静设备在炼厂数字化集成设计中的设计方法研究

魏郁达，石 桐，刘国荣

(1.中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071;2.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580)

近两年来，石油化工企业的数字化转型已经成为一个热门话题，越来越多的企业在筹备建设数字化“孪生工厂”。数字化交付是数字化工厂的建设基础，也是炼厂数字化建设的迫切需要。通过建立数字化工厂工程数据集成平台，实现各专业、各部门的信息的集成管理。运维和管理人员能够快速获取来自不同系统和信息源的工程和生产数据，节省大量人工时，利于企业效益提升。同时，工程级的三维建模技术和开放的数据集成技术也可为炼厂建设、生产、设备、安全、培训等业务提供准确、高效的数据支撑。

数字化集成设计是设计过程的数据集成，将传统设计环节中分散的、独立的各专业设计数据通过统一的平台集成起来，实现数据共享。各专业、各环节的设计数据在平台上传递，可以从根本上保证数据的准确性和唯一性。目前国内炼厂设计流程中，管道设计是数字化设计应用最深入的，工艺、仪表、电气等专业也有成熟的商业化软件可以在集成平台中应用。但静设备设计由于设计过程相对独立，设计工具专业性强，缺乏深度参与数字化集成设计的解决方案。因此，如何实现将静设备设计的传统工作流程接入数字化集成设计系统工作流，将静设备设计成果接入到数字化设计的交付成果中，是需要专业室和数字化技术人员共同解决的问题。

1 数字化集成设计过程中对设备设计数据的需求

项目运行过程中，设备通常根据类别和难易程度打散后交给不同的设计人。设备设计人面对的是单台设备，而不是整个装置或工厂。大部分设备相互之间不会产生严格的关联关系，因此，以单台设备为对象，以位号为标识是设备数据管理的最佳方案。

单台设备设计过程中与上下游专业进行的数据传递主要有：从工艺、配管、自控等专业接收设计条件；向结构专业提出基础设计条件；向配管专业提供设备三维模型。

1.1 接收和提出设计条件

传统设计中，设计条件分为文表和图纸两种类型，以带签署的纸版委托的形式提出。上游专业即使在设计过程中在软件中已经将数据组织了起来，但由于上下游间缺乏数据传递的条件，不得不将这些数据降级成表格或图形，形成只能人工读取的纸版条件向下游专业传递。下游设计人员接收到条件后，人工读取和分析纸质文件上的信息，择取其中部分信息手工录入到计算、设计、绘图、汇料等分散的软件中，在此基础上完成设备设计。这个工作流程中，上游软件中的数据传递到下游软件中，经历了多次人工处理，消耗大量人工时，增加了传递的时间，并且不可避免的引入了人为误差。集成设计平台提供了数据传递的基础，可以显著的提高传递效率，减少人为误差，简化工作流程，提高设计质量。

这些接收和提出的条件中，文表类的较容易实现在集成平台上的数据传递，图纸类的受到现有技术手段制约大多维持纸版传递的现状。但要注意的是，数据传递不是传统条件的简单电子化，要根据数据特点重新规划条件模板。

1.2 提供数据

传统设计过程中，有部分上游专业的文件需要设备设计人提供数据，增补文件内容，例如工艺设备表中的设备重量信息、设备数据表中的设备设计参数等。在数字化集成设计平台上，由于这部分数据所在的文件已经集成在平台中的，设备设计人可以填写数据，发布后数据自动汇总到上游专业文件中的对应项，以比较理想的数据集成方式实现这部分需求。

1.3 设备模型

传统设计过程中，三维设计的设备模型是以碰撞检查为目的的，只大致表达设备外形和所占用空间，通常由配管设计人完成。数字“孪生工厂”对设备模型有更高的要求，所以数字化集成设计中设备需要进行高精度的建模。配管设计人对设备信息的掌握有限，因此由设备设计人进行设备建模是较好的方案。

炼厂项目设计过程中，设备设计与装置三维设计是同步进行的。为满足三维设计的进度需求，设备模型需要至少创建两次。

第一次进行占位建模，在设备设计条件确定后，三维设计启动前完成。设计人根据设备设计条件中的设计参数，估算设备大致外形数据，创建粗略表达设备外形的占位模型。占位模型的目的是满足设备布置需要，不体现设备细节。设备数据前期缺失较大的外购设备，可以根据设备特点，用极简单的形状示意占位，例如单台回转体设备用圆柱体，撬装设备用立方体。

图1 设备占位模型

第二次进行详细建模，在设备施工图完成或供应商资料返回时创建。二次模型应在占位模型的位置进行原位替换。二次模型应较详细的体现设备外形，主体结构外形尺寸应准确，细部结构可适当省略，但设备总体外形应易于辨认。设备管嘴的定位必须与实际设备一致，避免定位误差影响管道布置。

图2 设备详细模型

2 数字化交付对设备设计成果的需求

目前炼厂设计的数字化交付还不能完全替代传统交付，传统交付和数字化交付是并行的。数字化交付除了图纸、文档等出版物外，还需要交付设计成果数据库。对于设备设计而言，需要额外提供设备属性、设备模型、电子版图纸、文档和关联关系。

2.1 模型

设备模型可分为工厂三维设计模型中的设备模型和设备拆解模型。前者已包含在工厂三维设计成果中。后者通常指与现实高度一致、体现设备内部结构的模型，满足拆解图、操作模拟等应用的需求。这种模型创建成本高，需根据业主具体需求确定模型的详细程度。

2.2 属性

属性是数字化设计成果的重要组成部分。数字化的深度决定了属性数量。属性越多，数字化工厂能应用的数据越丰富。但属性不能无限增多。工厂对象数量庞大，过度增加属性会使数字化交付成本急剧上升，过多的信息还会增加系统负担，给使用和维护带来问题。

不同类型设备的属性应有不同。实践中可将设备属性可分为三类：

第一类，工厂对象通用属性。即数字化工厂中所有对象都具备的属性：位号、用途、名称、数量、安装位置、类型、型号、供应商和制造商等。

第二类，设备通用属性。即各类静设备都应具有的属性：介质名称、介质相态、介质操作密度、介质毒性、介质爆炸危险性、介质火灾危险性、工作温度、工作压力、设计温度、设计压力、内径、筒体长度、壳体材质、腐蚀裕量、全容积、容器类别等。

第三类，设备类型属性。即不同种类设备特有的属性。例如板式塔为例的类型属性有：塔顶工作温度、塔底工作温度、塔顶工作压力、塔底工作压力、塔盘类型、塔盘材质、塔盘数量和设计负荷等。

第四类，设备管理属性。即用于工厂设备管理的属性。例如：资产编码、设备编码、出厂编号、注册编号、安装日期、出厂日期、启用日期、维护单位、监检单位等。此类属性需根据工厂管理实际情况定制。

2.3 图纸和文档

数字化交付的设备图纸、文档与传统交付物的范围基本一致。但需要按一定规则上传到集成平台，并与设备建立关联关系。

3 专业间数字化协同方案

数字化集成设计中的专业协同与传统设计有许多不同。传统设计中，一方修改了数据，用纸版委托条件信息传递给接收方，接收方根据自己的工作安排决定修改时间。信息传递过程中的滞后性为双方提供了一定缓冲的空间。在集成设计中，由于数据的唯一性，一方发布了修改数据，另一方相关内容会一起修改。因此集成设计中专业工作交叉的次数比传统设计增多，管理更复杂。

3.1 设备模型协同设计

三维工程模型中的设备模型，是设备在数字化集成设计中协同流程最复杂的对象。从设备创建到施工图完成或供应商资料确认阶段，设备设计人会因为上游设计条件变动、估算数据与计算结果的差异、计算方法调整、设计方案变动、占位模型细化到详细模型等原因修改模型。配管设计人会因为设备的定位、标高、方位等数据的变动修改模型。在此阶段设备和配管设计人必须同时对设备模型有编辑权限，因此有必要规定协同设计的原则，明确双方的责任分界面：

1)设备模型创建和命名由设备设计人完成；

2)各专业应遵循统一的设备模型基准点原则；

3)设备模型创建前，配管专业宜提供设备模型的坐标。设备设计人在指定坐标完成建模。

4)设备主体模型由设备设计人完成，配管人员不得修改；

5)设备管嘴模型由设备设计人创建，设备和配管设计人均可对按需对管口模型进行修改，修改时都需告知对方；

6)设备保温层和设备自身操作空间建模由设备设计人完成；

7)设备施工图会签或供应商资料确认前，设备设计人应保证设备模型与施工图或确认资料一致；

8)施工图会签或供应商资料确认时，双方应在模型确认无异议后，去掉设备专业对模型的编辑权限，由配管专业完全后续维护，直至项目完成。

3.2 设备属性协同录入

集成平台中数据协同录入功能一般是较完善的。有权限的专业可接收、修改和发布属性数据，交互过程由系统自动进行版本控制，并可回溯所有修改记录。

4 下一步集成工作方向的构想

由于设备设计工具整体数字化水平偏低，与数字化设计集成平台直接进行软件级的数据集成是较困难的。目前有三个方向是技术路线较明确的，后续工作中可尝试开发：

1)集成平台向设备计算软件传递设备工艺数据。

2)集成平台向设备制图工具进行数据传递，用于辅助绘图。

3)设备计算软件向集成平台传递设备属性。

5 结语

在现有软硬件条件下，设备集成过程还依赖中间文件，虽然能有效提高效率，但和真正的数据集成还有很大差距。随着设备设计的发展，未来会出现一些数字化程度较高的专业设计工具，实现软件级的数据集成，减少重复人工劳动，提高设计效率和设计质量。