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施耐德电气：如何通过联合仿真解锁工厂设计和运营潜力？

2025-03-04 08:45:26来源：施耐德电气阅读量：19098 评论

　　在全球迈向低碳未来的进程中，推动燃烧型能源系统的电气化转型，为那些因生产特性而依赖化石燃料行业，带来了可持续发展的新契机。行业专家们正全力以赴，寻找化石燃料的替代方案，并借助先进的数字化控制技术，更好地管理温室气体排放，满足日益严格的环境、社会与公司治理(ESG)要求，加速可持续发展战略的落地。在此过程中，电力与工艺仿真技术成为关键助力。

　　德勤的研究显示，低碳转型的核心在于工业流程、生产空间和运输车队的电气化与脱碳化。一项针对制造商的调查显示，近45%的企业计划在2035年前实现流程的电气化。为此，制造商正大力投资，采用生物质能、太阳能、水能和地热能等可再生能源，为工业生产注入绿色动力。

　　然而，从燃烧型和蒸汽动力系统向电气化系统的转型进展缓慢。即使对于技术娴熟的工程和工厂设计团队来说，成功替代燃烧源也是一项艰巨的任务。脱碳转型需要投入大量工程和设计资源，以实现工厂新资产及现有资产的电气化，这无疑是一项成本高昂的挑战。

　　施耐德电气认为，应对气候变化需要一场根本性变革，以及思维模式的全面转型。我们必须敢于突破传统，探索前所未有的创新路径，通过数字化与电气化的深度融合，实现真正意义上的可持续影响力。电力和工艺流程仿真(联合仿真)能够显著提升对新旧设备运营状况的洞察力。此外，该技术还能助力工程师在设计最终确定前，充分掌握新技术适用性的关键信息，从而优化决策，降低风险。

　　掌握电力和工艺流程联合仿真的四大关键要点

　　一体化的电力和工艺流程仿真能够对工艺流程供配电的各种运行及设计场景进行测试，对新建项目和改造项目均有重要价值。对于新建项目，它可以通过基于模拟运行的电力需求计算，优化电解槽尺寸，从而加速工艺电气化。对于改建项目，它可以通过回路测试和减少停机时间来提高工厂运行时间。

　　具体而言，联合仿真可为运营管理者和工程师提供更高效的方式进行如下操作：

　　1.深度分析：通过联合仿真技术，研究工艺扰动对配电的影响，以及电力扰动对工艺生产产生的波动，并使用具有代表性的数据(如天气、太阳能、氢/氨目标以及相互依存关系)进行分析；

　　2.精准优化：根据工艺需求、平准化成本最小化(LCOH、LCOE、LCOA)等目标，设计并优化电力分配，通过减少有功/无功损耗和发电机组燃料成本，挖掘电力节能潜力；

　　3.智能策划：在电解槽运行和氢气生产分配中，结合工艺输入和目标函数，优化电力流动；

　　4.效益最大化：通过计算氢气/热能的平准化成本，实现从能源生产到转换的全生命周期管理，同时基于工艺需求调整发电规模，以最小化总拥有成本。

　　精确的联合仿真带来稳定性、安全性并节约成本

　　联合仿真使工程团队能够在问题发生之前测试、观察和模拟控制假设，并预见潜在问题。它进一步帮助工程师在虚拟世界的“安全港”中检查和分析操作和设备。凭借更精确的仿真和基于数据的敏锐洞察，联合仿真有助于实现质量、电力和电网控制的稳定性，通过帮助理解偏差、工艺变化和控制偏移提升安全性，通过优化效率、可靠性和产量实现正常运营，并通过通过管理热能和能源节约成本。

　　仿真精确度取决于保真度、时间分辨率和同步性三大要素。由于电气仿真的时间戳以毫秒为单位，而工艺仿真则以秒到分钟为单位，研究工作需要精确的时间同步。联合仿真恰好能够满足这一需求。作为一种使能技术，它将系统各部分的独立仿真组合起来，实现对耦合系统的全局仿真。

　　施耐德电气AVEVA工艺模拟仿真平台(AVEVA Process Simulation & Dynamic Simulation)和ETAP暂态稳定性分析功能的结合提供了一种更简单、更直接的方法，用于识别工艺生产中的效率提升和优化机会。其中，AVEVA工艺模拟仿真平台(AVEVA Process Simulation & Dynamic Simulation)用于处理瞬态非稳态过程(即动态状态引擎)评估，ETAP用于处理瞬态非稳态电气(即瞬态稳定性引擎)评估。该联合仿真平台与其仿真应用套件相结合，将物理工厂数字化为机理孪生模型，从而为设施提供高效节能、安全和可持续的解决方案。

　　结合AI技术的联合仿真助力简化工厂设计并优化运营

　　统一的集成化电力和工艺仿真模型能够简化工厂设计并优化运营。此外，将联合仿真与人工智能和第一性原理建模技术相结合，可以为实时、数据驱动的决策支持铺平道路，同时也有助于开发有效的操作员培训方案。

　　施耐德电气项目数据显示，通过将工艺性能和电能消耗进行整合管理，企业的资本支出将减少20%、停机时间减少15%、碳足迹减少7%～12%，同时盈利能力增加3%。通过部署这些能够进行根本原因分析、提供切换计划验证、跟踪资产管理，以及提供成本优化和基于模型验证的工具(所有功能均可实时实现)，工厂就可以借助可靠且可操作的数据，充分释放其脱碳潜力。

　　在工业脱碳的征程中，联合仿真技术正成为解锁工厂设计与运行潜力的关键钥匙，助力企业迈向绿色、高效、可持续的未来。

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