基于三維模型的LNG 接收站完整性管理平臺分析

莊天天

（中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028）

隨著LNG 接收站智能化和設備設施完整性管理的需求不斷增多，LNG 接收站對于設備運行穩(wěn)定、服務質(zhì)量提升、運行成本降低等方面有了更高的要求。我們在新建LNG 接收站工程建設期就針對完整性管理需求，開發(fā)了一套基于三維模型的LNG 接收站完整性管理平臺，采用三維可視化等技術(shù)，通過數(shù)字化交付的成果，結(jié)合現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)，實現(xiàn)LNG 接收站的完整性管理，并支持擴展上層應用。

1.LNG 接收站完整性管理平臺需求分析

LNG 接收站完整性管理的實質(zhì)是低成本（有效分配維護資源、避免巨額事故賠償、超齡資產(chǎn)“延壽”）維護系統(tǒng)安全可靠運行為目標，基于多種技術(shù)工具要素整合、集成后的管理體系，在企業(yè)內(nèi)部以常規(guī)持續(xù)實施的項目方式運作[1]。

LNG 接收站設備設施種類繁多，其使用環(huán)境及設備設施種類與其他油氣輸送站場有所區(qū)別，主要包括LNG 儲罐、BOG壓縮機、高壓泵、低壓泵、海水泵、卸料臂、SCV（浸沒燃燒式氣化器）、ORV（開架式氣化器）、低溫閥門等。LNG 儲罐是接收站最重要的設備設施，雖然其免于維護的特點決定了不適合完全采用預防性的周期性檢修模式，但是針對LNG 儲罐建立完整性評價方法對于延長使用壽命還是很有意義的[2]。LNG 儲罐的完整性評價方法是以風險管理為核心的模式，其完整性評價技術(shù)是以LNG 儲罐本體及其附屬設施的風險評估為核心，結(jié)合配套專業(yè)（如機械、儀控、電、消防等）提出的評價方法，綜合評定LNG 儲罐系統(tǒng)的完整性狀態(tài)，按失效可能性選擇檢測方法和運營策略，按風險大小確定日常維護、監(jiān)測的重點，實現(xiàn)LNG 儲罐系統(tǒng)安全可靠地長周期運行。

實現(xiàn)LNG 接收站的完整性評價需要一整套技術(shù)標準和基礎數(shù)據(jù)庫的支持，并將監(jiān)控、檢測技術(shù)、適用性評價甚至應急搶險維修模擬仿真技術(shù)融入日常管理和定期評價過程中，建立三維的儲罐模型，將空間信息與屬性信息納入接收站完整性管理，深入到流程單元和設備部件的層次，結(jié)合適用的監(jiān)測和檢測評價技術(shù)，將風險值直接明確到流程單元和部件，智能化的形成維修工單或減緩風險的措施，最終落實到有針對性的維護管理工作上?；谌S模型的LNG 接收站完整性管理能解決如下問題[3]：

一是信息查找困難。在生產(chǎn)運營過程中，經(jīng)常需要查詢設備位置及屬性信息、運行狀態(tài)信息、相關(guān)圖紙資料等不同維度的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)往往都存在于不同的系統(tǒng)中，沒有建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，依靠人工需要在多個系統(tǒng)中切換查詢與核實數(shù)據(jù)，耗費巨大人力物力且容易出錯。基于三維模型的LNG 接收站完整性管理在工程建設期就將三維模型、設計圖紙、廠家資料、施工數(shù)據(jù)等所有相關(guān)數(shù)據(jù)掛接設備位號進行整合，并且提供數(shù)據(jù)的接口，后期使用過程中數(shù)據(jù)能被直接調(diào)用，保證信息查找的效率和準確性。

二是設備定位困難。以往采用圖紙或者結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分析設備的結(jié)構(gòu)以及制定維修方案，因為很難清晰描述設備的位置關(guān)系和狀態(tài)信息，難免造成工作溝通困難，施工方案不夠細致等問題，通過三維可視化模型可以準確定位設備、閥門、儀表、管道等位置，便于快速定位以及確定上下游設備設施之間的關(guān)系。

三是檢維修比較被動。以往檢維修一般采用巡檢發(fā)現(xiàn)問題或者對設備設施定期進行保養(yǎng)維修，許多信息分散在班組或者個人手中，難以實現(xiàn)信息的共享和交互，采用基于三維模型的LNG 接收站完整性管理能利用可視化的設備定位與提醒，把以往被動的設備檢維修變?yōu)橹鲃邮降?、基于消減風險為目標的檢維修方式。

2.完整性管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)

完整性管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示：

圖1 基于三維模型的LNG 接收站完整性管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

完整性管理平臺整合項目管理過程中設計、采辦、施工各階段的信息數(shù)據(jù)，并進行深入挖掘和關(guān)聯(lián)，與項目建設同步進行三維模型搭建，機械完工時形成完整的三維可視化平臺并標識關(guān)鍵部位的質(zhì)量基線，然后在此三維可視化平臺基礎上，集成危險源管理、風險評價、檢維修計劃制定、效能評價、知識庫等功能并交付業(yè)主，輔助業(yè)主生產(chǎn)運營，形成關(guān)鍵部位識別、風險評價、檢維修、效能評價的閉環(huán)。

底層為模型數(shù)據(jù)源。在工程建設階段由EPC 方負責采集設計、采辦、施工等數(shù)據(jù)向業(yè)主進行數(shù)字化交付匯總進入接收站工程信息數(shù)據(jù)庫，同時確立儲罐的缺陷基線。在生產(chǎn)運營期，該數(shù)據(jù)庫采集接收站的運行、檢驗、維護數(shù)據(jù)，匯總進工程信息數(shù)據(jù)庫作為基礎數(shù)據(jù)。模型數(shù)據(jù)源是一個科學的數(shù)據(jù)管理模型，能夠?qū)?shù)據(jù)有效歸納、整合，同時保障數(shù)據(jù)的真實性和有效性，在整個數(shù)據(jù)采集過程中，應及時采集隱蔽工程等無法復測的數(shù)據(jù)。

中層為數(shù)字化接收站。通過科學劃分設備層次結(jié)構(gòu)，對數(shù)字化接收站進行分解，原則上三維模型的最小顆粒度為接收站的可維護單元，并利用三維模型對數(shù)字化接收站進行直觀展示并關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，同時對于工藝流程、應急管理等流程支持在三維模型上進行流程的模擬化[4]。

上層業(yè)務應用。平臺集成了RBI、SIL、RCM 等完整性檢測和評估工具，通過抽取底層模型數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)，按照業(yè)務需要進行綜合分析，為生產(chǎn)運營及設備檢維修提供決策依據(jù)，通過預防性維修降低LNG 接收站在全生命周期上的維護成本，同時通過周期性的效能評價不斷優(yōu)化完整性檢測的實施方案，從而實現(xiàn)LNG 接收站的完整性管理。

3.完整性管理功能分析

3.1 風險評估

風險評估是利用豐富的數(shù)據(jù)信息，研究可能引起LNG 儲罐等設備設施退化和失效的損傷機理，識別設備設施運行中的危險有害因素，并結(jié)合工藝參數(shù)、設計條件、損傷情況、檢測歷史、綜合評判設備設施運行風險的一種有效手段。風險評估作為接收站完整性管理中的核心技術(shù)，為采取措施減緩風險提供直接依據(jù)。風險評估一般采用定性或定量評價法[5]。LNG 接收站完整性管理平臺對接收站的風險管理分為工程建設期和在生產(chǎn)運營期兩個階段。在工程建設期，對分部分項工程在施工前進行風險評估與管理，減少施工期產(chǎn)生的缺陷，最終提高接收站建設完工后的質(zhì)量基線；在生產(chǎn)運營期，平臺集成了專業(yè)的風險分析軟件，對失效概率和后果進行定量/半定量化的形式進行計算，失效概率采用國外成熟的失效概率數(shù)據(jù)庫，最終計算繪制出風險矩陣，從而對那些處于高后果高概率區(qū)的風險點制定風險消減措施，再進行重新評估。同時基于三維模型，將高風險點在三維模型上進行高亮顯示，并建立提醒，使整個接收站的風險態(tài)勢借助三維模型可以直觀地快速掌握。

3.2 檢維修與預防性維護

完整性管理平臺實現(xiàn)設備的檢維修管理，包括檢維修記錄的管理、檢維修計劃管理與檢維修報警提醒，同時支持將檢維修記錄、檢維修任務與三維實體進行關(guān)聯(lián)存儲與管理?；谌S模型，平臺將高風險點形成維修作業(yè)點，作為對設備設施、儀器儀表的每個檢查點、維護點或保養(yǎng)點的標記。通過設置作業(yè)點，對應關(guān)聯(lián)作業(yè)工單、作業(yè)提醒、作業(yè)指導、作業(yè)記錄、作業(yè)人員、作業(yè)周期及作業(yè)追溯分析等。

3.3 效能評價

效能評價模塊通過設定KPI 指標，主要包括平均無故障時間、平均泄漏時間、平均維修時間、設備數(shù)據(jù)收集率、設備風險評估完成率、設備檢修計劃完成率、設備故障率等，綜合統(tǒng)計分析完整性管理的實施效果。通過建立泄漏與燃爆事故數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計各類泄漏與燃爆事故頻率、原因及后果大小、解決方案，形成LNG 儲罐的安全生產(chǎn)維護經(jīng)驗庫，將管理經(jīng)驗快速復制。

4.建議與展望

基于三維模型的LNG 接收站完整性管理是站在接收站全生命周期管理的角度開展各項管理活動。該平臺一般都由工程建設方在接收站工程建設期配套開發(fā)完成。為了更好地服務于生產(chǎn)運營期，從業(yè)主使用的角度考慮，還需要完善以下三個方面：一是模型輕量化。設計人員在設計階段通過三維設計工具建立的三維模型，通常因為數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)格式難以解析，模型不便于修改，模型打開速度很慢等因素不利于生產(chǎn)運營期使用，因此完整性管理平臺應支持對設計階段原始三維模型的輕量化，對其進行高壓縮處理，在不丟失原始模型圖形、材質(zhì)和屬性的基礎上，優(yōu)化三維模型數(shù)據(jù)，完成模型的過渡與交付?；谌S模型的LNG 接收站完整性管理平臺計劃在未來的升級版本中支持PDMS、Smart Plant 3D 等常用流程行業(yè)設計軟件的模型、數(shù)據(jù)集成，支持Solid Works 等離散行業(yè)及建筑行業(yè)三維設計軟件的模型、數(shù)據(jù)集成。二是工廠對象。工廠對象清單和每個工廠對象的對應分類決定了數(shù)字化交付的具體內(nèi)容，確定工廠對象清單和分類是開展數(shù)據(jù)和資料交付工作的前提。在平臺中，必須具備面向工廠對象的位號管理功能，建立位號與相關(guān)圖紙、文檔、數(shù)據(jù)表等信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將施工數(shù)據(jù)掛接在三維模型中，方便用戶對于數(shù)據(jù)更加直觀地查詢與管理。三是上層應用?；贚NG 接收站三維模型與信息數(shù)據(jù)庫，整個數(shù)字化接收站可以根據(jù)業(yè)主需求快速開發(fā)上層應用，例如三維應急管理、隱患管理、可視化培訓等，利用三維模型與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)能快速定位隱患點，模擬應急流程，對設備進行拆解培訓，有利于業(yè)主在一個平臺上協(xié)同工作。