聶 磊，張 壯，王憶南，張家瑋

(1.中國電建集團河北省電力勘測設計研究院,河北 石家莊 050031；2.北京理工大學，北京 100081)

發(fā)電工程數字化系統設計的研究

聶 磊1，張 壯1，王憶南1，張家瑋2

(1.中國電建集團河北省電力勘測設計研究院,河北 石家莊 050031；2.北京理工大學，北京 100081)

隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實行，近年來我院國際工程也有逐年增多的趨勢，在國際發(fā)電工程數字化設計方面我們面臨著諸多的問題。其中包括如何解決系統設計階段各個專業(yè)和部門的設計數據不一致、設計平臺標準化不統一、設計規(guī)范混亂等問題。本文通過針對國際工程的全數字化設計的要求，介紹如何發(fā)揮數字化設計平臺的優(yōu)勢，建立起統一、高效、標準的數字化系統設計平臺。

系統設計；管道設計；智能圖數合一繪圖引擎；大數據；PDMS。

1傳統系統設計與數字化設計的區(qū)別

系統設計在發(fā)電設計整個過程中有著非常重要的地位。在項目總成本中，多達80%是在設計之初的系統設計階段確定的，在該階段所做的所有決定將大大影響隨后的工作步驟及整個工廠的安全、性能和成本效率。在該階段出現的任何錯誤，如果得不到糾正，將會影響整個后續(xù)設計階段。這可能導致耗時且代價高昂，因而需要一套簡單、高效、較低潛在風險的解決方案。

系統設計的主要表現是系統流程圖的繪制及后續(xù)出各種報表，以確定設備、管道及其各元件的邏輯連接關系、各元件的設計屬性值，作為后續(xù)布置設計的基礎。之所以傳統的系統設計會有質量隱患和效率低的問題主要原因如下：

(1)無設備等元件相關屬性，不智能

傳統設計方式系統流程圖的繪制都是由AutoCAD繪圖軟件將二維的點和線進行手動繪制，系統圖圖面中的線條及元件無任何屬性參數，對于管道的流向錯誤和kks的編寫檢查都需人工進行，不能智能的提示和提醒，這就大大增大了設計時間和差錯率。

由圖中可以看出，傳統系統設計是有簡單的二維點和線組成，圖中元件無屬性無參數，繪圖的樣式和風格也無法統一。

(2)系統設計完成后的成品報表等沒有數據支撐

圖紙手工繪制完成后，設計人員需要對設計過程中用到的管道、閥門、儀表等設備部件進行型號參數標定、數量統計,必須反復查找、翻閱設計手冊，手動查找肯定費時，并且有可能出錯。

同時對于材料統計、I/O清冊等報表分類匯總，純手工無法做到快速高效，統計數據涉及到的計算部分需要在龐大的統計表中手工篩選計算，統計完后還需要反復審核后方可采用極大的影響了設計效率。

本文結合我院設計的摩洛哥JERADA 1×350 MW燃煤電站工程數字化系統設計為例，討論采用數字化協同設計平臺來解決上述問題。

2數字化系統設計平臺的選用

數字化系統設計平臺的選擇必須滿足以下條件。

(1)技術方面必須包含：易部署、便于維護、面向對象技術、 工作層技術、知識庫技術等，

(2)擁有統一的數據庫，既從一張簡單的P&ID圖，到復雜的電氣回路，工程設計中所涉及的數據，圖表等信息都能保存在單一的數據庫中。

(3)實現了與多種設計軟件的集成，如專業(yè)計算，負載估計，儀表計算等，

(4)以共享方式管理項目的所有數據。

(5)設計院可選擇性移交平臺項目數據庫，使業(yè)主在此基礎上構建電廠資源管理系統，進行工廠運營的管理與維護，延伸設計價值鏈。

(6)具有向布置設計平臺推送數據的能力。

根據以上幾點最終我們選用了西門子的“COMOS智能化系統設計平臺”，并應用到了國際工程中。

COMOS開放的系統架構和一致性的數據平臺，保證工程設計各專業(yè)內部和上下游專業(yè)之間，從工藝規(guī)劃、工況管理到工藝流程設計、電氣工程設計、儀控工程設計到二、三維協同設計的數據流的流轉，形成一個緊密相扣、互相協作的工作環(huán)境，見圖1。

圖1 COMOS平臺數據關系圖

COMOS還可以很好的與PDMS融合，將PDMS作為其布置設計模塊，實現與PDMS間的數據傳遞，并進行二、三維校驗，真正實現系統設計指導布置設計。

3 數字化設計平臺的部署

平臺部署主要分為服務器端和客戶端，其中服務器端包括數據庫服務器, 文件服務器以及授權控制服務器。異地協同的情況，則需安裝Citrix服務器及Citrix客戶端。當前情況下，總體的網絡架構見圖2。

平臺部署主要分為服務器端和客戶端，其中服務器端包括數據庫服務器, 文件服務器以及授權控制服務器。服務器操作系統統一選用Windows Server 2003 + sp2，數據庫采用Microsoft SQL Server 2008。服務器采用陣列服務器搭建虛擬機的形式由網絡信息部門統一進行維護管理。

服務器部署，我院主要采用華為的云端虛擬服務器部署方案。此方案可以實現“0等待”和“0風險”的部署，文件服務器和數據庫服務器均采用此方案部署。

4 結合專業(yè)需求進行深度定制和二次開發(fā)

4.1 定制開發(fā)專業(yè)計算

圖2 總體網絡架構示意圖

通過二次開發(fā)，平臺集成了工藝專業(yè)工藝擬定和前端計算功能，在圖紙的圖面設計完以后，進行參數的填寫，需要計算的可以自動或人工干預進行計算。包括：水蒸汽參數自動查詢填寫、管徑計算、流速計算、壁厚計算以及許用應力、彈性模量等在相應工況下的自動參數提取。徹底改變了工藝專業(yè)原有的EXCEL+手工查規(guī)程圖表的設計模式。計算公式完全按照國家標準或國外標準編寫，保證了計算過程和設計過程的準確性和高效性。

4.2 智能錯誤檢索和定制各種專業(yè)報表

管道流向智能糾錯以及元件級的錯誤檢錯標識，可以讓設計人員對設計錯誤一目了然。

平臺可以生成的成品包括：P&ID系統圖設計、儀表設備清冊、I/O清冊、儀表閥門清冊、電負荷清單、電源系統圖、接線圖、氣源系統圖、設備儀表數據表、Hook－Up儀表安裝圖、材料表、DCS接線圖、回路圖、SAMA圖、邏輯圖、電纜清冊、材料匯總表等。

5 工程配置和數據庫管理

“兵馬未動,糧草先行”，無論是傳統設計還是數字化設計，在設計之初數據(廠家資料等)的收集和準備都是重中之重。

5.1 數據準備

(1)熟悉、消化、吸收依據性技術文件

在設計當中管道等級涉及到很多專業(yè)和標準，為了適應業(yè)主的要求。以我院的摩洛哥工程為例，在設計之初我們需要收集與工藝專業(yè)相關的美國標準，然后是一些依據性技術文件，如：美標應用方面的論文，國際公司做的等級庫、元件庫，業(yè)主或其他公司美標元件的使用規(guī)定，外方業(yè)主提供的管道設計手冊等。這些資料可以為如何選擇使用管件、如何建立等級庫提供依據和參考。

(2)定制KKS編碼規(guī)則

KKS編碼體系被無縫集成到了數字化設計平臺中，其提供完善的KKS編碼規(guī)則，可以對KKS編碼進行高效的管理，見圖3。

(3)確定等級庫建立原則，規(guī)劃管道等級庫

通過參考一些國際公司定制的管道等級，確定管道等級以閥門的壓力等級為依據進行等級劃分。如前所述，閥門的壓力等級即磅級，有Class 150、300、600、900、1500、2500等，見圖4。

(4)進行管道壁厚計算，規(guī)劃選擇管道壁厚

在建立元件庫和等級庫之前必須經過人工嚴謹且復雜的計算。

圖3 定制KKS管理規(guī)則

圖4 某工程美國標準管道等級庫

(5)研究所有美標元件的選擇和使用，建立元件庫

按照標準中各個管件的尺寸表，建立元件庫。建好管道元件庫后，從各個元件庫中挑出相應的管件，即可組成各個管道等級庫。

5.2 重構管道等級庫

摩洛哥工程我院對管道等級進行重新構建，其中

(1) GD87共建立管道等級26個

(2) GD2000共建立管道等級76個

(3)涵蓋了管道典型設計手冊中的所有管道

5.3 新建等級庫及元件庫

對美國標準管道及其元件進行研究，新建等級庫和元件庫：

(1) ASME B36.10碳素鋼和合金鋼管道共建立管道等級18個

(2) ASME B36.19不銹鋼管道共建立管道等級4個

(3)涂塑及塑料管道共建立管道等級6個

(4)涵蓋了國際工程中所有常用的管道

(5)新建元件庫涉及到約13個美國標準，共計約9300多個元件，

(6)種類包括彎頭、異徑管、三通、堵頭、接管座、法蘭、墊片、閥門。

6 分專業(yè)設計內容與深度

以我院摩洛哥JERADA 1×350 MW燃煤電站工程為例，工程要求系統設計階段全過程采用數字化系統設計。

電廠工藝設計有關的熱機、化學、水工、除灰、運煤、暖通等7個專業(yè)統一在此平臺上設計。包括工藝擬定、參數計算，材料選擇，P&ID系統圖設計，提取各種格式報表，向三維布置軟件推送數據的工作。完成工藝專業(yè)設計內容的100%。

控制專業(yè)也在此平臺上同時進行工程設計。實現了工藝熱控專業(yè)基于唯一數據源、在同一平臺下的聯合設計?？刂茖I(yè)在平臺上能完成的設計內容有：P&ID系統圖設計、儀表設備清冊、I/O清冊、儀表閥門清冊、電負荷清單、電源系統圖、接線圖、氣源系統圖、設備儀表數據表、Hook－Up儀表安裝圖、材料表、DCS接線圖、回路圖、SAMA圖、邏輯圖、電纜清冊、材料匯總表等，可完成控制專業(yè)設計內容的70%。

目前所有的系統圖已通過業(yè)主的審查，獲得了業(yè)主和總包方的肯定和好評。

7 設計流程管理

發(fā)電廠工藝流程設計。包括各專業(yè)圖紙卷冊目錄結構的建立；圖紙設備、管道、閥門的繪制，設備管道閥門各個參數填寫，管道等級選擇，圖紙間相互關系確立等流程設計功能。

數字化設計平臺貫穿整個工程設計的各個階段，在單一數據平臺上映射整個工廠生命周期，實現了整個工廠生命周期內跨國家及跨地點的一體化、一致性的數據管理。以通用數據庫為中心，實現跨專業(yè)和跨部門的工廠管理。確保在整個企業(yè)內獲得連續(xù)一致且透明的數據流，并杜絕任何數據丟失或數據不一致。布置設計中的屬性參數調用，三維模型建立，工程運維階段的數據調用、查詢、篩選均會使用系統設計平臺推送的數據。

圖5 一體化設計方案總體架構

8 經驗總結

通過數字化系統設計平臺在國際工程中的應用，為我院培養(yǎng)了一批符合國際發(fā)電工程設計要求的高水平的人才。同時通過“同一平臺、數據庫、標準” 減少了設計環(huán)節(jié)，提高了設計的透明度和共享性，降低了人力成本，節(jié)約了跨部門之間的工作協調時間和成本，將工作業(yè)務流程和業(yè)務數據統一起來管理，提高了設計效率，降低了差錯率。

在平臺中由于智能化糾錯和自動化統計出表功能的出現，將設計人員從繁雜的糾錯和統計數據等費時費力的工作中解放出來，滿足設計深度要求，提高了設計精度，保證了成品的一致性和質量。

隨著全球經濟一體化的進程加快以及信息技術的迅猛發(fā)展，現代設計企業(yè)環(huán)境發(fā)生了重大的變化，其變化的主要特征為：設計、施工生命周期縮短；設計周期成為主要競爭因素；用戶高標準嚴要求以及數字化要求比例增大。與此同時，在設計企業(yè)中全面推行數字設計與三維技術，通過在設計、施工、運維全生命周期中的各個環(huán)節(jié)普及與深化數字化設計，采用并集成各種計算技術，使企業(yè)的設計、總包、管理技術水平全面提升，促進傳統設計行業(yè)在各方面的技術革新，使企業(yè)在持續(xù)動態(tài)多變、不可預測的全球性市場競爭環(huán)境中生存發(fā)展并不斷地擴大其競爭優(yōu)勢。

[1]ASME B36．10M－2004，焊接和無縫軋制鋼管(英文)[S]．

[2]ASME B36．19M－2004[S]．

[3]ASME PTC 25－1994，中文版 壓力泄放裝置性能試驗規(guī)范[S]．

[4]ASME PTC 25－2001，減壓設備 Pressure relief devices[S]．

[5]ASME TDP－1－2006，發(fā)電用蒸汽輪機防水損壞的推薦實施規(guī)程[S]．

[6]ASTM－A鋼材標準目錄[S]．

[7]ASTM_F436－2010_Standard_Specification_for_ Hardened_Steel_Washers[S]．

[8]ASTM_F436M－2011_硬化鋼墊圈規(guī)格(米制)[S]．

[9]DIN EN 10216－2－2004[S]．

[10] DIN EN 10216－2－2007[S]．

[11] DIN EN 2481－1979[S]．

[12] Siemens_COMOS_Process_Brochure_GB_2009[Z]．德國西門子．2009

Research on Digital System Design of Power Generation Engineering

NIE Lie1, ZHANG Zhuang1, WANG Yi-nan1, ZHANG Jia-wei2
(Power China Hebei Electric Power Design and Research Institute, Shijiazhuang 050031, China)

With the realization of the national "B&R- Micro Reading" Strategy, HBED’s overseas projects has been increased in recent years. Therefore, HBED faces up with many a problem on digital design of international power generation, including the inconsistent design data standard, non-uniform design platform standards and disorganized design codes during the systematic design of each section and department. Based on the high standards and strict requirements of full-digitalization of international projects, this thesis introduces the way to play the advantages of

digital design platform, and to establish a unified, effective and standard digital design platform.

system design; piping design; figure number one smart graphics engine; big data; PDMS.

TM621

A

1671-9913(2016)04-0038-05

2016-05-23

聶磊(1983- )，男，河北石家莊人，數字化工程師，從事發(fā)電工程數字化設計、移交、運維等。