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    優化工廠全生命周期的新途徑——數字化過程仿真

    數字化轉型正在迅速影響油氣加工行業。根據埃森哲的一份研究報告,在2018年,高達60%的煉油企業在數字技術上加大了投資,67%的人認為缺乏數字解決方案會降低他們的競爭優勢。雖然正在開發新的軟件和硬件來滿足這一需求,但既定戰略也將在數字革命中發揮重要作用。變化在于如何實施、部署和使用這些工具(如運行人員培訓仿真器)以實現最佳的工廠性能。


    幾十年來,過程仿真器一直是石油化工行業的關鍵工具。仿真器已用于工廠生命周期的兩個關鍵階段。在初始設計階段,穩態模型使工程師能夠設計和確定關鍵設備的尺寸,并確保滿足熱量和物料平衡。


    之后,當工廠投入運營時,運營人員使用動態運行人員培訓仿真器(OTS)來培訓新員工,并在工廠生命周期的設計確認和運行維護階段(如圖1),再次為經驗豐富的工人提供培訓以更新其技能。這樣在工程和運營的其它很多階段,就沒有與仿真器的交互。

    圖1 :圖表顯示了工廠生命周期的關鍵階段以及可以使用仿真的節點。本文圖片來源:霍尼韋爾


    管理人員可以在整個工廠生命周期中使用高保真仿真,將仿真器視為物理工廠的數字副本,從而獲得最大的投資回報。計算技術的進步填補了設計和運營之間的空白,因此可以同時使用具有最高保真度的完整工廠模型進行工程研究和運行人員培訓。在彌合這一差距的過程中,工廠生命周期的更多階段進入到了仿真范圍,并釋放了過程仿真器作為從設計到運營工具的巨大潛力。


    靜態和動態仿真模型

    在“棕地”和新建項目的前端工程和設計(FEED)階段,嚴重依賴靜態過程仿真軟件。工廠的綜合模型為工程師提供了熱量和物料平衡的完整視圖,以限制設計案例和其它運營條件。此外,仿真軟件可用于可行性研究,評估不同的過程配置以及識別風險。工程師可用這些信息來確保設計的安全性、符合環境法規,并可最大限度地提高資產運營和業務的效益。


    在工廠生命周期的這個階段,靜態仿真通常是最常使用的工具。但是,動態模型可用于進行可行性研究。成熟的仿真軟件允許最終用戶從靜態模型無縫遷移到動態模型。在這種情況下,在前端工程和設計期間,應預先執行構建初始模型所需的服務。仿真器的優勢可在生命周期階段的末期實現,同時可以最小化服務投資。


    工廠設計和驗證的仿真

    雖然靜態模型可確保在定義的穩態條件下運行,但動態仿真器使工程師可以確認工廠從黑啟動到滿功率運行的每個節點上,都能成功運行。工廠設計完成后,工程師可以使用仿真器確保設計符合目的,所有設備都可以滿足啟動程序和運行順序的要求。


    在模型開發階段滿足過程和機械數據表的要求,最終用戶可以確認仿真中的所有設備都與現場物理設備相匹配。憑借這些知識,工程師可以仔細檢查工廠中的每個設備,從單個管道段到復雜的多通道熱交換器。由于具有預先為模型場景編程的能力,工程師可以通過預定義的運行程序持續運行工廠,并使用工廠設計中的增量變更來檢查過程響應。


    雖然使用仿真器檢查工廠過程收益巨大,但更多的價值是在控制系統集成時實現的。在設計和測試控制之后,仿真器可以提供對過程自動化更多的洞察。大多數現代控制系統可以仿真過程值,因此可以在控制回路上執行基本測試。然而,高保真仿真器提供了逼真的過程響應,幾乎不可能通過經驗來復制。


    先進的建模軟件可以為更多“假設”場景提供有意義的洞察力??刂茖⑦M行更高級的測試,這些測試更接近于工廠實際響應。這使工程師可以在設計的初期識別潛在問題,從而可以避免問題進一步發展而導致后續耗時、費力的校正。


    安全系統的確認和設計,是任何新設施調試的重要組成部分。所有生產型公司都致力于最大限度地減少現場發生安全事故的數量。然而,安全系統很少被觸發,可能需要數年才能識別出有缺陷的設計或程序。


    仿真器提供實時過程響應,以允許用戶在異常運營條件下仔細檢查和剖析安全方案。使用預定義的運營方案,用戶可以在各種不正常工況下運營工廠,例如:壓縮機喘振、減壓/ 燃燒事件以及全場停機等。通過持續的迭代過程, 不斷測試和升級安全系統,以便能考慮到所有可能結果。一旦提出變更,危險和可操作性(HAZOP)團隊就可以使用仿真器來支持研究并調查規劃設計的完整性。


    虛擬工廠調試和啟動

    雖然仿真器不能幫助構建新設施,但在此期間工程人員可以繼續使用仿真器,以確保調試和啟動盡可能順利進行。工廠的許多部件,從工藝設備到控制和報警,都是首次實現完整的功能。在此期間可以發現許多無法預料的問題,需要立即處理以避免冗長和代價昂貴的延誤。


    在虛擬環境中執行調試和啟動,可以更早地解決執行調試和啟動期間面臨的諸多問題。涉及所有關鍵利益相關方的虛擬調試和啟動,可以暴露許多缺陷,并允許以及時和受控的方式對其進行糾正。例如,虛擬調試和啟動為工程師提供了測試詳細啟動程序, 充分運用分布式控制系統(DCS)和人機界面(HMI), 確認報警抑制和調節重要控制回路的機會。許多這些活動過去經常擠在已經很緊張的啟動時間表中,幾乎沒有出錯的余地。通過第二層驗證可將在虛擬環境中驗證和測試過的資產,交付給運營。


    工廠運營與維護

    工廠仿真器可以幫助培訓運行人員。許多工廠實施的程序,要求員工遵循大量、基于仿真器的培訓計劃,以保持一定程度的培訓。最佳實踐是使用培訓方案跟蹤和記錄運營商的績效,以根據工廠標準評估關鍵績效指標。管理層可以跟蹤工廠績效并實時了解實際運營培訓計劃的效果(參見圖2)。

    圖2 :霍尼韋爾UniSim 運營系統提供運行人員培訓仿真環境


    最近對增強現實(AR)和虛擬現實(VR)技術的改進,已經將基于仿真器的訓練擴展到現場運行人員。工人可以在培訓人員的指導下,在虛擬化或混合現實環境中安全地執行非常規任務。實踐培訓可以培訓出更安全、更有能力的員工隊伍。通過將過程仿真器視為工廠數字雙胞胎的一部分,用戶可以獲得優化工廠生命周期的新途徑。


    關鍵概念:

    ■ 使用仿真器增強工廠運行人員培訓。

    ■ 通過仿真優化工廠生命周期。

    思考一下:

    培訓仿真軟件如何改善生命周期?


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