三維流程工廠標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的實際應(yīng)用
——以某煉鋼廠濁環(huán)水過濾站為例

高 明

（中鋼設(shè)備有限公司， 北京 100080）

1 三維流程工廠設(shè)計特點

工廠設(shè)計通常包括兩類工廠的設(shè)計，離散工廠（factory）和流程工廠（Plant）。離散工廠物流運(yùn)輸主要通過流水線操作，設(shè)備之間相對更獨(dú)立，流程工廠的物流主要是通過管道輸送，因此包含大量管道，如化工廠、電廠、鋼鐵廠等，二者適用的設(shè)計軟件有所不同。本文實例是典型的流程工廠，使用的設(shè)計軟件為AutoCAD Plant 3D。

三維工廠設(shè)計涉及多個專業(yè)，包括土建、給排水、工藝、電氣等，各專業(yè)可協(xié)同操作，分別創(chuàng)建子信息模型，最后匯總成一個完整模型。每個信息模型元素具有唯一性、開放性、可視化和參數(shù)化等特點。生成的三維模型可轉(zhuǎn)換成常用文件格式或國際通用的標(biāo)準(zhǔn)模式，如IFC（國際協(xié)同聯(lián)盟建立的標(biāo)準(zhǔn)名稱）。在項目的全生命周期中提升溝通、生產(chǎn)力、時間成本的效率和質(zhì)量。

除上述特點外，三維協(xié)同設(shè)計最基礎(chǔ)也是最重要的特性是- 采用標(biāo)準(zhǔn)約束和規(guī)則驅(qū)動[1]。各個國家都有相應(yīng)的建筑和施工標(biāo)準(zhǔn)。比如管道，在我國有中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB，美國使用ASME 標(biāo)準(zhǔn)，德國使用DIN 標(biāo)。規(guī)則驅(qū)動則是指在創(chuàng)建模型時，需按照一定的規(guī)則來執(zhí)行相應(yīng)的操作。如管道連接時管道兩端的端點是法蘭形式，則連接時會自動匹配相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的法蘭。從而大大簡化了操作復(fù)雜性，提高了效率和準(zhǔn)確率。

本文實例以給排水專業(yè)為主體，成品模型由管道模型、設(shè)備模型、鋼結(jié)構(gòu)支架模型、設(shè)備基礎(chǔ)模型等子信息模型組成。所有模型都有精確的物理特性和功能特性,可以準(zhǔn)確快速的進(jìn)行材料、設(shè)備統(tǒng)計并生成各種報表。

2 工程實例概述

本文實例為“一帶一路”某亞洲沿線國家新建綜合鋼廠項目煉鋼連鑄廠直接冷卻水（即濁環(huán)水）水處理項目中的過濾站設(shè)計。如圖1 所示煉鋼連鑄廠直接冷卻水主要用于二次噴淋冷卻和設(shè)備直接冷卻、沖渣，為了確保鑄坯的質(zhì)量和設(shè)備使用壽命，冷卻水除了要保證合適溫度外同時對供水水質(zhì)和懸浮物粒徑、濃度等均有嚴(yán)格控制。由于冷卻水與鑄坯直接接觸，排水中含有大量氧化鐵皮和少量油脂，所以在經(jīng)冷卻塔冷卻之前需進(jìn)行一系列水處理流程。一般為：一次鐵皮沉池—二次沉池—過濾器—冷卻塔[2]。

圖1 過濾站三維模型設(shè)計效果圖

本設(shè)計將其中的二次沉淀和過濾的環(huán)節(jié)合二為一，來水經(jīng)一次沉淀后經(jīng)過水力混合器、濁水凈化器、雙旋流過濾器處理送至后續(xù)循環(huán)冷卻水泵站。處理水流量1 800 m3/h，壓力0.45 MPa，溫度約為60 ℃。主要水處理設(shè)備如下：

水力混合器1 臺，處理水量為1 800 m3/h，直徑為Φ4 m，最大水力損失≤0.05 MPa。用于將投的加藥劑與充分混合，提高后續(xù)絮凝效果。

高效濁水凈化器7 臺，單臺處理水量為300 m3/h，工作壓力≤0.45 MPa，試驗壓力為0.6 MPa，最大水力損失≤0.1MPa 進(jìn)水ρ（SS）≤500mg/L，出水ρ（SS）≤30mg/L，進(jìn)水含油量≤30 mg/L，出水含油量≤6 mg/L，排泥周期為6～8 h（可調(diào)節(jié)）排泥平均含水率98%，單臺外形尺寸為Φ4 000 mm×9 000 mm。

該設(shè)備主要是結(jié)合旋流分離及污泥循環(huán)回流為主要特征的一項沉淀澄清新技術(shù)。負(fù)壓噴射裝置帶動循環(huán)回流的活性污泥，與水中的雜質(zhì)形成小的絮體。水中油類與懸浮物經(jīng)藥劑的絮凝作用，形成大顆粒絮團(tuán)沉降在下部排泥斗中，上部清水經(jīng)溢流堰、出水管排出。下部污泥可定期排出，一般6～8 h 排一次，每次2～3 min。排出的污泥排至污泥池后統(tǒng)一處理。最后經(jīng)過處里合格的水由出水口流出進(jìn)入下一步過濾流程。主要過濾器設(shè)備如下：

雙旋流過濾器7 臺，單臺處理水量為300 m3/h，進(jìn)水ρ（SS）≤80mg/L，含油量≤10mg/L，出水ρ（SS）≤20mg/L，含油量≤5 mg/L，水反洗強(qiáng)度為0.6 m3/（min·m2），氣反洗強(qiáng)度為3 m3/（min·m2），反洗水壓力為0.3～0.5 MPa，反洗氣壓力為0.4～0.6 MPa，水反洗時間為2～3 min/次，氣反洗時間為2～3 min/次，反洗周期為8～12 h（可調(diào)節(jié)），反洗水量比為1%～3%，最大水力損失≤0.1 MPa。

大流量雙旋流高效自動過濾器利用旋向不同的高速水流進(jìn)行反洗，增加濾料內(nèi)水流的逆流剪切力，加大濾料間的翻騰作用和相互摩擦，使濾料與懸浮物、油的剝離更加迅速，減少周期反沖洗用水、用氣量，約占過濾水量的2%左右，出水懸浮物去除率達(dá)93%，油去除率達(dá)90%；可將濁環(huán)水懸浮物質(zhì)量濃度降到10 mg/L 以下，油含量降到5 mg/L 以下[3]。

此外還含壓縮空氣儲罐、加藥裝置、電控設(shè)備等輔助設(shè)備。

3 三維設(shè)計應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)化控制

在流程工廠設(shè)計中設(shè)備的配管是主要設(shè)計內(nèi)容之一。過濾站水處理設(shè)備較多，涉及的管線復(fù)雜多樣，使用三維設(shè)計并將設(shè)備、閥門、管道賦予相應(yīng)代號，整個項目設(shè)計的整體性和連貫性，簡化了大量后續(xù)工作。

在三維設(shè)計中，布管前需要設(shè)置相應(yīng)的等級庫和元件庫。等級庫是由一系列標(biāo)準(zhǔn)零件構(gòu)成的，例如10HS01是由DIN 標(biāo)構(gòu)建的零件庫，等級庫是三維設(shè)計的核心，三維配管設(shè)計是以等級庫為基礎(chǔ)進(jìn)行的，配管需要等級庫提供有關(guān)管道元件和布線特性的信息。

制作等級庫需要有相應(yīng)的元件庫。等級庫通常以壓力等級方式表示，例如10HS01 是由DIN 標(biāo)元件庫中壓力等級PN10 的零件為基礎(chǔ)制作的，根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)《管道元件PN（公稱壓力）的定義和選用》（GB/T 1048-2005）規(guī)定，“PN 數(shù)值的”選用系列如下。DIN 系列：PN2.5、PN6、PN10、PN16、PN25、PN40、PN63、PN100。ANSI 系列：PN20、PN25、PN110、PN150、PN260、PN420。不同系列的閥門和法蘭等零件不能互換。本設(shè)計用到的管道壓力等級有PN10、PN16 及PN25。

元件庫則是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)表示。制作元件庫需要參照標(biāo)準(zhǔn)手冊或標(biāo)準(zhǔn)文檔。元件庫通常將管道和管件制作成一個元件庫，閥門制作成另一個元件庫。管道和管件包括多個標(biāo)準(zhǔn)，閥門種類多樣，也包括多個標(biāo)準(zhǔn)，因此一個元件庫通常包含若干個標(biāo)準(zhǔn)。例如國標(biāo)元件庫中包含了以下標(biāo)準(zhǔn)零件?！朵摪逯茖腹芗稧B/T 13401、《鋼制管法蘭類型與參數(shù)》GB/T 9112、《通用閥門鐵制截止閥與升降式止回閥》GB/T 12233、《全螺紋雙頭螺柱》DIN 976 等諸多標(biāo)準(zhǔn)。

本項目建設(shè)單位為一帶一路某沿線國家企業(yè)，項目執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有其特殊性，本項目設(shè)備、閥門均在國內(nèi)采購運(yùn)抵項目所在地，管道及管件在當(dāng)?shù)鼐徒少?。這就涉及到了國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與國外標(biāo)準(zhǔn)的兼容問題。本設(shè)計管道及管件采用DIN 標(biāo)準(zhǔn)（可對標(biāo)國標(biāo)II 系列）。設(shè)備、閥門采用國標(biāo)，如GB 150—2011《壓力容器》、GB/T 13922—2011《水處理設(shè)備性能試驗》、CJ/T 43—2005《水處理用濾料》、GB 50055—2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范》等。為與配管管道保證一致，設(shè)備管口及閥門的接管和配對法蘭等，需設(shè)備廠家根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)語

在國內(nèi)外工程建設(shè)項目中，三維流程工廠標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計是一種高效、先進(jìn)的技術(shù)手段，三維信息模型數(shù)據(jù)貫穿設(shè)計、施工、運(yùn)營維護(hù)全生命周期，可減少重復(fù)建設(shè)，提高精度。