核電站通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化研究與建設(shè)

中國(guó)核電工程有限公司 李百利 張麗麗 康 健

0 引言

隨著信息化的發(fā)展，為適應(yīng)數(shù)字化核電站的需求，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單編碼、三維建模形式逐步走向?qū)ο髷?shù)字化、運(yùn)行數(shù)字化、過(guò)程數(shù)字化和生產(chǎn)管理數(shù)字化。通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與交付走上了快車道。

伴隨著華龍一號(hào)核電站的數(shù)字化建設(shè)，對(duì)設(shè)計(jì)、施工、項(xiàng)目管理與推進(jìn)、設(shè)備采購(gòu)、運(yùn)行維護(hù)等方面提出了更高的智能化要求，通風(fēng)系統(tǒng)也必定經(jīng)歷從智慧的虛體向智能實(shí)體的轉(zhuǎn)換。

通風(fēng)系統(tǒng)完成全周期的數(shù)字化變革是第三代核電站對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的要求，也是最大限度實(shí)現(xiàn)安全、高效、環(huán)保運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電廠信息化和智能化的要求。

1 通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化研究

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化應(yīng)用的發(fā)展

通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)字化應(yīng)用始于上世紀(jì)90年代，主要是應(yīng)用軟件建立通風(fēng)系統(tǒng)三維模型、統(tǒng)計(jì)圖表信息等，利用直觀的可視化模型代替平面圖形，提高了繪圖工作的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提升了繪圖效率，完成了數(shù)字化核電站的基礎(chǔ)應(yīng)用階段。

在三維模型應(yīng)用階段，通過(guò)PDMS等軟件的開發(fā)和拓展逐步實(shí)現(xiàn)了出圖、報(bào)表的自動(dòng)化，使通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加快捷和便利；同時(shí)可以提取數(shù)據(jù)用于仿真、計(jì)算，提高了結(jié)構(gòu)計(jì)算和水力計(jì)算的準(zhǔn)確度，提升了計(jì)算效率。

現(xiàn)階段，隨著數(shù)字化核電站的提出，通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)化建設(shè)進(jìn)入了高速發(fā)展階段。隨著核電站實(shí)現(xiàn)通過(guò)統(tǒng)一的平臺(tái)搭建虛擬電站，把數(shù)據(jù)應(yīng)用從直觀的布置參數(shù)延伸到設(shè)計(jì)的全過(guò)程，覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備采購(gòu)、運(yùn)維、系統(tǒng)安裝施工的完整鏈條，并與電廠運(yùn)行數(shù)字化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，把通風(fēng)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)起來(lái)，由設(shè)計(jì)院和產(chǎn)品供應(yīng)商輸入系統(tǒng)和設(shè)備參數(shù)，采購(gòu)、安裝人員從中取得數(shù)據(jù)信息，運(yùn)營(yíng)方根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定操作系統(tǒng)并反饋運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)集中在平臺(tái)周邊的應(yīng)用產(chǎn)品軟件進(jìn)行各種計(jì)算和驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)了虛擬的數(shù)據(jù)核電站。

未來(lái)隨著5G技術(shù)和VR技術(shù)的發(fā)展，以及智能芯片的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與安裝同步，即所想即所見，打破虛擬和現(xiàn)實(shí)的界限，實(shí)現(xiàn)所見即所得的高度智能核電站。

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化的基本架構(gòu)

目前正處于數(shù)字化的高速發(fā)展階段，現(xiàn)階段電廠的系統(tǒng)架構(gòu)基本分為3層，即數(shù)據(jù)和信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架層、數(shù)字化信息集成平臺(tái)層、數(shù)字化電廠應(yīng)用層[1]。與之對(duì)應(yīng)，通風(fēng)系統(tǒng)的架構(gòu)也是如此，如圖1所示。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化架構(gòu)

第1層為數(shù)據(jù)層，該層是整個(gè)數(shù)據(jù)化的核心和基礎(chǔ)，與核電站所有系統(tǒng)一起構(gòu)成一個(gè)完整的、開放的SQL SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)來(lái)源包括AUTOCAD P&ID、PDMS、SolidWorks、EB、Civil3D等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件，其他專業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)接口輸入和一些運(yùn)行反饋數(shù)據(jù)。這一層主要由設(shè)計(jì)部門完成。

第2層為通風(fēng)數(shù)據(jù)的信息化集成平臺(tái)，這一層包括一些常用的計(jì)算軟件，如負(fù)荷計(jì)算軟件，水力計(jì)算軟件，ANSYS應(yīng)力分析軟件，F(xiàn)luent數(shù)值仿真軟件，PDMS軟件的圖紙、清單開發(fā)模塊，以及一些管理平臺(tái)軟件，如工程總承包管理平臺(tái)，采購(gòu)、施工建設(shè)管理系統(tǒng)，工藝系統(tǒng)管理平臺(tái)等。各系統(tǒng)平臺(tái)間以數(shù)字化通風(fēng)模型為核心，建立相互間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，完成不同的設(shè)計(jì)、采購(gòu)和安裝需求，這一層級(jí)覆蓋了工程總承包的各個(gè)環(huán)節(jié)。

第3層為應(yīng)用層。通過(guò)數(shù)字化信息的集成和互通，虛擬的核電通風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)建立，通過(guò)數(shù)字化交付，業(yè)主用戶通過(guò)門戶系統(tǒng)，完成生產(chǎn)、維護(hù)、決策等工作，主要體現(xiàn)在生產(chǎn)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)(基建)管理系統(tǒng)、ERP經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)、可視化三維虛擬系統(tǒng)、數(shù)字化檔案系統(tǒng)、數(shù)字化巡檢系統(tǒng)等[1]。

1.3 通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化的基本配置

通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)字化需要完備的編碼系統(tǒng)。目前核電廠常用的編碼系統(tǒng)有KKS編碼規(guī)則和ECS編碼規(guī)則。華龍一號(hào)機(jī)組的編碼規(guī)則更接近于ECS編碼規(guī)則，其對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的部件根據(jù)電廠的實(shí)際情況進(jìn)行了優(yōu)化，形成了自有的編碼程序。編碼體系是數(shù)據(jù)庫(kù)建立的基礎(chǔ)，完備的編碼體系是建立核電數(shù)據(jù)大廈的基石。

建立數(shù)字核電離不開硬件系統(tǒng)的支持，硬件系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及備份系統(tǒng)、為應(yīng)對(duì)大量數(shù)據(jù)文件而建立的數(shù)據(jù)中心和相關(guān)配套設(shè)施(如大冷量、大風(fēng)量的通風(fēng)系統(tǒng))、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)等。硬件系統(tǒng)構(gòu)成了數(shù)字通風(fēng)系統(tǒng)的骨骼和肌肉。

配套的軟件和應(yīng)用系統(tǒng)，包括成型的商業(yè)軟件和為適應(yīng)核電站需求而開發(fā)的配套軟件，如Fluent、AUTOCAD P&ID、PDMS、風(fēng)管水力/應(yīng)力計(jì)算平臺(tái)等，通過(guò)軟件的交互和調(diào)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，完成通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)荷設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)、布置安裝全過(guò)程的所有工作，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)字通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)與交付。

2 通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)

當(dāng)前在建數(shù)字化核電廠以數(shù)據(jù)為核心，以高精度三維模型為載體，以全專業(yè)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為支撐，包含全領(lǐng)域、全壽命期核電工程數(shù)據(jù)，可用于核電站運(yùn)行模擬、關(guān)鍵系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證[2]。通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)應(yīng)該以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化核電交付為當(dāng)前階段的目標(biāo)。

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)體系建設(shè)

設(shè)計(jì)體系建設(shè)是通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化的現(xiàn)實(shí)載體，也是通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。在華龍一號(hào)的數(shù)字化體系中，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系主要包括工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)和三維布置設(shè)計(jì)平臺(tái)兩大塊，另外還有消防、儀控、一體化工程經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)等平臺(tái)的接口設(shè)計(jì)。

工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)主要以基于AUTOCAD P&ID的系統(tǒng)流程圖為基礎(chǔ)參數(shù)，通過(guò)拓展完善數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)從集成設(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)行核電工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的提取和發(fā)布，以及多版本工藝數(shù)據(jù)在工程數(shù)據(jù)中心的解析、存儲(chǔ)與初步整合；對(duì)工程數(shù)據(jù)中心中通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行管理，擴(kuò)展工藝數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)采集接口，綜合分析校驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，根據(jù)需要輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)和文件，如系統(tǒng)流程圖、材料清單、設(shè)備采購(gòu)數(shù)據(jù)表等。

三維布置設(shè)計(jì)平臺(tái)主要以PDMS中通風(fēng)系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)拓展實(shí)現(xiàn)施工圖文件的發(fā)布，設(shè)備、管道相關(guān)結(jié)構(gòu)信息的發(fā)布，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)的流程驗(yàn)證，可以調(diào)用工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，建立與采購(gòu)、施工部門的直接數(shù)據(jù)接口。

此外還需通過(guò)三維布置平臺(tái)的接口拓展功能建立平臺(tái)與應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)接口，例如建立與ANSYS的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)工具軟件的快速計(jì)算，接受自不同軟件的數(shù)據(jù)信息，并將結(jié)果發(fā)布到工藝數(shù)據(jù)中心。PDMS軟件與ANSYS數(shù)據(jù)接口示意見圖2。

圖2 PDMS軟件與ANSYS數(shù)據(jù)接口示意

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化工程體系建設(shè)

通風(fēng)系統(tǒng)的工程體系建設(shè)主要體現(xiàn)在采購(gòu)、安裝施工和調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)三維布置平臺(tái)輸出設(shè)備采購(gòu)信息，通過(guò)采購(gòu)信息平臺(tái)進(jìn)行采購(gòu)活動(dòng)，同時(shí)反饋供應(yīng)商設(shè)備信息，把供應(yīng)商提供的模型資料信息補(bǔ)充進(jìn)工藝數(shù)據(jù)中心，完善數(shù)據(jù)信息。

通過(guò)解析數(shù)據(jù)平臺(tái)中的管道部件數(shù)據(jù)，結(jié)合通風(fēng)管道的制作說(shuō)明文件，可以實(shí)現(xiàn)部件詳圖的自動(dòng)出圖，還可以根據(jù)三維布置平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行大設(shè)備安裝。引入仿真模擬，合理安排施工順序，節(jié)省時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效安裝。

華龍一號(hào)的施工管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了覆蓋工程建設(shè)全過(guò)程的信息化管理，可較好地支持以施工作業(yè)為依托的計(jì)劃、費(fèi)用、質(zhì)量、安全、變更、文檔、風(fēng)險(xiǎn)及經(jīng)驗(yàn)反饋等一體化管理?，F(xiàn)階段已實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)端，能夠?qū)硬少?gòu)和工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)。

通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)試多作為上述體系中的輸出應(yīng)用，根據(jù)工藝數(shù)字平臺(tái)給出的信息和文件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試文件，落實(shí)系統(tǒng)功能，做到調(diào)試過(guò)程的信息化，并將數(shù)據(jù)反饋回工藝數(shù)字平臺(tái)。

數(shù)字化工程體系在目前階段由于質(zhì)保、硬件等條件限制，通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互多以文件傳輸形式進(jìn)行，仍有進(jìn)一步提升的可能。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)體系建設(shè)

通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行多依靠分散式控制系統(tǒng)(DCS)等儀控系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)管理體系中建立工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)與儀控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的接口，完成控制資料的輸出和運(yùn)行狀態(tài)的反饋。后續(xù)發(fā)展的目標(biāo)為完整移交數(shù)字化通風(fēng)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)虛擬系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的對(duì)照和驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合華龍一號(hào)數(shù)字化核電站的建設(shè)，通過(guò)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化的研究和分析，得出如下結(jié)論。

數(shù)字化進(jìn)程分為4個(gè)發(fā)展階段，目前正處于數(shù)字化的快速發(fā)展階段，該階段需要根據(jù)職能的不同將通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)字化建設(shè)劃分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)軟件集成層和應(yīng)用層3個(gè)層級(jí)，通過(guò)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)編碼，使軟件和硬件綜合在一起，形成完整的虛擬數(shù)字化通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)。

當(dāng)前階段的數(shù)字化建設(shè)主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)體系、工程管理體系和運(yùn)營(yíng)體系3個(gè)方面。通風(fēng)數(shù)字化已經(jīng)涉及核電站的全過(guò)程、全壽命期，以工藝系統(tǒng)平臺(tái)和三維布置平臺(tái)等設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)為支撐，集成采購(gòu)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行管理系統(tǒng)。各個(gè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)的交互和引用是目前通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)的重中之重，也是實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化交付的基本要求。

隨著通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)的深入研究與應(yīng)用，結(jié)合新技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)數(shù)字化信息資源實(shí)時(shí)共享和深度融合、加工，為核電廠各級(jí)管理者提供及時(shí)、有效的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策信息，實(shí)現(xiàn)核電廠全壽命周期量化、分析、控制和決策[3]是下一階段數(shù)字化發(fā)展的方向。