您好,欢迎访问济南乾来环保技术有限公司的网站,真诚为您服务!

济南乾来环保技术有限公司

破乳剂 除油剂 脱色剂 COD去除剂 重金属捕集剂 膜防污堵剂 混凝剂 絮凝剂

咨询服务电话:

13793114545

新闻资讯
数字孪生技术与石油石化行业融合分析
来源:济南乾来环保技术有限公司 发布时间:2020-04-17 11:28:18 浏览次数:
原标题:石化行业数字孪生技术的应用探索
作者:余斌1,朱伟佳2


  摘要:石油石化行业作为我国重要能源之一,是国民经济发展的重要基础。保障石油石化生产企业的安全高效生产是企业的重要目标。本文针对石油石化流程行业生产过程中存在的工况连续性、复杂多变性问题,引入数字孪生技术,通过构建流程行业的数字孪生物理模型、数字孪生工况模型,搭建数字孪生系统,以期提高企业生产效率,保障企业安全高效运行。研究发现,基于数字孪生系统开展原料组成优化、工艺参数设计与仿真、生产过程建模与优化控制、设备故障诊断与远程运维方面应用的示范性装置,产品质量、经济效益均有较大程度的提升,同时装置能耗有较大降低,在提高工厂生产效率,保障工厂安全高效运行的同时,为企业带来巨大的经济效益。

  关键词:数字孪生;流程行业;数字孪生系统;数字孪生模型;数据

  当前,人类社会正处于大发展大变革大调整的新时代,云计算、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术的应用引领产业变革,以数字化为基础的数字经济成为新时代下工业领域的发展趋势,工业互联网、数字孪生等新模式应运而生。面对基于新一代信息技术实现工业变革与数字化转型的挑战,我国提出以新一代信息技术与制造业深度融合为主线,以推进智能制造为主攻方向,不断提升企业的产品质量、生产效率和服务水平[1-3]。石油石化行业作为典型的流程工业,对智能制造及数字化转型升级需求非常迫切,数字孪生技术作为实现数字化转型、解决物理世界与信息世界之间交互共融、践行智能制造目标的关键技术,正被广泛关注,本文对数字孪生技术在流程行业的应用进行了探索和研究。

  1 数字孪生技术发展情况

  1.1 数字孪生概念

  2003 年,Grieves 等[4]在美国密歇根大学产品生命周期管理课程上首次提出数字孪生的概念,并在军工及航空航天领域率先应用。数字孪生是数字化转型的技术手段,是以数字化的方式构建物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型,从而对物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等进行仿真与表达[5-8]。基于该虚拟模型为实际生产提供智能运行、生产优化的服务。

  数字孪生作为一种可实现制造物理世界和信息世界交互融合的潜在有效途径,通过物理生产线与虚拟生产线的双向真实映射与实时交互,实现物理生产线、虚拟生产线、生产线服务系统的全要素、全流程、全业务数据的集成和融合,在生产线孪生数据的驱动下,实现生产线生产要素管理、生产活动计划、生产过程控制等在物理生产线、虚拟生产线、生产线服务系统间的迭代运行,从而在满足特定目标和约束的前提下,达到生产线生产和管控最优[2-3,9]。

  1.2 数字孪生模型

  (1)物理空间实体模型 这是将工厂设计、采购、施工以及运行维护所产生的三维模型、数据、文档进行系统性的规范整理,并以管理对象为核心,多种业务编码为纽带,把各种信息有机关联起来的综合体。是实物资产的数字化表达方式,可以完全反映实物资产的数字信息;把抽象的对象可视化、分散的信息集成化和有逻辑关系的信息关联化。主要建模技术包括逆向建模和数字化交付技术。

  (2)虚拟空间多维模型 这是应用流程模拟技术,开发真实工艺单元、装置、系统的严格数学模型,即工艺装置的数字孪生模型,能够真实再现工艺装置的流程信息,实现对工艺装置的可视化的洞察,包括对能量、质量的平衡、物流组成、操作条件、性能指标的了解,对不同工况的研究、预测、异常工况的诊断,对实时生产操作条件指导等,从而帮助企业的各个部门实现全方位的协作,提高安全性、可控性,实现企业的安全稳定长周期满负荷优化运行,实现企业生产的最大经济效益,提高竞争力。

  1.3 数字孪生应用

  在国外方面,西门子公司提出的“数字化双胞胎”的概念,致力于帮助制造企业在信息空间构建整合制造流程的生产系统模型,实现物理空间从产品设计到制造执行的全过程数字化。针对复杂产品用户交互需求,达索公司建立了基于数字孪生的3D体验平台[10],利用用户反馈不断改进信息世界的产品设计模型,从而优化物理世界的产品实体,并以飞机雷达为例进行了验证。

  在国内方面,陶飞等[5]探索了数字孪生车间的概念、组成与运行机制,为数字孪生在生产制造环节落地应用提供了基础理论支撑参考。屈挺等[11]利用数字孪生思想将物联制造下的在线控制理念进行扩展,提出多系统联动优化控制思想、机制及定量优化方法,并应用于生产过程的精准计划、实时跟踪与动态控制3 个阶段,相应技术和系统已在嘉宝莉化工集团等行业龙头企业应用实施。

  数字孪生具有巨大的应用潜力,但是当前数字孪生技术与石油石化等流程行业的融合研究与实践不足,应用也相对较少。因此通过研究建立面向原料、产品需求、公用工程约束频繁变化的石化行业数字孪生系统,提高关键生产装置的质量指标预测与关键控制指标预测精度、实现先进控制和优化系统的长期有效应用,实现石化企业提质增效、安全平稳运行的可持续发展目标,是石化行业智能制造转型升级的必然发展趋势。

  2 数字孪生技术与石化行业融合分析

  石化行业产品多元化、生产过程连续,涉及原油调和、配方优化、生产工艺优化等业务环节,越来越多的石化企业提出建立数字化模型,建立数据采集与监控系统,并进行模拟仿真,实现全流程监控、生产流程数据可视化和生产工艺优化的要求。尤其是受新能源应用和市场影响,石化企业正走向“炼油化工化”,面向燃料油的大批量的生产模式转向多品种小批量化工生产模式。建立面向原料、产品需求、公用工程约束频繁变化的炼油生产过程数字孪生系统,能够适应“炼油化工化”新模式,实现石化企业提质增效、安全平稳运行的可持续发展目标。

  由此可见,数字孪生技术与石化等流程行业的智能制造目标不谋而合,数字孪生技术可以为石化行业的智能制造提供强有力的理论支撑与实践指导。

  3 石化行业数字孪生系统建设

  石化行业数字孪生系统将感知采集、计算分析、仿真模拟、优化控制技术与流程行业的物理实体、运行状态等生产要素深度融合,将流程行业物理实体、运行状态、生产过程的状态、特征、行为等精准地映射到虚拟空间并进行实时反馈,作用于物理空间实体、生产优化的全生命周期。在该过程中创建的包含物理空间实体空间数据、运行数据、工况数据的虚拟空间模型可看作数字孪生体,基于数字孪生体探索石化行业数字孪生系统在物料配方优化、工艺参数设计与仿真、生产过程建模与控制、设备故障诊断等的应用。

  3.1 建设目标

  围绕流程行业智能化转型升级的迫切需求,构建面向流程行业产品与生产线感知、分析、决策和执行等过程的数字孪生系统。通过研究信息物理融合计算方法,提升多时空尺度模型的统一计算求解能力,优化关键工艺性能指标的模型预测功能。在此功能的基础上,进一步完善支持设备诊断、工艺优化控制等关键场景应用的数字孪生解决方案,服务石化等流程行业。

  3.2 系统总体架构

  石化行业数字孪生系统构建物理空间实体的虚拟实体,并通过传感器、边缘设备等基础网络设施,感知采集人、机、料、法、环、测全要素、全流程数据,实现信息物理融合,最终形成物理实体的虚拟映射,并基于虚拟空间的各种优化模型、预测模型指导实际工作。系统的总体架构如图1 所示。

  3.3 系统主要功能

  (1)模拟、分析、优化、监控与预测流程行业设备、工况运行过程 创建流程行业数字孪生系统的主要作用之一是模拟、分析、优化、监控与预测流程行业中设备、工况在实际环境中的系列行为与过程。通过模拟设备、工况在虚拟环境中的运行情况,掌握要素行为、状态等运行参数,监控设备运行等情况,同时通过预测模型进行产品质量管理,提高关键生产装置的质量指标预测与关键控制指标预测精度、实现先进控制和优化系统的长期有效应用。

  (2)虚实融合,整合全流程、全生命周期数据,促进信息共享 通过数字孪生技术,以虚拟三维模型为载体,将设备属性、设备运行状态、设备维护情况、工艺参数、工艺运行情况等进行实时映射,整合各类、各阶段数据,并以此数据为基础,通过各类模型监测现实环境中的设备、工况状态、行为等,促进信息共享,实现各阶段的高效协同。

  3.4 应用场景探索

  (1)原料组成优化 在不同性质进料原油的情况下,生产过程的出料收率、性质、质量预报模型、控制模型、优化模型、过程的操作成本及对公用工程方面的需求不同。如常压蒸馏,具有不同实沸点原油评价数据的进料原油,即使在同样的操作条件下,常压塔顶直馏汽油的收率明显不同。

  对于进料原油性质存在缓变和不同进料原油的调和比连续变化的情况,目前调度优化过程模型描述中普遍采用多操作状态描述方法(操作状态指的是对应于某种进料及流量和某一固定的操作条件的装置操作),难以用有限种操作状态对过程模型予以全面描述。本论文基于多维度、多层次、多尺度模型石化行业数字孪生系统,实现炼油生产过程满足不同市场产品需求变化的原油调合配方优化。

  (2)工艺参数设计与仿真 这是通过对模型参数的智能化拟合技术来建立装置全流程模型。采用流程模拟软件开发装置的严格机理模型,并通过接口技术将实时数据库、LIMS 数据等现场数据接入模型,调用智能优化算法,实现机理模型在线自动校正,提升单装置和全流程模型的准确性。

  (3)生产过程建模与优化控制 构建优化目标函数,开发适应工业海量数据的高效优化器,根据目标函数和指定操作变量、约束条件,调用模型对最优值进行求解,并输出优化后的操作条件,实时指导生产,实现优化控制的目标。

  (4)设备故障诊断与远程运维 基于设备故障诊断模型、维修策略模型、参数预测算法、故障征兆提取算法等,以设备的可靠性运行为目标,捕获、跟踪、评估生产装置工艺和设备运行状况,自动生成处置方案及故障诊断报告;预测流程状况的变化趋势,提前发现问题,快速定位根源,提高企业科学决策的水平。

  3.5 经济效益分析

  通过建立多维空间虚拟工况模型、优化控制模型,在国内千万吨级石化企业的常减压装置、聚丙烯装置、PTA 装置开展上述应用,从产品收率及降低能耗方面取得显著的效益。

  (1)常减压装置 对1000 万吨处理量的示范装置,年增加高价值轻燃油产品或化工原料中间产品5 万吨以上,所产生的经济效益每年在2000 万元以上。通过加热炉热效率优化提高热效率1%以上,可年节省燃料费用300 万元以上。

  (2)聚丙烯装置 对25 万吨/年聚丙烯装置构建数字孪生模型并进行工艺仿真优化控制、先进控制后,产率相对提高8.7%,装置处理量将达到27.4 万吨/年,产率提高带来的经济效益将达到476.8 万元/年;物耗降低的效益估算见表1 所示。由此可见,总的经济效益将达到1575.4 万元/年。

  (3)PTA 装置 在200 万吨/年左右PTA 装置实施数字孪生模型进行工艺仿真优化控制、先进控制后,PX 单耗将下降0.5kg/t PTA、醋酸单耗将下降0.5kg/t PTA、PX 氧化反应热的利用率将提高2%、提高关键变量的控制平稳度10%、脱离子水单耗平均下降0.05t/t PTA、污水排放减少0.05t/t PTA,综合计算可得出物耗降低效益估算可达1500 万/年、能耗降低效益估算可达200 万/年、降低排放效益估算可达100 万/年、间接效益估算100 万/年,总的经济效益将达到1900 万/年。

  综合可知,在国内千万吨级石化企业实施数字孪生系统后预期经济效益可达5000 万/年以上。

  4 结论

  数字孪生技术作为最具发展潜力的技术,正处于快速发展与探索研究阶段,目前在卫星/空间通信网络、船舶、车辆、发电厂、飞机、复杂机电装备、立体仓库、医疗、制造车间、智慧城市10 个领域[8]都有研究应用,相信在未来也将有更多的领域应用。石油化工是促进国家经济发展的命脉,本文通过数字孪生技术,构建石油化工行业数字孪生模型,探索数字孪生技术在物料配方优化、工艺参数设计与仿真、生产过程建模与优化控制、设备故障诊断与远程运维等领域的应用研究,实现了石油化工设备、工况的全生命周期监测与管理,推动石油化工领域的管理模式的改革创新,预期带来经济效益目前的应用研究仍处于初步探索阶段,实际应用效果需进一步研究。