三維流程工廠標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用
——以某煉鋼廠濁環(huán)水過濾站為例

高 明

（中鋼設(shè)備有限公司， 北京 100080）

1 三維流程工廠設(shè)計(jì)特點(diǎn)

工廠設(shè)計(jì)通常包括兩類工廠的設(shè)計(jì)，離散工廠（factory）和流程工廠（Plant）。離散工廠物流運(yùn)輸主要通過流水線操作，設(shè)備之間相對(duì)更獨(dú)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(shè)計(jì)軟件有所不同。本文實(shí)例是典型的流程工廠，使用的設(shè)計(jì)軟件為AutoCAD Plant 3D。

三維工廠設(shè)計(jì)涉及多個(gè)專業(yè)，包括土建、給排水、工藝、電氣等，各專業(yè)可協(xié)同操作，分別創(chuàng)建子信息模型，最后匯總成一個(gè)完整模型。每個(gè)信息模型元素具有唯一性、開放性、可視化和參數(shù)化等特點(diǎn)。生成的三維模型可轉(zhuǎn)換成常用文件格式或國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)模式，如IFC（國(guó)際協(xié)同聯(lián)盟建立的標(biāo)準(zhǔn)名稱）。在項(xiàng)目的全生命周期中提升溝通、生產(chǎn)力、時(shí)間成本的效率和質(zhì)量。

除上述特點(diǎn)外，三維協(xié)同設(shè)計(jì)最基礎(chǔ)也是最重要的特性是- 采用標(biāo)準(zhǔn)約束和規(guī)則驅(qū)動(dòng)[1]。各個(gè)國(guó)家都有相應(yīng)的建筑和施工標(biāo)準(zhǔn)。比如管道，在我國(guó)有中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB，美國(guó)使用ASME 標(biāo)準(zhǔn)，德國(guó)使用DIN 標(biāo)。規(guī)則驅(qū)動(dòng)則是指在創(chuàng)建模型時(shí)，需按照一定的規(guī)則來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的操作。如管道連接時(shí)管道兩端的端點(diǎn)是法蘭形式，則連接時(shí)會(huì)自動(dòng)匹配相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的法蘭。從而大大簡(jiǎn)化了操作復(fù)雜性，提高了效率和準(zhǔn)確率。

本文實(shí)例以給排水專業(yè)為主體，成品模型由管道模型、設(shè)備模型、鋼結(jié)構(gòu)支架模型、設(shè)備基礎(chǔ)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(zhǔn)確快速的進(jìn)行材料、設(shè)備統(tǒng)計(jì)并生成各種報(bào)表。

2 工程實(shí)例概述

本文實(shí)例為“一帶一路”某亞洲沿線國(guó)家新建綜合鋼廠項(xiàng)目煉鋼連鑄廠直接冷卻水（即濁環(huán)水）水處理項(xiàng)目中的過濾站設(shè)計(jì)。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(shè)備直接冷卻、沖渣，為了確保鑄坯的質(zhì)量和設(shè)備使用壽命，冷卻水除了要保證合適溫度外同時(shí)對(duì)供水水質(zhì)和懸浮物粒徑、濃度等均有嚴(yán)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(jīng)冷卻塔冷卻之前需進(jìn)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(shè)計(jì)效果圖

本設(shè)計(jì)將其中的二次沉淀和過濾的環(huán)節(jié)合二為一，來(lái)水經(jīng)一次沉淀后經(jīng)過水力混合器、濁水凈化器、雙旋流過濾器處理送至后續(xù)循環(huán)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(shè)備如下：

水力混合器1 臺(tái)，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(xù)絮凝效果。

高效濁水凈化器7 臺(tái)，單臺(tái)處理水量為300 m3/h，工作壓力≤0.45 MPa，試驗(yàn)壓力為0.6 MPa，最大水力損失≤0.1MPa 進(jìn)水ρ（SS）≤500mg/L，出水ρ（SS）≤30mg/L，進(jìn)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(diào)節(jié)）排泥平均含水率98%，單臺(tái)外形尺寸為Φ4 000 mm×9 000 mm。

該設(shè)備主要是結(jié)合旋流分離及污泥循環(huán)回流為主要特征的一項(xiàng)沉淀澄清新技術(shù)。負(fù)壓噴射裝置帶動(dòng)循環(huán)回流的活性污泥，與水中的雜質(zhì)形成小的絮體。水中油類與懸浮物經(jīng)藥劑的絮凝作用，形成大顆粒絮團(tuán)沉降在下部排泥斗中，上部清水經(jīng)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(tǒng)一處理。最后經(jīng)過處里合格的水由出水口流出進(jìn)入下一步過濾流程。主要過濾器設(shè)備如下：

雙旋流過濾器7 臺(tái)，單臺(tái)處理水量為300 m3/h，進(jìn)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(qiáng)度為0.6 m3/（min·m2），氣反洗強(qiáng)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(shí)間為2～3 min/次，氣反洗時(shí)間為2～3 min/次，反洗周期為8～12 h（可調(diào)節(jié)），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(dòng)過濾器利用旋向不同的高速水流進(jìn)行反洗，增加濾料內(nèi)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(dá)93%，油去除率達(dá)90%；可將濁環(huán)水懸浮物質(zhì)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(chǔ)罐、加藥裝置、電控設(shè)備等輔助設(shè)備。

3 三維設(shè)計(jì)應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)化控制

在流程工廠設(shè)計(jì)中設(shè)備的配管是主要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。過濾站水處理設(shè)備較多，涉及的管線復(fù)雜多樣，使用三維設(shè)計(jì)并將設(shè)備、閥門、管道賦予相應(yīng)代號(hào)，整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的整體性和連貫性，簡(jiǎn)化了大量后續(xù)工作。

在三維設(shè)計(jì)中，布管前需要設(shè)置相應(yīng)的等級(jí)庫(kù)和元件庫(kù)。等級(jí)庫(kù)是由一系列標(biāo)準(zhǔn)零件構(gòu)成的，例如10HS01是由DIN 標(biāo)構(gòu)建的零件庫(kù)，等級(jí)庫(kù)是三維設(shè)計(jì)的核心，三維配管設(shè)計(jì)是以等級(jí)庫(kù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的，配管需要等級(jí)庫(kù)提供有關(guān)管道元件和布線特性的信息。

制作等級(jí)庫(kù)需要有相應(yīng)的元件庫(kù)。等級(jí)庫(kù)通常以壓力等級(jí)方式表示，例如10HS01 是由DIN 標(biāo)元件庫(kù)中壓力等級(jí)PN10 的零件為基礎(chǔ)制作的，根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《管道元件PN（公稱壓力）的定義和選用》（GB/T 1048-2005）規(guī)定，“PN 數(shù)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(shè)計(jì)用到的管道壓力等級(jí)有PN10、PN16 及PN25。

元件庫(kù)則是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)表示。制作元件庫(kù)需要參照標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)或標(biāo)準(zhǔn)文檔。元件庫(kù)通常將管道和管件制作成一個(gè)元件庫(kù)，閥門制作成另一個(gè)元件庫(kù)。管道和管件包括多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，閥門種類多樣，也包括多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因此一個(gè)元件庫(kù)通常包含若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。例如國(guó)標(biāo)元件庫(kù)中包含了以下標(biāo)準(zhǔn)零件。《鋼板制對(duì)焊管件》GB/T 13401、《鋼制管法蘭類型與參數(shù)》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(biāo)準(zhǔn)。

本項(xiàng)目建設(shè)單位為一帶一路某沿線國(guó)家企業(yè)，項(xiàng)目執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有其特殊性，本項(xiàng)目設(shè)備、閥門均在國(guó)內(nèi)采購(gòu)運(yùn)抵項(xiàng)目所在地，管道及管件在當(dāng)?shù)鼐徒少?gòu)。這就涉及到了國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的兼容問題。本設(shè)計(jì)管道及管件采用DIN 標(biāo)準(zhǔn)（可對(duì)標(biāo)國(guó)標(biāo)II 系列）。設(shè)備、閥門采用國(guó)標(biāo)，如GB 150—2011《壓力容器》、GB/T 13922—2011《水處理設(shè)備性能試驗(yàn)》、CJ/T 43—2005《水處理用濾料》、GB 50055—2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》等。為與配管管道保證一致，設(shè)備管口及閥門的接管和配對(duì)法蘭等，需設(shè)備廠家根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)項(xiàng)目中，三維流程工廠標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是一種高效、先進(jìn)的技術(shù)手段，三維信息模型數(shù)據(jù)貫穿設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)全生命周期，可減少重復(fù)建設(shè)，提高精度。