三维.协同技术在数字化电厂应用研究

２０１０年全国发电厂热工自动化专业会议论文集

三维、协同技术在数字化电厂应用研究

贾震江刘宇穗

（广东省电力设计研究院广州５１０６６３）

【摘要】“数字化电厂”这个名词已经进入各方的视野，越来越受到各方的关注，如何打造数字化电厂，已经成为各方研究和探讨的议题，本文结合我院在数字化电厂建设已经做出的努力以及对数字化电厂建设的构想，从几个方面加以研究和分析，以期推动在建设绿色电厂方面的工作进展。

【关键词】数字化电厂三维技术协同设计

１什么是数字化电厂

数字化电厂是通过对电厂物理和工作对象的全生命周期量化、分析、控制和决策，提高电厂价值的理论和方法。因此，数字化电厂既不是一个项目，也不是一个软件或系统，而是一种理论和方法。这一理论和方法研究的对象是电厂的物理对象和工作对象，其方法是从整个生命周期出发研究如何对其进行量化、分析、控制和决策。

２数字化电厂建设的思考

在建设数字化电厂的整个过程中，应充分发挥设计的龙头作用。下面分别从几个方面来阐述我院在数字化电厂建设方面已经做出的努力以及对数字化电厂建设的构想。

２．１协同设计

２．１．１协同设计工作的重要意义

电厂的设计工作本身就是一个由地域分散的一个群体借助计算机及网络技术来互相配合完成一项任务的项目，协同设计工作的深入开展将十分有助于消除时间和空间上的障碍，整体提供设计效率和设计质量。

我国各大电力设计院都根据专业的不同，划分了不同专业科室，为了能够完成一个工程项目的设计工作，相互之间信息的交换必不可少。以管路和仪表流程图Ｐ＆ＩＤ（Ｐｉｐｉｎｇ＆ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＤｉａｇｒａｍｌ的设计为例，Ｐ＆ＩＤ图的设计工作涉及到工艺和热控两个专业，对于国外的设计单位，工艺和热控这个两个专业是整合在一体的，同一张Ｐ＆ＩＤ图的设计工作基本上是由同一个人完成，我们通常将该设计人员的工作岗位称之为“系统工程师”。但是，对于我们国内的电力设计院，工艺和热控是两个相互独立的专业科室，因此，同一张Ｐ＆ＩＤ图的设计工作基本上要由两个人完成，他们相互之间必不可少的存在设计接口。

下面同样以Ｐ＆ＩＤ图的设计为例，对核电厂传统设计手段和核电厂协同设计工作进行深入的分析，以体现协同设计工作的重要意义。２．１．２传统设计手段的分析

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Ｐ＆ＩＤ图产生的流程是首先由工艺专业完成系统流程图，该系统流程图中只含有工艺专业的信息，如：工艺流程、管道编号、阀门及驱动方式、容器、管道尺寸及壁厚等信息，然后工艺专业将这份系统流程图提交给热控专业，热控专业再在此基础上添加仪表和测点类型、监控方式等方面的信息，形成最终的Ｐ＆ＩＤ图。

长期以来，工艺和热控专业都是分别在各自独立的设计平台上开展工作。这样做的好处是专业间分工明确，责任清晰，但同时也带来了一些弊端。一方面，一旦工艺专业的系统流程图出现修改，热控专业往往不能够第一时间获得这方面的信息，这将直接影响到热控专业的后续设计工作，如编制仪表清单和ＦＯ清单等工作，这种问题在以往的很多工程中层出不穷；另一方面，对于热控专业来说，一旦工艺专业的系统流程图出现修改，热控专业都需要花费很多的时间和精力去仔细核对，这不仅浪费了大量的人力和时间，并且如果不能及时的跟踪到位，工地现场将不可避免的出现问题，从而给现场施工造成影响。

２．１．３协同设计工作的分析

工艺和热控两个专业开展协同设计工作，双方都基于同一设计平台、同一数据库开展Ｐ＆ＩＤ图设计，工艺专业的系统流程图出现修改时，这种修改可以直接反映在热控专业的图纸上，这将消除时间和空间上的障碍，提高工作效率。热控专业可以更加专注于本专业的设计，无需花费额外的时间和精力来一遍又一遍的核对不同版次之间的差别。

由于工艺和热控两个专业都是基于同一设计平台、同一数据库，两个专业可以最大限度的达到信息共享，避免发生由于信息共享不够充分所带来的各种问题，比如设备的命名不再会出现以往在两个专业文件中不一致的情况出现，电气专业也可以在此设计平台工作，获取电气设备的有关信息，如功率、编码、名称等，从而保证不同专业间的～致性。此外，热控专业可以直接自动从数据库中读取工艺专业的各种设计参数，热控专业可以将这些设计参数有效的加以利用，并将一些电力行业标准和规范植入到后台数据库中，这将可以直接生成各种设计成品文件。以往工程中，如果工艺专业修改了一些管道的运行参数，如：温度和压力等，热控专业都需要加以核对，同时要修改ＦＯ清单、仪表清单和仪表阀门清单等多份文件，这直接影响设计效率，而采用协同设计之后，这一系列的更改工作将会由预先植入到后台数据库的程序自动完成。

２．１．４协同设计应用实例介绍

目前，我院己在阳江核电一期工程中开展Ｐ＆ＩＤ图的协同设计工作，并已经完成机务专业各工艺系统的Ｐ＆ＩＤ协同设计，达到了预期的效果，下面对阳江核电厂一期工程协同设计工作的应用实例分别从多个方面来进行介绍。

２．１．５协同设计软件介绍

在阳江核电一期工程中，机务和热控专业采用ＢｅｎｔｌｅｙＰ＆ＩＤ软件开展系统流程图设计工作，同时基于ＢｅｎｔｌｅｙＰｒｏｊｅｅｔＷｉｓｅ协同工作平台。ＢｅｎｔｌｅｙＰｒｏｊｅｃｔＷｉｓｅ可以把项目周期中各个参与方集成在一个统一的工作平台上，改变了传统的分散的交流模式，实现信息的集中存储与访问，从而缩短了项目的周期时间，增强了信息的准确性和及时性，提高了各参与方协同工作的效率。在阳江核电一期工程中，机务和热控专业同时采用ＤａｔａＭａｎａｇｅ数据库管理软件来对后台数据库进行管理。２．１．６协同设计的范围及内容

在阳江核电一期工程中，机务和热控专业的Ｐ＆ＩＤ协同设计范围涉及到机务专业所有的工艺系统。在阳江核电一期工程中，机务专业可以通过协同设计软件自动生成管线清单和阀门清单等设计成品文件，热控专业可以通过协同设计软件自动生成Ｐ＆ＩＤ图、开关量仪表清单、模拟量仪表清单、

电动执行机构清单、仪表阀门清单、“０清单、标牌清单、仪表管线圈和接线图等等。

２１７协阿设｜ｆ的成效

阳｝工核电期丁程通过此次的Ｐ＆ＩＤ坼同设钉．已经达到以ＦＡ，个方面的成效：

机务和热控专业在同。最计平台开展Ｐ＆ＩＤ削设计．从根本ｊ．潲除了以往所出现的两个专业图纸表达不一致的情况晰现，同时两个专业的数据信息放ｎ同一个后台数据库中．

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ｒｌ斟是利用ＢｅｎｔｌｅｙＰ＆ＩＤｊ戈件绘制Ｐ＆ＩＤ图的画面，捌片左侧便是我院后鸫定制的热控仪表Ｈ删，如：仪表、仪表阀ｆＪ、电磁阀ｍ个【目洲ｒＩｉ郜卉仃热拧怔茈旧此址木懈性。

热控专业绘制Ｐ＆ＩＤ刚足将机务寺业的系统吲“参照’＿＆来．直接为热控专业所塌．可以最大限壁的秩知机务的信息并且与其保存致。如粜机务修改了系统图，热控专业只需要重新将机务专业的系统图重新“参照”进束，无需热控专业重新核对。

ＢｅｎｔｌｅｙＰ＆ＩＤ软件同时可以实现将Ｐ＆ＩＤ软件巾的属性商接导入至后台数据库，如图中显示出来的ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｉｎｇｌ＇ｒｏ）ＤＢ窗【｜所示。

热掩々业直接从后台数据库中提取机务々业的各种设计参数，改变丁毗往需要走纸质提资的模式，这种信息交换的Ａ式更加开放和投时：

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上图中就是我院在阳江核电工程借助于ＰｒｏｊｅｃｔＷｉｓｅ设计平台所采用的全新电子化提资模式，实际操作起来非常简便，同时也有利于图纸文件的有效管理。

热控专业事先将一些电力行业的技术规范和标准植入到后台数据库，从而根据工艺系统的设计参数自动生成对热控设备的一些技术参数要求，这在一定程度上加强了标准化设计工作的力度，提高了设计效率和设计质量。

业的数据。

２．２三维技术巨副一Ｌ筮副一卜

回顾工程设计走过的历程，应该走过三个阶段，

第一阶段为绘图板、铅笔、尺子手工绘图；２电厂三维技术原理、构成

１１三维技术原理

体设计。其原理圈如下：上图是我院在后台数据库中所做的二次开发工作，自行编制程序，直接从后台数据调用机务专协同设计前面已详述，它给设计引入新思路，给电厂监控及管理带来新的技术手段，同样，三维技术又是设计新思路的另一奇芭，它与协同设计结合，不但给设计带来革命性的变化，而且更主要为数字化电厂的实现提供了强有力的手段。２，２１三维技术回顾第二阶段为上世纪９０年代的二维微机ＣＡＤ绘图．到了９０年代来，基本甩掉图板，设计全面实现计算机绘图；第三阶段随着计算机技术不断发展，本世纪开始的三维技术在电厂设计的逐步应用．三维设计给电厂设计带来革命，同时也给数字化电厂提供强有力的技术手段，贯穿于电厂的整个生命周期ａ２２电厂三维｛殳计是基于数据库管理的三维设备、管道、结构、建筑、电缆桥架等智能型属性化实

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图表１三维设计软件数据流程图

２１三维设计软件构成

三维设计软件由设备、管道、电缆桥架、暖通｛ＨＶＡＣ）、结构、支吊架结构、建筑等模块组成，以及二维Ｐ＆ＩＤ、出国及生成报表（ＩＭａｗｍｇＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄＲｅｐｏｒＯ、设计审套用的漫游（ＲｅＶｉｅｗ）、ＶＮＥＴ数字工程发布等软件组成。

１１三维设计软件的基础构成

ＰｌａｎｔＳｐａｃｅＰ＆ＩＤ是强有力的绘制管道和仪器仪表图的工具．结合了高教绘图和审查以及报表生成工具

主要功能：

’快速智能化绘图油于Ｍｉｃｒｏｓｔａｔｉｏｎ的ＡｃｃｕＤｒａｗ．技术的使用，ＰｌａｎｔＳｐａｃｅＰ＆ＩＤ大大提高的绘图效率。可吼在不必经由繁琐的文件觑格和数据库参数设置，而直接快速布置Ｐ＆ＩＤ符号。超越了许多传统Ｐ＆ＩＤ软件的局限。

≯规则检查：可以检查管道，管件之间连接的合理性，图纸之间的连接性检查；用户也可以

自动报表系统・可以自动生成管道、阀门、设备清册等。

已经按“电力工程制图标准”定制了全部符号和定制了电力习惯的报袁。定制自已的检查规则。》≯

ＰＤＭＳ三维设计软件

ＶＡＮＴＡＧＥＰＤＭＳ为一体化多专业集成布置设计数据库平台．在以解决工厂漫计晟难点一管道详细设计为核心的同时，解决设备、结构土建、暖通、电缆桥架、支吊架各专业详细设计，各专业间充分关联联动。ＶＡＮＴＡＧＥＰＤＭＳ三维模型可直接生成自动标注之分专业或多专业布置图、单管圈、配管图（下料图）、结构详图、支吊架安装图等，并抽取材料等报表。ＶＡＮＴＡＧＥＰＤＭＳ以数据库平台为核心进行多专业任意组合，可满足用户在设计各阶段按工程需要投入不同专业人员的要求。

同传统设计手段相比，ＶＡＮＴＡＧＥＰＤＭＳ可提高设计效率５０％以上，并使无差错设计和无碰撞施工成为可能实现的事实。

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ＶＡＮＴＡＧＥＰＤＭＳ以数据库为核心的图形数据一体化技术代表了全球三维工厂设计的主流和发展方向，以下为ＶＡＮＴＡＧＥＰＤＭＳ的主要特点：

结构：以数据库为核心，不会发生数据和图形不统一的设计故障；修改三维模型后，相应的图纸标注自动更新；设计、碰撞检查及易用性：易用易学，培训五天即可建模设计；在高效三维实体环境下进行布置设计，用户可任意控制模型显示、直观判断物体间距、发现碰撞及安装合理性，可极大地提高设计质量和速度；各专业模型问充分联动；具有自动配管功能；支持实时碰撞检查：同一项目，同一空间的任何专业模型均参与碰撞分析，可生成图形或文字碰撞报告；导入ＶＡＮＴＡＧＥＰＤＭＳ之模型（如以ＡｕｔｏＣＡＤ或Ｍｉｃｒｏｓｔａｔｉｏｎ为平台的软件生成的三维模型）可命名并直接参与碰撞检查（碰撞检查报告中可显示模型名称）：

平面图生成：自动生成配管平／立面布置图，自动标注；对模型表达及标注规则可自由定义：管道表达可为全部双线带中心线，也可小管径为单线、大管径管为双线带中心线，管道中心线可由用选择自动生成或消隐，不需手工添加；隐藏线处理功能强大，可对模型进行任意剖切生成平面及轴测图，剖切面自动生成阴影线；并双向集成ＡｕｔｏＣＡＤ；

单管图生成：ＡＶＥＶＡＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩＴ拥有ＩＳＯＧＥＮ核心技术，高效生成唯一经大量实际工程验证之国际通用单管图，抽取时极少失败；可以通过界面全面控制所有ＩＳＯＧＥＮ单管图选项；可以生成配管图（下料图），对焊点、连接点、管段号和管件号历史可以有效维护；

标准库：可以在可视化条件下，任意定义复杂元件，并在单管图中正确表达；标准库同三维模型为参考关系，始终完全统一；

ＰＤＭＳ包含下列模块：

Ｐｉｐｉｎｇ是全参数化，规格驱动三维管道造型设计软件

主要功能

＞规格驱动的造型设计系统

＞规格生成器

＞参数化的完整尺寸系列的管件目录

＞用户定义的组件放置方式

＞管件数据库：包含ＧＤ８７和ＧＤ２０００两个典管数据库的全部数据，以及ｌ万多个阀门数据交互式的管道设计

＞概念管道路由

＞动态布置与修改

＞现有管线上智能插入组件

＞强大的对单一组件、管线和系统进行查询、选取和修改的功能

ＰＨＳ是一个全参数化的三维支吊架设计软件

主要功能：

＞用户能够方便地采用所习惯的规范与步骤来构建标准或非标准的管道支吊架模型

＞在ＰＤＭＳ管道模型与数据库中自动生成全信息管道逻辑支吊架

＞丰富的工业标准管道支吊架库，支持组件、钢结构装配等方式

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＞轻松建立管道支吊架。更有价值的是，规范扩展等客户化工作非常简单容易。已经按国内设计标准建立了：华东电力院支吊架手册数据库及组合支吊架。

Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ提供了符合工业规范的参数化模型和用户自定义元件的模型。

主要功能：

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２．２．３参数化地放置泵、储罐及热交换器等设备附加的相关结构元件：直梯、护栏、护笼、斜梯和平台由立方体、圆柱、圆锥、梯形圆台和半球等基本三维元素建立设备模型将基本元素组成完整的设备，同时带有元件的描述以生成报告高效地放置用户定义的设备，建立用户定义的设备强大的查询、选择及修改单个或一组设备建立了电厂使用的常用的泵、加热器、除氧器、风机等参数化设备电厂三维设计系统功能

（１）电厂设计应用

建立三维模型，传统设计均为二维设计，设计、校核、审批花费脑力，需要丰富的空间想象力，采用三维设计后，立体效果逼真，整个图面可立体漫游，轻易实施设计优化。

自动完成碰撞检查，三维模型具有精确的立体坐标和属性，能够自动检查所有的碰撞，有效地避免以前设计过程中通过人工检查出现的错、漏、碰，通过三维设计实现无差错设计。

自动生成二维图，可生成各种工艺流程图，如热力系统图、燃烧系统图、水处理系统图、除灰渣系统图，且系统图中的设备、管道、管件等均有与三维模型中相应部分相同属性。

材料统计汇总功能，可以准确地统计材料特别是管材和电缆长度等。

（２）应用于工程施工

可进行施工进度模拟，设备安装模拟，管理者可随时随地检查工程项目的进度安排。

采用自动配管程序，降低安装成本，节约安装费用，提高施工效率。

（３）应用于电厂运行和维护

电厂利用三维模型既可可视化，又可参数化管理，实现整个电厂的数字化。

维护检修人员可使用碰撞检查程序，确定最佳无碰撞安装、检修管道和设施。

３三维、协同设计工作的设想

我院在阳江核电一期工程协同设计以及核电和火电主厂房布置三维设计的成功经验为今后的数字化电厂打下了坚实的基础，我院将会在电厂协同设计工作方面走的更远，；进一步加大协同设计的力度，力求达到多个专业的信息集中在同一个数据库中，将会由原先的机务和热控两个专业的协同设计力求进一步扩展至暖通、水工、化水等多个专业，达到真正的协同设计。

在今后的工程设计中，我院将继续致力以协同设计软件和后台数据库的二次开发工作，力求将更多的设计规范和标准植入到后台数据库中，以期进一步提高设计效率和加强标准化设计工作的力度。此外，我院在开展Ｐ＆ＩＤ二维图纸的协同设计的同时，还将积极开展二维与三维实现无缝连接

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的设计和研究工作。一直以来，Ｐ＆ＩＤ图与三维模型都是相互独立的，无法直接实现相互之间信息的交换，这难以避免的带来了两者之间不一致的情况出现。一旦能够实现Ｐ＆ＩＤ二维图纸与三维模型之间的无缝连接，点击二维图纸中任何一个设备都能够直接链接到三维模型中该设备的位置，这种功能的实现将会使得所建立的三维模型将更加准确和有效，对现场施工的指导意义将更大。

根据目前调研的情况，达索公司旗下的面向虚拟产品设计的ＣＡＴＩＡ软件可以实现Ｐ＆ＩＤ二维图纸与三维模型之间的无缝连接，并且国内协同设计软件的新生力量先乔软件公司也在做这方面的开发和研究工作，已经能够部分实现二维和三维之间相互传递信息的功能。这些信息将会有助于我们实现协同设计深度的设想。

由于采用了各专业设计元素同一数据库以及三维模型全部参数化，并以数据的方式存放在同一数据库内，可以以三维模型的方式去显示，在三维模型中可以浏览、漫游模型中的所有含属性的参数，三维和二维可以互相关联，从而三维与协同技术给数字化电厂管理实现提供了很好的基础平台，有了所需同一、强大的基础数据库平台，进行二次开发工作，利用现有的功能软件包可以实现数字化电厂管理工作。

１）在工程管理和运营管理中，由于有了各专业的信息参数，利用三维的可视化的、立体空间，实现最大限度、无中间盲点的综合量化管理。

２）随时自动提取任意规定范围的设备、材料详表和汇总表，为设备材料分批订货、施工备料管理提供依据和手段。

３）进行施工进度模拟，可以集成或结合工程计划管理软件，实现工程进度和计划的可视化管理，使传统的两维图表上的计划管理提升到三维实物模型的直观管理水平，给出设备、材料清单，准确确定工程量，便于科学合理安排施工力量，有效组织施工。

４）提前进行备品、备件管理，考虑相关联的联系，进行可视检修模拟，为运行人员提前了解工程全貌提供手段，提高生产准备水平。由于三维模型便于动态整体工程模型管理，完全可以根据业主需求，在施工阶段，设定所需的精确参数精确定位，形成特定的参数群，在竣工图阶段，提供给业主完整、准确、可信的信息资料。

５）基于工程完整的基础数据库，实现具有实际意义的工程造价跟踪控制。

６）根据工程进度计划，利用基础数据库制定工程资金投入计划表、现金流控制表，为工程合理投入资金提供科学依据。

４三维、协同设计成果的应用

在今后的工程设计中，我院通过开展协同设计工作，将会生成诸如Ｐ＆ＩＤ图、开关量仪表清单、模拟量仪表清单、电动执行机构清单、ＦＯ清单、仪表阀门清单、标牌清单、仪表管线图和接线图等各种成品文件的同时，还根据不同业主需求，建立具有特色的参数群，还将会产生一个完整的数据库文件，该数据库文件将集成我院多个专业的设计参数以及详尽的历史修改记录，这将为电厂在优化设计方面创造了条件，同时也为在后期调试和运行管理方面提供更多的数据支撑和保证。

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施：【单位建立配备相关的基础平台，如ＯＲＡＣＬＥ数据库，进度模拟软件数据库，在协同、三维模型的平台上，通过模拟进度来合理安排施工进度及设备材料的进货时间，以及合理安排资金计划等。

运行单位配备相关的基础平台，ＯＲＡＣＬＥ数据库及相关三维浏览、编辑软件，通过电厂三维模型，既可可视化观看，又可进行数字化管理，如厂区、厂房内的漫游设备、管道的参数、定位坐标，特别是与ＭＩＳ相结合，实现精确的、可视化的电厂数字化管理系统。

参考文献：

【１】侯子良，潘钢．建设数字化电厂示范工程加快火电厂信息化进程．热力发电．２００５年第３８卷第２期

［２】ＢｅｎｔｌｅｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ．ＢｅｎｔｌｅｙＰｌａｎｔＴｒａｉｎｉｎｇＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ＆ＷｉｒｉｎｇＵｓｅｒ２００４ＥｄｉｔｉｏｎＢｅｎｔｌｅｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏｕｒｓｅＧｕｉｄｅ．

［３】ＶＡＮＴＡＧＥ．ＩＰＥ项目一体化解决系统中文培训手册．

［４】侯炳辉．什么是企业信息化．热工自动化信息．２００１年第３期．

［５】郑强．电厂自动化设计的２０００年思路．热工自动化信息．２００２年第１期．

［６】６刘宇穗．全面数字化电厂构想．电力勘测设计．２００８年第３期．

［７】刘宇穗．数字化电厂架构及现场总线控制系统设计．热力发电．２００８年第１２期．

作者简介：

贾震江：

广东省电力设计研究院电控部热控室广州市科学城天丰路１号０２０．３２１１６５７３

研究生，工程师，２００４年毕业于南京理工大学

现从事火力发电厂热控设计工作

刘宇穗：

广东省电力设计研究院电控部热控室广州市科学城天丰路ｌ号０２０．３２１１６５７３

研究生，高级工程师，２００６年毕业于华南理工大学

现从事火力发电厂热控设计工作