數字孿生技術——簡化碳捕獲過程
2024-2-23新聞
本文圖片來源：AspenTech
作者 | Judith Ponniah
用于啟動、調試和運行的生命周期數字孿生系統可幫助簡化可持續發展技術的實施。
在可持續發展方面，大多數公司的投資回報率都達不到資本項目預期，但使用生命周期數字孿生（Lifecycle Digital Twin）可以更快優化過程，節省高達20%的資本支出和15～30%的運營成本。
各行各業都面臨著不可預測的市場需求，企業經常發現項目進度要么長期滯后，要么超出預算。這會讓企業資產盈利能力下降，錯失市場機會。資產密集型行業正在投資數字技術，以制定應急計劃、管理項目執行、優化施工順序，并防止預算和物料超支。此外，企業正在從可持續發展的角度審查資產，在設計和工作過程中促進可持續性，以提高能源效率，同時減少浪費和排放。
為了更易于執行，解決方法必須簡單明了。工程服務公司和業主面臨的一個共同問題是：當前的數字技術并不關注整個項目的生命周期，因此需要多種數字技術解決方案，以實現在資產生命周期內的可持續性發展和盈利目標。
01
數字孿生技術
行業需要一個整體解決方案：從設計開始，并在整個啟動、調試和運營過程中應用。它可以成為實施更多數字化解決方案的基石，以支持預測性維護、備件庫存、先進過程控制和供應鏈優化。
數字孿生從更高的視角，提供了不同應用和案例所需的完整解決方案，不管是綠地還是棕地項目。在數字化轉型之旅中，無論公司處于哪個階段，都可以輕松實施數字孿生，以通過高級可視化來提高資產性能。項目初期的離線數字孿生，使工程師能夠設計出優化程度最高、資本支出最低的過程。在線數字孿生提供了以前無法實現的關鍵見解，從而可以優化運營，同時應對不斷變化的環境法規。
隨著各行各業雄心勃勃的向實現凈零碳排放目標的邁進，能源轉型項目為許可方和工程、采購和施工（EPC）公司帶來了新的機會。通過將數字孿生貫穿到從可行性階段到最終投資決策直至運營和維護的各個階段，許可方和EPC公司可以幫助業主從整體數字孿生模型中獲益。
02
碳捕獲過程的生命周期數字孿生
碳捕獲（Carbon Capture）是幫助企業更快實現可持續發展目標的幾項新興技術之一，旨在向更加低碳化的經濟轉型。領先的企業正在尋求能夠在設計和運營的關鍵階段幫助支持戰術、戰略和業務決策的解決方案。
▲圖：采用支持碳捕獲、存儲和利用（CCUS）等更環保、更新技術的企業，可以通過實施生命周期數字孿生來緩解成長的痛苦。這種整體方法有助于提高項目的可行性并緩解風險。
支持碳捕獲、存儲和利用（CCUS）等更環保、更新技術的企業，可以通過實施生命周期數字孿生來緩解成長的痛苦。這種整體方法有助于提高項目的可行性，并緩解風險。生命周期數字孿生可為企業提供支持，幫助其深入了解新技術，并為資產生命周期的每個階段做出明智決策。
■ 投資決策：在項目的初始概念設計階段進行技術評估，以評估潛在可用的技術。根據未來的能源和可再生能源價格以及排放目標，許多捕集技術都是可用的。低碳氫氣的生產也加速了碳捕獲項目的發展勢頭。隨著可用技術的多樣化組合的出現，投資者在權衡投資回報率和捕獲的總二氧化碳之間面臨著諸多挑戰。數字技術可幫助投資者審視不同的系統配置，以確定在何種條件下可將整個 CCUS 系統的風險降至最低，包括通過系統組件的規模化和集成化提升效率。在采用碳捕獲來實現低碳制氫的情況下，可以獲得更高的能源和過程效率。
■ 風險和規劃：模型可以提供見解，以快速比較可用的技術選項，實現技術和經濟可行性，從而降低和量化與資本投資支出相關的風險。此外，更好的洞察力可以增強投資者和其它關鍵利益相關方之間的合作，有助于在知情的情況下選擇最佳技術，以支持實現長期利潤和可持續發展目標的組織。例如，雖然用于碳捕集的胺吸收技術是一項成熟的技術，但它需要大量能源，因此有必要進行新的溶劑創新，以在能源和資本支出投資之間找到平衡點。
■ 概念設計的場景分析：對于探索基于不同條件的潛在財務結果，場景分析至關重要。隨著業務環境的不斷變化和充滿不確定性，定期進行假設場景分析，使企業能夠了解不同的內部和外部輸入如何使業務關鍵績效指標發生變化。這可以幫助組織做出積極的規劃決策，在設計中考慮一系列可能的積極和消極因素。
大多數項目涉及工程師使用多個文件來表示具有拓撲差異的各種場景。為了更好地理解系統，需要手動更改一系列輸入。所有這些步驟既耗時又容易出錯。與經濟學相結合的過程仿真器模型，可以對碳捕獲過程進行嚴格的建模，從而可以幫助進行技術經濟評估。強大的過程仿真（以及整合了安全和布局的相關集成工作過程）有助于創新，可以將資本支出降低20%，運營支出降低15~30%。
此外，離線數字孿生模型提供了靈活的工作過程，利用高性能計算或基于云的并行計算、以及用于數據分析的人工智能（AI）和可視化工具，可高速并行運營數千個場景。場景分析可以在初期了解設計決策是如何限制原料選擇、環境和氣候影響、設備可用性、可靠性和維護策略的。對過程運營戰略的早期見解，使利益相關方能夠為盈利和可持續的運營做出更好的決策。
■ 前端和詳細設計：一旦選擇并最終確定了技術，穩健的設計對于無縫啟動和運營至關重要。由于早期做出的過程決策鎖定了資本成本，這種協作型前端工具可以實現前端工程交付物的數字化，在不同領域之間實現透明化，從而可以降低后期設計變更的風險，確保每一項變更獲得充分溝通。前端數字孿生，使組織在設計初期實現項目的5D可視化。
在設計階段盡早了解3D布局以及成本和進度，使組織能夠做出更明智的決策，以提高可持續成果，避免項目風險，并評估設計中擬議變更的影響。您可以通過概念布局、概念成本和進度模型來獲得這種可見性。這有助于避免處理變更單和項目超支，從而消除與即將到來的高價值可持續發展項目相關的財務風險。在設計初期消除延誤，幫助公司將項目工期縮短了近20%。此外，前端數字孿生的5D可視性可以幫助組織將選擇設計概念的速度提升87%。
■ 啟動和調試：在啟動和調試期間，已經就位的強大數字孿生模型可以驗證過程控制系統和操作指南，從而可以加快操作員培訓速度。在工廠實際運營的同時運營數字復本，為培訓運營人員和技術人員提供了一種非常有用的方法，使他們在啟動之前，就可以在離線和無風險環境中熟悉控制方案和過程。因此，通過演練此類事件，使他們能夠更成功的控制任何過程混亂或異常運營工況。對于較新、復雜的過程，例如碳捕獲的點源和直接空氣捕獲（DAC）技術，其正在運營的設施不到30個，熟練的培訓和專業知識對于創造無風險環境至關重要。
■ 操作員培訓系統：傳統的制造業越來越難以吸引人才，而且有許多經驗豐富的員工即將退休，確保運營人員能夠在安全的辦公環境中開展工作（或者如果他們愿意，可以遠程工作）對于降低風險、提高產量和吸引新一代技術工人至關重要。此外，增加碳捕獲等技術，需要經驗豐富的運營人員修改其培訓。企業正在尋求動態方法，來快速高效地培訓員工。
基于軟件仿真器的數字孿生已經擴展到使用增強現實（AR）和虛擬現實（VR），以通過沉浸式和基于場景的虛擬環境加快學習。操作員現在可以在模擬環境中執行多個場景，模擬高應力條件并允許對象識別。先進的技術和數字孿生可以幫助公司縮小人才缺口，并以無縫銜接的方法來降低培訓成本，減少由操作員導致的風險。
■ 運營和維護：一旦工廠投入運營，就可以通過從過程中獲取的工廠數據，來不斷提高數字孿生的準確性。這種實時在線的數字孿生模型可以提供與運營相關的關鍵見解，從而實現對設備的連續監控，提升工廠的性能。深入了解設備運營狀況，有助于避免與計劃外停機相關的風險。此外，在線數字孿生模型可用于優化過程控制目標，以最大程度的捕獲二氧化碳，同時最小化能耗，從而可以根據當前過程輸入，來降低總捕獲成本。
03
數字孿生為碳捕獲過程增加價值
資本項目的成功對于保持企業的競爭力和盈利至關重要，尤其是在市場不穩定或波動的情況下更是如此。數字化是實現這些業務目標的關鍵，它使新的可持續技術易于獲取且成本友好。通過在從可行性到運營的不同階段使用數字孿生，企業可以在降低生產風險的同時，快速實現可持續性和卓越運營的目標。
數字孿生不僅僅是過程、運營或系統的可視化、虛擬表示。這是一種符合行業需求的方法，有助于在資產的整個生命周期內實現協作、透明和改進。生命周期數字孿生提供了基于新技術和可持續技術的一種整體解決方案，包括但不限于碳捕獲、氫氣、生物燃料、生物原料以及與循環經濟相關的過程改進。
關鍵概念：
■ 在向脫碳經濟轉型的過程中，碳捕獲是幫助組織更快實現可持續發展目標亟需的幾項技術之一。
■ 在從可行性到運營的各個階段使用數字孿生，可以快速實現可持續性和卓越運營的目標，同時降低生產風險。
思考一下：
數字孿生如何改善您的工廠運營？
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