火力發電廠管道高效、精細化設計方案設計及應用

陳 杰

（中國電建集團貴州電力設計研究院有限公司，貴州貴陽550003）

1 管道精細化設計的意義

傳統火力發電廠熱力管道設計中，小管道只在系統圖上示意，不做具體的布置圖設計和支吊架詳細設計，這些小管道交由施工單位進行現場二次設計并施工。施工人員水平參差不齊，缺乏全局布置的設計視野，往往導致小管道布置混亂，影響通道操作，引起疏、放水不暢，膨脹不足等實際問題。另外，常規熱機管道設計中不考慮熱控測點的布置，即熱機設計和熱控設計分別進行，這經常會導致熱控測點在熱機管道上安裝不合理等。

隨著近些年國內常規火電市場的逐漸萎縮，加之勘測設計費的大幅下降，各傳統電力設計企業從傳統設計公司向工程公司方向轉型，工程項目的管理也從原粗放管理向精細化管理方向轉變。這些現實變化對管道設計提出了更高要求。

2 電廠管道精細化設計難點及分析

2.1 管道設計的復雜性

管道設計范圍主要是電廠動力管道，其介質主要包含蒸汽、水、氣和易燃易爆、有毒及腐蝕性液體或氣體等[1]。火力發電廠的汽水管道包含高溫高壓汽水管道、中低壓汽水管道和其他管道。這些復雜系統的管道均存在疏水、放水、放氣用等小管道。管道設計配合主要體現在兩個專業的配合上：一為熱控專業，不同管道上存在數量不定的熱控測點，測點的位置均有特別要求；二為土建專業的關于管道預埋件荷載提資及管道穿墻、穿樓板的開孔提資。因電廠各類管道數量眾多，預埋件更是數不勝數，相關的設計配合工作量非常巨大。

2.2 管道等級的特殊性

目前，國內火力發電汽水管道設計中采用的選型手冊主要有《火力發電廠汽水管道零件及部件典型設計手冊》（GD87—1101）、《火力發電廠汽水管道零件及部件典型設計手冊》（GD2000版）、《火力發電廠汽水管道零件及部件典型設計手冊》（GD2000版）2006年增補、《火力發電廠汽水管道零件及部件典型設計手冊》（GD2016）。結合《無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》（GB/T 17395—2008）、《鋼制對焊管件類型與參數》（GB/T 12459—2017）、《焊接無縫軋制鋼管》（ASME B36.10M）和《工廠預制鍛造對焊管件》（ASME B16.9）可知，典管的發展趨勢是在向美標逐步靠攏的。

本文通過列舉20鋼（20G）在不同典管手冊中不同壓力等級、不同通徑的管道壁厚數據進行對比，如圖1、圖2所示，得出以下結論：

（1）在大口徑、高參數條件下，GD87管道的壁厚是小于GD2000和GD2016版典管同等級參數、同通經管道壁厚。

（2）在低參數條件下（PN40及以下），GD2000典管的小管道（DN＜125 mm）的壁厚普遍低于GD87、GD2016典管的小管道壁厚。PN25等級下，甚至存在很多小管道（DN＜80 mm）壁厚小于2 mm的情況。在實際項目實施過程中，因為小管道存在現場機械彎制彎管的需要，彎管時管道壁厚太薄易出現彎制不均勻折痕甚至折裂現象，同時，焊接時候要尤其注意焊接方法以確保焊接質量。

（3）GD2000典管的大管道（DN＞150 mm）壁厚明顯高于GD87典管和GD2016典管壁厚。

圖1 20鋼PN100、PN63等級的管道壁厚對比圖

圖2 20鋼PN40、PN25等級管道壁厚對比圖

3 管道高效、精細化設計解決方案

3.1 管道材料等級表定制

通過典管手冊的對比分析，針對通用PN系列的管道，本文推薦使用原則為：

（1）典管GD2016內容最新且最豐富，在高參數如主蒸汽、再熱蒸汽及部分合金鋼抽汽管道采用了豐富的定參數規格，因而建議高參數、定參數管道系統采用與GD2016匹配的管道系列。

（2）若管道需要采用Ⅰ系列管道規格，PN系列管道選擇GD2016典管，如06Cr19Ni10材質管道。

（3）雖然GD2000典管在GD2016中被停止使用，但由于GD2000及GD2016的管道規格系列并不匹配，且在大管道中（DN＞150 mm），GD2000典管壁厚更趨于保守，在實際項目實施中，針對PN100及以下通用等級的20鋼（20G）管道等，可采用GD2000典管手冊。

（4）非Ⅰ系列管道規格的小管道（DN＜150 mm）建議選用GD87典管。

3.2 熱力系統圖的規范化協同設計

為便于熱力系統工藝、熱控專業的協同設計，本院引進先喬火電、核電聯合輔助設計軟件（INPOWER V3.0），可以實現全廠系統圖的協同設計工作。根據制定的管道等級表，將定制的管道等級導入先喬系統，可選擇每根管道的管道等級代號、每個閥門的型號規格，并確定其唯一的KKS編碼。

3.3 管道三維高效協同設計

PDMS是英國AVEVA公司（原CADCentre公司）的旗艦產品。其管道布置功能尤為優秀，在制作好管件庫之后，即可根據管道系統圖和廠房設備、結構布置進行管道布置。其中，可以直接由INPOWER的“INPower-PDMS”接口實現所有管線在PDMS中的建立，管道等級只用在INPOWER系統中一次性輸入，確保每根管線不遺漏、管道唯一，減少原有在PDMS中建立管線、選擇等級等的基本操作時間。目前，我院已經實現汽機、鍋爐、總圖、建筑、結構、電氣、熱控、暖通、給排水等幾乎所有專業的PDMS協同建模。

3.4 支吊架快速布置和導出應力計算模型

PCDS是基于PDMS平臺與Revit平臺的實現管道和結構專業三維協同的設計系統。PCDS支持工藝等專業在PDMS平臺中進行三維埋件、荷載以及荷載提資，同時將提資發布給結構專業進行荷載分配以及最終的開孔埋件出圖。

EHS是基于CAD、PDMS平臺開發的管道支吊架設計軟件，是一個高效的支吊架設計工具。其中LCTool是EHS在PDMS中的配合接口。

管道模型建立之后，根據結構框架模型，利用PCDS或者LCTool工具均可以快速實現管道邏輯支吊架位置、類型的定義。

通過PCDS的“荷載”菜單或者LCTool工具的“導出應力分析文件”功能可以實現管道模型直接轉化為應力計算模型。原來需要以小時計的工作量，現在只需要幾分鐘的設置操作即可完成，且保證了應力計算模型與管道布置的數據一致性。

3.5 管道批量提資

在管道布置確定、應力計算合格條件下，PCDS軟件即可開展管道荷載、埋件、開孔等向土建提資的工作。利用PCDS軟件，可以快速精確進行埋件、管道穿墻、穿孔的提資，原本需要一周以上的提資配合時間現在只需一天左右時間完即可完成，且能做到精準提資，土建專業亦可在三維軟件中直接接收提資信息，大大減少上下游專業的配合時間。

3.6 支吊架詳細設計并導入三維模型

利用EHS實現管道支吊架模型的精確設計，其可以支持《D-ZD2010發電廠汽水管道支吊架設計手冊》《火力發電廠汽水管道支吊架設計手冊——西北院83版本》等電廠設計常用的支吊架手冊。EHS可實現支吊架的完整CAD出圖，同時生成支吊架三維1:1模型并導入PDMS軟件中。

3.7 實現火力發電廠管道高效、精細化設計

在完成以上工作之后，管道設計及支吊架設計工作已全部結束，所有成品信息保存在設計平臺及相關設計軟件中，設計平臺通過接口與相關設計軟件數據交互。管道模型通過PDMS出圖定制，可以實現批量自動出圖，支吊架詳細設計圖紙在EHS中實現批量出圖。

火力發電廠管道高效、精細化設計方案如圖3所示。

圖3 火力發電廠管道高效、精細化設計方案

4 實際應用

我院在貴州赤水某生物質火力發電項目中應用了火力發電廠管道高效、精細化設計方案，設計工期原計劃半年時間，通過實施火力發電廠管道高效精細化設計，最終設計時間縮減到兩個月即完成，大大提高了設計效率及設計成品質量。

5 結語

本文通過探索火力發電廠管道高效、精細化設計方案，并引進各設計平臺和設計軟件，實現了火力發電廠管道的精細化、高效設計。經過實際項目檢驗，本套設計方案完全可行，可極大地提高設計效率和成品質量。