石油化工流程模拟软件现状与发展趋势

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0471

摘要/Abstract

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。

关键词: 石油化工, 流程模拟, 工业软件, 数字孪生, 软件成熟度

Abstract:

Process simulation software is the key R&D tool for petrochemical industry, and its application has been throughout the whole life cycle of process design, engineering, operation and optimization. At present, above 90% of commercial process simulation software used in China's petrochemical industry are foreign products, which are basically monopolized by foreign countries. From the perspective of commercial software, this paper reviews the early development of chemical process simulation technology and software, and analyzes the mergers and acquisitions cases of multinational process industry giants in recent years. Based on the investigation of petrochemical enterprises and software suppliers, the paper analyzes the domestic market application of process simulation software and the maturity of independent process simulation software, and expounds five major technology development trends of process simulation software: CAPE-OPEN software interface specification, modeling based on molecular characterization and reaction kinetics, data-driven and process mechanism joint modeling, vertical integration, horizontal integration and end-to-end integration, and digital twin applications. The petrochemical industry demand, market scale and scientific research foundation are favorable conditions for the development of independent process simulation software. However, it is particularly critical to build an industrial ecological chain of government, university, research institute and enterprise, and form a product-oriented and market-oriented healthy software development environment.

Key words: petrochemical industry, process simulation, industry software, digital twin, software maturity

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.

图/表 16

参考文献 26

1	王子宗, 王基铭, 高立兵. 石化工业软件分类及自主工业软件成熟度分析[J]. 化工进展, 2021, 40(4): 1827-1836.
	WANG Zizong, WANG Jiming, GAO Libing. Classification and maturity analysis on petrochemical industrial software[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2021, 40(4): 1827-1836.
2	邱彤，戴一阳，赵永臣. 化工过程模拟：理论与实践[M]. 北京：化学工业出版社, 2019: 3-31.
	Tong QIQ, DAI Yiyang, ZHAO Yongchen. Chemical process simulation: Theory and practice[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2019: 3-31.
3	顾松园，周昌. 石油化工流程模拟技术应用及案例[M]. 北京：中国石化出版社, 2020: 1-17.
	GU Songyuan, ZHOU Chang. Application and cases of petrochemical process simulation technology[M]. Beijing: China Petrochemical Press, 2020: 1-17.
4	刘宽，王铁刚，曹祖宾，等. 化工流程模拟软件的介绍与对比[J]. 当代化工, 2013, 42(11): 1550-1553.
	LIU Kuan, WANG Tiegang, CAO Zubing，et al. Introduction and comparison of chemical process simulation software [J]. Contemporary Chemical Industry, 2013, 42(11): 1550-1553.
5	李睿，胡翔. 化工流程模拟技术研究进展[J]. 化工进展，2014, 33(S1): 27-31.
	LI Rui, HU Xiang. Research progress of chemical process simulation technology[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2014,33(S1): 27-31.
6	李洪涛，何英华，朱丽娜，等. 常用化工流程模拟软件发展概述[J]. 化工技术与开发, 2015, 44(1): 29-31.
	LI Hongshou, HE Yinghua, ZHU Lina, et al. Development overview on common chemical process simulation software[J]. Technology & Development of Chemical Industry, 2015, 44(1): 29-31.
7	高立兵，索寒生，吕中原. 石化资产维护策略应用及发展趋势探讨[J]. 石油化工自动化, 2021, 57(3): 80-84.
	GAO Libing, SUO Hansheng, Zhongyuan LYU. Discussion on the development tread of petrochemical assets maintenance strategy[J]. Automation in Petro-Chemical Industry, 2021, 57(3): 80-84.
8	王小强，田亮，程中克，等. 乙烯裂解炉模拟优化软件现状及其应用[J]. 石油与天然气化工, 2019, 48(6): 44-48.
	WANG Xiaoqiang, TIAN Liang, CHENG Zhongke, et al. Present situation and application of simulation and optimization software for ethylene cracking furnace[J]. Chemical Engineering of Oil &Gas, 2019,48(6): 44-48.
9	周新明, 孙晓岩, 王建平, 等. 基于CAPE-OPEN标准的倾析器模块开发[J]. 当代化工, 2018, 47(12): 2644-2648, 2668.
	ZHOU Xinming, SUN Xiaoyan, WANG Jianping, et al. Development of decanter unit module based on CAPE-OPEN standard[J]. Contemporary Chemical Industry, 2018, 47(12): 2644-2648, 2668.
10	刘博谦, 宋泓阳, 陈玉石, 等. 基于CAPE-OPEN标准的反应组件开发[J]. 计算机与应用化学, 2017, 34(3): 222-226.
	LIU Boqian, SONG Hongyang, CHEN Yushi, et al. The development of reaction component based on the CAPE-OPEN standard[J]. Computers and Applied Chemistry, 2017, 34(3): 222-226.
11	史权, 张霖宙, 赵锁奇, 等. 炼化分子管理技术: 概念与理论基础[J]. 石油科学通报, 2016, 1(2): 270-278.
	SHI Quan, ZHANG Linzhou, ZHAO Suoqi, et al. Molecular management for petroleum refining: concepts and fundamentals[J]. Petroleum Science Bulletin, 2016, 1(2): 270-278.
12	张霖宙, 陈政宇, 吕文进, 等. 石油加工分子管理平台构建[J]. 中国科学: 化学, 2018, 48(4): 411-426.
	ZHANG Linzhou, CHEN Zhengyu, Wenjin LYU, et al. Development of petroleum refining molecular management modeling platform[J]. Scientia Sinica (Chimica), 2018, 48(4): 411-426.
13	田松柏, 龙军, 李长秀, 等. 石油轻馏分的分子水平表征技术研究进展[J]. 石油学报(石油加工), 2017, 33(4): 595-604.
	TIAN Songbai, LONG Jun, LI Changxiu, et al. Research advance on analytical techniques of the petroleum light fractions at the molecular level[J]. Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 2017, 33(4): 595-604.
14	张海桐, 王广炜, 薛炳刚. 对分子炼油技术的认识和实践[J]. 化学工业, 2016, 34(4): 16-23.
	ZHANG Haitong, WANG Guangwei, XUE Binggang. Understanding and practice of molecular oil refining technology[J]. Chemical Industry, 2016, 34(4): 16-23.
15	吴青. 石油分子工程及其管理的研究与应用(Ⅱ)[J]. 炼油技术与工程, 2017, 47(2): 1-14.
	WU Qing. Research on molecular engineering & molecular management for petroleum and its applications (Part Ⅱ)[J]. Petroleum Refinery Engineering, 2017, 47(2): 1-14.
16	刘东阳, 白宇恩, 张霖宙, 等. 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[J]. 化工进展, 2021, 40(4): 2082-2091.
	LIU Dongyang, BAI Yu’en, ZHANG Linzhou, et al. Application advances of molecular level reaction kinetic modeling for catalytic cracking/pyrolysis process[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2021, 40(4): 2082-2091.
17	屈绍广, 王昶昊, 施云海, 等. 基团贡献状态方程的开发与热力学模型参数的理论预测[J]. 化工学报, 2020, 71(1): 200-208.
	QU Shaoguang, WANG Changhao, SHI Yunhai, et al Development of group-contribution equation of state and theoretical prediction of thermodynamic model parameters[J]. CIESC Journal, 2020, 71(1): 200-208.
18	钱锋, 杜文莉, 钟伟民, 等. 石油和化工行业智能优化制造若干问题及挑战[J]. 自动化学报, 2017, 43(6): 893-901.
	QIAN Feng, DU Wenli, ZHONG Weimin, et al. Problems and challenges of smart optimization manufacturing in petrochemical industries[J]. Acta Automatica Sinica, 2017, 43(6): 893-901.
19	覃伟中，谢道雄，赵劲松. 石油化工智能制造[M]. 北京: 化学工业出版社, 2018: 66-86.
	QING Weizhong, XIE Daoxiong, ZHAO Jingsong. Intelligent manufacturing in petrochemical industry [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2018: 66-86.
20	张梦轩, 刘洪辰, 王敏, 等. 化工过程的智能混合建模方法及应用[J]. 化工进展, 2021, 40(4): 1765-1776.
	ZHANG Mengxuan, LIU Hongchen, WANG Min, et al. Intelligence hybrid modeling method and applications in chemical process[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2021, 40(4): 1765-1776.
21	高立兵，索寒生. 工业软件的发展推进石化工程设计数字化转型探析[J]. 石油化工设计, 2021, 38(2): 1-7.
	GAO Libing, SUO Hansheng. The development of industrial software promote the digital transformation of petrochemical engineering design[J]. Petrochemical Design, 2021, 38(2): 1-7.
22	Digital twins for industrial applications：Definition, business values, design aspects, standards and use cases[W]. IIC White Paper. .
23	陶飞, 刘蔚然, 刘检华, 等．数字孪生及其应用探索[J]．计算机集成制造系统, 2018, 24(1): 1-18.
	TAO Fei, LIU Weiran, LIU Jianhua, et al. Digital twin and its potential application exploration[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2018, 24(1): 1-18.
24	陶飞, 张贺，戚庆林, 等. 数字孪生十问: 分析与思考[J]. 计算机集成制造系统， 2020, 26（1）: 1-17.
	TAO Fei, ZHANG He, QI Qinglin, et al. Ten questions towards digital twin: analysis and thinking[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2020, 26(1): 1-17.
25	高立兵, 蒋白桦, 索寒生. 石化行业智能制造体系建设初探[J]. 当代石油石化, 2021, 29(2): 46-50.
	GAO Libing, JIANG Baihua, SUO Hansheng. Research on intelligent manufacturing system of petrochemical industry[J]. Petroleum & Petrochemical Today, 2021, 29(2): 46-50.
26	王建平, 王乐. 芳烃联合装置模拟与优化(Ⅳ): 芳烃吸附分离单元的模拟与优化[J]. 中外能源, 2014, 19(1): 80-83.
	WANG Jianping, WANG Le. Simulation and optimization for aromatics complex plants(Ⅳ): simulation and optimization for arene adsorption separating unit[J]. Sino-Global Energy, 2014, 19(1): 80-83.

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

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

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