火力发电厂布置设计精细化发展趋势

王坚（中南电力设计院，武汉市，430071）

火力发电厂布置设计精细化发展趋势

王坚
（中南电力设计院，武汉市，430071）

0 引言

从近几年发电项目的招投标和前期工作的发展趋势看，各大发电集团越来越重视发电项目在前期设计阶段的优化，对设计院的设计工作也提出了越来越高的要求，体现在布置设计上，呈现出一种模块化和精细化设计的发展趋势[1]。

布置设计上的模块化和精细化，体现了布置技术上的宏观和微观、整体与局部、降低造价与全寿命周期内的便利等诸多因素的辩证统一[2-9]。模块化布置设计中的布置模块必须以精细化布置设计为基础，否则压缩布置模块的尺寸必然是主观的，更谈不上模块间的组合。精细化布置设计总体要求是全内容设计，无遗漏，无死角；精确统计材料，例如装置性材料精确到螺栓、螺母、垫片的个数，消耗性材料包括估算所需焊条的数量等，目的是让建设方对施工造价有精确的控制。

本文以工艺管道为例，介绍精细化布置设计的现状和发展趋势。

1 精细化布置设计现状与发展趋势

长期以来，我国火电建设项目从前期到建设、投运全过程有项目筹备组、电力设计院、土建结构施工单位、安装单位（电建公司）、调试单位（电力中试所）、运营单位（电厂）等诸多参建单位，设计、施工相对粗放。当国内经济结构调整、发展趋缓、必须走出国门开拓市场时，面对国际市场上苛刻的项目业主，这种粗放型的设计和施工却难以让顾客满意。

目前，国内管道施工图出图深度一般是设计院只出DN80及以上管道的安装图以及汽轮机本体管道密集区的规划布置图，DN80以内的中、低压小口径管道均由安装单位现场布置。正在报批中的电力行业标准《大型火力发电厂施工图设计文件内容深度规定》也基本延续这一惯例。我国专业的电力建设公司可以将小管道统一规划布置并安装好，小管道的材料也包含在安装合同之内由安装公司采购；但海外发电项目存在多种建设模式，项目的安装单位可能不是国内专业的火力发电厂安装公司。国外的非专业的安装队伍与业主签订的合同是按图施工，按图取料，没有图纸和材料清单就无法领料、施工，因此要求设计院所有的管道均要出设计图纸并统计材料。

“碰头打架”是火力发电厂施工现场中的多发病和常见病。在国内火电工程建设期间，管道之间、管道和结构之间、管道和电缆桥架之间、管道支吊架和桥架之间的碰撞等经常发生。这些碰撞必然造成返工等增加造价的现象发生。

另外，我们对工程量的控制管理不够精细，每一项分部工程控制工程量不明确，设计方案需要不断修改，到最后汇总结算时发现工程量大大超出概预算工程量，尤其是除设备以外的通用性材料，如电缆、保温材料、小口径常规管道材料、型钢、螺栓、螺母等几乎没有哪个工程能够给出一个准确的工程量。这种状况如果发生在海外的总承包项目上，就存在较大的风险。因此，长期以来形成的粗放型的布置设计方式已经完全不能适应新的发展形势，精细化布置设计是电力设计发展的必然趋势。

目前，国内火电建设项目的通常做法是配管厂负责配管图的设计和配管工厂化加工。配管厂根据设计院提供的图纸进行配管制作设计，配管设计的范围通常包括主蒸汽管道、再热蒸汽管道、主给水管道、四段抽汽管道等昂贵的进口管材。通常采用计算机辅助设计系统，绘制三维立体管道系统的配管设计总图和管段详图。

目前的发展趋势是扩大工厂化配管的覆盖范围，尤其是当国内的总承包商承接海外发电项目时，要求大量的配管工作在国内完成，国外仅完成少量的现场焊接工作，这对于精确控制材料用量、减少运输压力、缩短施工周期、提高建设质量极为有利，进而降低整个项目的建设费用。设计院的设计范围如果能延伸到配管图，就避免了配管厂二次出图的问题，减少了设计配合并缩短了设计周期。因此，总承包商强烈需要设计院能大范围地进行配管设计。

2 精细化布置设计要求

精细化布置设计要求加大小管道出图的范围和深度，实现零碰撞精确布置，合理考虑好运行维护的空间，精确控制好工程量和造价，同时将设计范围向下游延伸到工厂化配管设计。同时，精细化布置设计的要求还体现在设计手段和设计过程管理中的细节上。

2.1 小管径管道出图

如前所述，常规的出图深度一般是设计院只出DN80及以上管道的安装图，DN80以内的中、低压小管道均由安装单位现场布置。有些系统如消防水喷淋管网、压缩空气管网支管等也只出示意图而不标注详细定位尺寸。电缆敷设也仅为示意图，电缆在桥架中的充实度也未知。而在海外项目精细化布置设计要求下，DN32以上（或所有管道，根据合同不同的要求）小管道均须出设计图并统计材料，出图方式通常为ISO轴测图，要求全部在三维中建模，检查碰撞、准确抽取、开列有关材料，给出支吊架间距及安装要求等。

四大管道疏、放水管道不论管径，除按上述要求出图外，必须给出支吊架的定位尺寸（包括给土建的预埋件提资），经过应力计算（可不和主管道联算），给出支吊架一览表及支吊架详图。

小管道设计界限是从主管道接管座出口到疏水扩容器或凝汽器接口管嘴或放水母管。小管道宜按区域集中布置，要求每处集中布置区域抽取联合布置图1张，每1根管道抽取ISO轴测图1张。

2.2 零碰撞布置

在精细化布置设计要求下，施工现场必须实现零碰撞。碰撞问题分“硬碰撞”和“软碰撞”。“硬碰撞”即管道与管道相撞；“软碰撞”是指管道安装完毕并没有碰上，但保温安装完毕后挨在一起，或投运后由于管道的热位移相互靠近而造成的碰撞，或管道的布置位置占据了其他设备或阀门的运行、检修、拆卸、起吊、维护的空间，以及管道的布置影响门、窗的开关空间等影响后期运行维护的现象。精细化布置设计就是要仔细考虑这些方面的具体要求，通过一定的技术手段消灭“硬碰撞”和“软碰撞”。

2.3 精确控制工程量

精细化布置设计的重要目标之一是精确控制工程量和工程造价。国际工程公司在做出投标报价，获得工程总承包合同后，最重要的是在合同执行过程中严格控制造价、锁定应得利润。如果设计不够精细，每一项分部工程控制工程量精度不高，边施工边修改设计方案，到汇总结算时就会发现工程量大大超出合同工程量，亏损就极易发生。因此，精细化布置设计要做到精确控制每一分项工程、分部工程的工程量，在设计过程中实时获得准确的设计工程量，并与目标工程量进行对比，从而有目标地调整设计。精细化的布置设计为实现这一精细化管理创造了条件。如果布置设计中达到了足够的深度和细度，例如，每1根小管道均有规划布置，其长度就可以统计得较为准确；每1个电缆敷设的路径均有了布置规划，其长度便有确切的数据。因此，精细化布置设计是精确控制工程量的前提，精确的工程量是精细化布置设计的结果。

2.4 设备、阀门的检修起吊和维护平台

设备的检修、起吊方案是布置设计的重要内容之一。在布置设计的过程中，必须为厂房门窗的开关空间、设备的检修通道、拆卸空间、起吊葫芦自身的空间和运行空间、检修工具的操作空间等预留好位置。电控柜的检修、操作空间也必须考虑好。有些复杂的设备安装、拆卸和检修过程需要采取三维动画等技术手段全过程进行模拟，确保设计的检修方案真实、可行。

火力发电厂进行主厂房管道司令图设计时，需要重点考虑的问题之一就是设备、阀门的操作、维护问题，但有时考虑到管道布置的简洁或空间受限，不可能将每1个阀门均特意布置到地面或楼板上，这时就需要根据这些阀门操作、维护的频度，为这些阀门设计好其操作、维护平台或增加必要的阀门传动装置，这是精细化布置设计的必然要求。

2.5 工厂化配管设计

在 很 多 海 外 项 目 或 EPC（Engineering，Procurement，Construction）总承包项目的精细化布置设计要求中提出了工厂化配管设计的要求。配管制作设计是对管道系统进行排料和分段设计，在工厂（车间）经过弯管、坡口加工、焊接、热处理、检验、标记、清理、油漆和防护等工序，制造出产品的过程。

配管制作设计是发电工程建设中的一个重要环节，可以提高电站管道装配质量、降低管材损耗率、控制电站建设投资、减少工程安装的高空作业、促进安全文明施工和建设进度，是管道加工业的发展方向。

根据电力行业标准DL/T 850—2004《电站配管》及以往各项目的工厂化配管制作的资料，配管制作图纸应有配管制作设计总图、管段详图、管段加工清单和坡口加工清单等。内容涵盖了热工、化学、检测、调试、焊接和热处理等诸多方面的考虑，内容深度大大超过目前管道安装图的设计深度。

2.6 设计管理的精细化

精细化设计的理念同样体现在设计的过程管理之中。设计院在设计过程中存在各种设计接口。例如，对外，设计院存在接受EPC总承包方的管理，存在和主、辅机设备厂家的设计接口，和分岛供货商（如脱硝、脱硫）间的接口，和安装单位的接口，和调试单位的接口等；对内，存在各专业之间的设计接口。这些接口之间要做到无缝拼接，其配合和管理也要精细化。对这些接口，首先进行编号标志，分别从工艺流程上和物理位置上在专门的接口管理文件中进行定义。设计和供货范围不能出现重叠和遗漏，不清楚的地方必须和EPC总承包方沟通确认，并留下书面记录。对该接口文件定期维护，确保每1次变更均通知到相关方。

同样，设备资料是影响设计输入的重要因素，必须加强设备资料的精细化管理，确保设备资料的状态、版本、变更、验证处于受控状态。

3 精细化布置设计的技术手段

从上述精细化设计的具体要求可以看出，精细化

布置设计从内容到深度都对粗放型的设计提出了挑战。如果按传统的工作方式开展设计工作，势必无法满足业主的质量进度要求。经过多年的探索，基于三维设计的多专业协同布置设计平台是必然选择。

3.1 三维设计技术

三维设计技术就是在设计过程中应用三维设计系统平台，建立直观的带有数据属性的数字化三维模型，如图1所示。三维设计技术为设计提供了一个设计共享平台，能够让所有相关设计者异地协同设计，实时在线参考不同设计专业、不同设计者的设计成果，使不同设计专业、设计者的设计联络和交流保持通畅，保持设计配合工作的协调一致，实现精细化布置设计，避免设计差错和设计疏漏等问题的出现。

所有工艺管道包括小口径管道均在三维中进行模型设计后，可以按照国际标准ISO出图模式进行出图，直接从三维设计模型自动智能抽取工艺管道设计安装图，需要时可以抽取配管所需要的管段详图，如图2所示。

3.2 利用三维设计技术实现精细化布置设计

3.2.1 零碰撞布置的实现

三维设计技术提供三维立体模型空间的实时碰撞检查（图3）、模拟检修空间和路径（图4）、模拟设备施工吊装（图5）、虚拟现实场景漫游、模拟施工计划进度管理等，这是传统设计手段难以实现的功能。在三维设计过程中，可以借助于计算机手段，进行实时碰撞检查，模拟检修空间，安全距离等。对全厂所有的碰撞进行检查，不遗漏任何碰撞，发现碰撞后进行设计修改，实现零碰撞布置。

模拟设备吊装、虚拟现实场景动画漫游，可以提供大型设备吊装的方案优选，确定最佳路径，节省以往设备吊装过程中因方案失败而产生的台班费用。

3.2.2 三维模型设计的精细化要求

要保证上述碰撞检查的有效性，前提是保证三维设计的虚拟电厂与建成后的物理实体电厂完全一致，就必须在三维设计环境下开展精细化布置设计。

全三维设计所有实体和空间必须建模，包括结构梁、柱、楼板、墙、基础、孔洞、栏杆、扶梯等所有的构筑物和厂房内所有专业的设备、管道、桥架、盘柜、电缆桥架、支吊架等必须按真实尺寸全三维建模。

结构建模精细化，必须准确表达钢结构连接板、混凝土的牛腿等所有细节。所有管道建模必须加保温厚度信息及管道间距要求。管道及桥架支吊架实体建模，或所有管道逻辑支吊架拉杆必须升到生根点、双拉杆横担必须准确表示尺寸信息。管道必须真实放坡，所有设备、阀门的检修维护空间必须建模。非整体起吊的设备，其检修起吊的最大部件必须按真实尺寸建立单独的、可移动的模块。检修起吊设施设备本身以及其运行空间必须建模。设备建模必须完整表达设备的电控柜的位置，建立电缆的接口坐标，为电缆建模创造条件。

设计过程中通过定期更新工程的漫游文件和提交碰撞检查报告的管理制度，协调解决发现的碰撞问题。

3.3 三维精细化设计手段为EPC总承包精确控制工程量创造条件

基于数据库的三维设计软件可以实时自动统计工程量，方便与工程量控制目标进行对比。图纸上的材料以及零部件清单直接从三维设计模型准确提取，避免人为统计计算的差错，节约了人力，提高了效率，给材料采购订货提供了准确、可靠的依据。

设计中可以积极配合总包采购信息，进行材料代换、变更等。设计可以按总包标段的划分，分标段出图、汇总材料、提供工程量等。

4 结语

布置设计精细化是未来布置设计发展的大方向。精细化的布置设计要求我们面向国际化的设计标准、面向EPC总承包的特殊要求，加大设计范围、加深设计深度，根据合同要求，实现小口径管道出图，精细地考虑设备、管道的布置空间，满足它们运行、检修、维护等全寿命周期内的各项要求，彻底将碰撞消灭在设计阶段，为精确控制项目的工程量，实现项目全寿命周期内的盈利目标保驾护航。同时，根据业主的要求，将设计延伸到工厂化配管设计。

[1]王坚.火力发电厂布置技术与信息化手段运用[J].电力建设，2010，31（4）：82-85.

[2]汤蕴琳.大型火电厂设计优化思路[J].电力建设，2005，26（12）：1-5.

[3]黄增宏，郭晓克，孙岳武.数字化电厂设计实现的探讨[J].吉林电力，2004（6）：27-29.

[4]江蛟，高嘉梁，王志斌.华能巢湖电厂2×600MW工程创新和优化[J].电力建设，2010，31（1）：72-76.

[5]姚强.工程全生命周期的信息化管理：工业企业信息化建设的基础[J].电力信息化，2005，3（8）：22-23.

[6]DL 5000—2000火力发电厂设计技术规程[S].

[7]DL/T 5054—1996火力发电厂汽水管道设计技术规定[S].

[8]DL/T 850—2004电站配管[S].

[9]张珩生.加强企业能力建设向国际型工程公司模式发展[J].电力勘测设计，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

模块化和精细化是火力发电厂布置技术发展的两大趋势。精细化的布置设计主要体现在设计深度、设计准确性和对工程量的精确控制上，其发展趋势是将设计范围扩展到小口径管道出图、工厂化配管设计等，并精细地考虑设备、管道的布置空间，满足它们运行、检修、维护等全寿命周期内的各项要求。借助数字化三维布置协同设计平台，对火力发电厂进行全三维、精细化建模设计，可以实现零碰撞精确布置并实时提供设计工程量，以更好地适应工程总承包和海外项目的要求。

总承包；精细化设计；全三维设计；协同设计平台；零碰撞布置；实时工程量

10.3969/j.issn.1000-7229.2011.01.017

TM 621

A

1000-7229（2011）01-0068-04

2010-09-12

2010-10-28

王坚（1971），男，双学士，高级工程师，主要从事火力发电厂布置设计和热机专业的设计咨询，E-mail：wangjian@csepdi.com。

何鹏）

中图分类号：TU 375

A文章编号：1000-7229（2011）01-0072-04