火力發電廠布置設計精細化發展趨勢

王堅（中南電力設計院，武漢市，430071）

火力發電廠布置設計精細化發展趨勢

王堅
（中南電力設計院，武漢市，430071）

0 引言

從近幾年發電項目的招投標和前期工作的發展趨勢看，各大發電集團越來越重視發電項目在前期設計階段的優化，對設計院的設計工作也提出了越來越高的要求，體現在布置設計上，呈現出一種模塊化和精細化設計的發展趨勢[1]。

布置設計上的模塊化和精細化，體現了布置技術上的宏觀和微觀、整體與局部、降低造價與全壽命周期內的便利等諸多因素的辯證統一[2-9]。模塊化布置設計中的布置模塊必須以精細化布置設計為基礎，否則壓縮布置模塊的尺寸必然是主觀的，更談不上模塊間的組合。精細化布置設計總體要求是全內容設計，無遺漏，無死角；精確統計材料，例如裝置性材料精確到螺栓、螺母、墊片的個數，消耗性材料包括估算所需焊條的數量等，目的是讓建設方對施工造價有精確的控制。

本文以工藝管道為例，介紹精細化布置設計的現狀和發展趨勢。

1 精細化布置設計現狀與發展趨勢

長期以來，我國火電建設項目從前期到建設、投運全過程有項目籌備組、電力設計院、土建結構施工單位、安裝單位（電建公司）、調試單位（電力中試所）、運營單位（電廠）等諸多參建單位，設計、施工相對粗放。當國內經濟結構調整、發展趨緩、必須走出國門開拓市場時，面對國際市場上苛刻的項目業主，這種粗放型的設計和施工卻難以讓顧客滿意。

目前，國內管道施工圖出圖深度一般是設計院只出DN80及以上管道的安裝圖以及汽輪機本體管道密集區的規劃布置圖，DN80以內的中、低壓小口徑管道均由安裝單位現場布置。正在報批中的電力行業標準《大型火力發電廠施工圖設計文件內容深度規定》也基本延續這一慣例。我國專業的電力建設公司可以將小管道統一規劃布置并安裝好，小管道的材料也包含在安裝合同之內由安裝公司采購；但海外發電項目存在多種建設模式，項目的安裝單位可能不是國內專業的火力發電廠安裝公司。國外的非專業的安裝隊伍與業主簽訂的合同是按圖施工，按圖取料，沒有圖紙和材料清單就無法領料、施工，因此要求設計院所有的管道均要出設計圖紙并統計材料。

“碰頭打架”是火力發電廠施工現場中的多發病和常見病。在國內火電工程建設期間，管道之間、管道和結構之間、管道和電纜橋架之間、管道支吊架和橋架之間的碰撞等經常發生。這些碰撞必然造成返工等增加造價的現象發生。

另外，我們對工程量的控制管理不夠精細，每一項分部工程控制工程量不明確，設計方案需要不斷修改，到最后匯總結算時發現工程量大大超出概預算工程量，尤其是除設備以外的通用性材料，如電纜、保溫材料、小口徑常規管道材料、型鋼、螺栓、螺母等幾乎沒有哪個工程能夠給出一個準確的工程量。這種狀況如果發生在海外的總承包項目上，就存在較大的風險。因此，長期以來形成的粗放型的布置設計方式已經完全不能適應新的發展形勢，精細化布置設計是電力設計發展的必然趨勢。

目前，國內火電建設項目的通常做法是配管廠負責配管圖的設計和配管工廠化加工。配管廠根據設計院提供的圖紙進行配管制作設計，配管設計的范圍通常包括主蒸汽管道、再熱蒸汽管道、主給水管道、四段抽汽管道等昂貴的進口管材。通常采用計算機輔助設計系統，繪制三維立體管道系統的配管設計總圖和管段詳圖。

目前的發展趨勢是擴大工廠化配管的覆蓋范圍，尤其是當國內的總承包商承接海外發電項目時，要求大量的配管工作在國內完成，國外僅完成少量的現場焊接工作，這對于精確控制材料用量、減少運輸壓力、縮短施工周期、提高建設質量極為有利，進而降低整個項目的建設費用。設計院的設計范圍如果能延伸到配管圖，就避免了配管廠二次出圖的問題，減少了設計配合并縮短了設計周期。因此，總承包商強烈需要設計院能大范圍地進行配管設計。

2 精細化布置設計要求

精細化布置設計要求加大小管道出圖的范圍和深度，實現零碰撞精確布置，合理考慮好運行維護的空間，精確控制好工程量和造價，同時將設計范圍向下游延伸到工廠化配管設計。同時，精細化布置設計的要求還體現在設計手段和設計過程管理中的細節上。

2.1 小管徑管道出圖

如前所述，常規的出圖深度一般是設計院只出DN80及以上管道的安裝圖，DN80以內的中、低壓小管道均由安裝單位現場布置。有些系統如消防水噴淋管網、壓縮空氣管網支管等也只出示意圖而不標注詳細定位尺寸。電纜敷設也僅為示意圖，電纜在橋架中的充實度也未知。而在海外項目精細化布置設計要求下，DN32以上（或所有管道，根據合同不同的要求）小管道均須出設計圖并統計材料，出圖方式通常為ISO軸測圖，要求全部在三維中建模，檢查碰撞、準確抽取、開列有關材料，給出支吊架間距及安裝要求等。

四大管道疏、放水管道不論管徑，除按上述要求出圖外，必須給出支吊架的定位尺寸（包括給土建的預埋件提資），經過應力計算（可不和主管道聯算），給出支吊架一覽表及支吊架詳圖。

小管道設計界限是從主管道接管座出口到疏水擴容器或凝汽器接口管嘴或放水母管。小管道宜按區域集中布置，要求每處集中布置區域抽取聯合布置圖1張，每1根管道抽取ISO軸測圖1張。

2.2 零碰撞布置

在精細化布置設計要求下，施工現場必須實現零碰撞。碰撞問題分“硬碰撞”和“軟碰撞”。“硬碰撞”即管道與管道相撞；“軟碰撞”是指管道安裝完畢并沒有碰上，但保溫安裝完畢后挨在一起，或投運后由于管道的熱位移相互靠近而造成的碰撞，或管道的布置位置占據了其他設備或閥門的運行、檢修、拆卸、起吊、維護的空間，以及管道的布置影響門、窗的開關空間等影響后期運行維護的現象。精細化布置設計就是要仔細考慮這些方面的具體要求，通過一定的技術手段消滅“硬碰撞”和“軟碰撞”。

2.3 精確控制工程量

精細化布置設計的重要目標之一是精確控制工程量和工程造價。國際工程公司在做出投標報價，獲得工程總承包合同后，最重要的是在合同執行過程中嚴格控制造價、鎖定應得利潤。如果設計不夠精細，每一項分部工程控制工程量精度不高，邊施工邊修改設計方案，到匯總結算時就會發現工程量大大超出合同工程量，虧損就極易發生。因此，精細化布置設計要做到精確控制每一分項工程、分部工程的工程量，在設計過程中實時獲得準確的設計工程量，并與目標工程量進行對比，從而有目標地調整設計。精細化的布置設計為實現這一精細化管理創造了條件。如果布置設計中達到了足夠的深度和細度，例如，每1根小管道均有規劃布置，其長度就可以統計得較為準確；每1個電纜敷設的路徑均有了布置規劃，其長度便有確切的數據。因此，精細化布置設計是精確控制工程量的前提，精確的工程量是精細化布置設計的結果。

2.4 設備、閥門的檢修起吊和維護平臺

設備的檢修、起吊方案是布置設計的重要內容之一。在布置設計的過程中，必須為廠房門窗的開關空間、設備的檢修通道、拆卸空間、起吊葫蘆自身的空間和運行空間、檢修工具的操作空間等預留好位置。電控柜的檢修、操作空間也必須考慮好。有些復雜的設備安裝、拆卸和檢修過程需要采取三維動畫等技術手段全過程進行模擬，確保設計的檢修方案真實、可行。

火力發電廠進行主廠房管道司令圖設計時，需要重點考慮的問題之一就是設備、閥門的操作、維護問題，但有時考慮到管道布置的簡潔或空間受限，不可能將每1個閥門均特意布置到地面或樓板上，這時就需要根據這些閥門操作、維護的頻度，為這些閥門設計好其操作、維護平臺或增加必要的閥門傳動裝置，這是精細化布置設計的必然要求。

2.5 工廠化配管設計

在 很 多 海 外 項 目 或 EPC（Engineering，Procurement，Construction）總承包項目的精細化布置設計要求中提出了工廠化配管設計的要求。配管制作設計是對管道系統進行排料和分段設計，在工廠（車間）經過彎管、坡口加工、焊接、熱處理、檢驗、標記、清理、油漆和防護等工序，制造出產品的過程。

配管制作設計是發電工程建設中的一個重要環節，可以提高電站管道裝配質量、降低管材損耗率、控制電站建設投資、減少工程安裝的高空作業、促進安全文明施工和建設進度，是管道加工業的發展方向。

根據電力行業標準DL/T 850—2004《電站配管》及以往各項目的工廠化配管制作的資料，配管制作圖紙應有配管制作設計總圖、管段詳圖、管段加工清單和坡口加工清單等。內容涵蓋了熱工、化學、檢測、調試、焊接和熱處理等諸多方面的考慮，內容深度大大超過目前管道安裝圖的設計深度。

2.6 設計管理的精細化

精細化設計的理念同樣體現在設計的過程管理之中。設計院在設計過程中存在各種設計接口。例如，對外，設計院存在接受EPC總承包方的管理，存在和主、輔機設備廠家的設計接口，和分島供貨商（如脫硝、脫硫）間的接口，和安裝單位的接口，和調試單位的接口等；對內，存在各專業之間的設計接口。這些接口之間要做到無縫拼接，其配合和管理也要精細化。對這些接口，首先進行編號標志，分別從工藝流程上和物理位置上在專門的接口管理文件中進行定義。設計和供貨范圍不能出現重疊和遺漏，不清楚的地方必須和EPC總承包方溝通確認，并留下書面記錄。對該接口文件定期維護，確保每1次變更均通知到相關方。

同樣，設備資料是影響設計輸入的重要因素，必須加強設備資料的精細化管理，確保設備資料的狀態、版本、變更、驗證處于受控狀態。

3 精細化布置設計的技術手段

從上述精細化設計的具體要求可以看出，精細化

布置設計從內容到深度都對粗放型的設計提出了挑戰。如果按傳統的工作方式開展設計工作，勢必無法滿足業主的質量進度要求。經過多年的探索，基于三維設計的多專業協同布置設計平臺是必然選擇。

3.1 三維設計技術

三維設計技術就是在設計過程中應用三維設計系統平臺，建立直觀的帶有數據屬性的數字化三維模型，如圖1所示。三維設計技術為設計提供了一個設計共享平臺，能夠讓所有相關設計者異地協同設計，實時在線參考不同設計專業、不同設計者的設計成果，使不同設計專業、設計者的設計聯絡和交流保持通暢，保持設計配合工作的協調一致，實現精細化布置設計，避免設計差錯和設計疏漏等問題的出現。

所有工藝管道包括小口徑管道均在三維中進行模型設計后，可以按照國際標準ISO出圖模式進行出圖，直接從三維設計模型自動智能抽取工藝管道設計安裝圖，需要時可以抽取配管所需要的管段詳圖，如圖2所示。

3.2 利用三維設計技術實現精細化布置設計

3.2.1 零碰撞布置的實現

三維設計技術提供三維立體模型空間的實時碰撞檢查（圖3）、模擬檢修空間和路徑（圖4）、模擬設備施工吊裝（圖5）、虛擬現實場景漫游、模擬施工計劃進度管理等，這是傳統設計手段難以實現的功能。在三維設計過程中，可以借助于計算機手段，進行實時碰撞檢查，模擬檢修空間，安全距離等。對全廠所有的碰撞進行檢查，不遺漏任何碰撞，發現碰撞后進行設計修改，實現零碰撞布置。

模擬設備吊裝、虛擬現實場景動畫漫游，可以提供大型設備吊裝的方案優選，確定最佳路徑，節省以往設備吊裝過程中因方案失敗而產生的臺班費用。

3.2.2 三維模型設計的精細化要求

要保證上述碰撞檢查的有效性，前提是保證三維設計的虛擬電廠與建成后的物理實體電廠完全一致，就必須在三維設計環境下開展精細化布置設計。

全三維設計所有實體和空間必須建模，包括結構梁、柱、樓板、墻、基礎、孔洞、欄桿、扶梯等所有的構筑物和廠房內所有專業的設備、管道、橋架、盤柜、電纜橋架、支吊架等必須按真實尺寸全三維建模。

結構建模精細化，必須準確表達鋼結構連接板、混凝土的牛腿等所有細節。所有管道建模必須加保溫厚度信息及管道間距要求。管道及橋架支吊架實體建模，或所有管道邏輯支吊架拉桿必須升到生根點、雙拉桿橫擔必須準確表示尺寸信息。管道必須真實放坡，所有設備、閥門的檢修維護空間必須建模。非整體起吊的設備，其檢修起吊的最大部件必須按真實尺寸建立單獨的、可移動的模塊。檢修起吊設施設備本身以及其運行空間必須建模。設備建模必須完整表達設備的電控柜的位置，建立電纜的接口坐標，為電纜建模創造條件。

設計過程中通過定期更新工程的漫游文件和提交碰撞檢查報告的管理制度，協調解決發現的碰撞問題。

3.3 三維精細化設計手段為EPC總承包精確控制工程量創造條件

基于數據庫的三維設計軟件可以實時自動統計工程量，方便與工程量控制目標進行對比。圖紙上的材料以及零部件清單直接從三維設計模型準確提取，避免人為統計計算的差錯，節約了人力，提高了效率，給材料采購訂貨提供了準確、可靠的依據。

設計中可以積極配合總包采購信息，進行材料代換、變更等。設計可以按總包標段的劃分，分標段出圖、匯總材料、提供工程量等。

4 結語

布置設計精細化是未來布置設計發展的大方向。精細化的布置設計要求我們面向國際化的設計標準、面向EPC總承包的特殊要求，加大設計范圍、加深設計深度，根據合同要求，實現小口徑管道出圖，精細地考慮設備、管道的布置空間，滿足它們運行、檢修、維護等全壽命周期內的各項要求，徹底將碰撞消滅在設計階段，為精確控制項目的工程量，實現項目全壽命周期內的盈利目標保駕護航。同時，根據業主的要求，將設計延伸到工廠化配管設計。

[1]王堅.火力發電廠布置技術與信息化手段運用[J].電力建設，2010，31（4）：82-85.

[2]湯蘊琳.大型火電廠設計優化思路[J].電力建設，2005，26（12）：1-5.

[3]黃增宏，郭曉克，孫岳武.數字化電廠設計實現的探討[J].吉林電力，2004（6）：27-29.

[4]江蛟，高嘉梁，王志斌.華能巢湖電廠2×600MW工程創新和優化[J].電力建設，2010，31（1）：72-76.

[5]姚強.工程全生命周期的信息化管理：工業企業信息化建設的基礎[J].電力信息化，2005，3（8）：22-23.

[6]DL 5000—2000火力發電廠設計技術規程[S].

[7]DL/T 5054—1996火力發電廠汽水管道設計技術規定[S].

[8]DL/T 850—2004電站配管[S].

[9]張珩生.加強企業能力建設向國際型工程公司模式發展[J].電力勘測設計，2005（2）：1-6.

Discussion on Aborative Layout o f Therm al Pow er Plants

WANG Jian

（Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China）

Modular and aborative design is the two trends of power plant layout technology.Aborative design focuses on the depth，precision of detail design and accurate bill of materials. The development trend is that the design scopew illextend to the detailed draw ings of small size pipes and pipe shop fabrication. The spaces required for the equipments operation，maintenance and hoisting w illbe elaborately planed.By developing the digital 3D collaboration design platform，the entire power plantw ill be elaborately designed in a 3D model so that zero clash can be realized and real-time BOM can be proposed，which w ill be more adaptive for the requirementof EPC and overseas projects.

general contract；aborative design；entire 3D layout design；collaboration design platform；zero clash；real-time BOM

模塊化和精細化是火力發電廠布置技術發展的兩大趨勢。精細化的布置設計主要體現在設計深度、設計準確性和對工程量的精確控制上，其發展趨勢是將設計范圍擴展到小口徑管道出圖、工廠化配管設計等，并精細地考慮設備、管道的布置空間，滿足它們運行、檢修、維護等全壽命周期內的各項要求。借助數字化三維布置協同設計平臺，對火力發電廠進行全三維、精細化建模設計，可以實現零碰撞精確布置并實時提供設計工程量，以更好地適應工程總承包和海外項目的要求。

總承包；精細化設計；全三維設計；協同設計平臺；零碰撞布置；實時工程量

10.3969/j.issn.1000-7229.2011.01.017

TM 621

A

1000-7229（2011）01-0068-04

2010-09-12

2010-10-28

王堅（1971），男，雙學士，高級工程師，主要從事火力發電廠布置設計和熱機專業的設計咨詢，E-mail：wangjian@csepdi.com。

何鵬）

中圖分類號：TU 375

A文章編號：1000-7229（2011）01-0072-04