淺談化工工程項目數字化交付設計

曹建新

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

近年來，“中國制造2025”和“工業(yè)4.0”是兩個非常熱門的話題，這是中德兩個大國根據各自工業(yè)發(fā)展階段提出的戰(zhàn)略目標，兩者雖然有著很多的不同點，但是兩者在最終戰(zhàn)略目標上確有異曲同工之處，那就是最終實現智慧化工廠的建設。目前來看，智慧化工廠的建設必須經過數字化、智能化、智慧化等三個階段。作為智慧化工廠的必經階段，近年來數字化工廠的設計已經成為海內外眾多業(yè)主的優(yōu)先選擇。原則上數字化工廠應由設計院按業(yè)主需求完成設計，并以成品方式提交給業(yè)主。但現在主流的數字化工廠解決方案無一例外會提到全周期這一概念，也就是說現在數字化工廠的有效期是涵蓋整個工廠運營直至報廢期間，而目前設計方通常深度介入的只有早期采購及工廠建設那段相對很短的時期[1]。本文將從設計院的角度簡單介紹一下化工工程項目數字化交付設計。

1 數字化交付設計的概念

2018 年9 月11 日中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布的《石油化工工程數字化交付標準》對數字化交付定義如下：“以工廠對象為核心，對工程項目建設階段產生的靜態(tài)信息進行數字化創(chuàng)建直至移交的工作過程。涵蓋信息交付策略制定、信息交付基礎制定、信息交付方案制定、信息整合與校驗、信息移交和信息驗收?！币虼?，化工工程項目數字化交付的核心是工程數據。

當前，數字化交付設計已經成為石油和化工勘察設計企業(yè)核心競爭力的主要體現之一，同時也是建立數字化工廠，進而實現智能工廠、智能制造的重要數據來源及數據基礎。

具體來講：基于數字化工廠設計系統(tǒng)開展的化工工程設計項目，設計過程中二維和三維設計數據已實現基于位號的結構性數據集成及多專業(yè)協(xié)同，同時采用與數字化工廠設計系統(tǒng)配套的文檔系統(tǒng)實現了基于位號的非結構性數據設計文檔、供應商文檔關聯(lián)，在交付時向業(yè)主整體移交設計數據庫。在業(yè)主有需要時，將數據庫與平臺一起移交。

因此，對于化工行業(yè)的工程公司（設計院）來說，通過數據的集成和共享，可促進設計人員提高工作效率，同時還能降低人為錯誤的發(fā)生概率，從而提高工作質量。數字化交付設計可極大的推動化工行業(yè)的工程設計與工程公司未來業(yè)態(tài)的改變和進步。對于業(yè)主來說，可實現從源頭上掌握工廠運行管理數據，并以設計數據為基礎，實現數字化工廠在更高的基礎上開展工廠運維管理和設備資產管理，從而實現全生命周期的數字化工廠管理。

2 化工工程項目數字化交付設計的特點

通常的化工工程項目數字化交付流程如圖1示意。

圖1 化工工程項目全數字化交付流程示意

如圖1 所示，化工工程項目數字化交付是一個業(yè)主與EPC 總承包商（工程公司或設計院）協(xié)同作業(yè)的系統(tǒng)工程。交付平臺則是數字化交付不可或缺的信息管理系統(tǒng)。當前化工工程項目數字化交付設計依托的交付平臺主要有SPF 平臺和AVEVA 平臺 （Intergraph SmartPlant Foundation 及Aveva.NET）、西門子數字化平臺 COMOS 等，上述平臺具有下述顯著特點：無需依賴于原始專業(yè)工具、支持多種主流文件格式、可以在查看時直接進行標注、不同來源的模型可以組合在一起。當然，一個合格的化工工程項目數字化交付設計還必須具有信息完整性、信息準確性和信息一致性的特點。任何事物均具有兩面性，化工工程項目數字化交付也不例外，其在擁有眾多優(yōu)點的同時，筆者認為其也有諸如前期工作投入大、整體投資高等缺點，對于中小型企業(yè)而言，這是可望而不可及的。

3 化工工程項目數字化交付設計的主要內容

以下以本公司正在參與數字化交付設計的天津兩化搬遷項目及正在參與投標的新疆某化工工程項目的數字化交付設計工作為例，重點說明化工工程項目數字化交付設計的主要內容。

一般來說：作為裝置院，只需設計各自所承擔裝置的相關內容即可。作為總體院，則通常需要完成以下工作：負責制定總體數字化交付規(guī)定并對交付規(guī)定進行必要的解釋；負責為各裝置提供項目初始化種子文件（或項目類庫）；協(xié)助業(yè)主對承包商/供應商移交內容的設計深度、完整性、相符性等內容進行不少于30%、60%、90%三個階段的階段性模型審查和驗收審查，必要時負責對交付全過程的設計審查；負責對業(yè)主ERP 采購編碼和數字化交付工程編碼進行一一對應關系的梳理等。

本公司參與的上述兩個項目分別是基于SPF平臺和以AVEVA 軟件設計為基礎的西門子數字化平臺COMOS 平臺，比較具有代表性。根據相關參與人員反饋，交付內容總體要求是：除了需提供電子和硬拷貝文件的交付物外，還需提交工程設計集成環(huán)境平臺和工具軟件的數據庫備份，以及完整的文件元數據表。具體內容包括工廠分解結構、工程位號分類、關聯(lián)關系、智能工廠要求、三維建模以及成套包交付等。

三維建模是化工工程項目數字化交付設計耗時較多且較為重要的一個階段。其主要目的是通過碰撞檢查和數據一致性檢查等自動化手段，最大限度地保證設計質量,因此，各項目業(yè)主均對三維建模提出了具體內容和深度要求：就內容而言，一般三維模型系統(tǒng)必需生成的文件有管道空視圖，平面圖，截面圖以及管道材料表等。關于模型深度，以下分項展開說明一下。

3.1 管道（包括工藝、給排水、采暖及通風管道等）

需建模管道的模型深度一般要求如下：1）所有工藝和公用工程管道均需在PFD 圖上表示介質、流量、流速、溫度等內容，在P&ID 圖上需表示的所有管徑的管道和附件；2） 管道閥門及其手輪、執(zhí)行機構均需在模型上表示，且方向和大致尺寸需與實際相符；相關設備及其附件-閥門，盲板，儀表，人孔等也需表示在模型上；3）管道特殊件，如安全閥、過濾器、疏水器、8 字盲板和插板墊環(huán)以及膨脹節(jié)、消音器和其他特殊管件等均需在模型上表示；4）蒸汽（或熱水）分配站、凝液回收站及相關疏水管線；公用工程站和洗眼器；取樣點，包括取樣柜和取樣冷卻器；地下管道及其附件等均需表示在模型上；5）管道支吊架、管道的絕熱層（包括絕熱類型及厚度）、夾套外管和芯管、跨接管線等均需表示在模型上；6）在管道模型中能夠獲取主要工藝屬性和識別屬性、有坡度的管線須按坡度建模，且所有管道模型應具有試壓相關的屬性。

3.2 儀表

一般來說，工藝管道和設備連接的所有儀表、儀表電纜橋架等均需在模型中表示。具體包括：1）在線儀表（包括調節(jié)閥）實際的精確尺寸，帶法蘭的孔板（包括維修空間），一體化孔板，取壓點，根部閥，放空及放凈，熱電偶套管，熱電偶/RTD，分析儀器探頭抽取空間；2）就地盤的外形、主要的電纜托盤、分析小屋的外形、接線盒及其支架的外形等；此外，在模型中還要能夠獲取所有儀表的主要工藝屬性和識別屬性。

3.3 設備

設備模型應合理的呈現設備外形并滿足碰撞檢查需要。設備名稱應填入描述，其他屬性根據設備運維需要，按照具體的屬性表要求填寫。通常靜設備屬性填寫最低要求為設備名稱、設備位號、外形輪廓及尺寸、所有材質名稱及牌號、壓力等級、凈重、容積、探傷方式及合格等級、防腐層類型及厚度、填料、組合內件、絕熱厚度等描述。管口最低屬性要求是管口標號、接管長度、管徑、壓力等級、端面形式等。動設備的屬性最低要求為設備名稱、設備位號、主要性能、外形輪廓及尺寸、所有材質名稱及牌號、功率、速比、轉速、主機質量、減速機質量、驅動機質量、單個最大拆檢部件的尺寸和質量、常維修、大修的主體部位拆解的模型圖、潤滑油路模型和冷卻系統(tǒng)模型等。

按設備類型對設備模型深度分別說明如下：

1）容器、塔和反應釜等設備需表示完整的輪廓，并表示進、出管口等所有到供貨分交界的管口，組合內件、特殊支架，吊耳和耳軸，平臺，欄桿和梯子，人孔和手孔，裙座和支腿，裙座入口，就地液位計及導波管，量油孔等；

2）儲罐類設備需表示完整的輪廓，并表示進、出管口等所有到供貨分交界的管口，絕熱層，梯子和平臺，欄桿等；

3）泵、風機、壓縮機等需表示完整的輪廓（整體撬塊的應包含底座），并表示進、出管口等所有到供貨分交界的管口（包括放空口和導淋口）。泵、風機的驅動器、聯(lián)軸器（風機還需表示軸承箱，隔音罩等）等，壓縮機的檢修空間，可拆卸管段等，并能結合供應商提供的條件完成拆解模型；

4）工業(yè)爐等需表示完整的輪廓和框架，并表示進、出等所有到供貨分交界的管口，附屬管道，導管，平臺，噴嘴和點火器，進入口，抽芯空間等。

5）管殼式換熱等需表示完整的輪廓，并表示出管口和鞍座，抽芯空間等。

6）空冷器—逆流抽風結構的水氣換熱塔等設備需表示完整的輪廓，并表示進、出管口等所有到供貨分交界的管口，氣室，風扇和驅動器，排氣筒，平臺，梯子及由供應商提供的鋼結構，通道等。逆流或橫流的閉式冷卻塔應表示完整的輪廓，冷凝管組，風扇及驅動器，填料及支架、水槽、循環(huán)水泵及相應循環(huán)管路，內外和高低平臺，護欄，梯子等。

7）成套設備的建模須表示足夠的細節(jié)信息，便于審核所有需操作和檢修的部件以及儀表，操作、檢維修空間，管道，儀表和電氣的連接。所有的界區(qū)，如管口，總承包商/分包商的范圍劃分和接點須明確。

8）上述設備以外的其他雜項如永久吊柱，起重橫梁和滑車，高架起重機，直爬梯，平臺（包括格柵板和支撐鋼結構），欄桿和梯子，洗眼器，軟管卷軸，特殊管道等也需在模型上表示。

3.4 建筑、結構、地管

化工工程項目三維建模的建筑、結構及地管通常需包括如下內容：1）建、構筑物的外形，包括基礎，通道和通風口等；建、構筑物的墻和圍欄的空間輪廓，包括基礎等；建、構筑物的地坪、道路的外形和路肩等；2）就結構而言：混凝土結構需包含所有梁，墻，柱，污水坑、罐區(qū)圍堤等；鋼結構需包含所有準確尺寸的梁，柱和斜撐。主要、次要和三級鋼結構均需準確定位。包括保護層，防火層，樓層鋼板/鋼格板，局部平臺，欄桿，樓梯和直爬梯等；所有結構基礎的外形，頂部和底部平面，樁和柱基等；3）地管模型中需包括所有地下電纜槽、溝的走向及外形；所有水坑、水池、涵洞和管溝的外形、尺寸等；排水和污水的地下管道布局，排水口，人孔，貯水池，分離器，通風口和集水坑等；還應包括其他地下設施。

此外，在建構筑物等的模型中，重型管道或橋架的支撐也需表示出來。

3.5 電氣、電訊

化工工程項目三維建模的電氣、電訊相關內容有：1）動力配電變壓器、箱式變電站等的外形；2）電纜橋架、電纜槽盒和電纜托盤等；電力和控制設備—開關柜，操作柱，不間斷供電裝置和電池等；照明燈具（不含建筑物內燈具）等；3）通訊和安全—程控交換機，攝像頭等。

3.6 固定消防裝置以及消防系統(tǒng)

化工工程項目三維建模的消防裝置以及消防系統(tǒng)相關內容有：噴淋系統(tǒng)、消防水管道，切斷閥，固定消防炮，消火栓、雨淋閥組、滅火器、消防箱等。此外還有示位閥及閥門井等。

4 數字化交付設計的現狀及未來

中國石化集團上海工程有限公司 (英文簡稱SSEC)，中國石化工程建設有限公司 (英文簡稱SEI)等大型工程公司早在十幾年前就開始陸續(xù)試水數字化交付設計，且在國內外均已有若干成功的案例，他們是國內數字化交付設計的先行者。近年來，包括天津渤化工程有限公司在內的國內多家大、中、小型工程公司或設計院也開始陸續(xù)承接數字化交付設計項目，并且已取得了初步成效。隨著《石油化工工程數字化交付標準》在2019 年3月1 日的實施，再加上勘察設計協(xié)會、各省市陸續(xù)出臺相關標準（目前江蘇省已經出臺《工程勘察設計數字化交付標準》，河南、上海等省市也在跟進），相信在不久的未來，數字化交付將會越來越多的進入我們的設計項目中。

總之，數字化交付設計為建設數字化工廠打下了堅實的基礎，目前工廠的機械化、電氣化、自動化必將向數字化、網絡化、智能化轉變，大數據分析必將為工廠運行創(chuàng)造價值。數字化交付設計和后期的一體化運維全生命周期數字化管理，必將大大提高企業(yè)的競爭力，推進“中國制造2025”快速發(fā)展，為實現智慧化工廠的建設作出貢獻。