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驗收，標志著我國在化工生產(chǎn)數(shù)字孿生、工業(yè)軟件國產(chǎn)化、智能設備研制等關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破，標志著我國石化行業(yè)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級方面邁出重要一步，標志著我國石化行業(yè)乙烯裝置自主智能制造技術(shù)達到新的里程碑。中科煉化智能乙烯工廠的上線運行，為石化行業(yè)的智能化發(fā)展提供了樣板，推動了整個石化行業(yè)向綠色、低碳、可持續(xù)方向發(fā)展。 

一、 智能乙烯工廠建設的背景

乙烯是石化工業(yè)的基石，其產(chǎn)能代表了一個國家石化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。通過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、涂料等多個領域。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，還通過其龐大的產(chǎn)業(yè)鏈帶動了包裝、建筑、汽車、電子、紡織、醫(yī)藥等多個行業(yè)的發(fā)展。

多年來，中國石化持續(xù)開展乙烯裂解爐技術(shù)研發(fā)，到目前為止，采用CBL技術(shù)的裂解爐超過210臺，總乙烯生產(chǎn)能力超過2000萬噸/年。中科煉化乙烯裝置是國內(nèi)首臺采用中國石化自有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)濟指標達到國際領先水平，是目前全球已建成投產(chǎn)的單爐能力最大的裂解爐，代表了國內(nèi)乙烯生產(chǎn)技術(shù)的先進水平和規(guī)模化生產(chǎn)能力。除了核心設備，中國石化研發(fā)了具有自主知識產(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。針對乙烯裝置過程機理復雜、生產(chǎn)連續(xù)性強、設備種類繁多、操控耦合性高、安全環(huán)保要求苛刻等特點，從行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的角度來看，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。中國石化將開展乙烯智能工廠建設作為實現(xiàn)乙烯工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要路徑，經(jīng)過多年的技術(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)動下，通過成套技術(shù)的軟件化封裝、工程建設的數(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)平臺上實現(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，提升資源高效利用、生產(chǎn)操控優(yōu)化、設備可靠運行、安全環(huán)保低碳等智能化運營水平。

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

創(chuàng)新點一：開展了數(shù)字孿生智能乙烯工廠建設系統(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、工程建設交付數(shù)字化、石化工廠運營智能化”的數(shù)字孿生智能乙烯工廠一體化實施路徑，建成了石化領域全球首套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字孿生智能乙烯工廠。

創(chuàng)新點二：突破了數(shù)字孿生智能乙烯工廠建設關(guān)鍵核心技術(shù)。創(chuàng)新開發(fā)了乙烯工廠邊緣計算平臺，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)建了乙烯裝置多專業(yè)、多模態(tài)、多尺度的高精度數(shù)字孿生模型，替代了國外的裂解反應模型；研制了分析儀器儀表、在線監(jiān)測電儀系統(tǒng)和巡檢機器人等3類9種分析監(jiān)測乙烯工廠運行狀態(tài)的軟硬一體化智能設備。

創(chuàng)新點三：開發(fā)了數(shù)字孿生智能乙烯工廠成套運營技術(shù)。主要包括：基于自主成套技術(shù)的乙烯裝置實時優(yōu)化及智能控制技術(shù)，在線實時優(yōu)化軟件模型收斂率96.9%；“動靜電儀”關(guān)鍵設備監(jiān)控及故障預警技術(shù)，電氣設備故障早期預警率超過90%；基于風險演變?nèi)^程的鏈式安全防控技術(shù)，全流程典型工藝異常診斷準確率超過94%，降低DCS內(nèi)操人員勞動強度60%；節(jié)能減排的在線監(jiān)測管控技術(shù)，乙烯裂解爐NOx排放濃度預測提前15分鐘，模型預測誤差≤5%，廢堿排放較實施前減少19%。

三、 智能乙烯工廠應用成效

——實現(xiàn)過程控制由平穩(wěn)控制向?qū)崟r優(yōu)化轉(zhuǎn)變。

研發(fā)應用裂解反應模型，實現(xiàn)了對中科煉化所有裂解原料和所有爐型的收率預測計算，可快速在指定操作條件范圍內(nèi)找到最佳操作點，并為裂解爐計劃優(yōu)化和燒焦排產(chǎn)提供指導，有效提升了工藝人員和操作人員的操作水平；研發(fā)應用自主研發(fā)的裂解反應模型，替代了國外軟件，每年節(jié)約軟件授權(quán)費用50余萬元，雙烯收率提高了0.315個百分點，投用以來為中科煉化乙烯裝置增效360.8萬元；研發(fā)應用乙烯裝置全流程智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了裂解爐的爐出口溫度控制、負荷控制、支路溫度均衡控制、稀釋比控制和熱值/負荷前饋控制，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)應用乙烯碳三加氫反應器，實現(xiàn)了反應器全工況智能優(yōu)化控制，提升丙烯選擇性14.6個百分點，增產(chǎn)丙烯1318.09噸/年。

——實現(xiàn)設備管理由事后檢修向預知維護轉(zhuǎn)變。

通過應用裂解爐設備異常工況預警與報警技術(shù)，實時顯示裂解爐的報警情況，智能分析報警原因，并預測可能發(fā)生的異常工況，實現(xiàn)提前預警，為操作人員提供指導；通過對裂解爐管壁溫、CO、氧含量等實時操作數(shù)據(jù)的整合分析，實現(xiàn)了裂解爐爐膛安全的實時監(jiān)控，確保裂解爐的長周期安全運行，提高了爐管壽命和裂解爐在線率；通過實時監(jiān)控換熱器污垢系數(shù)、儀表偏差和塔盤分離效率，提前發(fā)現(xiàn)設備運行異常；通過人工智能技術(shù)的應用，實現(xiàn)乙烯核心設備早期故障預警和診斷，自動預警準確率90%，自動診斷準確率87%，有效避免壓縮機核心部件損壞以及裝置非計劃停工造成的損失；數(shù)據(jù)驅(qū)動的電氣設備智能運檢及故障診斷有效提升了電氣設備狀態(tài)的預警預判能力，對故障的早期預警準確率達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；通過應用乙烯裝置閥門內(nèi)漏診斷技術(shù)，對生產(chǎn)在用閥門進行在線內(nèi)漏監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)、改進企業(yè)進火炬旁路閥等閥門內(nèi)漏，有效減少物料損失，助力安全隱患的及時排查和產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

——實現(xiàn)安全防控由事后處置向事前預警轉(zhuǎn)變。

采用乙烯裝置水質(zhì)和烯烴泄漏新型檢測技術(shù)，實現(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，快速識別乙烯裝置中的異常工況，提升裝置運行的預警水平，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、預警、報警及處置技術(shù)，早期發(fā)現(xiàn)和預警工藝異常，并對裝置的重要報警進行分析，分析報警產(chǎn)生的原因及后果，縮短異常工況響應和處置時間；采用乙烯裝置突發(fā)事件預警與應急聯(lián)動技術(shù)，有效降低了50%火災識別預警誤報率，并快速識別出乙烯裝置中的異常工況，為中科煉化提供了涵蓋火災識別、輔助決策、應急會商、聯(lián)動指揮等多環(huán)節(jié)的整體解決方案，提高了企業(yè)應急救援效率。

——實現(xiàn)節(jié)能減排由指標監(jiān)測向源頭減排轉(zhuǎn)變。

利用基于先進模型的裝置節(jié)能技術(shù)，快速獲得分離系統(tǒng)各單元的進料組分和各單元進料的變化情況，幫助操作人員在線識別主要設備偏離操作設計理論值的程度，指導開展優(yōu)化操作，節(jié)省分離單元和三機能耗；利用裂解爐燃燒控制及煙氣智能治理技術(shù)，實現(xiàn)了對乙烯裂解爐NOx污染物超標預測，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，指導燃燒器的調(diào)整，輔助乙烯裂解爐煙氣實現(xiàn)達標排放，支撐企業(yè)減污增效；利用工藝優(yōu)化耦合在線控制技術(shù)，實時計算不同反應段酸堿濃度，幫助操作人員實時監(jiān)控堿洗塔各段堿液濃度和廢堿液生成的變化過程，并通過數(shù)據(jù)記錄和趨勢展示評估稀釋蒸汽系統(tǒng)的換熱效果，通過減少廢堿液排放量每月平均節(jié)省成本6.83萬元；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，實現(xiàn)碳排放總量及強度變化趨勢的比對，為裝置優(yōu)化運行提供技術(shù)支撐。

——實現(xiàn)作業(yè)模式由人工操作向人機協(xié)同轉(zhuǎn)變。

運用機器人和智能巡檢技術(shù)，實現(xiàn)了乙烯裝置冷區(qū)儀表讀數(shù)識別、設備溫度異常檢測、氣體泄漏機器識別，并升級到了涉氫場所的防爆要求，實現(xiàn)200m距離下，不小于0.5m×0.5m的氣體泄漏目標的快速識別，識別響應時間≤5s，大幅提升現(xiàn)場智能化管控水平，節(jié)省了企業(yè)巡檢成本；運用配電軌道機器人技術(shù)，提前發(fā)現(xiàn)設備潛伏性缺陷，有效降低由于配電柜設備突發(fā)故障導致的乙烯裝置非計劃停工；運用機柜間電器智能巡檢機器人技術(shù)，實現(xiàn)對關(guān)鍵電氣設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與智能分析診斷，實時識別絕緣故障、老化、熱故障等隱蔽性缺陷，監(jiān)控電流、電壓、斷路器運行狀態(tài)及配電室環(huán)境，實現(xiàn)對潛在故障的超早期預警和排查、預知性維修，故障識別準確率達90%以上；運用乙烯裝置操作程序及智能化操作，實現(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，實現(xiàn)了裂解爐關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化控制、操作指導和監(jiān)控預警，促進乙烯裝置多產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，上線運行以來增加銷售利潤55.98萬元。

通過乙烯工廠的數(shù)字孿生應用實踐，實現(xiàn)了乙烯裝置的智能運行，打造了世界一流、行業(yè)領先的乙烯裝置卓越運營新能力，推動了中國石化化工生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展，同時取得了明顯的社會效益。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、設備健康運行、安全環(huán)保低碳等方面，實現(xiàn)了全面提升，樹立了石化行業(yè)數(shù)字孿生智能工廠標桿；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，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)方面打破國外壟斷；帶動了智能制造生態(tài)建設和相關(guān)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。組建了產(chǎn)學研用一體化的創(chuàng)新聯(lián)合體，推動了跨行業(yè)、多專業(yè)的上下游產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新及聯(lián)動發(fā)展，促進了石化產(chǎn)業(yè)智能化生態(tài)建設。

展望未來，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，具備更強的自學習、自適應、自控制、自優(yōu)化和自決策能力，推動乙烯產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，引領化工行業(yè)向更智能、更高水平邁進。（本文作者系中國石化集團公司副總工程師、首席工程技術(shù)大師王子宗）