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超级石化推荐:石油化工流程模拟软件现状与发展趋势!

发布日期:2022-05-26 13:36:12浏览次数: 5次来源:火博体育在线登录 作者:火博体育app官网

  超级石化主要内容:流程模拟软件是石油化工行业的核心研发设计软件,其应用已贯穿于技术研发、工程设计、生产优化等全生命周期业务环节。我国石油化工行业使用的商业流程模拟软件90%为国外产品,基本被国外垄断。本文从商业软件的角度,首先对化工流程模拟技术和早期的软件发展进行了回顾,分析了近年来跨国流程工业巨头收购兼并案例和启示。在对石油化工企业和软件供应商调研的基础上,分析了国内流程模拟软件的市场应用情况和自主流程模拟软件的成熟度,阐述了流程模拟软件技术发展的五大趋势:遵循CAPE-OPEN软件接口规范、基于分子级表征和反应动力学建模、数据驱动与工艺机理联合建模、三大集成建模和数字孪生应用等。石化产业需求和市场规模以及科研基础是发展自主流程模拟软件的有利条件,但构建工业软件政产学研用产业生态链,形成产品化和市场化为导向的健康产业环境尤为关键。

  化工过程模拟软件或流程模拟软件是石油化工行业的核心、基础性软件,已成为石油化工科研、设计和生产部门开发新技术、开展工艺设计、优化生产运行不可或缺的重要工具。目前,我国石油化工行业使用的商业流程模拟软件基本被国外产品垄断。近年来,艾斯本(Aspen Tech)、施耐德(Schneider Electric)、西门子(Siemens)、横河机电(Yokogawa)等跨国流程工业巨头纷纷加快并购优质工业软件步伐,构筑护城河。并通过长期的经营,形成了规模庞大、实力雄厚的合作伙伴、代理商、服务商等生态体系,构筑起我国自主石化工业软件很难突破的“累积效应”“锁定效应”“生态效应”三大壁垒。

  作为中国工程院《新时期石化行业工业软件高质量发展战略、目标和路径研究》课题的一部分[1],本文以化工流程模拟软件为聚焦点,在对三大国营石化公司(简称中国石化、中国石油、中国海油)、部分大型民营企业、60余家软件供应商调研的基础上,研究分析流程模拟软件的市场情况、技术发展趋势以及自主软件的成熟度等,最后提出了发展建议。

  化工流程模拟软件是化学工程学、化工热力学、系统工程、应用数理统计、计算方法及计算机技术等多学科理论在计算机上实现的综合性模拟系统。

  1915年,美国的A.D.利特尔首次提出单元操作的概念,20世纪50年代,传递过程理论诞生。随后,化工过程系统工程(PSE)应运而生。化工的发展是从认识单元操作的规律到抽象的“三传一反”规律,即动量传递、热量传递、质量传递和反应过程,进而发展到整体和系统的角度认识化工过程,实现了从个体到共性、从微观到宏观的发展历程。化工过程模拟或流程模拟是通过建立描述过程特性的数学模型并求解,实现对过程系统规律和行为的预测与分析。数学模型的基础是物理和化学定律,也称为机理模型。根据被模拟对象的性质,建立的数学模型涉及下列方程组[2]:①物料衡算和能量衡算方程,这组方程考虑了物流运动的流型,标识物流的流量、压力、温度、组成以及其他相关的性质;②物流局部微元的“基本”过程方程,当过程参数随空间位置变化时,需要对传质、传热过程和化学反应过程进行局部微元描述;③表达各种过程参数间关系的理论、半经验或经验关联式,例如传质系数和物流速度的关联式、物流的热容及其组成的关联式等;④对过程参数的约束,模拟某些过程时,必须注意客观存在的对某些参数变化范围的约束。

  (1)按方程求解方法分类 根据对系统数学模型的求解方法,可以将流程模拟分为序贯模块法、联立方程法和联立模块法这3种建模方式[4-5]。

  序贯模块法是通过对单元模块的依次序贯计算求解系统模型的一种方法。利用序贯模块法时,对每类化工单元设备编制一个子程序,如反应、精馏、吸收、萃取、换热、结晶等,该程序包含相应的单元模型方程和模型的求解程序,称为单元模块,如图2所示。序贯模块法应用最为广泛,也是目前大部分商业流程模拟软件采用的计算方法。其基本问题是迭代变量的选择、计算顺序的确定和修正循环流假定值的迭代方法。

  联立方程法就是对描述系统的模型方程组联立求解,方程组包括物性方程、单元模型方程(包括物料平衡方程、能量平衡方程、反应动力学方程、传递方程等)、化工单元间的联结方程以及设计规定方程等。联立方程法的核心问题是求解超大型稀疏非线性方程组,求解方法主要有降维求解法和线性联立求解法。相比序贯模块法中单元模块的单向模拟计算,联立方程法在处理复杂系统、带有设计要求的问题时更具潜力。英国PSE公司的gPROMS流程模拟平台采用联立方程建模技术;艾斯本的Aspen Hysys兼有序贯模块法和联立方程法。

  联立模块法兼有序贯模块法和联立方程法的优点,尽量避免两者的不足。联立模块法利用严格模块产生相应简化模型方程的系数,然后将流程各单元简化模型与物流联结方程联立求解,得到系统的一组状态变量。联立模块法的计算效率主要依赖于简化模型的形式。一般来说,简化模型是严格的近似,同时具有建模容易、求解方便的特点。

  (2)按模拟对象时态分类 依据模拟对象时态可分为稳态模型和动态模型。稳态模型是指描述过程的状态不随时间变化,即描述确定工况下过程主要变量相互关系的模型,是流程模拟技术中最成熟、应用最广泛的部分。动态模型是指描述过程的状态为时间的函数,即描述过程主要变量从一种工况过渡到另一种工况时的相互关系模型,能够更好地反映装置在实际操作过程中的变化规律。动态过程研究确保安全性、可操作性和可控性。①研究与开发阶段:利用实验室或中试反应数据确定化学反应动力学机理和参数,减少小试和中试的实验次数、溶剂筛选;探索不同操作状态下的影响,用于过程优化和过程控制研究;辅助过程的开车计算。②概念设计和详细设计阶段:研究满足动态性能的过程设备尺寸和布局;研究过程各部分间的相互关系,尤其针对包含了循环或热集成的过程;评估比较各种过程和控制结构与策略;模拟开车、停车过程和处理紧急状态的程序。③生产运行阶段:排除控制和过程故障;辅助开车与操作培训;研究过程放大的影响与脱瓶颈需求;优化工厂操作等。

  (3)按应用范围分类 依据应用范围,流程模拟系统可以分为通用模拟系统/平台和专用模拟系统。通用流程模拟系统是指对各种流程均可适用的流程模拟系统。因此系统要尽可能考虑各种不同情况,在单元模型、物性计算等方面覆盖范围全面。通用流程模拟系统已经向平台化发展。

  专用流程模拟系统是专门用于某类反应过程装置或工艺流程的模拟软件,如乙烯裂解、催化裂化、加氢裂化、催化重整、延迟焦化、聚合反应等,统称为专用流程模拟软件或反应器模型。反应过程对于石化产品产率、产品质量、经济效益具有决定性的意义,而每一种反应单元的原料、产品、催化剂和反应器结构形式各不相同,每一种反应的化学过程各异,因此对不同的反应过程一般来说需要开发针对特定模型、特定用途的专用模拟软件。

  化工流程模拟软件的开发始于20世纪50年代末,大致经历了四大阶段,如表1所示。第一代为20世纪60年代,模拟对象以烃加工过程为主,但工业上未广泛应用;第二代为20世纪70年代,模拟对象扩大到气-液两相的过程,成为化工和石油化工公司使用的开发和设计手段,典型的代表有孟山都(Monsanto)公司的FLOWTRAN软件及Simulation Science公司的PROCESS软件;第三代是20世纪80年代,模拟对象涉及气、液、固三相过程,典型的代表如Aspen Plus、PRO/Ⅱ、HYSIM等;第四代为20世纪90年代,将稳态和动态集成在一起进行模拟,典型的代表有HYSYS、ProVision、AspenONE等。

  国内流程模拟软件开发和应用并不太晚。早在20世界60年代中期,兰州石化设计院就开始研究开发。到70年代前期,北京石化工程公司、洛阳石化工程公司和北京设计院等单位相继开发了一批油品分馏塔、多组分精馏塔、冷换设备、塔板水力学计算等工艺计算工具软件。在专用模拟软件方面,有兰州石化设计院的合成氨模拟软件、北京设计院的催化裂化模拟软件等。20世纪80年代末,青岛科技大学成功开发了通用流程模拟软件“化工之星”(ECSS),曾经应用于数十家化工、炼油企业。ECSS于1988年荣获国家科技进步二等奖,一度是国内化工领域唯一独立开发的商品化模拟软件,具有过程模拟、分析、优化、设备设计及环境评价等功能,可用于过程研究开发、过程设计、装置的模拟与优化、过程去瓶颈分析、装置扩产节能挖潜改造等。

  但是,好景不长。由于技术、资金、人才、市场等困境,特别是国家政策的改变以及盗版软件的盛行,21世纪前10年中国自主工业软件行业出现大规模溃败。与其他国产计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)等软件的命运一样,化工之星终究没能继续闪亮下去。

  从20世纪90年代以来,收购和兼并成为国际自动化企业扩张和数字化转型的一个重要手段。进入21世纪之后,工业软件的重要意义日益凸显。西门子、施耐德电气、海克斯康等工业巨头,纷纷加快并购优质的工业软件企业,与自身的工业自动化、工业测量等拳头产品形成软硬一体的解决方案。工业软件与自动化硬件,正在紧密走在一起。石油化工领域主流的商业流程模拟软件几乎都经历过并购,如表2和图3所示。

  以艾斯本为例,在2009年之前,艾斯本定位在为流程行业提供集成软件和服务的供应商,主要面向流程工厂的设计与运营管理。2009年至2015年,艾斯本定位在关键任务过程优化,开始进入流程工厂设计运营优化的阶段。2016年至今,伴随资产绩效管理(APM)套件[6]的推出,艾斯本全面进入资产优化阶段。至今,艾斯本收购了超过25家工业软件公司,打造了涵盖过程工程设计、制造与供应链管理、资产绩效管理三大类软件的产品线。可见,艾斯本并购逻辑与业务发展逻辑保持同步,通过并购获取新产品/技术。图3主要从流程模拟软件的视角刻画了国际工业巨头们的并购发展史。

  收购兼并不仅仅有利于自身产品线的延伸,也可以直接把竞争对手在某个领域的优势釜底抽薪,这其实是一种生态竞争力。例如,2016年横河电机与艾斯本竞争收购KBC,最终横河胜出,KBC成为横河的全资子公司,艾斯本错失一次良机。其实,艾斯本与KBC的恩怨可以追溯到2002年,当年艾斯本收购了Hyprotech公司。彼时KBC正与Hyprotech公司一起联合开发新的流程模拟工具HYSYS,合作伙伴被收购后,KBC将所有研究成果集成为流程模拟平台Petro-SIM。艾斯本没有得到KBC的反应动力学模型,就起诉KBC。2004年5月最后判决KBC胜出。同年,因反垄断之嫌艾斯本被迫将Hyprotech公司卖给霍尼韦尔,于是霍尼韦尔便拥有了与KBC的Petro-SIM同源技术的UniSim。

  目前,通用流程模拟软件市场基本被国外软件垄断,如有艾斯本、KBC、剑维等厂商[7],如表3所示。艾斯本的AspenONE套件(包括Aspen Plus、Aspen HYSYS)在全球市场占据领先地位,适用范围最广,覆盖中国石化、中国石油、中国海油等集团下属设计院、研究院和炼化生产企业。剑维旗下PRO/Ⅱ在全球石化市场应用较广,在中国石化下属设计院、镇海炼化、茂名石化、齐鲁石化等企业,以及中国石油下属企业均有应用。KBC公司的Petro-SIM,覆盖中国石化主要炼油企业以及中国石油部分企业。霍尼韦尔的UniSim Design Suite,在上海赛科及其他中国石化、中国石油、中国海油下属企业有所应用。加拿大VMG公司的VMGSim在中国石化上海石油化工研究院、北京化工研究院等有应用。法国ProSim公司的ProSimPlus在中国石油、中国石化、中国海油均有应用。

  中国石化集团公司从2000年开始,统一引进国外公司流程模拟软件,在科研、工程设计和生产企业组织流程模拟技术推广应用工作。截至2019年底,完成30余家炼化企业、煤化工和天然气生产企业700余套炼化生产装置的建模和优化工作。

  国内通用流程模拟软件仅有石化盈科与青岛科技大学联合研发的Procet-SIM 1.0,还处于测试和试用阶段。

  专业反应器模型软件和热交换器设计软件仍以国外产品为主,如表4~表6所示,包括艾斯本、KBC、剑维、PYROTEC、霍尼韦尔等公司的产品。目前,全球商用乙烯裂解炉模型被PYROTEC公司的SPYRO软件垄断。中国石化购买了该软件授权,用于下属乙烯厂日常效益测算、排产、工艺优化、APC及乙烯RTO系统中。SPYRO软件与国内乙烯原料匹配存在一定偏差,主要表现在160~180℃石脑油馏分、尾油馏分。

  国产专业反应器模型软件中,由中国石油石油化工研究院、兰州石化和清华大学联合开发的乙烯裂解炉模拟与优化软件EpSOS V2.0,于2013年在兰州石化46万吨/年乙烯装置上开展试用[8]。

  华东理工大学与比利时根特大学联合研发的乙烯裂解炉系统模拟软件COILSIM-CRAFT,已经在大庆石化、中国石化工程建设公司、中国寰球工程公司、上海石化公司、兰州石化公司、中国石油规划总院、中化泉州石化有限公司等企业应用。

  杭州辛孚能源自主研发了常减压装置、催化裂化装置、加氢类装置、重整装置、乙烯裂解装置优化系统等反应器模型软件,已在兰州石化催化裂化装置、九江石化常减压装置,以及京博石化等5套装置中得到应用。

  目前,石化盈科与青岛科技大学联合开发推出流程模拟软件Procet-SIM V1.0,实现零的突破。Procet-SIM具备了常规石油化工过程模拟具备的基本功能,对常规过程的模拟精度可与Aspen Plus、HYSYS、PRO/Ⅱ等商业软件媲美。软件提供物性数据库包含纯组分化合物已达9317种,每种化合物有41种物性,具备物性估算功能;热力学计算方法有46种;二元交互作用参数数据库达21847对;单元模块有28个,涵盖常规单元;开发了电解质和苯抽提等特殊体系的专有流程物性数据包和热力学;具有完善的石油馏分物性计算模型;具备了常规石油化工过程模拟的基本功能,初步具有工况分析和流程优化功能。已采用40余套炼化装置工业数据验证,并与Aspen Plus计算结果进行对比,计算精度和收敛速度满足需求。

  华东理工大学与比利时根特大学联合研发的乙烯裂解炉系统模拟软件Coilsim-Craft,具有裂解原料表征、炉管模型、废热锅炉模型、炉膛模型和对流段模型等主要功能,与德希尼布公司的SPYRO相比,核心算法性能基本相当,在加氢尾油等重油的模拟精度方面有一定优势,在裂解炉结构的自定义、裂解原料的适应性等方面也有一定优势。

  杭州辛孚能源自主开发的催化裂化装置优化系统SP-FCC运用分子级机理与大数据模型结合的策略,对装置进行精确模拟,并可针对不同的需求优化操作条件,提升液体产品收率,改善柴汽比。与国外竞品相比,是基于分子级机理模型的催化裂化反应器模型,同时采用自有优化策略,优化性能更具优势。

  中国石化石油科学研究院、中国石油原油评价重点实验室、中国海油原油分子工程重点实验室、中国石油大学重质油国家重点实验室、华东理工大学等单位已经开展了分子水平重油表征技术开发及应用研究。中国石油大学还开发了一套分子管理软件平台CUP,初步建立了一套分子级物性计算和反应动力学模型库。

  虽然在通用流程模拟软件以及专业反应器模型软件方面,国内已经实现产品化,但这只是工程化和商品化漫长道路的开始。流程模拟软件开发难度大,工程化、商业化难度更大,涉及技术、人才、资金、市场等困境。流程模拟涉及分析化学、反应工程、系统工程、计算机科学等众多学科,研发团队成员需要有较为深厚的石油化工工艺知识、化工热力学知识、数学功底和编程基础。另一方面,软件的工程化更是一个漫长的过程,由一个软件原型到产品工程化的发展往往需要投入更多的财力和人力。

  现在的商业竞争已经不是单个软件的竞争,而变成生态链竞争、产业链竞争。只有建立起具有循环造血功能的产业生态链,才能系统性地解决工业软件现有的资金、市场等诸多瓶颈,避免“头痛医头、脚痛医脚”。工业软件产业生态链的构建要求政府、企业、研究机构、高等院校和用户等各环节定位准确,发挥出各自的功能。同时,各个环节需要相互依存,相互配合,协同发展。通过政策引导、资源引流、服务保障和鼓励创新等机制来构建工业软件政产学研用产业生态链,形成产品化和市场化为导向的健康产业环境。

  1997年,欧盟资助成立了开放式计算机辅助过程工程(CAPE-OPEN)项目,参与者有来自流程型行业的企业(拜耳、巴斯夫、杜邦、BP等)、软件供应商(艾斯本、Hyprotech等)以及大学研究机构等,目前,该项目由非营利组织CO-LaN支持。CAPE-OPEN是一个针对流程模拟的软件集成框架,包含一系列软件开发接口标准,以支持流程建模环境(PME)与第三方流程建模组件(PMC)之间实现即插即用和互操作[9],如图4所示。目前,主流的商业流程模拟软件基本都支持CAPE-OPEN软件接口规范,如Aspen Plus、Aspen HYSYS、PRO/Ⅱ 、 COMSOL、 UniSim、 gPROMS、 Petro-SIM等。

  过程建模组件(PMC)是功能相对单一、定义明确的软件组件,采用CORBA/COM技术开发,包括物性的计算、特定单元操作的模拟或优化问题中的数值求解器等[10]。例如换热器设计模型、泵模型、烃裂解炉模型、混合器/搅拌器计算器、安全卸压设计计算器、非常规装置操作模型等。目前,已有基于CAPE-OPEN软件接口规范的商业组件软件,例如MATLAB Unit Operation、VMG公司VMGThermo、艾斯本公司的Aspen Properties、Aspen COMThermo、ProSim公司的Simulis Thermodynamics等。CAPE-OPEN标准促进了软件的集成性和互操作性,支持CAPE-OPEN或遵循CAPE-OPEN标准已经成为化工流程模拟软件开发的必然选择。

  由于分析技术和计算机计算能力的限制,早期的流程模拟都绕过石油真实分子层次,在分离过程中采用虚拟组分(pseudo component)方法、在反应过程采用集总(lumping)方法来构建分离及集总反应动力学模型。这些方法本质上都是按照物理或化学性质对石油组成进行简化和分类,在有限的组分表征和计算能力的条件下,实现石油加工过程模型从无到有的突破。通过集总法和虚拟组分法对石油加工过程进行建模已成为业界常态,主流商业软件也都在此基础上构建,形成了原油评价数据库、原油评价切割工具、反应器模型等商业软件。虚拟组分模型和集总模型只能得到各馏分的整体物理性质、平均结构参数和族组成,制约了炼油技术的进步和石油资源更加合理的利用。

  随着计算机技术以及色谱和质谱等分析技术的发展,例如用于轻馏分(200℃)的气相色谱/质谱(GCMS)、用于中间馏分(200~350℃)的气相色谱(GC-ToF)和适用于重馏分(350℃)的傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS),从分子层次上实现对石油加工过程中的原料组成、相行为及转化过程的模拟,已成为石油化工领域的关注热点,并由此催生了分子管理技术的研究和发展,如图5所示[11-15]。石油分子管理研究内容主要包括:①原油/原料的分子级表征,从分子水平认识石油化学组成,揭示分子组成与物理性质的内在关系;②生产流程的分子级模拟,掌控分离及调和过程中分子走向与分布,把握化学加工过程的分子转化规律,实现分子组成及转化规律的模型化;③将基于分子组成的理论模型应用于炼化过程的决策优化、运营优化及生产优化等各个层面。刘东阳等[16]总结了分子尺度反应动力学模型构建在催化裂化/裂解过程中的应用进展。

  采用分子管理技术的优势在于:分子是物质保持化学性质和物理性质的最小单位,使用分子组成信息足以区分不同原料的特性;配合基团贡献法等性质预测方法,可实现对产品性质的精确预测,计算诸如汽油产品辛烷值等呈非线性混合的关键性质;通过基于分子层面的流程模拟,能够实现不同操作单元模型的无缝连接,理论上可以实现从原油到产品终端的全流程模拟。

  例如,Aspen HYSYS V11.0中提供了基于分子的加氢裂化反应器模型。PSE在其gSAFT产品中实施了伦敦帝国学院开发的SAFT-VR和SAFT-γMie基团贡献方法。统计缔合流体理论(SAFT)是一种先进的分子热力学方法,可以基于分子的物理真实模型及其与其他分子的相互作用来准确预测混合物的多种热力学性质[17]。

  基于物理和化学定律的数学模型,也称为机理模型。机理模型具有理论基础性强、可解释性优、外推性良好等优点,但是石化装置间耦合严重,采用分析过程机理逐个装置建立模型的方式,也具有局限性:专用性强导致可移植性差;复杂的微分/代数方程组的求解计算量大、收敛速度慢;部分假设前提条件导致模型与实际之间存在偏差。

  近年来,随着大数据、人工智能技术的发展,数据驱动建模得到快速应用。数据驱动建模的本质就是依靠一系列统计的自变量与因变量的样本数据,回归生成可以反映自变量与因变量之间数据关系的模型,进而可以通过该模型计算欲知点处自变量对应的因变量,而不必通过机理模型迭代计算,即是基于数据驱动模型的预测;当使用该模型作为过程系统中部分机理模型的替代并在过程系统的优化计算过程中重复使用该模型进行计算,即是基于代理模型的优化计算。数据驱动建模方法可以分为:基于回归分析的建模法、人工神经网络建模法、基于统计学习理论的建模法、克里金建模法、响应平面法、符号回归法等。

  数据驱动建模本身同样具有局限性:需要大量的“好”数据;可能违反物理约束;结果难以解释等。由于石化过程变量多、非线性强、工况波动范围大等特征,仅采用数据驱动模型很难得到满意的效果。由于数据建模与机理建模相结合,可以有效简化模型的复杂度,混合建模方法得到了越来越广泛的关注。混合建模方法首先根据过程机理特点,选择恰当的建模方法建立整体模型中的子模型;然后在已知的机理知识的基础上,利用某些数据驱动建模方法估计机理方法无法确定的内部参数,最终建立适合石化过程的模型。混合模型能够充分利用已有的先验知识,挖掘数据中的有效信息,提高建模的效率与精度。张梦轩等[20]总结了智能混合建模的串联、并联和混联等3种形式以及在化工模拟、监测、优化和预测等方面的应用进展。艾斯本在最新软件中已经提供了3种混合建模(Aspen Hybrid Model)解决方案:AI驱动的混合模型、降维混合模型和第一原理驱动的混合模型。

  德国工业4.0提出三个维度的集成:纵向集成、端到端集成和横向集成。国际流程工业企业提出的软件解决方案中已经可以看出这三项集成的影子。

  (1)企业级计划调度与生产装置实时优化的纵向集成实时优化(RTO)是流程工业中实现计划、调度、操作、控制一体化优化的关键环节,在整个优化体系中起承上启下的枢纽作用。基于实时优化,可以将生产计划、调度排产、操作优化、操作控制纵向集成,真正做到优化目标从上到下、从全局到局部的层层分解和闭环控制,实现企业内部跨越多时间周期、自动化程度和人机界面的管控融合。基于实时优化技术,在不增加重大设备投资的情况下,可以充分发挥现有生产装置的运行潜力,使主要技术经济指标达到或超过同类装置的国际先进水平,有效实现增产、节能、降耗的目标,为企业有效提升经济效益。如图6所示。例如,艾斯本的通用动态优化技术(GDOT)将计划的基本模型与APC经验模型相结合,同时保留了模型的一致性,通过使计划/调度目标与实际运营保持一致,缩小计划与实际之间的差距;KBC公司的动态实时优化(D-RTO)解决方案将流程模拟平台Petro-SIM、高级控制和估算平台(PACE)、供应链调度软件VM-SCS,以及雪佛龙公司的分布式递归LP软件PETRO集成,提供集成化动态实时优化;AVEVA的实时优化解决方案集成了实时优化平台ROMeo、先进过程控制SIMSCI APC以及供应链管理套件Spiral Suite。

  (2)一体化工程到一体化运维的端到端集成从对具体过程的建模向生命周期建模向跨越整个资产生命周期发展。流程模拟的应用贯穿于概念设计、前端设计、基础设计、详细设计到生产运营、操作员培训等整个生命周期,从仅针对具体的工艺过程的单点解决方案向全工艺流程集成平台方向发展。

  国际领先的供应商如海克斯康、剑维、西门子等公司,面向流程工业提出了“一体化工程到一体化运维”的工程数据资产全生命周期解决方案[21]。一体化工程解决方案是在已有数字化设计工具、集成化设计平台的基础上实现了流程模拟分析、工程数据管理、三维布置设计三大平台的一体化,形成统一数字化工程设计。统一数字化工程设计由两大部分组成,如图7所示:统一生命周期模拟平台(一个模型)和一体化工程设计(一个数据库)。二者共同构成强大的工艺模型与数据库,能够在一个平台上对二维和三维的数据流进行双向同步。稳态及动态工艺模型与工程设计数据库的双向整合使过程能够无缝衔接,进行数据直接传递。彻底打通工厂生命周期的信息流,为工厂的运营维护提供准确、完整的数据支撑,从而能够提高设计效率、降低风险,实现资本项目的投资回报最大。

  (3)供应链横向集成 通过统一的企业级供应链管理平台,实现覆盖各个供应链环节的横向集成。原油采购、生产计划、生产调度、生产、一次分销等。支持各部门的协同工作,不同角色的用户均可访问并参与相应的决策制定。例如,艾斯本、霍尼韦尔、施耐德、横河等都将计划优化、调度优化、原油数据切割工具、罐区管理、配送网络优化、车队优化、油品调和等软件集成为供应链管理套件,提高软件间的数据集成能力。

  当前,数字孪生(digital twin)备受各界关注,全球著名IT研究机构Gartner曾在2017年至2019年连续3年将数字孪生列为十大新兴技术之一。美国工业互联网联盟(IIC)、IDC、埃森哲、中国信通院、赛迪研究院、中国工业互联网产业联盟(AII)等机构也相继发表了相关白皮书,其中IIC的白皮书给出了关于数字孪生比较清晰的定义和商业价值描述[22]。国内北京航空航天大学陶飞教授团队撰写了一系列数字孪生的相关论文[23-24]。近年来,西门子、剑维、艾斯本、KBC、PSE等流程工业企业也都提出了基于数字孪生的解决方案。这里重点分析石化行业数字孪生与传统的流程模拟的不同之处。

  (1)石化数字孪生定义 石化数字孪生是资产、系统或过程的正式数字化表达,可以通过接收来自物理对象的数据而实时演化,从而与物理对象在全生命周期保持一致。基于数字孪生可进行分析、预测、诊断、仿真,从而帮助对物理对象进行优化和决策。

  数字孪生基于跨多个维度的模型和实时数据,包括业务绩效、资产规划、实物资产、设备状况和可靠性、化学过程绩效、安全和风险、能源和可持续性等。

  数字孪生随物理对象或过程不断演化,从而提供有关系统性能的洞见,指导物理世界中的行动,例如过程设计、操作、安装、安全性和维护等方面的变化。它可以实时或定期更新,利用资产数据保持最新状态,并结合人工智能的应用逐步实现智能化。

  (2)石化数字孪生要素 数据、模型和服务(API)是石化数字孪生的核心要素[25],如图8所示。

  石化数字孪生基于跨多个维度的模型和数据。模型包括基于第一性原理建模、数据驱动建模、三维几何建模等。模型类型包括资产模型、机理模型、工业大数据模型、业务模型等。资产模型是对石化生产企业的物理资产进行描述;机理模型是对石化生产流程的反应及运行过程进行描述;工业大数据模型对石化生产企业积累的大数据统计规律进行描述;业务模型则是沉淀行业规则、经验和案例等。

  数据包括设计、生产、运营和商业活动中产生的历史数据和实时数据。数字孪生的载体是软件,通过应用程序接口(API),支撑高级分析应用。

  例如,艾斯本和剑维对石化数字孪生的界定比较宽泛,认为数字孪生涵盖设计、运营和维护等全生命周期。设计阶段对应工厂数字孪生模型,包括资产模型(竣工)、设备模型、成本&资源模型、工业模型等;运营阶段对应卓越运营数字孪生模型,包括计划模型、调度模型、控制&优化、执行模型、配送模型、需求模型等;维护阶段对应操作完整性数字孪生模型,包括设备分析、工艺分析、风险模型等。

  数字孪生与传统的流程模拟对比如表7所示。基于流程模拟与实时数据库构建实例化数字孪生如图9所示,艾斯本、剑维、KBC、PSE等流程工业企业都提出了类似架构的数字孪生解决方案。

  (3)石化数字孪生的层级 设备级(equipment level)数字孪生面向核心、高价值设备,例如超级压缩机(故障的高经济成本)、大型泵和压缩机(备件和维护的高成本)、热交换器(对产量的影响)等,反映设备的当前、未来和历史性能。装置级(unit level)或单元级数字孪生面向化工基本单元操作,如裂解、烯烃反应器和化学蒸馏,是涉及过程、资产状况、控制和优化的数字孪生的高价值高回报领域。工厂级(plant level)数字孪生提供一个工厂、几个工厂或整个厂区的数字表示;它们可能涵盖所涉及系统的一个子集。例如能源优化、炼油厂和散装化学品生产计划,以及特种化学品生产调度等。企业级(enterprise level)数字孪生是一个重要的新兴领域。这种模型能够快速分析企业的盈利机会,并有效地向执行层提供可操作的信息。例如企业风险模型、调度和供应链联合模型或多资产规划模型,以优化工厂、运输和储存设施网络的利用率,实现利润最大化,提高客户满意度。

  面对新一轮世界科技创新的历史机遇和我国石化高质量发展面临的重大挑战,继续依靠引进别国技术谋求发展已经行不通了,科技自立自强才是我国石化行业发展的必由之路。

  就发展自主流程模拟软件而言,国内石化产业需求、超大规模市场和科研基础是我国创新发展自主软件的有利条件。例如中国石化是全球第三家掌握芳烃联合全套工艺技术的公司,芳烃联合也是国内近些年石化产业链中增长最快的产业类型,工艺优化需求日益突出。目前,芳烃联合工艺没有商品化的反应机理模型,国外石化企业一般都是自主研发、内部使用,并不对外销售。国内芳烃联合装置优化缺少模型支撑[26]。此外,国内关于歧化、异构化动力学已有大量基础研究,但并未构建成可供工业应用的模型软件。芳烃反应机理模型与RTO技术相结合,能极大地提高石化芳烃联合装置的操作优化及操作智能化水平,提高企业效益和市场竞争力。同样,国内已有裂解反应动力学大量的基础性研究,具备自主研发乙烯裂解炉模型软件的条件。芳烃反应机理模型和乙烯裂解炉模型等都是我国亟需发展的重点软件。

  市场需求和市场规模本身就是发展优势,可以提供大量应用场景和数据,结合物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术,有可能在实现追赶、跟跑的同时,进行创新式发展,实现在部分领域的换道超车。

  2021年2 月初,工业软件首次入选科技部国家重点研发计划首批重点专项,标志着工业软件已成为国家科技领域最高级别的战略部署。同时也要看到,对于流程工业,特别是石化行业的流程模拟等基础性软件,还需要进一步精准施策。返回搜狐,查看更多

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