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1、炼油厂MES物料平衡系统研究与实施赵全庆1 李耀2(中国石油锦西石化信息管理中心)摘要：阐述如何根据炼油行业的特点及企业实际情况，建立基于MES的物料平衡信息系统及其实施方法，自动完成平衡计算及问题数据报警等工作，帮助企业各级生产及管理人员快速进行数据收集，将物料平衡周期从原来的每月、每旬平衡，缩短为每日平衡，甚至达到每班平衡。为生产调度、生产统计、计划优化及ERP系统高效、快速、优质的提供物料数据，提高企业的精细化管理水平。关键词：炼油、物料平衡、实施、模型1. 前言炼油化工行业是典型的流程行业，在生产过程中，炼油企业需要掌握原料、中间品、成品等物料的库存，需要掌握各装置的消耗产出等详细生产
2、数据，以更好地实现生产调度。目前的炼化企业，由于技术、设备等诸多条件的限制，生产过程中的物料平衡工作包括数据的收集、数据校验或平衡计算等均需手工来完成；数据收集工作量大，数据质量差，平衡周期长，效率底下。按照现有的业务流程，企业管理者很难对生产进行实时分析与监控，对各种变化也难以做出快速的调度。为此有必要建立基于MES的物料平衡信息系统，以帮助企业各级生产及管理人员，快速进行数据收集，并自动完成平衡计算及问题数据报警等工作，提高物料平衡工作的效率，将平衡周期从原来的每月、每旬平衡，缩短为每日平衡，甚至达到每班平衡，为生产调度、生产统计、计划优化及ERP系统高效、快速、优质的提供物料数据，提高企
3、业精细化管理水平。2. 炼油企业物料平衡特点2.1. 生产流程特点炼油企业生产中，从原料（石油）到中间产品（石脑油、蜡油）到最终产品（汽油、煤油、柴油）中绝大部分的物料都是液体形态；整个加工过程中也伴随着各种液态物料的流动，所以炼油企业的生产特点与流体流动的特点契合。从炼油装置工艺流程的特点来看，炼厂内部物料流向呈现网状。首先，炼油企业中大部分加工装置都具有原料及产品的多样性，即：同一装置需要共给多种原料，并生产多种产品；其次，同一种物料，可以根据不同用途，流向不同装置甚至其名称都不同；同时部分物料还需要回流，即：一些物料可能要从后阶段向前阶段重新循环再加工。由此不难看出炼油企业中的物料流向构
4、成了错综复杂的网状，流程复杂是炼油企业进行物料平衡计算工作的难点之一。加工过程复杂，生产变化较快；生产各部门掌握的信息具有不对称性。根据内外部环境的变化，炼厂会随时调整自己的工艺生产方案，使油品流动路线的相对稳定性较差，各类物料平衡的相关信息始终处于变化中，不同的生产部门只掌握部分物料平衡的信息，很难掌握其它部门的生产信息，例如：储罐与装置车间就只能分别掌握了库存和装置加工量的信息。2.2. 物料平衡业务管理流程特点物料平衡业务流程涉及了炼厂多个部门，各部门又有相对不同的关注点。首先，计量部门是物料平衡业务的支撑部门，它为具体的测量业务提供技术规范，从某种意义上说高质量、高效率计量工作是做好物
5、料平衡最根本的保障。生产业务车间（包括了生产车间、储运车间）是基础数据收集、整理的第一层面。目前，国内大多炼厂计量准确度还相对较低，尤其炼厂内部各生产单元的仪表配置、计量条件较差，数据的准确性不高；很多数据需要人工进行验证与估算。生产管理部门（生产处、调度中心）是物料平衡的主要需求部门，收集全厂数据，并进行初步的校验，对各种错误进行提示或修正，进行局部的平衡工作。生产部门对数据的时效性要求较高，需要迅速得到平衡数据以便准确指导生产；但对数据的精确性要求不高，一些小误差经常被忽略。目前，生产统计部门是全厂范围内物料平衡业务的主要完成者和结果应用者。而生产管理部门对物料平衡需求与结果则不同，其对基
6、础数据准确性要求较高，要求更为广泛（从原油入厂到产品出厂、厂内各生产单元的物料）的数据。2.3. 计量及仪表相关信息炼油企业的计量有自身特点，整个生产过程中大多数物料都处于液态，因此计量以液体的计量为主。对于炼厂内气态物料的测量，由于设备及技术的原因，计量精度较差，如瓦斯等的计量只能作为参考，很难直接采信测量数据。另外，像催化烧焦、加工损失、储运损失等项目则不能进行计量，只能进行人工估算。仪表精度高低是判断数据准确性与否的重要参考指标之一。目前国内绝大部分炼厂进出厂物料的计量仪表配置较好，计量精度较高；而对于厂内单元间的仪表配置则相对较差，仪表精度不高，尤其是储罐的计量，高精度的计量仪表较少，
7、部分测量点还在采用人工检尺的计量方法。3. 物料平衡系统的方案设计与实施一般来说，大型信息系统实施项目在总体规划、可行性研究和系统选型之后的系统实施阶段有：现状与需求分析、初步设计、详细设计、系统配置、系统测试、系统试运行6个阶段。实施物料平衡系统就需要根据企业实际情况，使物料平衡系统的实施更加符合企业的现状与需求。下面以某炼油厂物料平衡系统的实施为例，详细说明炼油厂物料平衡系统分析、设计与实施的特点。3.1. 企业个性分析某炼油厂在生产燃料油的同时，副产部分润滑油、石蜡、化工产品等。现拥有生产装置51套，年原油加工能力650万吨，主要加工辽河原油、大庆原油和部分进口原油，重油加工以催化装置、
8、焦化装置为主。（1）计量仪表该炼油厂建厂时间较长，各类设备相对陈旧，尤其是计量仪表，虽然经过多次维修、改造，部分仪表得到了更新，但从整体上来看，其计量设备还是相对较差。部分主要装置计量条件较好，并可以进行实时数据采集；装置的大部分侧线计量仪表为体积式计量表，需要人工计算后才能得到质量；少部分装置虽然有计量仪表，但仪表型号陈旧，精度较差，并且不能实现数据的实时采集。罐区方面，大部分原油、成品油储罐的计量条件相对较好，有先进的高精度罐测量仪器（雷达液位计），并且可以将罐信息实时采集到实时数据库中，但对于中间料、半成品等物料的储罐，计量仪表较差且精度不高，需要人工检尺或人工读表来得到罐测量数据。罐间
9、的物料移动没有计量仪表，完全由罐量差进行推算。进出厂计量方面，计量仪表比较精确，但仍有部分数据无法实时采集。为此，需要在物料平衡实施过程中，针对计量仪表的现状，采取灵活的实施策略与方法。（2）物料平衡相关系统物料平衡系统涉及全厂多方面多部门的信息，与其相关度较大的信息系统有实时数据库系统、计量系统、实验室系统，它们都是MES系统的一部分，因此，在实施物料平衡系统的同时，也需要实施实时数据系统与实验室系统，以为物料平衡系统的运行提供信息基础。3.2. 系统设计图1所示是某炼油厂MES物料平衡系统功能设计图。其中装置质量计算与校正、罐质量计算、物料路由开关与罐间移动等功能模块构成了物料平衡的基础数
10、据层，为物料平衡计算与生产日报提供基础数据。在平衡运算软件方面，采用了Honeywell Business Flex套件中的Production Balance物料平衡软件，将基础数据与平衡模型相结合，从而实现从数据收集、平衡运算到最终报表显示等一系列功能。图1 MES物料平衡系统的典型功能设计3.3. 建模策略与方案炼油企业的整个生产是一个连续的过程，从原油的入厂、一次加工、二次加工、油品调和到成品出厂，如何通过模型化反映物料在厂内的流动情况，建立合理的平衡模型，是成功实施系统的重要保障之一。在具体建模过程中，物料平衡的颗粒度理论上可以做到物理设备，如一套生产装置、一个储罐、一条管线等，有时
11、甚至可以细化到装置内部的物料数据。但是，考虑到基础条件及用户需求，在没有足够计量条件的前提下，一味地寻求做细，往往适得其反，产生许多误差较大的数据，影响整体的物料平衡。在实际操作中，生产装置的进出料线一般都有计量仪表，而装置内部往往没有流量计量设备，因此在物料平衡的处理中，一般将一套生产装置（如蒸馏装置、催化装置、乙烯裂解装置）作为一个物料平衡单位。而罐区部分的实施方案则比较复杂，一般分为物理罐方案、逻辑罐方案，以及物理罐与逻辑罐相结合的方案。物理罐方案将平衡模型细化到每一个物理储罐物料的方案。在物料平衡运行过程中，需要考察每一个物理储罐的收拨存数据。一般来说，储罐的存量数据通过仪表或检尺后计
12、算得到，但是要获得每个物理储罐详细的收拨信息存在一定的问题，尤其在储罐边收边付的情况下，或在移动有多个源头或多个目的地情况下，物料移动的信息则更难计量。我国的炼油厂往往具有中间罐较多的特点，储罐之间物料收付复杂，数据量庞大，在物料平衡基础数据中的比重也较大，如果采用人工分拆收付数据的方法，误差很大，经常存在“拍脑袋”决策的情况，造成整个基础数据质量的下降。为此考虑采用适当规则，对物理储罐进行归并，形成逻辑罐。将物理罐归并为逻辑罐时，主要有三种归并方式：一种是根据用途归并，如给同一套装置供料的储罐归并在一起；第二种是根据物料或物料组分进行归并，例如“93号汽油半成品罐”与“93号汽油成品罐”归并
13、在一起，根据组分归并可以更粗一些，如可以是“汽油组分罐”，或“石脑油组分罐”；第三种是根据“组分/物料+罐区”的形式进行归并，将同一罐区的同种物料罐归并。建立物理罐模型的特点是：完全真实反应企业的真实流程，平衡后的数据更详细，更利于企业的精细管理，但对计量的要求较高。逻辑模型的优点是：模型相对简单，工作量较小，使用较为方便，当模型不精细时，结果的准确度、可利用度相对较低。根据炼化企业的实际情况，可以采用混合式的建模策略进行建模工作。对计量条件好、工艺流程简单明晰的可以采取物理罐建模方式，对计量条件不好、工艺流程复杂、变化较多的应采用逻辑罐的建模方法，以大大减少未知的储罐收付数据，在装置层面，由
14、于物理储罐的合并，也不用关注侧线/进出料线的与储罐之间的管线切换问题。采用混合式的建模策略可以在保证模型精度的同时，减轻基层操作人员的部分工作量，降低系统的使用难度，提高模型的实用性。3.4. 实施过程中的难点分析（1）建模数据收集任何信息系统的实施都离不开数据的收集与模型的建立。在物料平衡的实施过程中，建模数据的收集与整理，对建模工作起着至关重要的作用。数据的完整性、精确性、合理性直接决定了模型是否能覆盖到整个生产流程；是否能够准确反应生产的实际情况；是否能够进行正常、高效的运算。建模数据的收集包括与生产相关的装置信息、储罐信息、物料信息、侧线信息、仪表信息、物料流动路径信息等。数据收集工作
15、特别要注意以下几点：第一，数据收集工作要坚持繁简得当，有所侧重。例如：对于装置信息收集应侧重于侧线及侧线仪表信息的收集，对于装置内部的流动及仪表就可以不做考虑。第二，数据收集工作要与炼厂总体工艺流程相结合。物料平衡模型能正确运行的前提条件之一就模型首先要能合理反应炼厂内部的物料流动情况，所以在收集建模数据的时候要详细了解厂内工艺现状及可能发生的情况，从而建立准确的物料平衡模型。笔者在某炼油厂实施物料平衡系统的过程中，从生产调度、车间工艺人员中得到了大量工艺知识与信息，使模型建立工作收到了事半功倍的效果。第三，建模数据收集工作要贯穿项目实施的整个阶段乃至于项目的应用阶段。炼厂的生产工艺复杂，为适
16、应内外部环境的变化，炼厂工艺流程也经常处于变化状态，所以不断收集工艺信息，调整平衡模型，使其符合现有的工艺流程是贯穿于物料平衡的实施与应用过程中的长期工作。（2）计量标准规范与统一待添加的隐藏文字内容1笔者在某炼油厂实施物料平衡系统时发现，企业内部各处的计量标准不一致，部分车间只采用简易方法测量库存等数据，使数据的规范性与准确性受到较大影响。例如：罐区计量方面，在成品油、原油罐区采用标准的罐量计算方法，通过温压补偿算法得到较为准确的罐量数据；但蜡油、渣油等中间原料的计量则非常不规范，所采用的计算方法是将标准密度与罐的实测体积直接相乘来得到罐量数据，不进行温压补偿。通过测算如果罐实际质量为500
17、0吨，简易计算方法的计算值与实际值可相差300吨左右，误差达到6。根据以上情况，在物料平衡系统实施过程中，项目组与计量处对全厂计量标准进行了研究与统一，将标准的罐量计算方法、装置侧线量计算方法固化得到软件当中，装置人员直接录入基本数据，由软件进行自动计算得到罐量、侧线量等数据，从源头上保证了数据的准确性。（3）生产人员培训生产人员的培训主要集中在基础数据层中的四个功能模块（装置质量计算与校正、罐质量计算、物料路由开关、罐间移动）的使用。由于培训工作量大、工人的素质参差不齐、软件的使用需要一定的计算机基础等原因，大大增加了培训工作的难度。物料平衡项目组在培训过程中，采用了集中培训灌输知识，分散应
18、用现场辅导的方法来完成培训工作。首先将车间人员集中起来分期分批进行培训，集中将软件的主要概念、详细使用方法传授给生产人员，在培训环境下进行实际操作，进一步加深印象，提高实际操作能力；培训结束后，项目组人员又深入到各个车间、班组进行现场辅导，和工人一起完成数据的录入工作，现场解答工人提出的问题，进一步帮助工人熟练操作；除此之外，项目组还对车间的技术人员进行了培训，充分发挥技术人员素质高、技术能力好的特点，对班组人员进行传、帮、带；设立了专门的热线电话，随时为工人解决应用中出现的问题。（4）考核机制物料平衡系统实施后，在一定程度上改变了企业业务的操作流程，对业务人员素质要求也相应的提高。基础数据的
19、计算、存储、查询、上报等业务都发生了改变，生产人员对新方法、新流程需要一定的接受时间和过程。建立高效严格的考核制度可以使生产操作人员快速熟练掌握新流程、新方法，从而缩短系统的磨合时间，早日全面发挥系统的工效。在物料平衡系统的使用过程中，信息中心、生产处都制订了相应的管理办法，对计算规则、数据质量、数据录入的时间等方面都做了详细的规定，并建立颁布了奖惩措施，使生产人员很快适应了新的工作方法，缩短了适应新系统的时间，较早的发挥了物料平衡信息系统的优势。4. 结束语物料平衡系统作为MES项目的一部分，应结合炼油企业自身软硬件的特点，设计与实施物料平衡系统，实施的全厂生产物料平衡系统, 可监控从原油进
20、厂到产品出厂的物料流动和损耗情况的整个过程, 对各生产装置、罐区的进出物料进行日物料平衡计算, 可及时、准确地了解企业物料流动情况、装置生产情况, 最大限度地使原料、半成品、成品在多装置、多储罐之间的流动满足于装置运行, 实现企业内部各种生产资源的合理调配与利用。参考文献：1王旭：炼油长两级物料平衡的数据校正方法，化工自动化与仪表，20052张景宇等：中石化应用MES实现精细化生产中国制造业信息化 20053王宏安等：化工生产执行系统MES，化学工业出版社， 20064袁林等：炼油物料平衡系统的设计与应用，数字化工 ，20065徐伟民等：流程工业生产执行系统（MES）中的数据综合集成，第五届全球智能控制与自动化大会，2004作者简介 赵全庆（1969-），男，辽宁省葫芦岛市人，大学本科，副处长，高级工程师，电话0429-2179072，电邮: zhaoquanqing作者简介李耀（1974-），男，辽宁省葫芦岛市人，大学本科，工程师，电话0429-2177593，电邮:liyao
