三维流程工厂标准化设计的实际应用——以某炼钢厂浊环水过滤站为例

高 明

（中钢设备有限公司， 北京 100080）

1 三维流程工厂设计特点

工厂设计通常包括两类工厂的设计，离散工厂（factory）和流程工厂（Plant）。离散工厂物流运输主要通过流水线操作，设备之间相对更独立，流程工厂的物流主要是通过管道输送，因此包含大量管道，如化工厂、电厂、钢铁厂等，二者适用的设计软件有所不同。本文实例是典型的流程工厂，使用的设计软件为AutoCAD Plant 3D。

三维工厂设计涉及多个专业，包括土建、给排水、工艺、电气等，各专业可协同操作，分别创建子信息模型，最后汇总成一个完整模型。每个信息模型元素具有唯一性、开放性、可视化和参数化等特点。生成的三维模型可转换成常用文件格式或国际通用的标准模式，如IFC（国际协同联盟建立的标准名称）。在项目的全生命周期中提升沟通、生产力、时间成本的效率和质量。

除上述特点外，三维协同设计最基础也是最重要的特性是- 采用标准约束和规则驱动[1]。各个国家都有相应的建筑和施工标准。比如管道，在我国有中华人民共和国国家标准GB，美国使用ASME 标准，德国使用DIN 标。规则驱动则是指在创建模型时，需按照一定的规则来执行相应的操作。如管道连接时管道两端的端点是法兰形式，则连接时会自动匹配相应标准的法兰。从而大大简化了操作复杂性，提高了效率和准确率。

本文实例以给排水专业为主体，成品模型由管道模型、设备模型、钢结构支架模型、设备基础模型等子信息模型组成。所有模型都有精确的物理特性和功能特性,可以准确快速的进行材料、设备统计并生成各种报表。

2 工程实例概述

本文实例为“一带一路”某亚洲沿线国家新建综合钢厂项目炼钢连铸厂直接冷却水（即浊环水）水处理项目中的过滤站设计。如图1 所示炼钢连铸厂直接冷却水主要用于二次喷淋冷却和设备直接冷却、冲渣，为了确保铸坯的质量和设备使用寿命，冷却水除了要保证合适温度外同时对供水水质和悬浮物粒径、浓度等均有严格控制。由于冷却水与铸坯直接接触，排水中含有大量氧化铁皮和少量油脂，所以在经冷却塔冷却之前需进行一系列水处理流程。一般为：一次铁皮沉池—二次沉池—过滤器—冷却塔[2]。

图1 过滤站三维模型设计效果图

本设计将其中的二次沉淀和过滤的环节合二为一，来水经一次沉淀后经过水力混合器、浊水净化器、双旋流过滤器处理送至后续循环冷却水泵站。处理水流量1 800 m3/h，压力0.45 MPa，温度约为60 ℃。主要水处理设备如下：

水力混合器1 台，处理水量为1 800 m3/h，直径为Φ4 m，最大水力损失≤0.05 MPa。用于将投的加药剂与充分混合，提高后续絮凝效果。

高效浊水净化器7 台，单台处理水量为300 m3/h，工作压力≤0.45 MPa，试验压力为0.6 MPa，最大水力损失≤0.1MPa 进水ρ（SS）≤500mg/L，出水ρ（SS）≤30mg/L，进水含油量≤30 mg/L，出水含油量≤6 mg/L，排泥周期为6～8 h（可调节）排泥平均含水率98%，单台外形尺寸为Φ4 000 mm×9 000 mm。

该设备主要是结合旋流分离及污泥循环回流为主要特征的一项沉淀澄清新技术。负压喷射装置带动循环回流的活性污泥，与水中的杂质形成小的絮体。水中油类与悬浮物经药剂的絮凝作用，形成大颗粒絮团沉降在下部排泥斗中，上部清水经溢流堰、出水管排出。下部污泥可定期排出，一般6～8 h 排一次，每次2～3 min。排出的污泥排至污泥池后统一处理。最后经过处里合格的水由出水口流出进入下一步过滤流程。主要过滤器设备如下：

双旋流过滤器7 台，单台处理水量为300 m3/h，进水ρ（SS）≤80mg/L，含油量≤10mg/L，出水ρ（SS）≤20mg/L，含油量≤5 mg/L，水反洗强度为0.6 m3/（min·m2），气反洗强度为3 m3/（min·m2），反洗水压力为0.3～0.5 MPa，反洗气压力为0.4～0.6 MPa，水反洗时间为2～3 min/次，气反洗时间为2～3 min/次，反洗周期为8～12 h（可调节），反洗水量比为1%～3%，最大水力损失≤0.1 MPa。

大流量双旋流高效自动过滤器利用旋向不同的高速水流进行反洗，增加滤料内水流的逆流剪切力，加大滤料间的翻腾作用和相互摩擦，使滤料与悬浮物、油的剥离更加迅速，减少周期反冲洗用水、用气量，约占过滤水量的2%左右，出水悬浮物去除率达93%，油去除率达90%；可将浊环水悬浮物质量浓度降到10 mg/L 以下，油含量降到5 mg/L 以下[3]。

此外还含压缩空气储罐、加药装置、电控设备等辅助设备。

3 三维设计应用及标准化控制

在流程工厂设计中设备的配管是主要设计内容之一。过滤站水处理设备较多，涉及的管线复杂多样，使用三维设计并将设备、阀门、管道赋予相应代号，整个项目设计的整体性和连贯性，简化了大量后续工作。

在三维设计中，布管前需要设置相应的等级库和元件库。等级库是由一系列标准零件构成的，例如10HS01是由DIN 标构建的零件库，等级库是三维设计的核心，三维配管设计是以等级库为基础进行的，配管需要等级库提供有关管道元件和布线特性的信息。

制作等级库需要有相应的元件库。等级库通常以压力等级方式表示，例如10HS01 是由DIN 标元件库中压力等级PN10 的零件为基础制作的，根据我国国家标准《管道元件PN（公称压力）的定义和选用》（GB/T 1048-2005）规定，“PN 数值的”选用系列如下。DIN 系列：PN2.5、PN6、PN10、PN16、PN25、PN40、PN63、PN100。ANSI 系列：PN20、PN25、PN110、PN150、PN260、PN420。不同系列的阀门和法兰等零件不能互换。本设计用到的管道压力等级有PN10、PN16 及PN25。

元件库则是工业标准的计算机表示。制作元件库需要参照标准手册或标准文档。元件库通常将管道和管件制作成一个元件库，阀门制作成另一个元件库。管道和管件包括多个标准，阀门种类多样，也包括多个标准，因此一个元件库通常包含若干个标准。例如国标元件库中包含了以下标准零件。《钢板制对焊管件》GB/T 13401、《钢制管法兰类型与参数》GB/T 9112、《通用阀门铁制截止阀与升降式止回阀》GB/T 12233、《全螺纹双头螺柱》DIN 976 等诸多标准。

本项目建设单位为一带一路某沿线国家企业，项目执行标准有其特殊性，本项目设备、阀门均在国内采购运抵项目所在地，管道及管件在当地就近采购。这就涉及到了国内标准与国外标准的兼容问题。本设计管道及管件采用DIN 标准（可对标国标II 系列）。设备、阀门采用国标，如GB 150—2011《压力容器》、GB/T 13922—2011《水处理设备性能试验》、CJ/T 43—2005《水处理用滤料》、GB 50055—2011《通用用电设备配电设计规范》等。为与配管管道保证一致，设备管口及阀门的接管和配对法兰等，需设备厂家根据技术协议要求进行调整。

4 结语

在国内外工程建设项目中，三维流程工厂标准化设计是一种高效、先进的技术手段，三维信息模型数据贯穿设计、施工、运营维护全生命周期，可减少重复建设，提高精度。