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己內(nèi)酰胺裝置安全運(yùn)行指導(dǎo)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

文檔作者：李傳坤王春利高新江文檔來(lái)源：化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2020年12月28日
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·1060·
化 工 進(jìn) 展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2014年第33卷第4期
己內(nèi)酰胺裝置安全運(yùn)行指導(dǎo)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用
李傳坤，王春利，高新江
(化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東青島266071)
摘要：由于己內(nèi)酰胺裝置具有高復(fù)雜性及高危險(xiǎn)性，有必要開(kāi)發(fā)一套在線診斷故障的安全運(yùn)行指導(dǎo)系統(tǒng)，輔助
操作人員的操作。本文基于定性的符號(hào)有向圖(signed directed graph，SDG)、專家系統(tǒng)，結(jié)合模糊邏輯、主元
分析(princiPle component analysis，PCA)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)【artificial neural network，ANN)等多種定量故障診斷方
法，建立了整個(gè)裝置的異常監(jiān)測(cè)與診斷模型；根據(jù)己內(nèi)酰胺裝置的工藝特點(diǎn)及故障模式，結(jié)合危險(xiǎn)與可操作性
分析結(jié)果和專家經(jīng)驗(yàn)，建立了導(dǎo)致裝置發(fā)生故障的原因、傳播路徑以及處理措施的專家知識(shí)庫(kù)；開(kāi)發(fā)了己內(nèi)酰
胺裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行指導(dǎo)系統(tǒng)，并在己內(nèi)酰胺裝置上進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，取得了艮好效果。
關(guān)鍵詞：符號(hào)有向圖；模型；主元分析；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；專家系統(tǒng)；危險(xiǎn)與可操作性分析
中圖分類號(hào)：TP 1 82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000—6613(2014)04—1060—07
DoI：10．3969~．issn．1000—6613．2014．04．047
R&amp;amp;D and application of caprolactam plant safety operation guidance
system
LIChuankun，WANG Chunli，GAOXinj{ ng
(State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals，S1NOPEC Research Institute of Safety Engineering
Qingdao 26607 1，Shandong，China)
Abstract： There iS high complexity and risk in caprolactam plant， SO it iS necessary to develop an
online safety operation guidance system with fault diagnosis as core，which can help operator’S
operation．In this paper，a fault detection and diagnosis model for the entire caprolactam plant was built
based on qualitative and quantitative fault diagnosis methods，such as signed directed graph(SDG)，
fuzzy logic，principal component analysis(PCA)，Artificial Neural Network(ANN)and expert system．
Based on the characteristics of process and failure mode of caprolactam plant，the expert knowledge
database with root reason，propagation path and treatment measures of the fault was built by combining
Hazard and Operability Analysis results with expert experience．At last，a Caprolactam Plant Safety
Operation Guidance System was established and used in the caprolactam plant with good performance．
Key words： signed directed graph； model； principle component analysis； artificial neural network；
expert system； hazard and operability analysis
己內(nèi)酰胺裝置生產(chǎn)過(guò)程中，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)在安全穩(wěn)
定運(yùn)行方面還存在一些問(wèn)題，主要包括以下兩點(diǎn)_J j。
(1)裝置的DCS控制系統(tǒng)“數(shù)據(jù)充分，信息
缺乏”。因目前的DCS報(bào)警僅能給出簡(jiǎn)單的報(bào)警信
息，無(wú)法提供深層次的故障原因，一旦出現(xiàn)復(fù)雜故
障，操作員面對(duì)DCS大量報(bào)警信息，難以及時(shí)準(zhǔn)確
判斷，甚至可能作出錯(cuò)誤決策。
(2)操作水平對(duì)于操作員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)依賴較
重。裝置高效安穩(wěn)運(yùn)行決定了裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平，
一線操作人員在其中起到相當(dāng)關(guān)鍵的作用。部分裝
收稿日期：2013—05．31；修改稿日期：2013—07-20 。
基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAK13B00)及國(guó)家高技術(shù)研究
發(fā)展計(jì)劃(2013AA040701)項(xiàng)目。
第一作者及聯(lián)系人： 李傳坤(1984一)，男，碩士，工程師。E-mail
lick．qday@sinopec corn。
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第4期 李傳坤等：己內(nèi)酰胺裝置安全運(yùn)行指導(dǎo)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用
置操作人員的新老交替，裝置上有經(jīng)驗(yàn)的操作人員
流失。當(dāng)遇到裝置異常時(shí)，因自身經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題，同時(shí)
缺乏相應(yīng)參考、指導(dǎo)類的信息，容易產(chǎn)生操作延誤
甚至操作失誤，從而產(chǎn)生較大波動(dòng)，對(duì)安穩(wěn)生產(chǎn)造
成不利影響。
因此，如何利用現(xiàn)有的海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從中挖
掘有效的信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝置異常，并為操作人員
提供對(duì)裝置運(yùn)行狀態(tài)準(zhǔn)確及時(shí)的分析，是確保己內(nèi)
酰胺裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。
本文以己內(nèi)酰胺裝置異常監(jiān)測(cè)與診斷為主要研
究?jī)?nèi)容，分析己內(nèi)酰胺裝置的安穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，并提
供異常工況的操作指導(dǎo)。同時(shí)，內(nèi)置各種專家知識(shí)，
以留住操作人員和技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，輔助他們的在
線交流學(xué)習(xí)。
1 安全運(yùn)行指導(dǎo)技術(shù)
1．1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理
(1)通過(guò)對(duì)OPC通訊協(xié)議、InfoPlus21實(shí)時(shí)
數(shù)據(jù)庫(kù)等內(nèi)容的深入研究，開(kāi)發(fā)了用于采集工業(yè)現(xiàn)
場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，該平臺(tái)支持各種流
行通訊協(xié)議，如ODBC、OPC、DDE 等， 能夠
完成與國(guó)內(nèi)外多種DCS系統(tǒng)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的
通信。
(2)基于插值細(xì)分方法的提升小波原理，設(shè)計(jì)
了相應(yīng)的預(yù)測(cè)與更新算子克服傳統(tǒng)小波變換存在的
邊界問(wèn)題，并采用中值法去除數(shù)據(jù)中包含的粗大誤
差，然后通過(guò)一個(gè)滑動(dòng)的時(shí)間窗，將提升小波閾值
去噪應(yīng)用于數(shù)據(jù)的預(yù)處理中。
1．2 報(bào)警分析
危險(xiǎn)與可操作性分析(hazard and operability
analysis，HAZOP)方法是裝置危害辯識(shí)的重要應(yīng)
用技術(shù)之一，可以集合裝置工藝、設(shè)備、儀表等多
部門(mén)的集體智慧，分析裝置運(yùn)行中的安全問(wèn)題。
同時(shí)，根據(jù)EEMUA Publication 191(《報(bào)警系
統(tǒng)一設(shè)計(jì)、管理及采購(gòu)指導(dǎo)》)標(biāo)準(zhǔn)，由風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重
性(臨界、大、中或小)及緊迫性(立即行動(dòng)、迅
速、盡快)，確定報(bào)警優(yōu)先值(緊急、高或低)，實(shí)
現(xiàn)報(bào)警分級(jí)， 以便于根據(jù)同時(shí)發(fā)生的報(bào)警的重要程
度對(duì)報(bào)警排序。具體如表1所示。
這樣，將HAZOP的“引導(dǎo)詞+工藝參數(shù)”為表
達(dá)方式的分析結(jié)果，與裝置的單點(diǎn)報(bào)警匹配， 即可
形成針對(duì)單點(diǎn)報(bào)警的報(bào)警規(guī)則，實(shí)時(shí)得到報(bào)警的優(yōu)
先級(jí)、發(fā)生的原因、可能產(chǎn)生的后果、操作建議等，
為操作員提供操作指導(dǎo)。
表1 報(bào)警優(yōu)先值的確定
1．3 工藝狀態(tài)監(jiān)測(cè)與指導(dǎo)
系統(tǒng)研究了基于定性定量復(fù)雜工藝狀態(tài)監(jiān)測(cè)與
指導(dǎo)技術(shù)實(shí)用方法，具體包括如下。
(1)提出了完整的定性符號(hào)有向圖(signed
directed graph，SDG)故障診斷方法、建模流程、
步驟、原則及算法，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了“故障邏
輯關(guān)系模型”的建立規(guī)則。
(2)研究了包括模糊邏輯、主元分析(principle
component analysis，PCA)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural
network，ANN)等定量故障診斷技術(shù)的基本原理、
診斷步驟及算法，測(cè)試了各種故障診斷算法的實(shí)際
診斷效果。
對(duì)于己內(nèi)酰胺這種大型石化裝置， 由于系統(tǒng)的
連續(xù)性、復(fù)雜性，單一的異常監(jiān)測(cè)診斷方法均常常
存在一定的缺陷。例如使用PCA方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，
傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)為72統(tǒng)計(jì)量和Q統(tǒng)計(jì)量【34】，如式
(1)～ 式(4)。
= Σ 。暑 ㈩
(k,n-k)
Q=Σ 川
[竿+-+ r
(2)
(3)
(4)
但是，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中僅根據(jù) 和Q 統(tǒng)計(jì)
量進(jìn)行異常檢測(cè)往往出現(xiàn)結(jié)果的不確定性，為避免
這種情況的發(fā)生，本文采用了Qin[引、Zumoffen[ 】
提出的新的綜合故障監(jiān)測(cè)指標(biāo)Z，如式(5)。
z = ／I9 +Q／O。 (5)
式中，0T2=mean(7~)+r’std(T~)，9Q=mean(Q)+
‘std(Q)，mean(x)表示隨機(jī)變量X的平均值，std(x)
表示X的標(biāo)準(zhǔn)差，而 誤判風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)，通常取2
( ：5％ )或3( =1％)。當(dāng)某一實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)向量
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·1062· 化 工 進(jìn) 展 2014年第33卷
的綜合指標(biāo)z>2時(shí)，則認(rèn)為過(guò)程出現(xiàn)異?；蚬收?。
該綜合指標(biāo)不僅避免了診斷結(jié)果的不確定性，并且
對(duì)過(guò)程變量分布的依賴性較小。
此外，PCA方法的優(yōu)勢(shì)是能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變
化，但難以給出造成數(shù)據(jù)變化的根源。即該方法適
用于“監(jiān)測(cè)”而非“診斷”。
因此，為了集合各種技術(shù)方法的特長(zhǎng)，本文提
出一個(gè)層次融合監(jiān)測(cè)與診斷模型【6 j，并在此基礎(chǔ)上
開(kāi)發(fā)了工藝監(jiān)測(cè)與診斷引擎。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 層次融合監(jiān)測(cè)診斷模型
工藝監(jiān)測(cè)與診斷引擎利用符號(hào)有向圖的雙向推
理能力，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的嚴(yán)重等級(jí)、頻率等級(jí)，計(jì)
算風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率以及嚴(yán)重度，得到各個(gè)可能性風(fēng)
險(xiǎn)的排隊(duì)序列。其輸出是以一定規(guī)則編輯的邏輯代
碼，該代碼不能直接反饋到人機(jī)界面，需要專家知
識(shí)庫(kù)的支持。該知識(shí)庫(kù)包括異常工況經(jīng)驗(yàn)庫(kù)、設(shè)備
知識(shí)庫(kù)、物性知識(shí)庫(kù)、控制系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)和傳感器知
識(shí)庫(kù)，為工藝監(jiān)測(cè)引擎提供歷史事故經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備失
效知識(shí)、物性參數(shù)、常見(jiàn)控制器失效模式和傳感器
失靈模式等相關(guān)知識(shí)與規(guī)則。在異常處理過(guò)程中得
到的新規(guī)則，可以動(dòng)態(tài)加入到知識(shí)庫(kù)中，提高其準(zhǔn)
確性和效率。工藝監(jiān)測(cè)與診斷引擎得到分析結(jié)果的
邏輯編碼后，便可到專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)中去匹配相應(yīng)
的解釋，解釋的內(nèi)容以自然化的語(yǔ)言被保存到內(nèi)存
數(shù)據(jù)庫(kù)中，提供給客戶端模塊調(diào)用，輔助操作人員
了解裝置運(yùn)行的動(dòng)態(tài)。
客戶端的GUI子系統(tǒng)是人機(jī)界面部分，負(fù)責(zé)所
有的數(shù)據(jù)顯示、聲光報(bào)警、報(bào)表生成和人員對(duì)本系
統(tǒng)的相關(guān)操作。
HAZOP分析結(jié)果經(jīng)過(guò)整理，即可以作為報(bào)警
分析的“知識(shí)”來(lái)源，也可以形成異常工況經(jīng)驗(yàn)庫(kù)
的一部分。結(jié)合其他的定性定量的工藝狀態(tài)監(jiān)測(cè)方
法形成的層次融合監(jiān)測(cè)與診斷模型，不僅部分解決
了裝置的DCS控制系統(tǒng)“數(shù)據(jù)充分，信息缺乏”的
問(wèn)題，而且可以保留住裝置上優(yōu)秀的操作經(jīng)驗(yàn)。
2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
以上述安全運(yùn)行指導(dǎo)技術(shù)為核心，結(jié)合某煉化
企業(yè)己內(nèi)酰胺裝置的實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)完成了“己內(nèi)
酰胺裝置安全運(yùn)行指導(dǎo)系統(tǒng)”，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用。
2．1 系統(tǒng)功能
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、組態(tài)建模、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、
知識(shí)管理等功能，軟件系統(tǒng)為B／S架構(gòu)。軟件系統(tǒng)
的整體功能示意圖如圖2所示。
2．2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
“己內(nèi)酰胺裝置安全運(yùn)行指導(dǎo)系統(tǒng)”在該煉化
企業(yè)的己內(nèi)酰胺裝置酰胺化單元進(jìn)行了應(yīng)用。酰胺
化單元主要由反應(yīng)氣正己烷吸收、循環(huán)蒸餾、預(yù)混
合、酰胺化、水解、CCA萃取、酸團(tuán)貯存、中性副
產(chǎn)物處理、組合工藝等工序組成，如圖3所示。
對(duì)裝置進(jìn)行了深入分析，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)及多種
監(jiān)測(cè)診斷方法，構(gòu)建了針對(duì)酰胺化單元的專家知識(shí)
庫(kù)和監(jiān)測(cè)診斷應(yīng)用模型，其中，故障邏輯關(guān)系模型
如圖4所示。
圖2 系統(tǒng)功能示意圖
堊墮墮墊至 堡 ： 五 星 皇重
煙酸21％L- 。
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O2中付H一0101
氨氣H一0101
至H一0lO1
60單元
j氨水(o6單元)
圖3 酰胺化單元流程簡(jiǎn)圖
工藝水
酸團(tuán)至05
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第4期 李傳坤等： 己內(nèi)酰胺裝置安全運(yùn)行指導(dǎo)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用
圖4 酰胺化單元故障邏輯關(guān)系模型圖
2．2．1 報(bào)警分析
對(duì)于重要的DCS儀表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其狀態(tài)：關(guān)聯(lián)
HAZOP 分析結(jié)果，根據(jù)報(bào)警優(yōu)先級(jí)，進(jìn)行報(bào)警分
析。例如T10414在某時(shí)刻發(fā)生高報(bào)，畫(huà)面上部給出
“低”的報(bào)警優(yōu)先值，畫(huà)面下部給出可能原因、建
議措施、不利后果、防范措施等，如圖5所示。
位
2．2．2 工藝監(jiān)測(cè)與診斷
系統(tǒng)對(duì)工藝狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，
及時(shí)提示用戶。
(1)中性副產(chǎn)物工段停工，清洗系統(tǒng)某日，
由于中性副產(chǎn)物工段要清洗系統(tǒng)，故該工段停工。
而作為該工段的進(jìn)料流量，F(xiàn)IC041 1前的泵P0410
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·1066· 化 工 進(jìn) 展 2014年第33卷
3 結(jié) 論 Bbae
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．
hods[一
， D 1．
[31 Qin s J．Statistical process monitoring：basics and beyond[J]．Journal
根據(jù)某煉化企業(yè)己內(nèi)酰胺裝置工藝技術(shù)特點(diǎn)及 ofChem。 ，2003,l7：480-502．
故障模式，應(yīng)用多種定性定量的故障分析診斷技術(shù)， [4]王海清．工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)：基于小波和統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法[D]航州：浙江
開(kāi)發(fā)了己內(nèi)酰胺裝置在線安全運(yùn)行指導(dǎo)系統(tǒng)，對(duì)生 大學(xué)，2000．
產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的異常監(jiān)測(cè)和診斷，幫助現(xiàn)場(chǎng)操作 [ 】z m。脅D，B 。“ d0 M· ∞ arg。。 。 i。 P data 。 ““
人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝置中存在的問(wèn)題并作出快速反應(yīng)。 ： ∞ ： ：
該系統(tǒng)的投用后，取得了良好的應(yīng)用效果：有助于 Research，2008，47：1201—1220．
輔助裝置工藝技術(shù)人員分析可能出現(xiàn)的各種復(fù)雜工 【6]Zhang Weihua，Wu Chongguang，Wang Chunli．Qualitative algebra
況，避免由于判斷失誤或誤操作等原因?qū)е碌纳a(chǎn) and grap he。ry 劬od。 g yn鋤 ”e“d analysis of
波動(dòng)或非計(jì)劃停車(chē)事件的發(fā)生。 2o11，
19 ( ：30
～
8-315．
。 。
參 考 文 獻(xiàn) [ 】陶少輝，李傳坤_化工過(guò)程故障原因診斷的變量異常順序法【J1·計(jì)
算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)， 2012，29 (2)： 178-180．
[1] 張衛(wèi)華，王春利， 姜巍巍，等．石化裝置安全運(yùn)行指導(dǎo)系統(tǒng)開(kāi)發(fā) [8] GaoDong，ZhangBeike，MaXin，et a1．SDGmultiplefault diagnosis
及應(yīng)用[C]／／2009年中國(guó)過(guò)程系統(tǒng)工程年會(huì)暨中國(guó)MES年會(huì)論文 by fuzzy logic and real—time bidirectional inference[C]／／2009
集．2009：181．186． International Conference on Information Engineering and Computer
[2] Zhang Weihua．Study on abnormal situation management system Science．United States：IEEE Computer Society，2009：118·125．
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[14] 李振虎，李文銘，郝國(guó)均，等．磁力驅(qū)動(dòng)超重力機(jī)用于煉廠氣脫
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PetrochemicalTechnology，2011，13 (4)：16-21．
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· 技術(shù)信息·
南方泵業(yè)攜手霍尼韋爾鑄就智慧城市
南方泵業(yè)與霍尼韋爾戰(zhàn)略合作簽約儀式于2014年3月14
日上午10：00在浙江省余杭區(qū)天都城酒店隆重舉行。雙方就
凈水、供水整體解決方案簽署合作協(xié)議，在杭州成立杭州霍
韋流體技術(shù)有限公司。出席簽約儀式的有區(qū)領(lǐng)導(dǎo)祝振偉，浙
江水協(xié)秘書(shū)長(zhǎng)姚水根、區(qū)發(fā)改局、區(qū)經(jīng)信局、區(qū)財(cái)政局、區(qū)
科技局、區(qū)商務(wù)局、區(qū)環(huán)保局、工商余杭分局、質(zhì)監(jiān)余杭分
局、余杭經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、仁和街道、霍尼韋爾授權(quán)業(yè)務(wù)副
總裁MaryNewel1．Miller、南方泵業(yè)股份有限公司董事長(zhǎng)沈金
浩、南方泵業(yè)股份有限公司總裁沈鳳祥、南方泵業(yè)股份有限
公司執(zhí)行總經(jīng)理魯炯等。就南方泵業(yè)攜手霍尼韋爾戰(zhàn)略合作
各位領(lǐng)導(dǎo)都發(fā)表了重要講話。
雙方期望今后基于霍尼韋爾提供的Niagara智能軟件平
臺(tái)，合作開(kāi)發(fā)新一代可實(shí)現(xiàn)智能管理的凈水、供水系統(tǒng)。這
次合作協(xié)議的簽署，將助力杭州霍韋流體技術(shù)有限公司進(jìn)入
高端市場(chǎng)，解決技術(shù)挑戰(zhàn)。新公司充分利用霍尼韋爾公司在
節(jié)能、環(huán)保、安全、智能等相關(guān)領(lǐng)域的全球領(lǐng)先的技術(shù)實(shí)力
和品牌優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)與推廣滿足中國(guó)客戶和社會(huì)需求的更安
全、更節(jié)能、更環(huán)保、更智能的產(chǎn)品和技術(shù)解決方案，為中
國(guó)建設(shè)資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會(huì)做出貢獻(xiàn)。
基于霍尼韋爾與南方泵業(yè)股份有限公司簽署的合作協(xié)
議，霍尼韋爾授權(quán)南方泵業(yè)在中國(guó)獨(dú)家制造及銷售霍尼韋爾
品牌的供水系統(tǒng)的全系列產(chǎn)品。通過(guò)該協(xié)議，杭州霍韋流體
技術(shù)有限公司將與霍尼韋爾一起針對(duì)中國(guó)的市政、民用、工
業(yè)與商用市場(chǎng)推出一系列新的節(jié)能高效產(chǎn)品，面對(duì)未來(lái)中國(guó)
市場(chǎng)提供更好的用水服務(wù)，同時(shí)為未來(lái)智慧城市提供凈水、
供水整體解決方案。積極響應(yīng)和參與政府五水共治。
(信息來(lái)源：南方泵業(yè)股份有限公司)

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