基于BIM 信息化平臺(tái)的光熱發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)成套技術(shù)研發(fā)
——以某西部塔式熔鹽光熱電站為例

文｜甘肅省科工建設(shè)集團(tuán)有限公司 郭震 趙志華 陳紹娟 李福順

0.引言

現(xiàn)階段，我國大力發(fā)展太陽能光熱技術(shù)，按照吸收太陽能方式的不同，可分為碟式、槽式、線性菲涅爾和塔式光熱技術(shù)，其中塔式熔鹽光熱發(fā)電技術(shù)具有性能穩(wěn)定、儲(chǔ)熱能力強(qiáng)、成本價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，因此，成為我國目前最有市場(chǎng)開發(fā)潛力的光熱發(fā)電技術(shù)[1-2]。近年來在世界范圍內(nèi)已建立了較多的塔式太陽能光熱發(fā)電示范電站，其中具有代表性的塔式太陽能發(fā)電站當(dāng)屬西班牙PS20，裝機(jī)容量為20 MW。我國目前16 個(gè)示范項(xiàng)目中，塔式電站占7 個(gè)[1-2]，槽式電站7 個(gè)，菲涅爾式電站2 個(gè)，目前一個(gè)50 MW 塔式機(jī)組投運(yùn)后，年發(fā)電量可達(dá)近1.5 億度，每度電的發(fā)電成本在0.8 元，與火電廠相比，相似規(guī)模下每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4 萬噸左右，二氧化碳減排量約12 萬噸，電力輸出效率高、穩(wěn)定且綠色環(huán)保。

本文依托某西部塔式熔鹽光熱電站結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工項(xiàng)目，主要解決目前我國光熱項(xiàng)目關(guān)于項(xiàng)目管理信息化、構(gòu)件制作加工體量大、精度高、質(zhì)量控制項(xiàng)目多、管理難度大等問題。通過將BIM 技術(shù)、PDA 終端技術(shù)、APP 開發(fā)技術(shù)、二維碼技術(shù)、數(shù)據(jù)庫映射技術(shù)以及自動(dòng)化先進(jìn)制造技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，以各構(gòu)件加工工序?yàn)檠芯繉?duì)象，基于裝配式建筑產(chǎn)業(yè)信息服務(wù)平臺(tái)，利用“APP+WEB”的生產(chǎn)管理模式采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，利用排版軟件導(dǎo)出生產(chǎn)信息，PC 端排產(chǎn)，APP 確認(rèn)生產(chǎn)，高效地實(shí)施光熱發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)和加工過程，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理信息化，構(gòu)件生產(chǎn)自動(dòng)化，質(zhì)量可追溯等，從而推動(dòng)我國光熱項(xiàng)目國產(chǎn)化的步伐。

1.構(gòu)件研發(fā)加工技術(shù)

塔式熔鹽光熱結(jié)構(gòu)體系主要由定日鏡系統(tǒng)、吸熱與熱能傳遞系統(tǒng)（熱交換系統(tǒng)）、發(fā)電系統(tǒng)組成，其中定日鏡主要由立柱、橫梁、桁架、鏡面支架、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，由于各構(gòu)件加工精度高，難度大，因此，本文基于BIM 信息化平臺(tái)，對(duì)光熱發(fā)電設(shè)備構(gòu)件的生產(chǎn)加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過平臺(tái)完成4D 動(dòng)態(tài)施工模擬、流水段合理化分析、TEKLA 模型量清單關(guān)聯(lián)、進(jìn)度跟蹤與校核、質(zhì)量安全智能化的協(xié)同管理、成本管理，采用BIM 手機(jī)端、PC 端、網(wǎng)頁端三大端口達(dá)到互聯(lián)網(wǎng)共享，搭建可共享的集成信息數(shù)據(jù)庫平臺(tái)。匹配橫梁與鏡架自動(dòng)沖孔技術(shù)，開發(fā)大型鏜床輔助工裝夾具；研發(fā)橫梁、立柱加工中的專用工裝；橫梁連接部位采用整體鏜孔；研發(fā)橫梁與鏡架自動(dòng)沖孔技術(shù)。

1.1 本項(xiàng)目研發(fā)加工中的重難點(diǎn)

（1）立柱構(gòu)件重，長(zhǎng)度達(dá)到11 米左右，連接法蘭垂直度要求高，采用普通機(jī)床加工成本高，設(shè)計(jì)專用工裝，提高工作效率，降低加工成本。

（2）橫梁連接部位加工精度高，構(gòu)件大，采用整體鏜孔，保證加工精度，確保銷軸安裝后的同軸度以及位置度符合設(shè)計(jì)要求。橫梁通過設(shè)計(jì)檢驗(yàn)工裝來驗(yàn)收完成。

（3）項(xiàng)目桁架、鏡框部分開孔數(shù)量共計(jì)8307200 個(gè)，孔距與對(duì)角線距離允許偏差為±0.5mm，其加工難度大，且方管厚度薄、長(zhǎng)度長(zhǎng)，鉆孔精度控制難度大，同時(shí)存在焊接工作量極大，焊接難度大等系列問題。

（4）對(duì)于物流管理信息化，現(xiàn)階段國內(nèi)已經(jīng)用的較為普遍，例如包裹的實(shí)時(shí)追蹤等，但是針對(duì)建筑項(xiàng)目的構(gòu)件全生命周期管理信息化，國內(nèi)尚處于一種方興未艾的階段。

①鋼構(gòu)件的發(fā)貨必須與BIM 模型相結(jié)合。鋼構(gòu)件的發(fā)貨是一個(gè)系統(tǒng)工程，是以項(xiàng)目的進(jìn)度為依據(jù)，項(xiàng)目變更為參考的，具有全局性和實(shí)時(shí)性。發(fā)貨的次序錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致工期的延誤，從而導(dǎo)致索賠的一系列問題。因此要參考實(shí)時(shí)的三維項(xiàng)目進(jìn)度模型，分區(qū)分塊按進(jìn)度組織鋼構(gòu)件發(fā)貨。

②鋼結(jié)構(gòu)物流的管理更為嚴(yán)格。鋼結(jié)構(gòu)的出廠要有業(yè)主質(zhì)檢、進(jìn)場(chǎng)也要驗(yàn)收合格、此外安裝完成也需要監(jiān)理的旁站等一系列質(zhì)量管理行為。

③鋼構(gòu)件物流管理的客戶端要求不同。不同于普通的包裹物流追蹤，鋼構(gòu)件物流管理的服務(wù)對(duì)象包括數(shù)據(jù)技術(shù)人員、工廠、各項(xiàng)目業(yè)主、項(xiàng)目部、本企業(yè)管理層等，各自權(quán)限和所關(guān)注的內(nèi)容均有所差別，因此，必須有針對(duì)性的開發(fā)數(shù)據(jù)平臺(tái)，使得各層次客戶端均能在該平臺(tái)得到想要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)物流管理信息化，目前國內(nèi)甚少涉及也很少有相關(guān)課題可以借鑒。本企業(yè)通過對(duì)外高層次交流和自主研發(fā)的形式，將BIM 技術(shù)、APP 開發(fā)、二維碼技術(shù)、數(shù)據(jù)庫映射技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的物流信息化。

1.2 研發(fā)加工過程

本塔式光熱項(xiàng)目定日鏡結(jié)構(gòu)包括4400套立柱、橫梁、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，26400 套桁架，140800 個(gè)鏡面以及4400 套電氣液壓等控制系統(tǒng)。以5.29m 高轉(zhuǎn)軸（立柱）和11.6m長(zhǎng)橫梁為例，上述組件通過一個(gè)帶低摩擦球軸承環(huán)的圓柱形支架相互連接，通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)液壓缸連接機(jī)構(gòu)支架與轉(zhuǎn)軸，形成定日鏡反射面的方位角，第三個(gè)液壓缸連接機(jī)構(gòu)支架與水平支架，形成反射面的仰角。有6 個(gè)桁架，轉(zhuǎn)軸每側(cè)設(shè)有三個(gè)，32 塊鏡子連接到長(zhǎng)桁架的頂弦，每塊鏡子都通過 4 個(gè)可調(diào)節(jié)螺栓連接的“托架”進(jìn)行連接。

（1）橫梁成套研發(fā)加工

橫梁長(zhǎng)度11.6m，銷軸孔最大距離1146mm，角度允許偏差0-0.25°，同心度要求0.1mm，平行度不超過1mm，傳統(tǒng)的鉚焊加工無法達(dá)到技術(shù)要求，需要通過設(shè)計(jì)專用加工工裝、設(shè)備及加工工藝。

關(guān)鍵銷軸連接部位通過BIM 信息化管理生產(chǎn)下料焊接后，采用中心整體鏜孔的方式鏜孔，以鏜孔為基準(zhǔn)，確定各桁架連接板安裝工裝位置。提前余留焊接收縮余量，并且每個(gè)構(gòu)件通過驗(yàn)收工裝進(jìn)行驗(yàn)收，確保銷軸精度符合設(shè)計(jì)要求，如圖1 所示。

圖1 橫梁工裝結(jié)構(gòu)展示

橫梁銷軸連接板銷軸孔加工公差要求為0.01-0.04mm，設(shè)計(jì)制作了銷軸連接板加工工裝，通過車床上設(shè)計(jì)增加法蘭盤，將銷軸連接版嵌入工裝進(jìn)行加工。橫梁熱鍍鋅工藝為構(gòu)件整體入鋅池鍍鋅，銷軸孔、螺紋等不須鍍鋅的位置同樣會(huì)附著鋅層，后期銷軸孔內(nèi)鋅層處理難度大，易損壞加工精度。通過反復(fù)試驗(yàn)，利用石墨乳良好的潤滑性、脫模性、化學(xué)穩(wěn)定性、高溫附著性，通過在銷軸連接孔等處采用涂抹石墨乳的方式進(jìn)行防護(hù)處理，防止多余鋅層附著。

（2）立柱研發(fā)加工

立柱頂、底連接法蘭平面度要求分別小于0.5mm，柱身的垂直度要求為1.5mm（柱高5.29m）。其加工批量大，難度大，為保證設(shè)計(jì)要求，采用一臺(tái)具有反變形功能的專用加工夾具自動(dòng)化工裝設(shè)備，能夠完成組裝并及自動(dòng)焊接。立柱工裝兩端板與法蘭接觸一側(cè)鉆孔后進(jìn)行銑平處理，確保立柱法蘭安裝平面度，之后通過弧形工裝確定管件的位置，確保立柱拼裝尺寸。立柱拼裝完成下胎后，為保證連接法蘭平面度焊接變形問題，設(shè)計(jì)焊接反變形工裝，焊接時(shí)將法蘭面與工裝通過螺栓緊密連接，待焊接冷卻后拆除。

（3）桁架、鏡框研發(fā)加工

桁架、鏡框連接孔及工藝孔數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 桁架、鏡框連接孔及工藝孔數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

桁架、鏡框使用材料為50×50×2、50×50×1.5、50×40×1.5、30×30×1.5、30×20×1.5 等規(guī)格方管及矩形管，管徑小，管壁薄，螺栓連接孔共計(jì)5491200 個(gè)，開孔數(shù)量多。為保證鍍鋅質(zhì)量，各類構(gòu)件還設(shè)置了大量的流鋅孔，桁架、鏡框部分流鋅孔合計(jì)2816000 個(gè)，每套桁架腹桿共計(jì)96 支，項(xiàng)目合計(jì)4400×96=442400 件，且每套桁架有32 個(gè)種類的桿件。針對(duì)上述采用的30×30×1.5 方管、32×20×1.2 矩形管，通過勞動(dòng)力效率測(cè)算，采用人機(jī)配合，211 天可完成桁架部分下料工作，通過優(yōu)化設(shè)備，購置小型沖床3 臺(tái)，自主設(shè)計(jì)一套方管斜口沖剪模具，作業(yè)時(shí)間可縮短為1 個(gè)月。為保證流鋅孔的加工精度及效率，課題組設(shè)計(jì)了30×30×1.5 方管和32×20×1.2 矩形管U 型氣壓沖床。桁架、鏡框連接孔孔徑包含Φ13.5、Φ17.5、Φ24、Φ26、Φ20、Φ15、Φ5、Φ16 等多種孔徑，聯(lián)合設(shè)備廠家設(shè)計(jì)研發(fā)其他管徑方管自動(dòng)沖孔設(shè)備，通過編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖孔，沖孔精度可保證在±0.2mm 以內(nèi)。

1.3 BIM 生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)應(yīng)用

光熱項(xiàng)目成品大料及零部件加工完成后在BIM 生產(chǎn)系統(tǒng)上完成推送，各班組自檢員經(jīng)自檢合格，點(diǎn)選完成零件、構(gòu)件進(jìn)行報(bào)檢，下道工序質(zhì)檢員檢驗(yàn)完成簽字確認(rèn)，由拼焊車間領(lǐng)料，領(lǐng)料完成后雙方各自在生產(chǎn)系統(tǒng)上確認(rèn)領(lǐng)料數(shù)量并簽字，完成生產(chǎn)任務(wù)領(lǐng)料過程，產(chǎn)量完成信息通過消息推送至統(tǒng)計(jì)部門，由統(tǒng)計(jì)部門進(jìn)行產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)。質(zhì)檢員在生產(chǎn)系統(tǒng)中收到光熱項(xiàng)目檢驗(yàn)信息后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量不滿足相關(guān)要求，可通過BIM 生產(chǎn)系統(tǒng)軟件以文字及照片說明等方式進(jìn)行記錄并拒絕確認(rèn)產(chǎn)量，相關(guān)班組進(jìn)行返修后自檢合格再次在生產(chǎn)系統(tǒng)軟件上進(jìn)行報(bào)檢，三方確認(rèn)無誤后方可交下道工序進(jìn)行加工。構(gòu)件加工完成經(jīng)檢驗(yàn)質(zhì)量符合相關(guān)要求后，由自檢員及質(zhì)檢員在生產(chǎn)系統(tǒng)中共同簽字確認(rèn)檢驗(yàn)結(jié)果，并在BIM 生產(chǎn)管理系統(tǒng)中入庫。各班組根據(jù)光熱發(fā)電項(xiàng)目清單、工藝文件開始生產(chǎn)任務(wù)，產(chǎn)量完成后在BIM生產(chǎn)管理系統(tǒng)智能移動(dòng)端點(diǎn)選確認(rèn)完成的任務(wù)內(nèi)容，生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)推送消息到智能移動(dòng)端，三方在數(shù)量、質(zhì)量核對(duì)無誤后確認(rèn)簽字。

2.經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益

塔式熔鹽光熱項(xiàng)目環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益顯著，通過減少地表土壤熱輻照量，降低了地表水的蒸發(fā)，更有益于植被生長(zhǎng)，改善周邊生態(tài)環(huán)境。光熱項(xiàng)目可帶動(dòng)當(dāng)?shù)劁摻Y(jié)構(gòu)行業(yè)、制造業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、服務(wù)業(yè)、地方材料供應(yīng)等多種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時(shí)降低企業(yè)能耗，緩解國家用電緊張等問題，《國家發(fā)展改革委關(guān)于太陽能熱發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》[3]明確提出，2018 年12 月31 日前全部建成投產(chǎn)的首批示范項(xiàng)目執(zhí)行每千瓦時(shí)1.15 元(含稅)上網(wǎng)電價(jià)。以50MW 為例，每年可發(fā)電0.43 億度電，可增加收入4945 萬元人民幣，可節(jié)省燃煤17200 噸。基于BIM 信息化管理的光熱發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)成套技術(shù)研發(fā)為企業(yè)收入提供新的增長(zhǎng)點(diǎn)，提高了企業(yè)產(chǎn)值，增加了稅收；提高工作效率，構(gòu)件發(fā)貨配套率達(dá)到95%以上，避免因?yàn)闃?gòu)件發(fā)貨不配套造成的現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)待料的施工資源浪費(fèi)，避免經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)工程工期保駕護(hù)航；解決了傳統(tǒng)管理模式“計(jì)劃上墻”存在的弊端，項(xiàng)目溝通時(shí)間成本降低55%以上；部分工作環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)無紙化綠色辦公，節(jié)約辦公費(fèi)用5%以上；減少人工統(tǒng)計(jì)工作，規(guī)避出錯(cuò)，解放成本預(yù)算人員60%的工作量；鋼構(gòu)件堆場(chǎng)找料時(shí)間縮短80%以上，堆場(chǎng)及場(chǎng)地內(nèi)二次倒運(yùn)費(fèi)用減少約50%，提高了項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益；自主創(chuàng)新研發(fā)，大幅提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)贏得更多合同；相關(guān)技術(shù)成果服務(wù)于企業(yè)的同時(shí)對(duì)外進(jìn)行技術(shù)輸出與服務(wù)，通過技術(shù)創(chuàng)新為企業(yè)贏得更大的效益[4-6]。

3.結(jié)束語

太陽能光熱發(fā)電技術(shù)在未來的研發(fā)和應(yīng)用中，應(yīng)主要向低成本、大規(guī)模應(yīng)用的方向快速發(fā)展，進(jìn)一步降低投資成本和單位發(fā)電成本，提高儲(chǔ)熱效能，形成與火力發(fā)電并駕齊驅(qū)的競(jìng)爭(zhēng)能力?；贐IM 信息化管理的光熱發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)成套技術(shù)研發(fā)可以帶動(dòng)甘肅省光熱項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)大批量化生產(chǎn)施工，高效地管理各類構(gòu)件加工過程，使光熱發(fā)電項(xiàng)目加工任務(wù)實(shí)現(xiàn)在線分配，加工工序?qū)崿F(xiàn)先后順序的自主設(shè)置，實(shí)現(xiàn)不同類型構(gòu)件的加工流程與統(tǒng)計(jì)，可大大提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，形成規(guī)?；a(chǎn)加工基地。