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优化工厂全生命周期的新途径——数字化过程仿真

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优化工厂全生命周期的新途径——数字化过程仿真

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【摘要】:
正在迅速影响油气加工行业。根据埃森哲的一份研究报告,在2018年,高达60%的炼油企业在数字技术上加大了投资,67%的人认为缺乏数字解决方案会降低他们的竞争优势。虽然正在开发新的软件和硬件来满足这一需求,但既定战略也将在数字革命中发挥重要作用。变化在于如何实施、部署和使用这些工具(如运行人员培训)以实现最佳的工厂性能。

  几十年来,过程仿真器一直是石油化工行业的关键工具。仿真器已用于期的两个关键阶段。在初始设计阶段,稳态模型使工程师能够设计和确定关键设备的尺寸,并确保满足热量和物料平衡。

  之后,当工厂投入运营时,运营人员使用动态运行人员培训仿真器(OTS)来培训新员工,并在工厂生命周期的设计确认和运行维护阶段(如图1),再次为经验丰富的工人提供培训以更新其技能。这样在工程和运营的其它很多阶段,就没有与仿真器的交互。

1:图表显示了工厂生命周期的关键阶段以及可以使用仿真的节点。本文图片来源:霍尼韦尔

  管理人员可以在整个工厂生命周期中使用高保真仿真,将仿真器视为物理工厂的数字副本,从而获得最大的投资回报。计算技术的进步填补了设计和运营之间的空白,因此可以同时使用具有最高保真度的完整工厂模型进行工程研究和运行人员培训。在弥合这一差距的过程中,工厂生命周期的更多阶段进入到了仿真范围,并释放了过程仿真器作为从设计到运营工具的巨大潜力。

  静态和动态仿真模型

  在棕地和新建项目的前端工程和设计(FEED)阶段,严重依赖静态过程仿真软件。工厂的综合模型为工程师提供了热量和物料平衡的完整视图,以限制设计案例和其它运营条件。此外,仿真软件可用于可行性研究,评估不同的过程配置以及识别风险。工程师可用这些信息来确保设计的安全性、符合环境法规,并可最大限度地提高资产运营和业务的效益。

  在工厂生命周期的这个阶段,静态仿真通常是最常使用的工具。但是,动态模型可用于进行可行性研究。成熟的仿真软件允许最终用户从静态模型无缝迁移到动态模型。在这种情况下,在前端工程和设计期间,应预先执行构建初始模型所需的服务。仿真器的优势可在生命周期阶段的末期实现,同时可以最小化服务投资。

  工厂设计和验证的仿真

  虽然静态模型可确保在定义的稳态条件下运行,但动态仿真器使工程师可以确认工厂从黑启动到满功率运行的每个节点上,都能成功运行。工厂设计完成后,工程师可以使用仿真器确保设计符合目的,所有设备都可以满足启动程序和运行顺序的要求。

  在模型开发阶段满足过程和机械数据表的要求,最终用户可以确认仿真中的所有设备都与现场物理设备相匹配。凭借这些知识,工程师可以仔细检查工厂中的每个设备,从单个管道段到复杂的多通道热交换器。由于具有预先为模型场景编程的能力,工程师可以通过预定义的运行程序持续运行工厂,并使用工厂设计中的增量变更来检查过程响应。

  虽然使用仿真器检查工厂过程收益巨大,但更多的价值是在控制系统集成时实现的。在设计和测试控制之后,仿真器可以提供对过程自动化更多的洞察。大多数现代控制系统可以仿真过程值,因此可以在控制回路上执行基本测试。然而,高保真仿真器提供了逼真的过程响应,几乎不可能通过经验来复制。

  先进的建模软件可以为更多假设场景提供有意义的洞察力。控制将进行更高级的测试,这些测试更接近于工厂实际响应。这使工程师可以在设计的初期识别潜在问题,从而可以避免问题进一步发展而导致后续耗时、费力的校正。

  安全系统的确认和设计,是任何新设施调试的重要组成部分。所有生产型公司都致力于最大限度地减少现场发生安全事故的数量。然而,安全系统很少被触发,可能需要数年才能识别出有缺陷的设计或程序。

  仿真器提供实时过程响应,以允许用户在异常运营条件下仔细检查和剖析安全方案。使用预定义的运营方案,用户可以在各种不正常工况下运营工厂,例如:压缩机喘振、减压/燃烧事件以及全场停机等。通过持续的迭代过程,不断测试和升级安全系统,以便能考虑到所有可能结果。一旦提出变更,危险和可操作性(HAZOP)团队就可以使用仿真器来支持研究并调查规划设计的完整性。

  虚拟工厂调试和启动

  虽然仿真器不能帮助构建新设施,但在此期间工程人员可以继续使用仿真器,以确保调试和启动尽可能顺利进行。工厂的许多部件,从工艺设备到控制和报警,都是首次实现完整的功能。在此期间可以发现许多无法预料的问题,需要立即处理以避免冗长和代价昂贵的延误。

  在虚拟环境中执行调试和启动,可以更早地解决执行调试和启动期间面临的诸多问题。涉及所有关键利益相关方的虚拟调试和启动,可以暴露许多缺陷,并允许以及时和受控的方式对其进行纠正。例如,虚拟调试和启动为工程师提供了测试详细启动程序,充分运用分布式控制系统(DCS)和人机界面(HMI),确认报警抑制和调节重要控制回路的机会。许多这些活动过去经常挤在已经很紧张的启动时间表中,几乎没有出错的余地。通过第二层验证可将在虚拟环境中验证和测试过的资产,交付给运营。

  工厂运营与维护

  工厂仿真器可以帮助培训运行人员。许多工厂实施的程序,要求员工遵循大量、基于仿真器的培训计划,以保持一定程度的培训。最佳实践是使用培训方案跟踪和记录运营商的绩效,以根据工厂标准评估关键绩效指标。管理层可以跟踪工厂绩效并实时了解实际运营培训计划的效果(参见图2)。

2:霍尼韦尔UniSim运营系统提供运行人员培训仿真环境

  最近对增强现实(AR)和虚拟现实(VR)技术的改进,已经将基于仿真器的训练扩展到现场运行人员。工人可以在培训人员的指导下,在虚拟化或混合现实环境中安全地执行非常规任务。实践培训可以培训出更安全、更有能力的员工队伍。通过将过程仿真器视为工厂数字双胞胎的一部分,用户可以获得探索优化工厂生命周期的新途径。(作者:Scott Michel  来源:控制工程网

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