發(fā)電工程數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計的研究

聶 磊，張 壯，王憶南，張家瑋

(1.中國電建集團河北省電力勘測設(shè)計研究院,河北 石家莊 050031；2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

發(fā)電工程數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計的研究

聶 磊1，張 壯1，王憶南1，張家瑋2

(1.中國電建集團河北省電力勘測設(shè)計研究院,河北 石家莊 050031；2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實行，近年來我院國際工程也有逐年增多的趨勢，在國際發(fā)電工程數(shù)字化設(shè)計方面我們面臨著諸多的問題。其中包括如何解決系統(tǒng)設(shè)計階段各個專業(yè)和部門的設(shè)計數(shù)據(jù)不一致、設(shè)計平臺標準化不統(tǒng)一、設(shè)計規(guī)范混亂等問題。本文通過針對國際工程的全數(shù)字化設(shè)計的要求，介紹如何發(fā)揮數(shù)字化設(shè)計平臺的優(yōu)勢，建立起統(tǒng)一、高效、標準的數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計平臺。

系統(tǒng)設(shè)計；管道設(shè)計；智能圖數(shù)合一繪圖引擎；大數(shù)據(jù)；PDMS。

1傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計與數(shù)字化設(shè)計的區(qū)別

系統(tǒng)設(shè)計在發(fā)電設(shè)計整個過程中有著非常重要的地位。在項目總成本中，多達80%是在設(shè)計之初的系統(tǒng)設(shè)計階段確定的，在該階段所做的所有決定將大大影響隨后的工作步驟及整個工廠的安全、性能和成本效率。在該階段出現(xiàn)的任何錯誤，如果得不到糾正，將會影響整個后續(xù)設(shè)計階段。這可能導(dǎo)致耗時且代價高昂，因而需要一套簡單、高效、較低潛在風(fēng)險的解決方案。

系統(tǒng)設(shè)計的主要表現(xiàn)是系統(tǒng)流程圖的繪制及后續(xù)出各種報表，以確定設(shè)備、管道及其各元件的邏輯連接關(guān)系、各元件的設(shè)計屬性值，作為后續(xù)布置設(shè)計的基礎(chǔ)。之所以傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計會有質(zhì)量隱患和效率低的問題主要原因如下：

(1)無設(shè)備等元件相關(guān)屬性，不智能

傳統(tǒng)設(shè)計方式系統(tǒng)流程圖的繪制都是由AutoCAD繪圖軟件將二維的點和線進行手動繪制，系統(tǒng)圖圖面中的線條及元件無任何屬性參數(shù)，對于管道的流向錯誤和kks的編寫檢查都需人工進行，不能智能的提示和提醒，這就大大增大了設(shè)計時間和差錯率。

由圖中可以看出，傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計是有簡單的二維點和線組成，圖中元件無屬性無參數(shù)，繪圖的樣式和風(fēng)格也無法統(tǒng)一。

(2)系統(tǒng)設(shè)計完成后的成品報表等沒有數(shù)據(jù)支撐

圖紙手工繪制完成后，設(shè)計人員需要對設(shè)計過程中用到的管道、閥門、儀表等設(shè)備部件進行型號參數(shù)標定、數(shù)量統(tǒng)計,必須反復(fù)查找、翻閱設(shè)計手冊，手動查找肯定費時，并且有可能出錯。

同時對于材料統(tǒng)計、I/O清冊等報表分類匯總，純手工無法做到快速高效，統(tǒng)計數(shù)據(jù)涉及到的計算部分需要在龐大的統(tǒng)計表中手工篩選計算，統(tǒng)計完后還需要反復(fù)審核后方可采用極大的影響了設(shè)計效率。

本文結(jié)合我院設(shè)計的摩洛哥JERADA 1×350 MW燃煤電站工程數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計為例，討論采用數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺來解決上述問題。

2數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計平臺的選用

數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計平臺的選擇必須滿足以下條件。

(1)技術(shù)方面必須包含：易部署、便于維護、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、 工作層技術(shù)、知識庫技術(shù)等，

(2)擁有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，既從一張簡單的P&ID圖，到復(fù)雜的電氣回路，工程設(shè)計中所涉及的數(shù)據(jù)，圖表等信息都能保存在單一的數(shù)據(jù)庫中。

(3)實現(xiàn)了與多種設(shè)計軟件的集成，如專業(yè)計算，負載估計，儀表計算等，

(4)以共享方式管理項目的所有數(shù)據(jù)。

(5)設(shè)計院可選擇性移交平臺項目數(shù)據(jù)庫，使業(yè)主在此基礎(chǔ)上構(gòu)建電廠資源管理系統(tǒng)，進行工廠運營的管理與維護，延伸設(shè)計價值鏈。

(6)具有向布置設(shè)計平臺推送數(shù)據(jù)的能力。

根據(jù)以上幾點最終我們選用了西門子的“COMOS智能化系統(tǒng)設(shè)計平臺”，并應(yīng)用到了國際工程中。

COMOS開放的系統(tǒng)架構(gòu)和一致性的數(shù)據(jù)平臺，保證工程設(shè)計各專業(yè)內(nèi)部和上下游專業(yè)之間，從工藝規(guī)劃、工況管理到工藝流程設(shè)計、電氣工程設(shè)計、儀控工程設(shè)計到二、三維協(xié)同設(shè)計的數(shù)據(jù)流的流轉(zhuǎn)，形成一個緊密相扣、互相協(xié)作的工作環(huán)境，見圖1。

圖1 COMOS平臺數(shù)據(jù)關(guān)系圖

COMOS還可以很好的與PDMS融合，將PDMS作為其布置設(shè)計模塊，實現(xiàn)與PDMS間的數(shù)據(jù)傳遞，并進行二、三維校驗，真正實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)布置設(shè)計。

3 數(shù)字化設(shè)計平臺的部署

平臺部署主要分為服務(wù)器端和客戶端，其中服務(wù)器端包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器, 文件服務(wù)器以及授權(quán)控制服務(wù)器。異地協(xié)同的情況，則需安裝Citrix服務(wù)器及Citrix客戶端。當前情況下，總體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖2。

平臺部署主要分為服務(wù)器端和客戶端，其中服務(wù)器端包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器, 文件服務(wù)器以及授權(quán)控制服務(wù)器。服務(wù)器操作系統(tǒng)統(tǒng)一選用Windows Server 2003 + sp2，數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server 2008。服務(wù)器采用陣列服務(wù)器搭建虛擬機的形式由網(wǎng)絡(luò)信息部門統(tǒng)一進行維護管理。

服務(wù)器部署，我院主要采用華為的云端虛擬服務(wù)器部署方案。此方案可以實現(xiàn)“0等待”和“0風(fēng)險”的部署，文件服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器均采用此方案部署。

4 結(jié)合專業(yè)需求進行深度定制和二次開發(fā)

4.1 定制開發(fā)專業(yè)計算

圖2 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

通過二次開發(fā)，平臺集成了工藝專業(yè)工藝擬定和前端計算功能，在圖紙的圖面設(shè)計完以后，進行參數(shù)的填寫，需要計算的可以自動或人工干預(yù)進行計算。包括：水蒸汽參數(shù)自動查詢填寫、管徑計算、流速計算、壁厚計算以及許用應(yīng)力、彈性模量等在相應(yīng)工況下的自動參數(shù)提取。徹底改變了工藝專業(yè)原有的EXCEL+手工查規(guī)程圖表的設(shè)計模式。計算公式完全按照國家標準或國外標準編寫，保證了計算過程和設(shè)計過程的準確性和高效性。

4.2 智能錯誤檢索和定制各種專業(yè)報表

管道流向智能糾錯以及元件級的錯誤檢錯標識，可以讓設(shè)計人員對設(shè)計錯誤一目了然。

平臺可以生成的成品包括：P&ID系統(tǒng)圖設(shè)計、儀表設(shè)備清冊、I/O清冊、儀表閥門清冊、電負荷清單、電源系統(tǒng)圖、接線圖、氣源系統(tǒng)圖、設(shè)備儀表數(shù)據(jù)表、Hook－Up儀表安裝圖、材料表、DCS接線圖、回路圖、SAMA圖、邏輯圖、電纜清冊、材料匯總表等。

5 工程配置和數(shù)據(jù)庫管理

“兵馬未動,糧草先行”，無論是傳統(tǒng)設(shè)計還是數(shù)字化設(shè)計，在設(shè)計之初數(shù)據(jù)(廠家資料等)的收集和準備都是重中之重。

5.1 數(shù)據(jù)準備

(1)熟悉、消化、吸收依據(jù)性技術(shù)文件

在設(shè)計當中管道等級涉及到很多專業(yè)和標準，為了適應(yīng)業(yè)主的要求。以我院的摩洛哥工程為例，在設(shè)計之初我們需要收集與工藝專業(yè)相關(guān)的美國標準，然后是一些依據(jù)性技術(shù)文件，如：美標應(yīng)用方面的論文，國際公司做的等級庫、元件庫，業(yè)主或其他公司美標元件的使用規(guī)定，外方業(yè)主提供的管道設(shè)計手冊等。這些資料可以為如何選擇使用管件、如何建立等級庫提供依據(jù)和參考。

(2)定制KKS編碼規(guī)則

KKS編碼體系被無縫集成到了數(shù)字化設(shè)計平臺中，其提供完善的KKS編碼規(guī)則，可以對KKS編碼進行高效的管理，見圖3。

(3)確定等級庫建立原則，規(guī)劃管道等級庫

通過參考一些國際公司定制的管道等級，確定管道等級以閥門的壓力等級為依據(jù)進行等級劃分。如前所述，閥門的壓力等級即磅級，有Class 150、300、600、900、1500、2500等，見圖4。

(4)進行管道壁厚計算，規(guī)劃選擇管道壁厚

在建立元件庫和等級庫之前必須經(jīng)過人工嚴謹且復(fù)雜的計算。

圖3 定制KKS管理規(guī)則

圖4 某工程美國標準管道等級庫

(5)研究所有美標元件的選擇和使用，建立元件庫

按照標準中各個管件的尺寸表，建立元件庫。建好管道元件庫后，從各個元件庫中挑出相應(yīng)的管件，即可組成各個管道等級庫。

5.2 重構(gòu)管道等級庫

摩洛哥工程我院對管道等級進行重新構(gòu)建，其中

(1) GD87共建立管道等級26個

(2) GD2000共建立管道等級76個

(3)涵蓋了管道典型設(shè)計手冊中的所有管道

5.3 新建等級庫及元件庫

對美國標準管道及其元件進行研究，新建等級庫和元件庫：

(1) ASME B36.10碳素鋼和合金鋼管道共建立管道等級18個

(2) ASME B36.19不銹鋼管道共建立管道等級4個

(3)涂塑及塑料管道共建立管道等級6個

(4)涵蓋了國際工程中所有常用的管道

(5)新建元件庫涉及到約13個美國標準，共計約9300多個元件，

(6)種類包括彎頭、異徑管、三通、堵頭、接管座、法蘭、墊片、閥門。

6 分專業(yè)設(shè)計內(nèi)容與深度

以我院摩洛哥JERADA 1×350 MW燃煤電站工程為例，工程要求系統(tǒng)設(shè)計階段全過程采用數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計。

電廠工藝設(shè)計有關(guān)的熱機、化學(xué)、水工、除灰、運煤、暖通等7個專業(yè)統(tǒng)一在此平臺上設(shè)計。包括工藝擬定、參數(shù)計算，材料選擇，P&ID系統(tǒng)圖設(shè)計，提取各種格式報表，向三維布置軟件推送數(shù)據(jù)的工作。完成工藝專業(yè)設(shè)計內(nèi)容的100%。

控制專業(yè)也在此平臺上同時進行工程設(shè)計。實現(xiàn)了工藝熱控專業(yè)基于唯一數(shù)據(jù)源、在同一平臺下的聯(lián)合設(shè)計?？刂茖I(yè)在平臺上能完成的設(shè)計內(nèi)容有：P&ID系統(tǒng)圖設(shè)計、儀表設(shè)備清冊、I/O清冊、儀表閥門清冊、電負荷清單、電源系統(tǒng)圖、接線圖、氣源系統(tǒng)圖、設(shè)備儀表數(shù)據(jù)表、Hook－Up儀表安裝圖、材料表、DCS接線圖、回路圖、SAMA圖、邏輯圖、電纜清冊、材料匯總表等，可完成控制專業(yè)設(shè)計內(nèi)容的70%。

目前所有的系統(tǒng)圖已通過業(yè)主的審查，獲得了業(yè)主和總包方的肯定和好評。

7 設(shè)計流程管理

發(fā)電廠工藝流程設(shè)計。包括各專業(yè)圖紙卷冊目錄結(jié)構(gòu)的建立；圖紙設(shè)備、管道、閥門的繪制，設(shè)備管道閥門各個參數(shù)填寫，管道等級選擇，圖紙間相互關(guān)系確立等流程設(shè)計功能。

數(shù)字化設(shè)計平臺貫穿整個工程設(shè)計的各個階段，在單一數(shù)據(jù)平臺上映射整個工廠生命周期，實現(xiàn)了整個工廠生命周期內(nèi)跨國家及跨地點的一體化、一致性的數(shù)據(jù)管理。以通用數(shù)據(jù)庫為中心，實現(xiàn)跨專業(yè)和跨部門的工廠管理。確保在整個企業(yè)內(nèi)獲得連續(xù)一致且透明的數(shù)據(jù)流，并杜絕任何數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)不一致。布置設(shè)計中的屬性參數(shù)調(diào)用，三維模型建立，工程運維階段的數(shù)據(jù)調(diào)用、查詢、篩選均會使用系統(tǒng)設(shè)計平臺推送的數(shù)據(jù)。

圖5 一體化設(shè)計方案總體架構(gòu)

8 經(jīng)驗總結(jié)

通過數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計平臺在國際工程中的應(yīng)用，為我院培養(yǎng)了一批符合國際發(fā)電工程設(shè)計要求的高水平的人才。同時通過“同一平臺、數(shù)據(jù)庫、標準” 減少了設(shè)計環(huán)節(jié)，提高了設(shè)計的透明度和共享性，降低了人力成本，節(jié)約了跨部門之間的工作協(xié)調(diào)時間和成本，將工作業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來管理，提高了設(shè)計效率，降低了差錯率。

在平臺中由于智能化糾錯和自動化統(tǒng)計出表功能的出現(xiàn)，將設(shè)計人員從繁雜的糾錯和統(tǒng)計數(shù)據(jù)等費時費力的工作中解放出來，滿足設(shè)計深度要求，提高了設(shè)計精度，保證了成品的一致性和質(zhì)量。

隨著全球經(jīng)濟一體化的進程加快以及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計企業(yè)環(huán)境發(fā)生了重大的變化，其變化的主要特征為：設(shè)計、施工生命周期縮短；設(shè)計周期成為主要競爭因素；用戶高標準嚴要求以及數(shù)字化要求比例增大。與此同時，在設(shè)計企業(yè)中全面推行數(shù)字設(shè)計與三維技術(shù)，通過在設(shè)計、施工、運維全生命周期中的各個環(huán)節(jié)普及與深化數(shù)字化設(shè)計，采用并集成各種計算技術(shù)，使企業(yè)的設(shè)計、總包、管理技術(shù)水平全面提升，促進傳統(tǒng)設(shè)計行業(yè)在各方面的技術(shù)革新，使企業(yè)在持續(xù)動態(tài)多變、不可預(yù)測的全球性市場競爭環(huán)境中生存發(fā)展并不斷地擴大其競爭優(yōu)勢。

[1]ASME B36．10M－2004，焊接和無縫軋制鋼管(英文)[S]．

[2]ASME B36．19M－2004[S]．

[3]ASME PTC 25－1994，中文版 壓力泄放裝置性能試驗規(guī)范[S]．

[4]ASME PTC 25－2001，減壓設(shè)備 Pressure relief devices[S]．

[5]ASME TDP－1－2006，發(fā)電用蒸汽輪機防水損壞的推薦實施規(guī)程[S]．

[6]ASTM－A鋼材標準目錄[S]．

[7]ASTM_F436－2010_Standard_Specification_for_ Hardened_Steel_Washers[S]．

[8]ASTM_F436M－2011_硬化鋼墊圈規(guī)格(米制)[S]．

[9]DIN EN 10216－2－2004[S]．

[10] DIN EN 10216－2－2007[S]．

[11] DIN EN 2481－1979[S]．

[12] Siemens_COMOS_Process_Brochure_GB_2009[Z]．德國西門子．2009

Research on Digital System Design of Power Generation Engineering

NIE Lie1, ZHANG Zhuang1, WANG Yi-nan1, ZHANG Jia-wei2
(Power China Hebei Electric Power Design and Research Institute, Shijiazhuang 050031, China)

With the realization of the national "B&R- Micro Reading" Strategy, HBED’s overseas projects has been increased in recent years. Therefore, HBED faces up with many a problem on digital design of international power generation, including the inconsistent design data standard, non-uniform design platform standards and disorganized design codes during the systematic design of each section and department. Based on the high standards and strict requirements of full-digitalization of international projects, this thesis introduces the way to play the advantages of

digital design platform, and to establish a unified, effective and standard digital design platform.

system design; piping design; figure number one smart graphics engine; big data; PDMS.

TM621

A

1671-9913(2016)04-0038-05

2016-05-23

聶磊(1983- )，男，河北石家莊人，數(shù)字化工程師，從事發(fā)電工程數(shù)字化設(shè)計、移交、運維等。