基于全數字化協同設計的天然氣管道工程站場設計

姜晗 康楠 周津卉 劉亮 左艷萍

中國石油天然氣管道工程有限公司

2000 年，我國第一條長距離輸氣管道“西氣東輸一線”開工建設。此后20 年，我國相繼建設了“西氣東輸二線”“西氣東輸三線”“中緬油氣管道”和“中俄天然氣管道”等長距離輸氣管道項目。一方面極大地保障了國家能源戰略儲備，另一方面促進了管道及站場設計全面進入“數字化設計”階段。

2003 年是數字化管道初級階段，冀寧聯絡線首次提出數字化管道建設目標，實現數字化技術的局部應用；2005 年是推出階段，雙蘭管道首次實施PCM；2008 年全面推廣應用，實現施工數據采集與項目管理信息化；2012 年是成熟階段，啟動全生命周期管道研究；2016 年數字化設計體系和全生命周期數據庫完成，2016 年至今是壯大階段，中俄東線北段開展智能管道建設試點，從此數字管道走上了智能管道、智慧管網的新時代。

從2011 年開始，管道設計院進行了“以設計為源頭開展管道全生命周期管理”的數字化、協同化設計等多項研究，引領長輸管道行業從設計的源頭上制訂管道全生命周期管理規劃，建立適應管道全生命周期管理的項目管理體系，搭建站場、線路、建筑、經濟數字化設計四大平臺，實現多專業的數字化協同設計[1]。基于管道全生命周期管理的數字化設計工作在哈沈線、中俄東線、閩粵支干線等項目取得了實質性的成果，完成了管道全生命周期管理的初步設計、施工圖設計等多個重要階段的適應性試驗，開創了長輸油氣管道數字化設計的先河。

閩粵支干線是國家重點互聯互通項目之一，也是粵東地區重要的天然氣長輸管道之一，線路全長385.8 km，管徑813 mm，設計壓力10 MPa，設計輸量58.1×108m3/a（標況），沿線設置4 座站場，17 座閥室。為實現閩粵支干線的管道站場的全數字化協同設計，以Smart Plant系列軟件為基礎，結合Revit、AutoCAD Civil 3D和Pro/Engineer軟件，形成了工藝、儀表、給排水、消防、熱工、通信和電力等專業一體化的管道站場綜合設計流程，實現了管道站場跨專業一體化設計，可為我國未來長輸油氣管道站場的數字化設計提供相應的參考依據。

1 數字化協同設計軟件的選用

閩粵支干線工程站場采用了多種設計軟件進行協同設計，包括Intergraph 公司的Smart Plant 系列、Autodesk公司AutoCAD與Revit系列、PTC公司的Pro/Engineer軟件等，具體軟件功能如表1所示。

表1 數字化協同設計軟件及主要功能Tab.1 Digital collaborative design software and its main functions

2 全數字化協同設計體系

管道站場全數字化協同設計體系包括工藝、儀表、給排水、消防、熱工、通信、電信及信息等多個專業。根據項目信息定制模塊，定制項目所用材料及外部數據，并創建數字化設計“工廠”；各專業根據專業分工進行數字化設計，設計過程中，各專業分別對本專業模型進行數據錄入與賦值，分階段進行數字化設計審查，并根據審查意見對模型進行調整，最終確定模型。項目結束后，將數字化設計模型、機構化數據及非結構化數據移交給運行單位[6]。數字化協同設計平臺及設計軟件如圖1、圖2所示。

圖1 數字化協同設計平臺Fig.1 Digital collaborative design platform

圖2 數字化協同設計軟件Fig.2 Digital collaborative design software

3 設計過程

3.1 數字化工廠建立與分解

數字化工廠以數據信息為基礎，以多元化、多專業的數據庫作為支撐，按照智慧管道、智能管網的構想，充分利用高新技術，構建一個數字化平臺，集成站場中各專業的數據信息，為管道的建設與運行管理提供一個科學的、可視的、高效的管理工具[7]。數字化工廠按照《油氣管道工程項目工作分解結構編碼規則》及《油氣管道工程項目文件編碼規則》規定進行結構分解。將站場閥室內功能區分為工藝設備區、壓縮機區、壓縮空氣區、空冷器區、排污區、閥組區及放空區等，完成數字化協同設計工廠的搭建。

3.2 建立圖例符號和材料等級庫

繪制三維模型前，將項目所需的管材、管件、設備按照不同的壓力等級及尺寸進行統計，根據統計的設備材料表選取圖例符號。以閥門為例，所用閥門種類有手動球閥、電動球閥、氣液聯動球閥、手動節流截止放空閥、手動閥套式排污閥、手動旋塞閥等。已球閥為例，不同驅動方式的球閥的閥體為同一種圖例，而區別在于球閥的執行機構的選擇（圖3）。在閩粵支干線三維設計中，儀表設備不僅要在三維中予以定位，還要給予相關定義及描述，可以在圖例符號搭建過程中對儀表設備進行拆分，分為儀表根部元件、配對法蘭截止閥、儀表顯示元件等三部分（圖4）。

圖3 執行機構示意Fig.3 Schematic diogram of actuator

圖4 3D中儀表元件添加效果Fig.4 Adding effect of instrument element in 3D

材料等級庫中標準尺寸數據量龐大，包括美標、歐標、國標等規范的尺寸信息[8]。根據項目的實際需求，將大量的材料編碼、物理尺寸、端面尺寸、等級數據按需求統一部署，針對不同的用戶對材料編碼的描述語言進行調整，通過調整后臺Oracle數據庫的Package包參數實現設置。

3.3 運用Smart Plant P&ID繪制智能P&ID

與常規的設計軟件不同的是，Smart Plant P&ID具有數據庫系統的支持，在繪制P&ID 時，不僅需要圖例符號描述工藝流程，而且還要輸入正確的管道、設備、儀表數據。利用這些數據可以生成P&ID 所包含設備的數據信息，包括管道尺寸、材料等級、設計壓力、設計溫度、操作壓力、操作溫度等，以便于進行全生命周期數據的移交[9]。數據傳遞模式如圖5所示。

圖5 P&ID數據傳遞Fig.5 Data transmission in P&ID

Smart Plant P&ID 軟件是工藝、配管、儀表三個專業的數字化設計進行有效協同的基礎。每創建一個P&ID 圖紙就會在數據庫中產生相應的記錄，而圖面內的所有信息都是有屬性的[10]，也和P&ID數據字典的搭建相關。完成繪制后，P&ID 圖中的所有信息都可以通過數據鏈接傳遞到SP3D 和SPI中，也可利用數據庫中的數據生成一系列的全生命周期數據移交報表[11]。通過數據庫向配管、儀表專業傳遞P&ID 中的數據，從而實現各專業的協同設計與數據共享，避免了數據重復輸入，提高了數據的一致性[12]。新的設計方法可進一步地縮短設計時間，提高整體設計效率，進一步增強了項目的適應性。

3.4 運用Smart Plant 3D搭建三維模型

以往進行3D 設計時，需要根據工藝流程圖中的管線編號對每條管道進行創建[13]，此外需要從龐大材料等級庫中對材料等級及尺寸進行選擇，而且編制管線號及材料等級的過程極為繁瑣、極為耗時，容易出錯。Smart Plant P&ID 的繪制是數字化協同設計的基礎。在閩粵支干線數字化設計過程中，將P&ID繪制成果通過Smart Plant Foundation發布到各站場相對應的3D 工廠中，站場中所有用到的數據庫信息一次性地傳遞到3D工廠中。

P&ID與3D的關聯匹配優勢在于直接消除了新建管道、選擇材料等級及編號的過程，直接點選P&ID傳遞到3D中的相關信息編號即可進行三維模型的繪制[14]。此處的協同設計能夠節省40%以上的數字化設計時間。P&ID與3D的數字化協同設計是工程實踐的集中體現，P&ID 與3D 協同設計如圖6所示，數據庫與3D信息對比如圖7所示。

圖6 P&ID與3D協同設計Fig.6 Collaborative design of P&ID and 3D

圖7 數據庫與3D信息對比Fig.7 Information comparison of database and 3D

3.5 外部模型的搭建、導入與參照

Smart Plant 3D 數字化設計平臺的搭建，需要各相關外部模型的協同設計。由建筑、總圖、結構、機械四個專業分別在Revit、Civil 3D[15]及PRO/E等數字化設計軟件中進行設計，設計完成后將數字化模型導入到三維模型中，進行模型調試及整合。PRO/E模型導入如圖8所示，其他專業模型導入如圖9所示。

圖8 PRO/E模型導入Fig.8 PRO/E model import

圖9 其他專業模型導入Fig.9 Other major model import

3.6 運用Smart Plant Review協助模型審查

Smart Plant Review 是基于SP3D 設計的三維模型漫游展示軟件。該軟件的應用為工程技術人員提供了豐富的三維視覺效果，可以快速檢索信息，能夠實現視點穿越，精確地分析管道及設備的定位，同時能夠進行碰撞檢查，還能進行相關工程量的統計，并且能夠幫助優化施工邏輯，合理安排施工計劃。閩粵支干線站場效果圖如圖10 所示，現場鳥瞰圖如圖11所示。

圖10 效果圖制作Fig.10 Rendering produced

圖11 現場鳥瞰圖Fig.11 Aerial view of the scene

3.7 運用Smart Plant Instrumentation進行儀表自控設計

全數字化協同設計的另外一個重要的組成部分是P&ID與SPI的關聯設計[16]。工程設計一直是一個多專業協作完成的過程，在設計過程中，需要高效和高質量的數據傳遞和數據交換機共享，才能實現協同設計的目的。Smart Plant Instrumentation 是基于數字化設計的數據庫，提供了數據交換和共享的平臺，并通過SPF 將P&ID 中相關的邏輯信號及儀表信息傳遞至SPI中，能夠解決在工程設計過程中數據的生成、復用、修改、瀏覽、傳遞等功能。

3.8 數字化設計交付

數字化設計依托設備部件為結構基礎，以三維模型為載體，集成設備非結構化文件資料，掛載設備及部件生產階段靜態數據，預留建設、運行階段動態數據接口，實現智能管道全數字化移交、全生命周期管理、全智能化運行需求的設備資料交付[17]。目前已在河池壓氣站、中俄東線項目上開展了實踐應用。數字化設計交付界面如圖12所示。

圖12 數字化設計交付Fig.12 Digital design delivery

4 結論

通過在閩粵支干線站場中采用全數字化協同設計，工藝、儀表、配管等專業依托云計算、大數據的三維模型設計，不僅提高了30%以上的數字化設計效率，而且提高了40%以上的數字化設計準確度。閩粵支干線全數字化協同設計的應用，為業主提供了可視化、精細化的三維設計圖紙及模型成果，滿足業主、用戶三維數字化移交技術及數字孿生體要求，并在中俄東線北段即將初步建成實體管道和數字孿生體管道，為智能化管理平臺的搭建奠定了堅實的基礎，也為今后的智能管道、智慧管網的發展提供了參考數據。