靜設備在煉廠數字化集成設計中的設計方法研究

魏郁達，石 桐，劉國榮

(1.中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071;2.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580)

近兩年來，石油化工企業的數字化轉型已經成為一個熱門話題，越來越多的企業在籌備建設數字化“孿生工廠”。數字化交付是數字化工廠的建設基礎，也是煉廠數字化建設的迫切需要。通過建立數字化工廠工程數據集成平臺，實現各專業、各部門的信息的集成管理。運維和管理人員能夠快速獲取來自不同系統和信息源的工程和生產數據，節省大量人工時，利于企業效益提升。同時，工程級的三維建模技術和開放的數據集成技術也可為煉廠建設、生產、設備、安全、培訓等業務提供準確、高效的數據支撐。

數字化集成設計是設計過程的數據集成，將傳統設計環節中分散的、獨立的各專業設計數據通過統一的平臺集成起來，實現數據共享。各專業、各環節的設計數據在平臺上傳遞，可以從根本上保證數據的準確性和唯一性。目前國內煉廠設計流程中，管道設計是數字化設計應用最深入的，工藝、儀表、電氣等專業也有成熟的商業化軟件可以在集成平臺中應用。但靜設備設計由于設計過程相對獨立，設計工具專業性強，缺乏深度參與數字化集成設計的解決方案。因此，如何實現將靜設備設計的傳統工作流程接入數字化集成設計系統工作流，將靜設備設計成果接入到數字化設計的交付成果中，是需要專業室和數字化技術人員共同解決的問題。

1 數字化集成設計過程中對設備設計數據的需求

項目運行過程中，設備通常根據類別和難易程度打散后交給不同的設計人。設備設計人面對的是單臺設備，而不是整個裝置或工廠。大部分設備相互之間不會產生嚴格的關聯關系，因此，以單臺設備為對象，以位號為標識是設備數據管理的最佳方案。

單臺設備設計過程中與上下游專業進行的數據傳遞主要有：從工藝、配管、自控等專業接收設計條件；向結構專業提出基礎設計條件；向配管專業提供設備三維模型。

1.1 接收和提出設計條件

傳統設計中，設計條件分為文表和圖紙兩種類型，以帶簽署的紙版委托的形式提出。上游專業即使在設計過程中在軟件中已經將數據組織了起來，但由于上下游間缺乏數據傳遞的條件，不得不將這些數據降級成表格或圖形，形成只能人工讀取的紙版條件向下游專業傳遞。下游設計人員接收到條件后，人工讀取和分析紙質文件上的信息，擇取其中部分信息手工錄入到計算、設計、繪圖、匯料等分散的軟件中，在此基礎上完成設備設計。這個工作流程中，上游軟件中的數據傳遞到下游軟件中，經歷了多次人工處理，消耗大量人工時，增加了傳遞的時間，并且不可避免的引入了人為誤差。集成設計平臺提供了數據傳遞的基礎，可以顯著的提高傳遞效率，減少人為誤差，簡化工作流程，提高設計質量。

這些接收和提出的條件中，文表類的較容易實現在集成平臺上的數據傳遞，圖紙類的受到現有技術手段制約大多維持紙版傳遞的現狀。但要注意的是，數據傳遞不是傳統條件的簡單電子化，要根據數據特點重新規劃條件模板。

1.2 提供數據

傳統設計過程中，有部分上游專業的文件需要設備設計人提供數據，增補文件內容，例如工藝設備表中的設備重量信息、設備數據表中的設備設計參數等。在數字化集成設計平臺上，由于這部分數據所在的文件已經集成在平臺中的，設備設計人可以填寫數據，發布后數據自動匯總到上游專業文件中的對應項，以比較理想的數據集成方式實現這部分需求。

1.3 設備模型

傳統設計過程中，三維設計的設備模型是以碰撞檢查為目的的，只大致表達設備外形和所占用空間，通常由配管設計人完成。數字“孿生工廠”對設備模型有更高的要求，所以數字化集成設計中設備需要進行高精度的建模。配管設計人對設備信息的掌握有限，因此由設備設計人進行設備建模是較好的方案。

煉廠項目設計過程中，設備設計與裝置三維設計是同步進行的。為滿足三維設計的進度需求，設備模型需要至少創建兩次。

第一次進行占位建模，在設備設計條件確定后，三維設計啟動前完成。設計人根據設備設計條件中的設計參數，估算設備大致外形數據，創建粗略表達設備外形的占位模型。占位模型的目的是滿足設備布置需要，不體現設備細節。設備數據前期缺失較大的外購設備，可以根據設備特點，用極簡單的形狀示意占位，例如單臺回轉體設備用圓柱體，撬裝設備用立方體。

圖1 設備占位模型

第二次進行詳細建模，在設備施工圖完成或供應商資料返回時創建。二次模型應在占位模型的位置進行原位替換。二次模型應較詳細的體現設備外形，主體結構外形尺寸應準確，細部結構可適當省略，但設備總體外形應易于辨認。設備管嘴的定位必須與實際設備一致，避免定位誤差影響管道布置。

圖2 設備詳細模型

2 數字化交付對設備設計成果的需求

目前煉廠設計的數字化交付還不能完全替代傳統交付，傳統交付和數字化交付是并行的。數字化交付除了圖紙、文檔等出版物外，還需要交付設計成果數據庫。對于設備設計而言，需要額外提供設備屬性、設備模型、電子版圖紙、文檔和關聯關系。

2.1 模型

設備模型可分為工廠三維設計模型中的設備模型和設備拆解模型。前者已包含在工廠三維設計成果中。后者通常指與現實高度一致、體現設備內部結構的模型，滿足拆解圖、操作模擬等應用的需求。這種模型創建成本高，需根據業主具體需求確定模型的詳細程度。

2.2 屬性

屬性是數字化設計成果的重要組成部分。數字化的深度決定了屬性數量。屬性越多，數字化工廠能應用的數據越豐富。但屬性不能無限增多。工廠對象數量龐大，過度增加屬性會使數字化交付成本急劇上升，過多的信息還會增加系統負擔，給使用和維護帶來問題。

不同類型設備的屬性應有不同。實踐中可將設備屬性可分為三類：

第一類，工廠對象通用屬性。即數字化工廠中所有對象都具備的屬性：位號、用途、名稱、數量、安裝位置、類型、型號、供應商和制造商等。

第二類，設備通用屬性。即各類靜設備都應具有的屬性：介質名稱、介質相態、介質操作密度、介質毒性、介質爆炸危險性、介質火災危險性、工作溫度、工作壓力、設計溫度、設計壓力、內徑、筒體長度、殼體材質、腐蝕裕量、全容積、容器類別等。

第三類，設備類型屬性。即不同種類設備特有的屬性。例如板式塔為例的類型屬性有：塔頂工作溫度、塔底工作溫度、塔頂工作壓力、塔底工作壓力、塔盤類型、塔盤材質、塔盤數量和設計負荷等。

第四類，設備管理屬性。即用于工廠設備管理的屬性。例如：資產編碼、設備編碼、出廠編號、注冊編號、安裝日期、出廠日期、啟用日期、維護單位、監檢單位等。此類屬性需根據工廠管理實際情況定制。

2.3 圖紙和文檔

數字化交付的設備圖紙、文檔與傳統交付物的范圍基本一致。但需要按一定規則上傳到集成平臺，并與設備建立關聯關系。

3 專業間數字化協同方案

數字化集成設計中的專業協同與傳統設計有許多不同。傳統設計中，一方修改了數據，用紙版委托條件信息傳遞給接收方，接收方根據自己的工作安排決定修改時間。信息傳遞過程中的滯后性為雙方提供了一定緩沖的空間。在集成設計中，由于數據的唯一性，一方發布了修改數據，另一方相關內容會一起修改。因此集成設計中專業工作交叉的次數比傳統設計增多，管理更復雜。

3.1 設備模型協同設計

三維工程模型中的設備模型，是設備在數字化集成設計中協同流程最復雜的對象。從設備創建到施工圖完成或供應商資料確認階段，設備設計人會因為上游設計條件變動、估算數據與計算結果的差異、計算方法調整、設計方案變動、占位模型細化到詳細模型等原因修改模型。配管設計人會因為設備的定位、標高、方位等數據的變動修改模型。在此階段設備和配管設計人必須同時對設備模型有編輯權限，因此有必要規定協同設計的原則，明確雙方的責任分界面：

1)設備模型創建和命名由設備設計人完成；

2)各專業應遵循統一的設備模型基準點原則；

3)設備模型創建前，配管專業宜提供設備模型的坐標。設備設計人在指定坐標完成建模。

4)設備主體模型由設備設計人完成，配管人員不得修改；

5)設備管嘴模型由設備設計人創建，設備和配管設計人均可對按需對管口模型進行修改，修改時都需告知對方；

6)設備保溫層和設備自身操作空間建模由設備設計人完成；

7)設備施工圖會簽或供應商資料確認前，設備設計人應保證設備模型與施工圖或確認資料一致；

8)施工圖會簽或供應商資料確認時，雙方應在模型確認無異議后，去掉設備專業對模型的編輯權限，由配管專業完全后續維護，直至項目完成。

3.2 設備屬性協同錄入

集成平臺中數據協同錄入功能一般是較完善的。有權限的專業可接收、修改和發布屬性數據，交互過程由系統自動進行版本控制，并可回溯所有修改記錄。

4 下一步集成工作方向的構想

由于設備設計工具整體數字化水平偏低，與數字化設計集成平臺直接進行軟件級的數據集成是較困難的。目前有三個方向是技術路線較明確的，后續工作中可嘗試開發：

1)集成平臺向設備計算軟件傳遞設備工藝數據。

2)集成平臺向設備制圖工具進行數據傳遞，用于輔助繪圖。

3)設備計算軟件向集成平臺傳遞設備屬性。

5 結語

在現有軟硬件條件下，設備集成過程還依賴中間文件，雖然能有效提高效率，但和真正的數據集成還有很大差距。隨著設備設計的發展，未來會出現一些數字化程度較高的專業設計工具，實現軟件級的數據集成，減少重復人工勞動，提高設計效率和設計質量。