIC3302A控制較低，大量蒸汽會集中在末級分離罐上冷凝，引起滿罐現(xiàn)象，需將蒸汽輸入量由10 t/h降至3 t/h左右，或改變方案將壓力PIC3302A提高控制在正常操作值。最后將這兩種方案都制訂出詳細的操作卡以供實際開車選擇。

4.4 培訓與考核

通過在動態(tài)裝置模型系統(tǒng)進行開工操作培訓，每個操作工不但熟悉了工藝流程及DCS操作站操作界面，而且對裝置每個階段的操作及響應規(guī)律做到了然于胸。例如： 制氫裝置開工過程中如何提升中壓汽包D107，D108壓力的操作，如何實現(xiàn)三沖量控制或串級控制的操作步驟以及如何實現(xiàn)三沖量控制和串級控制的切換。醚化裝置培訓使操作工熟練掌握了蒸餾塔及甲醇回收塔的穩(wěn)定調整操作，如塔底蒸汽量及塔頂回流量的相互配合影響操作，達到優(yōu)化狀態(tài)的操作過程，培訓尋找操作平衡點的方法。在醚化裝置實際開工過程中，由于已經(jīng)通過動態(tài)裝置模型系統(tǒng)培訓對裝置各階段運行規(guī)律的提前預知，短時間內實現(xiàn)了一次開車成功并很快調整到穩(wěn)定運行階段。

相對較長時間的開工過程，根據(jù)操作卡拆分成對應各主要開工階段的合適培訓考核時間的多個題組方案，教員只需根據(jù)需要選擇不同方案，一鍵啟動，組織培訓和考核，使得組織培訓考核簡單易行，提高了動態(tài)裝置模型系統(tǒng)使用率?？己藞蟾娣奖銓С觯坏珵椴僮鞴ぬ峁┳陨淼牟僮鹘?jīng)驗總結，還可作為技能鑒定的重要依據(jù)。

5 結束語

ASIM技術在確保工廠操作安全、高效的前提下，減少了裝置開、停車次數(shù)，預防了安全性事故的發(fā)生；在完全安全的環(huán)境中實現(xiàn)操作員的合格驗證和再驗證，對操作規(guī)程進行安全、快速地評價；為控制工程師提供了系統(tǒng)改造和升級的理想設計環(huán)境，使技術員能學習和理解診斷的技能和控制理論，加速生產優(yōu)化和改善。系統(tǒng)通過結合先進而成熟的技術、豐富的工業(yè)經(jīng)驗，為制氫和醚化裝置實現(xiàn)最優(yōu)控制提供保障。通過ASIM技術的應用，2套裝置都實現(xiàn)了一次開車成功，并立即進入穩(wěn)定的運行。ASIM技術在生產裝置建設階段的成功應用也為該技術在生產運行階段的應用打下了良好的基礎，將來可以開展這些模型的在線應用，如在線操作優(yōu)化[3]，智能異常診斷[4]，報警管理應用[5]等。

參考文獻：

[1] 焦念友.基于組件技術的DCS仿真培訓系統(tǒng)及在華北石化公司聯(lián)合裝置上的應用[J].石油大學學報，2004(01)： 35.

[2] 高潔.常壓裝置仿真培訓系統(tǒng)及質量模型研究[D].青島： 中國石油大學(華東)，2007.

[3] 劉蕾，趙眾，陶興文，等.催化裂化反應再生系統(tǒng)的建模與優(yōu)化[J].石油化工自動化，2009，45 (05)： 26-30 .

[4] 陶興文，齊萬松，李陽，等.s_zorb裝置閉鎖料斗異常偵測管理系統(tǒng)的設計及應用[J].石油化工自動化，2015，51(05)： 63-66.

[5] 范宗海，賀文敏，冀曉舉，等.先進報警管理系統(tǒng)的設計實施與應用研究[J].石油化工自動化，2018，54(01)： 7-17.