企业设备运行石油化工论文提纲

论文题目：加氢装置CPS平台中的过程管控关键问题研究

摘要：以新一代信息通信技术改造提升传统产业和发展智能制造,已成为制造业重要的发展趋势。石化智能工厂以卓越运营为核心目标,按照“炼化生产一体化优化、炼化生产集成管控、全生命周期资产管理”三条主线（以下简称“三条主线”）建设信息物理系统（CPS）,提升工厂运营管理水平。目前围绕三条主线的石化企业CPS基于国内外工业软件进行集成开发,但相关专业的工业软件存在国产化困难或计算不准确的问题。而且,在三条主线的初期工业应用过程中,一些无法解决的典型问题已显现出来,如在生产一体化优化方面,要实现精准预测计划排产业务并指导生产,核心是建立准确即时的装置投入产出模型,而非目前基于近似的机理模型或经验数据模型;在炼化生产集成管控方面,目前基于定期化验来控制二值型产品的指标,检测出产品质量偏差后不合格产品已经产生一段时间了,存在检测滞后影响产品质量问题,需要建立能够预测二值型产品质量指标的数学模型;在全生命周期资产管理方面,目前主要通过设备运行参数报警或定期检维修来保证设备的稳定运行,存在设备过度维修或因设备问题导致非计划停车等问题,合理建立模型及时对设备在线全面评估是保证设备稳定运行避免非计划停车的必经之路。加氢装置是炼化过程的重要组成部分,其智能化操作对石油化工产品结构升级、提质增效越来越重要。因此,对加氢装置进行智能化建设并搭建其优质CPS平台,并由此推广到炼化过程其他单元,将推动石化企业CPS的整体建设水平。本文针对加氢装置CPS建设过程中存在的三条主线建设问题,如缺少准确的反应过程模型、二值型产品质量控制和设备状态监控问题,建立相应的计算模型,提出相应的算法,并应用于石化某企业的加氢装置应用中;最终将以上三部分模型和算法,统一融合到单元级CPS平台中,提升加氢装置智能化水平,为石化企业CPS平台的提升和工业软件的研发提供参考和借鉴。主要研究内容和结论如下:（1）在加氢装置炼化生产一体化优化主线上,建立面向装置投入产出的加氢反应动力学模型;针对建立的反应动力学模型,提出加入混沌扰动的粒子群遗传组合算法,并利用测试函数和重油热解反应动力学模型及实验室数据对该方法进行验证,发现该算法可以解决寻优搜索时出现的停滞问题,扩大了全局优化的搜索空间,能有效快速地找到模型参数全局最优解;将以上模型和算法应用于某企业渣油加氢装置,结果表明,该模型和算法更贴合反应器实际工况,计算出的硫、氮和残炭的脱除率和实际脱除率的相对偏差平方和分别为0.0017、0.1088、0.0587,说明本文所建立的模型和提出的算法能有效应用于实际的生产过程,解决了企业计划排产过程中装置投入产出模型精度不够、产品产量及组分计算结果不准确的问题。（2）在加氢装置炼化生产集成管控主线上,建立面向二值型产品质量的预测与控制模型,开展加氢产品质量实时预测研究,强化生产过程的集成控制和闭环优化,解决企业二值型产品指标无法预测并及时调整生产操作的问题。针对质量预测与控制模型需具备实时预测及保持长期准确性的要求,采用递推主元分析法提取过程自变量中的主元并递推更新;采用逻辑回归方法预测二值型质量指标的合格概率;采用二次规划法预测不合格产品质量指标,求取最小变动的操作调整,提高产品质量合格率。将以上建立的模型应用于某企业加氢裂化航煤产品质量预测与参数优化,结果表明,该方法能够快速预测产品质量,航煤博士实验质量预测准确率达98.5%,与生产执行及控制策略联动,将航煤一次合格率由70%提升至92.6%,提升生产管控一体化水平。（3）在加氢装置全生命周期资产管理主线上,建立面向复杂设备运行状态的综合评估模型,开展循环氢压缩机的状态预测和可靠性研究,解决工业现场对主要设备运行状况无法准确全面评估并提前预警的问题,保障生产平稳运行。针对加氢过程中的循环氢压缩机组的长期稳定运行要求,提出改进的模糊综合评估算法,建立一套评估指标体系,并采用最大信息系数分析各评估单元指标参数的相关性;采用二阶马尔科夫链转移矩阵预测指标参数变化趋势,计算独立指标参数的动态劣化度;应用模糊隶属度函数进行各单元状态的综合评估。将以上建立的评估模型应用于某企业加氢裂化循环氢压缩机运行管理,结果表明,该方法有利于提前发现早期故障隐患（监测期间较于传统指标阈值报警提前了 10分钟）,能够全面评估和预测机组运行状态,提升机组运行的可靠性和操作的平稳性,提高设备管理的预测预警能力。（4）在解决了加氢装置三个关键技术问题的基础上,基于石化智能工厂CPS平台的整体架构和技术路线,将三项研究成果应用于加氢装置CPS平台,对其进行技术上的优化和提升,使整个CPS平台在排产准确性、质量预测并进行闭环控制和设备平稳运行方面有了较大提升,对深入研究工厂的整体智能制造水平有借鉴意义。选取加氢装置循环氢压缩机组运行状态评估的应用系统,采用石化工业互联网平台架构,以及工业物联网、微服务、大数据分析与处理等关键技术,对业务流程、应用功能、数据处理及模型等八个方面进行设计,以“平台+应用”的方式对研究成果进行整体封装并融合到CPS平台中,取得了较好的应用效果,强化了加氢装置CPS的智能优化协同与响应能力。

关键词：智能工厂;信息物理系统;全局优化;产品质量预测;设备状态综合评估

学科专业：化学工程

摘要

ABSTRACT

主要符号表

1 绪论

1.1 石化行业智能工厂建设背景

1.1.1 石化行业面临的压力与挑战

1.1.2 国家智能制造发展战略

1.2 石化智能工厂建设概述

1.2.1 石化智能工厂的总体框架

1.2.2 石化智能工厂CPS的内涵

1.2.3 石化智能工厂CPS的层次结构

1.2.4 石化智能工厂的单元级CPS平台

1.3 炼油加氢工业发展趋势及技术概述

1.3.1 炼油加氢工业发展趋势

1.3.2 炼油加氢技术及工业装置概述

1.4 加氢装置CPS应用及研究现状

1.4.1 加氢装置反应动力学建模研究现状

1.4.2 加氢装置产品质量控制与预测研究现状

1.4.3 加氢装置关键机组运行状态评估研究现状

1.5 本文主要研究思路

2 加氢装置反应动力学的建模与应用

2.1 前言

2.2 渣油加氢精制装置关键操作参数

2.3 加氢精制反应动力学模型

2.3.1 渣油加氢精制反应方程

2.3.2 渣油加氢精制反应动力学建模

2.4 加混沌扰动的混沌粒子群遗传算法

2.4.1 加混沌扰动的混沌粒子群遗传算法

2.4.2 加混沌扰动的混沌粒子群遗传算法性能测试

2.5 重油热解反应动力学模型验证

2.6 加氢精制动力学模型的应用

2.7 本章小结

3 加氢装置二值型产品质量预测和评估建模与应用

3.1 前言

3.2 加氢裂化装置航煤产品博士实验

3.3 递推主元分析-逻辑回归实时预测和控制模型

3.3.1 经典逻辑回归模型

3.3.2 二值型产品质量的预测模型

3.3.3 模型参数及其递推更新方法

3.3.4 产品质量指标的优化控制方案

3.3.5 模型应用路线图

3.4 加氢裂化二值型产品质量指标实时预测模型的应用

3.4.1 航煤博士实验结果波动的原因分析

3.4.2 可调整参数的选择与优化方案设计

3.4.3 应用效果

3.5 本章小结

4 加氢装置关键机组运行状态评估建模与应用

4.1 前言

4.2 加氢装置循环氢压缩机概述

4.3 压缩机运行状态评估模型研究

4.3.1 机组状态评估指标体系和状态评估等级的建立

4.3.2 指标相关性分析

4.3.3 独立指标参数动态劣化度计算

4.3.4 评估单元隶属度矩阵计算

4.3.5 评估单元的权重向量计算和状态评估

4.3.6 机组整体运行状态评估

4.4 压缩机组运行状态评估模型应用

4.4.1 机组状态评估指标体系和状态评估等级的建立

4.4.2 指标参数相关性分析结果

4.4.3 独立指标参数动态劣化度计算结果

4.4.4 各评估单元模糊隶属度矩阵计算结果

4.4.5 评估单元的权重向量计算结果

4.4.6 各评估单元模糊综合评价结果及雷达图展示

4.5 本章小结

5 加氢装置CPS平台的应用提升

5.1 前言

5.2 石化智能工厂CPS平台建设情况

5.2.1 企业CPS平台建设情况

5.2.2 企业CPS平台现状

5.3 加氢装置CPS平台提升设计

5.3.1 总体应用架构设计

5.3.2 业务流程设计

5.3.3 应用功能模块设计

5.3.4 系统分层设计

5.3.5 数据库设计

5.3.6 模型调用设计

5.3.7 接口设计

5.3.8 数据及标准化设计

5.4 加氢装置单元级CPS平台建设及应用效果

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢