數(shù)字化協(xié)同設計在天然處理廠數(shù)字化交付過程中的深度應用

李金彪

大慶油田設計院有限公司

中國石油天然氣集團有限公司深入學習領會國家推動產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡強國的戰(zhàn)略思想，以信息化推動科技創(chuàng)新和管理改革，進一步增強信息化的自覺性和緊迫性，讓信息化成為推動上游業(yè)務高質量發(fā)展新動能[1]。2020 年及“十四·五”期間，勘探與生產(chǎn)公司將強力推進信息化建設工作，以勘探開發(fā)夢想云為重要抓手，依托夢想云統(tǒng)籌各類信息系統(tǒng)，按照“強基礎、補短板、促應用”的工作思路，持續(xù)夯實數(shù)據(jù)基礎，加強業(yè)務應用建設，堅持先進的信息化技術與主營業(yè)務深度融合，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化、管理協(xié)同化、研究智能化，促進上游業(yè)務數(shù)字化轉型智能化發(fā)展[2]。數(shù)字化轉型和智能化發(fā)展是油氣工業(yè)不可逆轉的發(fā)展趨勢，而基于數(shù)字化協(xié)同設計的交付應用是數(shù)字化轉型的基礎工作[3]。為順應數(shù)字化時代的發(fā)展，中國石油天然氣集團有限公司將管理數(shù)字化轉型作為管理創(chuàng)新的重要方向，大慶油田紅壓油氣處理廠天然氣凈化工程和薩南深冷裝置擴建工程都進行了數(shù)字化交付，數(shù)字化交付的前提是數(shù)字化協(xié)同設計。本文將對數(shù)字化協(xié)同設計在天然氣處理廠數(shù)字化移交過程中的深度應用進行研究。

1 數(shù)字化協(xié)同設計技術路線

1.1 數(shù)字化協(xié)同設計概念

在項目設計過程中，多專業(yè)設計人員在協(xié)同工作模式下，通過協(xié)同設計平臺開展設計，各專業(yè)信息通過平臺進行共享，并最終用帶有多專業(yè)工程信息的三維模型及系統(tǒng)設計數(shù)據(jù)驅動產(chǎn)生工程圖紙和材料清單的過程。

1.2 技術路線

數(shù)字化協(xié)同設計總技術路線（圖1）主要分為管道材料管理、系統(tǒng)設計和布置設計三部分。

圖1 數(shù)字化協(xié)同設計技術路線Fig.1 Technical route of digital collaborative design

（1）管道材料管理。利用ERM 平臺進行項目級材料編碼定制和等級生成工作，為PDMS 提供全套管道等級庫，同時為后續(xù)的采購、施工、運維提供完整的管道材料編碼。

（2）數(shù)字化系統(tǒng)設計。工藝自控專業(yè)應用COMOS P&ID 軟件進行智能P&ID 繪制和數(shù)據(jù)錄入，電力、自控系統(tǒng)利用COMOS EI&C 開展系統(tǒng)設計。

（3）數(shù)字化布置設計。配管、電、控、信在PDMS 平臺上開展三維設計，土建專業(yè)、暖通專業(yè)使用Revit 軟件進行三維設計，機械專業(yè)采用Solidworks 軟件進行設備建模。

2 管道材料管理

2.1 管道材料編碼概念及意義

材料編碼是以簡短的文字、符號或數(shù)字、號碼來代表物料、品名、規(guī)格或類別及其他有關事項的一種管理工具。材料編碼數(shù)據(jù)庫是工程設計、采購、施工的數(shù)據(jù)基礎，貫穿整個工程設計流程，對為工程提供準確可靠的數(shù)據(jù)具有重要意義[4]。在工程建設領域中，采用材料編碼，可以使各種物料數(shù)據(jù)傳遞迅速、溝通更加容易，提高各部門的工作效率。

2.2 管道材料編碼應用

通過建立物資材料分類，建立各類物資材料編碼結構，建立物資材料屬性數(shù)據(jù)字典庫，編制了分級目錄，確定了編碼規(guī)則，并編制了《設備材料編碼規(guī)定—管道類》，通過該規(guī)定指導現(xiàn)有的5 大類管道等級規(guī)定（通用等級規(guī)定、天然氣處理廠等級規(guī)定、氣田高壓等級規(guī)定、高壓注水等級規(guī)定、長輸管道等級規(guī)定），編制出紅壓和薩南管道材料設計規(guī)定，ERM 引用管道材料設計規(guī)定，形成項目級材料編碼結構庫，PDMS 獲取等級庫數(shù)據(jù)，開展建模。

3 數(shù)字化系統(tǒng)設計

3.1 數(shù)據(jù)流轉技術路線

目前石油石化行業(yè)工程公司多采用COMOS 和ASPEN Tech 開展前端數(shù)據(jù)管理[5]。COMOS FEED（工藝前端工程設計管理軟件）中，實現(xiàn)了各軟件間的數(shù)據(jù)共享和自動傳遞[6]，HYSYS 軟件分為動態(tài)和穩(wěn)態(tài)模擬兩大部分，主要用于油田地面工程建設設計和石油石化煉油工程設計計算分析[7]。紅壓油氣處理廠天然氣凈化工程新建90×104m3/d 天然氣凈化裝置以及4×104m3/d 尾氣回收裝置各1 套，在設計過程中，制定了數(shù)字化系統(tǒng)設計技術路線（圖2）。采用HYSYS 軟件對紅壓凈化設置進行了穩(wěn)態(tài)模擬（圖3），通過COMOS FEED 定制開發(fā)，打通了工藝前端數(shù)據(jù)流（圖4），利用COMOS FEED 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)從HYSYS 工藝計算模擬軟件到PFD（Program Flow Diagram）的數(shù)據(jù)流轉，同時也達到從PFD 工藝流股到P&ID（Piping And Instrumentation Diagram）工藝流股的數(shù)據(jù)傳遞，以及對其他接口的數(shù)據(jù)傳遞。

圖2 數(shù)字化系統(tǒng)設計技術路線Fig.2 Technical route of digital system design

圖3 紅壓穩(wěn)態(tài)模擬Fig.3 Steady state simulation in Hongya plant

圖4 打通工藝前端數(shù)據(jù)流Fig.4 Open the process front-end data flow

3.2 COMOS 二次開發(fā)及應用

COMOS 是以COMOS PLATFORM（企業(yè)數(shù)據(jù)中心）實現(xiàn)數(shù)據(jù)流轉，在數(shù)據(jù)流轉平臺進行了COMOS 二次開發(fā)，為便于定制開發(fā)方案，將COMOS PLATFORM 開發(fā)分為基礎開發(fā)、COMOS FEED 工藝前端設計開發(fā)、COMOS P&ID 工藝系統(tǒng)設計開發(fā)、COMOS-PDMS 二三維協(xié)同開發(fā)四部分。

3.2.1 基礎開發(fā)

（1）項目WBS 分解結構。確定WBS 分解結構，項目按照WBS 分解立項。按照區(qū)域、單元的編號將管道、閥門、設備和儀表位號等自動引用到對應區(qū)域，并確定引用深度。

（2）工程對象命名規(guī)則。指導PFD 和P&ID 建庫，按《工程對象命名規(guī)則》進行命名。

（3）文件管理結構。文件管理界面與院文件管理平臺接口互通。

（4）文件編碼規(guī)則。文件編碼規(guī)則與文件管理平臺形成對接。

（5）用戶和權限管理。對項目管理規(guī)則、權限分配、臨時項目建立等內(nèi)容進行定制。

（6）數(shù)據(jù)庫結構。依據(jù)中石油新版數(shù)字化移交規(guī)定中對類庫的相關規(guī)定，圖紙按照PFD 和P&ID分開定制，圖元庫按照PFD 和P&ID 分開訂制，數(shù)據(jù)結構實現(xiàn)PFD 和P&ID 互通互聯(lián)，形成公司級的數(shù)據(jù)源。

3.2.2 COMOS FEED 工藝前端設計開發(fā)

（1）模擬軟件數(shù)據(jù)導入。工藝模擬軟件：HYSYS 模擬計算數(shù)據(jù)流導入到COMOS FEED，結合模擬軟件數(shù)據(jù)導入，確定工藝介質物性及相關參數(shù)，并能對接口進行規(guī)范、對傳輸數(shù)據(jù)參數(shù)和單位進行定制。

（2）FEED 階段工程對象庫。根據(jù)各專業(yè)圖例進行定制通用圖元，并對線型、字體進行定制。

（3）工藝計算軟件集成。將油氣集輸專業(yè)、給排水專業(yè)、加工專業(yè)、熱工專業(yè)常用工藝計算軟件集成到FEED 里，如安全閥計算、管徑計算、流速計算等。

3.2.3 COMOS P&ID 工藝系統(tǒng)設計開發(fā)

（1）圖面顯示內(nèi)容。包括線寬、圖面位置、設備管道布置要求等。

（2）設計規(guī)則。例如PN16 的管線可以放置PN25 的閥門，但PN25 的管線不可以放置PN16 的閥門等。

（3）提資表單區(qū)域。包括工藝自控設計條件表、普通容器設計條件表、組合裝置設計條件表、加熱爐設計條件表、塔器設計條件表、冷換設備設計條件表、立式儲罐設計條件表、單體（設備）配電設計條件表、防腐設計條件表、總圖設計條件表、儀表設計條件表、電力設計條件表、通信設計條件表。

（4）匯總表單區(qū)域。包括管段表、容器匯總表、塔器匯總表、過濾器匯總表、管殼式換熱器匯總表、板式換熱器匯總表、空冷器匯總表、加熱爐匯總表、泵匯總表、壓縮機匯總表、安全閥匯總表、組合裝置匯總表、立式儲罐匯總表、其他設備匯總表。

（5）設計表單區(qū)域。包括設備表、材料表、工程量表。

3.2.4 COMOS-PDMS 二三維協(xié)同開發(fā)

（1）協(xié)同設計規(guī)則。完善COMOS 與PDMS 的數(shù)據(jù)對接。

（2）二三維校驗規(guī)則。根據(jù)編制的《二三維校驗規(guī)定》，將規(guī)則定制到軟件中。

（3）二三維校驗內(nèi)容。依據(jù)《DOE 數(shù)據(jù)字典》，對二三維校驗內(nèi)容進行定制，同時確定數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)傳遞方向。

（4）二三維校驗報告內(nèi)容。根據(jù)《二三維校驗規(guī)定》，結合數(shù)字化移交項目實際經(jīng)驗，確定可以忽略的校驗錯誤，以保證二三維校驗報告的實用性。

通過完成COMOS 二次開發(fā)，紅壓油氣處理廠天然氣凈化工程完成PFD 設計（圖5）、PID 設計（圖6）、電力、自控COMOS EI&C 設計和二三維校驗（圖7）。

圖5 PFD 設計Fig.5 PFD design

圖6 PID 設計Fig.6 PID design

圖7 二三維校驗報告Fig.7 2D/3D verification report

4 數(shù)字化布置設計

4.1 技術路線

大慶油田薩南深冷裝置擴建工程新建60×104m3/d 深冷裝置1 套，編制了數(shù)字化布置設計技術路線（圖8），完成了布置設計。

圖8 數(shù)字化布置設計技術路線Fig.8 Technical route of digital design

4.2 布置設計技術

4.2.1 PDMS 軟件

PDMS（Plant Design Manggement System）即工廠三維布置設計管理系統(tǒng)[8]。PDMS 軟件將技術先進的數(shù)據(jù)庫與功能強大的圖形處理能力相結合，可以處理復雜的工程項目和大量的設計分析數(shù)據(jù)，產(chǎn)生所需的設計圖紙和相關的設計分析數(shù)據(jù)[9]。薩南深冷裝置擴建工程應用PDMS 軟件完成了以下布置設計：

（1）配管專業(yè)。在PDMS 中補充標準管道元件庫、非標管道元件庫、參數(shù)化儀表和閥門庫；完成了配管設計。

（2）電力專業(yè)。建立電力設備數(shù)據(jù)庫，主要包括變壓器、低壓開關柜、配電箱、操作柱及開關、燈具、小型電氣元件共六大類69 種；完成電纜橋架支吊架開發(fā)工作；對PDMS 開發(fā)照明設計功能；對PDMS 開發(fā)防雷接地設計功能；完成了電力專業(yè)布置設計。

（3）自控專業(yè)。建立自控設備數(shù)據(jù)庫，主要包括控制室儀表、可燃氣體報警系統(tǒng)儀表、火災自動報警系統(tǒng)各類儀表和接線箱共四大類44 種；電纜路由設計：包括電纜橋架、橋架支吊架、電纜溝等；現(xiàn)場儀表設計：包括分析儀表、可燃氣體探測器、火災探測器等；完成了自控專業(yè)布置設計。

（4）通信專業(yè)。建立通信設備/主材數(shù)據(jù)庫，主要包括：視頻監(jiān)控系統(tǒng)、周界入侵系統(tǒng)、對講系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)、廣播擴聲系統(tǒng)、語音通信系統(tǒng)、顯示屏系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)等共10 大類40 種；電纜橋架庫：包括電力及儀表專業(yè)使用的梯級式、托盤式電纜橋架庫，涵蓋產(chǎn)能及外部項目的電纜橋架使用范圍。

完成了廠區(qū)光/電纜路由設計：包括沿電纜橋架、電纜溝、通信管道敷設及直埋敷設等；通信管道路由設計：人/手孔布置、通信管道布置；通信設備布置設計：視頻監(jiān)控系統(tǒng)、周界安防系統(tǒng)、廣播擴聲系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、語音通信系統(tǒng)、顯示屏系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)等設備/主材布置設計；完成了通信專業(yè)布置設計。

4.2.2 Revit 軟件布置設計

為了解決結構設計領域的問題，Autodesk 公司提出了基于BIM 解決方案的軟件Revit Structure，該軟件集成了多材質的物理模型與獨立、可編輯的分析模型，并為常用的結構分析軟體提供雙向聯(lián)結。通過空間參數(shù)化模型的實時呈現(xiàn)，在施工前對建筑結構提供更精確的可視化，具有協(xié)同作業(yè)的能力[10]，通過Revit 完成了以下內(nèi)容：

（1）土建專業(yè)。建立Revit 建筑結構專業(yè)構件族庫，實現(xiàn)采用Revit 進行建筑建模工作，利用Revit 模型進行后期效果圖制作。

（2）暖通專業(yè)。建立并完善Revit 暖通專業(yè)采暖、通風、空調(diào)、防排煙等構件族庫；實現(xiàn)利用Revit 軟件進行暖通專業(yè)建模工作。

4.2.3 Solidworks 軟件布置設計

作為基于Windows 開發(fā)的第一個三維CAD（Computer Aided Design，CAD）系統(tǒng)，SolidWorks自1995 年推出，因其始終遵循的易用、穩(wěn)定及創(chuàng)新三大原則而獲得了廣泛且成功的發(fā)展[11]。機械專業(yè)利用SolidWorks 軟件對油田常用設備進行參數(shù)化設計，自主研發(fā)油田專用設備參數(shù)化工具，提高設計效率，完成了元件庫建設和油田常用設備建模。

（1）元件庫建設（圖9）。常用標準件：鋼制管法蘭、封頭、人孔、手孔、塔頂?shù)踔?、設備吊耳；梯子平臺：臥式容器梯子平臺、塔式容器梯子平臺（中間直梯、扇形平臺、塔頂圓形平臺、塔頂平臺直梯）、立式拱頂儲罐盤梯及罐頂平臺；容器支座：鞍式支座、腿式支座、耳式支座、支承支座、裙式支座；設備附件：進液管、出液管、防沖碗、殼體接管及補強圈、加熱盤管、U 形卡、內(nèi)部把手、內(nèi)部爬梯、橫梁、液位報警法蘭等。

圖9 元件庫圖例Fig.9 Component library legend

（2）油田常用設備建模（圖10）。臥式容器：分離緩沖游離水脫除器、天然氣除油器、臥式緩沖罐、污水罐、分液罐、壓力排污罐、收發(fā)球筒等；立式容器：立式甲醇罐、二相計量分離器、非凈化風儲罐、排水器；拱頂儲罐：1 000 m3鋼制水罐、2 000 m3鋼制水罐、3 000 m3鋼制事故罐、5 000 m3污水沉降罐；加熱爐：加熱緩沖裝置、臥式圓筒爐、正壓相變加熱爐、機械自動除垢加熱緩沖裝置（收油）；塔式容器：氯化鈣脫水塔、原油穩(wěn)定塔、吸收塔；梯子平臺：高低兩臺位聯(lián)合梯子平臺、三臺位聯(lián)合梯子平臺、原油穩(wěn)定塔梯子平臺。

圖10 油田常用設備模型圖例Fig.10 Legend of common equipment model in oilfield

通過以上各專業(yè)族庫和布置設計，薩南深冷裝置擴建工程完成了全廠區(qū)的布置設計（圖11）。

圖11 全廠區(qū)布置設計模型Fig.11 Layout design model of the whole plant area

5 結束語

在天然處理廠數(shù)字化交付過程中，基于多階段、多專業(yè)、多軟件構建的數(shù)字化協(xié)同設計平臺[5]，提供了從工藝模擬、管道材料管理、系統(tǒng)設計和布置設計等油氣田地面工程的完整信息，數(shù)字化協(xié)同設計的深度直接影響著數(shù)字化交付的顆粒度和信息的準確性，因此數(shù)字化交付的質量最終取決于協(xié)同設計的深度。