氯碱行业数字化转型的前世今生

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  中国氯碱工业始于上世纪20年代末。1929年,爱国实业家吴蕴初先生在上海建立了天原电化厂,从此揭开了我国氯碱工业发展的序幕。到新中国建立前,我国共有10个氯碱厂(点)。

  经过90余年的发展,我国氯碱行业不断发展壮大。据中国氯碱工业协会统计,截至2020年底我国烧碱生产企业共158家,总产能已达4470万吨;聚氯乙烯(PVC)生产企业共70家,总产能达2664万吨。行业两个主要产品产能占世界总产能均达到45%。

  在此“双碳”目标下,能源改革成为重点之一。氯碱行业作为高能耗行业,将会出现产能结构的重新布局,各氯碱企业都在尽力争取在预定时间点之前完成“双碳”任务。

  在碳中和背景之下的供给侧结构性改革会为氯碱行业内的龙头企业带来发展机遇,低效和产能落后的“玩家”或由于政策压力而淘汰出局。

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  传统氯碱产业链上氯元素是由电解盐水得到的Cl2来提供,主要厂商有:新疆中泰、新疆天业、陕西北元、天津大沽、内蒙君正、宜宾天原、鸿达兴业、甘肃金川、上海氯碱等。

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  在“双碳”目标要求下,新能源行业迎来更多的发展机遇。而其中太阳能的转化利用离不开多晶硅生产的太阳能电池板。多晶硅第一梯队厂商是:保利协鑫、通威股份、新特能源、大全新能源和东方希望。

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  TDI、MDI等是新材料聚氨酯的主要原料,Cl2又是MDI、TDI的生产原料之一。目前万华化学的MDI产量为世界第一,万华化学收购的东南电化和万华化学(宁波)氯碱有限公司的电解得到的Cl2用于MDI和TDI的生产。

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  电解生成的烧碱(氢氧化钠)下游应用涵盖氧化铝、造纸、纺织、水处理等,其中氧化铝需求最大,消费占比维持在30%左右。

  氯碱行业数字化转型之见解

  氯碱行业发展至今已经成为技术成熟、产销较为稳定、市场逐渐饱和的行业。龙头企业如何能在激烈的市场竞争中继续保持优势,新晋玩家如何逆流而上,笔者觉得应该从两方面着眼:

  01 充分发挥氯元素在新能源领域和新材料领域的作用,开拓更加广阔的下游应用,此为开源。

  02 在产能无法继续扩充的情况下,通过上线先进的数字化技术,实现企业生产的节能降耗,此为节流。

  不过无论开源亦或是节流,在如今数字化浪潮之下都需要具有“数字化的思维”来发现问题和解决问题,这样才能做到“步步为营,决胜千里”,实现生产运营的精智绩效

  在数字化浪潮中尤以“数字孪生”的概念热度最高。如何利用数字孪生来指导氯碱行业的发展,首先就要深究数字孪生的内涵。笔者认为无外乎两种类型的数字孪生。

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  图片源于网络

  01 其一:为形。数字化工厂在外形上须与真实的物理工厂保持一致,大到精制氯乙烯单体所用精馏塔、换热器等大型设备,小到螺丝钉都可以做到1:1还原外形和尺寸。

  02 其二:为神。数字化工厂神韵体现在能优化实际生产并具有一定的预测性,具体包含两点:

  ■1:实时在线优化,基于“第一性原理”,对生产工艺精确模拟,凝结核心工艺,实现模拟计算值与实际生产数据保持统一,从而优化生产操作。

  ■2:设备预测分析,基于大数据分析技术,对核心设备,比如重型空压机的历史数据进行回测分析,建立设备的机器学习模型,来预测设备未来状况。

  从资产生命周期角度对于氯碱行业进行分析,“形”一般出现在工程阶段,“神”一般都是在生产运营阶段。在这两个阶段之间分别对于资产和人员都需要有一处衔接来实现工程阶段向运营阶段的平稳过渡。

  对氯碱行业的资产来说:工程阶段得到的各类交付物,比如模型、图纸、表单等需要完整全面,保证新的氯碱装置有准确完整的“出生”信息,并已数字化的方式移交,这样在运营阶段才可以方便的调取查阅相关资产信息。因此从资产的角度来说,氯碱业主需要有资产信息管理平台,工程公司需要向业主进行数字化交付。

  对氯碱行业的人员来说:氯碱企业装置越早实现开车,越快实现满负荷生产就越能够获得直接的经济效益。而这与操作人员的经验和水平直接相关。通过操作员仿真培训系统可以快速提高操作人员的操作能力和应对紧急情况的能力。在工程阶段得到的工艺机理模型和三维模型可以作为培训的基础。

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  在这数据为王的时代,氯碱企业的生产也需要一个能够对外接收和输出、对内分析和展示的实时数据库,作为氯碱企业“安稳长满优”生产的底座和基石。

  对于在不同地区都有产业的集团级企业来说,要想实现“数字化运营管理“,需在已经成型的数字孪生工厂之上架设一体化运营中心平台,集团管理者能够通过此平台享受数字化带来的生产安全保障与企业综合效益提升。

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  AVEVA剑维软件的产品以数字孪生为内核

  赋能氯碱企业实现精智绩效

  针对以上数字化发展的分析讨论,笔者会从资产全生命周期角度结合氯碱产业链指出具体实际应用。

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AVEVA横跨资产建设与生产运营全生命周期解决方案

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氯碱行业上下游产业链


  氯碱行业上下游产业链

  ■ 流程模拟计算

  AVEVA PRO/II Simulation是一款专业的流程模拟工具,它提供了一套综合性的流程模拟解决方案,用于工艺设计、装置改造和操作分析等应用。AVEVA PRO/II Simulation 对乙烯法制氯乙烯单体流程执行严格的质量和能量平衡计算。

  ■ 详细工程设计

  在氯碱行业的工程设计领域,主要有化八院、化一院、上海化学工程设计院、天津市化工设计院、锦西化工设计院、天津渤海化工设计院、福州化工设计院等工程公司和设计院。目前实力最强两家工程公司都已经使用AVEVA的设计软件和数字化交付平台用于新建氯碱装置的设计和数字化交付。

  ■ 采购计划施工

  在氯碱项目执行阶段,AVEVA ERM可以提供灵活的为氯碱企业级及氯碱项目级的物资定义编码,提供结构化、规范化的编码和描述,可以与二三维设计系统集成,保证了编码的前后一致性。还可以编制并管理管道等级,这些等级可以发布到二、三维设计系统中直接供设计建模使用。软件在设计时考虑了业务环节及历史数据的重用性,提供多种便捷的操作技术和手段,提高了编码管理的效率,有利于节省氯碱项目在执行期间的成本。

  ■ 操作员仿真培训

  AVEVA Operator Training Simulator操作员仿真培训系统以工艺机理模型为基础,帮助氯碱企业的操作员具备扎实的操作能力和应急处理能力,有利于氯碱企业实现安全稳定运营。阿拉伯石化公司(Petrokemya)在2011年就为他们的氯乙烯装置上线了AVEVA的操作员仿真培训系统赋能员工。AVEVA的操作员仿真培训系统可以帮助多晶硅行业的企业快速培养装置“老手”,抓住市场风口,实现产能增速,加快占领市场。

  ■ 资产信息管理

  目前新建的氯碱装置(烧碱、PVC)大多都上线了资产信息管理平台,用于氯碱生产的运营和维护,其中氯碱行业龙头企业已部署PI System。多晶硅行业领先企业也在新建的生产装置上计划部署AVEVA Asset Information Management资产信息管理平台。


  氯碱装置运营期

  ■ 先进过程控制

  氯碱生产系统是一个多变量之间存在耦合的工艺系统,装置的生产操作主要还是以人工操作为主。对于生产过程中出现的干扰因素,存在调节幅度与要求不匹配、操作不及时等情况;另外由于不同的操作班组有不同的操作方法和操作习惯,造成工艺指标波动较大,装置运行不稳定等问题。

  离子膜烧碱装置通过上线APC可以在二次盐水工序树脂塔再生过程及电解过程应用后,减少了树脂塔再生次数,实现了电解槽槽温的自动控制、降低电解槽电耗,稳定了碱液浓度并实现卡边控制,实现经济效益提升。

  乙烯法制氯乙烯(VCM)单体的操作过程,APC不仅减少了操作人员的操作强度,提高了装置的运行稳定性和自动化程度,而且节约了物料成本,降低了能耗,实现了经济效益的提升。

  在电石法制氯乙烯中产生的电石渣可以用于水泥的生产。AVEVA APC系统已经在国内西部、华北等地区的多条水泥生产线上部署运行,帮助水泥企业获得了显著的经济效益,获得了业主的一致好评。

  在烧碱下游的造纸行业,APC可以在蒸煮器(连续/间歇)、回收锅炉、蒸发器、氧脱木素装置、生物质锅炉等装置发挥作用,实现提高产量,降低能耗,稳定操作的作用。

  ■ 实时在线优化

  基于严格在线建模的AVEVA Process Optimization(ROMeo)优化平台是专门针对生产过程的在线优化标准软件产品,是目前在优化市场专业的、市场占有率高且客户信任度大的实时在线优化解决方案。通过ROMeo平台对氯乙烯装置建立严格在线机理模型,使装置始终在优化操作点上运行,实现生产经济效益最大化。

  ■ 设备预测维护

  设备预测性维护利用大数据和机器学习(ML)的技术来分析生产数据,学习设备正常运营的模式,然后当设备的运行状况与历史设备运行准则不相符合的时候进行报警。AVEVAPredictive A nalytics(PRiSM)设备预测性分析技术可以对氯碱企业的静设备和动设备如压缩机、泵设备、精馏塔、换热器等进行预测和分析。

  ■ 价值链优化

  AVEVA Unified Supply Chain (Spiral)一体化供应链管理是面向流程行业供应链管理的唯一一款真正意义上的一体化平台。Spiral从设计之初就采用一体化的全新设计理念,目的在于对原料管理、单厂运营和多厂多网点网络,进行计划优化、排产和流程装置监测时候,能够更加便捷、标准和迅速。针对乙烯法制氯乙烯单体的流程,可以通过快速搭建从石油加工到PVC聚合的全流程视图进行全厂级的生产计划和排产调度,排产调度和计划使用的是同一种拓扑结构。现代化的软件架构可以非常方便的部署在企业的云端,利用云端算力进行快速计划优化和排产调度。


  结语

  ●中国氯碱行业的发展历程也是中国从弱小走向强大的发展历程的写照,从起初“装置少,规模小”到如今国内总产能占据世界总产能的接近一半的水平。而在我国“多煤、贫油、少气”的能源结构下,其中80%的氯乙烯单体都是通过乙炔法工艺路线获得。如今“双碳”战略要求之下,氯碱行业的变革会更加迅速。在产能出现过剩、技术达到瓶颈、国际大形势驱动、国内市场供需变化等因素的影响下,氯碱行业势必会面临新的挑战。AVEVA剑维软件作为在工业数字化软件领域中最全面的解决方案供应商愿携手氯碱行业上下游企业在数字化的浪潮中先拔头筹掌握先机。

  “道虽迩,不行不至”。数字化的星星之火已呈燎原之势,若隔岸观“火”势必错失先机;若乘风而起,便可扶摇直上九万里。

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