李金彪

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司深入學(xué)習(xí)領(lǐng)會(huì)國(guó)家推動(dòng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略思想，以信息化推動(dòng)科技創(chuàng)新和管理改革，進(jìn)一步增強(qiáng)信息化的自覺性和緊迫性，讓信息化成為推動(dòng)上游業(yè)務(wù)高質(zhì)量發(fā)展新動(dòng)能[1]。2020 年及“十四·五”期間，勘探與生產(chǎn)公司將強(qiáng)力推進(jìn)信息化建設(shè)工作，以勘探開發(fā)夢(mèng)想云為重要抓手，依托夢(mèng)想云統(tǒng)籌各類信息系統(tǒng)，按照“強(qiáng)基礎(chǔ)、補(bǔ)短板、促應(yīng)用”的工作思路，持續(xù)夯實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，加強(qiáng)業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)，堅(jiān)持先進(jìn)的信息化技術(shù)與主營(yíng)業(yè)務(wù)深度融合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、管理協(xié)同化、研究智能化，促進(jìn)上游業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型智能化發(fā)展[2]。數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展是油氣工業(yè)不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，而基于數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的交付應(yīng)用是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)工作[3]。為順應(yīng)數(shù)字化時(shí)代的發(fā)展，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司將管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型作為管理創(chuàng)新的重要方向，大慶油田紅壓油氣處理廠天然氣凈化工程和薩南深冷裝置擴(kuò)建工程都進(jìn)行了數(shù)字化交付，數(shù)字化交付的前提是數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)。本文將對(duì)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)在天然氣處理廠數(shù)字化移交過程中的深度應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)路線

1.1 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)概念

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，多專業(yè)設(shè)計(jì)人員在協(xié)同工作模式下，通過協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)開展設(shè)計(jì)，各專業(yè)信息通過平臺(tái)進(jìn)行共享，并最終用帶有多專業(yè)工程信息的三維模型及系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生工程圖紙和材料清單的過程。

1.2 技術(shù)路線

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)總技術(shù)路線（圖1）主要分為管道材料管理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置設(shè)計(jì)三部分。

圖1 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)路線Fig.1 Technical route of digital collaborative design

（1）管道材料管理。利用ERM 平臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目級(jí)材料編碼定制和等級(jí)生成工作，為PDMS 提供全套管道等級(jí)庫(kù)，同時(shí)為后續(xù)的采購(gòu)、施工、運(yùn)維提供完整的管道材料編碼。

（2）數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。工藝自控專業(yè)應(yīng)用COMOS P&ID 軟件進(jìn)行智能P&ID 繪制和數(shù)據(jù)錄入，電力、自控系統(tǒng)利用COMOS EI&C 開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（3）數(shù)字化布置設(shè)計(jì)。配管、電、控、信在PDMS 平臺(tái)上開展三維設(shè)計(jì)，土建專業(yè)、暖通專業(yè)使用Revit 軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，機(jī)械專業(yè)采用Solidworks 軟件進(jìn)行設(shè)備建模。

2 管道材料管理

2.1 管道材料編碼概念及意義

材料編碼是以簡(jiǎn)短的文字、符號(hào)或數(shù)字、號(hào)碼來(lái)代表物料、品名、規(guī)格或類別及其他有關(guān)事項(xiàng)的一種管理工具。材料編碼數(shù)據(jù)庫(kù)是工程設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，貫穿整個(gè)工程設(shè)計(jì)流程，對(duì)為工程提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)具有重要意義[4]。在工程建設(shè)領(lǐng)域中，采用材料編碼，可以使各種物料數(shù)據(jù)傳遞迅速、溝通更加容易，提高各部門的工作效率。

2.2 管道材料編碼應(yīng)用

通過建立物資材料分類，建立各類物資材料編碼結(jié)構(gòu)，建立物資材料屬性數(shù)據(jù)字典庫(kù)，編制了分級(jí)目錄，確定了編碼規(guī)則，并編制了《設(shè)備材料編碼規(guī)定—管道類》，通過該規(guī)定指導(dǎo)現(xiàn)有的5 大類管道等級(jí)規(guī)定（通用等級(jí)規(guī)定、天然氣處理廠等級(jí)規(guī)定、氣田高壓等級(jí)規(guī)定、高壓注水等級(jí)規(guī)定、長(zhǎng)輸管道等級(jí)規(guī)定），編制出紅壓和薩南管道材料設(shè)計(jì)規(guī)定，ERM 引用管道材料設(shè)計(jì)規(guī)定，形成項(xiàng)目級(jí)材料編碼結(jié)構(gòu)庫(kù)，PDMS 獲取等級(jí)庫(kù)數(shù)據(jù)，開展建模。

3 數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)技術(shù)路線

目前石油石化行業(yè)工程公司多采用COMOS 和ASPEN Tech 開展前端數(shù)據(jù)管理[5]。COMOS FEED（工藝前端工程設(shè)計(jì)管理軟件）中，實(shí)現(xiàn)了各軟件間的數(shù)據(jù)共享和自動(dòng)傳遞[6]，HYSYS 軟件分為動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)模擬兩大部分，主要用于油田地面工程建設(shè)設(shè)計(jì)和石油石化煉油工程設(shè)計(jì)計(jì)算分析[7]。紅壓油氣處理廠天然氣凈化工程新建90×104m3/d 天然氣凈化裝置以及4×104m3/d 尾氣回收裝置各1 套，在設(shè)計(jì)過程中，制定了數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)路線（圖2）。采用HYSYS 軟件對(duì)紅壓凈化設(shè)置進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬（圖3），通過COMOS FEED 定制開發(fā)，打通了工藝前端數(shù)據(jù)流（圖4），利用COMOS FEED 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)從HYSYS 工藝計(jì)算模擬軟件到PFD（Program Flow Diagram）的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，同時(shí)也達(dá)到從PFD 工藝流股到P&ID（Piping And Instrumentation Diagram）工藝流股的數(shù)據(jù)傳遞，以及對(duì)其他接口的數(shù)據(jù)傳遞。

圖2 數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)路線Fig.2 Technical route of digital system design

圖3 紅壓穩(wěn)態(tài)模擬Fig.3 Steady state simulation in Hongya plant

圖4 打通工藝前端數(shù)據(jù)流Fig.4 Open the process front-end data flow

3.2 COMOS 二次開發(fā)及應(yīng)用

COMOS 是以COMOS PLATFORM（企業(yè)數(shù)據(jù)中心）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，在數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行了COMOS 二次開發(fā)，為便于定制開發(fā)方案，將COMOS PLATFORM 開發(fā)分為基礎(chǔ)開發(fā)、COMOS FEED 工藝前端設(shè)計(jì)開發(fā)、COMOS P&ID 工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)、COMOS-PDMS 二三維協(xié)同開發(fā)四部分。

3.2.1 基礎(chǔ)開發(fā)

（1）項(xiàng)目WBS 分解結(jié)構(gòu)。確定WBS 分解結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目按照WBS 分解立項(xiàng)。按照區(qū)域、單元的編號(hào)將管道、閥門、設(shè)備和儀表位號(hào)等自動(dòng)引用到對(duì)應(yīng)區(qū)域，并確定引用深度。

（2）工程對(duì)象命名規(guī)則。指導(dǎo)PFD 和P&ID 建庫(kù)，按《工程對(duì)象命名規(guī)則》進(jìn)行命名。

（3）文件管理結(jié)構(gòu)。文件管理界面與院文件管理平臺(tái)接口互通。

（4）文件編碼規(guī)則。文件編碼規(guī)則與文件管理平臺(tái)形成對(duì)接。

（5）用戶和權(quán)限管理。對(duì)項(xiàng)目管理規(guī)則、權(quán)限分配、臨時(shí)項(xiàng)目建立等內(nèi)容進(jìn)行定制。

（6）數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。依據(jù)中石油新版數(shù)字化移交規(guī)定中對(duì)類庫(kù)的相關(guān)規(guī)定，圖紙按照PFD 和P&ID分開定制，圖元庫(kù)按照PFD 和P&ID 分開訂制，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)PFD 和P&ID 互通互聯(lián)，形成公司級(jí)的數(shù)據(jù)源。

3.2.2 COMOS FEED 工藝前端設(shè)計(jì)開發(fā)

（1）模擬軟件數(shù)據(jù)導(dǎo)入。工藝模擬軟件：HYSYS 模擬計(jì)算數(shù)據(jù)流導(dǎo)入到COMOS FEED，結(jié)合模擬軟件數(shù)據(jù)導(dǎo)入，確定工藝介質(zhì)物性及相關(guān)參數(shù)，并能對(duì)接口進(jìn)行規(guī)范、對(duì)傳輸數(shù)據(jù)參數(shù)和單位進(jìn)行定制。

（2）FEED 階段工程對(duì)象庫(kù)。根據(jù)各專業(yè)圖例進(jìn)行定制通用圖元，并對(duì)線型、字體進(jìn)行定制。

（3）工藝計(jì)算軟件集成。將油氣集輸專業(yè)、給排水專業(yè)、加工專業(yè)、熱工專業(yè)常用工藝計(jì)算軟件集成到FEED 里，如安全閥計(jì)算、管徑計(jì)算、流速計(jì)算等。

3.2.3 COMOS P&ID 工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

（1）圖面顯示內(nèi)容。包括線寬、圖面位置、設(shè)備管道布置要求等。

（2）設(shè)計(jì)規(guī)則。例如PN16 的管線可以放置PN25 的閥門，但PN25 的管線不可以放置PN16 的閥門等。

（3）提資表單區(qū)域。包括工藝自控設(shè)計(jì)條件表、普通容器設(shè)計(jì)條件表、組合裝置設(shè)計(jì)條件表、加熱爐設(shè)計(jì)條件表、塔器設(shè)計(jì)條件表、冷換設(shè)備設(shè)計(jì)條件表、立式儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)條件表、單體（設(shè)備）配電設(shè)計(jì)條件表、防腐設(shè)計(jì)條件表、總圖設(shè)計(jì)條件表、儀表設(shè)計(jì)條件表、電力設(shè)計(jì)條件表、通信設(shè)計(jì)條件表。

（4）匯總表單區(qū)域。包括管段表、容器匯總表、塔器匯總表、過濾器匯總表、管殼式換熱器匯總表、板式換熱器匯總表、空冷器匯總表、加熱爐匯總表、泵匯總表、壓縮機(jī)匯總表、安全閥匯總表、組合裝置匯總表、立式儲(chǔ)罐匯總表、其他設(shè)備匯總表。

（5）設(shè)計(jì)表單區(qū)域。包括設(shè)備表、材料表、工程量表。

3.2.4 COMOS-PDMS 二三維協(xié)同開發(fā)

（1）協(xié)同設(shè)計(jì)規(guī)則。完善COMOS 與PDMS 的數(shù)據(jù)對(duì)接。

（2）二三維校驗(yàn)規(guī)則。根據(jù)編制的《二三維校驗(yàn)規(guī)定》，將規(guī)則定制到軟件中。

（3）二三維校驗(yàn)內(nèi)容。依據(jù)《DOE 數(shù)據(jù)字典》，對(duì)二三維校驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行定制，同時(shí)確定數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)傳遞方向。

（4）二三維校驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容。根據(jù)《二三維校驗(yàn)規(guī)定》，結(jié)合數(shù)字化移交項(xiàng)目實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定可以忽略的校驗(yàn)錯(cuò)誤，以保證二三維校驗(yàn)報(bào)告的實(shí)用性。

通過完成COMOS 二次開發(fā)，紅壓油氣處理廠天然氣凈化工程完成PFD 設(shè)計(jì)（圖5）、PID 設(shè)計(jì)（圖6）、電力、自控COMOS EI&C 設(shè)計(jì)和二三維校驗(yàn)（圖7）。

圖5 PFD 設(shè)計(jì)Fig.5 PFD design

圖6 PID 設(shè)計(jì)Fig.6 PID design

圖7 二三維校驗(yàn)報(bào)告Fig.7 2D/3D verification report

4 數(shù)字化布置設(shè)計(jì)

4.1 技術(shù)路線

大慶油田薩南深冷裝置擴(kuò)建工程新建60×104m3/d 深冷裝置1 套，編制了數(shù)字化布置設(shè)計(jì)技術(shù)路線（圖8），完成了布置設(shè)計(jì)。

圖8 數(shù)字化布置設(shè)計(jì)技術(shù)路線Fig.8 Technical route of digital design

4.2 布置設(shè)計(jì)技術(shù)

4.2.1 PDMS 軟件

PDMS（Plant Design Manggement System）即工廠三維布置設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)[8]。PDMS 軟件將技術(shù)先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)與功能強(qiáng)大的圖形處理能力相結(jié)合，可以處理復(fù)雜的工程項(xiàng)目和大量的設(shè)計(jì)分析數(shù)據(jù)，產(chǎn)生所需的設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)的設(shè)計(jì)分析數(shù)據(jù)[9]。薩南深冷裝置擴(kuò)建工程應(yīng)用PDMS 軟件完成了以下布置設(shè)計(jì)：

（1）配管專業(yè)。在PDMS 中補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)管道元件庫(kù)、非標(biāo)管道元件庫(kù)、參數(shù)化儀表和閥門庫(kù)；完成了配管設(shè)計(jì)。

（2）電力專業(yè)。建立電力設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)，主要包括變壓器、低壓開關(guān)柜、配電箱、操作柱及開關(guān)、燈具、小型電氣元件共六大類69 種；完成電纜橋架支吊架開發(fā)工作；對(duì)PDMS 開發(fā)照明設(shè)計(jì)功能；對(duì)PDMS 開發(fā)防雷接地設(shè)計(jì)功能；完成了電力專業(yè)布置設(shè)計(jì)。

（3）自控專業(yè)。建立自控設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)，主要包括控制室儀表、可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)儀表、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)各類儀表和接線箱共四大類44 種；電纜路由設(shè)計(jì)：包括電纜橋架、橋架支吊架、電纜溝等；現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)計(jì)：包括分析儀表、可燃?xì)怏w探測(cè)器、火災(zāi)探測(cè)器等；完成了自控專業(yè)布置設(shè)計(jì)。

（4）通信專業(yè)。建立通信設(shè)備/主材數(shù)據(jù)庫(kù)，主要包括：視頻監(jiān)控系統(tǒng)、周界入侵系統(tǒng)、對(duì)講系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)、廣播擴(kuò)聲系統(tǒng)、語(yǔ)音通信系統(tǒng)、顯示屏系統(tǒng)、視頻會(huì)議系統(tǒng)等共10 大類40 種；電纜橋架庫(kù)：包括電力及儀表專業(yè)使用的梯級(jí)式、托盤式電纜橋架庫(kù)，涵蓋產(chǎn)能及外部項(xiàng)目的電纜橋架使用范圍。

完成了廠區(qū)光/電纜路由設(shè)計(jì)：包括沿電纜橋架、電纜溝、通信管道敷設(shè)及直埋敷設(shè)等；通信管道路由設(shè)計(jì)：人/手孔布置、通信管道布置；通信設(shè)備布置設(shè)計(jì)：視頻監(jiān)控系統(tǒng)、周界安防系統(tǒng)、廣播擴(kuò)聲系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、語(yǔ)音系統(tǒng)、語(yǔ)音通信系統(tǒng)、顯示屏系統(tǒng)、視頻會(huì)議系統(tǒng)等設(shè)備/主材布置設(shè)計(jì)；完成了通信專業(yè)布置設(shè)計(jì)。

4.2.2 Revit 軟件布置設(shè)計(jì)

為了解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的問題，Autodesk 公司提出了基于BIM 解決方案的軟件Revit Structure，該軟件集成了多材質(zhì)的物理模型與獨(dú)立、可編輯的分析模型，并為常用的結(jié)構(gòu)分析軟體提供雙向聯(lián)結(jié)。通過空間參數(shù)化模型的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，在施工前對(duì)建筑結(jié)構(gòu)提供更精確的可視化，具有協(xié)同作業(yè)的能力[10]，通過Revit 完成了以下內(nèi)容：

（1）土建專業(yè)。建立Revit 建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)構(gòu)件族庫(kù)，實(shí)現(xiàn)采用Revit 進(jìn)行建筑建模工作，利用Revit 模型進(jìn)行后期效果圖制作。

（2）暖通專業(yè)。建立并完善Revit 暖通專業(yè)采暖、通風(fēng)、空調(diào)、防排煙等構(gòu)件族庫(kù)；實(shí)現(xiàn)利用Revit 軟件進(jìn)行暖通專業(yè)建模工作。

4.2.3 Solidworks 軟件布置設(shè)計(jì)

作為基于Windows 開發(fā)的第一個(gè)三維CAD（Computer Aided Design，CAD）系統(tǒng)，SolidWorks自1995 年推出，因其始終遵循的易用、穩(wěn)定及創(chuàng)新三大原則而獲得了廣泛且成功的發(fā)展[11]。機(jī)械專業(yè)利用SolidWorks 軟件對(duì)油田常用設(shè)備進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，自主研發(fā)油田專用設(shè)備參數(shù)化工具，提高設(shè)計(jì)效率，完成了元件庫(kù)建設(shè)和油田常用設(shè)備建模。

（1）元件庫(kù)建設(shè)（圖9）。常用標(biāo)準(zhǔn)件：鋼制管法蘭、封頭、人孔、手孔、塔頂?shù)踔⒃O(shè)備吊耳；梯子平臺(tái)：臥式容器梯子平臺(tái)、塔式容器梯子平臺(tái)（中間直梯、扇形平臺(tái)、塔頂圓形平臺(tái)、塔頂平臺(tái)直梯）、立式拱頂儲(chǔ)罐盤梯及罐頂平臺(tái)；容器支座：鞍式支座、腿式支座、耳式支座、支承支座、裙式支座；設(shè)備附件：進(jìn)液管、出液管、防沖碗、殼體接管及補(bǔ)強(qiáng)圈、加熱盤管、U 形卡、內(nèi)部把手、內(nèi)部爬梯、橫梁、液位報(bào)警法蘭等。

圖9 元件庫(kù)圖例Fig.9 Component library legend

（2）油田常用設(shè)備建模（圖10）。臥式容器：分離緩沖游離水脫除器、天然氣除油器、臥式緩沖罐、污水罐、分液罐、壓力排污罐、收發(fā)球筒等；立式容器：立式甲醇罐、二相計(jì)量分離器、非凈化風(fēng)儲(chǔ)罐、排水器；拱頂儲(chǔ)罐：1 000 m3鋼制水罐、2 000 m3鋼制水罐、3 000 m3鋼制事故罐、5 000 m3污水沉降罐；加熱爐：加熱緩沖裝置、臥式圓筒爐、正壓相變加熱爐、機(jī)械自動(dòng)除垢加熱緩沖裝置（收油）；塔式容器：氯化鈣脫水塔、原油穩(wěn)定塔、吸收塔；梯子平臺(tái)：高低兩臺(tái)位聯(lián)合梯子平臺(tái)、三臺(tái)位聯(lián)合梯子平臺(tái)、原油穩(wěn)定塔梯子平臺(tái)。

圖10 油田常用設(shè)備模型圖例Fig.10 Legend of common equipment model in oilfield

通過以上各專業(yè)族庫(kù)和布置設(shè)計(jì)，薩南深冷裝置擴(kuò)建工程完成了全廠區(qū)的布置設(shè)計(jì)（圖11）。

圖11 全廠區(qū)布置設(shè)計(jì)模型Fig.11 Layout design model of the whole plant area

5 結(jié)束語(yǔ)

在天然處理廠數(shù)字化交付過程中，基于多階段、多專業(yè)、多軟件構(gòu)建的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)[5]，提供了從工藝模擬、管道材料管理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置設(shè)計(jì)等油氣田地面工程的完整信息，數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的深度直接影響著數(shù)字化交付的顆粒度和信息的準(zhǔn)確性，因此數(shù)字化交付的質(zhì)量最終取決于協(xié)同設(shè)計(jì)的深度。