基于全數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的天然氣管道工程站場設(shè)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(shè)。此后20 年，我國相繼建設(shè)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(zhàn)略儲備，另一方面促進了管道及站場設(shè)計全面進入“數(shù)字化設(shè)計”階段。

2003 年是數(shù)字化管道初級階段，冀寧聯(lián)絡(luò)線首次提出數(shù)字化管道建設(shè)目標(biāo)，實現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)的局部應(yīng)用；2005 年是推出階段，雙蘭管道首次實施PCM；2008 年全面推廣應(yīng)用，實現(xiàn)施工數(shù)據(jù)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(shù)字化設(shè)計體系和全生命周期數(shù)據(jù)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(shè)試點，從此數(shù)字管道走上了智能管道、智慧管網(wǎng)的新時代。

從2011 年開始，管道設(shè)計院進行了“以設(shè)計為源頭開展管道全生命周期管理”的數(shù)字化、協(xié)同化設(shè)計等多項研究，引領(lǐng)長輸管道行業(yè)從設(shè)計的源頭上制訂管道全生命周期管理規(guī)劃，建立適應(yīng)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(jīng)濟數(shù)字化設(shè)計四大平臺，實現(xiàn)多專業(yè)的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計[1]。基于管道全生命周期管理的數(shù)字化設(shè)計工作在哈沈線、中俄東線、閩粵支干線等項目取得了實質(zhì)性的成果，完成了管道全生命周期管理的初步設(shè)計、施工圖設(shè)計等多個重要階段的適應(yīng)性試驗，開創(chuàng)了長輸油氣管道數(shù)字化設(shè)計的先河。

閩粵支干線是國家重點互聯(lián)互通項目之一，也是粵東地區(qū)重要的天然氣長輸管道之一，線路全長385.8 km，管徑813 mm，設(shè)計壓力10 MPa，設(shè)計輸量58.1×108m3/a（標(biāo)況），沿線設(shè)置4 座站場，17 座閥室。為實現(xiàn)閩粵支干線的管道站場的全數(shù)字化協(xié)同設(shè)計，以Smart Plant系列軟件為基礎(chǔ)，結(jié)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(yè)一體化的管道站場綜合設(shè)計流程，實現(xiàn)了管道站場跨專業(yè)一體化設(shè)計，可為我國未來長輸油氣管道站場的數(shù)字化設(shè)計提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

1 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計軟件的選用

閩粵支干線工程站場采用了多種設(shè)計軟件進行協(xié)同設(shè)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(shù)字化協(xié)同設(shè)計軟件及主要功能Tab.1 Digital collaborative design software and its main functions

2 全數(shù)字化協(xié)同設(shè)計體系

管道站場全數(shù)字化協(xié)同設(shè)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(yè)。根據(jù)項目信息定制模塊，定制項目所用材料及外部數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建數(shù)字化設(shè)計“工廠”；各專業(yè)根據(jù)專業(yè)分工進行數(shù)字化設(shè)計，設(shè)計過程中，各專業(yè)分別對本專業(yè)模型進行數(shù)據(jù)錄入與賦值，分階段進行數(shù)字化設(shè)計審查，并根據(jù)審查意見對模型進行調(diào)整，最終確定模型。項目結(jié)束后，將數(shù)字化設(shè)計模型、機構(gòu)化數(shù)據(jù)及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)移交給運行單位[6]。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺及設(shè)計軟件如圖1、圖2所示。

圖1 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺Fig.1 Digital collaborative design platform

圖2 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計軟件Fig.2 Digital collaborative design software

3 設(shè)計過程

3.1 數(shù)字化工廠建立與分解

數(shù)字化工廠以數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，以多元化、多專業(yè)的數(shù)據(jù)庫作為支撐，按照智慧管道、智能管網(wǎng)的構(gòu)想，充分利用高新技術(shù)，構(gòu)建一個數(shù)字化平臺，集成站場中各專業(yè)的數(shù)據(jù)信息，為管道的建設(shè)與運行管理提供一個科學(xué)的、可視的、高效的管理工具[7]。數(shù)字化工廠按照《油氣管道工程項目工作分解結(jié)構(gòu)編碼規(guī)則》及《油氣管道工程項目文件編碼規(guī)則》規(guī)定進行結(jié)構(gòu)分解。將站場閥室內(nèi)功能區(qū)分為工藝設(shè)備區(qū)、壓縮機區(qū)、壓縮空氣區(qū)、空冷器區(qū)、排污區(qū)、閥組區(qū)及放空區(qū)等，完成數(shù)字化協(xié)同設(shè)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(shè)備按照不同的壓力等級及尺寸進行統(tǒng)計，根據(jù)統(tǒng)計的設(shè)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(lián)動球閥、手動節(jié)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(qū)動方式的球閥的閥體為同一種圖例，而區(qū)別在于球閥的執(zhí)行機構(gòu)的選擇（圖3）。在閩粵支干線三維設(shè)計中，儀表設(shè)備不僅要在三維中予以定位，還要給予相關(guān)定義及描述，可以在圖例符號搭建過程中對儀表設(shè)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(zhí)行機構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)尺寸數(shù)據(jù)量龐大，包括美標(biāo)、歐標(biāo)、國標(biāo)等規(guī)范的尺寸信息[8]。根據(jù)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(shù)據(jù)按需求統(tǒng)一部署，針對不同的用戶對材料編碼的描述語言進行調(diào)整，通過調(diào)整后臺Oracle數(shù)據(jù)庫的Package包參數(shù)實現(xiàn)設(shè)置。

3.3 運用Smart Plant P&ID繪制智能P&ID

與常規(guī)的設(shè)計軟件不同的是，Smart Plant P&ID具有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)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(shè)備、儀表數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)可以生成P&ID 所包含設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，包括管道尺寸、材料等級、設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、操作壓力、操作溫度等，以便于進行全生命周期數(shù)據(jù)的移交[9]。數(shù)據(jù)傳遞模式如圖5所示。

圖5 P&ID數(shù)據(jù)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(yè)的數(shù)字化設(shè)計進行有效協(xié)同的基礎(chǔ)。每創(chuàng)建一個P&ID 圖紙就會在數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)生相應(yīng)的記錄，而圖面內(nèi)的所有信息都是有屬性的[10]，也和P&ID數(shù)據(jù)字典的搭建相關(guān)。完成繪制后，P&ID 圖中的所有信息都可以通過數(shù)據(jù)鏈接傳遞到SP3D 和SPI中，也可利用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)生成一系列的全生命周期數(shù)據(jù)移交報表[11]。通過數(shù)據(jù)庫向配管、儀表專業(yè)傳遞P&ID 中的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計與數(shù)據(jù)共享，避免了數(shù)據(jù)重復(fù)輸入，提高了數(shù)據(jù)的一致性[12]。新的設(shè)計方法可進一步地縮短設(shè)計時間，提高整體設(shè)計效率，進一步增強了項目的適應(yīng)性。

3.4 運用Smart Plant 3D搭建三維模型

以往進行3D 設(shè)計時，需要根據(jù)工藝流程圖中的管線編號對每條管道進行創(chuàng)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(shù)字化協(xié)同設(shè)計的基礎(chǔ)。在閩粵支干線數(shù)字化設(shè)計過程中，將P&ID繪制成果通過Smart Plant Foundation發(fā)布到各站場相對應(yīng)的3D 工廠中，站場中所有用到的數(shù)據(jù)庫信息一次性地傳遞到3D工廠中。

P&ID與3D的關(guān)聯(lián)匹配優(yōu)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(guān)信息編號即可進行三維模型的繪制[14]。此處的協(xié)同設(shè)計能夠節(jié)省40%以上的數(shù)字化設(shè)計時間。P&ID與3D的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計是工程實踐的集中體現(xiàn)，P&ID 與3D 協(xié)同設(shè)計如圖6所示，數(shù)據(jù)庫與3D信息對比如圖7所示。

圖6 P&ID與3D協(xié)同設(shè)計Fig.6 Collaborative design of P&ID and 3D

圖7 數(shù)據(jù)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(dǎo)入與參照

Smart Plant 3D 數(shù)字化設(shè)計平臺的搭建，需要各相關(guān)外部模型的協(xié)同設(shè)計。由建筑、總圖、結(jié)構(gòu)、機械四個專業(yè)分別在Revit、Civil 3D[15]及PRO/E等數(shù)字化設(shè)計軟件中進行設(shè)計，設(shè)計完成后將數(shù)字化模型導(dǎo)入到三維模型中，進行模型調(diào)試及整合。PRO/E模型導(dǎo)入如圖8所示，其他專業(yè)模型導(dǎo)入如圖9所示。

圖8 PRO/E模型導(dǎo)入Fig.8 PRO/E model import

圖9 其他專業(yè)模型導(dǎo)入Fig.9 Other major model import

3.6 運用Smart Plant Review協(xié)助模型審查

Smart Plant Review 是基于SP3D 設(shè)計的三維模型漫游展示軟件。該軟件的應(yīng)用為工程技術(shù)人員提供了豐富的三維視覺效果，可以快速檢索信息，能夠?qū)崿F(xiàn)視點穿越，精確地分析管道及設(shè)備的定位，同時能夠進行碰撞檢查，還能進行相關(guān)工程量的統(tǒng)計，并且能夠幫助優(yōu)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(xiàn)場鳥瞰圖如圖11所示。

圖10 效果圖制作Fig.10 Rendering produced

圖11 現(xiàn)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(shè)計

全數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的另外一個重要的組成部分是P&ID與SPI的關(guān)聯(lián)設(shè)計[16]。工程設(shè)計一直是一個多專業(yè)協(xié)作完成的過程，在設(shè)計過程中，需要高效和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)交換機共享，才能實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計的目的。Smart Plant Instrumentation 是基于數(shù)字化設(shè)計的數(shù)據(jù)庫，提供了數(shù)據(jù)交換和共享的平臺，并通過SPF 將P&ID 中相關(guān)的邏輯信號及儀表信息傳遞至SPI中，能夠解決在工程設(shè)計過程中數(shù)據(jù)的生成、復(fù)用、修改、瀏覽、傳遞等功能。

3.8 數(shù)字化設(shè)計交付

數(shù)字化設(shè)計依托設(shè)備部件為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，以三維模型為載體，集成設(shè)備非結(jié)構(gòu)化文件資料，掛載設(shè)備及部件生產(chǎn)階段靜態(tài)數(shù)據(jù)，預(yù)留建設(shè)、運行階段動態(tài)數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)智能管道全數(shù)字化移交、全生命周期管理、全智能化運行需求的設(shè)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(yīng)用。數(shù)字化設(shè)計交付界面如圖12所示。

圖12 數(shù)字化設(shè)計交付Fig.12 Digital design delivery

4 結(jié)論

通過在閩粵支干線站場中采用全數(shù)字化協(xié)同設(shè)計，工藝、儀表、配管等專業(yè)依托云計算、大數(shù)據(jù)的三維模型設(shè)計，不僅提高了30%以上的數(shù)字化設(shè)計效率，而且提高了40%以上的數(shù)字化設(shè)計準(zhǔn)確度。閩粵支干線全數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的應(yīng)用，為業(yè)主提供了可視化、精細化的三維設(shè)計圖紙及模型成果，滿足業(yè)主、用戶三維數(shù)字化移交技術(shù)及數(shù)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(shù)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(chǔ)，也為今后的智能管道、智慧管網(wǎng)的發(fā)展提供了參考數(shù)據(jù)。