摘 要：随着大数据、人工智能、云计算等技术的加快速度进行发展,我国炼化行业正快速向着数字化、智能化的方向转型,传统设备管理模式已经没办法满足当前炼化公司发展的需要。文章总结了国内外在设备全生命周期管理方面的研究进展,结合炼化行业的特点,将设备生命周期划分为先天、前期、中期和后期4个阶段,并对各阶段的管理重点进行了分析,提出了设备全生命周期智能化管理方案,为推进设备全生命周期智能化管理提供新的思路。
炼化行业是我国的支柱产业, 其对于保障国家能源安全、经济发展和社会稳定都起到了及其重要的作用。压缩机、泵、反应器、塔器、罐、换热器等设备是炼化装置的重要组成部分, 对装置的稳定运行和经济的效果与利益都有重要影响。随着炼化装置长周期连续运行要求的逐步的提升, 各炼化企业对设备的管理要求也慢慢变得高。物联网、大数据、云计算、人工智能等技术加快速度进行发展,社会各行业都面临着深刻变革, 数字化、智能化正成为炼化行业转型发展的主流。因涉及环节多、实施路线长、专业领域广、需求复杂多样等诸多因素, 我国炼化行业在设备全生命周期管理、智能化转型方面起步较晚, 相关理论、工具、方法的研究尚处于起步探索阶段。本文就智能化背景下炼化设备全生命周期管理开展研究, 介绍了相关理论和背景,提出了智能化背景下设备全生命周期管理的新方向和新理念。
全生命周期的概念最初源于生物学【1】,该概念对很多领域都有较好的适用性,后来在经管领域发展迅速,近年又在各个行业的设备管理领域得到推广和应用【2】。全生命周期管理就是将管理对象看作“生命体”【3】,将科学的管理方法贯穿于“生命体”的整个存续阶段,提高“生命体”的生存质量、生存寿命。设备的全生命周期管理是从设备的需求论证一直到设备报废或回收再利用整一个完整的过程所开展的管理【4】,将整一个完整的过程细分为不同的阶段,根据每个阶段的特点采取有明确的目的性的管理方法,以提高设备的使用成效、常规使用的寿命,降低设备损耗,最大限度发挥正面作用,减少设备对所服务的系统造成的负面影响,做到全方位、全过程的系统管理,实现设备效益最大化。
国外对设备管理理论的研究始于20世纪50年代以后,最初是为了研究解决设备在运行过程中出现的被动维修与公司制作进度之间的矛盾。后来,理论发展从被动维修到主动预测、主动管理,再到预防维修、优化维修、维修预防,根据设备的运作状况和维修需求来选择正真适合的设备管理方式,形成了以美国TPM(全面生产维护)理论和英国综合工程学理论为代表的设备管理理论,设备管理理论不断得到丰富【5-6】。最早的将设备管理与全生命周期管理相结合的理论,是由美国国防部在20世纪60年代提出的设备全生命周期成本(Life Cycle Cost,简称LCC)理论。后来,日本在20世纪70、80年代成立了全生命周期管理委员会并使设备全生命周期管理理论在世界更多国家得到认可。1987年,国际电工委员会颁布了《生命周期成本评价的概念、程序及应用》,促使设备全生命周期管理理论得到加快速度进行发展和极大丰富,并开始了该理论标准化发展。随信息科技和网络技术的加快速度进行发展,数字化管理、模型化管理等新技术手段开始与设备全生命周期管理相结合,成为新的发展方向。
相对于国外,国内对设备管理理论方面的系统性研究开始较晚,直到改革开放以后,才开始大量学习吸收国外的各类理论,并在此基础上,结合行业详细情况开展研究,取得了不少成果。如1998年广州大学李葆文教授在研究美国的TPM理论基础上,提出TNPM(全面规范化生产维护)理论,体现了国外理论与中国国情的结合【7】。国内将全生命周期管理理论应用于不一样的行业的设备管理的实践开始得也较晚,学术界对于有关理论的研究更是比国外晚了很多,目前还没形成较为完善的理论成果体系。在炼化领域,以设备整体及装置的全生命周期为关注点的设备完整性管理理论得到普遍推广【8】。如2013年,中国石化对标国外先进企业完善的设备管理体系,首次在武汉石化试点建立设备完整性管理体系,于2017年对试点进行验收并获得成功,此后,自2018年开始分批在各所属炼化企业推广,使得各企业设备管理上的水准显著提升【9】。近年来,炼化行业不断加大“两化融合”力度,大力推进“数字工厂”“智慧工厂”建设,设备状态监测、故障诊断等技术逐渐加大应用,设备全生命周期管理与数字化、智能化的结合慢慢的变成了大势所趋【10】。
总体而言,国内外在智能化背景下炼化设备全生命周期管理方面的研究和应用均还处于初期,还需要结合行业实践不断探索。
设备全生命周期管理最重要的包含资产管理和设备管理,因而经常也称为设备资产全生命周期管理。设备整个生命周期包括的阶段比较多,包括需求论证、选型设计、设备采购、设计制造、安装调试、运行使用、维修保养及报废处理或回收利用等,多数学者将其划分为3个大的阶段【11】。但作者觉得,对于炼化行业的设备资产全生命周期管理,不应仅关注设备本身的全生命周期管理,要将设备与装置作为一个系统来进行统筹考虑,把设备管理重心前移并扩大管理范围,将设备全生命周期划分为先天、前期、中期和后期4个阶段更为合理,同时我国炼化工程建设项目的数字化交付已经很成熟,数字化集成系统已能基本涵盖设备全生命周期的各个阶段。设备全生命周期划分见图1。
本文将设备的需求规划、选型设计、设备采购称之为先天阶段。如果把设备作为一个“生命体”,先天阶段正是决定设备“基因”的一个关键阶段,此阶段的管理是否科学直接决定设备整个生命周期的“生命质量”,甚至会影响到整个装置的投资、运行成本、安全环保、装置效益等各方面。需求规划决定设备要不要设置和如何设置,选型设计决定设备的型式、材质、配置、控制等,设备采购决定如何明智的选择到优质的设备供应商。
以需求规划为例,在某100万t/a乙烯装置中,脱甲烷塔尾气的膨胀制冷设备有两种选择【12】,一种是节流膨胀阀,另外一种气体膨胀机。如采用节流膨胀阀,采购成本约几十万元;如采用膨胀机,采购成本约两千万元;两者成本相差非常大,但采用膨胀机每年能回收功率1 000 kW,在装置每年连续运行的情况下,二氧化碳和碳粉尘减排量相当可观,还能节约装置运行成本约700万元,具有非常明显的社会效益和经济的效果与利益。在这种情况下作设备需求规划时,就不能只考虑设备本身的成本和性能,而应将设备放到装置中,作为一个整体系统来考虑,以系统论与设备全生命周期管理相结合。
再以选型设计为例,在某80万t/a对二甲苯(PX)装置中,离心泵的选择应该根据工艺介质的特性选择API 610标准泵和API 682标准泵轴端密封。二甲苯塔底泵和二甲苯塔顶泵按标准可以再一次进行选择S-6材质,但是考虑到两台泵输送介质温度都超过了200 ℃,且这两台泵的耐热性对装置运行影响极高,需适当提升材质到C-6,以确保装置连续稳定运行。对于装置中芳烃和苯类输送泵,如果选用了单端面机械密封,虽然价格比双机械密封或干湿组合密封要低10倍,但在离心泵投入运行后,密封泄漏的风险将很大,直接带来安全环保及耐久性等方面的一系列问题。在设备选型设计过程中如果不周全考虑,就会造成设备先天“基因缺陷”,后期设备管理再精细、再科学,也无法保障设备的可靠性和寿命。
设备全生命周期管理的前期阶段主要由设备供应商开展。设备供应商在采购合同、技术协议及有关技术澄清会议纪要的基础上开展设备的设计、制造、检验、试验等,供应商的合同意识、技术水平、加工制造能力、检验试验能力均会对设备产生重要影响,这在设备采购阶段确定设备供应商时已经基本确定了设备的这部分“先天基因”。在此阶段,能够最终靠加强对供应商的管理,如驻场监造、试验见证、技术文件及质量证明文件审查、出厂验收等,来确保和提高设备质量。
中期阶段是炼化设备全生命管理过程中的重要环节,从时间上来说它会占据设备全生命周期的绝大部分时长,也是设备真正为装置出力、为用户赢得效益的阶段。安装调试对于设备投入生产运行后是否能发挥最大效能以及提高设备的使用效率等具有关键作用,此阶段的设备管理着重关注安装精度、压力试验、控制管理系统及安全保护系统的调试、空负荷试车、负荷试车,记录好所有的环节的技术参数及状态,并同步与数字化工具软件相结合,对于转动设备还要着重关注设备振动、噪声、轴承温度等。设备投入运行后的管理最重要的包含状态监测、保养管理和维修管理,各炼化企业都建立有严格的管理制度,需要注重制度落实以及设备管理人员的素质能力培养,合理使用,提高效率,使设备最大限度保障装置的运行。此阶段面临的机遇和挑战是怎么样做数字化、智能化转型。
设备使用后期或者在装置生产有需求时,能够使用先进的维修、改造技术,对设备的核心部件、配件做改造更新,以提高设备性能。设备改造更新的原则是技术先进、经济合理、绿色节能、安全环保,能够改善设备性能,提高装置效益。如某乙烯装置扩能改造项目中,仅仅对核心压缩机组的转子和极少的定子部件进行替换,就使装置产能从80万t/a提高到110万t/a,压缩机效率通过应用新型叶轮有所提高,最大化利旧机组原有配置,避免了压缩机厂房等改造工程量,也降低了能耗,减少了碳排放。当设备主要部件严重磨损、经济效益差、大修投资过大时,就需要仔细考虑对设备做报废处理,可重复利用的配件、部件、材料等进行回收再利用,最大限度提高设备的可利用价值。
目前,人类社会正在经历以智能制造与移动互联为主导的第四次工业革命,通过充分的利用信息技术和构建虚拟-物理系统向智能化转型。数字化、智能化慢慢的变成了推动工业发展的主要动力之一,智能化技术逐渐开始应用于工业设施生产并向整个生产系统扩大【13-15】。然而随着炼化行业基地化建设、规模化建设的推进,炼化企业的设备数量日益庞大而装置定员不断减少,传统的管理方法、技术方法已经没办法与炼化企业高效、精益管理的要求相匹配,将智能化技术与设备全生命周期管理相结合,将为提升设备管理上的水准、提高设备和装置效益提供新方向。
炼化行业的设备管理当前正处于以人员管理向数字化管理的转型过程中,新建炼化项目大多已经先后实施数字化交付。将工程设计、设备设计、工程项目施工、生产运维过程中的数据集成于数字化平台,可以在一定程度上完成单个项目的信息数字化、数据积累。在设计制作的完整过程中,慢慢的变多的计算机辅助设计、分析软件和数控制造设备已投入应用,而设备数字孪生还处于起步阶段,还达不到智能化的程度,在生产运维过程中,大量仪表、控制管理系统、监测系统已投入应用,故障诊断系统也在逐渐使用,但现阶段仍旧没办法脱离人工判断。
炼化行业推动设备全生命周期的智能化管理,目前面临的主要难点有三：一是信息少,数据标准化程度差,集成联动难;二是设备类别多,设备与工艺之间的状态、机理耦合难;三是数据收集多,但缺少样本做机器学习训练,利用大数据分析、人工智能决策判断难。
智能化就是“智慧”+“能力”,设备全生命周期的智能化管理还有较长的一段路要走,但将物理世界与信息世界相融合,通过大数据积累、机器自主学习产生“智慧”,提高设备整个生命周期管理的能力,这是未来发展的必然方向。
根据炼化领域目前设备管理的现状及存在的问题,本文提出了设备全生命周期智能化管理构架,如图2所示。该构架涵盖了设备的整个生命周期和全部相关方,通过标准化的数据采集、数据传输、数据管理、数据集成建立大数据,在智能中心通过样本训练、机器自主学习,逐步的提升智能化程度,对设备做动态评估、智能分析,并给出相应的应对策略。该构架是以一个炼厂为系统,若能够与同行业的类似系统互通,形成更大的数据中心和智能中心,会使智能决策更精准,为工程设计、设备运维等提供智能化建议。同时,设备故障诊断中心嵌入智能中心,与工艺运行数据相耦合,可提高故障趋势预判和故障缘由分析的准确性,及时给出高合理性处理方案。智能中心发出的信息或指令,能够最终靠网络发送到各相关方的智能终端,并采取对应的操作。通过该系统,可以为设备全生命周期的各个阶段提供更智能的方案,提高设备的“生命质量”。
炼化设备的全生命周期管理向着智能化转型是必然的发展的新趋势。本文对设备全生命周期管理国内外进展进行了总结,将设备的生命周期划分为4个阶段,分析了各个阶段设备的管理重点,根据设备管理的智能化现状及难点设计了设备全生命周期智能化管理构架,为真正的完成设备全生命周期智能化管理提供了新思路。
随着我国石化工业迅猛发展，部分早期建设的石化装置已运行较长年限，设备疲劳、管道老化、系统故障率上升等问题逐步显现，生产稳定性、设备可靠性逐年降低，安全风险增大，近几年已引发多起事故。开展老旧装置安全风险防控专项整治，提升设备正常运行管理、智能化运维、检维修技术提升、设备管理人员安全培训，是全面保障石化行业设施长周期运行的重要举措，是统筹好发展和安全、坚决遏制重特大事故的必然要求。
认真落实全国安全生产电视电话会议部署和安全生产治本攻坚三年行动方案安排，突出重大安全风险防控，坚决淘汰一批、退出一批、更新改造一批安全风险高的老旧装置设备，有效提升石化企业本质安全度，真正从根本上消除事故隐患、从根本上处理问题，有效遏制重特大事故发生。为实现设备“安稳长满优”运行，推动石化企业设备管理与“智慧+预知性维修”深层次地融合、协同发展，搭建石化企业与设备预知性维护、智慧运维、老旧装置设备改造升级、设备国产化、大修管理、检修服务供应商交流合作平台，促进石化行业设施管理与检维修技术进步，中国石油和石化工程研究会联合各方拟定2024年11月6-8号江苏南京继续召开“2024第十届石化设备运维管理与检修技术大会”。
大会将邀请炼油化工、石化、煤化工、化工企业设备管理部门、科研机构、智慧运维、设备预知性维护、故障诊断、建安检维修、设备制造等企业，紧紧围绕“拥抱“智慧+预知性维修”新时代：推动设备运维质量、效率和动力变革”为主题，组织石化行业设施专家就目前设备管理体系建设、设备完整性管理、先进的技术应用、热点难点问题、检维修管理、在建项目设备选型和监造验收、设备风险识别与控制、设备运行KPI指标对标等进行深入交流、研讨，力求达到行业信息共享、技术共享、经验共享、资源共享，结合我国石化行业发展新质生产力，促进数字化的经济和实体经济深层次地融合，提高石化企业设备管理完整可靠性、提升专业方面技术水平、筑牢本质安全基础，打造数字化、网络化、智能化工厂。
10.石化企业大型装置、厂区管廊运维数字化转型、无人化升级方案，巡检机器人、火情侦测与消防机器人、无人机等新型技术的应用；
13.石化企业罐区在役老旧改造优化（原油储罐安全预警、雷电预警装置、内浮顶选型、消防安全、罐顶腐蚀、爬壁机器人、油罐浮盘密封、水力、抛丸等除锈等）；
16.可燃有毒气体泄漏检测、报警系统、火灾监测与预防系统在石化企业安全改造中的应用；
18.石化企业运维检修新技术、新工艺、新方案及压缩机、烟气轮机、反应器、换热器、控制管理系统、工业泵、阀门、密封件与材料、仪器仪表、电气设备、分析仪器、新材料、核心部件、5G工业设施、智能巡检终端设备、机器人、技术改造、检维修工具、监测检测技术及装备、风险评价与完整性管理、应急抢修技术及装备、智能化等国产化技术应用。
拟邀请代表：中石化、中石油、中海油、延长石油、中化、国家能源、地方炼化下属公司设备管理、物资采购、电气仪表、机动处、设备处相关负责人、技术专家。国内外技术、设备、电工电气、仪器仪表、控制管理系统、信息技术供应厂商。
根据新时代新征程高水平发展的新要求，炼油与石化行业和广大企业正在通过实施创新驱动战略，推动炼油与石化产业加快绿色低碳和数字化转型、高质量和可持续发展，智能炼化、智能工程、智能储运及销售的智慧化转型已成为行业的必然趋势，自动控制系统、自动化仪器仪表作为智能炼化的基础和前提，在炼化行业中的作用更为突出。为搭建行业解读国家有关部门政策、法律和法规、标准规范，解答疑点、难点、热点等技术问题平台，中国国际科技促进会炼油与石化专业委员会联合中国化工学会智能制造专业委员会共同主办，中国石化集团公司自动控制设计技术中心站、全国化工自动化及仪表信息站、中国石油安环院炼化设备技术研究与服务中心、中国职业安全健康协会防火防爆专业委员会协办，拟于2024年11月19-21日在山东淄博召开“2024年(第二届)炼油与石化仪表控制技术大会”。
大会将紧紧围绕“安全·可靠·智能·创新”主题，推广应用新技术、新方法、新成果和新产品，引领行业和企业管理与科学技术进步，推动全过程一体化管控，提升数字化车间、智能工厂、设备智能化运维、仪控设备老旧升级改造等示范标杆引领，强化工业互联网赋能促进炼油与石化产业及相关仪表控制技术创新健康、有序、高水平质量的发展。诚邀各炼油、石化、煤化工、化工公司制作企业设备管理部门、仪控中心及建安检维修、技术服务、仪表控制供应厂商积极参与。
6. 炼化、煤化工、化工企业“智能工厂”、数据采集、设备在线监测、先进控制管理系统、过程优化、过程安全、可视化、通信、安全、节能、环保、优化控制、数据分析与智能决策等关键技术；
7. 炼化、煤化工生产的全部过程所需关键仪表自控系统及应用，包括重要现场仪表（安全仪表、流量计、压力仪表液位计、物位仪、温度仪表、执行器等）；
8. 安全仪表系统（SIS）、现场仪表、控制阀、执行器、自动控制管理系统、APC先进过程控制管理系统、DCS控制管理系统在炼化、煤化工装置上的应用及国产化介绍；
9. 国内外生产的检测、监测仪表、分析仪表、控制仪表在炼化、煤化工企业的应用比较；
10. 可燃有毒气体泄漏检测、报警系统、火灾监测与预防系统在炼化企业安全改造中的应用；
11. 炼化、煤化工工程数字化设计、数字孪生、数字化交付、数字化智能化工厂实践、施工管理、智能化建造、运营管理经验介绍；
13. VOCs治理、烟气合规排放、污水处理、污泥处理等环保设施的控制监测、仪表选型；
14. “绿电”、“绿氢”等新能源生产、储存设施自动控制、仪表选型及应用；
16. 仪控先进设备、国产化、先进控制管理系统及软件、智能化、应用案例、检维修等；
24. 炼化、煤化工、化工企业ERP、DCS、MES、APC、PCS、SCADA、SIS、FGS、PLC、现场总线控制系统、现场仪表、控制阀、过程分析仪表、无人机、机器人、无线通信数字防爆对讲机、自动化控制仪器仪表、流量仪、测控仪器、分析仪器、新产品、新技术、新应用。
参会代表：中石化、中石油、中海油、中化、国家能源及延长石油、浙石化、扬巴、中沙、鲁西、伊泰、东明石化、恒力石化等中央、地方、民营及合资炼化、石化、煤化工、化工公司制作管理、仪表自控、安环计量、设备管理、信息技术相关负责人免会议费；国内外技术、设备、仪器仪表、控制管理系统、信息技术供应厂商。
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