中深層地熱能源站機電管網工程快速施工方法探索

李昊 李瑞霞 王天任 李驥飛 楊艷 馬啟震

1 中石化新星（北京）新能源研究院有限公司

2 長江設計集團有限公司

中深層地熱能源站是一種以地下1500～2000 m熱水為基礎熱源，為用戶集中供熱的區域供暖系統。中深層地熱能源站主體工程為帶壓供熱機電管網工程，站房內部機電設備分布密集，管道交錯復雜，施工質量要求高，采用傳統的現場管道焊接施工方式，施工工期較長，不利于站房的快速建設和投用。為提升中深層地熱能源站機電管網施工效率，本文針對工廠模塊化預制、非焊接連接技術應用、二維碼標記技術應用、現場施工順序4 個方面的應用需求和實施方法展開分析和研究。

1 應用工廠預制技術減少現場施工量

中深層地熱能源站機電管網施工包括設備定位、管道連接和支吊架搭建等環節，占站房總體施工量的60%以上。傳統的機電施工主要在現場完成，施工排序在土建施工完成之后，施工節點受土建施工進度制約，拉長了整體工期。

為解決上述問題，在實施現場機電管網施工之前，預先在工廠對管道和設備進行模塊化加工組裝，可以減少70%的現場施工量。依照設計圖紙進行標準化模塊生產加工，可以與土建施工并行展開。為實現模塊的標準化生產，需要規范模塊的拆分、組裝、加工和支撐等工序。

模塊拆分指確定模塊的集成方式。地熱能源站的主要設備單元包括氣液分離器、旋流除砂器、板式換熱器、熱泵循環泵、熱泵機組、供熱循環泵、補水裝置、回灌加壓裝置、分集水器、主干管道和配套閥門儀表等[1]。為便于施工現場拼裝，需要以主要設備為基礎單元，以設備進出水管所連接的主干水管分段為節點，進行模塊化拆分。模塊設備和管道通過框架進行固定和支撐。模塊可以同一功能區整體集成，也可以同一類型整體集成。如圖1 所示。由于模塊加工廠房與施工現場存在一定距離，模塊的拆分還需滿足交通運輸和吊裝的尺寸要求。通常公路運輸限高4 m，限寬2.5 m，限長8 m，吊裝尺寸則應根據站房吊裝通道設計圖紙確定[2]。

圖1 集成模塊

模塊組裝指模塊內部的設備、管道和閥門儀表裝配。系統主干管道尺寸較大，為避免占用設備維護和檢修空間，需要布置于框架的上層。閥門、儀表需要置于垂直配管上，操作手柄和儀表表盤統一指向維護通道，以便于現場操作。閥門組中間短管DN≤250 mm時，長度與管徑應一致，DN＞250 mm 時，長度應為250 mm，以便于螺栓安裝檢修。

模塊加工指模塊內部管道和支架的出圖、下料、焊接工作。模塊加工精度是影響模塊裝配精度的重要因素，需要對各環節進行過程控制。模塊加工前需出具管道和支吊架加工圖紙、設備和支吊架基礎定位圖紙，標注管道和支架尺寸和位置信息。按照加工圖紙采用冷切割下料，確保斷面平整，將誤差控制在1 mm以內。對于壁厚大于3 mm 的管道應進行坡口處理。采用工裝機床平臺進行管道組對，在平臺上通過定位尺、法蘭板等工具將管道組對誤差控制在2 mm 以內。組對完成后，先進行點焊，然后運用自動焊接設備處進行全焊。

模塊支撐措施（圖2）用于提升模塊內管道接口誤差容錯額度。在水泵的進出口應通過柔性管與鋼管連接，消化水泵振動對鋼管的影響，如圖2（a）所示。水泵的基礎應通過彈簧支撐與支架連接，消化水泵振動對支架的影響，如圖2（b）所示。管口與支架之間應通過木托和卡環固定，可以通過調節木托厚度配合柔性管和彈簧減震器對管口位置進行微調，消化微小橫向誤差，如圖2（c）所示。

圖2 模塊支撐措施

2 應用非焊接連接技術簡化現場裝配難度

管道連接和支吊架搭建均涉及到管道和鋼材的切割、組對、焊接等工藝。機電施工現場設備管材排布密集，空間條件受限，不利于大型加工機床展開，采用傳統的手工焊接，施工難度大，施工精度和效率均難以保證。

為解決上述問題，采用現場管道溝槽連接替代焊接連接。溝槽連接工藝指在管道接頭部位采用專業滾槽機加工成環形溝槽，在相鄰管端套上C 型橡膠密封圈，用拼合式卡箍件和緊固件組裝成的套筒進行快速連接。溝槽連接管端拉力強度大，試驗壓力可達4.2 MPa，溫度為30 ℃～100 ℃。溝槽接口為活性連接，可消化1～6 mm 縱向間隙。溝槽節點安裝器材簡單，安裝工時為法蘭連接的1/2～1/3，為焊接連接的1/6～1/9。

目前，國產溝槽連接件直徑在DN25 mm～DN400 mm 之間。根據2021 年中國工程造價信息網數據顯示，溝槽連接件價格相對于同等直徑的法蘭具有優勢。如表1 所示。對于DN＞400 mm 的溝槽件需要從國外廠家定制，且費用較高。以維特利溝槽廠家為例，其DN＞400 mm 的溝槽件價格較法蘭高出4 倍以上。

表1 法蘭、溝槽連接綜合工日和費用對比表

中深層地熱能源站受地下熱水資源和地熱井換熱能力限制，通常供能負荷≤12000 kW，供能面積≤30 萬m2，供回水溫度在40～60 ℃之間，水管壓力＜1.0 MPa。根據當前供能技術指標計算，房內部管道最大直徑≤400 mm，處于溝槽件性價比較高的管徑區間。

中深層地熱能源站管道連接施工可分為管段與管件的連接、管段與設備的連接、模塊接口之間的連接3 種形式。其中，管段與管件連接可以利用工廠成套的機床設備進行預制加工，加工時間寬裕，加工精度高，經濟效益權重高于時間效益權重，應采用焊接。水泵、閥門、儀表多采用法蘭作為接口連接形式，這些設備與管段之間連接多采用法蘭連接。模塊之間、主干管道分段之間連接在施工現場完成，由于施工時間緊張、施工空間受限，應采用溝槽連接。為保證溝槽節點連接強度，需要在節點兩側500 mm 內設置支吊架。

3 應用二維碼物流管理技術提升施工協同效率

中深層地熱能源站機電管網工程施工環節多，工序銜接緊密，信息管理工作量大[3]。以一個供熱負荷為1 萬kW 的中型地熱能源站為例，經過拆分，需要標記的模塊有60 多個，管段有1000 多段。每個管段需要標記尺寸、材質、節點安裝方式、生產加工進度、責任班組等信息。采用傳統的人工登統計管理方式，容易出現管段組對錯誤、尺寸錯誤、管段丟失等問題，進而影響施工進度。

為解決上述問題，依托二維碼信息管理技術對設備信息和施工組織信息進行管理，減少施工差錯，提高協同效率。

首先需要構建施工信息化管理平臺。管理平臺應具有BIM 模型輕量化，數據實時共享，線上多人協同化辦公，BIM+二維碼數據雙向關聯等功能。其中，BIM 模型為1:1 尺寸三維機電和土建模型，是信息數據的載體。

然后需要建立管段信息管理庫。出具設備管道裝配圖，以模塊三維透視圖為基礎，標記管段編號和節點連接類型，用于指示管段位置，指導管道安裝。為每個管段編輯唯一二維碼，并打印粘貼在管段上。二維碼可關聯管段的尺寸、材料、分類、編號、狀態、位置、責任人等信息。

手機掃描二維碼可以一鍵備注上傳管段加工、組裝、運輸、吊裝動態信息[4]。還可以通過掃描二維碼，獲取管段的位置、尺寸信息，并關聯BIM 三維模型，指導管道施工。如圖3、圖4 所示。

圖3 掃描二維碼示意圖

圖4 管道模型定位示意圖

4 優化施工順序消除土建與機電施工誤差

中深層地熱能源站機電模塊在工廠預制，與土建工程并行施工，將不可避免面臨施工精度配合的問題。通常土建施工誤差要求為厘米級，而機電施工誤差要求為毫米級。在工廠預制完成的模塊，運輸至施工現場裝配，經常因為基礎水平和縱向誤差較大，導致模塊定位不準確，模塊之間的預留管道接口抽心錯位，導致無法裝配，延誤施工進度[5]。

為解決上述問題，需要對施工順序進行優化。

首先應在土建施工和模塊工廠預制之前，預先定位設備基點[6]。機電設備安裝與土建配合的地方主要有設備基礎位置、支架基礎位置和預留管口位置。優先出具基點定位圖紙，以基點定位圖為基準定位BIM模型設備，并指導模塊預制加工。土建施工時采用激光測距+三維掃描工具校準基點位置，將基點位置精確到毫米范圍。土建施工完成后，對現場基點做好標記，為機電模塊進場裝配提供定位依據。

然后需要優化模塊裝配順序。模塊被運送到現場裝配時，應按照先熱泵機組、供回水主管，后其他設備的順序進行裝配。熱泵機組體量較大，且管口為剛性連接，需要優先裝配。供回水主管作為系統主要管道路由，且為剛性連接，應緊隨熱泵機組進行安裝，為其它模塊設備提供接口位置參照。主管道溝槽連接施工需要從前往后依次進行，避免因多向施工，造成局部間隙過大，無法連接。最后進行循環水泵、板換、過濾裝置、補水裝置的裝配。利用設備模塊內部的柔性連接、彈簧支撐、木托支撐構件進行微調，消化管口組對橫向誤差。利用溝槽連接節點間隙消化管口組對縱向誤差。

5 結論

工廠預制技術應用的關鍵是解決模塊標準化的問題。非焊接連接技術應用的關鍵是合理應用法蘭、溝槽和焊接方式，最大化控制成本，提高效率。二維碼物流管理技術應用的關鍵是建立精細的BIM 模型和搭建二維碼管理軟件平臺。優化施工順序的關鍵是以定位基點作為機電和土建施工配合的紐帶。對比實際應用案例，采用本文論述的施工方法可將中深層地熱能源站機電管網工程現場施工時間減少到2 個星期以內，實現快速施工的目的。

本研究的不足之處在于未對站房外部地熱井和管網的快速施工方法展開討論。主要考慮外部地熱井和管網施工不受站房土建施工限制，對工期影響不大。但是這也影響到論文內容的完整性，后續將對這部分內容做進一步研究。