Внедрение цифрового двойника для оптимизации производства химического предприятия
Развитие современного крупнотоннажного технологического производства является сложной технической задачей. От того, насколько точно предприятие сможет определить наиболее сдерживающие участки и выбрать мероприятия по их модернизации, зависит окупаемость инвестиций и дальнейшее развитие бизнеса.
Руководство КАО «Азот» понимает, что поиск технологических ограничений, сокращающих эффективность производства и анализ последствий от замены или реконструкции оборудования, не может основываться только на экспертных знаниях производственного персонала, производственных экспериментах или технических предложениях сторонних организаций. Предприятию необходимо иметь собственный объективный источник информации о технологических процессах «как есть» и «как будет». При этом он должен быть точным, чтобы оценить влияние любого изменения на работу системы и минимизировать риск принятия неверного решения.
Таким источником может стать подробная математическая модель технологических процессов предприятия. Она воспроизводит превращения всех материальных потоков в цеху, показывает ограничения и позволяет провести виртуальные испытания новых технических решений. Для того, чтобы создать такую модель для цеха по производству аммиачной селитры, специалисты КАО «Азот» обратились к экспертам компании «Моделирование и цифровые двойники» (АО «МЦД»).
Создание математической модели цеха производства селитры для оптимизации производственных процессов.
Экспертам АО «МЦД» было необходимо разработать модель цеха крупнотоннажного производства селитры, введенного в эксплуатацию в 80-е годы прошлого века и прошедшего множество изменений. Цех работает на максимальной проектной мощности, перевыполняя план производства. Учитывая долгую историю работы цеха и его многочисленные изменения, нелегко предсказать, как модернизация оборудования повлияет на выработку, сохранится ли устойчивость работы технологических агрегатов. Важно и то, насколько быстро окупятся затраты на модернизацию, хотя она не является единственной задачей цифрового двойника. Он дает долгосрочный эффект, помогая решать проблемы и выбирать эффективные рационализаторские предложения персонала.
Работа экспертов АО «МЦД» началась с технического обследования – проверки фактической конфигурации производства на соответствие собранным данным и документации.
Технологические данные о работе цеха производства селитры включали в себя несколько сотен ключевых параметров комплексного процесса. Готовая цифровая модель состояла в общей сложности из более полутора тысяч индивидуальных элементов – теплообменников, трубопроводов, арматуры, массообменного и динамического оборудования.
Тем не менее, в процессе построения и верификации модели эксперты АО «МЦД» обнаружили ряд расхождений в технологических данных. Они неизбежно возникают в большинстве проектов по созданию цифровых двойников: определенные несоответствия в технологических данных может не препятствовать работе цеха, но мешают точному моделированию процессов. Поэтому наибольшее время в проекте заняла работа с данными, включавшая выявление явных расхождений и их урегулирование с учетом производственного опыта, соблюдения материального баланса, законов физики и термодинамики. На этом этапе специалисты КАО «Азот» предложили ряд упрощений, который позволял гарантировать соответствие материально-тепловым балансам без ущерба для главной цели. Таким образом, экспертам АО «МЦД» удалось обеспечить общую сходимость материально-теплового баланса, результатов модели и показаний измерительных приборов реального производства.
После того, как цифровая модель была готова и верифицирована, проект перешел в фазу аналитики результатов и отработки на модели производственных задач. В первую очередь нужно было определить с помощью модели, какие части технологической схемы могут ограничивать выработку продукта. Эти части – так называемые «узкие места» – были заложены в первоначальном проекте и не ограничивали производительность цеха при обычной работе. Когда «узкие места» определены, нужно реконструировать оборудование таким образом, чтобы надежно снять ограничение. Модель помогла экспертам АО «МЦД» подобрать комплекс нужных изменений, снимая ограничения во всем диапазоне режимов работы агрегатов.
Далее специалистам было необходимо определить, как с минимальными затратами модернизировать производство, чтобы выйти на значительно большую производительность при снижении себестоимости продукции. Технологическая модель не способна сама по себе ответить на этот вопрос, поэтому эксперты АО «МЦД» дополнительно разработали экономическую модель производства. Она позволила рассчитать срок окупаемости изменений и расставить все мероприятия в порядке его увеличения.
Главный результат совместной работы АО «МЦД» с КАО «Азот» – внедрение цифрового двойника в производственные процессы предприятия. Руководство предприятия активно вовлекает производственный персонал в процесс генерации новых идей, стимулирует повышение технологических компетенций. Предложения от персонала производства аммиачной селитры оперативно анализируются на цифровом двойнике цеха. Эксперты КАО «Азот», благодаря цифровому двойнику, могут проанализировать десятки предложений в год, проверяя эффекты, находя оптимальные решения, выявляя потенциальные риски.
