浅谈化工工程项目数字化交付设计

曹建新

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

近年来，“中国制造2025”和“工业4.0”是两个非常热门的话题，这是中德两个大国根据各自工业发展阶段提出的战略目标，两者虽然有着很多的不同点，但是两者在最终战略目标上确有异曲同工之处，那就是最终实现智慧化工厂的建设。目前来看，智慧化工厂的建设必须经过数字化、智能化、智慧化等三个阶段。作为智慧化工厂的必经阶段，近年来数字化工厂的设计已经成为海内外众多业主的优先选择。原则上数字化工厂应由设计院按业主需求完成设计，并以成品方式提交给业主。但现在主流的数字化工厂解决方案无一例外会提到全周期这一概念，也就是说现在数字化工厂的有效期是涵盖整个工厂运营直至报废期间，而目前设计方通常深度介入的只有早期采购及工厂建设那段相对很短的时期[1]。本文将从设计院的角度简单介绍一下化工工程项目数字化交付设计。

1 数字化交付设计的概念

2018 年9 月11 日中华人民共和国住房和城乡建设部发布的《石油化工工程数字化交付标准》对数字化交付定义如下：“以工厂对象为核心，对工程项目建设阶段产生的静态信息进行数字化创建直至移交的工作过程。涵盖信息交付策略制定、信息交付基础制定、信息交付方案制定、信息整合与校验、信息移交和信息验收。”因此，化工工程项目数字化交付的核心是工程数据。

当前，数字化交付设计已经成为石油和化工勘察设计企业核心竞争力的主要体现之一，同时也是建立数字化工厂，进而实现智能工厂、智能制造的重要数据来源及数据基础。

具体来讲：基于数字化工厂设计系统开展的化工工程设计项目，设计过程中二维和三维设计数据已实现基于位号的结构性数据集成及多专业协同，同时采用与数字化工厂设计系统配套的文档系统实现了基于位号的非结构性数据设计文档、供应商文档关联，在交付时向业主整体移交设计数据库。在业主有需要时，将数据库与平台一起移交。

因此，对于化工行业的工程公司（设计院）来说，通过数据的集成和共享，可促进设计人员提高工作效率，同时还能降低人为错误的发生概率，从而提高工作质量。数字化交付设计可极大的推动化工行业的工程设计与工程公司未来业态的改变和进步。对于业主来说，可实现从源头上掌握工厂运行管理数据，并以设计数据为基础，实现数字化工厂在更高的基础上开展工厂运维管理和设备资产管理，从而实现全生命周期的数字化工厂管理。

2 化工工程项目数字化交付设计的特点

通常的化工工程项目数字化交付流程如图1示意。

图1 化工工程项目全数字化交付流程示意

如图1 所示，化工工程项目数字化交付是一个业主与EPC 总承包商（工程公司或设计院）协同作业的系统工程。交付平台则是数字化交付不可或缺的信息管理系统。当前化工工程项目数字化交付设计依托的交付平台主要有SPF 平台和AVEVA 平台 （Intergraph SmartPlant Foundation 及Aveva.NET）、西门子数字化平台 COMOS 等，上述平台具有下述显著特点：无需依赖于原始专业工具、支持多种主流文件格式、可以在查看时直接进行标注、不同来源的模型可以组合在一起。当然，一个合格的化工工程项目数字化交付设计还必须具有信息完整性、信息准确性和信息一致性的特点。任何事物均具有两面性，化工工程项目数字化交付也不例外，其在拥有众多优点的同时，笔者认为其也有诸如前期工作投入大、整体投资高等缺点，对于中小型企业而言，这是可望而不可及的。

3 化工工程项目数字化交付设计的主要内容

以下以本公司正在参与数字化交付设计的天津两化搬迁项目及正在参与投标的新疆某化工工程项目的数字化交付设计工作为例，重点说明化工工程项目数字化交付设计的主要内容。

一般来说：作为装置院，只需设计各自所承担装置的相关内容即可。作为总体院，则通常需要完成以下工作：负责制定总体数字化交付规定并对交付规定进行必要的解释；负责为各装置提供项目初始化种子文件（或项目类库）；协助业主对承包商/供应商移交内容的设计深度、完整性、相符性等内容进行不少于30%、60%、90%三个阶段的阶段性模型审查和验收审查，必要时负责对交付全过程的设计审查；负责对业主ERP 采购编码和数字化交付工程编码进行一一对应关系的梳理等。

本公司参与的上述两个项目分别是基于SPF平台和以AVEVA 软件设计为基础的西门子数字化平台COMOS 平台，比较具有代表性。根据相关参与人员反馈，交付内容总体要求是：除了需提供电子和硬拷贝文件的交付物外，还需提交工程设计集成环境平台和工具软件的数据库备份，以及完整的文件元数据表。具体内容包括工厂分解结构、工程位号分类、关联关系、智能工厂要求、三维建模以及成套包交付等。

三维建模是化工工程项目数字化交付设计耗时较多且较为重要的一个阶段。其主要目的是通过碰撞检查和数据一致性检查等自动化手段，最大限度地保证设计质量,因此，各项目业主均对三维建模提出了具体内容和深度要求：就内容而言，一般三维模型系统必需生成的文件有管道空视图，平面图，截面图以及管道材料表等。关于模型深度，以下分项展开说明一下。

3.1 管道（包括工艺、给排水、采暖及通风管道等）

需建模管道的模型深度一般要求如下：1）所有工艺和公用工程管道均需在PFD 图上表示介质、流量、流速、温度等内容，在P&ID 图上需表示的所有管径的管道和附件；2） 管道阀门及其手轮、执行机构均需在模型上表示，且方向和大致尺寸需与实际相符；相关设备及其附件-阀门，盲板，仪表，人孔等也需表示在模型上；3）管道特殊件，如安全阀、过滤器、疏水器、8 字盲板和插板垫环以及膨胀节、消音器和其他特殊管件等均需在模型上表示；4）蒸汽（或热水）分配站、凝液回收站及相关疏水管线；公用工程站和洗眼器；取样点，包括取样柜和取样冷却器；地下管道及其附件等均需表示在模型上；5）管道支吊架、管道的绝热层（包括绝热类型及厚度）、夹套外管和芯管、跨接管线等均需表示在模型上；6）在管道模型中能够获取主要工艺属性和识别属性、有坡度的管线须按坡度建模，且所有管道模型应具有试压相关的属性。

3.2 仪表

一般来说，工艺管道和设备连接的所有仪表、仪表电缆桥架等均需在模型中表示。具体包括：1）在线仪表（包括调节阀）实际的精确尺寸，带法兰的孔板（包括维修空间），一体化孔板，取压点，根部阀，放空及放净，热电偶套管，热电偶/RTD，分析仪器探头抽取空间；2）就地盘的外形、主要的电缆托盘、分析小屋的外形、接线盒及其支架的外形等；此外，在模型中还要能够获取所有仪表的主要工艺属性和识别属性。

3.3 设备

设备模型应合理的呈现设备外形并满足碰撞检查需要。设备名称应填入描述，其他属性根据设备运维需要，按照具体的属性表要求填写。通常静设备属性填写最低要求为设备名称、设备位号、外形轮廓及尺寸、所有材质名称及牌号、压力等级、净重、容积、探伤方式及合格等级、防腐层类型及厚度、填料、组合内件、绝热厚度等描述。管口最低属性要求是管口标号、接管长度、管径、压力等级、端面形式等。动设备的属性最低要求为设备名称、设备位号、主要性能、外形轮廓及尺寸、所有材质名称及牌号、功率、速比、转速、主机质量、减速机质量、驱动机质量、单个最大拆检部件的尺寸和质量、常维修、大修的主体部位拆解的模型图、润滑油路模型和冷却系统模型等。

按设备类型对设备模型深度分别说明如下：

1）容器、塔和反应釜等设备需表示完整的轮廓，并表示进、出管口等所有到供货分交界的管口，组合内件、特殊支架，吊耳和耳轴，平台，栏杆和梯子，人孔和手孔，裙座和支腿，裙座入口，就地液位计及导波管，量油孔等；

2）储罐类设备需表示完整的轮廓，并表示进、出管口等所有到供货分交界的管口，绝热层，梯子和平台，栏杆等；

3）泵、风机、压缩机等需表示完整的轮廓（整体撬块的应包含底座），并表示进、出管口等所有到供货分交界的管口（包括放空口和导淋口）。泵、风机的驱动器、联轴器（风机还需表示轴承箱，隔音罩等）等，压缩机的检修空间，可拆卸管段等，并能结合供应商提供的条件完成拆解模型；

4）工业炉等需表示完整的轮廓和框架，并表示进、出等所有到供货分交界的管口，附属管道，导管，平台，喷嘴和点火器，进入口，抽芯空间等。

5）管壳式换热等需表示完整的轮廓，并表示出管口和鞍座，抽芯空间等。

6）空冷器—逆流抽风结构的水气换热塔等设备需表示完整的轮廓，并表示进、出管口等所有到供货分交界的管口，气室，风扇和驱动器，排气筒，平台，梯子及由供应商提供的钢结构，通道等。逆流或横流的闭式冷却塔应表示完整的轮廓，冷凝管组，风扇及驱动器，填料及支架、水槽、循环水泵及相应循环管路，内外和高低平台，护栏，梯子等。

7）成套设备的建模须表示足够的细节信息，便于审核所有需操作和检修的部件以及仪表，操作、检维修空间，管道，仪表和电气的连接。所有的界区，如管口，总承包商/分包商的范围划分和接点须明确。

8）上述设备以外的其他杂项如永久吊柱，起重横梁和滑车，高架起重机，直爬梯，平台（包括格栅板和支撑钢结构），栏杆和梯子，洗眼器，软管卷轴，特殊管道等也需在模型上表示。

3.4 建筑、结构、地管

化工工程项目三维建模的建筑、结构及地管通常需包括如下内容：1）建、构筑物的外形，包括基础，通道和通风口等；建、构筑物的墙和围栏的空间轮廓，包括基础等；建、构筑物的地坪、道路的外形和路肩等；2）就结构而言：混凝土结构需包含所有梁，墙，柱，污水坑、罐区围堤等；钢结构需包含所有准确尺寸的梁，柱和斜撑。主要、次要和三级钢结构均需准确定位。包括保护层，防火层，楼层钢板/钢格板，局部平台，栏杆，楼梯和直爬梯等；所有结构基础的外形，顶部和底部平面，桩和柱基等；3）地管模型中需包括所有地下电缆槽、沟的走向及外形；所有水坑、水池、涵洞和管沟的外形、尺寸等；排水和污水的地下管道布局，排水口，人孔，贮水池，分离器，通风口和集水坑等；还应包括其他地下设施。

此外，在建构筑物等的模型中，重型管道或桥架的支撑也需表示出来。

3.5 电气、电讯

化工工程项目三维建模的电气、电讯相关内容有：1）动力配电变压器、箱式变电站等的外形；2）电缆桥架、电缆槽盒和电缆托盘等；电力和控制设备—开关柜，操作柱，不间断供电装置和电池等；照明灯具（不含建筑物内灯具）等；3）通讯和安全—程控交换机，摄像头等。

3.6 固定消防装置以及消防系统

化工工程项目三维建模的消防装置以及消防系统相关内容有：喷淋系统、消防水管道，切断阀，固定消防炮，消火栓、雨淋阀组、灭火器、消防箱等。此外还有示位阀及阀门井等。

4 数字化交付设计的现状及未来

中国石化集团上海工程有限公司 (英文简称SSEC)，中国石化工程建设有限公司 (英文简称SEI)等大型工程公司早在十几年前就开始陆续试水数字化交付设计，且在国内外均已有若干成功的案例，他们是国内数字化交付设计的先行者。近年来，包括天津渤化工程有限公司在内的国内多家大、中、小型工程公司或设计院也开始陆续承接数字化交付设计项目，并且已取得了初步成效。随着《石油化工工程数字化交付标准》在2019 年3月1 日的实施，再加上勘察设计协会、各省市陆续出台相关标准（目前江苏省已经出台《工程勘察设计数字化交付标准》，河南、上海等省市也在跟进），相信在不久的未来，数字化交付将会越来越多的进入我们的设计项目中。

总之，数字化交付设计为建设数字化工厂打下了坚实的基础，目前工厂的机械化、电气化、自动化必将向数字化、网络化、智能化转变，大数据分析必将为工厂运行创造价值。数字化交付设计和后期的一体化运维全生命周期数字化管理，必将大大提高企业的竞争力，推进“中国制造2025”快速发展，为实现智慧化工厂的建设作出贡献。