基于數(shù)據(jù)集成平臺的LNG 接收站數(shù)字化設(shè)計流程研究

閆瑋祎

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 前言

LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然氣）是我國近年來發(fā)展最為快速的能源供應(yīng)形式，也是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的中堅力量。液化天然氣工程項目以大型LNG接收站為代表，具有獨特的低溫天然氣氣化工藝流程以及用于儲存LNG 的低溫儲罐，是一種具有周期長、投資高、參與方多等特點的大型石油化工類工程項目。

從國內(nèi)LNG 項目十幾年建設(shè)經(jīng)驗來看，以傳統(tǒng)模式設(shè)計與交付的LNG 接收站項目，在設(shè)計協(xié)同方面暴露的問題已在很大程度上影響了整體設(shè)計效率。同時，由于設(shè)計成果只是簡單的文檔移交，這使得業(yè)主方在運營維護(hù)中缺少完整有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，給接收站后期運營增加了風(fēng)險和成本。針對這一現(xiàn)狀，近年來國內(nèi)各LNG 企業(yè)正逐漸開始制定各類全面建設(shè)數(shù)字化生產(chǎn)經(jīng)營環(huán)境的戰(zhàn)略目標(biāo)，體現(xiàn)了當(dāng)前LNG 行業(yè)數(shù)字化建設(shè)的迫切需求。本文針對當(dāng)前國內(nèi)LNG 接收站項目數(shù)字化設(shè)計交付研究相對不足的狀況，提出了各設(shè)計專業(yè)如何在數(shù)據(jù)集成平臺、設(shè)計軟件的協(xié)助下開展數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的工作流程，為國內(nèi)LNG 接收站項目的數(shù)字化設(shè)計交付體系建設(shè)提供思路。

1 LNG 接收站工程設(shè)計與交付問題分析

隨著國內(nèi)LNG 行業(yè)的快速發(fā)展，與接收站工程相關(guān)的LNG 氣化、儲罐結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)也不斷取得了突破性進(jìn)展，設(shè)計能力也日趨成熟。與此同時，由于相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的滯后以及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計流程缺失等客觀因素，使得電儀、安全等輔助專業(yè)均在一定程度上保留了傳統(tǒng)化工行業(yè)的設(shè)計慣性，這就造成了與主專業(yè)在一些設(shè)計細(xì)節(jié)上的節(jié)奏脫節(jié)。再加上接收站工程設(shè)計具有界面較多的特點，使當(dāng)前設(shè)計工作暴露了一些問題，制約了設(shè)計工作效率及質(zhì)量。通過對近年來LNG項目設(shè)計階段的質(zhì)量考核結(jié)果，以及施工安裝階段發(fā)生的“設(shè)計變更單”中所反映的設(shè)計問題進(jìn)行梳理總結(jié)發(fā)現(xiàn)，專業(yè)間、工程界面間、不同階段間的信息傳遞是制約LNG 接收站項目設(shè)計效率及質(zhì)量提高的重要因素。

針對上述問題，研究參考國內(nèi)外化工行業(yè)已有工作成果［1-4］，提出了針對LNG 接收站項目的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計及交付工作流程，其目的在于提高設(shè)計效率與質(zhì)量，并通過數(shù)字化的成果交付形式，使設(shè)計成果在后續(xù)接收站運行期間更好地發(fā)揮作用。

2 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計基本框架

2.1 協(xié)同設(shè)計專業(yè)分工

專業(yè)間協(xié)調(diào)問題的發(fā)生主要是因為LNG 行業(yè)處在快速成長階段，各專業(yè)設(shè)計規(guī)范的發(fā)展速度差異導(dǎo)致對設(shè)計深度理解不同，同時設(shè)計語言的不同也阻礙了有效的溝通。因此，研究梳理了傳統(tǒng)設(shè)計流程下接收站工程的六個主要專業(yè)，以及主工程與外電、碼頭、管線等分項工程間的條件傳遞路徑，并提出了其中信息傳遞錯誤的易發(fā)點。具體如圖1 所示。

圖1 接收站工程設(shè)計條件傳遞路徑

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，因信息不匹配而造成設(shè)計錯誤，更多的是發(fā)生在傳遞路徑較長，以及信息在不同工程界面間傳遞的情況下。因此，協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)的關(guān)鍵在于設(shè)計信息能夠以規(guī)定的模式在各專業(yè)間、各界面間快速傳遞，且隨著設(shè)計流程的推進(jìn)，各專業(yè)能將其他專業(yè)不斷變化的設(shè)計條件以及下游環(huán)節(jié)反饋的變更需求快速反映到設(shè)計文件中。

因此，在協(xié)同設(shè)計流程中，需要借助協(xié)同管理平臺來實現(xiàn)不同專業(yè)、不同設(shè)計語言之間的信息共享和傳遞，盡可能提高界面間的溝通效率?；仡檱鴥?nèi)已建成的十余個LNG 接收站項目的設(shè)計經(jīng)驗，在制定協(xié)同設(shè)計框架和機(jī)制時可將已存在的一些典型協(xié)調(diào)問題考慮進(jìn)去，同時該體系可以在實踐中不斷發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行完善，形成良性循環(huán)。與此同時，專業(yè)間的設(shè)計界面應(yīng)做到靈活可變，以適用不同專業(yè)隨時發(fā)生的技術(shù)革新。

2.2 協(xié)同設(shè)計基本框架

根據(jù)各專業(yè)在設(shè)計工作中的任務(wù)劃分，研究以協(xié)同管理平臺為核心，提出了協(xié)同設(shè)計基本框架，如圖2所示。

圖2 LNG 接收站項目協(xié)同設(shè)計框架

在協(xié)同設(shè)計框架結(jié)構(gòu)中，整個設(shè)計工作流程的定制圍繞協(xié)同管理平臺對數(shù)據(jù)的傳遞功能展開，在數(shù)據(jù)傳遞的過程中，管理平臺對各類文檔及設(shè)計條件綁定適用的工作流程，主要包括設(shè)計條件輸入、接口資料交換、設(shè)計成果校審、設(shè)計修改等流程。在工作定制完成并形成標(biāo)準(zhǔn)化流程后，設(shè)計人員在設(shè)計過程中僅需按照管理平臺的提示依次完成各項工作便可。

作為實現(xiàn)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的核心，協(xié)同管理平臺除滿足專業(yè)間數(shù)據(jù)傳遞以及最終成果交付的功能外，還需具有完善的數(shù)據(jù)查詢、文檔管理、任務(wù)分配等功能模塊來實現(xiàn)集成管理的職能。

3 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計流程

3.1 協(xié)同設(shè)計工作流程

通過AVEVA、INERGRAPH 數(shù)字化平臺的集成管理以及可與平臺數(shù)據(jù)交互的各專業(yè)設(shè)計軟件輔助，是實現(xiàn)LNG 接收站項目協(xié)同設(shè)計的必要途徑［5-6］。為提高專業(yè)間設(shè)計信息的傳遞效率，實現(xiàn)快捷有效的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計，研究針對設(shè)計信息傳遞需求及圖1中的信息傳遞錯誤易發(fā)點，結(jié)合當(dāng)前接收站傳統(tǒng)設(shè)計流程和圖2 協(xié)同設(shè)計框架，在圖3 中提出了LNG 接收站項目開展數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的工作流程設(shè)想。

圖3 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)傳遞流程

依據(jù)圖3 所述工作流程，LNG 接收站工程以數(shù)據(jù)集成平臺為信息傳遞核心，可按步驟開展數(shù)字化協(xié)同設(shè)計，各專業(yè)具體工作細(xì)節(jié)如下。

建立材料庫。設(shè)計人員將通過材料管理軟件開展基礎(chǔ)建庫工作，滿足三維工廠設(shè)計軟件定義的材料需求，同時向3D 建模軟件提供LNG 行業(yè)的材料庫數(shù)據(jù)，以便后續(xù)開展建模工作。

工藝系統(tǒng)設(shè)計。工藝系統(tǒng)的設(shè)計工作是整個接收站設(shè)計的基礎(chǔ)，管道專業(yè)在確定管道材料等級后，工藝專業(yè)將在工藝流程設(shè)計軟件中完成高壓外輸系統(tǒng)、儲罐系統(tǒng)等系統(tǒng)的工藝儀表流程圖繪制工作，在完成專業(yè)內(nèi)部審核后將圖紙和數(shù)據(jù)發(fā)送至集成平臺。

儀表系統(tǒng)設(shè)計。集成平臺將工藝系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞給儀表設(shè)計軟件，儀表專業(yè)首先對接收圖紙進(jìn)行審查，確保各檢測點的合理性，如有建議將返回工藝專業(yè)優(yōu)化P&ID 后重新輸出設(shè)計條件。若儀表專業(yè)無意見，將根據(jù)P&ID條件開展溫度計量、壓力計量、流量計量、變送器等設(shè)備的選型及數(shù)據(jù)表編制的設(shè)計工作。

當(dāng)儀表數(shù)據(jù)表設(shè)計完成后，這些數(shù)據(jù)將被發(fā)送至數(shù)據(jù)集成平臺。數(shù)據(jù)集成平臺將P&ID 和儀表設(shè)備條件傳遞至全廠3D 建模軟件，管道專業(yè)根據(jù)數(shù)據(jù)集成發(fā)布的條件進(jìn)行設(shè)備定位，在3D 建模軟件中完成管道的初步建模工作。

電氣系統(tǒng)設(shè)計與建模。電氣專業(yè)將根據(jù)上游傳遞的設(shè)備條件開展電氣系統(tǒng)設(shè)計工作，其中設(shè)備的數(shù)量、能力數(shù)據(jù)將隨P&ID 數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)集成平臺傳遞，并在電氣設(shè)計軟件設(shè)計過程中進(jìn)行協(xié)同，但這些基礎(chǔ)條件不能完全滿足電氣設(shè)計需求，因此，此處需設(shè)備專業(yè)對軸功率、泵效率等參數(shù)進(jìn)行補充以形成完整的設(shè)計條件，隨后電氣專業(yè)在設(shè)計軟件內(nèi)置屬性的輔助下，進(jìn)行用電設(shè)備表、電纜清冊、單線系統(tǒng)圖等的設(shè)計工作。

設(shè)備建模。在初步建模工作中，管道專業(yè)已根據(jù)P&ID 條件完成了設(shè)備定位和模型搭建工作，但模型中各設(shè)備處于詳細(xì)設(shè)備參數(shù)信息缺失狀態(tài)。因此在初步建?；A(chǔ)上，設(shè)備專業(yè)將通過導(dǎo)入“設(shè)備信息采集模板”的信息，補全設(shè)備參數(shù)并對三維中的設(shè)備模型進(jìn)行確認(rèn)。

建筑設(shè)計與建模。管道專業(yè)在初步建模階段會建立廠區(qū)建筑結(jié)構(gòu)的模糊模型用于輔助設(shè)施定位工作，建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)在設(shè)計階段通常會利用其他建筑建模軟件如BIM 等進(jìn)行詳細(xì)建模工作。

管道設(shè)計與全廠3D 建模。整個3D 建模工作實際包含了管道、機(jī)械設(shè)備、儀表設(shè)備、電氣電纜橋架、建構(gòu)筑物等多個對象，在LNG 接收站項目中考慮到LNG 的氣化外輸是整個工程的工藝核心，因此，3D建模工作可由管道專業(yè)主導(dǎo)，其他相關(guān)專業(yè)輔助確認(rèn)的工作模式。

整個3D 建模工作完成后，在圖3 第12 步中，建模軟件會將生成的三維模型和圖紙報表傳遞至數(shù)據(jù)集成平臺，隨后數(shù)據(jù)集成平臺可根據(jù)設(shè)計成果文件形成工程的材料清單，形成完整的設(shè)計成果。3D 建模軟件在集成設(shè)計中的主要工作有：接收PID 圖紙、接收儀表數(shù)據(jù)表、接收電纜表、發(fā)布三維模型、發(fā)布成品圖紙和發(fā)布報告等。

3.2 數(shù)字化設(shè)計成果交付

為滿足后續(xù)施工安裝階段以及業(yè)主后期工廠運營需求，由數(shù)據(jù)集成平臺輸出的最終設(shè)計成果將由數(shù)字化接收平臺接收，設(shè)計成果包括由PDS、PDMS、SP3D 等主流工廠設(shè)計軟件生成的三維模型、各專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)，以及能被交付平臺集成的圖紙文檔。一個完整的數(shù)字化接收平臺將會吸納建設(shè)期內(nèi)各環(huán)節(jié)的全部數(shù)據(jù)信息，并在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下進(jìn)行整合、關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)對接收站全生命周期的數(shù)字化管理［7］。石油化工行業(yè)已在2018 年發(fā)布了“GB/T 51296-2018 石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)”［8］，目前LNG 行業(yè)正在此基礎(chǔ)上結(jié)合LNG 項目特點，逐漸形成適用于LNG 行業(yè)的數(shù)字化成果交付標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

工廠的數(shù)字化升級是當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。對于工程項目來說，數(shù)字化的設(shè)計交付體系為工廠提供了系統(tǒng)性、關(guān)聯(lián)性的設(shè)計信息，是建立數(shù)字化工廠的重要數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

近年來國內(nèi)LNG 行業(yè)正逐步加強對建設(shè)數(shù)字化工廠的重視［9-10］，各大石油化工企業(yè)提出了開展數(shù)字化體系建設(shè)的目標(biāo)。從一座LNG 接收站項目全生命周期管理的角度出發(fā)，設(shè)計數(shù)據(jù)將貫穿整個工程項目生命周期，因此，數(shù)字化設(shè)計與交付體系的建立和應(yīng)用是實現(xiàn)LNG項目數(shù)字化工廠建設(shè)目標(biāo)的必要前提。通過該體系實現(xiàn)對設(shè)計階段數(shù)據(jù)資產(chǎn)的有效管理，可為項目后續(xù)階段整體工程建設(shè)效率的提高帶來幫助。

目前LNG 接收站項目在設(shè)計過程及成果應(yīng)用上仍存在一些不足，在一定程度上制約了整體工程項目建設(shè)效率的提高。因此，開展LNG 項目的數(shù)字化設(shè)計與交付系統(tǒng)研究，提出合理可行的基礎(chǔ)規(guī)則及工作流程，并盡快在LNG 工程項目中有效應(yīng)用，是當(dāng)前LNG行業(yè)發(fā)展的迫切需求。