汽機(jī)房儀表架自動(dòng)布置算法研究及軟件開發(fā)

董湛波，王海濤，徐 昆

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102)

1 研究背景及意義

火電廠汽機(jī)房內(nèi)工藝管道和設(shè)備數(shù)量繁多，其中大多數(shù)管道和設(shè)備上都安裝有測(cè)量壓力、差壓的測(cè)點(diǎn)，這些測(cè)點(diǎn)的壓力信號(hào)沿著儀表導(dǎo)管引到對(duì)應(yīng)的壓力、差壓變送器或開關(guān)，產(chǎn)生二次信號(hào)送至控制設(shè)備。因此，壓力、差壓變送器和開關(guān)量儀表的數(shù)量也是很大的。例如，某2×50 MW背壓供熱機(jī)組，汽機(jī)房內(nèi)的壓力、差壓變送器及開關(guān)一共有193臺(tái)，某2×600 MW機(jī)組，汽機(jī)房內(nèi)的壓力、差壓變送器及開關(guān)一共有287臺(tái)。這些變送器及開關(guān)量儀表在進(jìn)行布置時(shí)，一般都是在某個(gè)區(qū)域內(nèi)將靠的比較近的幾個(gè)儀表安裝在一個(gè)儀表架上。但是由于儀表的數(shù)量眾多，分布零散，如果全部由設(shè)計(jì)人員人工布置，工作量極大，容易造成遺漏。

在以往的國內(nèi)火電工程中，儀表架的設(shè)計(jì)深度較淺，電力設(shè)計(jì)院只負(fù)責(zé)粗略定位儀表架，以及確定每個(gè)儀表架上安裝的儀表，具體布置主要由電力施工單位在現(xiàn)場(chǎng)完成。由于施工單位缺少較為完整的三維模型信息，因此經(jīng)常出現(xiàn)布置不合理以及安裝材料浪費(fèi)等情況。隨著海外工程、工程總承包、三維數(shù)字化電廠等新業(yè)務(wù)的開展，業(yè)主對(duì)設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)深度要求越來越高，許多海外工程業(yè)主明確要求設(shè)計(jì)院提供儀表架的布置圖和三維模型。另外，從總包工程降本增效的角度考慮，也有必要對(duì)儀表架布置進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。

對(duì)汽機(jī)房儀表架布置進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，如果完全由人工完成，只能根據(jù)熱控設(shè)備清冊(cè)，在PDMS中逐根管道或者逐個(gè)設(shè)備地去人工定位測(cè)點(diǎn)，再由設(shè)計(jì)人員確定哪幾個(gè)變送器或開關(guān)量儀表放在同一個(gè)儀表架上，最后確定儀表器的位置。這樣的設(shè)計(jì)流程工作量極大，容易造成儀表架布置不合理，浪費(fèi)安裝材料。

因此，研究火電廠汽機(jī)房內(nèi)儀表架布置的特點(diǎn)，從中總結(jié)出一定的規(guī)律，再結(jié)合規(guī)程規(guī)范，提出一套適用于儀表架自動(dòng)布置的算法流程，并根據(jù)算法開發(fā)儀表架自動(dòng)布置的軟件，對(duì)提高火電廠汽機(jī)房儀表架布置設(shè)計(jì)的精度，以及降低人工設(shè)計(jì)的工作量，具有重要意義。

2 布置算法研究

2.1 布置特點(diǎn)

經(jīng)過去多個(gè)電廠實(shí)地調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)施工單位在布置汽機(jī)房儀表架時(shí)，大體有兩種情況：一種是針對(duì)設(shè)備上的壓力、差壓測(cè)點(diǎn)，例如加熱器，疏水灌，精處理裝置等設(shè)備，這些測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變送器及開關(guān)量儀表通常集中安裝在設(shè)備附近的儀表架上；另一種是針對(duì)管道上的壓力、差壓測(cè)點(diǎn)，通常都是將多個(gè)靠近的熱工測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變送器及開關(guān)量儀表集中安裝在同一個(gè)儀表架上，儀表架一般都是靠墻、柱或者設(shè)備布置。這樣可以最大程度降低對(duì)檢修通道的占用，同時(shí)也便于儀表導(dǎo)管的敷設(shè)。

圖1是某電廠凝結(jié)水精處理裝置附近儀表架的安裝圖片，上面安裝的是精處理裝置的差壓變送器，屬于上述第一種情況；圖2中的儀表架靠墻布置，上面安裝的是汽機(jī)房蒸汽管道上的壓力變送器，屬于上述第二種情況。

這種安裝方式符合相關(guān)規(guī)程中的要求，即“汽機(jī)房的布置大格局差異不大，一般分底層、中間層、運(yùn)行層三層，另外還有除氧器層，對(duì)變送器和開關(guān)量儀表可相對(duì)集中布置在支架上。在設(shè)計(jì)儀表支架的布置位置時(shí)，要結(jié)合主設(shè)備布置、電纜通道布置、取樣導(dǎo)管的長度等綜合考慮，可以分區(qū)集中布置，也可以按系統(tǒng)就近布置”。

圖1 火電廠汽機(jī)房儀表架安裝圖片(一)

圖2 火電廠汽機(jī)房儀表架安裝圖片(二)

工藝設(shè)備上的測(cè)點(diǎn)安裝在設(shè)備附近的儀表架上，且測(cè)點(diǎn)較為集中，由設(shè)計(jì)人員人工布置，工作量不大；但是，管道上的測(cè)點(diǎn)數(shù)量多，且較為分散，設(shè)計(jì)人員布置設(shè)計(jì)的工作量比較大。因此，本文針對(duì)的主要是汽機(jī)房管道上壓力、差壓測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變送器或開關(guān)量儀表以及相關(guān)儀表架的自動(dòng)布置。

2.2 布置算法

2.2.1 算法思路

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)儀表架安裝的特點(diǎn)，以及相關(guān)規(guī)程規(guī)范及安裝指南，火電廠汽機(jī)房儀表架的自動(dòng)布置算法可以按照以下思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體步驟為：

(1)逐層搜索汽機(jī)房里每一個(gè)柱子和墻。

(2)搜索每一個(gè)柱子或者墻附近一定空間范圍內(nèi)的壓力、差壓測(cè)點(diǎn)。

(3)將同一個(gè)柱子或者墻附近空間內(nèi)搜索到的測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變送器及開關(guān)量儀表集中安裝在同一個(gè)儀表架上，儀表架靠柱子或者墻布置。

(4)合并重復(fù)的變送器，處理沒有搜索到的測(cè)點(diǎn)。

(5)根據(jù)測(cè)點(diǎn)的介質(zhì)，調(diào)整部分變送器的安裝位置(測(cè)量蒸汽或液體流量時(shí)，差壓儀表或變送器的位置應(yīng)低于取源部件；測(cè)量氣體壓力或流量時(shí)，差壓儀表或變送器應(yīng)高于取源部件的位置，否則應(yīng)采取放氣或排水措施)。

2.2.2 算法流程

將上述的算法步驟進(jìn)行細(xì)化，繪制成算法流程圖，作為開發(fā)軟件的依據(jù)。

見圖3，先根據(jù)人工設(shè)定的搜索距離D，針對(duì)每一層中的每一個(gè)柱子(先要確保柱子底部有樓板)，搜索以該柱子為中心，半徑為D的圓柱體空間內(nèi)的壓力和差壓測(cè)點(diǎn)；針對(duì)每一層中的每一面墻(先要確保墻底部有樓板)，搜索其前后D的長方體空間內(nèi)的壓力和差壓測(cè)點(diǎn)。然后將每一個(gè)柱子或墻搜索到的測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變送器或開關(guān)量儀表放置在同一個(gè)儀表架上，儀表架放置在柱子的底部或者墻的底部中心處。然后針對(duì)未搜索到的測(cè)點(diǎn)，搜索其水平方向1.2D范圍內(nèi)是否有柱子或者墻，如果有，則放置在該柱子或墻對(duì)應(yīng)的儀表架上。

搜索完畢之后，檢查不同儀表架上是否有相同的變送器或開關(guān)量儀表，如果有重復(fù)的，則保留變送器數(shù)量少的儀表架上的。最后，再根據(jù)測(cè)點(diǎn)所引介質(zhì)，調(diào)整部分變送器的位置。測(cè)量蒸汽或液體流量時(shí)，變送器或開關(guān)量儀表的位置應(yīng)低于測(cè)點(diǎn)，放置在低于測(cè)點(diǎn)的儀表架上；測(cè)量氣體壓力或流量時(shí)，變送器或開關(guān)量儀表應(yīng)高于測(cè)點(diǎn)，放置在高于測(cè)點(diǎn)的變送器上。

3 軟件開發(fā)

3.1 軟件的主要功能

圖3 儀表架自動(dòng)布置算法流程圖

我院以PDMS作為三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)支持二次開發(fā)。為了將上面提出的儀表架自動(dòng)布置算法應(yīng)用到PDMS平臺(tái)上，可以采用C#語言和SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入在PDMS平臺(tái)上的軟件，利用PDMS中已有的汽機(jī)房土建專業(yè)信息(梁、板、柱、墻等)、工藝專業(yè)信息(設(shè)備、管道)和熱控專業(yè)信息(熱工測(cè)點(diǎn))，通過上面提出的算法，自動(dòng)布置儀表架及儀表架上安裝的儀表，在PDMS中定位及生成儀表架和儀表的模型。同時(shí)，軟件有調(diào)整儀表架位置以及手動(dòng)建模的功能，用于完善軟件自動(dòng)布置的結(jié)果。

3.2 軟件開發(fā)

使用C#和SQL數(shù)據(jù)庫混合編程。用C#語言編寫軟件界面以及讀取PDMS模型信息(包含土建、工藝設(shè)備以及管道上的熱工測(cè)點(diǎn)的信息)、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)保存、結(jié)果輸出、模型定位及生成等功能，從PDMS讀取的模型信息保存在SQL數(shù)據(jù)庫中。儀表架自動(dòng)布置算法則在SQL數(shù)據(jù)庫中，利用SQL數(shù)據(jù)庫強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來執(zhí)行，整個(gè)流程見圖4。

圖4 軟件流程圖

軟件的主界面見圖5，用戶可以通過界面讀取PDMS模型信息，輸入設(shè)定值，并導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中。通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行儀表架自動(dòng)布置算法的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果以表格的形式顯示給用戶，同時(shí)也可以導(dǎo)出。運(yùn)算完畢后，點(diǎn)擊界面上的建模按鈕，即可在PDMS中定位及生成儀表架及安裝在儀表架上的壓力、差壓變送器及開關(guān)量儀表的模型。

圖5 軟件主界面

4 軟件測(cè)試

在華能玉帶燃煤熱電工程的PDMS模型中，利用模型中已有的汽機(jī)房土建柱子、墻、樓板信息，工藝設(shè)備信息，以及管道上的熱工測(cè)點(diǎn)信息，在軟件界面上輸入設(shè)定值，搜索距離設(shè)定為9000 mm，儀表架最大容量設(shè)定為9，最小容量設(shè)定為1，命名規(guī)則設(shè)定為10CXA(即儀表架編號(hào)以10CXA為前綴，后面采用01,02，……的流水號(hào)進(jìn)行編號(hào))，放置儀表架的標(biāo)高選定在0，4500 mm，9000 mm，12000 mm，13200 mm，16500 mm。將模型信息和設(shè)定值都導(dǎo)入軟件數(shù)據(jù)庫進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果顯示在彈出的對(duì)話框上，見圖6。

圖6 算法運(yùn)行結(jié)果

軟件將程序自動(dòng)生成的儀表架信息顯示在對(duì)話框最上面的表格中，包括儀表架的編號(hào)，最大容量，幾何位置，以及上面安裝的變送器及開關(guān)量儀表的編號(hào)。中間的表格是顯示的是設(shè)計(jì)人員手動(dòng)添加的儀表架信息。最下面的表格則是程序無法處理的測(cè)點(diǎn)，這部分測(cè)點(diǎn)一般都是附近沒有柱子、墻以及工藝設(shè)備，因此無法按照本文提出的算法來放置在某個(gè)儀表架上，這部分測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變送器或開關(guān)量儀表需要設(shè)計(jì)人員在PDMS中根據(jù)具體的布置情況人工進(jìn)行布置。

將算法運(yùn)行結(jié)果以.txt文件導(dǎo)出，里面存放儀表架的編號(hào)，容量，位置，以及安裝的變送器編號(hào)，然后在“三維信息導(dǎo)入/導(dǎo)出”界面導(dǎo)入該.txt文件，點(diǎn)擊“建?！卑粹o，即可在PDMS中定位及生成儀表架及儀表的模型。此時(shí)，用戶可以在“三維信息導(dǎo)入/導(dǎo)出”界面對(duì)儀表架位置和朝向進(jìn)行調(diào)整。在PDMS中生成的儀表架及儀表的三維模型見圖7，在PDMS中利用Draft模塊抽取的平面布置圖見圖8。

圖7 PDMS中生成的儀表架模型

圖8 從PDMS中抽取的平面布置圖

5 結(jié)論

本文根據(jù)火電廠汽機(jī)房儀表架的布置特點(diǎn)，提出了儀表架自動(dòng)布置的算法，并根據(jù)算法使用C#和SQL數(shù)據(jù)庫開發(fā)了嵌入在PDMS平臺(tái)的火電廠汽機(jī)房儀表架自動(dòng)布置軟件。軟件可以利用PDMS中已有的土建柱子、墻、樓板信息，工藝設(shè)備信息，以及管道上的熱工測(cè)點(diǎn)信息，在數(shù)據(jù)庫中完成儀表架自動(dòng)布置的算法，并在PDMS中自動(dòng)定位和生成儀表架以及變送器的模型。在華能玉帶工程汽機(jī)房的PDMS模型中進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試效果良好，符合現(xiàn)場(chǎng)安裝要求。本軟件如果推廣使用，可以降低人工布置儀表架及變送器的工作量，提高設(shè)計(jì)效率和精度，滿足海外工程，三維數(shù)字化交付，以及工程總承包等業(yè)務(wù)的要求。

[1]Q/DG 1－K001－2011．火力發(fā)電廠儀表與控制電纜、導(dǎo)管和就地設(shè)備布置設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S]．

[2]DL 5190．4－2012．電力建設(shè)施工技術(shù)規(guī)范 第4部分：熱工儀表及控制裝置[S]．

[3]葉江祺．熱工測(cè)量和控制儀表的安裝[M]．北京：中國電力出版社，1998．