基于BIM 信息化平臺的光熱發(fā)電設備生產(chǎn)成套技術研發(fā)
——以某西部塔式熔鹽光熱電站為例

文｜甘肅省科工建設集團有限公司 郭震 趙志華 陳紹娟 李福順

0.引言

現(xiàn)階段，我國大力發(fā)展太陽能光熱技術，按照吸收太陽能方式的不同，可分為碟式、槽式、線性菲涅爾和塔式光熱技術，其中塔式熔鹽光熱發(fā)電技術具有性能穩(wěn)定、儲熱能力強、成本價格低等優(yōu)勢，因此，成為我國目前最有市場開發(fā)潛力的光熱發(fā)電技術[1-2]。近年來在世界范圍內(nèi)已建立了較多的塔式太陽能光熱發(fā)電示范電站，其中具有代表性的塔式太陽能發(fā)電站當屬西班牙PS20，裝機容量為20 MW。我國目前16 個示范項目中，塔式電站占7 個[1-2]，槽式電站7 個，菲涅爾式電站2 個，目前一個50 MW 塔式機組投運后，年發(fā)電量可達近1.5 億度，每度電的發(fā)電成本在0.8 元，與火電廠相比，相似規(guī)模下每年可節(jié)約標準煤4 萬噸左右，二氧化碳減排量約12 萬噸，電力輸出效率高、穩(wěn)定且綠色環(huán)保。

本文依托某西部塔式熔鹽光熱電站結構構件加工項目，主要解決目前我國光熱項目關于項目管理信息化、構件制作加工體量大、精度高、質量控制項目多、管理難度大等問題。通過將BIM 技術、PDA 終端技術、APP 開發(fā)技術、二維碼技術、數(shù)據(jù)庫映射技術以及自動化先進制造技術等有機結合，以各構件加工工序為研究對象，基于裝配式建筑產(chǎn)業(yè)信息服務平臺，利用“APP+WEB”的生產(chǎn)管理模式采集數(shù)據(jù)并進行深化設計，利用排版軟件導出生產(chǎn)信息，PC 端排產(chǎn)，APP 確認生產(chǎn)，高效地實施光熱發(fā)電設備生產(chǎn)技術研發(fā)和加工過程，力爭實現(xiàn)項目管理信息化，構件生產(chǎn)自動化，質量可追溯等，從而推動我國光熱項目國產(chǎn)化的步伐。

1.構件研發(fā)加工技術

塔式熔鹽光熱結構體系主要由定日鏡系統(tǒng)、吸熱與熱能傳遞系統(tǒng)（熱交換系統(tǒng)）、發(fā)電系統(tǒng)組成，其中定日鏡主要由立柱、橫梁、桁架、鏡面支架、回轉機構組成，由于各構件加工精度高，難度大，因此，本文基于BIM 信息化平臺，對光熱發(fā)電設備構件的生產(chǎn)加工過程進行實時監(jiān)控，通過平臺完成4D 動態(tài)施工模擬、流水段合理化分析、TEKLA 模型量清單關聯(lián)、進度跟蹤與校核、質量安全智能化的協(xié)同管理、成本管理，采用BIM 手機端、PC 端、網(wǎng)頁端三大端口達到互聯(lián)網(wǎng)共享，搭建可共享的集成信息數(shù)據(jù)庫平臺。匹配橫梁與鏡架自動沖孔技術，開發(fā)大型鏜床輔助工裝夾具；研發(fā)橫梁、立柱加工中的專用工裝；橫梁連接部位采用整體鏜孔；研發(fā)橫梁與鏡架自動沖孔技術。

1.1 本項目研發(fā)加工中的重難點

（1）立柱構件重，長度達到11 米左右，連接法蘭垂直度要求高，采用普通機床加工成本高，設計專用工裝，提高工作效率，降低加工成本。

（2）橫梁連接部位加工精度高，構件大，采用整體鏜孔，保證加工精度，確保銷軸安裝后的同軸度以及位置度符合設計要求。橫梁通過設計檢驗工裝來驗收完成。

（3）項目桁架、鏡框部分開孔數(shù)量共計8307200 個，孔距與對角線距離允許偏差為±0.5mm，其加工難度大，且方管厚度薄、長度長，鉆孔精度控制難度大，同時存在焊接工作量極大，焊接難度大等系列問題。

（4）對于物流管理信息化，現(xiàn)階段國內(nèi)已經(jīng)用的較為普遍，例如包裹的實時追蹤等，但是針對建筑項目的構件全生命周期管理信息化，國內(nèi)尚處于一種方興未艾的階段。

①鋼構件的發(fā)貨必須與BIM 模型相結合。鋼構件的發(fā)貨是一個系統(tǒng)工程，是以項目的進度為依據(jù)，項目變更為參考的，具有全局性和實時性。發(fā)貨的次序錯誤會導致工期的延誤，從而導致索賠的一系列問題。因此要參考實時的三維項目進度模型，分區(qū)分塊按進度組織鋼構件發(fā)貨。

②鋼結構物流的管理更為嚴格。鋼結構的出廠要有業(yè)主質檢、進場也要驗收合格、此外安裝完成也需要監(jiān)理的旁站等一系列質量管理行為。

③鋼構件物流管理的客戶端要求不同。不同于普通的包裹物流追蹤，鋼構件物流管理的服務對象包括數(shù)據(jù)技術人員、工廠、各項目業(yè)主、項目部、本企業(yè)管理層等，各自權限和所關注的內(nèi)容均有所差別，因此，必須有針對性的開發(fā)數(shù)據(jù)平臺，使得各層次客戶端均能在該平臺得到想要的實時數(shù)據(jù)。

關于鋼結構物流管理信息化，目前國內(nèi)甚少涉及也很少有相關課題可以借鑒。本企業(yè)通過對外高層次交流和自主研發(fā)的形式，將BIM 技術、APP 開發(fā)、二維碼技術、數(shù)據(jù)庫映射技術等有機結合，力爭實現(xiàn)鋼結構項目的物流信息化。

1.2 研發(fā)加工過程

本塔式光熱項目定日鏡結構包括4400套立柱、橫梁、轉動裝置，26400 套桁架，140800 個鏡面以及4400 套電氣液壓等控制系統(tǒng)。以5.29m 高轉軸（立柱）和11.6m長橫梁為例，上述組件通過一個帶低摩擦球軸承環(huán)的圓柱形支架相互連接，通過驅動機構旋轉。兩個液壓缸連接機構支架與轉軸，形成定日鏡反射面的方位角，第三個液壓缸連接機構支架與水平支架，形成反射面的仰角。有6 個桁架，轉軸每側設有三個，32 塊鏡子連接到長桁架的頂弦，每塊鏡子都通過 4 個可調節(jié)螺栓連接的“托架”進行連接。

（1）橫梁成套研發(fā)加工

橫梁長度11.6m，銷軸孔最大距離1146mm，角度允許偏差0-0.25°，同心度要求0.1mm，平行度不超過1mm，傳統(tǒng)的鉚焊加工無法達到技術要求，需要通過設計專用加工工裝、設備及加工工藝。

關鍵銷軸連接部位通過BIM 信息化管理生產(chǎn)下料焊接后，采用中心整體鏜孔的方式鏜孔，以鏜孔為基準，確定各桁架連接板安裝工裝位置。提前余留焊接收縮余量，并且每個構件通過驗收工裝進行驗收，確保銷軸精度符合設計要求，如圖1 所示。

圖1 橫梁工裝結構展示

橫梁銷軸連接板銷軸孔加工公差要求為0.01-0.04mm，設計制作了銷軸連接板加工工裝，通過車床上設計增加法蘭盤，將銷軸連接版嵌入工裝進行加工。橫梁熱鍍鋅工藝為構件整體入鋅池鍍鋅，銷軸孔、螺紋等不須鍍鋅的位置同樣會附著鋅層，后期銷軸孔內(nèi)鋅層處理難度大，易損壞加工精度。通過反復試驗，利用石墨乳良好的潤滑性、脫模性、化學穩(wěn)定性、高溫附著性，通過在銷軸連接孔等處采用涂抹石墨乳的方式進行防護處理，防止多余鋅層附著。

（2）立柱研發(fā)加工

立柱頂、底連接法蘭平面度要求分別小于0.5mm，柱身的垂直度要求為1.5mm（柱高5.29m）。其加工批量大，難度大，為保證設計要求，采用一臺具有反變形功能的專用加工夾具自動化工裝設備，能夠完成組裝并及自動焊接。立柱工裝兩端板與法蘭接觸一側鉆孔后進行銑平處理，確保立柱法蘭安裝平面度，之后通過弧形工裝確定管件的位置，確保立柱拼裝尺寸。立柱拼裝完成下胎后，為保證連接法蘭平面度焊接變形問題，設計焊接反變形工裝，焊接時將法蘭面與工裝通過螺栓緊密連接，待焊接冷卻后拆除。

（3）桁架、鏡框研發(fā)加工

桁架、鏡框連接孔及工藝孔數(shù)量統(tǒng)計如表1 所示。

表1 桁架、鏡框連接孔及工藝孔數(shù)量統(tǒng)計表

桁架、鏡框使用材料為50×50×2、50×50×1.5、50×40×1.5、30×30×1.5、30×20×1.5 等規(guī)格方管及矩形管，管徑小，管壁薄，螺栓連接孔共計5491200 個，開孔數(shù)量多。為保證鍍鋅質量，各類構件還設置了大量的流鋅孔，桁架、鏡框部分流鋅孔合計2816000 個，每套桁架腹桿共計96 支，項目合計4400×96=442400 件，且每套桁架有32 個種類的桿件。針對上述采用的30×30×1.5 方管、32×20×1.2 矩形管，通過勞動力效率測算，采用人機配合，211 天可完成桁架部分下料工作，通過優(yōu)化設備，購置小型沖床3 臺，自主設計一套方管斜口沖剪模具，作業(yè)時間可縮短為1 個月。為保證流鋅孔的加工精度及效率，課題組設計了30×30×1.5 方管和32×20×1.2 矩形管U 型氣壓沖床。桁架、鏡框連接孔孔徑包含Φ13.5、Φ17.5、Φ24、Φ26、Φ20、Φ15、Φ5、Φ16 等多種孔徑，聯(lián)合設備廠家設計研發(fā)其他管徑方管自動沖孔設備，通過編程實現(xiàn)自動沖孔，沖孔精度可保證在±0.2mm 以內(nèi)。

1.3 BIM 生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)應用

光熱項目成品大料及零部件加工完成后在BIM 生產(chǎn)系統(tǒng)上完成推送，各班組自檢員經(jīng)自檢合格，點選完成零件、構件進行報檢，下道工序質檢員檢驗完成簽字確認，由拼焊車間領料，領料完成后雙方各自在生產(chǎn)系統(tǒng)上確認領料數(shù)量并簽字，完成生產(chǎn)任務領料過程，產(chǎn)量完成信息通過消息推送至統(tǒng)計部門，由統(tǒng)計部門進行產(chǎn)量統(tǒng)計。質檢員在生產(chǎn)系統(tǒng)中收到光熱項目檢驗信息后對產(chǎn)品進行檢驗，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質量不滿足相關要求，可通過BIM 生產(chǎn)系統(tǒng)軟件以文字及照片說明等方式進行記錄并拒絕確認產(chǎn)量，相關班組進行返修后自檢合格再次在生產(chǎn)系統(tǒng)軟件上進行報檢，三方確認無誤后方可交下道工序進行加工。構件加工完成經(jīng)檢驗質量符合相關要求后，由自檢員及質檢員在生產(chǎn)系統(tǒng)中共同簽字確認檢驗結果，并在BIM 生產(chǎn)管理系統(tǒng)中入庫。各班組根據(jù)光熱發(fā)電項目清單、工藝文件開始生產(chǎn)任務，產(chǎn)量完成后在BIM生產(chǎn)管理系統(tǒng)智能移動端點選確認完成的任務內(nèi)容，生產(chǎn)系統(tǒng)自動推送消息到智能移動端，三方在數(shù)量、質量核對無誤后確認簽字。

2.經(jīng)濟、社會效益

塔式熔鹽光熱項目環(huán)境經(jīng)濟效益顯著，通過減少地表土壤熱輻照量，降低了地表水的蒸發(fā)，更有益于植被生長，改善周邊生態(tài)環(huán)境。光熱項目可帶動當?shù)劁摻Y構行業(yè)、制造業(yè)、運輸業(yè)、服務業(yè)、地方材料供應等多種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時降低企業(yè)能耗，緩解國家用電緊張等問題，《國家發(fā)展改革委關于太陽能熱發(fā)電標桿上網(wǎng)電價政策的通知》[3]明確提出，2018 年12 月31 日前全部建成投產(chǎn)的首批示范項目執(zhí)行每千瓦時1.15 元(含稅)上網(wǎng)電價。以50MW 為例，每年可發(fā)電0.43 億度電，可增加收入4945 萬元人民幣，可節(jié)省燃煤17200 噸?；贐IM 信息化管理的光熱發(fā)電設備生產(chǎn)成套技術研發(fā)為企業(yè)收入提供新的增長點，提高了企業(yè)產(chǎn)值，增加了稅收；提高工作效率，構件發(fā)貨配套率達到95%以上，避免因為構件發(fā)貨不配套造成的現(xiàn)場人機待料的施工資源浪費，避免經(jīng)濟損失，對工程工期保駕護航；解決了傳統(tǒng)管理模式“計劃上墻”存在的弊端，項目溝通時間成本降低55%以上；部分工作環(huán)節(jié)實現(xiàn)無紙化綠色辦公，節(jié)約辦公費用5%以上；減少人工統(tǒng)計工作，規(guī)避出錯，解放成本預算人員60%的工作量；鋼構件堆場找料時間縮短80%以上，堆場及場地內(nèi)二次倒運費用減少約50%，提高了項目經(jīng)濟效益；自主創(chuàng)新研發(fā)，大幅提高企業(yè)核心競爭力，為企業(yè)贏得更多合同；相關技術成果服務于企業(yè)的同時對外進行技術輸出與服務，通過技術創(chuàng)新為企業(yè)贏得更大的效益[4-6]。

3.結束語

太陽能光熱發(fā)電技術在未來的研發(fā)和應用中，應主要向低成本、大規(guī)模應用的方向快速發(fā)展，進一步降低投資成本和單位發(fā)電成本，提高儲熱效能，形成與火力發(fā)電并駕齊驅的競爭能力?；贐IM 信息化管理的光熱發(fā)電設備生產(chǎn)成套技術研發(fā)可以帶動甘肅省光熱項目實現(xiàn)大批量化生產(chǎn)施工，高效地管理各類構件加工過程，使光熱發(fā)電項目加工任務實現(xiàn)在線分配，加工工序實現(xiàn)先后順序的自主設置，實現(xiàn)不同類型構件的加工流程與統(tǒng)計，可大大提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，形成規(guī)模化生產(chǎn)加工基地。