ANSYS仿真技术助推能源行业降本增效

    2017年底，美国总统特朗普访华期间，两国企业共签署合作项目34个，金额达到2535亿美元。其中，能源类项目投资总额超过1400亿美金，占比超过50%。

    中美千亿能源大单背后，折射出的是能源行业前所未有的机遇，与此同时，能源行业也面临着降本增效的巨大挑战。

    ANSYS全球工业能源和流程工业总监Ahmad Haidari7月12日接受e-works记者采访时指出，当前，能源行业首当其冲需要面对的是提高能源使用效率和降低单位产出的能源消耗。

    Ahmad Haidari在工程仿真和建模技术领域有着超过20年的工作经验，他告诉记者，全球能源行业主要呈现两大发展趋势，一是采用新技术、新设备、新工艺等提高能源使用效率，降低单位产值能耗，推进能源循环使用；二是大力推进开源节流，借助大数据管理和使用能源，建立能源系统使用的标准和制度体系，加强能源消耗管理。

    这其中，采用仿真技术推动能源行业降本增效，成为近些年传统能源企业以及新能源企业的重要发展趋势。

ANSYS全球工业能源和流程工业总监 Ahmad Haidari接受e-works记者采访

    仿真技术赋能能源行业创新

    有数据显示，中国制造业对GDP的贡献在30%左右，而制造业在全国的能源消费中的比例在55%左右，也就是说制造业对经济非常重要，能源又对制造业至关重要。

    在Ahmad Haidari看来，在降低能源成本方面，重点是提高能源使用效率和降低单位产出的能源消耗。

仿真技术赋能能源行业创新

    Ahmad Haidari说，“随着全球能源供需大环境的改变，使得能源市场更加动荡，传统的能源企业需要重新寻找发展模式。为此需要通过能源市场化改革，促使能源产业链的有效竞争，从而提高能源效率。”

    在这一进程中，如何实现能源的高效转换，以及合理设计能源环境控制及保护系统成为能源行业当前所面临的严峻考验；同时由于能源行业牵涉学科甚多，工作流程复杂，越来越多的工程师选择使用仿真技术来辅助实验，优化产品设计流程，提升研发效率，降低风险。

    过去数十年，能源行业为了支持全球经济的增长，满足能源需求是其首要发展目标，能源行业的主要矛盾是供给能力不足，因此能源行业重在规模扩张。随着经济增长的相对平稳，能源供需关系发生了潜移默化的变化，提高效率逐渐成为能源发展的发展目标。

    Ahmad Haidari告诉记者：“这意味着创新技术的应用对于能源行业越来越重要，尤其是仿真技术。”

    以石油和天然气行业为例，确保最佳的生产力和效率是石油和天然气公司所面临的主要挑战。油气公司必须降低设备设计开发和生产的时间，以减少整体运营成本。在石油和天然气新项目中应用仿真技术，能够完全捕获操作细节，以在真实环境中进行分析、优化和实验，从而确保项目的有效实施。更重要的是，仿真技术加速了能源行业的创新应用，譬如对项目进行预防性维护，以减少停机检修的时间，使得设备实现最大的性能。

    ANSYS在油气行业的仿真实践

    能源行业一直是ANSYS非常关注的行业，40余年前，ANSYS从核能领域起家，此后一直致力于开发相关仿真解决方案。

    在Ahmad Haidari看来，ANSYS在能源行业最大的优势是提供覆盖所有能源细分行业的完整仿真解决方案，包括石油和天然气、分布式发电、核能、化石燃料、燃料电池、可再生能源等领域，ANSYS都可以提供业界最佳的综合多物理场解决方案，能够充分满足各种工程分析和设计需求。

    Ahmad Haidari在采访中着重剖析了石油和天然气行业应用仿真技术的实践，他谈到，面对当今的油井工程与钻井难题，性能与可靠性至关重要。石油和天然气行业的趋势是在更恶劣的环境中、在更高压力和温度下钻得更深，同时提高非常规油田的油井产量。

    在石油和天然气行业的产品开发过程中，工程师必须研究各种设计方案，以便更快、更明智、更有效地研究多个物理学科。而工程仿真可以支持每个钻井组件的鲁棒性设计，包括从钻头、钻探设备、传感器、工具到泥浆振动筛和泥浆槽等。

    Ahmad Haidari指出，ANSYS仿真技术有助于了解设备在现实条件下的性能表现，能够在产品设计最早期阶段解决潜在的故障模式，从而做出明智的产品设计决策，最终提高钻井速度和尽可能降低维护与干预。

    对于油井工程与干预，ANSYS仿真软件支持工具跌落与冲击、振动、疲劳、电子冷却、传感器设计、密封与复杂接触以及侵蚀分析，基于这些分析，从而给出提高油井性能的重要参数。

    除此之外，一系列综合的仿真解决方案可提供丰富的多物理场和系统级功能，以帮助工程师了解组件、子系统和完整钻柱系统之间的复杂相关性和实际性能。ANSYS仿真技术经常用于确定成本、安全性和可靠性之间的明智权衡，从而最大限度地提高油井生命周期的产出。

    作为世界上最大的油气公司之一，中国石油天然气集团借助ANSYS结构仿真技术设计并优化钻机的底座，他们在两周时间内完成了减重40%、预期寿命为15年的设计，而之前则需要4个月时间。

巴西石油公司

    对于巴西石油公司来说，他们的石油资源大部分在深水区，譬如离岸数百米，深达3000米的海水中，甚至还有2000米的岩石和盐份，这里的石油储量是地球上最难进入的部分。借助ANSYS的流体仿真技术，巴西石油公司的工程师们提高了从巴西桑托斯盆地油田开采的效率，并能保证生产石油钻井和船只的安全性。

    油气行业的四大技术洞察

    在ANSYS 2018技术大会上，Ahmad Haidari还分析了ANSYS在石油和天然气行业的四大技术洞察。

    首先是自动驾驶汽车（Autonomous Vehicles）。随着技术的飞速发展，自动驾驶汽车正逐渐成为现实，能够感知环境、无需人工操作就能自动导航的汽车已经行驶在我们的公路上。对于石油和天然气行业来说，与自动驾驶汽车相关的技术正延伸至自主系统和机器人应用中。

    在Ahmad Haidari看来，自动驾驶汽车中涉及的路况模拟、电子与半导体设计、激光雷达模拟仿真、电源管理系统等是仿真技术应用的重要领域。而ANSYS是唯一可以提供端到端的自主车辆仿真解决方案的公司，可以精确地测试多种实际应用。

    其次是电气化（Electrification）。当今世界，随处可见高性能电子产品和先进的电气化系统，石油和天然气行业自然不例外。Ahmad Haidari告诉记者，ANSYS仿真软件能够以独特的方式在组件、电路和系统设计上分析电磁性能，还可以评估温度、振动和其他关键机械效应。

    第三是智能互联产品（Smart Connected Products）。物联网技术正在油气行业快速普及。物联网让工程师能够与正在运行的产品上的传感器和制动器通信，从而捕捉数据并监测运行参数，实现产品的智能互联。

    如此一来，油气公司可以知道自己效率最低的地方在哪里；成本过高或风险最大之处又是哪些。Ahmad Haidari说，ANSYS为智能连接的油气设备和运营资产提供端到端的软硬件仿真解决方案，随着人工智能和机器学习技术的发展，油气公司越来越懂得如何利用数据的价值，以提高钻井和设备的可靠性。

    第四是增材制造（Additive Manufacturing）。根据埃森哲的分析，增材制造对油气行业有两大驱动力：一是降低成本，提高运营效率。例如：之前无法制造的新部件或改进现有部件的设计，提高安全、效能并降低成本；第二是在下游领域，如果油气公司可为3D打印机提供被用作“墨水”的化学粉末和塑料，那么3D打印可以成为一个潜在的新收入来源。

    目前，ANSYS提供业界最强大的面向金属增材制造的仿真软件，包括分析激光粉末熔接、残余应力、变形等；同时优化工艺参数，控制组织和材料的性能；并基于多物理场耦合对油气行业的金属3D打印设备进行高保真的分析。

    Ahmad Haidari指出，油气行业对于极端条件下的产品可靠性和耐用性要求甚高，譬如井下的高温高压和海上的恶劣气候。只有经过仿真分析和优化的金属3D打印设备，才经得起如此严苛的考验。

    后记：

    随着全球对可靠和清洁能源需求的不断增加，以及对环境问题的日益关注，能源科技已经成为全球的热点问题之一。能源工程师们面临的挑战日趋复杂，包括改进现有发电技术、提高能量强度、减少能源使用、开发新的解决方案以应对需求、费用和环境问题之间的平衡。

    ANSYS是提供广泛而全面的工程仿真技术的先驱，借助其仿真技术，全球领先的能源企业正在进一步建立领导地位。在采访最后，Ahmad Haidari告诉记者，希望向更多的能源企业传递这样的声音：ANSYS仿真技术一直致力于推动能源行业降本增效，在产品和工程项目开发的早期应用仿真技术，和传统的试验样机测试方法相比，其成本将更低、效能将更高。