基于數據集成平臺的LNG 接收站數字化設計流程研究

閆瑋祎

（中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028）

0 前言

LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然氣）是我國近年來發展最為快速的能源供應形式，也是實現能源轉型的中堅力量。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LNG 項目十幾年建設經驗來看，以傳統模式設計與交付的LNG 接收站項目，在設計協同方面暴露的問題已在很大程度上影響了整體設計效率。同時，由于設計成果只是簡單的文檔移交，這使得業主方在運營維護中缺少完整有效的基礎數據，給接收站后期運營增加了風險和成本。針對這一現狀，近年來國內各LNG 企業正逐漸開始制定各類全面建設數字化生產經營環境的戰略目標，體現了當前LNG 行業數字化建設的迫切需求。本文針對當前國內LNG 接收站項目數字化設計交付研究相對不足的狀況，提出了各設計專業如何在數據集成平臺、設計軟件的協助下開展數字化協同設計的工作流程，為國內LNG 接收站項目的數字化設計交付體系建設提供思路。

1 LNG 接收站工程設計與交付問題分析

隨著國內LNG 行業的快速發展，與接收站工程相關的LNG 氣化、儲罐結構等關鍵技術也不斷取得了突破性進展，設計能力也日趨成熟。與此同時，由于相關行業標準制定的滯后以及標準設計流程缺失等客觀因素，使得電儀、安全等輔助專業均在一定程度上保留了傳統化工行業的設計慣性，這就造成了與主專業在一些設計細節上的節奏脫節。再加上接收站工程設計具有界面較多的特點，使當前設計工作暴露了一些問題，制約了設計工作效率及質量。通過對近年來LNG項目設計階段的質量考核結果，以及施工安裝階段發生的“設計變更單”中所反映的設計問題進行梳理總結發現，專業間、工程界面間、不同階段間的信息傳遞是制約LNG 接收站項目設計效率及質量提高的重要因素。

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

2 數字化協同設計基本框架

2.1 協同設計專業分工

專業間協調問題的發生主要是因為LNG 行業處在快速成長階段，各專業設計規范的發展速度差異導致對設計深度理解不同，同時設計語言的不同也阻礙了有效的溝通。因此，研究梳理了傳統設計流程下接收站工程的六個主要專業，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點。具體如圖1 所示。

圖1 接收站工程設計條件傳遞路徑

總結發現，因信息不匹配而造成設計錯誤，更多的是發生在傳遞路徑較長，以及信息在不同工程界面間傳遞的情況下。因此，協同設計實現的關鍵在于設計信息能夠以規定的模式在各專業間、各界面間快速傳遞，且隨著設計流程的推進，各專業能將其他專業不斷變化的設計條件以及下游環節反饋的變更需求快速反映到設計文件中。

因此，在協同設計流程中，需要借助協同管理平臺來實現不同專業、不同設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。回顧國內已建成的十余個LNG 接收站項目的設計經驗，在制定協同設計框架和機制時可將已存在的一些典型協調問題考慮進去，同時該體系可以在實踐中不斷發現問題并進行完善，形成良性循環。與此同時，專業間的設計界面應做到靈活可變，以適用不同專業隨時發生的技術革新。

2.2 協同設計基本框架

根據各專業在設計工作中的任務劃分，研究以協同管理平臺為核心，提出了協同設計基本框架，如圖2所示。

圖2 LNG 接收站項目協同設計框架

在協同設計框架結構中，整個設計工作流程的定制圍繞協同管理平臺對數據的傳遞功能展開，在數據傳遞的過程中，管理平臺對各類文檔及設計條件綁定適用的工作流程，主要包括設計條件輸入、接口資料交換、設計成果校審、設計修改等流程。在工作定制完成并形成標準化流程后，設計人員在設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。

作為實現數字化協同設計的核心，協同管理平臺除滿足專業間數據傳遞以及最終成果交付的功能外，還需具有完善的數據查詢、文檔管理、任務分配等功能模塊來實現集成管理的職能。

3 數字化協同設計流程

3.1 協同設計工作流程

通過AVEVA、INERGRAPH 數字化平臺的集成管理以及可與平臺數據交互的各專業設計軟件輔助，是實現LNG 接收站項目協同設計的必要途徑［5-6］。為提高專業間設計信息的傳遞效率，實現快捷有效的數字化協同設計，研究針對設計信息傳遞需求及圖1中的信息傳遞錯誤易發點，結合當前接收站傳統設計流程和圖2 協同設計框架，在圖3 中提出了LNG 接收站項目開展數字化協同設計的工作流程設想。

圖3 數字化協同設計數據傳遞流程

依據圖3 所述工作流程，LNG 接收站工程以數據集成平臺為信息傳遞核心，可按步驟開展數字化協同設計，各專業具體工作細節如下。

建立材料庫。設計人員將通過材料管理軟件開展基礎建庫工作，滿足三維工廠設計軟件定義的材料需求，同時向3D 建模軟件提供LNG 行業的材料庫數據，以便后續開展建模工作。

工藝系統設計。工藝系統的設計工作是整個接收站設計的基礎，管道專業在確定管道材料等級后，工藝專業將在工藝流程設計軟件中完成高壓外輸系統、儲罐系統等系統的工藝儀表流程圖繪制工作，在完成專業內部審核后將圖紙和數據發送至集成平臺。

儀表系統設計。集成平臺將工藝系統數據傳遞給儀表設計軟件，儀表專業首先對接收圖紙進行審查，確保各檢測點的合理性，如有建議將返回工藝專業優化P&ID 后重新輸出設計條件。若儀表專業無意見，將根據P&ID條件開展溫度計量、壓力計量、流量計量、變送器等設備的選型及數據表編制的設計工作。

當儀表數據表設計完成后，這些數據將被發送至數據集成平臺。數據集成平臺將P&ID 和儀表設備條件傳遞至全廠3D 建模軟件，管道專業根據數據集成發布的條件進行設備定位，在3D 建模軟件中完成管道的初步建模工作。

電氣系統設計與建模。電氣專業將根據上游傳遞的設備條件開展電氣系統設計工作，其中設備的數量、能力數據將隨P&ID 數據由數據集成平臺傳遞，并在電氣設計軟件設計過程中進行協同，但這些基礎條件不能完全滿足電氣設計需求，因此，此處需設備專業對軸功率、泵效率等參數進行補充以形成完整的設計條件，隨后電氣專業在設計軟件內置屬性的輔助下，進行用電設備表、電纜清冊、單線系統圖等的設計工作。

設備建模。在初步建模工作中，管道專業已根據P&ID 條件完成了設備定位和模型搭建工作，但模型中各設備處于詳細設備參數信息缺失狀態。因此在初步建模基礎上，設備專業將通過導入“設備信息采集模板”的信息，補全設備參數并對三維中的設備模型進行確認。

建筑設計與建模。管道專業在初步建模階段會建立廠區建筑結構的模糊模型用于輔助設施定位工作，建筑結構專業在設計階段通常會利用其他建筑建模軟件如BIM 等進行詳細建模工作。

管道設計與全廠3D 建模。整個3D 建模工作實際包含了管道、機械設備、儀表設備、電氣電纜橋架、建構筑物等多個對象，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主導，其他相關專業輔助確認的工作模式。

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據集成平臺，隨后數據集成平臺可根據設計成果文件形成工程的材料清單，形成完整的設計成果。3D 建模軟件在集成設計中的主要工作有：接收PID 圖紙、接收儀表數據表、接收電纜表、發布三維模型、發布成品圖紙和發布報告等。

3.2 數字化設計成果交付

為滿足后續施工安裝階段以及業主后期工廠運營需求，由數據集成平臺輸出的最終設計成果將由數字化接收平臺接收，設計成果包括由PDS、PDMS、SP3D 等主流工廠設計軟件生成的三維模型、各專業設計數據，以及能被交付平臺集成的圖紙文檔。一個完整的數字化接收平臺將會吸納建設期內各環節的全部數據信息，并在統一的標準規范下進行整合、關聯，從而實現對接收站全生命周期的數字化管理［7］。石油化工行業已在2018 年發布了“GB/T 51296-2018 石油化工工程數字化交付標準”［8］，目前LNG 行業正在此基礎上結合LNG 項目特點，逐漸形成適用于LNG 行業的數字化成果交付標準。

4 結論

工廠的數字化升級是當前工業領域的發展趨勢。對于工程項目來說，數字化的設計交付體系為工廠提供了系統性、關聯性的設計信息，是建立數字化工廠的重要數據來源和數據基礎。

近年來國內LNG 行業正逐步加強對建設數字化工廠的重視［9-10］，各大石油化工企業提出了開展數字化體系建設的目標。從一座LNG 接收站項目全生命周期管理的角度出發，設計數據將貫穿整個工程項目生命周期，因此，數字化設計與交付體系的建立和應用是實現LNG項目數字化工廠建設目標的必要前提。通過該體系實現對設計階段數據資產的有效管理，可為項目后續階段整體工程建設效率的提高帶來幫助。

目前LNG 接收站項目在設計過程及成果應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效率的提高。因此，開展LNG 項目的數字化設計與交付系統研究，提出合理可行的基礎規則及工作流程，并盡快在LNG 工程項目中有效應用，是當前LNG行業發展的迫切需求。