小徑管施工計算機輔助設計在火電機組安裝中的應用

馬超，李健偉，解華

(中國華電工程(集團)有限公司，北京 100035)

1 計算機輔助設計的必要性

湖北華電西塞山發電廠(以下簡稱西塞山電廠)二期工程#3機組為680 MW超超臨界參數燃煤火電機組，由中南電力設計研究院設計、中國華電工程(集團)有限公司總承包(負責設計、采購、施工)。該工程熱工儀表管敷設工程的特點:工作量大，鍋爐、汽輪機及外圍設備等共需安裝儀表管約15 500 m;工期較長，從開始安裝至機組整套啟動，通常會達到或超過12個月，貫穿熱控專業施工的始末;施工工藝標準要求高，儀表管敷設要求集中布置且整齊、美觀。

近年來，火電廠整體施工水平有了大幅度提高，熱控專業控制設備更新換代頻繁，施工工藝不斷改進和完善，對儀表管安裝工藝的要求更加嚴格和規范;另外，火電廠整體施工工期的壓縮相應增加了儀表管安裝的施工難度，所以，傳統敷設方法已很難滿足施工需求。

傳統儀表管敷設方法基本上是測點確認后進行目測，大體估計并就地“放樣”，通常用石筆畫出草圖經修改后進行施工。其主要缺點是往往只能做到定性設計，而量化方面卻不盡如人意。此種方法對施工人員的技能依賴性較強，而且草圖為手工繪制，無法達到最優設計的目的，必然導致材料浪費并加劇施工質量水平分布的隨機性。

計算機的普及使采用軟件對施工過程進行模擬成為現實。受經濟因素的制約，工廠三維布置設計管理系統PDMS(Plant Design Mangement System)等專業三維設計系統的普及尚需時日。在西塞山電廠#3機組的施工過程中，受到現場對大型設備吊裝進行方案模擬的啟發，采用通用軟件AutoCAD對小徑管敷設進行了輔助設計和優化。實踐表明，采用AutoCAD進行輔助三維設計，可顯著提高小徑管安裝施工的效率和安裝質量，基本能夠滿足施工需求。

2 彎管器的設計

彎管器為冷彎法的常用工具，其核心部件是大輪和小輪。

2.1 大輪尺寸計算

根據電力部電綜〔1998〕145號文頒發的《火電施工質量檢驗及評定標準熱工儀表及控制裝置篇(1998年版)》的要求，管子加工時其加工半徑控制值通常為:金屬材質彎曲半徑R≥3.0D，塑料材質彎曲半徑R≥4.5D;橢圓度≤10%。其中，D為管子直徑。現場實際使用小徑管的規格見表1。

表1 現場實際使用小徑管的規格

設Dd為大輪直徑，則有

式中:n為彎曲半徑系數;Dx為小徑管外徑。

當n=3時，得到的大輪直徑見表2。

表2 彎管器大輪直徑

在實際使用中，為了方便小徑管的拆卸和大輪的制作，筆者加一個修正值k=1，可得公式

2.2 小輪尺寸計算

計算公式:Dd=13.1+Dx。采用AutoCAD仿真制作的三維圖如圖1所示。

圖1 彎管器大、小輪三維圖

3 成排管路的敷設

3.1 三維視圖的特點

AutoCAD軟件的三維繪圖功能比較強大，與二維視圖相比，三維視圖的特點是直觀，其成品更適合于現場技工的操作。在進行小徑管計算機輔助設計之前，先介紹幾個基本概念。

(1)軸側圖的概念。根據平行投影原理，把物體連同確定其空間位置的3條坐標軸x，y，z一起，沿不平行于這3條坐標軸和由這3條坐標軸組成的坐標平面的方向S投影到新投影P或Q上，所得的投影視圖即為軸側投影視圖，簡稱軸側圖。本文采用的是西南等軸側圖。

(2)用戶坐標系統(UCS)。用于創建坐標、操作平面和觀察的一種可移動的坐標系統。用戶坐標系統由用戶來指定，它可以在任意平面上定義xy平面，根據這個平面垂直拉伸出z軸，組成坐標系統。

(3)繪制和編輯三維實體。主要指令有消隱、著色、渲染、倒角、三維鏡像、三維旋轉及布爾運算等。

3.2 小徑管繪制

3.2.1 直管段繪制

草圖環境準備:建立構造線、粗實線，分別畫直徑為14 mm和10 mm的2個圓。點擊“拉伸”指令，選定2個圓，根據提示指定拉伸高度為1000 mm，傾斜角度為0°，然后進行布爾差集運算，得到圖2所示的效果。進行著色、三維旋轉，得到一個 ? 14 mm×2.0 mm的儀表管(L=1 000 mm)，如圖 3所示。3.2.2 90°彎頭繪制

設置草圖環境，畫一個直徑為98mm的1/4圓，然后在端點分別做一個直徑為14 mm和10 mm的圓;轉換到西南等軸視圖，將UCS移至圓心處，并將2個圓沿x軸三維旋轉90°，沿1/4半圓進行拉伸，得到圖4所示的效果。進行布爾差集運算、渲染，利用計算機的復制功能，可得到任意多的小徑管及彎頭，如圖5所示。

3.3 成排管路的設計、優化

3.3.1 目標選定

以#3機組汽輪機房6.9 m層變送器的集中布置、規劃設計為實例，介紹成排管路的設計、優化流程(該實例中共27個壓力變送器，即27根儀表管)。

3.3.2 設計方案

在一般情況下，2臺壓力變送器的間距設為200 mm，為與其他機組保持一致，也設計成200 mm的距離，繪制間距為200 mm的27條輔助線。

儀表管豎直段為2 000 mm，2 000 mm以后間距則應收縮為28 mm(即單倍的儀表管間距)，采用AutoCAD軟件進行三維模擬設計，可優化變間距成排管路連接的合理性和可行性，輔助線設計如圖6所示。

圖6 輔助線設計

設δ為圓角系數，當δ=5時進行仿真，按照生成的路徑進行拉伸時，發現提示符“無法拉伸1個選定的對象”，也就是說當δ=5時，儀表管是無法進行安裝的。當δ=40時，進行仿真的結果如圖7所示。

圖7 三維模擬圖

這時，計算機可以執行指令，如果放大變間距部分，會發現這部分儀表管接觸的太近了，影響美觀，因此，需要進一步優化。取圓角系數δ=45進行仿真，間距已很勻稱了，接口部分呈現出美妙的均勻振蕩波形，如圖8所示。

圖8 彎管效果圖

在以上基礎上進行加工，增加固定支架、排污槽等附屬設施并標出詳細的安裝尺寸，便可交給施工班組進行安裝施工了。經計算機輔助設計的小徑管施工圖如圖9所示。

圖9 小徑管施工圖

3.4 傳統施工與AutoCAD模擬施工的綜合比較

經過AutoCAD模擬優化施工圖后進行施工，材料用量可節約30%左右，工期可縮短1/3，極大地提高了生產效率。

3.5 經CAD模擬設計施工后的成品

經CAD模擬設計后，施工班組按照圖紙施工成品緊湊、美觀、整齊劃一，與傳統施工方法形成的產品比較，其外觀和質量指標均有較大提高。實踐表明，模擬設計是成功的、必要的。施工成品照片如圖10所示。

圖10 施工成品照片

4 結束語

本文實現了小徑管施工的計算機輔助設計并在湖北華電西塞山電廠#3機組進行了成功應用。在施工過程中，應用三維設計技術方法可節省大量人力，加快施工進度;同時由于標注了比較詳細的尺寸，可節省大量材料，經濟效益可觀。

［1］張云杰.AutoCAD 2006中文版從入門到精通［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［2］葉江祺.熱工測量和控制儀表的安裝［M］.北京:中國電力出版社，2005.