火力发电厂管道高效、精细化设计方案设计及应用

2020-12-23陈杰

机电信息 2020年32期

陈杰

（中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州贵阳550003）

1 管道精细化设计的意义

传统火力发电厂热力管道设计中，小管道只在系统图上示意，不做具体的布置图设计和支吊架详细设计，这些小管道交由施工单位进行现场二次设计并施工。施工人员水平参差不齐，缺乏全局布置的设计视野，往往导致小管道布置混乱，影响通道操作，引起疏、放水不畅，膨胀不足等实际问题。另外，常规热机管道设计中不考虑热控测点的布置，即热机设计和热控设计分别进行，这经常会导致热控测点在热机管道上安装不合理等。

随着近些年国内常规火电市场的逐渐萎缩，加之勘测设计费的大幅下降，各传统电力设计企业从传统设计公司向工程公司方向转型，工程项目的管理也从原粗放管理向精细化管理方向转变。这些现实变化对管道设计提出了更高要求。

2 电厂管道精细化设计难点及分析

2.1 管道设计的复杂性

管道设计范围主要是电厂动力管道，其介质主要包含蒸汽、水、气和易燃易爆、有毒及腐蚀性液体或气体等[1]。火力发电厂的汽水管道包含高温高压汽水管道、中低压汽水管道和其他管道。这些复杂系统的管道均存在疏水、放水、放气用等小管道。管道设计配合主要体现在两个专业的配合上：一为热控专业，不同管道上存在数量不定的热控测点，测点的位置均有特别要求；二为土建专业的关于管道预埋件荷载提资及管道穿墙、穿楼板的开孔提资。因电厂各类管道数量众多，预埋件更是数不胜数，相关的设计配合工作量非常巨大。

2.2 管道等级的特殊性

目前，国内火力发电汽水管道设计中采用的选型手册主要有《火力发电厂汽水管道零件及部件典型设计手册》（GD87—1101）、《火力发电厂汽水管道零件及部件典型设计手册》（GD2000版）、《火力发电厂汽水管道零件及部件典型设计手册》（GD2000版）2006年增补、《火力发电厂汽水管道零件及部件典型设计手册》（GD2016）。结合《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》（GB/T 17395—2008）、《钢制对焊管件类型与参数》（GB/T 12459—2017）、《焊接无缝轧制钢管》（ASME B36.10M）和《工厂预制锻造对焊管件》（ASME B16.9）可知，典管的发展趋势是在向美标逐步靠拢的。

本文通过列举20钢（20G）在不同典管手册中不同压力等级、不同通径的管道壁厚数据进行对比，如图1、图2所示，得出以下结论：

（1）在大口径、高参数条件下，GD87管道的壁厚是小于GD2000和GD2016版典管同等级参数、同通经管道壁厚。

（2）在低参数条件下（PN40及以下），GD2000典管的小管道（DN＜125 mm）的壁厚普遍低于GD87、GD2016典管的小管道壁厚。PN25等级下，甚至存在很多小管道（DN＜80 mm）壁厚小于2 mm的情况。在实际项目实施过程中，因为小管道存在现场机械弯制弯管的需要，弯管时管道壁厚太薄易出现弯制不均匀折痕甚至折裂现象，同时，焊接时候要尤其注意焊接方法以确保焊接质量。

（3）GD2000典管的大管道（DN＞150 mm）壁厚明显高于GD87典管和GD2016典管壁厚。

图1 20钢PN100、PN63等级的管道壁厚对比图

图2 20钢PN40、PN25等级管道壁厚对比图

3 管道高效、精细化设计解决方案

3.1 管道材料等级表定制

通过典管手册的对比分析，针对通用PN系列的管道，本文推荐使用原则为：

（1）典管GD2016内容最新且最丰富，在高参数如主蒸汽、再热蒸汽及部分合金钢抽汽管道采用了丰富的定参数规格，因而建议高参数、定参数管道系统采用与GD2016匹配的管道系列。

（2）若管道需要采用Ⅰ系列管道规格，PN系列管道选择GD2016典管，如06Cr19Ni10材质管道。

（3）虽然GD2000典管在GD2016中被停止使用，但由于GD2000及GD2016的管道规格系列并不匹配，且在大管道中（DN＞150 mm），GD2000典管壁厚更趋于保守，在实际项目实施中，针对PN100及以下通用等级的20钢（20G）管道等，可采用GD2000典管手册。

（4）非Ⅰ系列管道规格的小管道（DN＜150 mm）建议选用GD87典管。

3.2 热力系统图的规范化协同设计

为便于热力系统工艺、热控专业的协同设计，本院引进先乔火电、核电联合辅助设计软件（INPOWER V3.0），可以实现全厂系统图的协同设计工作。根据制定的管道等级表，将定制的管道等级导入先乔系统，可选择每根管道的管道等级代号、每个阀门的型号规格，并确定其唯一的KKS编码。

3.3 管道三维高效协同设计

PDMS是英国AVEVA公司（原CADCentre公司）的旗舰产品。其管道布置功能尤为优秀，在制作好管件库之后，即可根据管道系统图和厂房设备、结构布置进行管道布置。其中，可以直接由INPOWER的“INPower-PDMS”接口实现所有管线在PDMS中的建立，管道等级只用在INPOWER系统中一次性输入，确保每根管线不遗漏、管道唯一，减少原有在PDMS中建立管线、选择等级等的基本操作时间。目前，我院已经实现汽机、锅炉、总图、建筑、结构、电气、热控、暖通、给排水等几乎所有专业的PDMS协同建模。

3.4 支吊架快速布置和导出应力计算模型

PCDS是基于PDMS平台与Revit平台的实现管道和结构专业三维协同的设计系统。PCDS支持工艺等专业在PDMS平台中进行三维埋件、荷载以及荷载提资，同时将提资发布给结构专业进行荷载分配以及最终的开孔埋件出图。

EHS是基于CAD、PDMS平台开发的管道支吊架设计软件，是一个高效的支吊架设计工具。其中LCTool是EHS在PDMS中的配合接口。

管道模型建立之后，根据结构框架模型，利用PCDS或者LCTool工具均可以快速实现管道逻辑支吊架位置、类型的定义。

通过PCDS的“荷载”菜单或者LCTool工具的“导出应力分析文件”功能可以实现管道模型直接转化为应力计算模型。原来需要以小时计的工作量，现在只需要几分钟的设置操作即可完成，且保证了应力计算模型与管道布置的数据一致性。

3.5 管道批量提资

在管道布置确定、应力计算合格条件下，PCDS软件即可开展管道荷载、埋件、开孔等向土建提资的工作。利用PCDS软件，可以快速精确进行埋件、管道穿墙、穿孔的提资，原本需要一周以上的提资配合时间现在只需一天左右时间完即可完成，且能做到精准提资，土建专业亦可在三维软件中直接接收提资信息，大大减少上下游专业的配合时间。