基于云平台的炼化企业智慧循环水系统

吕文进，傅晓萍，何 杉，周 祥，秦 冰

(中国石化石油化工科学研究院，北京 100083)

随着我国工业化进程的推进，工业用水总量上升，随之引发的水资源问题和环境问题逐渐显露。工业用水的水量消耗大户是冷却用水。水的成本低、比热大，冷却水在炼油厂中常作为换热器的换热介质，用以降低设备温度，延长设备寿命，保障生产的顺利进行[1]。冷却水系统分为直接排放和循环冷却两种，直接排放对水量的需求过大，排污的处理量也随之升高；而循环冷却水可以重复使用，在节水、节能方面都更胜一筹[2-3]。

循环水系统对水质有很高的要求，若不加控制的长期运行，水质将由于被冷却物料泄漏等因素而不断恶化，产生腐蚀、结垢、微生物生长等危害，进而导致设备换热能力降低，严重的甚至会造成生产停滞，带来安全隐患[4-6]。循环水系统与装置设备的平稳运行息息相关，对水质的监控、即时反馈和调节是安全生产、效益保障的关键。而炼化企业普遍存在水质监控不足，加药、补水、排污等操作调整滞后的现象，缺少实时监控管理和在线诊断调优。针对此问题，提升循环水系统的自动化、信息化水平，实现智能化管理，并在此前提下开发智慧循环水系统具有重大意义。

智慧循环水系统本质上是一种通过Web访问的应用程序，采用B/S(浏览器端/服务器端)模式，一般以网页的形式存在，对用户来说，除了浏览器之外不需要安装其他软件，不区分电脑端与手机端，也不依赖于操作系统，适用性广。将该系统部署在云平台上，如遇修复或升级，只需在服务器端修改并下发，所有客户端同步更新，部署及维护成本低。用户从适配浏览器登录，即可实现计算、存储、应用程序等方面的资源共享。

云平台强大的计算能力、巨大的存储空间以及优质的部署环境皆为应用开发提供了有效助力[7-9]。智慧循环水系统的设计开发与云计算的普及推广相辅相成，各类模型、系统的开发与云端部署已逐渐成为科研任务中不可或缺的环节。基于云平台的循环水系统，功能设计灵活，适于分析多维度数据，可以充分发挥运算速率快、数据共享水平高的特点，是循环水在线控制、水质调优，进而实现节水节能、安全生产的有效手段。

智慧循环水系统应用于某石化公司的循环水处理过程，通过数据云端的上传和存储，实现了各项水处理数据的可视化，利用后端数据计算模型，可以对水质问题进行在线报警和诊断，提出参数优化方向，在工厂的实际应用过程取得到了良好的评价与反馈。该系统具有易于更新的特点，可以根据不同的水处理流程进行迭代升级和模型优化，并实现更广泛的应用。以下对该智慧循环水系统进行介绍。

1 智慧循环水系统开发

1.1 前后端分离技术

智慧循环水系统的开发采取前后端分离技术，前端主要使用JavaScript作为开发语言，结合HTML和CSS，使用Visual Studio Code作为开发环境。后端采用基于Python语言的Flask框架开发计算模型。前后端分离采用MVVM(模型层-视图层-视图模型层)模式，视图层与模型层分离，同时又与视图模型层绑定，通过发送请求建立通讯，从而实现页面构建。该模式下的前端与后端耦合度低，后端只负责服务层开发，提供数据存储、模型计算并返回结果，不控制前端界面的渲染效果，而前端只负责交互层设计，控制逻辑、渲染的实现，调取后端接口，优化交互体验等。前后端的交互过程如图1所示。前端上传数据并向后端发送请求，模型与数据库连接，可以实现数据的存储写入、模型计算、读取调用等功能。请求返回的结果再加载到前端，根据设计布局显示具体的页面，实现数据可视化。

图1 云平台上的数据交互过程

在开发过程中，前后端分离可以使开发人员分工更加明确，后端工作只需要专注于模型开发，而前端工作只需要专注于网页设计，两部分互不干扰，各司其职，可以并行开发，通过接口即可将工作成果融合。前后端代码的修改、重构和维护也相对独立，有助于提高开发效率、减小开发难度、降低维护成本。此外，可通过设置页面模板和组件的形式，简化代码编辑工作，提高重复利用率。

1.2 Vue.js开发框架及其组件

目前比较主流的前端开发框架主要包括Vue.js，Angular JS，React。循环水系统在开发过程中利用Vue.js创建单页面应用。Vue.js是基于MVVM模式构建用户界面的开源渐进式框架，以Java Script，HTML，CSS为基础，受到所有主流浏览器的支持，为Web应用的快速开发提供便利。它的优势在于简单灵活，易于开发，数据响应式双向绑定，避免单向绑定的增删改查操作，有效降低工作量。通过vue-router配置路由，实现组件按需加载，组件之间可以组合，使用真正的DOM作为模板，数据也绑定在真实的节点上，性能显著提升。

为实现循环水系统的各项功能，除Vue.js以外还需要其他组件共同配合以达到目标效果，循环水系统设计所需组件如图2所示。前端纯JS读取Excel文件，需引入js-xlsx工具库，它支持包括xls和xlsx在内十几种格式的数据解析和导出。数据经过清洗并统一格式，上传至云平台，完成数据的收集与备份。Axios是封装了Ajax技术的数据请求和响应插件，写法简单明确，可以发送get和post请求。数据可视化方面引入V-charts。V-charts是基于Vue2.0和Echarts封装的图表组件，通过简单配置即可生成折线图、柱状图、饼图、环图、散点图等常见的图表，同时可以与数据进行实时交互。引入Element-ui中的Table和Table Column组件，根据数据结构设计表格，实现数据的分类填充和按需排序。Vuex可以存储管理应用的所有组件状态，实现多个组件共享状态，若状态发生变化，组件也会即时得到响应更新。组件化是Vue.js的一大特点，组件之间分而治之，能有效划清功能界限，降低维护成本。

图2 循环水系统设计所需组件

1.3 后端系统简介

后端采取RPC方式，对模型进行封装，并提供相应微服务。目前提供Thrift和gRPC两种接口，可以支持现今主流的编程语言调用。模型内部按照不同循环水指标，建立相应子模型，并提供调用接口。这种方式的好处在于方便与外部应用系统集成，在云平台上容器化部署也较为清晰，同时针对多用户调用还提供负载均衡等机制。模型主要基于专家经验进行建模，涵盖大部分循环水水质指标，并会针对特定体系进行相应调整。模型主体采用Python语言进行开发，使用Pandas、Numpy等开发组件。

2 系统模块设计

循环水系统可以划分为3个模块，分别是数据上传、分析指标和水质管理模块，如图3所示。

图3 循环水系统模块设置

数据上传模块，以某石化公司各装置换热器循环水的各项检测指标为依据，经过数据结构标准化，编写适配的数据读取模型，同时本模块可以实现数据再分析。

分析指标模块将每个样本的10余项检测指标以图和表的形式分别进行可视化展示。检测指标的种类根据样本的不同也有所区别，大致分为pH、电导率、浊度、钙离子浓度、碱度、氯离子浓度等。此外，监测数据还包括水处理药剂的每日加药量和换热器的进出口温度、流量等。

水质管理模块提供循环水水质调优专家系统的评价结果。循环水调优需要综合考虑水质、节能减排、运行成本和节水效果，这些指标与水质监测数据密切相关。

以下结合某石化公司厂区内的几个典型循环水样本(包括：聚丙烯装置循环水、聚乙烯装置循环水、工业水和回用水)对系统模块的设计思路和功能进行说明。在本案例中，主要的污染问题包括3个方面：①随着循环次数的增加，冷却水内部的溶解物逐渐增加，引起冷却管道及设备腐蚀和破坏；②敞开体系由于蒸发作用造成水中各种矿物质和离子浓度增加，发生结垢；③含油物料泄漏引起的微生物滋生。这些问题如不进行处理，会对设备运行、生产安全和经济效益造成严重影响。

本案例中，核心的工艺处理方式包括以下3种：①补水操作，在敞开式循环冷却水系统中，由于蒸发作用，系统中的水越来越少，而水中各种矿物质和离子的浓度就会越来越大。为了使水中盐含量维持在一定的范围，必须补入新鲜水。②排出浓缩水在维持水质正常方面也有重要作用，可以大幅降低新鲜水的注入量。此外，随着水循环次数的增加，水处理的难度也就越大，需要进行排污。③加药处理能降低微生物的含量。碳酸盐、聚磷酸盐等缓蚀剂可以起到保护金属作用，但浓度过高会导致结垢。在循环过程中由于外界引入的干扰，缓蚀剂浓度会发生改变，其浓度窗口控制就显得至关重要。

上述3个核心工艺处理方式的总体效果可以用浓缩倍数来衡量，浓缩倍数可以反映水资源复用率的大小，是衡量循环冷却水系统运行情况的一项重要指标[10]。浓缩倍数过小，补充水量和水处理药剂消耗量较大，容易因药剂浓度不足而难以控制腐蚀。提高浓缩倍数不但可以节约用水，也可以减少随排污而流失的药剂量，节约了药剂费用。但浓缩倍数如果过大，析出结垢和发生腐蚀的可能性也会随之增加。究竟选用多大的浓缩倍数合适，必须综合考虑当地水源水质、水处理药剂情况和运行管理条件等。操作时，若保持浓缩倍数不变，则应在蒸发量大时增大补充水量；若保持水平衡，增大补充水量或排污水量，都会使浓缩倍数下降。因此操作时，不能任意改变补充水量和排污水量。提高循环水的浓缩倍数时，水质的好坏占据很大的因素。循环水浓缩倍数越高，对节能降耗方面越有利，但水质会越来越差，水处理的难度也随之增大。在循环水系统的日常运行中，需要寻求补水量、排污量和水处理药剂加药量之间的最佳平衡点。

图4为智慧循环水系统的水质调优模型构建逻辑。根据指标间的逻辑关系，建立关联模型，系统在后台计算并提出可供参考的操作建议。循环水系统的3个模块相互耦合，可以达成数据的前端收集与后台计算联动，实现数据存储及可视化功能。

图4 水质调优模型构建逻辑

仪表显示参数包括了十几种不同的指标，指标之间的关系非常复杂，不同的核心处理工艺对这些指标的影响也有不同的对应关系，涉及到多维度参数的耦合，用人工试错法的方式无法寻找到最优解。本系统可以在前端实现数据的上传，通过后端的计算，以浓缩倍数的优化为基准，对核心处理工艺进行指导，提出补水、排污、加药等方面的最优化处理方式建议。同时，在之后的工艺优化过程中，利用核心运行参数的输入，在水质最优的基础上，降低新鲜水的补充量、污水排放量和药剂的投入量，最大化浓缩倍数这一核心指标。通过智能化的核心处理工艺优化，杜绝水质劣化造成的危害，实现装置循环水的运行保持最佳状态。

3 系统功能应用及效果分析

循环水系统主界面的页面布局对应前述的数据上传、指标分析和水质管理3个模块，布局于云端，同时设置导航栏，给出了相应的快捷跳转选项，实现了系统数据、功能的随时调用和分析。

3.1 数据上传模块

在数据上传导航栏下，用户可以执行数据库上传命令，在本模块下，系统具有3大优势：①基于后台的数据库格式兼容性优化，可以兼容常见的表格、数据库格式(包括xlsx，json，csv等)；②本系统上传模块通过流程优化，实现了实时数据传输，可以快速回顾数据可靠性；③数据库部署于云平台存储，数据库导入云平台储存，通过gRPC等技术手段，后台能够随时调用，实现了较高的运行速率，这些数据也可以在任意平台上进行上传和分析，保障安全性的同时保证了数据取用的机动性和灵活性。在某石化公司的应用案例中，对历史版本的数据进行了上传，实现了高兼容性、实时传输和云平台存储等核心功能特征。

3.2 指标分析模块

数据成功上传后，通过可视化处理，用户可以查看水质分析结果。根据某石化公司的循环水水质日报，应用于2020年3月的工业水样本，通过数据分析模块对样本进行分析，得到图5所示的工业水pH监测指标跟踪案例，由其清晰跟踪一个月内的水质变化。在实际的软件界面中，通过鼠标悬停的方式在图中读取任意日期监测数据的具体数值。

图5 工业水pH监测指标跟踪

工业水具有多项输入和输出参数，其中的关联异常复杂。为了实现多指标间关系的解耦合，该系统也设计了图例的多选功能，用户可根据具体需求，将关注的输入、输出指标进行逐项对比，获得核心处理工艺和仪表显示参数的关系，优化相关的输入工艺与输出指标，利用数据分析模块同时显示同一样本的多项指标。在某石化公司的具体应用中，用户关注上述同一实例中钙离子质量浓度、氯离子质量浓度和碱度在一段时间的变化情况，通过选择可视化图线对应的图例，得到图6所示的显示结果。由图6可以看出钙离子质量浓度、氯离子质量浓度与碱度的相关性，实现了指标分析的功能。与可视化图线相对应，系统界面提供数据表的完整展示功能，可按日期或具体指标作递增或递减排序。表1为按日期截取的某5天内某石化公司循环水水质日报中工业水各项指标的表格化显示。

图6 工业水监测数据间的相关性

表1 某石化公司循环水水质日报中工业水各项指标的表格化显示

3.3 水质管理模块

水质管理部分对接后端逻辑算法，作为一个开放系统平台，在本阶段已实现企业系统集成，并可以提供水质状况评判和特殊状况应对建议。基于某石化公司循环水水质日报中3月1日的数据实例，通过建立各指标之间的关联模型，计算并返回水质评判和特殊状况应对的智能化建议，具体如表2所示。由表2可以看出：根据系统的计算结果，氯离子浓度指标正常，水质正常，无操作建议；pH和钙离子浓度指标不正常，水质不佳，建议操作分别为“关闭硫酸泵”和“关闭排污阀”。水质管理模块目前可以帮助企业对异常情况预警，通过依赖炼油厂历史Lims数据和专家经验，对现场人员提出建议，实现了水质评判和特殊状况应对指导的功能。

表2 针对3月1日数据实例的水质调优操作建议

需要说明的是，随着企业项目推进迭代，本模块在未来可以集成多指标判断、基于气相色谱的查漏、水质优化等功能模块。建立在企业生产实际管理的智能化升级基础上，本系统可以逐步实现智能化、定量的水质管理和提升，帮助企业降本增效。

4 结论与展望

(1)智慧循环水系统利用3个模块，实现数据上传、数据库读写、数据可视化、图形交互展示、水质处理算法设计、操作建议指导等功能。该系统已经在某石化公司的水处理过程中获得了良好的使用效果。

(2)智慧循环水系统目前以Web应用的形式发布，部署在云平台，利用VPN系统进行访问，在保证系统安全性的基础上提升了稳定性和易用性。同时，为避免浏览器版本、内核差异等原因造成的打开或显示问题，系统也可封装成客户端软件发布给用户，而在线诊断和操作建议的调取仍需连接服务器。其他技术服务平台也可作为数据收集和展示窗口，与云计算功能形成联动，更好地为科研工作者提供服务。