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林雪萍锁住石化咽喉的工业软件是嘛

发布时间:2021-07-11 09:49:38 阅读: 来源:指纹锁厂家

林雪萍:锁住石化咽喉的工业软件

要说绊马索的功效,可谓世界上性价比最高的工具。无论价值连城的汗血宝马,还是彪悍骑兵,在绊马索面前,似乎都不堪一击。简单小物,可以将巨大力量,放倒在地。这种威力极不对称的悬殊对比,总令人感到惊诧。西方如大卫挑战歌利亚巨人,东方如孙悟空横捣天宫秩序,都在描述着这种不对称的神话。

在中国,对于每年产值高达15万亿的石油化工行业的庞然大物,如果说有忌惮之物,那么流程模拟软件就完全可以成为这样的绊马索。

石油化工行业的工厂,到处充满各种化学反应,要搞清楚那些高大威武的容器里面,到底进行了何种神秘的聚会非常困难。这些反应容器,就是一个个巨大的黑箱子,只有谜面没有谜底。而化工流程模拟软件是少见的一扇能够洞察神秘的窗户。在这个领域,国外形成了高度的垄断。

石油化工行业涉及到的软件很多,从工程设计、计划调度,到工厂运行、资产管理,覆盖整个价值链条。在这些软件中,作为应用型软件,如先进过程控制,中国已经取得了一些进展,如中控技术就跟美国Aspentech的DMC3进行对标。但流程模拟软件,情况完全不同。它主要是用于描述工艺过程的机理,最关键、也最难。这一方面,美国Aspentech已经形成霸主地位,而且在国内是毫无对手。

流程模拟作为一种基础性软件,涉及多门学科。它以工艺过程的机理模型为基础,采用数学方法来描述化工过程,进行过程物料衡算、热量衡算等计算分析。它跟仿真软件CAE有所不同。仿真软件CAE只能进行工程分析,能发现问题,但不能解决问题,类似医学检查的核磁或动脉造影。而流程模拟软件,则可以进行稳态和动态模拟分析等,一定程度上可以给出解决方案。它能根据装置尺寸、原料产品性质、工艺条件等进行模型校准,以便更准确地表征某个单元操作或加工流程,支持后续的分析工作。

工艺流程模拟软件,其中Aspen、PRO/II, HYSYS为国内绝大多数设计院所使用。Aspen适应范围最广,其中电解质、固体等模块是其它软件难以比拟的;PRO/II在石化上应用较多;而HYSYS则在炼油工程领域有着较高的精度和准确性。

表1 流程模拟主要软件一览表

(整理by 南山林雪萍)

产学研的优等生

Aspen最早源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院(MIT)组织的大会战,旨在开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为 过程工程的先进系统 (Advanced System for Process Engineering,简称ASPEN),并于1981年完成。项目到此结束。值得注意的是,该软件Aspen并没有国家知识产权,因为这是能源部的投资。而根据美国很早出台的知识产权法《拜杜法案》的规定,国家投资科研项目,所产生的知识产权,可以完全托付给实施方的大学。随后,为了更好的商业化,在1982年,科研项目负责人就以这样的软件为基础,成立了AspenTech公司,并开发了Aspen Plus的软件,以跟原有软件名称相区分。

作为大型通用流程模拟系统,Aspen Plus是全球各大化工、石化、炼油等过程工业的常用软件。它具有非常完备的物性系统,基于状态方程和活度系数方法的物性模型,例如20多种状态方程模型有15种活度系数模型,有10多种摩尔体积模型等。这种软件,本身就是无数本深度教科书。化学大典里的每一页纸,在这里都会化作代码。

最重要的是,Aspen Plus数据库,包括了5000多种纯组分的物性数据。它的物性数据库中,有近2000种化合物的物性数据,是来自美国化工协会AIChE开发的DIPPR物性数据库。Aspen是唯一获准与德国化学协会DECHEMA的数据库接口软件,从而拥有了最完备的气液平衡及液液平衡数据,共计二十五万多套数据。而这种合作,也跨越了国界。

尝百草而成神农,Aspen Plus也是吃百家饭、学百家拳而长成一身本领。更重要的是,它是一个连续并购的狂人。可以说,对于许多工业软件品牌而言,Aspentech就是一个连环杀手。它一路行走至今,就像是一只贪吃蛇,吃掉了太多的石化行业的工业软件。而最新在物联时代的举动,则是在2019年收购了德国Mnubo公司。在石化行业,到处了充满自动化巨头,软件、硬件结合非常明显。强敌环伺之下,Aspentech要在流程模拟行业站住脚,需要拼命扩大软件地盘。并购是它最重要的防身之策略吧。

图1 流程行业软件并购图

(整理by 南山林雪萍)

中国对于Aspen的软件崛起,也功不可没。2002年前后是它最煎熬的时候,国外都在谈论它的并购,当时可能的买家包括西门子、ABB、霍尼韦尔。如果没有中石化、中石油等大量软件采购,Aspen这样的软件其实很难生存。在它进入中国的早期,更是有大量浙大化工系的学生对软件进行了丰富和性能提升,均导致了在中国流程模拟软件基本都是Aspen的天下。

VMG:曲线突破

VMGSim软件是一家加拿大公司开发的热力学物性软件包,物性数据库也包括超过5600个纯组分,10万个二元交互作用参数。这些惊人的数字,都不过是验证了这类软件的最大壁垒,其实并不是化学基础理论的突破,也不是软件技术性能的卓越,而是以细致全面专业而胜出。这些软件的伟大之处,正是建立在一细致解决工业模型的功能之上。本类软件不同于传统软件,其关键之处并不在于软件多么精巧或者功能繁多,而是在于覆盖全面、细致入微、稳定可靠,能够精准对工艺特点进行模拟与预测。开发工业软件需要参与者既对工艺有深入了解与认识,又懂计算机编程,能够准确把握相关软件的特点。因此,开发工业软件的天然壁垒比较高,一方面是对相关人员的综合技术要求比较高,另一方面是对相关工艺技术积累有较高的要求。

看上去也是流程模拟软件,但是VMGSim还是避开了AspenTech的正面阵地。VMG先避开Aspen的强项,催化裂化FCC等先不做。而是先从细分领域、从专有过程做起,比如二氧化碳处理、脱硫磺过程等。

这家公司跟同处在一个城市的卡尔加里大学重油实验室,有着长期的合作协议,前者甚至在大学里直接租借1层楼,共同研发。除此之外,该公司每年投入几十万美金扶持大学实验室。这里的重油实验室做全世界油品的特性分析,最擅长化学关系式的表达,表征能力很强。另外,VMG还覆盖了世界各地的脱硫协会提供的各种实验数据。

这种错位竞争,使得VMG异军突起,硬是从AspenTech的野心版图中圈定了自己的地盘。目前国内企业做硫磺回收,基本都会用VMG,因为环保很重要。VMG早在2004年前就可以计算硫磺回收装置,而AspenTech直到2014年通过收购,才算补齐了这个短板。

这样定位清晰的一个流程模拟软件,2018年还是卖给了石油服务巨头美国斯伦贝谢公司,被集成到了一个基于云的数字化协作平台上去。国外大公司的数字化平台之下,都是有着厚重的工业软件打底。中国也曾经有机会,参与这样的并购。可惜,国内一向重视硬件的投入,对软件的重要性认识不足,很多时候并不会把软件当作重要的资产来对待。

图2 斯伦贝谢的勘探数字化平台

英国KBC被日本反转美国

KBC最早是一家英国技术咨询公司,面向全球油气、炼油和化工领域,既为石油和天然气的上游(勘探和生产),也为下游(炼油)行业提供从市场分析、项目可行性研究,到工厂运行效率优化和企业效益优化等技术咨询的公司。

不出意外,这一类技术咨询公司一开始就有着很强的软件意识。流程模拟软件是技术咨询过程中的必备分析工具,也是用户持续进行优化增效工作的支撑。从八十年代初开发自有工艺装置模拟、炼厂全流程模拟开始,KBC公司不断增强其在流程模拟软件上的投入。1998年KBC收购了一家美国炼油模拟公司,进一步增强其在装置反应机理模型上的领先地位。2001年KBC公司与加拿大的Hysys合作,联合推出基于流程图建模方式的炼厂全流程模拟软件。基于这个结果,在2004年推出Petro-SIM流程模拟软件,该软件基于炼油化工基本原理,以严格的反应动力学与热力学理论为基础,包含独特的烃组分表征技术和炼油装置反应机理模型,形成了基于严格机理的炼油厂全流程模拟软件。这在全球也是第一家。

随着全球各个行业的整合,单打独斗的技术咨询公司,都会感受到被并购的压力。2016年1月12日,AspenTech宣布收购KBC。令人大跌眼镜的是,这笔看上去很合理的买卖,却被野心勃勃的横河电机,横刀夺爱。在第二年,正式推出知识专家系统KBC Co-Pilot计划,正如飞机副驾驶利用额外知识协助正驾驶, KBC Co-Pilot利用专业知识和见解为工厂提供支持。这些解决方案可以用于炼油装置的远程效能监控。横河电机已经不满足于硬件控制系统的领导地位了,大力发展软件成为它决意推动工业智能的尖刀战略。

硬件的影子

流程行业的工业软件,跟离散制造行业的机械CAD软件一样,都精准地反映了计算机硬件的变化。作为最早推出通用化工稳态流程模拟软件的公司,Simsci可以看成是一个硬件与软件技术同步进化的刻度尺。它精确地反应了硬件的变化。早在1967年,SimSci 公司开发出了世界上第一个炼油蒸馏模拟器。那个时候,软件是硬件微不足道的附属。商业性也不明显。而在六年之后,SimSci又推出了基于流程图的模拟器,图形时代正在计算机上开始崭露头角。它被用于烃类加工工业的设计,显示了商业上潜在价值。而又过了六年,基于PC 机的流程模拟软件Process正式推出。这就是PRO/II的前身。又有仿真模拟功能的完善,它成为该领域的行业基准。可以说,相对于机械制造而言,流程行业无论是在自动化,还是在软件模拟仿真方面,都远远走在了前面。

而大放异彩的Hyprotech也正是得益于计算机的发展。Hyprotech在1980年,推出了小型机的系统,而在1984年紧紧跟随IBM PC的发布,推出PC的版本。

1995年微软的Win95发布,对工业软件而言,是一个石破天惊的里程碑。由于微机的高速发展及Windows软件的推出,改变了DOS对微机资源及单任务的限制,使得动态模拟系统在微机上运行成为可能。Hyprotech抓住了这个机会,率先开发出微机版动态模拟系统HYSYS1.0,一举夺魁,成为石油化工领域划时代的里程碑。这是历史上第一家由稳态模拟转向动态模拟的公司。

同样听到了那块激起巨浪的石头的声音,还有来自机械制造领域的CAD软件。在美国,江湖地位基本已经确立了的三维设计软件,走来了新锐的力量。无论是AutoCAD,还是Solidworks,以及独家建模技术的PTC,都依靠PC机的发展而异军突起。而那些绑定Unix系统、工作站、小型机的老牌CAD软件,如响当当的CV公司等,最后基本都是全军覆没。

计算机硬件的变化,犹如陨石撞击地球,抹掉了很多恐龙,也带来了很多新生的物种。

大学的痕迹

工业软件的早期发展都充满了校园的影子,流程行业也不例外。工业软件产值很小,即使像流程模拟软件,在中国每年也不过十亿人民币的规模。而Aspen都发展了四十年,才走对与国内实验机厂家来讲到了今天,也不过是一年几个亿的规模。这就决定了,它一开始的产生,很难靠市场投入来实现第一桶金。星星之火,往往会来自大学。

Hyprotech公司的创始人之一就是加拿大卡尔加里大学化工系的教授。

gPROMS流程模拟软件是PSE公司开发的通用工艺过程模拟系统,可以采取直接浇口或大截面浇口可减少收缩工艺过程建模、模拟和优化。而PSE公司源自英国帝国大学的团队。

美国的GT-PRO是一类专门进行电厂热平衡类计算的专业软件。软件产品包括燃汽轮机系列和火力发电系列产品。它可以有效地兼容GE、ABB、Alstom等公司的燃机模型库。这家公司也是脱胎于从美国麻省理工学院,跟AspenTech公司的诞生几乎是完全重现剧本。这自然给人一种印象,大学能够成为工业软件最重要的摇篮。当然,它背后的一套转化机制更为关键。

中国的流程模拟软件落在了青岛化工学院(现在已经更名为青岛科技大学)的身上。1987年,就已经开发了可以在微机运行的通用流程模拟软件ECSS( Engineering Chemistry Simulation System)。这个软件采用当时最常见的序贯模块法,是中国自行开发的第一代流程模拟软件的代表。可惜的是,跟其它高校所有的软件特点都一样:技术不错,但用户体验很差。而加拿大Hysys的软件设计,一开始就充满了极简主义,要让工程师易学易懂,在使用过程中能随心所欲地设置。这种软件,一旦在用户落地,就会自动扎根盘踞。用户软件替换非常难的。而缺乏用户知识的回馈和打磨,这让ECSS也是举步维艰。甚至都很难说,这是一款商业化软件。三十多年来,这款软件至今犹存,留下了中国流程工业软件的所有回忆。

如何开启未来,还得需要仔细斟酌,选择合适的突破战略。

美国政府如何扶持软件

从流程行业的工业软件发展,可以清晰地看出美国政府对于工业软件的扶持和监管思路,可以说是简洁明了、驾轻就熟。归结为两点:一个是大力扶持基础研究;二是坚决避免垄断。

Aspen软件可以看成是美国工业软件三部曲的完美诠释。第一曲:政府资助,企业协助。Aspen软件,是由美国能源部的500万美元的项目委托开始。在政府投入的带动下,第一批企业既是金主,也是用户。第二曲:产权转让。项目结束后,国家毫不留恋地抽身而退,产权完全留给学校和教授。而教授担负起了企业家的角色,大踏步实现从实验室软件向商业化软件的迈进。第三曲:社会资金依次跟上。在风险投资的帮助下,Aspen软件很快就得以上市。从上市的10美元,到一年后到每股80美元。上市成功,极大地拓展了这类工业软件本来狭窄的生存空间。而有钱之后,后续一系列的并购,大大巩固了先行者的江山。工业软件,既是用钱堆出来的,也是用户用出来的。每一个阶段,都无法离开精心设计的资金支撑和用户支持。

然而,做大做强的工业软件商,如果走到了接近该项目将包括在全球各地的乐高工厂新增卫星功能市场垄断的地位,美国政府也会坚决出手,制止垄断发生。在2002年以前,市面上的流程模拟软件主要是Aspen、加拿大Hyprotech的Hysys和美国Simsci的ProII。三国鼎立的局面,初步形成。

然而,野心膨胀的Aspentech则另有所思。尽管在静态模拟方面一枝独秀,但在动态模拟方面,却是落后于加拿大的Hyprotech公司。而且在当时,随着分布式控制系统DCS在流程行业的崛起,一种全新的操作员训练软件OTS(Operator Training System)也广受化工用户青睐。而在90年代,Hyprotech 公司和美国的ABB Simcon 公司一起成为世界上最有名的OTS供应商。两个公司几乎瓜分了世界上仿真培训业务70%市场份额。上述两个原因使得Aspen决定吃掉Hyprotech公司。Hysys也因此成为了Aspentech公司旗下的软件。

三家变成两家,三国均衡的局面被打破,Aspen形成事实上的垄断。这立刻就引起了美国政府的注意。为了防止垄断所造成的创新阻断,美国政府开始进行干涉。两年后,美国联邦贸易委员会裁定垄断成立, Aspentech不得不将Hyprotech和Hysys的源代码对外出售。

此时,镜头切换到了流程行业自动化控制系统的主角之一,霍尼韦尔。它在DCS控制系统已经占有不可动摇的统治地位,然而对于流程模拟与优化,却是攻门乏术。对于美国的裁决,霍尼韦尔可以说是喜出望外,购买了Hysys的源代码,并在此基础上,开发出全新的一款流程模拟软件:Unisim。这使得它不仅在流程模拟领域,而且在培训软件仿真也收获颇丰。

三国之战的另外一家,Simsci则相对较弱,应该是三国演义中早期蜀国的样子。在2002年前后,Simsci 被英维思收购,后者则在2014年成为施耐德的囊中之物。目前Pro/II已经被整合到施耐德旗下的AVEVA中。依然是三分天下,只是换了一种方式。而相对均衡的竞争局面依然存在。这也是美国监管部门想要的结果。

小记

在中国,工业软件的起步向来都不晚。每一个领域都是如此。无论是流程模拟软件,还是在计算机辅助设计软件CAD、计算机辅助工程软件CAE,以及电子设计自动化软件EDA,中国的大学院所的学者们,几乎与美国、法国等同时看到了东方划破黑暗的那道明亮的天际线。在当时,软件也不是什么保密的贵重物品。例如,美国加州伯克利分校的许多软件的源代码,无论是CAE,还是EDA,都曾作为学术交流的礼物,赠送给了北大、北航等学校的教授们。而中国还真是推出了很多可以应用的工业软件。上个世纪八十年代,是中国工业软件最好的时光。可惜,正如中老年人在回忆美好韶华所经常会说起的工作时那样, 那个时候,我们不懂爱情 。彼时,对于工业软件的价值真的不懂。

流程模拟软件,是无数卡住中国制造业喉咙的工业软件之一。群情激昂,到处充满了突破的雄心。然而工业软件的发展,向来不是五十米冲刺,一时半刻的慷慨投入,并无法保证软件的成功。而在石化行业,由于涉及到大量的物性参数和经验常识,这是后来追赶者所需要解决的重大问题。国外的流程模拟软件,背后有着很多化工协会、工程公司等提供大量的化学参数库。而广泛且深入的并购,让跨国化工行业的知识在软件编码层面得到了极大的融合。全世界的精英悄无声息地浸润在软件之中。

这意味着,单独靠软件开发商,是不可能完成一个完整的软件开发。没有大学院所,没有石化领导层的决策,没有用户工程师的配合,这种软件没有成功的可能。正如我们在各个领域所能看到的一样,工业软件的发展,需要用一场马拉松的叙事方式。唯有时间的长镜头,唯有合作的广角度,工业软件这种体量微小的杠杆支点,才能破壁而出。

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