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石油化工流程模擬軟件現狀與發展趨勢

專題網友投稿2022-07-06A+A-

石油化工流程模擬軟件現狀與發展趨勢

高立兵 流程工業
流程工業

PROCESS2013

深入報道油氣、石化、化工及新能源、新材料領域最新市場動態,傳播先進的工程工藝、裝置設備與技術產品,展示全球流程行業技術發展與最新應用成果,為流程行業搭建供需雙方互動交流平臺。

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這是“流程工業”發布的第  8138  篇文章

流程模擬軟件是石油化工行業的核心研發設計軟件,其應用已貫穿于技術研發、工程設計、生產優化等全生命周期業務環節。 我國石油化工行業使用的商業流程模擬軟件90%為國外產品,基本被國外壟斷。 本文從商業軟件的角度,首先對化工流程模擬技術和早期的軟件發展進行了回顧,分析了近年來跨國流程工業巨頭收購兼并案例和啟示。

在對石油化工企業和軟件供應商調研的基礎上 ,分析了國內流程模擬軟件的市場應用情況和自主流程模擬軟件的成熟度,闡述了流程模擬軟件技術發展的五大趨勢: 遵循CAPE-OPEN軟件接口規范、基于分子級表 征和反應動力學建模、數據驅動與工藝機理聯合建模、三大集成建模和數字孿生應用等。 石化產業需求和市場規模以及科研基礎是發展自主流程模擬軟件的有利條件,但構建工業軟件政產學研用產業生態鏈,形成產品化和市場化為導向的健康產業環境尤為關鍵。

化工過程模擬軟件或流程模擬軟件是石油化工行業的核心、基礎性軟件,已成為石油化工科研、設計和生產部門開發新技術、開展工藝設計、優化生產運行不可或缺的重要工具。目前,我國石油化工行業使用的商業流程模擬軟件基本被國外產品壟斷。近年來,艾斯本(Aspen Tech)、施耐德(Schneider Electric)、西門子(Siemens)、橫河機電(Yokogawa)等跨國流程工業巨頭紛紛加快并購優質工業軟件步伐,構筑護城河。并通過長期的經營,形成了規模龐大、實力雄厚的合作伙伴、代理商、服務商等生態體系,構筑起我國自主石化工業軟件很難突破的“累積效應”“鎖定效應”“生態效應”三大壁壘。

作為中國工程院《新時期石化行業工業軟件高質量發展戰略、目標和路徑研究》課題的一部分,本文以化工流程模擬軟件為聚焦點,在對三大國營石化公司(簡稱中國石化、中國石油、中國海油)、部分大型民營企業、60余家軟件供應商調研的基礎上,研究分析流程模擬軟件的市場情況、技術發展趨勢以及自主軟件的成熟度等,最后提出了發展建議。

1 流程模擬軟件發展進展
化工流程模擬軟件是化學工程學、化工熱力學、系統工程、應用數理統計、計算方法及計算機技術等多學科理論在計算機上實現的綜合性模擬系統。

1915年,美國的A.D.利特爾首次提出單元操作的概念,20世紀50年代,傳遞過程理論誕生。隨后,化工過程系統工程(PSE)應運而生。化工的發展是從認識單元操作的規律到抽象的“三傳一反”規律,即動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和反應過程,進而發展到整體和系統的角度認識化工過程,實現了從個體到共性、從微觀到宏觀的發展歷程。化工過程模擬或流程模擬是通過建立描述過程特性的數學模型并求解,實現對過程系統規律和行為的預測與分析。數學模型的基礎是物理和化學定律,也稱為機理模型。根據被模擬對象的性質,建立的數學模型涉及下列方程組[2]:①物料衡算和能量衡算方程,這組方程考慮了物流運動的流型,標識物流的流量、壓力、溫度、組成以及其他相關的性質;②物流局部微元的“基本”過程方程,當過程參數隨空間位置變化時,需要對傳質、傳熱過程和化學反應過程進行局部微元描述;③表達各種過程參數間關系的理論、半經驗或經驗關聯式,例如傳質系數和物流速度的關聯式、物流的熱容及其組成的關聯式等;④對過程參數的約束,模擬某些過程時,必須注意客觀存在的對某些參數變化范圍的約束。

1.1 流程模擬技術分類

化工流程模擬技術可以從不同維度進行描述,如圖1所示。

圖1 流程模擬系統分類示意

(1)按方程求解方法分類 根據對系統數學模型的求解方法,可以將流程模擬分為序貫模塊法、聯立方程法和聯立模塊法這3種建模方式。

序貫模塊法是通過對單元模塊的依次序貫計算求解系統模型的一種方法。利用序貫模塊法時,對每類化工單元設備編制一個子程序,如反應、精餾、吸收、萃取、換熱、結晶等,該程序包含相應的單元模型方程和模型的求解程序,稱為單元模塊,如圖2所示。序貫模塊法應用最為廣泛,也是目前大部分商業流程模擬軟件采用的計算方法。其基本問題是迭代變量的選擇、計算順序的確定和修正循環流假定值的迭代方法。

圖2 單元模塊

聯立方程法就是對描述系統的模型方程組聯立求解,方程組包括物性方程、單元模型方程(包括物料平衡方程、能量平衡方程、反應動力學方程、傳遞方程等)、化工單元間的聯結方程以及設計規定方程等。聯立方程法的核心問題是求解超大型稀疏非線性方程組,求解方法主要有降維求解法和線性聯立求解法。相比序貫模塊法中單元模塊的單向模擬計算,聯立方程法在處理復雜系統、帶有設計要求的問題時更具潛力。英國PSE公司的gPROMS流程模擬平臺采用聯立方程建模技術;艾斯本的Aspen Hysys兼有序貫模塊法和聯立方程法。

聯立模塊法兼有序貫模塊法和聯立方程法的優點,盡量避免兩者的不足。聯立模塊法利用嚴格模塊產生相應簡化模型方程的系數,然后將流程各單元簡化模型與物流聯結方程聯立求解,得到系統的一組狀態變量。聯立模塊法的計算效率主要依賴于簡化模型的形式。一般來說,簡化模型是嚴格的近似,同時具有建模容易、求解方便的特點。

(2)按模擬對象時態分類 依據模擬對象時態可分為穩態模型和動態模型。穩態模型是指描述過程的狀態不隨時間變化,即描述確定工況下過程主要變量相互關系的模型,是流程模擬技術中最成熟、應用最廣泛的部分。動態模型是指描述過程的狀態為時間的函數,即描述過程主要變量從一種工況過渡到另一種工況時的相互關系模型,能夠更好地反映裝置在實際操作過程中的變化規律。動態過程研究確保安全性、可操作性和可控性。

①研究與開發階段:利用實驗室或中試反應數據確定化學反應動力學機理和參數,減少小試和中試的實驗次數、溶劑篩選;探索不同操作狀態下的影響,用于過程優化和過程控制研究;輔助過程的開車計算。②概念設計和詳細設計階段:研究滿足動態性能的過程設備尺寸和布局;研究過程各部分間的相互關系,尤其針對包含了循環或熱集成的過程;評估比較各種過程和控制結構與策略;模擬開車、停車過程和處理緊急狀態的程序。③生產運行階段:排除控制和過程故障;輔助開車與操作培訓;研究過程放大的影響與脫瓶頸需求;優化工廠操作等。

(3)按應用范圍分類 依據應用范圍,流程模擬系統可以分為通用模擬系統/平臺和專用模擬系統。通用流程模擬系統是指對各種流程均可適用的流程模擬系統。因此系統要盡可能考慮各種不同情況,在單元模型、物性計算等方面覆蓋范圍全面。通用流程模擬系統已經向平臺化發展。

專用流程模擬系統是專門用于某類反應過程裝置或工藝流程的模擬軟件,如乙烯裂解、催化裂化、加氫裂化、催化重整、延遲焦化、聚合反應等,統稱為專用流程模擬軟件或反應器模型。反應過程對于石化產品產率、產品質量、經濟效益具有決定性的意義,而每一種反應單元的原料、產品、催化劑和反應器結構形式各不相同,每一種反應的化學過程各異,因此對不同的反應過程一般來說需要開發針對特定模型、特定用途的專用模擬軟件。

1.2 流程模擬軟件早期發展

化工流程模擬軟件的開發始于20世紀50年代末,大致經歷了四大階段,如表1所示。第一代為20世紀60年代,模擬對象以烴加工過程為主,但工業上未廣泛應用;第二代為20世紀70年代,模擬對象擴大到氣-液兩相的過程,成為化工和石油化工公司使用的開發和設計手段,典型的代表有孟山都(Monsanto)公司的FLOWTRAN軟件及Simulation Science公司的PROCESS軟件;第三代是20世紀80年代,模擬對象涉及氣、液、固三相過程,典型的代表如Aspen Plus、PRO/Ⅱ、HYSIM等;第四代為20世紀90年代,將穩態和動態集成在一起進行模擬,典型的代表有HYSYS、ProVision、AspenONE等。

國內流程模擬軟件開發和應用并不太晚。早在20世界60年代中期,蘭州石化設計院就開始研究開發。到70年代前期,北京石化工程公司、洛陽石化工程公司和北京設計院等單位相繼開發了一批油品分餾塔、多組分精餾塔、冷換設備、塔板水力學計算等工藝計算工具軟件。在專用模擬軟件方面,有蘭州石化設計院的合成氨模擬軟件、北京設計院的催化裂化模擬軟件等。20世紀80年代末,青島科技大學成功開發了通用流程模擬軟件“化工之星”(ECSS),曾經應用于數十家化工、煉油企業。ECSS于1988年榮獲國家科技進步二等獎,一度是國內化工領域唯一獨立開發的商品化模擬軟件,具有過程模擬、分析、優化、設備設計及環境評價等功能,可用于過程研究開發、過程設計、裝置的模擬與優化、過程去瓶頸分析、裝置擴產節能挖潛改造等。

表1 化工流程模擬發展階段及代表軟件

 

但是,好景不長。由于技術、資金、人才、市場等困境,特別是國家政策的改變以及盜版軟件的盛行,21世紀前10年中國自主工業軟件行業出現大規模潰敗。與其他國產計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助工程(CAE)等軟件的命運一樣,化工之星終究沒能繼續閃亮下去。

1.3 流程模擬軟件進入并購發展新時期

從20世紀90年代以來,收購和兼并成為國際自動化企業擴張和數字化轉型的一個重要手段。進入21世紀之后,工業軟件的重要意義日益凸顯。西門子、施耐德電氣、海克斯康等工業巨頭,紛紛加快并購優質的工業軟件企業,與自身的工業自動化、工業測量等拳頭產品形成軟硬一體的解決方案。工業軟件與自動化硬件,正在緊密走在一起。石油化工領域主流的商業流程模擬軟件幾乎都經歷過并購,如表2和圖3所示。

表2 主要商業流程模擬軟件及供應商

         圖3 主要流程模擬并購案例

以艾斯本為例,在2009年之前,艾斯本定位在為流程行業提供集成軟件和服務的供應商,主要面向流程工廠的設計與運營管理。2009年至2015年,艾斯本定位在關鍵任務過程優化,開始進入流程工廠設計運營優化的階段。2016年至今,伴隨資產績效管理(APM)套件的推出,艾斯本全面進入資產優化階段。至今,艾斯本收購了超過25家工業軟件公司,打造了涵蓋過程工程設計、制造與供應鏈管理、資產績效管理三大類軟件的產品線。可見,艾斯本并購邏輯與業務發展邏輯保持同步,通過并購獲取新產品/技術。圖3主要從流程模擬軟件的視角刻畫了國際工業巨頭們的并購發展史。

收購兼并不僅僅有利于自身產品線的延伸,也可以直接把競爭對手在某個領域的優勢釜底抽薪,這其實是一種生態競爭力。例如,2016年橫河電機與艾斯本競爭收購KBC,最終橫河勝出,KBC成為橫河的全資子公司,艾斯本錯失一次良機。其實,艾斯本與KBC的恩怨可以追溯到2002年,當年艾斯本收購了Hyprotech公司。彼時KBC正與Hyprotech公司一起聯合開發新的流程模擬工具HYSYS,合作伙伴被收購后,KBC將所有研究成果集成為流程模擬平臺Petro-SIM。艾斯本沒有得到KBC的反應動力學模型,就起訴KBC。2004年5月最后判決KBC勝出。同年,因反壟斷之嫌艾斯本被迫將Hyprotech公司賣給霍尼韋爾,于是霍尼韋爾便擁有了與KBC的Petro-SIM同源技術的UniSim。

2 國內流程模擬軟件應用現狀及成熟度分析
2.1 通用流程模擬軟件應用情況

目前,通用流程模擬軟件市場基本被國外軟件壟斷,如有艾斯本、KBC、劍維等廠商,如表3所示。艾斯本的AspenONE套件(包括Aspen Plus、Aspen HYSYS)在全球市場占據領先地位,適用范圍最廣,覆蓋中國石化、中國石油、中國海油等集團下屬設計院、研究院和煉化生產企業。劍維旗下PRO/Ⅱ在全球石化市場應用較廣,在中國石化下屬設計院、鎮海煉化、茂名石化、齊魯石化等企業,以及中國石油下屬企業均有應用。KBC公司的Petro-SIM,覆蓋中國石化主要煉油企業以及中國石油部分企業。霍尼韋爾的UniSim Design Suite,在上海賽科及其他中國石化、中國石油、中國海油下屬企業有所應用。加拿大VMG公司的VMGSim在中國石化上海石油化工研究院、北京化工研究院等有應用。法國ProSim公司的ProSimPlus在中國石油、中國石化、中國海油均有應用。

表3 通用流程模擬軟件及供應商

中國石化集團公司從2000年開始,統一引進國外公司流程模擬軟件,在科研、工程設計和生產企業組織流程模擬技術推廣應用工作。 截至2019年底,完成30余家煉化企業、煤化工和天然氣生產企業700余套煉化生產裝置的建模和優化工作。

國內通用流程模擬軟件僅有石化盈科與青島科技大學聯合研發的Procet-SIM 1.0,還處于測試和試用階段。

2.2 專用反應器模型軟件應用情況

專業反應器模型軟件和熱交換器設計軟件仍以國外產品為主,如表4~表6所示,包括艾斯本、KBC、劍維、PYROTEC、霍尼韋爾等公司的產品。目前,全球商用乙烯裂解爐模型被PYROTEC公司的SPYRO軟件壟斷。中國石化購買了該軟件授權,用于下屬乙烯廠日常效益測算、排產、工藝優化、APC及乙烯RTO系統中。SPYRO軟件與國內乙烯原料匹配存在一定偏差,主要表現在160~180℃石腦油餾分、尾油餾分。

表4 專用反應器模型軟件及供應商(1)

表5 專用反應器模型軟件及供應商(2)

    表6 熱交換器設計軟件及供應商

國產專業反應器模型軟件中,由中國石油石油化工研究院、蘭州石化和清華大學聯合開發的乙烯裂解爐模擬與優化軟件EpSOS V2.0,于2013年在蘭州石化46萬噸/年乙烯裝置上開展試用。

華東理工大學與比利時根特大學聯合研發的乙烯裂解爐系統模擬軟件COILSIM-CRAFT,已經在大慶石化、中國石化工程建設公司、中國寰球工程公司、上海石化公司、蘭州石化公司、中國石油規劃總院、中化泉州石化有限公司等企業應用。

杭州辛孚能源自主研發了常減壓裝置、催化裂化裝置、加氫類裝置、重整裝置、乙烯裂解裝置優化系統等反應器模型軟件,已在蘭州石化催化裂化裝置、九江石化常減壓裝置,以及京博石化等5套裝置中得到應用。

2.3 自主軟件成熟度分析

2.3.1 通用流程模擬軟件

目前,石化盈科與青島科技大學聯合開發推出流程模擬軟件Procet-SIM V1.0,實現零的突破。Procet-SIM具備了常規石油化工過程模擬具備的基本功能,對常規過程的模擬精度可與Aspen Plus、HYSYS、PRO/Ⅱ等商業軟件媲美。軟件提供物性數據庫包含純組分化合物已達9317種,每種化合物有41種物性,具備物性估算功能;熱力學計算方法有46種;二元交互作用參數數據庫達21847對;單元模塊有28個,涵蓋常規單元;開發了電解質和苯抽提等特殊體系的專有流程物性數據包和熱力學;具有完善的石油餾分物性計算模型;具備了常規石油化工過程模擬的基本功能,初步具有工況分析和流程優化功能。已采用40余套煉化裝置工業數據驗證,并與Aspen Plus計算結果進行對比,計算精度和收斂速度滿足需求。

2.3.2 專業反應器模型軟件

國內高校和企業已經開發的少量軟件,目前仍處于測試或項目試用階段。

華東理工大學與比利時根特大學聯合研發的乙烯裂解爐系統模擬軟件Coilsim-Craft,具有裂解原料表征、爐管模型、廢熱鍋爐模型、爐膛模型和對流段模型等主要功能,與德希尼布公司的SPYRO相比,核心算法性能基本相當,在加氫尾油等重油的模擬精度方面有一定優勢,在裂解爐結構的自定義、裂解原料的適應性等方面也有一定優勢。

杭州辛孚能源自主開發的催化裂化裝置優化系統SP-FCC運用分子級機理與大數據模型結合的策略,對裝置進行精確模擬,并可針對不同的需求優化操作條件,提升液體產品收率,改善柴汽比。與國外競品相比,是基于分子級機理模型的催化裂化反應器模型,同時采用自有優化策略,優化性能更具優勢。

中國石化石油科學研究院、中國石油原油評價重點實驗室、中國海油原油分子工程重點實驗室、中國石油大學重質油國家重點實驗室、華東理工大學等單位已經開展了分子水平重油表征技術開發及應用研究。中國石油大學還開發了一套分子管理軟件平臺CUP,初步建立了一套分子級物性計算和反應動力學模型庫。

2.3.3 流程模擬軟件商業化之路

雖然在通用流程模擬軟件以及專業反應器模型軟件方面,國內已經實現產品化,但這只是工程化和商品化漫長道路的開始。流程模擬軟件開發難度大,工程化、商業化難度更大,涉及技術、人才、資金、市場等困境。流程模擬涉及分析化學、反應工程、系統工程、計算機科學等眾多學科,研發團隊成員需要有較為深厚的石油化工工藝知識、化工熱力學知識、數學功底和編程基礎。另一方面,軟件的工程化更是一個漫長的過程,由一個軟件原型到產品工程化的發展往往需要投入更多的財力和人力。

現在的商業競爭已經不是單個軟件的競爭,而變成生態鏈競爭、產業鏈競爭。只有建立起具有循環造血功能的產業生態鏈,才能系統性地解決工業軟件現有的資金、市場等諸多瓶頸,避免“頭痛醫頭、腳痛醫腳”。工業軟件產業生態鏈的構建要求政府、企業、研究機構、高等院校和用戶等各環節定位準確,發揮出各自的功能。同時,各個環節需要相互依存,相互配合,協同發展。通過政策引導、資源引流、服務保障和鼓勵創新等機制來構建工業軟件政產學研用產業生態鏈,形成產品化和市場化為導向的健康產業環境。

3 流程模擬技術及軟件發展趨勢

3.1 遵循CAPE-OPEN軟件接口規范

1997年,歐盟資助成立了開放式計算機輔助過程工程(CAPE-OPEN)項目,參與者有來自流程型行業的企業(拜耳、巴斯夫、杜邦、BP等)、軟件供應商(艾斯本、Hyprotech等)以及大學研究機構等,目前,該項目由非營利組織CO-LaN支持。CAPE-OPEN是一個針對流程模擬的軟件集成框架,包含一系列軟件開發接口標準,以支持流程建模環境(PME)與第三方流程建模組件(PMC)之間實現即插即用和互操作[9],如圖4所示。目前,主流的商業流程模擬軟件基本都支持CAPE-OPEN軟件接口規范,如Aspen Plus、Aspen HYSYS、PRO/Ⅱ 、 COMSOL、 UniSim、 gPROMS、 Petro-SIM等。

圖4 CAPE-OPEN標準促進流程模擬軟件間的互操作

過程建模組件(PMC)是功能相對單一、定義明確的軟件組件,采用CORBA/COM技術開發,包括物性的計算、特定單元操作的模擬或優化問題中的數值求解器等[10]。例如換熱器設計模型、泵模型、烴裂解爐模型、混合器/攪拌器計算器、安全卸壓設計計算器、非常規裝置操作模型等。目前,已有基于CAPE-OPEN軟件接口規范的商業組件軟件,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標準促進了軟件的集成性和互操作性,支持CAPE-OPEN或遵循CAPE-OPEN標準已經成為化工流程模擬軟件開發的必然選擇。

3.2 基于分子級表征和反應動力學建模

由于分析技術和計算機計算能力的限制,早期的流程模擬都繞過石油真實分子層次,在分離過程中采用虛擬組分(pseudo component)方法、在反應過程采用集總(lumping)方法來構建分離及集總反應動力學模型。這些方法本質上都是按照物理或化學性質對石油組成進行簡化和分類,在有限的組分表征和計算能力的條件下,實現石油加工過程模型從無到有的突破。通過集總法和虛擬組分法對石油加工過程進行建模已成為業界常態,主流商業軟件也都在此基礎上構建,形成了原油評價數據庫、原油評價切割工具、反應器模型等商業軟件。虛擬組分模型和集總模型只能得到各餾分的整體物理性質、平均結構參數和族組成,制約了煉油技術的進步和石油資源更加合理的利用。

隨著計算機技術以及色譜和質譜等分析技術的發展,例如用于輕餾分(<200℃)的氣相色譜/質譜(GCMS)、用于中間餾分(200~350℃)的氣相色譜(GC-ToF)和適用于重餾分(>350℃)的傅里葉變換離子回旋共振質譜(FT-ICR MS),從分子層次上實現對石油加工過程中的原料組成、相行為及轉化過程的模擬,已成為石油化工領域的關注熱點,并由此催生了分子管理技術的研究和發展,如圖5所示[11-15]。石油分子管理研究內容主要包括:①原油/原料的分子級表征,從分子水平認識石油化學組成,揭示分子組成與物理性質的內在關系;②生產流程的分子級模擬,掌控分離及調和過程中分子走向與分布,把握化學加工過程的分子轉化規律,實現分子組成及轉化規律的模型化;③將基于分子組成的理論模型應用于煉化過程的決策優化、運營優化及生產優化等各個層面。劉東陽等[16]總結了分子尺度反應動力學模型構建在催化裂化/裂解過程中的應用進展。

     圖5 分子建模的演進

采用分子管理技術的優勢在于:分子是物質保持化學性質和物理性質的最小單位,使用分子組成信息足以區分不同原料的特性;配合基團貢獻法等性質預測方法,可實現對產品性質的精確預測,計算諸如汽油產品辛烷值等呈非線性混合的關鍵性質;通過基于分子層面的流程模擬,能夠實現不同操作單元模型的無縫連接,理論上可以實現從原油到產品終端的全流程模擬。

例如,Aspen HYSYS V11.0中提供了基于分子的加氫裂化反應器模型。PSE在其gSAFT產品中實施了倫敦帝國學院開發的SAFT-VR和SAFT-γMie基團貢獻方法。統計締合流體理論(SAFT)是一種先進的分子熱力學方法,可以基于分子的物理真實模型及其與其他分子的相互作用來準確預測混合物的多種熱力學性質。

3.3 數據驅動與工藝機理聯合建模

基于物理和化學定律的數學模型,也稱為機理模型。機理模型具有理論基礎性強、可解釋性優、外推性良好等優點,但是石化裝置間耦合嚴重,采用分析過程機理逐個裝置建立模型的方式,也具有局限性:專用性強導致可移植性差;復雜的微分/代數方程組的求解計算量大、收斂速度慢;部分假設前提條件導致模型與實際之間存在偏差。

近年來,隨著大數據、人工智能技術的發展,數據驅動建模得到快速應用。數據驅動建模的本質就是依靠一系列統計的自變量與因變量的樣本數據,回歸生成可以反映自變量與因變量之間數據關系的模型,進而可以通過該模型計算欲知點處自變量對應的因變量,而不必通過機理模型迭代計算,即是基于數據驅動模型的預測;當使用該模型作為過程系統中部分機理模型的替代并在過程系統的優化計算過程中重復使用該模型進行計算,即是基于代理模型的優化計算。數據驅動建模方法可以分為:基于回歸分析的建模法、人工神經網絡建模法、基于統計學習理論的建模法、克里金建模法、響應平面法、符號回歸法等。

數據驅動建模本身同樣具有局限性:需要大量的“好”數據;可能違反物理約束;結果難以解釋等。由于石化過程變量多、非線性強、工況波動范圍大等特征,僅采用數據驅動模型很難得到滿意的效果。由于數據建模與機理建模相結合,可以有效簡化模型的復雜度,混合建模方法得到了越來越廣泛的關注。混合建模方法首先根據過程機理特點,選擇恰當的建模方法建立整體模型中的子模型;然后在已知的機理知識的基礎上,利用某些數據驅動建模方法估計機理方法無法確定的內部參數,最終建立適合石化過程的模型。混合模型能夠充分利用已有的先驗知識,挖掘數據中的有效信息,提高建模的效率與精度。張夢軒等[20]總結了智能混合建模的串聯、并聯和混聯等3種形式以及在化工模擬、監測、優化和預測等方面的應用進展。艾斯本在最新軟件中已經提供了3種混合建模(Aspen Hybrid Model)解決方案:AI驅動的混合模型、降維混合模型和第一原理驅動的混合模型。

3.4 集成化建模

德國工業4.0提出三個維度的集成:縱向集成、端到端集成和橫向集成。國際流程工業企業提出的軟件解決方案中已經可以看出這三項集成的影子。

(1)企業級計劃調度與生產裝置實時優化的縱向集成實時優化(RTO)是流程工業中實現計劃、調度、操作、控制一體化優化的關鍵環節,在整個優化體系中起承上啟下的樞紐作用。基于實時優化,可以將生產計劃、調度排產、操作優化、操作控制縱向集成,真正做到優化目標從上到下、從全局到局部的層層分解和閉環控制,實現企業內部跨越多時間周期、自動化程度和人機界面的管控融合。基于實時優化技術,在不增加重大設備投資的情況下,可以充分發揮現有生產裝置的運行潛力,使主要技術經濟指標達到或超過同類裝置的國際先進水平,有效實現增產、節能、降耗的目標,為企業有效提升經濟效益。如圖6所示。例如,艾斯本的通用動態優化技術(GDOT)將計劃的基本模型與APC經驗模型相結合,同時保留了模型的一致性,通過使計劃/調度目標與實際運營保持一致,縮小計劃與實際之間的差距;KBC公司的動態實時優化(D-RTO)解決方案將流程模擬平臺Petro-SIM、高級控制和估算平臺(PACE)、供應鏈調度軟件VM-SCS,以及雪佛龍公司的分布式遞歸LP軟件PETRO集成,提供集成化動態實時優化;AVEVA的實時優化解決方案集成了實時優化平臺ROMeo、先進過程控制SIMSCI APC以及供應鏈管理套件Spiral Suite。

 

圖6 計劃調度與實時優化的縱向集成

(2)一體化工程到一體化運維的端到端集成從對具體過程的建模向生命周期建模向跨越整個資產生命周期發展。流程模擬的應用貫穿于概念設計、前端設計、基礎設計、詳細設計到生產運營、操作員培訓等整個生命周期,從僅針對具體的工藝過程的單點解決方案向全工藝流程集成平臺方向發展。

國際領先的供應商如海克斯康、劍維、西門子等公司,面向流程工業提出了“一體化工程到一體化運維”的工程數據資產全生命周期解決方案。一體化工程解決方案是在已有數字化設計工具、集成化設計平臺的基礎上實現了流程模擬分析、工程數據管理、三維布置設計三大平臺的一體化,形成統一數字化工程設計。統一數字化工程設計由兩大部分組成,如圖7所示:統一生命周期模擬平臺(一個模型)和一體化工程設計(一個數據庫)。二者共同構成強大的工藝模型與數據庫,能夠在一個平臺上對二維和三維的數據流進行雙向同步。穩態及動態工藝模型與工程設計數據庫的雙向整合使過程能夠無縫銜接,進行數據直接傳遞。徹底打通工廠生命周期的信息流,為工廠的運營維護提供準確、完整的數據支撐,從而能夠提高設計效率、降低風險,實現資本項目的投資回報最大。

     圖7 統一數字化工程設計的端到端集成

(3)供應鏈橫向集成 通過統一的企業級供應鏈管理平臺,實現覆蓋各個供應鏈環節的橫向集成。原油采購、生產計劃、生產調度、生產、一次分銷等。支持各部門的協同工作,不同角色的用戶均可訪問并參與相應的決策制定。例如,艾斯本、霍尼韋爾、施耐德、橫河等都將計劃優化、調度優化、原油數據切割工具、罐區管理、配送網絡優化、車隊優化、油品調和等軟件集成為供應鏈管理套件,提高軟件間的數據集成能力。

3.5 數字孿生技術

當前,數字孿生(digital twin)備受各界關注,全球著名IT研究機構Gartner曾在2017年至2019年連續3年將數字孿生列為十大新興技術之一。美國工業互聯網聯盟(IIC)、IDC、埃森哲、中國信通院、賽迪研究院、中國工業互聯網產業聯盟(AII)等機構也相繼發表了相關白皮書,其中IIC的白皮書給出了關于數字孿生比較清晰的定義和商業價值描述[22]。國內北京航空航天大學陶飛教授團隊撰寫了一系列數字孿生的相關論文[23-24]。近年來,西門子、劍維、艾斯本、KBC、PSE等流程工業企業也都提出了基于數字孿生的解決方案。這里重點分析石化行業數字孿生與傳統的流程模擬的不同之處。

(1)石化數字孿生定義 石化數字孿生是資產、系統或過程的正式數字化表達,可以通過接收來自物理對象的數據而實時演化,從而與物理對象在全生命周期保持一致。基于數字孿生可進行分析、預測、診斷、仿真,從而幫助對物理對象進行優化和決策。

數字孿生基于跨多個維度的模型和實時數據,包括業務績效、資產規劃、實物資產、設備狀況和可靠性、化學過程績效、安全和風險、能源和可持續性等。

數字孿生隨物理對象或過程不斷演化,從而提供有關系統性能的洞見,指導物理世界中的行動,例如過程設計、操作、安裝、安全性和維護等方面的變化。它可以實時或定期更新,利用資產數據保持最新狀態,并結合人工智能的應用逐步實現智能化。

(2)石化數字孿生要素 數據、模型和服務(API)是石化數字孿生的核心要素[25],如圖8所示。

圖8 石化數字孿生核心要素示意圖

石化數字孿生基于跨多個維度的模型和數據。模型包括基于第一性原理建模、數據驅動建模、三維幾何建模等。模型類型包括資產模型、機理模型、工業大數據模型、業務模型等。資產模型是對石化生產企業的物理資產進行描述;機理模型是對石化生產流程的反應及運行過程進行描述;工業大數據模型對石化生產企業積累的大數據統計規律進行描述;業務模型則是沉淀行業規則、經驗和案例等。

數據包括設計、生產、運營和商業活動中產生的歷史數據和實時數據。數字孿生的載體是軟件,通過應用程序接口(API),支撐高級分析應用。

例如,艾斯本和劍維對石化數字孿生的界定比較寬泛,認為數字孿生涵蓋設計、運營和維護等全生命周期。設計階段對應工廠數字孿生模型,包括資產模型(竣工)、設備模型、成本&資源模型、工業模型等;運營階段對應卓越運營數字孿生模型,包括計劃模型、調度模型、控制&優化、執行模型、配送模型、需求模型等;維護階段對應操作完整性數字孿生模型,包括設備分析、工藝分析、風險模型等。

數字孿生與傳統的流程模擬對比如表7所示。基于流程模擬與實時數據庫構建實例化數字孿生如圖9所示,艾斯本、劍維、KBC、PSE等流程工業企業都提出了類似架構的數字孿生解決方案。

表7 傳統流程模擬與數字孿生對比

圖9 基于流程模擬與實時數據庫構建實例化數字孿生

(3)石化數字孿生的層級 設備級(equipment level)數字孿生面向核心、高價值設備,例如超級壓縮機(故障的高經濟成本)、大型泵和壓縮機(備件和維護的高成本)、熱交換器(對產量的影響)等,反映設備的當前、未來和歷史性能。裝置級(unit level)或單元級數字孿生面向化工基本單元操作,如裂解、烯烴反應器和化學蒸餾,是涉及過程、資產狀況、控制和優化的數字孿生的高價值高回報領域。工廠級(plant level)數字孿生提供一個工廠、幾個工廠或整個廠區的數字表示;它們可能涵蓋所涉及系統的一個子集。例如能源優化、煉油廠和散裝化學品生產計劃,以及特種化學品生產調度等。企業級(enterprise level)數字孿生是一個重要的新興領域。這種模型能夠快速分析企業的盈利機會,并有效地向執行層提供可操作的信息。例如企業風險模型、調度和供應鏈聯合模型或多資產規劃模型,以優化工廠、運輸和儲存設施網絡的利用率,實現利潤最大化,提高客戶滿意度。

4 結語
面對新一輪世界科技創新的歷史機遇和我國石化高質量發展面臨的重大挑戰,繼續依靠引進別國技術謀求發展已經行不通了,科技自立自強才是我國石化行業發展的必由之路。

就發展自主流程模擬軟件而言,國內石化產業需求、超大規模市場和科研基礎是我國創新發展自主軟件的有利條件。例如中國石化是全球第三家掌握芳烴聯合全套工藝技術的公司,芳烴聯合也是國內近些年石化產業鏈中增長最快的產業類型,工藝優化需求日益突出。目前,芳烴聯合工藝沒有商品化的反應機理模型,國外石化企業一般都是自主研發、內部使用,并不對外銷售。國內芳烴聯合裝置優化缺少模型支撐。此外,國內關于歧化、異構化動力學已有大量基礎研究,但并未構建成可供工業應用的模型軟件。芳烴反應機理模型與RTO技術相結合,能極大地提高石化芳烴聯合裝置的操作優化及操作智能化水平,提高企業效益和市場競爭力。同樣,國內已有裂解反應動力學大量的基礎性研究,具備自主研發乙烯裂解爐模型軟件的條件。芳烴反應機理模型和乙烯裂解爐模型等都是我國亟需發展的重點軟件。

市場需求和市場規模本身就是發展優勢,可以提供大量應用場景和數據,結合物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術,有可能在實現追趕、跟跑的同時,進行創新式發展,實現在部分領域的換道超車。

2021年2月初,工業軟件首次入選科技部國家重點研發計劃首批重點專項,標志著工業軟件已成為國家科技領域最高級別的戰略部署。同時也要看到,對于流程工業,特別是石化行業的流程模擬等基礎性軟件,還需要進一步精準施策。

本文 內容來源于化工進展,石化盈科等公開信息,作 者 | 高立兵等,歡迎您關注“流程工業”公眾號,第一時間獲取石油、化工、水處理、新材料、新 能源最新市場動態,以及技術進展和項目信息。
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