三维数字化电厂建设探讨

高文松，王刚，尹金亮，刘正强

(国家电投集团河南电力有限公司 技术信息中心，郑州 450000)

0 引言

伴随发电行业自动化、智能化水平的不断提高，电厂数据资源呈现多样化、大量级、高速率等特点。在设计和建造期间，电厂产生大量的设计和建造数据；在运行和维护期间，电厂积累大量的生产、管理、维修、诊断、报警数据。而电厂数据资源利用和整合能力不足，受制于数据孤岛、数据分析能力和工具的限制，数据利用水平较低，各业务部门之间数据共享能力不强，在一定程度上制约了电厂业务的发展和工作效率的提升。

因此，无论从有效利用数据资源，为电力行业提供更为优质服务的角度考虑，还是从目前信息化、智能化技术本身的发展趋势角度考虑，利用大数据技术，整合各种数据资源，打通电厂全生命周期过程中的数据孤岛，开展三维数字化电厂项目建设具有重要意义。部分院校和科研院所在电厂地基岩土三维建模、地下管网建设、设备二/三维协同设计、热控电缆数字化布线、设备动态管理与维修、虚拟仿真互动教学平台建设等方面已经开展了三维数字化技术的研究和应用[1-6]。

1 数字化电厂与三维数字化技术

数字化电厂包括电厂设计、建设、营运、管理等电厂全生存周期各个过程的数字化，在建立电厂数字模型的基础上，充分利用系统集成、专家系统、虚拟现实等现代信息处理和通信技术、智能控制和管理决策技术，实现电厂管控的信息化、智能化，最大限度实现电厂的安全、高效、环保运行状态[7]。

三维数字化技术是建立在数字化、虚拟化、智能化计算机辅助设计平台的基础上，让对象更立体化、更形象化的一种表现方式。三维数字化电厂建立的三维虚拟空间，给人以直观、逼真、身临其境之感，将不易察觉的设计缺陷、不易理解的设备信息展现给使用者，可以大大提高工作质量和效率。需要说明的是，三维数字化技术是数字化电厂的一种表现形式和重要组成之一，而不是数字化电厂的全部。

在电厂全生命周期中，设计、基建、运行和维护期的海量数据源包含了大量的设备设计参数、运行状态和参数耦合关联的重要信息。三维数字化电厂平台可以实现电厂全生命周期的数据管理，能够以三维虚拟的形式集成和实现电厂设备三维数字化模型。平台具有可扩展性，实现与其他系统(如厂级监控信息系统(SIS)、企业资源计划系统(ERP)、办公自动化系统(OA)、消防系统、门禁系统、统一门户系统、安全生产管理平台等)的数据通信。此外，电厂员工可在平台上建立企业知识库模型、数字化流程等，实现数据、信息的智能管理和共享，提高发电企业的设备管理、监控水平和企业效益。

2 三维数字化电厂设计及其应用

在项目基建期，运用三维数字化协同设计进行建模，为项目提供精准模型和精确材料统计。三维电缆、管网敷设及统计，可以减少管线管材、电缆桥架等材料的不合理浪费，降低工程造价、提高建造质量、缩短建设周期。多专业综合碰撞检查可以提前预判并协调设计院、供货商、施工单位解决碰撞问题，极大地提高作业效率、确保作业安全，避免返工和质量问题发生。重点设备精细化建模和关键组件外形搭建，包括汽轮机及燃气轮机等模型设备，实现关键组件的独立显示、拆分和信息关联管理。三维模型导航系统通过仿真电厂全景模型，可以实现360°全景漫游巡视，电厂运维人员操作虚拟工程师在虚拟场景中漫游，结合预定义交互式场景，实现虚拟仿真安全技术措施布置、阀门等能动设备的操作模拟和拆装模拟，全面提升业务水平。

2.1 创建三维信息化模型

2.1.1 二维智能流程图

以工艺流程图为基础绘制智能流程图，图中设备带有电厂标识系统(KKS)编码且能被激活，实现二/三维模型切换和导航。平台中二维流程图与KKS编码、三维模型及相关设计、施工信息的关联和深度结合，实现工艺流程图可视化管理操作。真空泵板式换热器出水手阀二/三维模型导航如图1所示。

图1 二/三维模型导航图

2.1.2 三维信息化模型

三维模型以设备厂家、设计院、施工单位的图纸资料为基础，根据现场实际建筑及设备信息建立，将结构复杂、工艺流程繁琐、图形平面上无法准确定位表达的源点设施装置，以直观性、三维立体化、局部微观精确化表达，实现以三维模型为核心的数字化电厂信息(三维模型、工程图纸和文件等)的可集成化和关联性管理。三维模型一般包括厂房综合布置模型、建筑结构模型、热机模型、电气模型、建筑内给排水及通风模型等。厂房综合布置模型如图2所示。

2.1.3 三维精细化建模

在三维信息化电厂模型建设过程中，可以对电厂中重点设备进行精细化建模，依据设备外形图、部件图及零件图构建精细的三维设备模型，含设备外形、内部结构、能动部件、层次结构，包括几何外形、材质、设备部件编码等信息；可实现设备模拟安装、设备拆解、虚拟培训、备品备件可视化管理等项目后续应用。减速器精细化模型如图3所示。

图2 厂房综合布置模型

图3 机力塔减速器精细化模型

2.2 基建期全过程多专业综合碰撞检查

通过三维建模，除了各专业对象本身实体的几何尺寸之外，还需要赋予模型对象操作空间，保温厚度等信息，在三维空间中发现平面设计中建筑、结构、热机、化学、水工、电气、热控、暧通全专业的碰撞，为设备、阀门等需要维护的设施预留足够操作空间，并定期反馈详细碰撞清单，协助电厂解决施工潜在问题，降低建设成本，缩短工期，提升项目建设水平。在三维数字化电厂信息管理平台中，能够自动显示碰撞点位置及相应坐标，透明显示碰撞空间内的对象干涉情况。典型碰撞位置信息显示如图4所示。

2.3 基建期三维电缆敷设及统计

三维电缆桥架节点数据库以电缆桥架的端接、弯头、三通、四通、竖井出口等作为节点，实现电缆的三维敷设，电缆具备路径计算功能，选择电缆能够自动计算电缆的长度，可以导出电缆路径清单以及敷设设备报表等。三维电缆敷设软件具有最短路径优化算法，可以根据三维模型中的桥架走向，自动选择最短的电缆路径，减少在施工过程中因为电缆走线不合理而造成的浪费。

2.4 施工模拟

通过三维可视化系统与施工计划相链接，使工程项目提前在计算机平台实现整个施工过程全周期模拟，将空间信息与时间信息整合在一个模型中，可以直观、精确地反映整个建筑的施工过程。施工模拟技术可在工程建造过程中实现人、机、料的合理部署，工程流水段的划分和工序工艺的合理安排，优化施工组织设计。通过从无到有的建设过程模拟，可合理制定施工计划、精确掌握施工进度，优化使用施工资源以及科学地进行场地布置，对整个工程的施工进度、资源和质量进行统一管理和控制，以缩短工期、降低成本、提高质量。厂房施工模拟如图5所示。

图4 典型碰撞位置信息显示

图5 厂房施工模拟

2.5 虚拟仿真培训

利用三维虚拟仿真工艺流程模拟能更好地满足电厂业务需求，由传统的二维图面介绍到三维直观空间上的转变，采用直观的三维方式展现给用户，让用户多方位、多角度更深入理解现场工艺原理，从而更全面地了解整个厂区运行的工艺流程。

根据现场实际情况，模拟工作流程，掌握每一步操作的设备、设备位置及正确的操作方式，避免实际操作过程中的误操作。将操作者与现场实际环境一致的三维虚拟环境结合在一起。通过构建与标准业务流程一致的虚拟仿真培训模块，可以建立发电厂的人员培训系统，形成典型危险点库、反事故措施预案库、设备检修作业库、运行操作标准库等知识体系。操作仿真如图6所示。

图6 操作仿真

2.6 三维数字化信息管理平台

三维数字化电厂信息管理平台具有易维护、可扩展和较高的可用性、开放性、安全性和友好的人机交互界面，具备结构化数据检索、报表定制及浏览等功能，采用标准、统一的管理数据存取格式，以便实现不同应用系统间数据的共享和交互。平台能够与电厂SIS通信，调取并关联主机及重要辅机设备有关机组安全、性能等主要参数数据；能够与电厂ERP通信，调取并关联设备缺陷、维修记录及工作

票、操作票信息实现全寿期设备管理功能，调取并关联视频监控信息，作为全厂KKS、设备三维模型和设备静态资料台账的主数据管理源，平台应预留与其他系统的接口(包括但不限于OA、消防、门禁系统、统一门户系统、安全生产管理平台等)，为三维数字化电厂信息管理平台能够与上述系统高效、可靠通信，实现交互管理奠定基础。这就要求平台实施人员熟悉电厂运营期管理要求、管理流程，将设计、基建期资料和运营期实时信息与其他平台相结合，以实现电厂设备管理、检修管理、物资管理、财务管理等在三维数字化电厂中的有机融合[8]。

3 结束语

目前，国内的数字化电厂还处于较为基础的阶段，在全工艺与全专业信息共享和协同数字化设计，深层次数字化建设规划和管理，深度利用三维数字化模型进行运行、安全、技术监督、检修管理等方面，还需要加深研究与应用，通过数字化信息资源实时共享和深度融合、加工，为电厂各级管理者提供及时、有效的生产经营决策信息，实现电厂全生命周期量化、分析、控制和决策。

[1]任治军,刘欣良，戴洪军.地基岩土三维建模在电厂中的应用研究[J].电力勘测设计,2005,10(5):18-23.

[2]秦立新.三维数字化工程技术在电厂地下管网建设中的应用[J].内蒙古电力技术,2016,34(5):52-55.

[3]郝文婷，刘万超.浅析二三维协同设计技术在火力发电厂烟风道中的应用[J].中国工程咨询,2016,16(10):66-67.

[4]陈志强，徐爱东.热控电缆数字化布线在上湾电厂的应用[J].华电技术,2011,33(5):31-34.

[5]王百众,罗亚林,方昊,等.核电站维修的三维数字化动态管理[J].核动力工程,2005,26(2):196-198.

[6]应宇,张业星，徐以波.电厂机电设备仿真检修教学系统开发应用研究[J].水力发电,2014,40(8):47-51.

[7]周四维,李忠炳,张晋宾.数字化电厂的概念及实施[J].上海电力学院学报,2014,30(3):208-212.

[8]王继强,赵长青.火电厂三维数字化系统在山东莱州电厂的应用[J].上海电力学院学报,2014,30(5):443- 446.