火力發(fā)電廠管道高效、精細(xì)化設(shè)計方案設(shè)計及應(yīng)用

陳 杰

（中國電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽550003）

1 管道精細(xì)化設(shè)計的意義

傳統(tǒng)火力發(fā)電廠熱力管道設(shè)計中，小管道只在系統(tǒng)圖上示意，不做具體的布置圖設(shè)計和支吊架詳細(xì)設(shè)計，這些小管道交由施工單位進(jìn)行現(xiàn)場二次設(shè)計并施工。施工人員水平參差不齊，缺乏全局布置的設(shè)計視野，往往導(dǎo)致小管道布置混亂，影響通道操作，引起疏、放水不暢，膨脹不足等實(shí)際問題。另外，常規(guī)熱機(jī)管道設(shè)計中不考慮熱控測點(diǎn)的布置，即熱機(jī)設(shè)計和熱控設(shè)計分別進(jìn)行，這經(jīng)常會導(dǎo)致熱控測點(diǎn)在熱機(jī)管道上安裝不合理等。

隨著近些年國內(nèi)常規(guī)火電市場的逐漸萎縮，加之勘測設(shè)計費(fèi)的大幅下降，各傳統(tǒng)電力設(shè)計企業(yè)從傳統(tǒng)設(shè)計公司向工程公司方向轉(zhuǎn)型，工程項目的管理也從原粗放管理向精細(xì)化管理方向轉(zhuǎn)變。這些現(xiàn)實(shí)變化對管道設(shè)計提出了更高要求。

2 電廠管道精細(xì)化設(shè)計難點(diǎn)及分析

2.1 管道設(shè)計的復(fù)雜性

管道設(shè)計范圍主要是電廠動力管道，其介質(zhì)主要包含蒸汽、水、氣和易燃易爆、有毒及腐蝕性液體或氣體等[1]?；鹆Πl(fā)電廠的汽水管道包含高溫高壓汽水管道、中低壓汽水管道和其他管道。這些復(fù)雜系統(tǒng)的管道均存在疏水、放水、放氣用等小管道。管道設(shè)計配合主要體現(xiàn)在兩個專業(yè)的配合上：一為熱控專業(yè)，不同管道上存在數(shù)量不定的熱控測點(diǎn)，測點(diǎn)的位置均有特別要求；二為土建專業(yè)的關(guān)于管道預(yù)埋件荷載提資及管道穿墻、穿樓板的開孔提資。因電廠各類管道數(shù)量眾多，預(yù)埋件更是數(shù)不勝數(shù)，相關(guān)的設(shè)計配合工作量非常巨大。

2.2 管道等級的特殊性

目前，國內(nèi)火力發(fā)電汽水管道設(shè)計中采用的選型手冊主要有《火力發(fā)電廠汽水管道零件及部件典型設(shè)計手冊》（GD87—1101）、《火力發(fā)電廠汽水管道零件及部件典型設(shè)計手冊》（GD2000版）、《火力發(fā)電廠汽水管道零件及部件典型設(shè)計手冊》（GD2000版）2006年增補(bǔ)、《火力發(fā)電廠汽水管道零件及部件典型設(shè)計手冊》（GD2016）。結(jié)合《無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》（GB/T 17395—2008）、《鋼制對焊管件類型與參數(shù)》（GB/T 12459—2017）、《焊接無縫軋制鋼管》（ASME B36.10M）和《工廠預(yù)制鍛造對焊管件》（ASME B16.9）可知，典管的發(fā)展趨勢是在向美標(biāo)逐步靠攏的。

本文通過列舉20鋼（20G）在不同典管手冊中不同壓力等級、不同通徑的管道壁厚數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖1、圖2所示，得出以下結(jié)論：

（1）在大口徑、高參數(shù)條件下，GD87管道的壁厚是小于GD2000和GD2016版典管同等級參數(shù)、同通經(jīng)管道壁厚。

（2）在低參數(shù)條件下（PN40及以下），GD2000典管的小管道（DN＜125 mm）的壁厚普遍低于GD87、GD2016典管的小管道壁厚。PN25等級下，甚至存在很多小管道（DN＜80 mm）壁厚小于2 mm的情況。在實(shí)際項目實(shí)施過程中，因為小管道存在現(xiàn)場機(jī)械彎制彎管的需要，彎管時管道壁厚太薄易出現(xiàn)彎制不均勻折痕甚至折裂現(xiàn)象，同時，焊接時候要尤其注意焊接方法以確保焊接質(zhì)量。

（3）GD2000典管的大管道（DN＞150 mm）壁厚明顯高于GD87典管和GD2016典管壁厚。

圖1 20鋼P(yáng)N100、PN63等級的管道壁厚對比圖

圖2 20鋼P(yáng)N40、PN25等級管道壁厚對比圖

3 管道高效、精細(xì)化設(shè)計解決方案

3.1 管道材料等級表定制

通過典管手冊的對比分析，針對通用PN系列的管道，本文推薦使用原則為：

（1）典管GD2016內(nèi)容最新且最豐富，在高參數(shù)如主蒸汽、再熱蒸汽及部分合金鋼抽汽管道采用了豐富的定參數(shù)規(guī)格，因而建議高參數(shù)、定參數(shù)管道系統(tǒng)采用與GD2016匹配的管道系列。

（2）若管道需要采用Ⅰ系列管道規(guī)格，PN系列管道選擇GD2016典管，如06Cr19Ni10材質(zhì)管道。

（3）雖然GD2000典管在GD2016中被停止使用，但由于GD2000及GD2016的管道規(guī)格系列并不匹配，且在大管道中（DN＞150 mm），GD2000典管壁厚更趨于保守，在實(shí)際項目實(shí)施中，針對PN100及以下通用等級的20鋼（20G）管道等，可采用GD2000典管手冊。

（4）非Ⅰ系列管道規(guī)格的小管道（DN＜150 mm）建議選用GD87典管。

3.2 熱力系統(tǒng)圖的規(guī)范化協(xié)同設(shè)計

為便于熱力系統(tǒng)工藝、熱控專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，本院引進(jìn)先喬火電、核電聯(lián)合輔助設(shè)計軟件（INPOWER V3.0），可以實(shí)現(xiàn)全廠系統(tǒng)圖的協(xié)同設(shè)計工作。根據(jù)制定的管道等級表，將定制的管道等級導(dǎo)入先喬系統(tǒng)，可選擇每根管道的管道等級代號、每個閥門的型號規(guī)格，并確定其唯一的KKS編碼。

3.3 管道三維高效協(xié)同設(shè)計

PDMS是英國AVEVA公司（原CADCentre公司）的旗艦產(chǎn)品。其管道布置功能尤為優(yōu)秀，在制作好管件庫之后，即可根據(jù)管道系統(tǒng)圖和廠房設(shè)備、結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行管道布置。其中，可以直接由INPOWER的“INPower-PDMS”接口實(shí)現(xiàn)所有管線在PDMS中的建立，管道等級只用在INPOWER系統(tǒng)中一次性輸入，確保每根管線不遺漏、管道唯一，減少原有在PDMS中建立管線、選擇等級等的基本操作時間。目前，我院已經(jīng)實(shí)現(xiàn)汽機(jī)、鍋爐、總圖、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、熱控、暖通、給排水等幾乎所有專業(yè)的PDMS協(xié)同建模。

3.4 支吊架快速布置和導(dǎo)出應(yīng)力計算模型

PCDS是基于PDMS平臺與Revit平臺的實(shí)現(xiàn)管道和結(jié)構(gòu)專業(yè)三維協(xié)同的設(shè)計系統(tǒng)。PCDS支持工藝等專業(yè)在PDMS平臺中進(jìn)行三維埋件、荷載以及荷載提資，同時將提資發(fā)布給結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行荷載分配以及最終的開孔埋件出圖。

EHS是基于CAD、PDMS平臺開發(fā)的管道支吊架設(shè)計軟件，是一個高效的支吊架設(shè)計工具。其中LCTool是EHS在PDMS中的配合接口。

管道模型建立之后，根據(jù)結(jié)構(gòu)框架模型，利用PCDS或者LCTool工具均可以快速實(shí)現(xiàn)管道邏輯支吊架位置、類型的定義。

通過PCDS的“荷載”菜單或者LCTool工具的“導(dǎo)出應(yīng)力分析文件”功能可以實(shí)現(xiàn)管道模型直接轉(zhuǎn)化為應(yīng)力計算模型。原來需要以小時計的工作量，現(xiàn)在只需要幾分鐘的設(shè)置操作即可完成，且保證了應(yīng)力計算模型與管道布置的數(shù)據(jù)一致性。

3.5 管道批量提資

在管道布置確定、應(yīng)力計算合格條件下，PCDS軟件即可開展管道荷載、埋件、開孔等向土建提資的工作。利用PCDS軟件，可以快速精確進(jìn)行埋件、管道穿墻、穿孔的提資，原本需要一周以上的提資配合時間現(xiàn)在只需一天左右時間完即可完成，且能做到精準(zhǔn)提資，土建專業(yè)亦可在三維軟件中直接接收提資信息，大大減少上下游專業(yè)的配合時間。

3.6 支吊架詳細(xì)設(shè)計并導(dǎo)入三維模型

利用EHS實(shí)現(xiàn)管道支吊架模型的精確設(shè)計，其可以支持《D-ZD2010發(fā)電廠汽水管道支吊架設(shè)計手冊》《火力發(fā)電廠汽水管道支吊架設(shè)計手冊——西北院83版本》等電廠設(shè)計常用的支吊架手冊。EHS可實(shí)現(xiàn)支吊架的完整CAD出圖，同時生成支吊架三維1:1模型并導(dǎo)入PDMS軟件中。

3.7 實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電廠管道高效、精細(xì)化設(shè)計

在完成以上工作之后，管道設(shè)計及支吊架設(shè)計工作已全部結(jié)束，所有成品信息保存在設(shè)計平臺及相關(guān)設(shè)計軟件中，設(shè)計平臺通過接口與相關(guān)設(shè)計軟件數(shù)據(jù)交互。管道模型通過PDMS出圖定制，可以實(shí)現(xiàn)批量自動出圖，支吊架詳細(xì)設(shè)計圖紙在EHS中實(shí)現(xiàn)批量出圖。

火力發(fā)電廠管道高效、精細(xì)化設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 火力發(fā)電廠管道高效、精細(xì)化設(shè)計方案

4 實(shí)際應(yīng)用

我院在貴州赤水某生物質(zhì)火力發(fā)電項目中應(yīng)用了火力發(fā)電廠管道高效、精細(xì)化設(shè)計方案，設(shè)計工期原計劃半年時間，通過實(shí)施火力發(fā)電廠管道高效精細(xì)化設(shè)計，最終設(shè)計時間縮減到兩個月即完成，大大提高了設(shè)計效率及設(shè)計成品質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文通過探索火力發(fā)電廠管道高效、精細(xì)化設(shè)計方案，并引進(jìn)各設(shè)計平臺和設(shè)計軟件，實(shí)現(xiàn)了火力發(fā)電廠管道的精細(xì)化、高效設(shè)計。經(jīng)過實(shí)際項目檢驗，本套設(shè)計方案完全可行，可極大地提高設(shè)計效率和成品質(zhì)量。