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主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

数字孪生体在油气行业的应用及发展趋势

2021-02-23   作者:胡权

  数字孪生体(Digital Twin)是物理世界和数字空间交互的概念体系,它既是一种新技术,也是一种新范式。自2009 年正式诞生以来,经过十年时间的发展,数字孪生体已经演化为一个新产业。作为一种通用目的技术,数字孪生体除了在制造业不断深化发展,还在智慧城市、能源工业、医疗健康和国防工业等领域得到应用。

  

  石油和天然气(简称“油气”)是典型的过程行业,具有资产密集的特点,因此,资产的监测和可视化需求和要求都比较高。相关统计数据显示,油气和化工产业每年花费10亿美元在仿真和优化软件上,它较早采用了数字模型监测的方法。随着以几何模型为基础的数字孪生体技术的普及和应用,它得到了油气行业的青睐,迅速被引入到各个应用场景中,包括管网规划和建设、油气勘探、石化冶炼等,获得了引人瞩目的效果,反过来进一步加快了数字孪生体在油气行业的普及。

  

  2020年7月25日,在由中国工业互联网研究院主办、数字孪生体联盟承办的“数字孪生体的中国实践”研讨会上,来自中国石油管道公司科技研究中心的专家薛向东分享了《油气管道的数字孪生体规划及设计》。

  

  中国石油管道公司科技研究中心针对数字孪生体的应用,提出了“数字孪生体是国家管网智能化转型的新抓手”。为了实现这个目标,项目团队相继完成了《管道数字孪生体构建技术研究》《管道数字孪生体全生命周期运行管理技术研究》和《管道数字孪生体应用技术研究》等课题,有效支撑了管道数字孪生体战略的实现。

  

  利用数字孪生体技术,针对线路、流体、站场和环境四个部分,在数字孪生体平台上进行数据分析和模拟,将结果推送给各个应用场景,从而通过数字孪生体平台提供了统一数据(包括模型、知识和结果)的共享,达到场景关联的目的。例如,天然气长输管道数字孪生化,可以及时发现相关泄露行为,能够提供泄露后果分析、应急决策等建议,实现其应有的效果。

  

  薛向东表示,数字孪生体对提高油气行业的管理水平具有重要意义,可以促进油气管道管理模式由精细化向精准化、智能化方向转变。由于数字孪生体产业链还不完整,数据积累、模型积累和软件开发等方面还有不少短板,数字孪生体的建设不可能一蹴而就,还需要探索新的发展模式。

  

  对于油气行业的数字孪生体应用,不少学者和咨询公司对此非常关注。IEEE 2020年刊登了一篇长达23页关于油气数字孪生体的文章,对数字孪生体研究趋势、机遇和挑战做了详细分析;波士顿咨询公司不少高价值的客户均来自油气领域,2020年,它发布了《油气数字孪生体创造价值之道》一文,强调了数字孪生体平台的价值,其中对英国石油推进数字孪生体战略的情况做了分析。

  

  油气行业对资产价值的重视程度非常高,通过数字孪生化手段,能够提高资产生产率、可靠性和性能。利用数字孪生体带来的虚拟特性,可以让工程师远程对钻孔和提炼等进行分析,提前对即将实施的工程进行判定。更重要的是,数字孪生体能提前发现设备故障或性能劣化,从而让工程师对故障的反应和响应转为主动,避免更大的损失发生。

  

  据油气行业专家估计,一般冶炼厂采用1000个数字孪生模型,这些模型包括流程、资产、控制和优化等,利用大数据分析手段,能够实现特种化学品调度、消除瓶颈、降低生产风险和减少排放等效果。如果进一步采用深度学习等人工智能技术,则可以加强数据自动化水平,提高油气企业从数字孪生体获得的商业价值。

  

  一家美国炼油企业在数字孪生体平台上引入深度学习,不仅增加了炼油厂的正常运行时间和利润,还大幅节省了成本;阿布扎比国家石油公司建立了数字孪生资产体系,仅仅凭借初级数字孪生化,就大大降低了运行的复杂度;阿尔伯塔油田的服务供应商使用数字孪生体平台,有效控制了合规成本,降低了违规罚金额度;迈图化工则借助数字孪生体技术,建立了数字孪生供应链,提高了订单履行的成功率,优化了资金运转的效率;巴拉特石油公司利用数字孪生体平台对硫回收进行分析和优化,据称在6个月内减少了90%的硫排放,出售回收的硫也产生了较可观的经济效益。

  

  英国石油高级数字副总裁艾哈迈德·哈希米(AhmedHashmi)对数字孪生体做过合理的评价,“一旦我们的石油工程师相信物理资产的数字孪生化效果,使用数字孪生体来计划和管理资产,以保证尽可能高效的运行……这一切都可以在办公室进行安全的操作,这尤其重要,因为很多石油设备经常被雪覆盖。”

  

  在英国石油的官方网站上有一篇名为《在石油行业创造数字思路》(Creating a digital mindset in theoil industry)的文章,强调要全面采纳数字孪生体等新一代数字技术,成为行业数字孪生体应用的领头羊。无论是在新的油田或运行已有的油气生产平台,英国石油都要求全面建立数字孪生基础设施。

  

  为了提高核心竞争力,英国石油2014年就启动了数字化转型战略。当时其主要工作是建立数据湖(DataLake),以便实现大数据分析。到2016年,英国开始部署传感器,以便采集实时的数据,当时部署了1.7万个传感标签,不过后来发现应用效果不太好。经过分析,英国石油发现缺少数字孪生体平台是根本原因,因为要平衡数据分享和安全的要求,没有技术平台的支撑是不可能的。

  

  对于衡量数字孪生体项目部署成功的标准,英国石油提出了三项指标。

  

  (1)业务提升。包括工厂的可用性和可靠性,以及生产能力的提升。建立绩效的基准非常重要,通过项目实施后的测量,可以做出评价。

  

  (2)开发和部署的速度。利用定量指标去评价。

  

  (3)最终用户的反馈。包括定性和定量的评价,可以通过在线问卷或常态参与讨论的方式来获得反馈。

  

  对比数字孪生体项目实施前后的效果,以往通常需要4~6周才能完成的任务,现在有了数字孪生体平台,可以在3天时间内完成。这样的结果大大提振了管理层的信心,英国石油要求全面推进数字孪生体战略,力求成为全球第一个建立全面数字孪生体的石油企业。

  

  英国石油对探索数字孪生体应用做了总结,它提出:

  

  (1)虽然没有必要改变核心信息系统,但如果考虑未来需要,还是要建立现代架构的数字孪生基础设施;

  

  (2)数据湖是开始而不是结果,它自身不能解决任何问题;

  

  (3)应该建立设备级的数字孪生体,而不是针对每个应用建立一个案例;

  

  (4)鼓励数据拥有者创建和维护数字孪生模型,以释放数据的价值;

  

  (5)应该尽量从新的供应商学习数字孪生体技术,不能只依赖传统的合作方。

  

  参考文献:《数字孪生体:第四次工业革命的通用目的技术》


拓展阅读:

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  责任编辑:宫在芹

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