小径管施工计算机辅助设计在火电机组安装中的应用

马超，李健伟，解华

(中国华电工程(集团)有限公司，北京 100035)

1 计算机辅助设计的必要性

湖北华电西塞山发电厂(以下简称西塞山电厂)二期工程#3机组为680 MW超超临界参数燃煤火电机组，由中南电力设计研究院设计、中国华电工程(集团)有限公司总承包(负责设计、采购、施工)。该工程热工仪表管敷设工程的特点:工作量大，锅炉、汽轮机及外围设备等共需安装仪表管约15 500 m;工期较长，从开始安装至机组整套启动，通常会达到或超过12个月，贯穿热控专业施工的始末;施工工艺标准要求高，仪表管敷设要求集中布置且整齐、美观。

近年来，火电厂整体施工水平有了大幅度提高，热控专业控制设备更新换代频繁，施工工艺不断改进和完善，对仪表管安装工艺的要求更加严格和规范;另外，火电厂整体施工工期的压缩相应增加了仪表管安装的施工难度，所以，传统敷设方法已很难满足施工需求。

传统仪表管敷设方法基本上是测点确认后进行目测，大体估计并就地“放样”，通常用石笔画出草图经修改后进行施工。其主要缺点是往往只能做到定性设计，而量化方面却不尽如人意。此种方法对施工人员的技能依赖性较强，而且草图为手工绘制，无法达到最优设计的目的，必然导致材料浪费并加剧施工质量水平分布的随机性。

计算机的普及使采用软件对施工过程进行模拟成为现实。受经济因素的制约，工厂三维布置设计管理系统PDMS(Plant Design Mangement System)等专业三维设计系统的普及尚需时日。在西塞山电厂#3机组的施工过程中，受到现场对大型设备吊装进行方案模拟的启发，采用通用软件AutoCAD对小径管敷设进行了辅助设计和优化。实践表明，采用AutoCAD进行辅助三维设计，可显著提高小径管安装施工的效率和安装质量，基本能够满足施工需求。

2 弯管器的设计

弯管器为冷弯法的常用工具，其核心部件是大轮和小轮。

2.1 大轮尺寸计算

根据电力部电综〔1998〕145号文颁发的《火电施工质量检验及评定标准热工仪表及控制装置篇(1998年版)》的要求，管子加工时其加工半径控制值通常为:金属材质弯曲半径R≥3.0D，塑料材质弯曲半径R≥4.5D;椭圆度≤10%。其中，D为管子直径。现场实际使用小径管的规格见表1。

表1 现场实际使用小径管的规格

设Dd为大轮直径，则有

式中:n为弯曲半径系数;Dx为小径管外径。

当n=3时，得到的大轮直径见表2。

表2 弯管器大轮直径

在实际使用中，为了方便小径管的拆卸和大轮的制作，笔者加一个修正值k=1，可得公式

2.2 小轮尺寸计算

计算公式:Dd=13.1+Dx。采用AutoCAD仿真制作的三维图如图1所示。

图1 弯管器大、小轮三维图

3 成排管路的敷设

3.1 三维视图的特点

AutoCAD软件的三维绘图功能比较强大，与二维视图相比，三维视图的特点是直观，其成品更适合于现场技工的操作。在进行小径管计算机辅助设计之前，先介绍几个基本概念。

(1)轴侧图的概念。根据平行投影原理，把物体连同确定其空间位置的3条坐标轴x，y，z一起，沿不平行于这3条坐标轴和由这3条坐标轴组成的坐标平面的方向S投影到新投影P或Q上，所得的投影视图即为轴侧投影视图，简称轴侧图。本文采用的是西南等轴侧图。

(2)用户坐标系统(UCS)。用于创建坐标、操作平面和观察的一种可移动的坐标系统。用户坐标系统由用户来指定，它可以在任意平面上定义xy平面，根据这个平面垂直拉伸出z轴，组成坐标系统。

(3)绘制和编辑三维实体。主要指令有消隐、着色、渲染、倒角、三维镜像、三维旋转及布尔运算等。

3.2 小径管绘制

3.2.1 直管段绘制

草图环境准备:建立构造线、粗实线，分别画直径为14 mm和10 mm的2个圆。点击“拉伸”指令，选定2个圆，根据提示指定拉伸高度为1000 mm，倾斜角度为0°，然后进行布尔差集运算，得到图2所示的效果。进行着色、三维旋转，得到一个 ø 14 mm×2.0 mm的仪表管(L=1 000 mm)，如图 3所示。3.2.2 90°弯头绘制

设置草图环境，画一个直径为98mm的1/4圆，然后在端点分别做一个直径为14 mm和10 mm的圆;转换到西南等轴视图，将UCS移至圆心处，并将2个圆沿x轴三维旋转90°，沿1/4半圆进行拉伸，得到图4所示的效果。进行布尔差集运算、渲染，利用计算机的复制功能，可得到任意多的小径管及弯头，如图5所示。

3.3 成排管路的设计、优化

3.3.1 目标选定

以#3机组汽轮机房6.9 m层变送器的集中布置、规划设计为实例，介绍成排管路的设计、优化流程(该实例中共27个压力变送器，即27根仪表管)。

3.3.2 设计方案

在一般情况下，2台压力变送器的间距设为200 mm，为与其他机组保持一致，也设计成200 mm的距离，绘制间距为200 mm的27条辅助线。

仪表管竖直段为2 000 mm，2 000 mm以后间距则应收缩为28 mm(即单倍的仪表管间距)，采用AutoCAD软件进行三维模拟设计，可优化变间距成排管路连接的合理性和可行性，辅助线设计如图6所示。

图6 辅助线设计

设δ为圆角系数，当δ=5时进行仿真，按照生成的路径进行拉伸时，发现提示符“无法拉伸1个选定的对象”，也就是说当δ=5时，仪表管是无法进行安装的。当δ=40时，进行仿真的结果如图7所示。

图7 三维模拟图

这时，计算机可以执行指令，如果放大变间距部分，会发现这部分仪表管接触的太近了，影响美观，因此，需要进一步优化。取圆角系数δ=45进行仿真，间距已很匀称了，接口部分呈现出美妙的均匀振荡波形，如图8所示。

图8 弯管效果图

在以上基础上进行加工，增加固定支架、排污槽等附属设施并标出详细的安装尺寸，便可交给施工班组进行安装施工了。经计算机辅助设计的小径管施工图如图9所示。

图9 小径管施工图

3.4 传统施工与AutoCAD模拟施工的综合比较

经过AutoCAD模拟优化施工图后进行施工，材料用量可节约30%左右，工期可缩短1/3，极大地提高了生产效率。

3.5 经CAD模拟设计施工后的成品

经CAD模拟设计后，施工班组按照图纸施工成品紧凑、美观、整齐划一，与传统施工方法形成的产品比较，其外观和质量指标均有较大提高。实践表明，模拟设计是成功的、必要的。施工成品照片如图10所示。

图10 施工成品照片

4 结束语

本文实现了小径管施工的计算机辅助设计并在湖北华电西塞山电厂#3机组进行了成功应用。在施工过程中，应用三维设计技术方法可节省大量人力，加快施工进度;同时由于标注了比较详细的尺寸，可节省大量材料，经济效益可观。

［1］张云杰.AutoCAD 2006中文版从入门到精通［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［2］叶江祺.热工测量和控制仪表的安装［M］.北京:中国电力出版社，2005.