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2024年12月3日，全球首座數(shù)字孿生智能乙烯工廠—中科煉化智能乙烯工廠通過(guò)驗(yàn)收，標(biāo)志著我國(guó)在化工生產(chǎn)數(shù)字孿生、工業(yè)軟件國(guó)產(chǎn)化、智能設(shè)備研制等關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破，標(biāo)志著我國(guó)石化行業(yè)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)方面邁出重要一步，標(biāo)志著我國(guó)石化行業(yè)乙烯裝置自主智能制造技術(shù)達(dá)到新的里程碑。中科煉化智能乙烯工廠的上線(xiàn)運(yùn)行，為石化行業(yè)的智能化發(fā)展提供了樣板，推動(dòng)了整個(gè)石化行業(yè)向綠色、低碳、可持續(xù)方向發(fā)展。 

一、智能乙烯工廠建設(shè)的背景

乙烯是石化工業(yè)的基石，其產(chǎn)能代表了一個(gè)國(guó)家石化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。通過(guò)乙烯可以衍生出眾多化工產(chǎn)品，形成龐大的產(chǎn)業(yè)鏈，涵蓋塑料、化纖、橡膠、溶劑、涂料等多個(gè)領(lǐng)域。乙烯作為工業(yè)的龍頭，不僅在現(xiàn)代工業(yè)體系中占據(jù)核心地位，還通過(guò)其龐大的產(chǎn)業(yè)鏈帶動(dòng)了包裝、建筑、汽車(chē)、電子、紡織、醫(yī)藥等多個(gè)行業(yè)的發(fā)展。

多年來(lái)，中國(guó)石化持續(xù)開(kāi)展乙烯裂解爐技術(shù)研發(fā)，到目前為止，采用CBL技術(shù)的裂解爐超過(guò)210臺(tái)，總乙烯生產(chǎn)能力超過(guò)2000萬(wàn)噸/年。中科煉化乙烯裝置是國(guó)內(nèi)首臺(tái)采用中國(guó)石化自有CBL裂解技術(shù)制造、世界范圍內(nèi)規(guī)模最大的30萬(wàn)噸/年大型氣體裂解爐，在中科煉化第一次投用，總體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，是目前全球已建成投產(chǎn)的單爐能力最大的裂解爐，代表了國(guó)內(nèi)乙烯生產(chǎn)技術(shù)的先進(jìn)水平和規(guī)模化生產(chǎn)能力。除了核心設(shè)備，中國(guó)石化研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的蒸汽裂解裝置工藝軟件包。

乙烯裝置是石化工業(yè)中科技含量最高的化工裝置之一。針對(duì)乙烯裝置過(guò)程機(jī)理復(fù)雜、生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)、設(shè)備種類(lèi)繁多、操控耦合性高、安全環(huán)保要求苛刻等特點(diǎn)，從行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的角度來(lái)看，亟需將創(chuàng)新工藝技術(shù)與人工智能等新一代信息技術(shù)進(jìn)行深度融合，提升資源統(tǒng)籌、控制優(yōu)化、資產(chǎn)管理和安全環(huán)保水平。中國(guó)石化將開(kāi)展乙烯智能工廠建設(shè)作為實(shí)現(xiàn)乙烯工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要路徑，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)研究和沉淀，在中科煉化建成了世界首座數(shù)字孿生智能乙烯工廠，取得了很多技術(shù)創(chuàng)新和突破。

二、主要技術(shù)創(chuàng)新

數(shù)字孿生智能乙烯工廠是在新一代信息通信技術(shù)和乙烯工藝技術(shù)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)成套技術(shù)的軟件化封裝、工程建設(shè)的數(shù)字化交付，并結(jié)合工業(yè)數(shù)據(jù)的混合建模修正，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)以工業(yè)軟件為核心的石化工廠數(shù)字孿生，以數(shù)據(jù)和模型為驅(qū)動(dòng)，提升資源高效利用、生產(chǎn)操控優(yōu)化、設(shè)備可靠運(yùn)行、安全環(huán)保低碳等智能化運(yùn)營(yíng)水平。

經(jīng)過(guò)技術(shù)研究和攻關(guān)，提出了智能乙烯工廠建設(shè)總體架構(gòu)、實(shí)施路徑，有效破解了工藝、設(shè)備、安全、環(huán)保、信息技術(shù)等多專(zhuān)業(yè)深度融合的難題，研發(fā)了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心工業(yè)軟件及智能裝備。

創(chuàng)新點(diǎn)一：開(kāi)展了數(shù)字孿生智能乙烯工廠建設(shè)系統(tǒng)性研究。研究了數(shù)字孿生智能乙烯工廠內(nèi)涵和總體架構(gòu)，提出了“成套技術(shù)成果軟件化、工程建設(shè)交付數(shù)字化、石化工廠運(yùn)營(yíng)智能化”的數(shù)字孿生智能乙烯工廠一體化實(shí)施路徑，建成了石化領(lǐng)域全球首套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字孿生智能乙烯工廠。

創(chuàng)新點(diǎn)二：突破了數(shù)字孿生智能乙烯工廠建設(shè)關(guān)鍵核心技術(shù)。創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了乙烯工廠邊緣計(jì)算平臺(tái)，支持涵蓋石油化工相關(guān)產(chǎn)業(yè)的工業(yè)物聯(lián)協(xié)議解析120余種；構(gòu)建了乙烯裝置多專(zhuān)業(yè)、多模態(tài)、多尺度的高精度數(shù)字孿生模型，替代了國(guó)外的裂解反應(yīng)模型；研制了分析儀器儀表、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)電儀系統(tǒng)和巡檢機(jī)器人等3類(lèi)9種分析監(jiān)測(cè)乙烯工廠運(yùn)行狀態(tài)的軟硬一體化智能設(shè)備。

創(chuàng)新點(diǎn)三：開(kāi)發(fā)了數(shù)字孿生智能乙烯工廠成套運(yùn)營(yíng)技術(shù)。主要包括：基于自主成套技術(shù)的乙烯裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化及智能控制技術(shù)，在線(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化軟件模型收斂率96.9%；“動(dòng)靜電儀”關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)控及故障預(yù)警技術(shù)，電氣設(shè)備故障早期預(yù)警率超過(guò)90%；基于風(fēng)險(xiǎn)演變?nèi)^(guò)程的鏈?zhǔn)桨踩揽丶夹g(shù)，全流程典型工藝異常診斷準(zhǔn)確率超過(guò)94%，降低DCS內(nèi)操人員勞動(dòng)強(qiáng)度60%；節(jié)能減排的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)管控技術(shù)，乙烯裂解爐NOx排放濃度預(yù)測(cè)提前15分鐘，模型預(yù)測(cè)誤差≤5%，廢堿排放較實(shí)施前減少19%。

三、智能乙烯工廠應(yīng)用成效

——實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制由平穩(wěn)控制向?qū)崟r(shí)優(yōu)化轉(zhuǎn)變。

研發(fā)應(yīng)用裂解反應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中科煉化所有裂解原料和所有爐型的收率預(yù)測(cè)計(jì)算，可快速在指定操作條件范圍內(nèi)找到最佳操作點(diǎn)，并為裂解爐計(jì)劃優(yōu)化和燒焦排產(chǎn)提供指導(dǎo)，有效提升了工藝人員和操作人員的操作水平；研發(fā)應(yīng)用自主研發(fā)的裂解反應(yīng)模型，替代了國(guó)外軟件，每年節(jié)約軟件授權(quán)費(fèi)用50余萬(wàn)元，雙烯收率提高了0.315個(gè)百分點(diǎn)，投用以來(lái)為中科煉化乙烯裝置增效360.8萬(wàn)元；研發(fā)應(yīng)用乙烯裝置全流程智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了裂解爐的爐出口溫度控制、負(fù)荷控制、支路溫度均衡控制、稀釋比控制和熱值/負(fù)荷前饋控制，裝置平均自控率由投用前的98.44%提升至99.50%以上，大幅提升了乙烯裝置整體控制精度；研發(fā)應(yīng)用乙烯碳三加氫反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器全工況智能優(yōu)化控制，提升丙烯選擇性14.6個(gè)百分點(diǎn)，增產(chǎn)丙烯1318.09噸/年。

——實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理由事后檢修向預(yù)知維護(hù)轉(zhuǎn)變。

通過(guò)應(yīng)用裂解爐設(shè)備異常工況預(yù)警與報(bào)警技術(shù)，實(shí)時(shí)顯示裂解爐的報(bào)警情況，智能分析報(bào)警原因，并預(yù)測(cè)可能發(fā)生的異常工況，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警，為操作人員提供指導(dǎo)；通過(guò)對(duì)裂解爐管壁溫、CO、氧含量等實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)的整合分析，實(shí)現(xiàn)了裂解爐爐膛安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保裂解爐的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，提高了爐管壽命和裂解爐在線(xiàn)率；通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)Q熱器污垢系數(shù)、儀表偏差和塔盤(pán)分離效率，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行異常；通過(guò)人工智能技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)乙烯核心設(shè)備早期故障預(yù)警和診斷，自動(dòng)預(yù)警準(zhǔn)確率90%，自動(dòng)診斷準(zhǔn)確率87%，有效避免壓縮機(jī)核心部件損壞以及裝置非計(jì)劃停工造成的損失；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電氣設(shè)備智能運(yùn)檢及故障診斷有效提升了電氣設(shè)備狀態(tài)的預(yù)警預(yù)判能力，對(duì)故障的早期預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)90%以上，提升電氣系統(tǒng)事故早期發(fā)現(xiàn)率30%以上，節(jié)省人力30%以上；通過(guò)應(yīng)用乙烯裝置閥門(mén)內(nèi)漏診斷技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)在用閥門(mén)進(jìn)行在線(xiàn)內(nèi)漏監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、改進(jìn)企業(yè)進(jìn)火炬旁路閥等閥門(mén)內(nèi)漏，有效減少物料損失，助力安全隱患的及時(shí)排查和產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

——實(shí)現(xiàn)安全防控由事后處置向事前預(yù)警轉(zhuǎn)變。

采用乙烯裝置水質(zhì)和烯烴泄漏新型檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了乙烯裝置急冷區(qū)稀釋蒸汽區(qū)域換熱器水中COD和丙烯精餾塔塔頂冷凝器中烯烴的快速高效檢測(cè)，快速識(shí)別乙烯裝置中的異常工況，提升裝置運(yùn)行的預(yù)警水平，有效降低企業(yè)的生產(chǎn)檢修成本；采用直接作業(yè)環(huán)節(jié)的智能化安全管控技術(shù)，大幅降低了高危作業(yè)中員工的違章違規(guī)行為，有效減少消除了人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)，防范事故發(fā)生和減少事故損失；采用乙烯全流程智能監(jiān)控、預(yù)警、報(bào)警及處置技術(shù)，早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)警工藝異常，并對(duì)裝置的重要報(bào)警進(jìn)行分析，分析報(bào)警產(chǎn)生的原因及后果，縮短異常工況響應(yīng)和處置時(shí)間；采用乙烯裝置突發(fā)事件預(yù)警與應(yīng)急聯(lián)動(dòng)技術(shù)，有效降低了50%火災(zāi)識(shí)別預(yù)警誤報(bào)率，并快速識(shí)別出乙烯裝置中的異常工況，為中科煉化提供了涵蓋火災(zāi)識(shí)別、輔助決策、應(yīng)急會(huì)商、聯(lián)動(dòng)指揮等多環(huán)節(jié)的整體解決方案，提高了企業(yè)應(yīng)急救援效率。

——實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排由指標(biāo)監(jiān)測(cè)向源頭減排轉(zhuǎn)變。

利用基于先進(jìn)模型的裝置節(jié)能技術(shù)，快速獲得分離系統(tǒng)各單元的進(jìn)料組分和各單元進(jìn)料的變化情況，幫助操作人員在線(xiàn)識(shí)別主要設(shè)備偏離操作設(shè)計(jì)理論值的程度，指導(dǎo)開(kāi)展優(yōu)化操作，節(jié)省分離單元和三機(jī)能耗；利用裂解爐燃燒控制及煙氣智能治理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)乙烯裂解爐NOx污染物超標(biāo)預(yù)測(cè)，并可提供乙烯裂解爐低氮燃燒技術(shù)工藝控制參數(shù)調(diào)控方案，指導(dǎo)燃燒器的調(diào)整，輔助乙烯裂解爐煙氣實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，支撐企業(yè)減污增效；利用工藝優(yōu)化耦合在線(xiàn)控制技術(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算不同反應(yīng)段酸堿濃度，幫助操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控堿洗塔各段堿液濃度和廢堿液生成的變化過(guò)程，并通過(guò)數(shù)據(jù)記錄和趨勢(shì)展示評(píng)估稀釋蒸汽系統(tǒng)的換熱效果，通過(guò)減少?gòu)U堿液排放量每月平均節(jié)省成本6.83萬(wàn)元；利用乙烯碳足跡智能核算技術(shù)，智能核算原料帶入、能源消耗、工藝排放等環(huán)節(jié)的乙烯碳（隱含碳）排放量，實(shí)現(xiàn)碳排放總量及強(qiáng)度變化趨勢(shì)的比對(duì)，為裝置優(yōu)化運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

——實(shí)現(xiàn)作業(yè)模式由人工操作向人機(jī)協(xié)同轉(zhuǎn)變。

運(yùn)用機(jī)器人和智能巡檢技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了乙烯裝置冷區(qū)儀表讀數(shù)識(shí)別、設(shè)備溫度異常檢測(cè)、氣體泄漏機(jī)器識(shí)別，并升級(jí)到了涉氫場(chǎng)所的防爆要求，實(shí)現(xiàn)200m距離下，不小于0.5m×0.5m的氣體泄漏目標(biāo)的快速識(shí)別，識(shí)別響應(yīng)時(shí)間≤5s，大幅提升現(xiàn)場(chǎng)智能化管控水平，節(jié)省了企業(yè)巡檢成本；運(yùn)用配電軌道機(jī)器人技術(shù)，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛伏性缺陷，有效降低由于配電柜設(shè)備突發(fā)故障導(dǎo)致的乙烯裝置非計(jì)劃停工；運(yùn)用機(jī)柜間電器智能巡檢機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能分析診斷，實(shí)時(shí)識(shí)別絕緣故障、老化、熱故障等隱蔽性缺陷，監(jiān)控電流、電壓、斷路器運(yùn)行狀態(tài)及配電室環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在故障的超早期預(yù)警和排查、預(yù)知性維修，故障識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)90%以上；運(yùn)用乙烯裝置操作程序及智能化操作，實(shí)現(xiàn)了裂解爐升溫、投料、退料、燒焦、降溫等關(guān)鍵操作的智能執(zhí)行，降低了操作人員操作頻次60%以上，實(shí)現(xiàn)了裂解爐關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化控制、操作指導(dǎo)和監(jiān)控預(yù)警，促進(jìn)乙烯裝置多產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，上線(xiàn)運(yùn)行以來(lái)增加銷(xiāo)售利潤(rùn)55.98萬(wàn)元。

通過(guò)乙烯工廠的數(shù)字孿生應(yīng)用實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了乙烯裝置的智能運(yùn)行，打造了世界一流、行業(yè)領(lǐng)先的乙烯裝置卓越運(yùn)營(yíng)新能力，推動(dòng)了中國(guó)石化化工生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展，同時(shí)取得了明顯的社會(huì)效益。打造了全球首套數(shù)字孿生智能乙烯工廠。在資源高效利用、生產(chǎn)操控優(yōu)化、設(shè)備健康運(yùn)行、安全環(huán)保低碳等方面，實(shí)現(xiàn)了全面提升，樹(shù)立了石化行業(yè)數(shù)字孿生智能工廠標(biāo)桿；提升了石化產(chǎn)業(yè)工業(yè)軟件自主安全可控水平。通過(guò)自主成套技術(shù)與新一代信息技術(shù)融合，以數(shù)據(jù)和模型為驅(qū)動(dòng)，研發(fā)了適用于石化工廠的系列工業(yè)軟件，在關(guān)鍵核心技術(shù)方面打破國(guó)外壟斷；帶動(dòng)了智能制造生態(tài)建設(shè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。組建了產(chǎn)學(xué)研用一體化的創(chuàng)新聯(lián)合體，推動(dòng)了跨行業(yè)、多專(zhuān)業(yè)的上下游產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新及聯(lián)動(dòng)發(fā)展，促進(jìn)了石化產(chǎn)業(yè)智能化生態(tài)建設(shè)。

展望未來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的發(fā)展，智能乙烯工廠將得到不斷升級(jí)，具備更強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自控制、自?xún)?yōu)化和自決策能力，推動(dòng)乙烯產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，引領(lǐng)化工行業(yè)向更智能、更高水平邁進(jìn)。