中深层地热能源站机电管网工程快速施工方法探索

李昊 李瑞霞 王天任 李骥飞 杨艳 马启震

1 中石化新星（北京）新能源研究院有限公司

2 长江设计集团有限公司

中深层地热能源站是一种以地下1500～2000 m热水为基础热源，为用户集中供热的区域供暖系统。中深层地热能源站主体工程为带压供热机电管网工程，站房内部机电设备分布密集，管道交错复杂，施工质量要求高，采用传统的现场管道焊接施工方式，施工工期较长，不利于站房的快速建设和投用。为提升中深层地热能源站机电管网施工效率，本文针对工厂模块化预制、非焊接连接技术应用、二维码标记技术应用、现场施工顺序4 个方面的应用需求和实施方法展开分析和研究。

1 应用工厂预制技术减少现场施工量

中深层地热能源站机电管网施工包括设备定位、管道连接和支吊架搭建等环节，占站房总体施工量的60%以上。传统的机电施工主要在现场完成，施工排序在土建施工完成之后，施工节点受土建施工进度制约，拉长了整体工期。

为解决上述问题，在实施现场机电管网施工之前，预先在工厂对管道和设备进行模块化加工组装，可以减少70%的现场施工量。依照设计图纸进行标准化模块生产加工，可以与土建施工并行展开。为实现模块的标准化生产，需要规范模块的拆分、组装、加工和支撑等工序。

模块拆分指确定模块的集成方式。地热能源站的主要设备单元包括气液分离器、旋流除砂器、板式换热器、热泵循环泵、热泵机组、供热循环泵、补水装置、回灌加压装置、分集水器、主干管道和配套阀门仪表等[1]。为便于施工现场拼装，需要以主要设备为基础单元，以设备进出水管所连接的主干水管分段为节点，进行模块化拆分。模块设备和管道通过框架进行固定和支撑。模块可以同一功能区整体集成，也可以同一类型整体集成。如图1 所示。由于模块加工厂房与施工现场存在一定距离，模块的拆分还需满足交通运输和吊装的尺寸要求。通常公路运输限高4 m，限宽2.5 m，限长8 m，吊装尺寸则应根据站房吊装通道设计图纸确定[2]。

图1 集成模块

模块组装指模块内部的设备、管道和阀门仪表装配。系统主干管道尺寸较大，为避免占用设备维护和检修空间，需要布置于框架的上层。阀门、仪表需要置于垂直配管上，操作手柄和仪表表盘统一指向维护通道，以便于现场操作。阀门组中间短管DN≤250 mm时，长度与管径应一致，DN＞250 mm 时，长度应为250 mm，以便于螺栓安装检修。

模块加工指模块内部管道和支架的出图、下料、焊接工作。模块加工精度是影响模块装配精度的重要因素，需要对各环节进行过程控制。模块加工前需出具管道和支吊架加工图纸、设备和支吊架基础定位图纸，标注管道和支架尺寸和位置信息。按照加工图纸采用冷切割下料，确保断面平整，将误差控制在1 mm以内。对于壁厚大于3 mm 的管道应进行坡口处理。采用工装机床平台进行管道组对，在平台上通过定位尺、法兰板等工具将管道组对误差控制在2 mm 以内。组对完成后，先进行点焊，然后运用自动焊接设备处进行全焊。

模块支撑措施（图2）用于提升模块内管道接口误差容错额度。在水泵的进出口应通过柔性管与钢管连接，消化水泵振动对钢管的影响，如图2（a）所示。水泵的基础应通过弹簧支撑与支架连接，消化水泵振动对支架的影响，如图2（b）所示。管口与支架之间应通过木托和卡环固定，可以通过调节木托厚度配合柔性管和弹簧减震器对管口位置进行微调，消化微小横向误差，如图2（c）所示。

图2 模块支撑措施

2 应用非焊接连接技术简化现场装配难度

管道连接和支吊架搭建均涉及到管道和钢材的切割、组对、焊接等工艺。机电施工现场设备管材排布密集，空间条件受限，不利于大型加工机床展开，采用传统的手工焊接，施工难度大，施工精度和效率均难以保证。

为解决上述问题，采用现场管道沟槽连接替代焊接连接。沟槽连接工艺指在管道接头部位采用专业滚槽机加工成环形沟槽，在相邻管端套上C 型橡胶密封圈，用拼合式卡箍件和紧固件组装成的套筒进行快速连接。沟槽连接管端拉力强度大，试验压力可达4.2 MPa，温度为30 ℃～100 ℃。沟槽接口为活性连接，可消化1～6 mm 纵向间隙。沟槽节点安装器材简单，安装工时为法兰连接的1/2～1/3，为焊接连接的1/6～1/9。

目前，国产沟槽连接件直径在DN25 mm～DN400 mm 之间。根据2021 年中国工程造价信息网数据显示，沟槽连接件价格相对于同等直径的法兰具有优势。如表1 所示。对于DN＞400 mm 的沟槽件需要从国外厂家定制，且费用较高。以维特利沟槽厂家为例，其DN＞400 mm 的沟槽件价格较法兰高出4 倍以上。

表1 法兰、沟槽连接综合工日和费用对比表

中深层地热能源站受地下热水资源和地热井换热能力限制，通常供能负荷≤12000 kW，供能面积≤30 万m2，供回水温度在40～60 ℃之间，水管压力＜1.0 MPa。根据当前供能技术指标计算，房内部管道最大直径≤400 mm，处于沟槽件性价比较高的管径区间。

中深层地热能源站管道连接施工可分为管段与管件的连接、管段与设备的连接、模块接口之间的连接3 种形式。其中，管段与管件连接可以利用工厂成套的机床设备进行预制加工，加工时间宽裕，加工精度高，经济效益权重高于时间效益权重，应采用焊接。水泵、阀门、仪表多采用法兰作为接口连接形式，这些设备与管段之间连接多采用法兰连接。模块之间、主干管道分段之间连接在施工现场完成，由于施工时间紧张、施工空间受限，应采用沟槽连接。为保证沟槽节点连接强度，需要在节点两侧500 mm 内设置支吊架。

3 应用二维码物流管理技术提升施工协同效率

中深层地热能源站机电管网工程施工环节多，工序衔接紧密，信息管理工作量大[3]。以一个供热负荷为1 万kW 的中型地热能源站为例，经过拆分，需要标记的模块有60 多个，管段有1000 多段。每个管段需要标记尺寸、材质、节点安装方式、生产加工进度、责任班组等信息。采用传统的人工登统计管理方式，容易出现管段组对错误、尺寸错误、管段丢失等问题，进而影响施工进度。

为解决上述问题，依托二维码信息管理技术对设备信息和施工组织信息进行管理，减少施工差错，提高协同效率。

首先需要构建施工信息化管理平台。管理平台应具有BIM 模型轻量化，数据实时共享，线上多人协同化办公，BIM+二维码数据双向关联等功能。其中，BIM 模型为1:1 尺寸三维机电和土建模型，是信息数据的载体。

然后需要建立管段信息管理库。出具设备管道装配图，以模块三维透视图为基础，标记管段编号和节点连接类型，用于指示管段位置，指导管道安装。为每个管段编辑唯一二维码，并打印粘贴在管段上。二维码可关联管段的尺寸、材料、分类、编号、状态、位置、责任人等信息。

手机扫描二维码可以一键备注上传管段加工、组装、运输、吊装动态信息[4]。还可以通过扫描二维码，获取管段的位置、尺寸信息，并关联BIM 三维模型，指导管道施工。如图3、图4 所示。

图3 扫描二维码示意图

图4 管道模型定位示意图

4 优化施工顺序消除土建与机电施工误差

中深层地热能源站机电模块在工厂预制，与土建工程并行施工，将不可避免面临施工精度配合的问题。通常土建施工误差要求为厘米级，而机电施工误差要求为毫米级。在工厂预制完成的模块，运输至施工现场装配，经常因为基础水平和纵向误差较大，导致模块定位不准确，模块之间的预留管道接口抽心错位，导致无法装配，延误施工进度[5]。

为解决上述问题，需要对施工顺序进行优化。

首先应在土建施工和模块工厂预制之前，预先定位设备基点[6]。机电设备安装与土建配合的地方主要有设备基础位置、支架基础位置和预留管口位置。优先出具基点定位图纸，以基点定位图为基准定位BIM模型设备，并指导模块预制加工。土建施工时采用激光测距+三维扫描工具校准基点位置，将基点位置精确到毫米范围。土建施工完成后，对现场基点做好标记，为机电模块进场装配提供定位依据。

然后需要优化模块装配顺序。模块被运送到现场装配时，应按照先热泵机组、供回水主管，后其他设备的顺序进行装配。热泵机组体量较大，且管口为刚性连接，需要优先装配。供回水主管作为系统主要管道路由，且为刚性连接，应紧随热泵机组进行安装，为其它模块设备提供接口位置参照。主管道沟槽连接施工需要从前往后依次进行，避免因多向施工，造成局部间隙过大，无法连接。最后进行循环水泵、板换、过滤装置、补水装置的装配。利用设备模块内部的柔性连接、弹簧支撑、木托支撑构件进行微调，消化管口组对横向误差。利用沟槽连接节点间隙消化管口组对纵向误差。

5 结论

工厂预制技术应用的关键是解决模块标准化的问题。非焊接连接技术应用的关键是合理应用法兰、沟槽和焊接方式，最大化控制成本，提高效率。二维码物流管理技术应用的关键是建立精细的BIM 模型和搭建二维码管理软件平台。优化施工顺序的关键是以定位基点作为机电和土建施工配合的纽带。对比实际应用案例，采用本文论述的施工方法可将中深层地热能源站机电管网工程现场施工时间减少到2 个星期以内，实现快速施工的目的。

本研究的不足之处在于未对站房外部地热井和管网的快速施工方法展开讨论。主要考虑外部地热井和管网施工不受站房土建施工限制，对工期影响不大。但是这也影响到论文内容的完整性，后续将对这部分内容做进一步研究。