发电工程数字化系统设计的研究

聂 磊，张 壮，王忆南，张家玮

(1.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院,河北 石家庄 050031；2.北京理工大学，北京 100081)

发电工程数字化系统设计的研究

聂 磊1，张 壮1，王忆南1，张家玮2

(1.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院,河北 石家庄 050031；2.北京理工大学，北京 100081)

随着国家“一带一路”战略的实行，近年来我院国际工程也有逐年增多的趋势，在国际发电工程数字化设计方面我们面临着诸多的问题。其中包括如何解决系统设计阶段各个专业和部门的设计数据不一致、设计平台标准化不统一、设计规范混乱等问题。本文通过针对国际工程的全数字化设计的要求，介绍如何发挥数字化设计平台的优势，建立起统一、高效、标准的数字化系统设计平台。

系统设计；管道设计；智能图数合一绘图引擎；大数据；PDMS。

1传统系统设计与数字化设计的区别

系统设计在发电设计整个过程中有着非常重要的地位。在项目总成本中，多达80%是在设计之初的系统设计阶段确定的，在该阶段所做的所有决定将大大影响随后的工作步骤及整个工厂的安全、性能和成本效率。在该阶段出现的任何错误，如果得不到纠正，将会影响整个后续设计阶段。这可能导致耗时且代价高昂，因而需要一套简单、高效、较低潜在风险的解决方案。

系统设计的主要表现是系统流程图的绘制及后续出各种报表，以确定设备、管道及其各元件的逻辑连接关系、各元件的设计属性值，作为后续布置设计的基础。之所以传统的系统设计会有质量隐患和效率低的问题主要原因如下：

(1)无设备等元件相关属性，不智能

传统设计方式系统流程图的绘制都是由AutoCAD绘图软件将二维的点和线进行手动绘制，系统图图面中的线条及元件无任何属性参数，对于管道的流向错误和kks的编写检查都需人工进行，不能智能的提示和提醒，这就大大增大了设计时间和差错率。

由图中可以看出，传统系统设计是有简单的二维点和线组成，图中元件无属性无参数，绘图的样式和风格也无法统一。

(2)系统设计完成后的成品报表等没有数据支撑

图纸手工绘制完成后，设计人员需要对设计过程中用到的管道、阀门、仪表等设备部件进行型号参数标定、数量统计,必须反复查找、翻阅设计手册，手动查找肯定费时，并且有可能出错。

同时对于材料统计、I/O清册等报表分类汇总，纯手工无法做到快速高效，统计数据涉及到的计算部分需要在庞大的统计表中手工筛选计算，统计完后还需要反复审核后方可采用极大的影响了设计效率。

本文结合我院设计的摩洛哥JERADA 1×350 MW燃煤电站工程数字化系统设计为例，讨论采用数字化协同设计平台来解决上述问题。

2数字化系统设计平台的选用

数字化系统设计平台的选择必须满足以下条件。

(1)技术方面必须包含：易部署、便于维护、面向对象技术、 工作层技术、知识库技术等，

(2)拥有统一的数据库，既从一张简单的P&ID图，到复杂的电气回路，工程设计中所涉及的数据，图表等信息都能保存在单一的数据库中。

(3)实现了与多种设计软件的集成，如专业计算，负载估计，仪表计算等，

(4)以共享方式管理项目的所有数据。

(5)设计院可选择性移交平台项目数据库，使业主在此基础上构建电厂资源管理系统，进行工厂运营的管理与维护，延伸设计价值链。

(6)具有向布置设计平台推送数据的能力。

根据以上几点最终我们选用了西门子的“COMOS智能化系统设计平台”，并应用到了国际工程中。

COMOS开放的系统架构和一致性的数据平台，保证工程设计各专业内部和上下游专业之间，从工艺规划、工况管理到工艺流程设计、电气工程设计、仪控工程设计到二、三维协同设计的数据流的流转，形成一个紧密相扣、互相协作的工作环境，见图1。

图1 COMOS平台数据关系图

COMOS还可以很好的与PDMS融合，将PDMS作为其布置设计模块，实现与PDMS间的数据传递，并进行二、三维校验，真正实现系统设计指导布置设计。

3 数字化设计平台的部署

平台部署主要分为服务器端和客户端，其中服务器端包括数据库服务器, 文件服务器以及授权控制服务器。异地协同的情况，则需安装Citrix服务器及Citrix客户端。当前情况下，总体的网络架构见图2。

平台部署主要分为服务器端和客户端，其中服务器端包括数据库服务器, 文件服务器以及授权控制服务器。服务器操作系统统一选用Windows Server 2003 + sp2，数据库采用Microsoft SQL Server 2008。服务器采用阵列服务器搭建虚拟机的形式由网络信息部门统一进行维护管理。

服务器部署，我院主要采用华为的云端虚拟服务器部署方案。此方案可以实现“0等待”和“0风险”的部署，文件服务器和数据库服务器均采用此方案部署。

4 结合专业需求进行深度定制和二次开发

4.1 定制开发专业计算

图2 总体网络架构示意图

通过二次开发，平台集成了工艺专业工艺拟定和前端计算功能，在图纸的图面设计完以后，进行参数的填写，需要计算的可以自动或人工干预进行计算。包括：水蒸汽参数自动查询填写、管径计算、流速计算、壁厚计算以及许用应力、弹性模量等在相应工况下的自动参数提取。彻底改变了工艺专业原有的EXCEL+手工查规程图表的设计模式。计算公式完全按照国家标准或国外标准编写，保证了计算过程和设计过程的准确性和高效性。

4.2 智能错误检索和定制各种专业报表

管道流向智能纠错以及元件级的错误检错标识，可以让设计人员对设计错误一目了然。

平台可以生成的成品包括：P&ID系统图设计、仪表设备清册、I/O清册、仪表阀门清册、电负荷清单、电源系统图、接线图、气源系统图、设备仪表数据表、Hook－Up仪表安装图、材料表、DCS接线图、回路图、SAMA图、逻辑图、电缆清册、材料汇总表等。

5 工程配置和数据库管理

“兵马未动,粮草先行”，无论是传统设计还是数字化设计，在设计之初数据(厂家资料等)的收集和准备都是重中之重。

5.1 数据准备

(1)熟悉、消化、吸收依据性技术文件

在设计当中管道等级涉及到很多专业和标准，为了适应业主的要求。以我院的摩洛哥工程为例，在设计之初我们需要收集与工艺专业相关的美国标准，然后是一些依据性技术文件，如：美标应用方面的论文，国际公司做的等级库、元件库，业主或其他公司美标元件的使用规定，外方业主提供的管道设计手册等。这些资料可以为如何选择使用管件、如何建立等级库提供依据和参考。

(2)定制KKS编码规则

KKS编码体系被无缝集成到了数字化设计平台中，其提供完善的KKS编码规则，可以对KKS编码进行高效的管理，见图3。

(3)确定等级库建立原则，规划管道等级库

通过参考一些国际公司定制的管道等级，确定管道等级以阀门的压力等级为依据进行等级划分。如前所述，阀门的压力等级即磅级，有Class 150、300、600、900、1500、2500等，见图4。

(4)进行管道壁厚计算，规划选择管道壁厚

在建立元件库和等级库之前必须经过人工严谨且复杂的计算。

图3 定制KKS管理规则

图4 某工程美国标准管道等级库

(5)研究所有美标元件的选择和使用，建立元件库

按照标准中各个管件的尺寸表，建立元件库。建好管道元件库后，从各个元件库中挑出相应的管件，即可组成各个管道等级库。

5.2 重构管道等级库

摩洛哥工程我院对管道等级进行重新构建，其中

(1) GD87共建立管道等级26个

(2) GD2000共建立管道等级76个

(3)涵盖了管道典型设计手册中的所有管道

5.3 新建等级库及元件库

对美国标准管道及其元件进行研究，新建等级库和元件库：

(1) ASME B36.10碳素钢和合金钢管道共建立管道等级18个

(2) ASME B36.19不锈钢管道共建立管道等级4个

(3)涂塑及塑料管道共建立管道等级6个

(4)涵盖了国际工程中所有常用的管道

(5)新建元件库涉及到约13个美国标准，共计约9300多个元件，

(6)种类包括弯头、异径管、三通、堵头、接管座、法兰、垫片、阀门。

6 分专业设计内容与深度

以我院摩洛哥JERADA 1×350 MW燃煤电站工程为例，工程要求系统设计阶段全过程采用数字化系统设计。

电厂工艺设计有关的热机、化学、水工、除灰、运煤、暖通等7个专业统一在此平台上设计。包括工艺拟定、参数计算，材料选择，P&ID系统图设计，提取各种格式报表，向三维布置软件推送数据的工作。完成工艺专业设计内容的100%。

控制专业也在此平台上同时进行工程设计。实现了工艺热控专业基于唯一数据源、在同一平台下的联合设计。控制专业在平台上能完成的设计内容有：P&ID系统图设计、仪表设备清册、I/O清册、仪表阀门清册、电负荷清单、电源系统图、接线图、气源系统图、设备仪表数据表、Hook－Up仪表安装图、材料表、DCS接线图、回路图、SAMA图、逻辑图、电缆清册、材料汇总表等，可完成控制专业设计内容的70%。

目前所有的系统图已通过业主的审查，获得了业主和总包方的肯定和好评。

7 设计流程管理

发电厂工艺流程设计。包括各专业图纸卷册目录结构的建立；图纸设备、管道、阀门的绘制，设备管道阀门各个参数填写，管道等级选择，图纸间相互关系确立等流程设计功能。

数字化设计平台贯穿整个工程设计的各个阶段，在单一数据平台上映射整个工厂生命周期，实现了整个工厂生命周期内跨国家及跨地点的一体化、一致性的数据管理。以通用数据库为中心，实现跨专业和跨部门的工厂管理。确保在整个企业内获得连续一致且透明的数据流，并杜绝任何数据丢失或数据不一致。布置设计中的属性参数调用，三维模型建立，工程运维阶段的数据调用、查询、筛选均会使用系统设计平台推送的数据。

图5 一体化设计方案总体架构

8 经验总结

通过数字化系统设计平台在国际工程中的应用，为我院培养了一批符合国际发电工程设计要求的高水平的人才。同时通过“同一平台、数据库、标准” 减少了设计环节，提高了设计的透明度和共享性，降低了人力成本，节约了跨部门之间的工作协调时间和成本，将工作业务流程和业务数据统一起来管理，提高了设计效率，降低了差错率。

在平台中由于智能化纠错和自动化统计出表功能的出现，将设计人员从繁杂的纠错和统计数据等费时费力的工作中解放出来，满足设计深度要求，提高了设计精度，保证了成品的一致性和质量。

随着全球经济一体化的进程加快以及信息技术的迅猛发展，现代设计企业环境发生了重大的变化，其变化的主要特征为：设计、施工生命周期缩短；设计周期成为主要竞争因素；用户高标准严要求以及数字化要求比例增大。与此同时，在设计企业中全面推行数字设计与三维技术，通过在设计、施工、运维全生命周期中的各个环节普及与深化数字化设计，采用并集成各种计算技术，使企业的设计、总包、管理技术水平全面提升，促进传统设计行业在各方面的技术革新，使企业在持续动态多变、不可预测的全球性市场竞争环境中生存发展并不断地扩大其竞争优势。

[1]ASME B36．10M－2004，焊接和无缝轧制钢管(英文)[S]．

[2]ASME B36．19M－2004[S]．

[3]ASME PTC 25－1994，中文版 压力泄放装置性能试验规范[S]．

[4]ASME PTC 25－2001，减压设备 Pressure relief devices[S]．

[5]ASME TDP－1－2006，发电用蒸汽轮机防水损坏的推荐实施规程[S]．

[6]ASTM－A钢材标准目录[S]．

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

[8]ASTM_F436M－2011_硬化钢垫圈规格(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]．德国西门子．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

聂磊(1983- )，男，河北石家庄人，数字化工程师，从事发电工程数字化设计、移交、运维等。