2024年12月3日，全球首座数字孪生智能乙烯工厂—中科炼化智能乙烯工厂通过验收，标志着我国在化工生产数字孪生、工业软件国产化、智能设备研制等关键技术方面取得重大突破，标志着我国石化行业向数字化转型和智能化升级方面迈出重要一步，标志着我国石化行业乙烯装置自主智能制造技术达到新的里程碑。中科炼化智能乙烯工厂的上线运行，为石化行业的智能化发展提供了样板，推动了整个石化行业向绿色、低碳、可持续方向发展。
一、智能乙烯工厂建设的背景
乙烯是石化工业的基石，其产能代表了一个国家石化产业的发展水平。通过乙烯可以衍生出众多化工产品，形成庞大的产业链，涵盖塑料、化纤、橡胶、溶剂、涂料等多个领域。乙烯作为工业的龙头，不仅在现代工业体系中占据核心地位，还通过其庞大的产业链带动了包装、建筑、汽车、电子、纺织、医药等多个行业的发展。
多年来，中国石化持续开展乙烯裂解炉技术研发，到目前为止，采用CBL技术的裂解炉超过210台，总乙烯生产能力超过2000万吨/年。中科炼化乙烯装置是国内首台采用中国石化自有CBL裂解技术制造、世界范围内规模最大的30万吨/年大型气体裂解炉，在中科炼化第一次投用，总体技术经济指标达到国际领先水平，是目前全球已建成投产的单炉能力最大的裂解炉，代表了国内乙烯生产技术的先进水平和规模化生产能力。除了核心设备，中国石化研发了具有自主知识产权的蒸汽裂解装置工艺软件包。
乙烯装置是石化工业中科技含量最高的化工装置之一。针对乙烯装置过程机理复杂、生产连续性强、设备种类繁多、操控耦合性高、安全环保要求苛刻等特点，从行业高质量发展的角度来看，亟需将创新工艺技术与人工智能等新一代信息技术进行深度融合，提升资源统筹、控制优化、资产管理和安全环保水平。中国石化将开展乙烯智能工厂建设作为实现乙烯工业高质量发展的重要路径，经过多年的技术研究和沉淀，在中科炼化建成了世界首座数字孪生智能乙烯工厂，取得了很多技术创新和突破。
二、主要技术创新
数字孪生智能乙烯工厂是在新一代信息通信技术和乙烯工艺技术驱动下，通过成套技术的软件化封装、工程建设的数字化交付，并结合工业数据的混合建模修正，在工业互联网平台上实现以工业软件为核心的石化工厂数字孪生，以数据和模型为驱动，提升资源高效利用、生产操控优化、设备可靠运行、安全环保低碳等智能化运营水平。
经过技术研究和攻关，提出了智能乙烯工厂建设总体架构、实施路径，有效破解了工艺、设备、安全、环保、信息技术等多专业深度融合的难题，研发了一批具有自主知识产权的核心工业软件及智能装备。
创新点一：开展了数字孪生智能乙烯工厂建设系统性研究。研究了数字孪生智能乙烯工厂内涵和总体架构，提出了“成套技术成果软件化、工程建设交付数字化、石化工厂运营智能化”的数字孪生智能乙烯工厂一体化实施路径，建成了石化领域全球首套具有自主知识产权的数字孪生智能乙烯工厂。
创新点二：突破了数字孪生智能乙烯工厂建设关键核心技术。创新开发了乙烯工厂边缘计算平台，支持涵盖石油化工相关产业的工业物联协议解析120余种；构建了乙烯装置多专业、多模态、多尺度的高精度数字孪生模型，替代了国外的裂解反应模型；研制了分析仪器仪表、在线监测电仪系统和巡检机器人等3类9种分析监测乙烯工厂运行状态的软硬一体化智能设备。
创新点三：开发了数字孪生智能乙烯工厂成套运营技术。主要包括：基于自主成套技术的乙烯装置实时优化及智能控制技术，在线实时优化软件模型收敛率96.9%；“动静电仪”关键设备监控及故障预警技术，电气设备故障早期预警率超过90%；基于风险演变全过程的链式安全防控技术，全流程典型工艺异常诊断准确率超过94%，降低DCS内操人员劳动强度60%；节能减排的在线监测管控技术，乙烯裂解炉NOx排放浓度预测提前15分钟，模型预测误差≤5%，废碱排放较实施前减少19%。
三、智能乙烯工厂应用成效
——实现过程控制由平稳控制向实时优化转变。
研发应用裂解反应模型，实现了对中科炼化所有裂解原料和所有炉型的收率预测计算，可快速在指定操作条件范围内找到最佳操作点，并为裂解炉计划优化和烧焦排产提供指导，有效提升了工艺人员和操作人员的操作水平；研发应用自主研发的裂解反应模型，替代了国外软件，每年节约软件授权费用50余万元，双烯收率提高了0.315个百分点，投用以来为中科炼化乙烯装置增效360.8万元；研发应用乙烯装置全流程智能控制系统，实现了裂解炉的炉出口温度控制、负荷控制、支路温度均衡控制、稀释比控制和热值/负荷前馈控制，装置平均自控率由投用前的98.44%提升至99.50%以上，大幅提升了乙烯装置整体控制精度；研发应用乙烯碳三加氢反应器，实现了反应器全工况智能优化控制，提升丙烯选择性14.6个百分点，增产丙烯1318.09吨/年。
——实现设备管理由事后检修向预知维护转变。
通过应用裂解炉设备异常工况预警与报警技术，实时显示裂解炉的报警情况，智能分析报警原因，并预测可能发生的异常工况，实现提前预警，为操作人员提供指导；通过对裂解炉管壁温、CO、氧含量等实时操作数据的整合分析，实现了裂解炉炉膛安全的实时监控，确保裂解炉的长周期安全运行，提高了炉管寿命和裂解炉在线率；通过实时监控换热器污垢系数、仪表偏差和塔盘分离效率，提前发现设备运行异常；通过人工智能技术的应用，实现乙烯核心设备早期故障预警和诊断，自动预警准确率90%，自动诊断准确率87%，有效避免压缩机核心部件损坏以及装置非计划停工造成的损失；数据驱动的电气设备智能运检及故障诊断有效提升了电气设备状态的预警预判能力，对故障的早期预警准确率达90%以上，提升电气系统事故早期发现率30%以上，节省人力30%以上；通过应用乙烯装置阀门内漏诊断技术，对生产在用阀门进行在线内漏监测，及时发现、改进企业进火炬旁路阀等阀门内漏，有效减少物料损失，助力安全隐患的及时排查和产品质量的提升。
——实现安全防控由事后处置向事前预警转变。
采用乙烯装置水质和烯烃泄漏新型检测技术，实现了乙烯装置急冷区稀释蒸汽区域换热器水中COD和丙烯精馏塔塔顶冷凝器中烯烃的快速高效检测，快速识别乙烯装置中的异常工况，提升装置运行的预警水平，有效降低企业的生产检修成本；采用直接作业环节的智能化安全管控技术，大幅降低了高危作业中员工的违章违规行为，有效减少消除了人的不安全行为和物的不安全状态，防范事故发生和减少事故损失；采用乙烯全流程智能监控、预警、报警及处置技术，早期发现和预警工艺异常，并对装置的重要报警进行分析，分析报警产生的原因及后果，缩短异常工况响应和处置时间；采用乙烯装置突发事件预警与应急联动技术，有效降低了50%火灾识别预警误报率，并快速识别出乙烯装置中的异常工况，为中科炼化提供了涵盖火灾识别、辅助决策、应急会商、联动指挥等多环节的整体解决方案，提高了企业应急救援效率。
——实现节能减排由指标监测向源头减排转变。
利用基于先进模型的装置节能技术，快速获得分离系统各单元的进料组分和各单元进料的变化情况，帮助操作人员在线识别主要设备偏离操作设计理论值的程度，指导开展优化操作，节省分离单元和三机能耗；利用裂解炉燃烧控制及烟气智能治理技术，实现了对乙烯裂解炉NOx污染物超标预测，并可提供乙烯裂解炉低氮燃烧技术工艺控制参数调控方案，指导燃烧器的调整，辅助乙烯裂解炉烟气实现达标排放，支撑企业减污增效；利用工艺优化耦合在线控制技术，实时计算不同反应段酸碱浓度，帮助操作人员实时监控碱洗塔各段碱液浓度和废碱液生成的变化过程，并通过数据记录和趋势展示评估稀释蒸汽系统的换热效果，通过减少废碱液排放量每月平均节省成本6.83万元；利用乙烯碳足迹智能核算技术，智能核算原料带入、能源消耗、工艺排放等环节的乙烯碳（隐含碳）排放量，实现碳排放总量及强度变化趋势的比对，为装置优化运行提供技术支撑。
——实现作业模式由人工操作向人机协同转变。
运用机器人和智能巡检技术，实现了乙烯装置冷区仪表读数识别、设备温度异常检测、气体泄漏机器识别，并升级到了涉氢场所的防爆要求，实现200m距离下，不小于0.5m×0.5m的气体泄漏目标的快速识别，识别响应时间≤5s，大幅提升现场智能化管控水平，节省了企业巡检成本；运用配电轨道机器人技术，提前发现设备潜伏性缺陷，有效降低由于配电柜设备突发故障导致的乙烯装置非计划停工；运用机柜间电器智能巡检机器人技术，实现对关键电气设备运行状态的实时监测与智能分析诊断，实时识别绝缘故障、老化、热故障等隐蔽性缺陷，监控电流、电压、断路器运行状态及配电室环境，实现对潜在故障的超早期预警和排查、预知性维修，故障识别准确率达90%以上；运用乙烯装置操作程序及智能化操作，实现了裂解炉升温、投料、退料、烧焦、降温等关键操作的智能执行，降低了操作人员操作频次60%以上，实现了裂解炉关键参数优化控制、操作指导和监控预警，促进乙烯装置多产高附加值产品，上线运行以来增加销售利润55.98万元。
通过乙烯工厂的数字孪生应用实践，实现了乙烯装置的智能运行，打造了世界一流、行业领先的乙烯装置卓越运营新能力，推动了中国石化化工生产高质量发展，同时取得了明显的社会效益。打造了全球首套数字孪生智能乙烯工厂。在资源高效利用、生产操控优化、设备健康运行、安全环保低碳等方面，实现了全面提升，树立了石化行业数字孪生智能工厂标杆；提升了石化产业工业软件自主安全可控水平。通过自主成套技术与新一代信息技术融合，以数据和模型为驱动，研发了适用于石化工厂的系列工业软件，在关键核心技术方面打破国外垄断；带动了智能制造生态建设和相关产业协同发展。组建了产学研用一体化的创新联合体，推动了跨行业、多专业的上下游产业链协同创新及联动发展，促进了石化产业智能化生态建设。
展望未来，随着物联网、大数据、人工智能等新技术的发展，智能乙烯工厂将得到不断升级，具备更强的自学习、自适应、自控制、自优化和自决策能力，推动乙烯产业高质量发展，引领化工行业向更智能、更高水平迈进。（本文作者系中国石化集团公司副总工程师、首席工程技术大师王子宗）
