三維流程工廠標準化設計的實際應用
——以某煉鋼廠濁環水過濾站為例

高 明

（中鋼設備有限公司， 北京 100080）

1 三維流程工廠設計特點

工廠設計通常包括兩類工廠的設計，離散工廠（factory）和流程工廠（Plant）。離散工廠物流運輸主要通過流水線操作，設備之間相對更獨立，流程工廠的物流主要是通過管道輸送，因此包含大量管道，如化工廠、電廠、鋼鐵廠等，二者適用的設計軟件有所不同。本文實例是典型的流程工廠，使用的設計軟件為AutoCAD Plant 3D。

三維工廠設計涉及多個專業，包括土建、給排水、工藝、電氣等，各專業可協同操作，分別創建子信息模型，最后匯總成一個完整模型。每個信息模型元素具有唯一性、開放性、可視化和參數化等特點。生成的三維模型可轉換成常用文件格式或國際通用的標準模式，如IFC（國際協同聯盟建立的標準名稱）。在項目的全生命周期中提升溝通、生產力、時間成本的效率和質量。

除上述特點外，三維協同設計最基礎也是最重要的特性是- 采用標準約束和規則驅動[1]。各個國家都有相應的建筑和施工標準。比如管道，在我國有中華人民共和國國家標準GB，美國使用ASME 標準，德國使用DIN 標。規則驅動則是指在創建模型時，需按照一定的規則來執行相應的操作。如管道連接時管道兩端的端點是法蘭形式，則連接時會自動匹配相應標準的法蘭。從而大大簡化了操作復雜性，提高了效率和準確率。

本文實例以給排水專業為主體，成品模型由管道模型、設備模型、鋼結構支架模型、設備基礎模型等子信息模型組成。所有模型都有精確的物理特性和功能特性,可以準確快速的進行材料、設備統計并生成各種報表。

2 工程實例概述

本文實例為“一帶一路”某亞洲沿線國家新建綜合鋼廠項目煉鋼連鑄廠直接冷卻水（即濁環水）水處理項目中的過濾站設計。如圖1 所示煉鋼連鑄廠直接冷卻水主要用于二次噴淋冷卻和設備直接冷卻、沖渣，為了確保鑄坯的質量和設備使用壽命，冷卻水除了要保證合適溫度外同時對供水水質和懸浮物粒徑、濃度等均有嚴格控制。由于冷卻水與鑄坯直接接觸，排水中含有大量氧化鐵皮和少量油脂，所以在經冷卻塔冷卻之前需進行一系列水處理流程。一般為：一次鐵皮沉池—二次沉池—過濾器—冷卻塔[2]。

圖1 過濾站三維模型設計效果圖

本設計將其中的二次沉淀和過濾的環節合二為一，來水經一次沉淀后經過水力混合器、濁水凈化器、雙旋流過濾器處理送至后續循環冷卻水泵站。處理水流量1 800 m3/h，壓力0.45 MPa，溫度約為60 ℃。主要水處理設備如下：

水力混合器1 臺，處理水量為1 800 m3/h，直徑為Φ4 m，最大水力損失≤0.05 MPa。用于將投的加藥劑與充分混合，提高后續絮凝效果。

高效濁水凈化器7 臺，單臺處理水量為300 m3/h，工作壓力≤0.45 MPa，試驗壓力為0.6 MPa，最大水力損失≤0.1MPa 進水ρ（SS）≤500mg/L，出水ρ（SS）≤30mg/L，進水含油量≤30 mg/L，出水含油量≤6 mg/L，排泥周期為6～8 h（可調節）排泥平均含水率98%，單臺外形尺寸為Φ4 000 mm×9 000 mm。

該設備主要是結合旋流分離及污泥循環回流為主要特征的一項沉淀澄清新技術。負壓噴射裝置帶動循環回流的活性污泥，與水中的雜質形成小的絮體。水中油類與懸浮物經藥劑的絮凝作用，形成大顆粒絮團沉降在下部排泥斗中，上部清水經溢流堰、出水管排出。下部污泥可定期排出，一般6～8 h 排一次，每次2～3 min。排出的污泥排至污泥池后統一處理。最后經過處里合格的水由出水口流出進入下一步過濾流程。主要過濾器設備如下：

雙旋流過濾器7 臺，單臺處理水量為300 m3/h，進水ρ（SS）≤80mg/L，含油量≤10mg/L，出水ρ（SS）≤20mg/L，含油量≤5 mg/L，水反洗強度為0.6 m3/（min·m2），氣反洗強度為3 m3/（min·m2），反洗水壓力為0.3～0.5 MPa，反洗氣壓力為0.4～0.6 MPa，水反洗時間為2～3 min/次，氣反洗時間為2～3 min/次，反洗周期為8～12 h（可調節），反洗水量比為1%～3%，最大水力損失≤0.1 MPa。

大流量雙旋流高效自動過濾器利用旋向不同的高速水流進行反洗，增加濾料內水流的逆流剪切力，加大濾料間的翻騰作用和相互摩擦，使濾料與懸浮物、油的剝離更加迅速，減少周期反沖洗用水、用氣量，約占過濾水量的2%左右，出水懸浮物去除率達93%，油去除率達90%；可將濁環水懸浮物質量濃度降到10 mg/L 以下，油含量降到5 mg/L 以下[3]。

此外還含壓縮空氣儲罐、加藥裝置、電控設備等輔助設備。

3 三維設計應用及標準化控制

在流程工廠設計中設備的配管是主要設計內容之一。過濾站水處理設備較多，涉及的管線復雜多樣，使用三維設計并將設備、閥門、管道賦予相應代號，整個項目設計的整體性和連貫性，簡化了大量后續工作。

在三維設計中，布管前需要設置相應的等級庫和元件庫。等級庫是由一系列標準零件構成的，例如10HS01是由DIN 標構建的零件庫，等級庫是三維設計的核心，三維配管設計是以等級庫為基礎進行的，配管需要等級庫提供有關管道元件和布線特性的信息。

制作等級庫需要有相應的元件庫。等級庫通常以壓力等級方式表示，例如10HS01 是由DIN 標元件庫中壓力等級PN10 的零件為基礎制作的，根據我國國家標準《管道元件PN（公稱壓力）的定義和選用》（GB/T 1048-2005）規定，“PN 數值的”選用系列如下。DIN 系列：PN2.5、PN6、PN10、PN16、PN25、PN40、PN63、PN100。ANSI 系列：PN20、PN25、PN110、PN150、PN260、PN420。不同系列的閥門和法蘭等零件不能互換。本設計用到的管道壓力等級有PN10、PN16 及PN25。

元件庫則是工業標準的計算機表示。制作元件庫需要參照標準手冊或標準文檔。元件庫通常將管道和管件制作成一個元件庫，閥門制作成另一個元件庫。管道和管件包括多個標準，閥門種類多樣，也包括多個標準，因此一個元件庫通常包含若干個標準。例如國標元件庫中包含了以下標準零件。《鋼板制對焊管件》GB/T 13401、《鋼制管法蘭類型與參數》GB/T 9112、《通用閥門鐵制截止閥與升降式止回閥》GB/T 12233、《全螺紋雙頭螺柱》DIN 976 等諸多標準。

本項目建設單位為一帶一路某沿線國家企業，項目執行標準有其特殊性，本項目設備、閥門均在國內采購運抵項目所在地，管道及管件在當地就近采購。這就涉及到了國內標準與國外標準的兼容問題。本設計管道及管件采用DIN 標準（可對標國標II 系列）。設備、閥門采用國標，如GB 150—2011《壓力容器》、GB/T 13922—2011《水處理設備性能試驗》、CJ/T 43—2005《水處理用濾料》、GB 50055—2011《通用用電設備配電設計規范》等。為與配管管道保證一致，設備管口及閥門的接管和配對法蘭等，需設備廠家根據技術協議要求進行調整。

4 結語

在國內外工程建設項目中，三維流程工廠標準化設計是一種高效、先進的技術手段，三維信息模型數據貫穿設計、施工、運營維護全生命周期，可減少重復建設，提高精度。