همزاد دیجیتالی واحد کراکر بخار یک بازنمایی مجازی پویا، بلادرنگ و دادهمحور از کل واحد کراکر بخار است که بطور پیوسته با دادههای واقعی از واحد فیزیکی بهروزرسانی شده و از مدلهای پیشرفته شبیهسازی، هوش مصنوعی و تحلیل داده برای شبیهسازی، پیشبینی، بهینهسازی و تصمیمگیری پشتیبانی میکند.
نقش همزاد دیجیتالی در واحد کراکر بخار
بازتاب دیجیتالی دقیق: همزاد دیجیتالی بازتاب دیجیتالی دقیقی از تمام اجزا واحد کراکر بخار از خوراک تا محصول نهایی را فراهم میکند که شامل بروزرسانی بلادرنگ وضعیت واقعی کل اجزا کراکر بخار و مدلسازیهای دقیق از جزئیات فیزیکی، شیمیایی و عملیاتی با دقت بالا است.
پویایی و تعامل: به کمک یک همزاد دیجیتالی واحد کراکر بخار امکان پاسخ و واکنش سریع به تغییرات عملیاتی و ایجاد تعامل دوطرفه بین واحد فیزیکی و توصیههای عملیاتی و میزان تاثیرگذاری این توصیهها فراهم میشود که این خود میتواند به بهبود مستمر مدلها از دل تجربیات عملیاتی جدید بیانجامد.
پیشبینی و تجویز: یک همزاد دیجیتالی واحد کراکر بخار امکان پیشبینی رفتار آینده واحد را فراهم کرده و از این طریق توصیههای عملیاتی آیندهنگرانهای را در قالب راهکارهای عملی بهینه ارائه میدهد. همچنین امکان آزمایش تصمیمات قبل از اجرای آن را به کمک شبیهسازی سناریوهای «چه میشود-اگر» ایجاد میکند.
بنابراین یک همزاد دیجیتالی از واحد کراکر بخار یک آینه دیجیتال است که بازتاب وضعیت فعلی واحد بود و پارامترهای حیاتی واحد را نمایش داده و تاریخچه کامل عملیات واحد را ذخیره میکند و در مرحله بعد به عنوان یک مشاور عملیاتی وضعیت جاری را تحلیل کرده و با تشخیص انحرافات توصیههای اصلاحی ارائه میدهد و در مرحله بعد مشابه یک پیشگوی آینده روندهای آتی پارامترها را پیشبینی و ارائه کرده و همچنین با استفاده از شبیهسازی سناریوهای مختلف ریسک تصمیمات را ارزیابی و محاسبه میکند و در مرحله آخر در قامت یک بهینهساز هوشمند نقطه بهینه عملیات را در بخشهای مختلف واحد محاسبه کرده و منجر به کاهش مصرف انرژی و حداکثرسازی سود میشود.
ساختار و اجزا همزاد دیجیتالی در یک واحد کراکر بخار
اجزای اصلی تشکیلدهنده یک همزاد دیجیتالی برای اجرا در یک واحد کراکر بخار شامل لایههای زیر است که هر لایه وظیفه مستقلی را ایفا میکند و از پیچیدگیهای طراحی و اجرای خاص خود برخوردار است:
لایه فیزیکی: شامل بیش از 2500 حسگر مختلف و سیستمهای کنترل صنعتی
لایه اتصال: شامل شبکههای ارتباطی و صنعتی، درگاههایصنعتی و پروتکلهای صنعتی همچون OPC-UA, MQTT و مکانیزمهای امنیتی
لایه پلتفرم اینترنت اشیا صنعتی: تعریف و مدیریت حسگرها و تجهیزات، جمعآوری داده
لایه پلتفرم داده: زیرساختهای کلان داده شامل پایگاه دادههای زمانی، رابطهای، دریاچه داده، فرایند استخراج، تبدیل و بارگذاری داده و یکپارچهسازی داده با سایر سامانههای موجود مانند راهکار جامع سازمانی (ERP)، ایمنی و سلامت (HSE)، اجرای تولید (MES) اطلاعات آزمایشگاه (LIMS) و مدیریت نگهداری و تعمیرات (CMMS)
لایه مدلسازی: مدلهای فرایندی شامل مدل سینتیکی دقیق، مدل دینامیک فرایند، مدل دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)کورهها، مدل مکانیکی کویلها، مدل تشکیل کک و مدلهای یادگیری ماشین شامل پیشبینی ضخامت کک، طبقهبندی وضعی کوره، تشخیص ناهنجاری، طبقهبندی نوع خرابی، بهینهسازی پارامترها، تنظیم خودکار، برنامهریزی تولید
لایه تحلیل: شامل موتور پیشبینی ضخامت، الگوریتم بهینهسازی زمان ککزدایی، سیستم توصیهگر عملیاتی
لایه کاربرد و مصورسازی: شامل مدل سه بعدی، داشبوردهای پایش بلادرنگ براساس نقش کاربری (اپراتور، تعمیرات نگهداری، ایمنی و سلامت، مدیریتی، هوش کسبوکار)، سیستم هشدار پیشبینانه و شبیهسازهای عملیاتی چه میشود-اگر و شبیهسازهای آموزشی
همزاد دیجیتالی؛ راهکاری برای چالش تشکیل کک در واحد کراکر بخار
در دمای بالا، واکنشهای جانبی شکست مولکولی منجر به تشکیل کک (کربن جامد) روی دیوارههای کوره و داخل کویلها میشود. این پدیده مشکلاتی جدی ایجاد میکند ازجمله اینکه کاهش انتقال حرارت و افزایش مصرف انرژی، افزایش افت فشار در کویلها، کاهش بازدهی تولید الفینها را در پی دارد و در نتیجه لازم است واحد برای عملیات سوزاندن کک یاککزدایی متوقف شود. عملیات ککزدایی بطور معمول هر۳۰ تا ۶۰ روز یکبار انجام میشود و باعث توقف تولید ۲۴-۴۸ ساعته، تلفات تولید سالیانه تا 20 روز، مصرف انرژی و هوای فشرده بالا، استهلاک تجهیزات و خطرات ایمنی ناشی از عملیات در دمای بالا میشود.
در فرایند ککزدایی پیشبینی ضخامت کک و بهینهسازی زمانبندی فرایند تاثیر بسیار بالایی در افزایش میانگین چرخه زمانی عملیات ککزدایی، کاهش مدت زمان انجام عملیات ککزدایی، کاهش صرف انرژی و توقفات برنامهریزی نشده خواهد داشت، در این راستا به عنوان یک نمونه از کاربردهای همزاد دیجیتالی در واحد کراکر بخار حل چالش اصلی این واحد یعنی تشکیل کک و فرایند ککزدایی بهینه به کمک طراحی و پیادهسازی همزاد دیجیتالی است. همزاد دیجیتالی در یک واحد کراکر بخار میتواند با طی مراحل زیر و مبتنی بر پیشبینی ضخامت کک و بهینهسازی زمانبندی فرایند ککزدایی چالش تشکیل کک در واحد کراکر بخار را تا حد ممکن مرتفع سازد. این مراحل عبارتند از:
1- ایجاد مدل فیزیکی-شیمیایی پایه شامل مدل سینتیکی واکنشهای شکست، مدل انتقال حرارت و جریان سیالات و مدل تشکیل و رسوب کک
2- نصب حسگرهای دما، فشار، ارتعاش، آنالایزرهای آنلاین تشخیص ترکیب گاز در خروجی هر کوره، فلومترهای دقیق برای بخار و خوراک، دوربینهای فروسرخ برای پایش دمای سطحی، سامانه نمونهبرداری خودکار از کک و دادههای تعمیراتی بعد از هر بار اجرای عملیات ککزدایی و جمعآوری این دادههای لازم و حیاتی با نرخ نمونه برداری مناسب
3- تجزیه و تحلیل دادههای جمعآوری شده به کمک مدلهایپیشبینی ضخامت کک، الگوریتم بهینهسازی زمان ککزدایی و ارائه توصیههای عملیاتی بهینه
سازوکار عملیات ککزدایی بهبودیافته با همزاد دیجیتالی
پس از پیادهسازی همزاد دیجیتالی در واحد کراکر بخار روال عملیاتی ککزدایی کورهها بر پایه مراحل زیر بهبود پیدا خواهد کرد.
تشخیص زمان بهینه: تشخیص نیاز به اجرای عملیات ککزدایی، 72 ساعت پیش از نقطه بحرانی و افت فشار با دقت بسیار بالا در قطعیت پیشبینی براساس ضخامت فعلی کک
آمادهسازی هوشمند: تنظیم خودکار میزان خوراک سایر کورهها، اجرای خودکار پیش گرمایش سیستم هوای ککزدایی و اطلاعرسانی سیستمی به تیمهای عملیاتی و تعمیراتی
اجرای کنترلشده: کنترل خودکار پروتکل دما، پایش بلادرنگ گازهای خروجی مونوکسید کربن و دیاکسید کربن تشخیص پایان عملیات ککزدایی براساس تحلیل گازها و خنککاری بهینه برای کاهش شوک حرارتی
راهاندازی سریعتر: شبیهسازی راهاندازی کوره در محیط مجازی، تعیین مسیر بهینه افزایش بار و هدایت گام به گام اپراتور
افزایش دقت مدل: همزاد دیجیتالی پس از هر بار اجرای عملیات ککزدایی دادههای واقعی ضخامت کک را دریافت کرده خطای پیشبینی را تحلیل میکند و با بازتنظیم پارامترهای مدل دقت پیشبینی سیکل بعد را بهبود میبخشد
دستاوردهای پیادهسازی همزاد دیجیتالی واحد کراکر بخار
برپایه مطالعات موجود دستاوردهای بکارگیری همزاد دیجیتالیدر یک واحد کراکر بخار را در 2 دستهبندی زیر میتوان عنوان کرد:
دستاوردهای اقتصادی
• افزایش درآمد سالانه از محل تولید بیشتر
• کاهش هزینههای عملیاتی در سال
• بازگشت سرمایه در حدود 14 ماه
دستاوردهای عملیاتی
• کاهش محسوس مصرف سوخت سالانه
• کاهش محسوس انتشار سالانه دیاکسیدکربن
• افزایش قابلیت اطمینان واحد
• کاهش ۶۰ درصد در مصرف مواد شیمیایی بازدارنده کک
چالشهای پیادهسازی همزاد دیجیتالی در واحد کراکر بخار
چالشهای ایجاد یک همزاد دیجیتالی در واحد کاراکر بخار را میتوان در ابعاد مختلفی مورد بررسی قرار داد که در زیر به مهمترین این چالشها اشاره شده است:
چالشهای فنی
• پیچیدگی مدلسازی سیستمهای پتروشیمی
• یکپارچهسازی با سیستمهای موجود (راهکار جامع سازمانی، اسکادا، اجرای تولید)
• نیاز به حجم بالای دادههای با کیفیت
• تأخیر در پردازش دادههای بلادرنگ
چالشهای سازمانی
• مقاومت در برابر تغییر در سازمان و در بین نیروها
• کمبود نیروی متخصص
• نیاز به تحول در فرهنگ سازمانی
• و مهمترین آن چالشهای امنیت سایبری
چالشهای مالی
• نیاز به سرمایهگذاری اولیه بالا
• عدم قطعیت در بازگشت سرمایه
• تحمیل هزینههای نگهداری و بهروزرسانی خود همزاد دیجیتالی
یک اکوسیستم یکپارچه در خدمت واحد کراکربخار
همزاد دیجیتالی واحد کراکر بخار نه یک نرمافزار یا سیستم ساده، بلکه یک اکوسیستم دیجیتال یکپارچه است که بازتاب دیجیتالی دقیق و پویایی از واحد فیزیکی ایجاد میکند، پیشبینی آینده واحد را با دقت بالا ممکن میسازد، بهینهسازی مستمر عملیات را امکانپذیر میکند و امکان تصمیمگیری آگاهانه بر اساس داده و مدل را فراهم میکند. این همزاد دیجیتالی همچنین یادگیری مداوم از تجربیات گذشته و حال دارد و دیگر اینکه باعث کاهش محسوس هزینهها و افزایش قابل توجه درآمد میشود و سرانجام چالشهای زیست محیطی را با کاهش انتشار کربن محدود میکند.
بنابراین اجرای همزاد دیجیتالی در یک واحد کرار بخار نه تنها منجر به بهبود در شاخصهای فنی و اقتصادی، بلکه در ایجاد قابلیتهای جدید تصمیمگیری، کاهش ریسک عملیاتی و تسریع تحول دیجیتال در سازمان نیز میشود.
مدیر راهکارهای اینترنت اشیا فناپزیرساخت
۲۲۳۲۲۳
