三、設(shè)備本質(zhì)安全可靠與監(jiān)管智能化發(fā)展趨勢(shì)
（一）設(shè)備設(shè)計(jì)與制造向智能化方向發(fā)展
1. 數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)是重要手段
在數(shù)字化集成環(huán)境下，開展可靠性與性能一體化的設(shè)計(jì)與仿真，針對(duì)機(jī)械、機(jī)電等復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu) / 機(jī)構(gòu)、設(shè)備、系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品復(fù)雜環(huán)境下多場(chǎng)耦合、多機(jī)理相關(guān)的可靠性量化分析、壽命預(yù)測(cè)、方案優(yōu)化等研究，具體包括多學(xué)科工具集成、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、響應(yīng)面耦合、可靠性分析、系統(tǒng)可靠性分析、可靠性優(yōu)化、耐久性分析 7 個(gè)功能模塊。
2. 機(jī)械裝備智能化是發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)今社會(huì)大量地采用智能技術(shù)，包括各種智能生產(chǎn)控制系統(tǒng)、智能物流系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)等。過(guò)程裝備的自我感知、自動(dòng)辨識(shí)、自動(dòng)預(yù)測(cè)、外部擾動(dòng)自適應(yīng)調(diào)整、故障自愈化等特性都帶有典型的智能化特征。流體機(jī)械的防喘振控制、無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)控制、聯(lián)鎖保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等自控設(shè)施是智能化控制的基礎(chǔ)。
3. 智能制造是實(shí)現(xiàn)途徑
智能制造是指面向產(chǎn)品全生命周期，實(shí)現(xiàn)泛在感知條件下的信息化制造。在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)智能化的感知、人機(jī)交互、決策和執(zhí)行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程和制造裝備智能化，是信息技術(shù)、智能技術(shù)與裝備制造技術(shù)的深度融合與集成。充分利用網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化制造的基礎(chǔ)，融入人工智能和機(jī)器人技術(shù)，形成人、機(jī)、物的交互與深度融合，使設(shè)計(jì)、工藝、試驗(yàn)仿真、生產(chǎn)過(guò)程、保障及管理等各階段的智能化成為現(xiàn)實(shí) [16,17]。
（二）風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)將成為設(shè)備完整性管理的重要支撐
1. 設(shè)備完整性管理是設(shè)備管理發(fā)展趨勢(shì)
設(shè)備管理模式從故障后維修（BM）、計(jì)劃維修（TBM）、狀態(tài)維修（CBM）、基于風(fēng)險(xiǎn)的維修（RBM）發(fā)展到資產(chǎn)完整性管理（AIM）。完整性管理貫穿設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、維修、報(bào)廢等全生命周期的各個(gè)階段，是煉化企業(yè)設(shè)備管理模式的主流發(fā)展趨勢(shì)。
2. 風(fēng)險(xiǎn)管理是完整性管理的核心
設(shè)計(jì)階段應(yīng)用量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（QRA）、危害與可操作性分析（HAZOP）、可靠性 / 可用性分析（RAM）、SIL 等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具，識(shí)別設(shè)計(jì)階段存在的風(fēng)險(xiǎn)因素并采用一次性變更措施，確保設(shè)備設(shè)計(jì)本質(zhì)安全可靠。
運(yùn)行、維修階段利用設(shè)備失效分析（FTA）、根本原因分析（RCA）方法識(shí)別造成設(shè)備缺陷的潛在因素；靜設(shè)備應(yīng)用 RBI 技術(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析并制定檢驗(yàn)計(jì)劃；動(dòng)設(shè)備應(yīng)用 RCM、RAM 技術(shù)進(jìn)行可靠性分析，制定檢驗(yàn)維修策略；儀表電氣應(yīng)用 SIL 技術(shù)進(jìn)行安全完整性等級(jí)分析，制定相應(yīng)的管理策略；操作方面采用完整性操作窗口（IOW）設(shè)定設(shè)備失效的操作邊界，預(yù)防與干預(yù)設(shè)備狀態(tài)劣化造成的事故發(fā)生，確保設(shè)備安全運(yùn)行。
3. 風(fēng)險(xiǎn)管理促使傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式從制度層面轉(zhuǎn)向技術(shù)層面
傳統(tǒng)的設(shè)備管理依靠制度規(guī)范，明確了人要怎么管設(shè)備。風(fēng)險(xiǎn)管理從技術(shù)層面出發(fā)，提出設(shè)備需要怎么管理才能確保設(shè)備安全可靠運(yùn)行的同時(shí)降低維修資源耗費(fèi)和提高裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。
（三）設(shè)備監(jiān)測(cè)將向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展
1. 監(jiān)測(cè)預(yù)警智能化
常規(guī)的監(jiān)測(cè)報(bào)警容易出現(xiàn)假報(bào)警、虛報(bào)警和反復(fù)穿越多次報(bào)警。監(jiān)測(cè)預(yù)警智能化的發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)為取代門檻閾值報(bào)警方式，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行工況、服役年限等因素設(shè)置智能報(bào)警線；報(bào)警不但分級(jí)，而且給出報(bào)警的位置、報(bào)警的危險(xiǎn)級(jí)別和解除、延緩報(bào)警的策略方法。
2. 監(jiān)測(cè)診斷智能化
以多參數(shù)、大容量替代單參數(shù)監(jiān)測(cè)，平穩(wěn)運(yùn)行監(jiān)測(cè)發(fā)展到非平穩(wěn)運(yùn)行監(jiān)測(cè)，信息集成、融合、分解、提純等技術(shù)（取代單參數(shù)的閾值比較）是監(jiān)測(cè)診斷智能化發(fā)展的基礎(chǔ)。監(jiān)測(cè)診斷智能化的發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)故障診斷、自動(dòng)故障預(yù)測(cè)和剩余壽命預(yù)測(cè)。
3. 監(jiān)測(cè)診斷網(wǎng)絡(luò)化
實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)替代定期監(jiān)測(cè)和巡回監(jiān)測(cè)，分布式、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)代替集中監(jiān)測(cè)，這是監(jiān)測(cè)診斷的發(fā)展趨勢(shì)。以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等為代表的新一代信息與通信技術(shù)創(chuàng)新活躍，發(fā)展迅猛，正在全球范圍內(nèi)掀起新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要力量。物聯(lián)網(wǎng)可以將所有行使獨(dú)立功能的普通物體與互聯(lián)網(wǎng)相連，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化的識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。從全球來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)處理和公共平臺(tái)服務(wù)方興未艾，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的終端制造和應(yīng)用服務(wù)仍在成長(zhǎng)培育期。
不依靠機(jī)理研究而直接從大數(shù)據(jù)出發(fā)識(shí)別設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，這也是煉化設(shè)備智能監(jiān)管的一個(gè)趨勢(shì)。借助物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)，充分利用煉化企業(yè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，通過(guò)統(tǒng)計(jì)、在線分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別等方法開展數(shù)據(jù)的分類與估計(jì)、規(guī)則關(guān)聯(lián)、聚類、可視化描述等應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障識(shí)別、早期預(yù)警與診斷、設(shè)備健康狀態(tài)在線評(píng)估等功能。一些互聯(lián)網(wǎng)公司開始利用人工智能技術(shù)支持煉化企業(yè)探索智能生產(chǎn)，綜合采用多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)保障設(shè)備之間、設(shè)備與制造云數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)交換，為智能工廠提供監(jiān)測(cè)智能化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
基于工業(yè)大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)的制造服務(wù)，以云計(jì)算、數(shù)據(jù)融合處理與分析、遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷等技術(shù)為支撐，建立網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控與診斷和后勤保障系統(tǒng)，支撐運(yùn)營(yíng)模式變革，擴(kuò)展維護(hù)、租賃和數(shù)據(jù)分析管理等服務(wù)，由此奠定設(shè)備本質(zhì)安全可靠與監(jiān)管智能化的技術(shù)基礎(chǔ)。
四、我國(guó)煉化設(shè)備本質(zhì)安全可靠與監(jiān)管智能化宏觀研究
（一）我國(guó)煉化設(shè)備本質(zhì)安全可靠與監(jiān)管智能化存在的問(wèn)題
設(shè)備可靠性設(shè)計(jì) / 制造、風(fēng)險(xiǎn)管理和智能化監(jiān)控方面的法律、法規(guī)或規(guī)章制度不健全；設(shè)備重特大事故的調(diào)查往往以追責(zé)為目的，事故往往無(wú)法追根溯源。
設(shè)備可靠性設(shè)計(jì) / 制造、風(fēng)險(xiǎn)管理和智能化監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)體系缺乏或不健全；風(fēng)險(xiǎn)管理、監(jiān)管智能化從業(yè)人員資格未有認(rèn)證制度，從業(yè)人員技術(shù)水平有待整體性提升。
設(shè)備采購(gòu)低價(jià)中標(biāo)制度不能鼓勵(lì)提高設(shè)計(jì) / 制造質(zhì)量，也難以推動(dòng)設(shè)備本質(zhì)安全可靠所需的安全設(shè)施建設(shè)。
設(shè)備設(shè)計(jì) / 制造監(jiān)測(cè)控制智能化程度不高，技術(shù)水平相對(duì)落后；設(shè)計(jì)院、制造廠的產(chǎn)品設(shè)計(jì)相對(duì)保守，在“源頭”就缺乏設(shè)備故障可探測(cè)性、自適應(yīng)調(diào)控性和自愈化等功能設(shè)計(jì)。
在設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理階段，一方面管理者由于知識(shí)所限，認(rèn)為監(jiān)測(cè)控制智能化設(shè)施功能“畫蛇添足”而不重視；另一方面設(shè)備監(jiān)測(cè)控制智能化程度達(dá)不到用戶預(yù)期功能。兩種現(xiàn)象同時(shí)存在。
設(shè)備管理模式的傳統(tǒng)想法根深蒂固，RBI、RCM、SIL、HAZOP 等先進(jìn)成熟的管理模式難以落地生根。
設(shè)備決策管理靠經(jīng)驗(yàn)、靠領(lǐng)導(dǎo)，缺乏利用設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)診斷數(shù)據(jù)、檢修維護(hù)數(shù)據(jù)等進(jìn)行科學(xué)決策的意識(shí)和能力。
設(shè)備本質(zhì)安全可靠智能化程度低，造成設(shè)備運(yùn)行不敢卡邊操作、以犧牲運(yùn)行效率換取安全的現(xiàn)狀普遍存在。
（二）我國(guó)煉化設(shè)備本質(zhì)安全可靠與監(jiān)管智能化對(duì)策與建議
在國(guó)家層面著手建立煉化設(shè)備設(shè)計(jì) / 制造本質(zhì)安全可靠相關(guān)的法律、法規(guī)或規(guī)章制度；設(shè)備重大事故根源為設(shè)計(jì) / 制造缺陷的，要對(duì)相關(guān)單位追責(zé)。
制定煉化設(shè)備設(shè)計(jì) / 制造、風(fēng)險(xiǎn)管理、監(jiān)管智能化方面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范并建立定期評(píng)審、更新機(jī)制；以最佳可行技術(shù)為依據(jù)，提高企業(yè)在標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中的參與程度；對(duì)從業(yè)人員實(shí)行資格認(rèn)證制度，提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、監(jiān)測(cè)診斷結(jié)論的權(quán)威性。
從設(shè)備本質(zhì)安全可靠與監(jiān)管智能化的內(nèi)在需求出發(fā)，完善設(shè)備及其零部件采購(gòu)管理制度；設(shè)備運(yùn)行效率、無(wú)故障運(yùn)行周期、故障平均修復(fù)時(shí)間、年維修費(fèi)用、事故安全影響和環(huán)境影響等作為重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。
在設(shè)備設(shè)計(jì) / 制造方面，開展故障可檢測(cè)性設(shè)計(jì)和工業(yè)互聯(lián)設(shè)計(jì)，提升裝備的故障感知能力、狀態(tài)辨識(shí)與預(yù)測(cè)能力和工業(yè)互聯(lián)能力；通過(guò)數(shù)字化、自動(dòng)化、模型化、智能化、信息化等措施提升裝備本質(zhì)安全設(shè)計(jì)水平；實(shí)現(xiàn)煉化企業(yè)全流程安全生產(chǎn)管控一體化，形成裝備運(yùn)行狀態(tài)辨識(shí)與預(yù)測(cè)、自適應(yīng)規(guī)劃控制與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償修復(fù)、智能維修決策等能力（見圖 1）。
圖 1 動(dòng)靜電儀設(shè)備本質(zhì)安全可靠與監(jiān)管智能化設(shè)計(jì)框架圖
建立健全設(shè)備完整性管理制度體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、維修、報(bào)廢等全生命周期的管理。
在設(shè)備全生命周期的各個(gè)階段，貫徹應(yīng)用RBI、RCM、SIL 等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具，成為國(guó)家或行業(yè)性的正式要求；煉化企業(yè)要制定與之相適應(yīng)的管理規(guī)章制度并監(jiān)督執(zhí)行。
利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等基礎(chǔ)技術(shù)，突破設(shè)備故障自動(dòng)診斷、自動(dòng)預(yù)測(cè)、智能預(yù)警等核心關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建設(shè)備完整性管理智能運(yùn)維決策信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備智能運(yùn)維決策（見圖 2）。
圖 2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備智能維修決策框架原理圖
掌握煉化設(shè)備健康與能效監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)，建立壓縮機(jī)機(jī)組智能調(diào)控系統(tǒng)，利用專家系統(tǒng)對(duì)煉化設(shè)備進(jìn)行集中控制，采用智能化算法優(yōu)化負(fù)載分配，使各壓縮機(jī)機(jī)組運(yùn)行在最優(yōu)工況，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行效益的最大化。采用大機(jī)組防喘振優(yōu)化控制和故障自愈調(diào)控技術(shù)，在提升機(jī)組運(yùn)行效率的同時(shí)，確保設(shè)備卡邊運(yùn)行的安全可靠。
五、煉化設(shè)備本質(zhì)安全可靠與監(jiān)管智能化技術(shù)的工程應(yīng)用案例
采用煉化設(shè)備本質(zhì)安全可靠與監(jiān)管智能化技術(shù)進(jìn)行了工程案例實(shí)施 [18]。中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司某子公司催化裝置的主風(fēng)機(jī)在使用的 8 年時(shí)間內(nèi)曾數(shù)次出現(xiàn)卡件、系統(tǒng)報(bào)警和聯(lián)鎖誤動(dòng)作等故障，2011 年 2–4 月期間主風(fēng)機(jī)出現(xiàn)兩次靜葉漂移關(guān)閉到 22°位置致使系統(tǒng)停車。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位平均每年因主風(fēng)機(jī)靜葉可調(diào)機(jī)構(gòu)鎖位或跑位故障造成系統(tǒng)停產(chǎn)為 3~5 次，平均每次系統(tǒng)停產(chǎn)造成的損失約為 3024 萬(wàn)元。為減少系統(tǒng)停產(chǎn)所造成的損失，保障設(shè)備安全運(yùn)行，針對(duì)該主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)開展本質(zhì)安全可靠智能化監(jiān)管改造。
（一）本質(zhì)安全可靠智能化監(jiān)管對(duì)象確定
可靠性數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，主風(fēng)機(jī)常規(guī)電液控制系統(tǒng)的故障概率（PFD）達(dá)到了2.5207，而同期先進(jìn)水平控制系統(tǒng) PFD 僅為 0.1。主風(fēng)機(jī)本質(zhì)安全可靠智能化監(jiān)管對(duì)象據(jù)此確定為主風(fēng)機(jī)靜葉可調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)常規(guī)電液控制系統(tǒng)。
（二）可靠性關(guān)鍵影響因素及個(gè)性化再設(shè)計(jì)
影響主風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性的主要因素在于，主風(fēng)機(jī)靜葉可調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的常規(guī)電液控制系統(tǒng)的特閥存在“堵、卡、漂”現(xiàn)象，同時(shí)智能化程度低。基于可靠性設(shè)計(jì)和故障仿生自愈原理，研制具有自診斷及自愈化為特征的智能化電液控制系統(tǒng)，提出一種基于功能代償?shù)亩喟悬c(diǎn)電液控制系統(tǒng)故障自愈調(diào)控方法。基于集散控制系統(tǒng) / 安全儀表系統(tǒng)（DCS/SIS）平臺(tái)開發(fā)了主風(fēng)機(jī)靜葉可調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電液控制故障自愈調(diào)控系統(tǒng)，使靜葉可調(diào)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的故障可探測(cè)性和自適應(yīng)調(diào)控性得到了根本性提高。
（三）本質(zhì)安全可靠智能化監(jiān)管改造效果
在技術(shù)性方面，電液控制性實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)感知、故障可探測(cè)、靜葉可調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位鎖位或跑位故障自愈調(diào)控。
在經(jīng)濟(jì)性方面，具有自愈調(diào)控功能的智能化電液控制系統(tǒng)研制成本為 120 萬(wàn)元，每年按照減少1 次系統(tǒng)停車計(jì)算預(yù)期收益為 3024 萬(wàn)元，投入 / 產(chǎn)出比僅為 0.03968。
在服役性方面，智能電液控制性 PFD 僅為0.005864 ；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在線不停產(chǎn)維修，平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）不大于 2 h；設(shè)計(jì)服役時(shí)限可達(dá)3×105 h。
在資源性方面，智能電液控制運(yùn)行功耗為0.47 kW，優(yōu)于國(guó)內(nèi)最好水平（12 kW），單位原油加工電耗、蒸汽消耗平均降低 0.5%。
在環(huán)境性方面，主風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性顯著提高，系統(tǒng)停產(chǎn)造成的氣體、液體排放總量降低 1 個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
六、結(jié)論
本文揭示了設(shè)備本質(zhì)安全可靠與監(jiān)管智能化的內(nèi)涵與特征。可靠性設(shè)計(jì) / 制造、風(fēng)險(xiǎn)管理、監(jiān)測(cè)控制智能化和信息化是確保設(shè)備本質(zhì)安全可靠的3 個(gè)關(guān)鍵要素。梳理了煉化設(shè)備本質(zhì)安全可靠與監(jiān)管智能化發(fā)展趨勢(shì)：設(shè)備設(shè)計(jì)與制造向智能化方向發(fā)展，風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)將成為設(shè)備完整性管理的重要支撐，設(shè)備監(jiān)測(cè)將向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。明確了我國(guó)煉化設(shè)備本質(zhì)安全可靠與監(jiān)管智能化實(shí)現(xiàn)面臨的挑戰(zhàn)，提出了設(shè)備本質(zhì)安全可靠與監(jiān)管智能化的對(duì)策、措施和建議。
著眼未來(lái)，基于信息物理系統(tǒng)（CPS）實(shí)現(xiàn)設(shè)備全面感知、早期故障預(yù)警、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)估和智能維修決策，這是設(shè)備本質(zhì)安全可靠與智能化監(jiān)管技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
