石油化工设备数字化全生命周期管理研究
王子兴1，宋民航2，杨美娥1
（1. 中海油石化工程有限公司，山东 济南，250101;
2. 中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家实验室，北京市 海淀区 100190）
摘要：生产设备是确保整个装置安全运行的基础，设备的管理体系是石油化工智能工厂建设体系中的重要组成部分。本文针对石化设备运行特点，引入全生命周期思想，分别从设备的规划和设计、制造管理、安装调试、运维管理、资产管理五个方面出发，建立了石油化工设备数字化生命周期管理体系。该体系有助于提升设备管理的工作效率及质量，保障装置的安全运行，且可为企业带来可观的经济效益。
关键词：全生命周期；石油化工设备；设备管理；数字化交付
中图分类号：TQ082 文献标识码：A 文章编号：
Research on Digital Life Cycle Management
of Petrochemical Equipment
WANG Zi-Xing1, SONG Min-Hang2, YANG Mei-E1
（1. CNOOC Petrochemical Engineering Co.,Ltd, Jinan, 250101, China;
2. State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China）
Abstract：In the petrochemical industry, equipment management is leading an important role in the intelligent factory construction system. In this work, the whole life cycle idea is introduced based on the operating characteristics of petrochemical equipment, and further, a digital life cycle management system for petrochemical equipment is established from five aspects including equipment planning and design, manufacturing management, installation and commissioning, operation and maintenance management, and asset management. The established system helps to improve the work quality of equipment management, guarantee the safe operation of equipment, and create more economic benefits for the enterprise.
Keywords: Whole life cycle; Petrochemical equipment; Equipment management; Digital delivery
石油化工行业是一个涉及多变量相协调的生产过程，涉及复杂的工艺路线和工艺参数，以及所产出的满足不同需求的各类成品和半成品[1,2]。这其中，生产设备是石化行业企业生产的基础，是确保产品与整个装置安全运营的关键核心环节[3]。在石油化工生产设备中，涵盖包括压力容器、塔类、储罐、换热器、机泵及搅拌器等在内的多种设备类型，且设备在运行过程中具有高温、高压、腐蚀性强、毒性程度大等特点，从而对设备运行的经济性、可靠性提出了更加严格的要求。因此，为了满足生产工艺条件，确保设备正常运转，除考虑设备的结构、材料和制造工艺外，还需要将设备与生产环境、经济效益和管理效率三者间相协调。
随着信息技术的日益发展，信息化已成为加快实现工业化和现代化的必然选择[4]。目前，石化产业在不断深化“两化融合”与“互联网+”的同时，正在逐步从机械化、电气化、自动化的发展趋势向数字化、信息化、智能化的方向进行转变[5-7]。其中，生产设备由电气化、自动化向数字化的转变程度，直接决定着石化产业向着智慧化和智能化的发展速率。生产设备的数字化是应用信息技术，将工程设备规划及设计、设备制造、设备的安装和运维等信息转变为结构化数据或非结构化数据，从而建立数据组织模型，并通过数字化的形式进行表达、传输以及系统处理。
在传统的设备管理模式中，设备的设计、采购、安装和运维等各个环节均由不同的部门独立运行，数据信息共享程度低，导致在一些特殊状态和需求下，各项设备信息无法及时共享传递，不仅无法保证数据的安全性和准确性，更不利于设备运行管理经验的积累，同时也增加了设备管理的后续工作难度[8-10]。为解决设备设计、制造、安装调试以及设备运维之间的数据信息孤立问题，本文在总结已有文献研究成果基础上，引入了设备全寿命周期的理念，并建立了石油化工设备的数字化全生命周期管理体系。采用所建立的数字化全生命周期体系，不但能够增强设备的管理工作精度，实现设备全生命周期的数字化信息智能关联，还可以提升设备管理工作的质量，保障装置的安全高效运行，为企业创造更多的经济效益。
1 总体架构
石油化工设备数字化全生命周期管理体系由设备规划及设计、设备制造管理、设备安装调试、设备运维管理和设备资产管理系统五个部分组成，其系统框架如图1所示。其中，设备规划及设计是数字化全生命周期的顶层设计，是设备数字化综合应用与业务处理的基础。在实际过程中，需要根据工艺流程和设备布置方案开展设备的规划、选型与设计等信息化集成工作，并建立数字化集成平台。基于数字化集成平台，进行设备的采购、制造和运输管理。将设备运输到项目所在地后，首先进行设备的验收，经验收合格后进行安装和单机调试工作。从整个设备规划至调试阶段，将所有信息汇总于数字化集成平台中，并将该平台完整的交付给业主。业主在数字化集成平台的基础上进行业务处理，即同时开展设备的运维管理和设备资产管理。所述的设备运维管理包括设备的监测、运行和维护，设备资产管理包括设备的统计和报废等。
2 数字化全生命周期管理
2.1设备的规划及设计
根据工程项目所涉及的设备结构特点建立设备集成化设计平台。设备的规划及设计是设备全生命周期管理中的第一步，一般由设计单位进行规划及设计，设计单位最终提交的标准数据格式、成品文件的质量高低与设备模型的完善程度、水平等密切相关。因此，首先要确保数据编码、标准与质量的顶层设计工作，尽量避免推倒重来的极端情况。这里所述的设备集成化设计平台具体包括三维智能设计、工程图BOM表和设计分析协同设计。
三维智能设计首先是根据工艺及基础设计条件、开工报告、专业技术规定、标准规范等，建立设备的三维模型。该模型应详细呈现设备外形尺寸并建立完备的设备材料库和元件库，校审人员在模型建立过程中联合相关专业人员和业主进行材料和模型的审核，同时，根据制造、安装及运维需要输入设备属性数据。通常静设备属性的最低要求为设备名称及位号、设备的各个部件材质、外形尺寸、工作压力、设计压力、容器类别、净质量、容积、无损检测要求、防腐涂料类型及保温等；管口最低属性要求有管口号、公称直径、公称压力、采用标准、连接面形式、接管长度、特殊要求等；管口方位依据设备布置图和配管要求进行。动设备的属性最低要求为设备名称与位号、主要性能、外形轮廓及尺寸、元件材质名称和牌号、功率、转速、动设备质量、电动机质量、单个最大拆检部件的尺寸和质量、常维修及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。图2所示为某导热油装置中的膨胀罐三维模型，该信息化模型中不仅包括设备编码、管口信息、定位尺寸、公称直径、净质量、材质等基本信息，还包括设计工况、腐蚀速率、工艺介质、易失效部位、特种设备属性、备品备件、检维修建议等详细信息。
|
|
图2 膨胀罐三维模型 | 图3 某导热油装置数字化模型示意 |
Figure 2. 3D model of expansion tank | Figure 3. Digital model of heat transfer oil device |
单台设备的数字化模型是整个装置信息化的前提，装置的数字化是单位工程交付平台建立的条件。数字化工程交付平台的建立，使工程项目全生命周期数据同源、信息同根，形成以数据库为核心的数字化工厂，服务于采购、安装、建造以及调试，使设备后期的运营和维护更加精准。设备数字化移交的目的是实现三维设计模型到运营管理模型的转变，即设计平台要继续延伸，能够与今后的设备采购、安装建造管理、运行维护相衔接。目前，国内已有相关的数字化交付标准[11]。图3所示为某导热油装置的数字化模型，该模型是建立在如图2所示的单台设备基础之上的数字化平台，最终以信息化的模块整体交付给业主。业主在数字化平台基础之上进行采购、制造与安装调试，为后续的运维与资产管理提供平台。
2.2 设备的制造与安装调试
设备在采购过程中应引入全生命周期的理念，通过充分的论证与调研，计算设备全生命周期的费用，结合设备安全风险分析，对安全、环保风险大的设备必须以设备可靠性作为采购的第一要素[12]。设备经采购进入制造环节，而后，企业根据设备规划及设计方案进行汇总统计，依据所提供的设备参数信息进行招投标，与有能力建造的设备厂商签订合同。
设备制造单位在招投标、合同、协议及采购订单基础上进行设备制造。重点设备的制造过程还需委托第三方进行驻场监造。而对于一些大型化的装置，设备的运输成本也是需要考虑的一个方面。此外，在企业与厂商签订合同前，也应对不方便运输的设备进行模块化设计。在设备到达现场开箱后，应按照合同品名、装箱清单、图纸要求对设备型号规格及数量质量进行清点、检查和编号，并做好记录，最后经验收合格后方可进入安装调试阶段。
设备的安装调试是关系投产运行后能否正常运行与发挥设备作用的重要步骤，因此需按照设备安装规范的精度和巡检说明等逐项进行检验。设备在安装完毕后，由设备运维部门协同设备安装单位、设备生产单位及时进行开车试验，检查设备安装精度，保证设备的功能、参数、控制及传动方面正常。对空载试车的技术参数及运行状态进行详细记录，然后进行负荷试车。在负荷试车过程中，应着重检查设备的振动及噪声、运转部件的温度和压力、操作控制装置、自控系统和安全防护装置是否稳定。最后，经过整个装置进行联动试车，设备正式开启并投入运行。
2.3设备的运维
设备运维的实现是在设备规划设计、制造与安装基础上，基于设备运行性能的分析，将设备管理由设备级推进到零件级，对易失效的部位、零件的数据资产进行有效管理，并通过智能化增值应用确保运行安全，降低对运维成本的压力，减少计划外停机，实现远程操作，达到降低设备故障率、减少检维修成本的目标。
2.3.1 监测
化工厂内部车间往往设备繁多、管线复杂，如何能够快速、实时、可视的对主要设备生产状况进行监测，对设备现场状况进行无死角的监控，有着非常重要的意义。因此，对设备的监测主要包括设备运行的可视化和视频监控两个方面。其中，设备运行的可视化是在三维场景中选取设备模型，在该模型中，不仅可以查看该设备的温度、压力、液位、振动、运行数据、设计参数、趋势图等信息，也可以利用设计参数与实时监控数据进行对比，直观展现报警信息。同时，借助数字模型中的视频监控系统，业主不仅可以标识监控设备，也可以通过“视频监控”快速调用获取一个或多个监控视频，展现监控画面，从而实现对厂内外全流程的监测覆盖。
2.3.2运营
在数字化监控及可视化的前提下，并建立数字化运营中心。在全厂范围对关键指标进行三维可视化展示，并可针对各个系统，同时展示对应的系统图及该系统对应的三维模型，并在系统图和三维模型中显示实时数据。并且，在三维平台中可以对生产过程中的相关数据按照不同的分类方式进行统一管理，便于在整个系统应用过程中的数据查询分析和使用。同时，允许客户能够便捷的创建各类信息，并不断扩展信息的分类，以规划系统的数据、功能及展示，为设备的运维提供详实的数据信息。
2.3.3维护
设备经过一定时间的运行，均会导致寿命和性能的下降，这就需要对设备进行维护，以保障设备的使用性能，延长使用寿命。针对石化设备的特点，其维护主要有三个方面：
1） 维修管理：包括检修计划编制、检修方案编制、检维修记录管理和维修工作量计算等。为在竞争中取得优势，必须维持生产，或者尽可能地缩短停机时间，如果出现故障，必须尽快进行排除。在该需求下，可通过平台迅速实施维修，尽可能减少故障和停机时间；
2） 腐蚀性设备管理：操作人员在三维场景中标识定点测厚，用户通过设备位号精准快速定位到设备的三维模型。当选取设备后，系统会自动从模型中读取设计壁厚，测厚点信息并直观展现测厚结果；
3） 特种设备的检验：石油化工装备中很大一部分是特种设备，检验单位可以通过数字化检维修平台实时、直观地查看需要检验的特种设备位置和检验状态等信息。如：设备检维修资料、竣工图纸、历史检验报告等，减少检验人员到现场查看设备的次数，并辅助特种设备检验的技术交底。
2.4设备资产管理
设备的运维管理是设备资产管理的前提，而良好的资产管理可进一步提升设备的运维速度。为使设备具有最新的技术保障，首先对设备进行良好的运营维护，其次必须实施扩展和更新。所以，设备资产管理系统主要包括两个功能模块，即统计和报废处理，主要功能是对设备备品备件的管理、库存管理、系统管理及设备绩效管理等基本模块。通过系统决策, ，对存在腐蚀性严重、无改造维修价值或具有严重的事故隐患以及超过设计文件规定的使用年限的静设备及动设备及时予以报废，并按有关规章制度及时到登记机关办理注销手续。通过设备的资产管理，建立完整的设备信息资料体系，提高设备的运行效率及利用率，进一步提升设备的有效性，保证设备的安全高效运行。当设备达到报废的状态时，及时进行报废处理，能有效提升企业设备资产的经营效益。
3结语
石油化工设备数字化全生命周期管理体系由设备规划及设计、设备制造管理、设备安装调试、设备运维管理和设备资产管理五个部分组成。通过建立设备数字化全生命周期管理体系，进行设备信息流的整合，消除数据信息孤立，实现在数字化集成平台基础上对设备进行全生命周期管理，形成标准化的信息流，使设备数据在各参与方的传递过程中同根同源可追溯，有效提高设备生命周期内各参与方的工作效率。为企业由数字化向智能工厂转型提供理论基础，并助力于企业经济效益的提升。
参 考 文 献
[1] 吴青. 炼化企业数字化工厂建设及其关键技术研究[J]. 无机盐工业, 2018, 50(2): 1-7.
[2] 吴青. 智慧炼化建设中工程项目全数字化交付探讨[J]. 无机盐工业, 2018, 50(5): 1-6.
[3] 马生伟，何学聆. 设备全生命周期管理在生产企业的应用[J]. 中国氯碱, 2020, 20(8): 24-27.
[4] 吴青. 智能炼化建设—从数字化迈向智慧化[M]. 北京:中石化出版社, 2018: 56-58.
[5] 王健. 潍焦集团设备全生命周期精细化管理系统的设计与实现[D]. 济南: 山东大学, 2018.
[6] 段婷婷，何卫平，张维，等. 基于Web的全生命周期设备管理系统[J]. 计算机应用研究, 2008, 25(2): 625-627.
[7] 寿海涛. 数字化工厂与数字化交付[J]. 石油化工设计, 2017, 34(1): 44-47.
[8] 雷肖. 机电设备全生命周期信息管理系统的研究与设计[J]. 水电与新能源, 2017, 152(2): 51-55.
[9] 景三虎，宋天洲，宋丙臣. 面向网络化、模块化的煤矿设备生命周期管理研究[J]. 煤矿机电, 2017(6): 68-71.
[10] 钟清，阙华坤，陈锐民，等. 物联网技术在设备全生命周期管理中的应用[J]. 计算机工程, 2012, 38(5): 247-254.
[11]GB/T51296-2018，石油化工工程数字化交付标准[S]. 北京:中国计划出版社, 2018.
[12] 张凯天. 石油化工工程总承包项目中的设备采购管理及其案例分析[J]. 炼油技术与工程, 2005, 35(10): 59-62.
收稿日期：2021-xx-xx
作者简介：王子兴（1987-），男，工学硕士，工程师，主要从事工业炉及化工设备设计和研究工作。
联系方式：wangzx24@cnooc.com.cn
订阅方式：
①在线订阅（推荐）：www.sdchem.net.cn
②邮局订阅：邮发代号24-109
投稿方式：
①在线投稿（推荐）：www.sdchem.net.cn
作者只需要简单注册获得用户名和密码后，就可随时进行投稿、查稿，全程跟踪稿件的发表过程，使您的论文发表更加方便、快捷、透明、高效。
②邮箱投稿：sdhgtg@163.com sdhg@sdchem.net
若“在线投稿”不成功，可使用邮箱投稿，投稿邮件主题：第一作者名字/稿件题目。
投稿时请注意以下事项：
①文前应有中英文“题目”、“作者姓名”、“单位”、“邮编”、“摘要”、“关键词”；
②作者简介包括：姓名、出生年、性别、民族、籍贯或出生地、工作单位、职务或职称、学位、研究方向；
③论文末应附“参考文献”，执行国标GB/T7714-2005标准，“参考文献”序号应与论文中出现的顺序相符；
④注明作者的联系方式，包括电话、E-mail、详细的通讯地址、邮编，以便联系并邮寄杂志。
欢迎投稿 答复快捷 发表迅速