CADWorx三维制图软件在煤化工空分单元设计中的应用

韩雅妮，李亚玲

(兰州石化职业技术学院 应用化学工程学院，甘肃 兰州 730060)

煤化工行业在我国国民经济中占有非常重要的地位，随着煤化工工艺设备大型化，自动控制水平的提高，对生产运行人员的操作能力与水平提出了更高的要求。煤化工生产装置规模的扩大使得煤气化工艺过程中对氧气的需求量增大，在生产获取氧气的同时，以深冷分离原理为主的空气分离技术也得到大规模应用。

CADWorx三维制图软件是基于AutoCAD平台的全面、智能化的三维工厂设计系统[1]，软件中包括了钢结构、设备、管道、仪表等模块，并且软件有自动生成单线图和材料表等功能。与传统的二维设计相比，具有更加直观的三维模型，可以方便的进行布局设置及配管。同时，CADWorx的多个不同模块，还能完成土建、钢结构、工艺管道、电器、暖通等各专业协同合作，在工艺管道的设计中，可以进行实时检查碰撞，减少图形错误。系统还能自动生成二维工程图，缩短绘图时间，在材料统计上，CADWorx软件还可以快速准确统计出材料，节约材料统计时间，同时CADWorx还可导入到CAESARⅡ中，实现管道的应力分析，基于以上优点，CADWorx在化工设计中得到了广泛的认可和使用。

本文以我校煤制甲醇实训装置中的空气分离单元为例，应用CADWorx软件进行三维建模。

1 主要工艺流程

来自大气中常温、常压的空气，进入空气过滤器中除去空气中的灰尘和其它颗粒杂质，经过初步过滤后，进入空压机，经过空压机多级压缩(在压缩过程中，压缩机级间的热量被冷却器中的冷却水带走)，被压缩后的压缩空气进入空气冷却塔冷却并除去气体中的硫化物及有害成份。

空气冷却塔下部由大水泵进循环冷却水，上部通过小水泵进低温冷却水，该水是由出冷箱的污氮在换热器中冷却的，空气冷却塔的顶部装有除沫器，用来清除、分离水滴。

出空气冷却塔的空气，进入吸附系统，吸附气体中的水、CO2。该吸附系统由两台立式分子筛容器组成，两台分子筛吸附器交替工作，一台运行时，另一台用来自冷箱的污氮再生。从空气纯化系统出来的空气，一部分直接进入冷箱内的低压换热器，被返流出来的气体冷却后，进入分馏塔下塔底部，进行第一次分馏。其余空气进入空气增压机进一步压缩，经过膨胀增压机和水冷器压缩冷却后，进入高压换热器，再次被冷却后，经膨胀增压机膨胀后进入冷箱进行精馏。

在冷箱中，上升气体与下降液体充分接触，传热传质后，在顶部得到纯氮气。纯氮气进入下塔顶部的冷凝蒸发器，氮气被冷凝，液氧被气化。产生的液氮一部分作为下塔的回流液，一部分液氮经过冷器过冷、节流后送入上塔顶部作为精馏段的回流液，同时在下塔顶部抽取的中压氮气经复热后作为产品送出。

从下塔底部、中部抽出来的富氧液空和污氮分别送入换热器，与冷箱顶部抽出的污氮气换热，节流后进入冷箱精馏，得到产品液氧和污氮气。

液氧从冷箱底部抽出，经液氧泵加压、复热至常温送出冷箱。污氮气经复热至常温后分两路分别去分子筛吸附器和空气冷却塔。

2 CADWorx三维制图过程[2]

在进行设计绘图之前，首先，需要根据项目名称，建立一个本项目专属的文件夹，便于日后的管理和调用，本项目文件夹内包含三个子文件夹，分别是结构、设备、工艺管线。注意：建议所有文件夹都采用英文命名，方便管理和查找。

2.1 钢结构建模

启动CADWorx Plant模块,在菜单栏找到CADWorx steel/HVAC菜单，点击进入钢结构建模。首先，在钢结构形状菜单栏中选择本项目所用的钢结构材料、钢结构类型等参数，参数定义好后选择钢结构框架绘制，用线的模式绘制三维结构线框。然后，在绘制好的线框上插入钢结构。注意：在绘制完成后，为了管廊的美观，需要对钢结构的重合部分进行裁剪。按照这种方式即可完成管廊的搭建，同时如果钢结构中需要扶梯和操作平台，都可以在本模块中进行搭建。钢结构设计完成后，对本项目保存并存放于steel项目文件夹下。

2.2 设备建模

首先，打开CADWorx Equipment模块，利用CADWorx Equipment自带的实体对项目中所需要的设备进行建模。在CADWorx Equipment模块中，所有的设备都是通过设备特征尺寸定义界面来进行设定的，在此界面中包括设备中各零部件尺寸、管嘴形式、连接形式等，设备建模方法简单易于掌握。本项目中涉及的设备和容器有：换热器、离心泵、精馏塔、冷箱、气体压缩机等。在模型的建立过程中需要注意要准确定位各关键设备的外型尺寸和管口方位，这些数据是我们后期进行配管的基础。注意：用CADWorx Equipment 设计完成后的设备，为了管理方便，需要按照设备位号单个进行命名，并单独存储为一个扩展名为.dwg 的文件，所有设备文件都存储在新建项目中的Equipment文件夹内，方便我们后期进行管理和参照。

2.3 建立管道等级库和元件库

管道等级库和元件库的建立是三维配管的基础。首先，需要根据管道等级表自定义元件库，元件库的建立是一个庞大的工作，为了简化操作，可以参考已有项目的数据库，在已有的基础上对本项目中用到的元件进行修改并建库，然后用元件库生成本项目等级库。所有的管道等级文件都以扩展名.SPC的形式存放在Spc目录下，注意：元件库的建立要符合相关的国家标准，数据和各尺寸参数要力求准确。

2.4 管道建模

在配管之前，先进行系统的初始化设置，建模前需将项目前期已经建立好的设备和钢结构模型导入到plant中，在plant模块中进行管道建模。在连接设备并生成管道模型时，首先需要对该管道的等级、管径等基本参数进行定义，在管道绘制过程中，系统会自动智能的为用户推荐几条路线，提供多种配管方案进行选择，管道绘制完成后，还需要在管道上智能插入相应的管件、阀门等元件，如果等级库内参数完整，插入过程就会非常方便快捷。注意：配管工作要求做到细致精准，在配管的过程中，需要严格按照工艺管道配管的原则和规范进行设计，同时，还要尽量避免不必要的碰撞。因为CADWorx软件中自带碰撞检查模块，为了防止管道设计中不必要的碰撞，可以在工艺管线模型绘制过程中，实时自动进行管道对设备，管道对结构，设备对结构以及结构对结构的碰撞检查，如果在设计中发现碰撞，系统就会在检查结束后自动弹出碰撞警告，以便能发现设计过程中的错误，及时调整。

3 结语

在众多三维设计软件当中，CADWorx使用界面简单，与通用的CAD软件界面很相似，软件相比于其他大型三维软件简单易学，在设计院的应用越来越普及。同时，CADWorx 三维设计软件，在设备建模、钢结构建模、三维配管方面更加直观，设计过程中大大提高了设计效率，将以前的二维模型转化到了三维的可视空间内，帮助工程设计者更好地完成工作。总之，CADWORX可以实现中、小型项目中的三维设计，是一种较为成熟和功能完备的管道设计软件。并且，此软件易于上手，操作步骤相对比较简单，在中、小型设备的配管设计中非常有优势，鉴于此，为了提高在校学生的计算机绘图和化工设计的能力，可以考虑在高职类学生毕业设计等实践环节进行尝试应用。