數字化協同設計對智能油氣田建設的支持

閆　婉　任　玲　宋光紅　陳　亮　成　巖

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司,　四川　成都　610041; 2. 中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦,　四川　瀘州　646000; 3. 鷹圖中國,　北京　100020

0　前言

在國際油價持續低迷,常規油氣田開發難度不斷增加,非常規能源開發范圍不斷增長,人力資源供給不足的情況下,油氣行業的開發與生產經營成本持續攀升,管理難度增大。為提升油氣生產管理水平,中國石油在《“十二五”信息技術總體規劃》中提出了建設油氣田生產物聯網系統(以下簡稱A11)項目[1],并在各油氣田部署實施。A11項目通過對油田各類生產現場數據的自動采集、實時傳輸及處理分析,實現對生產過程的自動控制,降低用工需求和勞動強度,提高日常工作效率,優化勞動組織用工,服務油田生產的精細化管理[2-3]。在A11項目建設的推動下,油氣田生產信息化建設由過去的生產過程自動化、油氣生產數字化向油氣生產指揮決策智能化方向發展,智能油氣田成為油氣田信息化發展的高級階段。

智能油氣田實施過程中重視數字化資料實時采集,充分利用網絡和計算機技術將其集成在模型中,依靠專家的經驗和智慧“及時”做出科學決策,研發新的、適用的經濟技術措施,并將此過程貫穿油氣田開發全生命周期,進行“持續”最優化[4]。智能油氣田建設對全生命周期數據完整性以及完整性管理提出了更高的要求,一方面需通過信息化手段完成對油氣田海量生產數據的采集;另一方面需要從工程建設過程(設計、采購、施工、試運)中獲取大量的基礎數據。通過對建設工程項目實施數字化移交,形成智能油氣田基礎信息模型,而基于信息化技術的數字化協同設計將為智能油氣田提供強大的信息數據支持。

1　數字化協同設計平臺

數字化協同設計平臺以信息化技術為基礎,提供高效的設計工具,建立標準的設計管理程序,采用統一的基礎數據庫開展設計。由多部門、多專業構成的團隊在數字化協同設計平臺上開展設計工作,進行數據、知識、經驗與成果的共享。數字化協同設計平臺最終提供完整的項目模型與數據庫,并通過建立工程項目完整的數據與模型,用于提取工程設計成果,并實施數字化移交。

1.1　功能特點

1)數字化協同設計平臺應能滿足各階段設計任務的需要,對設計的全過程信息數據進行管理,設計數據和信息一次輸入,多次使用,下一階段應基于上一階段的數據信息直接開展設計工作。

2)數字化協同設計平臺以模型(邏輯模型和三維模型)為主要工作對象,以后臺數據為核心內容,設計工作直接面向虛擬油氣田,而不是施工圖紙。

3)數字化協同設計平臺為多專業協同設計提供了多個核心業務軟件,以及相關的輔助軟件和工具。各專業可根據專業習慣高效開展設計工作,且彼此間能共享數據和模型。

4)數字化協同設計平臺定制了大量的設計圖例、設計模板、設計規定,并通過標準化信息數據庫(GIS信息、標準化模型、三維元件、工程材料)實現項目標準化輸入與輸出。

5)為滿足油氣田地面工程建設復雜而龐大的專業數據信息、工程圖紙資料文件信息、工程物資材料信息、工作作業流程與計劃的管理要求,以及企業知識累積、復用要求,數字化協同設計平臺需配備相關的工程數據管理軟件、工程材料管理軟件、工程文檔管理軟件以及工程任務與計劃管理軟件,并且以上軟件平臺直接與公司知識庫系統(或檔案系統)關聯,也可與建設和運維管理平臺協同。

6)數字化協同設計平臺建立了工程詳細的邏輯模型、地理信息模型、三維模型及工程數據庫,為建設管理以及投產后的生產運維提供核心的基礎數據和虛擬仿真環境。數字化協同設計平臺本身就是一套完整的數字化信息平臺。

1.2　架構及各部分功能

數字化協同設計平臺典型架構見圖1。

圖1　數字化協同設計平臺典型構架

2　數字化協同設計平臺與智能油氣田建設

2.1　前端數據管理系統

前端數據管理系統主要針對項目開展基礎設計前的各項與工程數據和文檔相關的活動進行管理,主要管理對象包括工藝流程模擬、工藝優化、多工況流程數據、工程設備計算、工程智能PFD、工程設備數據表等。該系統完整集成了工程原始的多工況、多版本模擬計算數據和工程設備數據信息(包括過程信息和最終信息),相關數據可以向基礎設計和詳細設計發布,并通過接收基礎設計和詳細設計產生的新信息(如設備最終制造信息、管道安裝信息),進一步完善工程數據模型。目前石油石化行業工程公司多采用COMOS和ASPEN Tech開展前端數據管理。

COMOS并不具備流程模擬和設備計算功能,但COMOS FEED能集成常用的工藝模擬軟件(如HYSYS、ASPEN PLUS、PRO/II、ProMax)。在完成對工藝模擬流程和數據集成后,COMOS FEED建立工藝設計過程相關設備與物流的唯一信息數據源,生成智能PFD和物料平衡表,再向下游設備計算軟件(如HTRI、KG-tower、EXCEL等)及智能PID統一發布數據,同時接收設備計算的反饋數據,編制工程設備數據表,實現工程前端數據的完整集成[5]。COMOS另一重要功能是直接將工程前端數據向工程DCS組態進行轉換,簡化組態工作的同時為項目生產運維提供完整的數據支持。另外,借助COMOS其他模塊,能實現DCS數據回傳,通過接收DCS系統的生產數據返回工藝模擬軟件,進行產品方案與操作參數的離線優化,指導生產。

ASPEN Tech則直接通過其工程設計流程模擬計算軟件(ASPEN PLUS、ASPEN HYSYS)建立前端數據基礎,并通過其他模塊實現工程工廠的先進控制、生產管理、信息管理和供應鏈解決方案,以提高產品收率和產品質量,降低成本,增加利潤[6]。2003年,中國石化通過建立下屬乙烯工廠的流程模擬和設備模型,實現了乙烯廠優選原料的生產計劃、煉油和石化廠的先進控制,增大了處理量和提高產品質量,縮短了改變品種的過渡期,并建立了工廠信息管理系統和提高煉油裝置利用率及效率的生產調度解決方法[7]。

2.2　工藝系統設計

工藝系統設計結構見圖2。工藝系統設計通過接收前端數據,開展工藝設備設計選型、管道計算、智能PID設計,以及相關的儀表計算選型、電氣負荷計算、儀表電氣接線等。工藝系統設計集成了智能PID設計軟件、儀表系統設計軟件、電氣系統設計軟件。與前端數據管理系統相比,其集成的專業設計軟件更多,上下游及各專業之間的數據傳遞更復雜,因此工藝系統設計還需部署工程對象數據集成管理中心,如Smart Plant Foundation、AVEVA Engineering等。

圖2　工藝系統設計結構

工藝系統設計的核心目標是建立工程項目詳細的生產與控制邏輯模型(智能PID系統),并根據邏輯模型和數據生成工藝設備、工藝管道、儀表設施、電氣設施等完整位號清單和工程數據表。該信息一方面向上下游系統進行傳遞,另一方面通過數字化移交平臺,服務于工程運維過程。

2.3　廠(站)三維設計

數字化協同設計平臺上,廠(站)三維設計將工藝系統設計提供的邏輯模型轉化為多專業三維模型,并開展二三維數據傳遞與校驗、三維模型碰撞檢查,最終獲得準確工程圖紙和工程材料。廠(站)三維設計直接影響項目施工圖文件的交付,其設計工時最多,工程數據量最大,工程質量和工期控制最嚴,是設計系統中協同專業和協同軟件最多的平臺。廠(站)三維設計主要工作內容見圖3。

圖3　廠(站)三維設計主要工作內容

廠(站)三維設計一般以管道三維設計軟件為核心,同時開展其他相關專業的三維設計,或集成相關專業的三維設計軟件開展設計。常用的三維軟件有SP3D、PDMS、PDS等,這些軟件兼有管道三維設計和設備、暖通、電力、自控、通信、土建等三維設計功能。為滿足更精細化三維模型設計需要,廠(站)三維設計會集成其他非管道專業三維設計軟件,如開展鋼結構設計的Tekla軟件,開展總圖三維設計的Civil 3D軟件,開展建筑三維設計的Revit(BIM)軟件,開展給排水設計的紅葉軟件等。這些軟件都針對相關專業開發了專業的設計模塊、數據庫、模型庫,支持快速出圖和材料統計,并與管道三維設計軟件能很好地集成。

廠(站)三維設計還需集成相關的計算軟件,主要包括結構計算軟件(如Tekla、SAP 2000)、管道應力分析軟件(如CAESARII)、水錘計算等,便于工程師快速開展計算工作,確保設計安全。

廠(站)三維設計被廣泛應用于可視化施工管理以及工程變更管理等,通過執行設計與施工一體化,廠(站)三維設計最終能為項目竣工保留大量的三維技術資料[8-9]。在完整性三維數據庫的基礎上,通過三維仿真和應用開發,建成數字化三維虛擬工廠和生產運維管理平臺,形成智能廠(站)基礎[10]。

2.4　線路數字化設計系統

線路數字化設計系統充分采用國家空間數據及坐標系基礎設施數據,利用衛星遙感影像、航空攝影測量技術將沿線輸送管道上的數據、圖片等一切有關信息記錄下來,在獲得管道周邊的地形、水文、環境等數據后,通過計算機系統分析處理后建立一個能夠實現信息化動態管理真實可靠的管道數據與地理信息(GIS)模型,以此獲得工程建設所需信息,并促進輸送管道的正常運營和智能化管理,實現輸送管道的自動化功能和目的[11]。

傳統的線路數字化設計系統基于二維GIS系統建設。隨著計算機信息處理技術的進步,以二三維GIS系統構建的協同業務平臺逐步成為主流。二三維GIS系統通過集成廠(站)三維模型和數據,以全面、準確、實時的數字化信息為基礎,以功能完善的一體化軟件系統為手段,形成了滿足綜合數據展示、分析研究、輔助決策、協同辦公等勘探和開發核心業務所需的信息化綜合平臺[12]。線路數字化設計系統主要模塊見圖4。

圖4　線路數字化設計系統主要模塊

2.5　材料管理平臺

材料管理平臺廣泛用于定義和建立企業級材料編碼體系和標準化物資材料編碼庫。在設計過程中,直接通過材料管理平臺上的企業級數據庫發布項目三維設計數據庫驅動三維設計,再通過接收三維模型的數據,自動提取工程物資材料清單(MTO、BOM),并進行多版本管理,同時更新和完善企業級材料庫;在施工階段,材

料管理平臺基于設計提供的帶采購碼的材料表(MTO、BOM),進行采購管理和現場物資管理。材料管理平臺主要工作內容見圖5。

圖5　材料管理平臺主要工作內容

工程材料管理平臺為智能化油氣田建立了材料標準和材料編碼,同時通過該平臺對EPC全過程進行材料管理,建立油氣田物資資產管理系統,實現對油氣田物資資產設計、采購、施工、檢驗、維修、更換等全生命周期信息的管理[13]。

2.6　數字化移交

數字化協同設計平臺所有的成果,都必須經過數字化移交實現對智能油氣田建設的支持。工程建設方根據工程建設檔案管理規定,以及業主方信息化建設要求,將工程建設過程中的相關信息在數字化移交平臺(或工程數據管理平臺)上進行關聯性整體交付。交付內容包括設計信息、采購信息、施工信息、檢測信息、驗收信息及調試、試運行信息等。通過數字化移交在交付的數字化成果間建立關聯關系,能提高對文檔、圖紙、三維模型、工程數據的查看效率,為項目運營和管理帶來便利。典型全生命周期信息化管理平臺架構見圖6。

圖6　典型全生命周期信息化管理平臺架構

3　數字化協同設計平臺的建設

工程公司的業務通常涵蓋工程建設項目的規劃、設計、采購、施工安裝、投產試運、生產運行等領域,工程建設項目的組織、實施、運行管理是多專業、多學科的綜合技術和綜合資源的有機結合。各工程公司從實現對業務范圍內的技術和資源的科學管理,提高資源整合力度,優化資源配置,促進技術進步,提高生產效率出發,進行企業信息化統籌規劃,開展數字化協同設計平臺建設,以及相關的硬件環境、IT架構、業態流程建設[14]。

目前,行業普遍選用“商用軟件+二次開發”來規劃和部署數字化協同設計平臺。這類商業軟件由軟件供應商根據其特長與實踐經驗,集成了較為核心業務流程模塊。在選擇成熟、適應的商業軟件同時,工程公司還會根據軟件部署方式、新舊系統結合、個性化業務建設等開展數字化協同設計平臺的二次開發[15],并根據技術的進步和需求的變化對平臺進行長期維護。

在IT實現方面,云部署已成為主流,其優勢是突破時空限制,快速、準確、安全地傳遞信息,實現“網絡可達、管理可達”的目標[15]。部署在云構架下的數字化協同設計平臺,進一步拓展了協同設計使用的時間與空間。

以上總結了數字化協同設計平臺建設目標、平臺選擇與建設維護、平臺部署三方面內容。筆者認為,工程公司采用面向工程全生命周期服務的方式,通過資源共享、平臺共享以及信息的遠程推送,能直接將傳統的油氣田建設轉變為智能油氣田建設,并能帶來時間、投資、管理和技術進步等方面的效益。

4　結論

基于多階段、多專業、多軟件系統構建的數字化協同設計平臺,提供了從工藝模擬、設備計算、流程設計、儀表電氣選型、材料選擇、三維及空間地理信息等油氣田地面工程的完整信息,并對工程建設過程中的過程信息和最終信息進行完整性管理,實施工程建設信息的數字化移交,促進工程建設與工程運維的一體化,為智能油氣田建設奠定了可靠的基礎。