跨单位数字化协同设计在电厂设计制造行业的应用与研究

黄永军，陈 燕

(1.西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)(2.东方电气股份有限公司，四川 成都 610036)

随着科学的发展和技术的进步，发电厂正在实现设计、施工和运行管理的数字化,特别是数字化电厂概念的提出对数字化的设计、移交和管理提出了更高的要求，为此国内各电力设计院纷纷采用了数字化设计和管理手段。与此同时，各主机设备厂和辅机设备厂也在各自领域开展了三维数字化设计。但不同单位之间由于设计的侧重点不同，采用的三维软件也有差异，造成彼此之间的数据隔离，形成了信息孤岛，因此为了打破壁垒、实现设计数据共享和数字化模型整合，开展跨单位数字化协同设计就显得非常必要。作者通过参与神华万州电厂和越南升龙电厂两个项目的实践，深刻体会到跨单位协同设计不但具有可行性，而且能取得非常好的效果，可大幅提高各单位的工作效率和质量。

1 背景介绍

数字化协同设计是指由两个或两个以上设计主体，通过一定的信息交换和相互协同，分别以不同的设计任务共同完成同一设计目标[1]。

这一机制在国外一些大型国际工程公司里获得了成功的应用，特别是在海洋石油、船舶制造等行业，不仅部门内部开展了高效的协同设计，跨部门、跨单位、跨区域的全球协同设计也已成为常态，不同的公司通过网络协同机制开展同一设计或进行交流配合，有效地提高了资源的利用率。

目前，国内的数字化协同设计主要是在涉及专业多、内容复杂的电力设计院内部开展，而在整个行业中的跨单位协同设计还没有有效地开展，如何更高效地整合多方的资源仍处于摸索阶段。

国内电力行业主要的主、辅机设备厂都或多或少地开展三维数字化设计，其中汽轮机厂和发电机厂主要采用UG、Pro/E进行设备外形和零部件的设计；锅炉厂则主要采用PDMS软件进行本体布置，采用Tekla进行钢构架的三维设计出图；一些重要的辅机厂，例如磨煤机厂、风机厂等，则采用UG、Pro/E、SolidWorks、Inventor等进行设备外形设计。具体的设备厂家三维数字化应用情况见表1。设计与制造企业在三维数字化设计方面的大力投入，为跨单位三维数字化协同设计打下了坚实的基础。

表1 设备厂家三维设计软件应用情况

2 跨单位数字化协同设计方案

2.1 跨单位数字化协同设计发展模式

在整个行业中实现跨单位数字化协同设计涉及到众多厂家，如何有效协调不同单位间的数据交流，既要做到资源共享，又要保证各单位的核心技术不泄露，需要有一个逐步探索、沟通和交流的过程。基于现有条件可以分两步走：在初级协同阶段，各设备制造厂和设计院通过统一标准的中间模型文件，实现离线的数字化协同设计；在高级协同阶段，各设备制造厂与设计院将在同一工程文件中通过网络实现实时数据交互和数字化协同设计。初级协同与高级协同的协同效果对比见表2。

表2 初级协同与高级协同模式对比

在跨单位数字化协同初级阶段，离线数据共享的协同模式是可行的，只共享外形信息就可以在不泄露本单位核心数据的前提下，实现有效的协同设计，并可提高各自的设计质量和设计效率，减少提资配合中出现的失误。高级协同是跨单位数字化协同设计的终极模式，最终要打破不同部门和单位之间的数据壁垒，真正实现数据的交互和设计的高效实时协同。但现阶段各单位之间的技术壁垒重重，技术成果还无法实现完全共享，需要在跨单位数字化协同过程中，各单位之间进行战略合作和谈判，逐步突破技术壁垒，消除单位间的信息孤岛。

2.2 跨单位数字化协同设计的数据共享方式

目前国内的电力生产和设计单位采用的三维设计软件主要有4大类：第一类是PDMS等管道布置类三维数字化设计软件，主要是设计院和锅炉厂等单位在使用；第二类是Revit等土建三维数字化设计软件，主要是设计院等设计单位在使用；第三类是UG、Pro/E、SolidWorks、Inventor等机械设计类三维数字化设计软件，主要是汽轮机、风机等设备生产厂家采用；第四类则是Tekla等结构详图设计软件，主要是锅炉厂等单位用于钢构架等的详图设计。

如何实现众多厂家及不同类型设计软件之间的数字化协同，数据的共享是关键，只有打通各类软件间的数据交互通道，实现各类软件的资源共享，才能最终实现跨单位数字化协同设计。

UG、Pro/E、SolidWorks、Inventor都是应用比较广泛的通用机械类三维设计软件，这些软件通常都会支持1个甚至是几个不同类型的数据交换标准。DWG、DGN和STEP这几种常见的数据交换标准都可以应用于文中所提到的各类三维机械设计软件的模型数据交互，SDNF数据交互标准可以实现Tekla等结构详图设计软件与PDMS等布置设计软件之间的模型数据交互，DGN数据交互标准则可以实现Revit与PDMS等布置设计软件之间的模型数据交互。如图1所示，通过不同软件间的数据互通，可以串联起整个电力设计、制造企业的数据资源，实现跨单位数据共享与协同设计。

图1 不同软件间的模型数据交互

3 初级阶段跨单位数字化协同设计应用

设计院在电厂设计工作中涉及到的专业多、内容杂，是电力设计行业较早开展数字化协同设计的单位。目前国内主要的设计院都基本具备了数字化协同设计的能力，因此在电厂的数字化协同设计中设计院应该发挥引领、协调、集成与管控的作用，通过自身数字化协同技术的不断提高，带动整个行业数字化协同设计的发展。

在初级协同阶段，西南电力设计院有限公司通过参与重庆神华万州电厂、越南升龙电厂等项目的设计，逐步摸索出了一条切实可行的跨单位协作之路，在国内电力设计行业率先迈出了跨单位协同设计的第一步。西南电力设计院有限公司将锅炉厂、汽轮电机厂、发电机制造厂及各个辅机厂家的所有模型通过离线模型文件导入的方式集成到设计院的PDMS等管道布置设计平台中，通过设计院的整合及优化布置，最终形成一个完整的数字化电厂方案。电厂建设完成后通过数据级的数字化移交，将整个电厂的数字化模型和属性信息等数据移交给业主，从而打造出真正的数字化电厂[2]。

3.1 设备制造厂模型与设计院模型的整合

为实现跨单位数字化协同设计，在工程初期西南电力设计院有限公司便配合业主与各个设备制造厂签订了设备模型移交合同，规定了设备制造厂应提供的设备模型的范围、深度及相关要求；在工程设计中积极与各厂家沟通，充分利用设备厂家三维模型的精确度与可靠性，打造出逼真的三维数字化电厂。

设计过程中锅炉厂将锅炉构架、本体、烟风道及汽水系统管道模型通过DGN和SDNF中间格式传给设计院,供设计院设计时使用，锅炉厂模型如图2所示，同时设计院也将其设计范围内的烟风道、送粉管道、汽水管道的三维模型以DGN中间格式文件导出供锅炉厂设计时参考，并进行模型的碰撞检查。

汽轮机、发电机、辅机制造厂主要从事机械设备的加工制造，涉及到的管道、构架等布置设计较少，因此在目前的初级协同设计阶段主要是扮演模型资源提供者的角色。设备生产厂家对设备内部的部件更加清楚，通过机械三维设计软件可以设计出高精度的设备模型，实现零部件级的加工设计，有效解决PDMS等管道布置设计软件中设备模型建模精度不高、建模深度不够的问题。如图3所示，精细到部件级的三维模型为运维期的数字化管理提供了坚实的基础[3]，可以轻松实现可视化设备管理和设备检修三维模拟等数字化技术的延伸应用。

3.2 跨单位数字化模型整合的应用

3.2.1推动精细化设计的深入开展

将设备制造厂家的精确的三维设备模型整合到设计院的软件平台，给工程精确设计打下了坚实的基础。以往的工程设计中，由于汽轮机腹部空间狭小、管道密集，因此是工程管道布置设计最困难的地方。跨单位协同设计后，导入更精确的汽轮机高中压缸、主汽门、再热汽门三维模型，可以更加精确地进行管道布置设计，避免管道与缸体和阀门的碰撞。锅炉本体及其附属管道、风道也是数字化设计的盲点，设计院没有详细的锅炉设备管道模型，锅炉厂也没有设计院的管道布置模型，现场施工中经常出现二者之间的碰撞问题。在越南升龙电厂建设工程中,西南电力设计院有限公司与武汉锅炉厂密切配合，实现了锅炉构架、本体及其附属管道烟风道的完全协同设计，如图4所示，有效减少了设计院和锅炉厂由于设计配合度不够而造成的碰撞。

3.2.2数字化移交

数字化移交是打造数字化、可视化电厂的基础[4]，模型则是数字化移交的主体。西南电力设计院有限公司在万州电厂设计过程中，采用了跨单位数字化模型整合技术，为数字化移交提供了更加精细、全面的数字化模型, 打造出优秀逼真的数字化电厂，实现了主要设备的数字化模拟检修等。万州电厂汽轮机检修模型如图5所示。

图5 数字化移交的万州电厂汽轮机检修模型

3.2.3跨单位数字化协同设计应用效率提高

实践证明，跨单位协同设计可以大大减少设计院设备和锅炉构架建模的工作量，在节省人力的同时还可以提高设备和锅炉构架模型的精度，是提高质量和效率、节约成本的可靠措施。常规建模与协同设计工作量对比见表3。

表3 常规建模和协同设计工作量对比表

4 高级阶段数字化协同设计模式探究

在高级协同阶段，设计院不仅仅是简单的集成者，更重要的是还要担当协调者与管控者的角色。在设计之初，设计院就要搭建统一的数字化工程设计集成平台，为不同的设备厂家、监理单位和业主进行区域分割、权限配置和人员管理[5]，组织相关单位有序开展数字化的设计与协同工作。各相关单位可以通过网络访问设计院的服务器，从而实现覆盖整个电厂设计制造企业的数字化协同设计，只要进入该电厂的集成设计平台就可以实时浏览其他单位的设计成果，并可进行统一的碰撞检查。由于电厂建设涉及到的单位众多，有效地协调和管理好各单位的数据和权限就非常必要，这就要求设计院做好组织协调工作，并建立一套完善的管理机制，只有这样才能保证跨单位数字化协同设计的安全性和可靠性。

锅炉厂和设计院都是采用PDMS等布置设计软件进行总体整合和布置设计，可以基于同一布置软件的工程文件开展同库同平台的实时协同，无需单独进行模型的导出和导入，其中一方的模型另一方都可以实时在线查看，这样就可以实现锅炉厂和设计院之间的无缝衔接，大幅提高设计效率，基本可以杜绝因配合问题造成的错误。

汽轮机、发电机、辅机制造厂等机械设备加工厂家也可以进入设计院的整个协同设计体系，与设计院共同开展设备布置、配套系统布置设计等工作，例如汽轮机厂的轴封、润滑油、启动系统、抗燃油系统以及发电机厂的氢冷系统、定子冷却水系统或者磨煤机厂的油系统等等，传统模式下都是先由设备厂家提供系统然后由设计院进行设计，而在跨单位数字化实时协同设计模式下，设备厂家可以进入设计院的设计平台，查看全部工程的设计模型，并在限定的范围和权限内完成各自的设备位置摆放以及配管系统的管道布置设计，由于其对设备系统更为熟悉和了解，可以设计出更为优化的布置方案，从而提高电厂设备运行的可靠性。参与协作的各单位就像设计院的一个专业一样开展既独立又协同合作的设计，完全打破现有的设计范围划分，充分发挥不同单位的优势资源，更好地开展配套系统的布置设计。

5 结束语

随着国内数字化设计水平的不断提升，以及数字化电站对数字化设计要求的不断提高，整合整个设计制造行业的数字化设计资源已是当务之急。实现跨单位数字化协同设计被证明是可行的、高效的，也必将成为发展的趋势。现阶段电力设计行业应该着力推广以离线文件交互为基础的初级阶段的跨单位数字化协同设计，并逐步实现单位间的数据共享，消除信息孤岛，最终实现整个电力设计制造行业数字化资源的一体化。

参考文献：

[1] 叶文辉. 一种基于PDM的数字化协同设计环境实施方案[J]. 中国制造业信息化，2010，39(17): 1-6.

[2] 王聪生. 基于三维模型的电厂生命周期的信息管理[J]. 电力建设，2002，23(11): 85-95.

[3] 王坚. 火力发电厂布置设计精细化发展趋势[J]. 电力建设，2011，32(1): 68-71.

[4] 叶文辉. 电力企业数字化移交平台建设[J]. 福建电脑，2012，28(10): 163-164.

[5] 李嘉军. 建筑工程全过程数字化协同设计管理平台研究与实践[J]. 土木建筑工程信息技术，2014，6(3):70-75.