化工进展 ›› 2021, Vol. 40 ›› Issue (S2): 1-14.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0471
收稿日期:
2021-03-10
修回日期:
2021-05-09
出版日期:
2021-11-12
发布日期:
2021-11-12
通讯作者:
高立兵
作者简介:
高立兵(1970—),男,硕士,工程师,研究方向为石化行业智能制造、石化智能工厂规划和研究等。E-mail: 基金资助:
GAO Libing(), LYU Zhongyuan, SUO Hansheng, LIU Xiaoyu
Received:
2021-03-10
Revised:
2021-05-09
Online:
2021-11-12
Published:
2021-11-12
Contact:
GAO Libing
摘要:
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。
中图分类号:
高立兵, 吕中原, 索寒生, 刘晓遇. 石油化工流程模拟软件现状与发展趋势[J]. 化工进展, 2021, 40(S2): 1-14.
GAO Libing, LYU Zhongyuan, SUO Hansheng, LIU Xiaoyu. Market analysis and development trend of petrochemical process simulation software[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2021, 40(S2): 1-14.
时间 | 特点 | 代表公司/组织 | 软件名称 |
---|---|---|---|
第一代 (20世纪60年代) | 不完善的物性库,简单的数学模型、物料、能量计算 | Kellogg University of Houston | Flexible Flowsheet CHESS |
第二代 (20世界70年代) | 较完善的物性库,较精确的数学模型、物料、能量、设备计算 | Monsanto Simulation Sciences(SIMSCI) | FLOWTRAN PROCESS |
第三代 (20世纪80年代) | 较完善的物性库,复杂而精确的数学模型、物料、能量、设备计算、经济评价、概况分析 | Aspentech Hyprotech | Aspen Plus HYSIM |
第四代 (20世纪90年代) | 较完善的物性库,复杂而精确的数学模型、物料、能量、设备计算、经济评价、概况分析,稳态和动态集成,从离线到在线 | Aspentech Hyprotech SIMSCI | Aspen ONE HYSYS ProVision |
表1 化工流程模拟发展阶段及代表软件
时间 | 特点 | 代表公司/组织 | 软件名称 |
---|---|---|---|
第一代 (20世纪60年代) | 不完善的物性库,简单的数学模型、物料、能量计算 | Kellogg University of Houston | Flexible Flowsheet CHESS |
第二代 (20世界70年代) | 较完善的物性库,较精确的数学模型、物料、能量、设备计算 | Monsanto Simulation Sciences(SIMSCI) | FLOWTRAN PROCESS |
第三代 (20世纪80年代) | 较完善的物性库,复杂而精确的数学模型、物料、能量、设备计算、经济评价、概况分析 | Aspentech Hyprotech | Aspen Plus HYSIM |
第四代 (20世纪90年代) | 较完善的物性库,复杂而精确的数学模型、物料、能量、设备计算、经济评价、概况分析,稳态和动态集成,从离线到在线 | Aspentech Hyprotech SIMSCI | Aspen ONE HYSYS ProVision |
代表公司 | 代表软件 | 公司网址 | 备注 |
---|---|---|---|
艾斯本 (Aspentech) | AspenONE | www.aspentech.com | 1996年以来收购超过25家公司 |
PYROTEC | SPYRO | www.spyrosuite.com | SPYRO源于荷兰KTI,1979年被PYROTEC(隶属Technip)收购,2017年,Technip与FMC合并,成立TechnipFMC,2021年PYROTEC并入Technip Energies公司 |
剑维 (AVEVA) | ROMeo PRO/II | www.aveva.com | ROMeo、PRO/II源于美国SimSci公司,于1990年被Siebe收购;1999年Siebe与BTR合并创建英维斯(Invensys),2014年施耐德电气收购英维斯,2017年又控股剑维(AVEVA),并将英维斯软件合进剑维。 |
KBC | Petro-SIM | www.kbcat.com www.petro-sim.com | Petro-SIM源于英国KBC公司,2016年被日本横河收购 |
霍尼韦尔 (Honeywell) | UniSim | www.honeywellprocess.com www.honeywell.com | 2004年,霍尼韦尔从艾斯本手里收购了Hyprotec公司的HYSYS和OTS业务 |
VMG | VMGSim | www.software.slb.com www.virtualmaterils.com | 加拿大VMG公司,2018年5月被斯伦贝谢收购,将VMGSim整合进Symmetry Process流程模拟平台 |
PSE | gPROMS | www.psenterprise.com | 英国PSE公司,2019年10月被西门子收购 |
ProSim | ProSimPlus | www.prosim.net | 法国ProSim公司 |
Chemstations | CHEMCAD | www.chemstations.com | 美国Chemstations公司 |
VimSim | Design Ⅱ | www.winsim.com | 美国VimSim公司 |
表2 主要商业流程模拟软件及供应商
代表公司 | 代表软件 | 公司网址 | 备注 |
---|---|---|---|
艾斯本 (Aspentech) | AspenONE | www.aspentech.com | 1996年以来收购超过25家公司 |
PYROTEC | SPYRO | www.spyrosuite.com | SPYRO源于荷兰KTI,1979年被PYROTEC(隶属Technip)收购,2017年,Technip与FMC合并,成立TechnipFMC,2021年PYROTEC并入Technip Energies公司 |
剑维 (AVEVA) | ROMeo PRO/II | www.aveva.com | ROMeo、PRO/II源于美国SimSci公司,于1990年被Siebe收购;1999年Siebe与BTR合并创建英维斯(Invensys),2014年施耐德电气收购英维斯,2017年又控股剑维(AVEVA),并将英维斯软件合进剑维。 |
KBC | Petro-SIM | www.kbcat.com www.petro-sim.com | Petro-SIM源于英国KBC公司,2016年被日本横河收购 |
霍尼韦尔 (Honeywell) | UniSim | www.honeywellprocess.com www.honeywell.com | 2004年,霍尼韦尔从艾斯本手里收购了Hyprotec公司的HYSYS和OTS业务 |
VMG | VMGSim | www.software.slb.com www.virtualmaterils.com | 加拿大VMG公司,2018年5月被斯伦贝谢收购,将VMGSim整合进Symmetry Process流程模拟平台 |
PSE | gPROMS | www.psenterprise.com | 英国PSE公司,2019年10月被西门子收购 |
ProSim | ProSimPlus | www.prosim.net | 法国ProSim公司 |
Chemstations | CHEMCAD | www.chemstations.com | 美国Chemstations公司 |
VimSim | Design Ⅱ | www.winsim.com | 美国VimSim公司 |
分类 | 主要厂商 | 产品 | 备注 |
---|---|---|---|
国外 | 艾斯本 | Aspen Plus稳态模拟、Aspen HYSYS动态模拟 | 工艺设计、生产装置工艺模拟与优化 |
剑维 | SimCentral Simulation Platform平台、PRO/Ⅱ稳态模拟、SimSci DYNSIM动态模拟 | 工艺设计、生产装置工艺模拟优化;施耐德旗下 | |
KBC | Petro-SIM平台 | 基本功能同上,全厂炼油,物性传递更强;稳态及动态模拟;横河旗下 | |
霍尼韦尔 | UniSim Design Suite平台 | 基本功能同上,偏重动态模拟,适合仿真培训系统 | |
VMG | VMGSim稳态模拟、VMGDynamics动态模拟 | 斯伦贝谢旗下 | |
ProSim | ProSimPlus | 基本功能同上,偏重硫黄等特殊类物性系统模拟 | |
Chemstations | CHEMCAD | CC-STEADY STATE稳态模拟;CC-DYNAMICS动态模拟 | |
PSE | gPROMS平台 | 西门子旗下;稳态及动态模拟 | |
WinSim | Design Ⅱ | 稳态及动态模拟 | |
国内 | 石化盈科&青岛科技大学 | Procet-SIM 1.0 | 通用稳态模拟;单元模拟,物性计算等 |
表3 通用流程模拟软件及供应商
分类 | 主要厂商 | 产品 | 备注 |
---|---|---|---|
国外 | 艾斯本 | Aspen Plus稳态模拟、Aspen HYSYS动态模拟 | 工艺设计、生产装置工艺模拟与优化 |
剑维 | SimCentral Simulation Platform平台、PRO/Ⅱ稳态模拟、SimSci DYNSIM动态模拟 | 工艺设计、生产装置工艺模拟优化;施耐德旗下 | |
KBC | Petro-SIM平台 | 基本功能同上,全厂炼油,物性传递更强;稳态及动态模拟;横河旗下 | |
霍尼韦尔 | UniSim Design Suite平台 | 基本功能同上,偏重动态模拟,适合仿真培训系统 | |
VMG | VMGSim稳态模拟、VMGDynamics动态模拟 | 斯伦贝谢旗下 | |
ProSim | ProSimPlus | 基本功能同上,偏重硫黄等特殊类物性系统模拟 | |
Chemstations | CHEMCAD | CC-STEADY STATE稳态模拟;CC-DYNAMICS动态模拟 | |
PSE | gPROMS平台 | 西门子旗下;稳态及动态模拟 | |
WinSim | Design Ⅱ | 稳态及动态模拟 | |
国内 | 石化盈科&青岛科技大学 | Procet-SIM 1.0 | 通用稳态模拟;单元模拟,物性计算等 |
分类 | 主要厂商 | 产品 | 备注 |
---|---|---|---|
国外 | 艾斯本 | Aspen Refinery Reactor Models | 主要炼油装置反应器模型 |
KBC | SIM Reactor Suite Modules | 主要炼油装置反应器模型 | |
剑维 | SimSci ROMeo Reactor Models | 施耐德旗下 | |
PYROTEC | SPYRO Suite 8 | 中国石化乙烯装置全覆盖 | |
霍尼韦尔 | UniSim Refinery Reactors | ||
PSE | Advanced Model Libray for Fixed-Bed Catalytic Reactors(AML:FBCR) | 固定床催化反应器 | |
国内 | 华东理工大学&根特大学 | 催化裂化工艺流程模拟软件,乙烯裂解炉系统模拟软件COILSIM-CRAFT | 华东理工大学与比利时根特大学联合研发 |
辛孚能源 | 常减压装置SP-CDU 加氢类装置SP-HDP 重整装置SP-REFORM 乙烯裂解装置SP-CRACK 催化裂化装置SP-FCC | SP-HDP在2家企业应用;SP-FCC在3家企业应用 | |
中国石油石油化工研究院、清华大学 | 乙烯裂解模拟软件EpSOS | 中国石油兰州石化、四川石化 |
表4 专用反应器模型软件及供应商(1)
分类 | 主要厂商 | 产品 | 备注 |
---|---|---|---|
国外 | 艾斯本 | Aspen Refinery Reactor Models | 主要炼油装置反应器模型 |
KBC | SIM Reactor Suite Modules | 主要炼油装置反应器模型 | |
剑维 | SimSci ROMeo Reactor Models | 施耐德旗下 | |
PYROTEC | SPYRO Suite 8 | 中国石化乙烯装置全覆盖 | |
霍尼韦尔 | UniSim Refinery Reactors | ||
PSE | Advanced Model Libray for Fixed-Bed Catalytic Reactors(AML:FBCR) | 固定床催化反应器 | |
国内 | 华东理工大学&根特大学 | 催化裂化工艺流程模拟软件,乙烯裂解炉系统模拟软件COILSIM-CRAFT | 华东理工大学与比利时根特大学联合研发 |
辛孚能源 | 常减压装置SP-CDU 加氢类装置SP-HDP 重整装置SP-REFORM 乙烯裂解装置SP-CRACK 催化裂化装置SP-FCC | SP-HDP在2家企业应用;SP-FCC在3家企业应用 | |
中国石油石油化工研究院、清华大学 | 乙烯裂解模拟软件EpSOS | 中国石油兰州石化、四川石化 |
产品、厂家 | 乙烯裂解 | 催化裂化 | 加氢裂化 | 加氢精制 | 延迟焦化 | 催化重整 | 聚合反应器 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
艾斯本 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | |
KBC | √ | √ | √ | √ | √ | ||
VMG | √ | √ | √ | √ | |||
剑维 | √ | √ | √ | √ | √ | ||
PYROTEC | √ | ||||||
霍尼韦尔 | √ | √ | √ | ||||
PSE | √ | √ | |||||
中国石油石化院、清华大学 | √ | ||||||
华东理工大学、根特大学 | √ | ||||||
华东理工大学 | √ | ||||||
杭州辛孚能源 | √ | √ | √ | √ |
表5 专用反应器模型软件及供应商(2)
产品、厂家 | 乙烯裂解 | 催化裂化 | 加氢裂化 | 加氢精制 | 延迟焦化 | 催化重整 | 聚合反应器 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
艾斯本 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | |
KBC | √ | √ | √ | √ | √ | ||
VMG | √ | √ | √ | √ | |||
剑维 | √ | √ | √ | √ | √ | ||
PYROTEC | √ | ||||||
霍尼韦尔 | √ | √ | √ | ||||
PSE | √ | √ | |||||
中国石油石化院、清华大学 | √ | ||||||
华东理工大学、根特大学 | √ | ||||||
华东理工大学 | √ | ||||||
杭州辛孚能源 | √ | √ | √ | √ |
类 别 | 软件名称 | 主要功能 | 国外 | 国产 |
---|---|---|---|---|
热交换器设计与评估 | Aspen EDR | 热交换器设计与评估套件 | 艾斯本 | |
HTRI Xchanger suite | 热交换器设计与评估套件 | HTRI | ||
UniSim Heat Exchanger | 热交换器设计与模拟 | 霍尼韦尔 | ||
HEXTRAN Heat Exchanger Design | 热交换器设计与模拟 | 剑维 |
表6 热交换器设计软件及供应商
类 别 | 软件名称 | 主要功能 | 国外 | 国产 |
---|---|---|---|---|
热交换器设计与评估 | Aspen EDR | 热交换器设计与评估套件 | 艾斯本 | |
HTRI Xchanger suite | 热交换器设计与评估套件 | HTRI | ||
UniSim Heat Exchanger | 热交换器设计与模拟 | 霍尼韦尔 | ||
HEXTRAN Heat Exchanger Design | 热交换器设计与模拟 | 剑维 |
传统流程模拟 | 数字孪生 | 以Petro-SIM为例 |
---|---|---|
对特定操作情况的精确表示 | 对资产在其整个运营范围内的准确表示 | 使用“操作校准”匹配单个操作数据点,使用“多数据集校准”匹配性能线或曲线与一系列数据(设计或操作数据),Petro-SIM为这两种模式提供了自动化环境 |
提供及时快照(Snapshot) | 捕获资产的完整历史和未来 | 按时间捕获每个模型参数和输出,然后在实际模拟中以交互方式探索这些参数和输出,以便进行商业智能分析。基于时间的Petro-SIM场景和多周期优化可用于对未来进行预测 |
建立在特定基础上解答问题 | 自动、规范的模型运行。内置于业务工作流 | KBC软件具有与实时数据的无缝连接,允许自动运行模型,将集成的输出直接提供给业务流程 |
由孤立组织临时拥有和使用 | 集中单一版本,供所有人共同使用,输出直接交付给业务;强大的治理系统 | 数字孪生形成一个集中校准的模型,驱动数字仪表板和其他系统。基于云的数字孪生可与第三方共享同一个模型,由多用户配置文件完全控制 |
创建新的或添加到非受控副本的特殊模拟 | 是在需要时创建特殊模拟的起点 | 生成了一个经过校准和验证的模拟库,可通过Petro-SIM explorer进行管理,并用于为其他案例研究和场景提供初始起点 |
取决于建模时所需的输出 | 与业务数据模型保持一致并推动其发展 | Petro-SIM可用于自动生成和更新PI-AF数据模型,然后使用这些模型对PI工具、SAP和数据湖中的数据进行上下文分析 |
表7 传统流程模拟与数字孪生对比
传统流程模拟 | 数字孪生 | 以Petro-SIM为例 |
---|---|---|
对特定操作情况的精确表示 | 对资产在其整个运营范围内的准确表示 | 使用“操作校准”匹配单个操作数据点,使用“多数据集校准”匹配性能线或曲线与一系列数据(设计或操作数据),Petro-SIM为这两种模式提供了自动化环境 |
提供及时快照(Snapshot) | 捕获资产的完整历史和未来 | 按时间捕获每个模型参数和输出,然后在实际模拟中以交互方式探索这些参数和输出,以便进行商业智能分析。基于时间的Petro-SIM场景和多周期优化可用于对未来进行预测 |
建立在特定基础上解答问题 | 自动、规范的模型运行。内置于业务工作流 | KBC软件具有与实时数据的无缝连接,允许自动运行模型,将集成的输出直接提供给业务流程 |
由孤立组织临时拥有和使用 | 集中单一版本,供所有人共同使用,输出直接交付给业务;强大的治理系统 | 数字孪生形成一个集中校准的模型,驱动数字仪表板和其他系统。基于云的数字孪生可与第三方共享同一个模型,由多用户配置文件完全控制 |
创建新的或添加到非受控副本的特殊模拟 | 是在需要时创建特殊模拟的起点 | 生成了一个经过校准和验证的模拟库,可通过Petro-SIM explorer进行管理,并用于为其他案例研究和场景提供初始起点 |
取决于建模时所需的输出 | 与业务数据模型保持一致并推动其发展 | Petro-SIM可用于自动生成和更新PI-AF数据模型,然后使用这些模型对PI工具、SAP和数据湖中的数据进行上下文分析 |
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