關(guān)于核電廠電氣布置的應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀與展望

陶亞剛 李雯佳 王維青 岳小平 馬 宇

核電廠電氣布置主要包括電氣設(shè)備的布置，以及為電氣、儀控系統(tǒng)動力、信號的連通而進行的電纜通道的設(shè)計以及具體的電纜路徑的敷設(shè)，以保證電氣、儀控系統(tǒng)動力、信號網(wǎng)絡(luò)的形成，其功能相當于核電廠的神經(jīng)系統(tǒng)的載體。核電廠電氣布置是核電廠施工圖設(shè)計階段非常重要的環(huán)節(jié)之一。

1 核電廠電氣布置設(shè)計現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)核電廠電氣設(shè)備布置與橋架設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)狀

在過去傳統(tǒng)的工程設(shè)計領(lǐng)域，設(shè)計手段從最初的手工機械制圖到電腦輔助二維機械制圖，到后來信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，很多行業(yè)開始采用三維技術(shù)開展設(shè)計，如機械制造、建筑、化工等行業(yè)，早已進入了三維時代，但由于核電廠專業(yè)類別、物項、空間以及設(shè)計方式的復雜性和特殊性，三維化的進度較為緩慢，因此一直存在專業(yè)間協(xié)作困難、設(shè)計驗證復雜，特別是施工圖紙的工作量大、效率低等一系列問題。為了盡快將核電設(shè)計與現(xiàn)代科技接軌，國內(nèi)核電行業(yè)一直在積極推進三維設(shè)計手段在核電廠布置設(shè)計的工作，核電廠電氣設(shè)備與橋架設(shè)計的也在跟隨同步推進。

最早在秦山核電二期工程中，應(yīng)用PDL軟件平臺進行反應(yīng)堆廠房的三維模型設(shè)計。

在嶺澳二期常規(guī)島的設(shè)計中，則引進了基于microstation平臺的三維設(shè)計軟件，完成了常規(guī)島的三維化設(shè)計。

在華龍一號的設(shè)計上，采用了PDMS軟件實現(xiàn)了三維設(shè)計較全面的應(yīng)用。

三維化設(shè)計的應(yīng)用，已在核電行業(yè)得到了較大的普及，特別是電氣設(shè)備布置與橋架的三維化設(shè)計更將是一個大的趨勢。

1.2 國內(nèi)核電廠電纜路徑敷設(shè)應(yīng)用現(xiàn)狀

在秦山核電二期、秦山核電二期擴建、嶺澳核電二期等工程中，采用了PERICLES 2、PERICLES 3等系列電纜敷設(shè)軟件完成了相關(guān)的設(shè)計工作。

在海陽核電一期工程中，采用了核島設(shè)計方提供的電纜管理軟件“Shaw+Cable+Manager”進行電纜和電纜通道的設(shè)計。

在華龍一號的設(shè)計過程中，則采用了自主研發(fā)的計算速度更快、工作效率更高的CDMS作為電纜敷設(shè)軟件。

電纜敷設(shè)工具的多平臺融合、智能化設(shè)計也在核電領(lǐng)域逐步推進。

2 核電廠電氣布置設(shè)計目前存在的問題

2.1 目前核電廠電纜橋架設(shè)計存在的問題

橋架設(shè)計規(guī)劃需要根據(jù)全廠電纜清單進行分析，根據(jù)電纜敷設(shè)準則制定合理的電纜通道，并根據(jù)電纜通道在PDMS中進行電纜橋架的細化設(shè)計，目前存在以下的問題。

（1）電纜清單的分析、電纜通道的規(guī)劃全部采用人工完成，需要計算通道的電纜數(shù)量、電纜承載截面，由于全廠的電纜數(shù)量大約3萬多根，其工作量大、耗時長、且驗證和修正困難。

（2）電纜通道的規(guī)劃都是在平面的圖紙上進行，不利于垂直空間上的規(guī)劃。并且無法評估其通道對空間的占用是否足夠，亦無法預(yù)判與其他專業(yè)物項是否存在碰撞。

（3）電纜通道的規(guī)劃需考慮防火分區(qū)、輻射分區(qū)、水淹分區(qū)等空間特性，都需要規(guī)劃時人工驗證。

（4）土建、結(jié)構(gòu)的提資只能在平面圖紙上完成，由于前期缺乏實際的橋架設(shè)計方案支撐，提資預(yù)估困難，提資準確性、后續(xù)擴展性較低。

（5）在PDMS中進行橋架細化設(shè)計，需要充分考慮不同橋架類型、不同安全列的橋架之間的空間隔離問題，將規(guī)劃好的電纜通道細化為具體的電纜橋架模型，其模型均為人工建立，其工作量相當巨大，耗時耗力。

（6）在PDMS橋架建模的過程中，需要邊建模邊進行模型校驗，通過碰撞檢查工具來核對是否存在與其他物項的碰撞，如果有碰撞則需要反復修改和檢查，這個過程也會耗費很大的工作量。

（7）橋架后續(xù)的修改和維護動則影響一系列的模型，導致模型維護起來困難。

2.2 目前核電廠電纜路徑敷設(shè)存在的問題

在使用獨立的電纜敷設(shè)軟件進行電纜路徑敷設(shè)時，需要先將設(shè)計的電纜橋架進行網(wǎng)絡(luò)化描述，形成拓撲數(shù)據(jù)后導入進敷設(shè)軟件作為電纜橋架的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)庫，另外電氣設(shè)備的空間也需要進行數(shù)據(jù)描述后導入到敷設(shè)軟件中，建立數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)后再開展電纜路徑敷設(shè)工作。

2.2.1 電纜橋架建立數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)存在的問題

在電纜橋架建立數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時，需要在電纜橋架的平面布置圖紙上針對電纜橋架選取一定的節(jié)點，逐一量出節(jié)點的坐標，建立電纜橋架的數(shù)據(jù)描述，并對描述的電纜橋架進行邏輯上連接描述，形成電纜橋架的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，其存在的問題有。

（1）電纜橋架節(jié)點的描述工作煩瑣，節(jié)點數(shù)量龐大，耗費很大的工作量。

（2）電纜橋架的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化也依靠人工逐一建立，容易出現(xiàn)錯誤且不易校驗出來，后期電纜路徑敷設(shè)時再進行修改存在困難。

（3）電纜路徑一旦敷設(shè)到軟件中后，如果需要修改橋架網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)則需要將涉及的電纜路徑全部退出，待數(shù)據(jù)修改后再重新敷設(shè)，耗費人力且對項目管理造成困難。

（4）如果電纜橋架的布置出現(xiàn)修改，則需要相應(yīng)地修改敷設(shè)軟件中的橋架網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，才能保證模型與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的一致性。

2.2.2 電纜路徑敷設(shè)存在的問題

電纜路徑敷設(shè)需要將電纜清單按照一定的格式導入到電纜敷設(shè)軟件中，再逐一對每根電纜進行電纜路徑的選取，為其提供詳細的電纜路徑描述。

（1）電纜路徑需要逐一進行敷設(shè)，敷設(shè)的過程中軟件需要同時進行橋架資源的查詢和校驗，需要耗費很大的人力物力。

（2）電纜橋架一旦出現(xiàn)滿載的情況，無法對電纜路徑進行優(yōu)化，需要人為進行調(diào)整和分配橋架資源。

（3）電纜橋架布置方案和電纜橋架網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)一旦出現(xiàn)調(diào)整和修改，敷設(shè)到橋架中的電纜都需要退出并進行重新敷設(shè)，其工作煩瑣且耗時。

（4）電纜橋架的橋架資源查詢不直觀，在選取路徑的過程中對于有空閑資源的橋架選取存在困難，需要在不斷地嘗試過程中去尋找可用的橋架資源。

2.3 目前電氣布置的施工文件編制存在的問題

電氣布置施工文件主要包括電纜橋架布置圖和電纜路徑清單，電纜路徑清單通過電纜敷設(shè)軟件可以實現(xiàn)較好的文本導出和施工文件出版定制，電纜橋架布置圖則在PDMS中根據(jù)電纜橋架及設(shè)備布置模型實現(xiàn)出圖定制，但尚存在以下問題。

（1）PDMS中根據(jù)模型抽出的平面圖線條均為擬合而成，圖層雜亂，需要進行二次加工，與傳統(tǒng)人工制圖相比，并沒有起到省時省力的效果。

（2）PDMS導出的圖紙圖面標注達不到整潔、美觀的效果，需要進行二次加工。

3 核電廠電氣布置設(shè)計的技術(shù)需求與發(fā)展方向探討

針對核電廠電氣布置設(shè)計目前存在的以上問題，在設(shè)計工具和設(shè)計手段上亟須解決的問題主要在以下幾個方面。

3.1 核電廠電纜橋架設(shè)計需要解決的技術(shù)要點

（1）將電纜清單的分析、電纜通道的規(guī)劃納入三維設(shè)計平臺中去，利用大數(shù)據(jù)計算實現(xiàn)三維中的可視化智能電纜通道規(guī)劃。

（2）在三維平臺中實現(xiàn)土建、結(jié)構(gòu)的提資，實現(xiàn)多專業(yè)的同平臺協(xié)作設(shè)計。

（3）在三維平臺中根據(jù)規(guī)劃的電纜通道，實現(xiàn)電纜橋架的智能自動化建模，并且能自動進行碰撞檢查和避讓其他物項，盡量減少人工干預(yù)的情況下能達到模型的自動優(yōu)化，使得生成的橋架模型在空間、距離上的優(yōu)化。

（4）三維平臺在建立電纜橋架模型的過程中能充分考慮電氣隔離準則、電纜敷設(shè)準則，并能進行防火共模分析，實現(xiàn)電纜橋架防火保護的智能設(shè)計。

（5）三維平臺在建立電纜橋架模型的過程中能根據(jù)輻射分區(qū)、防火分區(qū)、水淹分區(qū)等，遵循電氣孔洞的封堵原則進行電氣孔洞封堵的智能設(shè)計。

3.2 核電廠電纜路徑設(shè)計需要解決的技術(shù)要點

（1）在三維平臺中，直接利用現(xiàn)有的電纜橋架模型實現(xiàn)可視化智能電纜路徑自動敷設(shè)，搭建大的平臺并進行功能整合。

（2）在三維智能化電纜路徑敷設(shè)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)電纜、橋架資源的可視化查詢。

3.3 核電廠電氣布置的施工文件編制需要解決的技術(shù)要點

在三維平臺中實現(xiàn)自由度更高、出圖效果更好的施工文件出圖定制。

4 核電廠電氣布置設(shè)計技術(shù)未來發(fā)展趨勢展望

根據(jù)當前的核電廠電氣布置情況和需求分析，結(jié)合當前的開發(fā)技術(shù)和三維平臺，完全具備實現(xiàn)以下目標的可行性。

（1）基于現(xiàn)有的三維PDMS（或E3D）平臺，實現(xiàn)更多的設(shè)計功能，如電纜橋架的自動規(guī)劃、建模，電纜橋架支撐的自動建模，電纜路徑的自動敷設(shè)等。

（2）結(jié)合當前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開展互聯(lián)網(wǎng)+的大平臺搭建，實現(xiàn)設(shè)計管理、項目管理、施工管理等的整合，達到核電工程從初設(shè)、三維建模、施工圖設(shè)計、施工管理、竣工圖設(shè)計的融合和多方協(xié)同合作的目的。

（3）利用VR技術(shù)，實現(xiàn)三維的沉浸式的演示、瀏覽，更進一步地，實現(xiàn)沉浸式的VR設(shè)計，使得三維設(shè)計的模型更直觀、更逼真、更準確、更快捷。

（4）利用VR技術(shù)，實現(xiàn)施工現(xiàn)場的可視化投影，提高施工放線、定位的直觀性、準確性，更有助于施工方對于設(shè)計方案更直接的識別和理解。

5 小結(jié)

在充分解決好當前核電廠電氣布置設(shè)計中所面臨的技術(shù)問題時，可以使設(shè)計方法更智能化、人性化，并將很好地提高設(shè)計質(zhì)量和效率，為更安全、更好、更便捷的核電設(shè)計提供平臺。而未來設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，將使得自主核電的設(shè)計更具有科技感、信息化、智能化，為我國核電技術(shù)走向更成熟、更安全的發(fā)展提供保障。