PDMS在放射性废物处理厂房设计中的应用

＊陶耀光 贾惠敏 张惟睿 刘江海

（中国核电工程有限公司 北京 100840）

放射性废物是指放射性强度超过一定限定值的任何气、液、固态废料[1]。人类在利用放射性物质过程中都会产生放射性废物，核工业生产和研究活动中产生量最大。核废物来源广泛，但主要产生在核燃料循环过程中，乏燃料后处理过程为甚。核电站乏燃料后处理过程中产生的放射性废物体积约为总放射性废物源体积的3%，而放射性活度占全部放射性废物放射性活度总和的95%左右[2]。为保证核废物安全处置，通常要对放射性废物进行处理。放射性废物处理工艺涉及化工常用单元操作，如蒸发、吸收、精馏、沉淀、过滤、焚烧、固化等。但由于核废物兼具高放射性的特点，放射性废物处理厂房设计要保证足够厚度防辐射屏蔽，较高的抗震要求和冗余的设备配置，保证核废物处理设施安全运行。为保证设计质量，核电工程领域较早开展三维设计。目前中国核电工程公司新建核电项目已全部使用PDMS进行设计，技术非常成熟。借鉴核电工程应用经验，放射性废物处理工程领域也逐步引入三维设计平台进行设计。

1.PDMS软件简介

1977年英国AVEVA公司推出PDMS（Plant Design Management System）商用工厂三维设计管理系统平台，实现了各个专业在工程设计中的交互设计，一直备受业界好评。PDMS主要模块包含ADMINISTRATION（项目管理）、PARAGON（数据库维护）、DESIGN（三维设计）、DRAFT（平剖面切图）、ISODRAFT（ISO图抽图）和REVIEW（厂房漫游）。PDMS核心架构是数据库，包含元件库和等级库，设计信息储存在元件库和等级库中。PDMS三维建模的本质就是引用和修改数据库中的数据。PDMS依托数据库平台，以数据为中心，确保各专业设计的三维模型在数据库中完全同步，达到协同设计的目的。施工图出图阶段PDMS自动智能生成平（剖）面布置图、ISO图、材料表、各类支吊架一览表等成品文件，智能化和自动化程度高。PDMS工程设计缩短设计周期，提高设计质量，提供涵盖多行业的工程设计一体化解决方案。

2.放射性废物处理厂房设计难点

为使放射性废物最小化，必须对放射性废物进行处理，尤其是已产生的放射性废物。放射性废物处理属于核化工领域，除具有一般化工行业的特征外，还要解决放射性的安全问题。放射性废物具有高放射性和强腐蚀性，设计时需考虑强度、密封、耐腐蚀和耐辐照[3]要求。放射性废物处理厂房设计难点主要体现在以下几个方面。

（1）布置空间小，难度大。因为放射性废物的高放射性（浓缩后高放废液放射性达1013Bq/L），所以放射性废物处理厂房墙体必须保证足够的混凝土防辐射屏蔽厚度，因此厂房建造成本高。放射性废物处理厂房设计时还要考虑核设施退役时二次放射性污染废物问题，减少退役放射性废物。建造成本和废物最小化因素，要求放射性废物厂房面积尽可能小。工厂运行过程中高放射性区域内设备维修不方便，为保证放射性废物处理设施正常运行，阀门、仪表和管道等设备设施要设置备份，设备和管道数量庞大。有限厂房面积内布置大量设备和复杂管道，二维平面逻辑设计对设计人员业务水平要求高。

（2）非标设备多，规范要求高。核化工行业区别于一般民用化工行业，首要保证安全。为此，核工业明确规范涉核工程中设备设施的安全分级、抗震分级和质量保证等级[4]。放射性废物处理设备，如蒸发器、吸收塔、精馏塔、混合澄清槽、过滤器、各类贮槽、空气提升器、RFD泵、萃取柱等，都需要单独进行设计，满足核化工设备设计规范要求。

（3）设计校核复杂，耗时长。核电站乏燃料后处理一般在硝酸溶液体系内进行，导致放射性废物腐蚀性强。工艺方面，在腐蚀性和放射性条件下设备、管道和阀门的材质、等级、选型等要求较多。布置方面，管道头尾、三通、阀门、仪表连接次序，设备管嘴、支吊耳、支腿的定位等都需要注意。工艺和布置校验项目多，二维设计人工校核耗时长。

（4）各专业协同困难。放射性废物处理要考虑辐射防护，还要考虑设备和管道中放射性物质临界风险。设计过程中除涉及民用化工行业中工艺、力学、土建、结构、暖通、仪控、电气、给排水、气体、消防等专业外，还需要临界、辐射防护等专业配合。各专业的设计工具和标准不统一，二维设计各专业各司其职，不能实现交互设计。

放射性废物处理工程延用二维设计，费时费力，且易产生纰漏，影响工程设计质量和设计进度。

3.放射性废物厂房设计中PDMS建模过程

PDMS初期主要面向管道配管设计，逐渐发展成为工厂设计平台。利用PDMS进行工厂设计，必须要统筹考虑整个工程，有总体设计思想。个人设计思想要服从总体设计思想，统一协调，这是PDMS交互设计的精髓。放射性废物厂房设计中，从三维模型到实体，从图纸到施工，PDMS串联整个项目所有专业。各专业要在总体设计思想指导下，开展建模工作。

(1)厂房建模

总图专业根据总图设计规范，结合工程总体规划、地形、水文、地质、施工条件等完成总图。结构和建筑布置人员根据总图条件和厂房平面布置图，利用PDMS搭建轴线和建筑模型。合理布置轴线，确定厂房参考点，准确定位厂房各房间位置和标高。根据力学条件，结构专业进行结构（结构墙、梁、柱）建模，建筑专业进行厂房建筑墙、门、窗等建模。

(2)设备建模

设备专业根据工艺专业提资条件，进行设备设计。设备布置人员根据设备图纸按1:1比例建模，并按设备平面布置图进行设备布置。布置时结合工艺专业提供的P&ID图管道走向流程，详细定位管嘴方位，确定设备定位。设备建模必须保证管嘴、支吊耳、支腿等设备定位点的尺寸、方位和设备图纸一致。设备其他部位可模糊细节，但外形尺寸必须保持一致。

(3)管道建模

根据工艺专业绘制的P&ID图纸和数据库维护人员建立的管阀件数据库（包含元件模型、材质、等级等），管道布置人员进行配管设计，完成管道及仪表的布置。管道布置是厂房设计中重要环节，配管时结合管道设计规格、走向以及厂房模型实际情况进行综合考虑。建模时要遵循配管原则，先布置大管径管线，再布置小管径管线。压力流管线避让重力流管线，普通管线避让动力管线，检修频次低的管线避让检修频次高的管线。高放射性房间管线进入低放射性房间，管道穿墙点要做屏蔽防护措施。输送放射性废物的管道减少弯头使用量，减少焊缝数量防泄漏，管道变向尽量采用弯管处理。配管实时检查碰撞，配管坡向设置注意低点积液和高点排空问题。管道要满足仪表的使用要求，仪表前后布置设计要求的直管段长度，保证仪表运行时测量精度。

(4)检修平台建模

设备和管道建模完成后，部分因高度和空间等原因造成不易检修的设备、阀门、管道、仪表等，搭建检修平台模型。检修平台建模时注意考虑保温厚度、设备支吊耳位置、管道支吊架、设备焊缝、仪表预留安装位置等因素。

(5)桥架建模

电气和仪控专业提供桥架平面布置图，进行桥架建模。桥架建模时按照各专业管道综合意见，合理布置，避免与其他专业产生碰撞。多专业共架时协调沟通，顺序建模，预留其他专业建模空间。控制柜摆放时注意其他设备和避免占用通道。

(6)暖通设备布置

暖通专业设备体积一般占用空间较大。风管管径一般较粗，布置时极易与其他专业设备和管道发生碰撞。风管穿墙预留穿墙孔洞一般较粗，其他专业及时查看，避免本专业布置空间不足。暖通专业布置时，需搭建完整的设备和管道模型，便于其他专业检查。发生碰撞及时沟通，协商修改布置设计。

(7)埋板、支吊架、穿墙点建模

根据埋板、支吊架设计规范要求，数据库维护人员制定不同形式的埋板和支吊架模型，并写入数据库。各专业根据不同需求，选择调用合适的埋板和支吊架。合理布置支吊架，碰撞检查更精确。

各专业完成建模后，通过碰撞检查暴露设计中存在的问题，各专业协调解决，减少现场施工安装问题，提高施工效率，避免误工返工等。

4.PDMS在放射性废物处理厂房设计中的优点

PDMS以核心数据库为基础，直观三维图形作为输出，最终表现成果为图纸、各类报表等。PDMS实现三维模型直观、立体的审核与检查[5]。PDMS在放射性废物处理厂房设计中有以下优点。

(1)实现多专业协同交互设计

各专业二维设计过程中，存在问题或调整需要整理设计资料传递给相关专业，沟通协调做出修改调整，甚至一个变更要多次相互提资，设计效率低下。利用PDMS设计过程中，各专业实现设计工具统一、总体设计思想统一、设计模型信息统一，协同设计贯穿整个设计过程。各专业建立1:1比例三维模型保存在数据库中，通过输出设备直观呈现，实现二维逻辑设计到三维实体模型的转变[6]。各专业设计者可随时查看其它专业的模型，针对设计过程中产生的问题实时沟通，实现多专业协同设计。设计过程中还可以配合Navisworks软件，支持项目所有相关方审阅三维设计模型，提高设计施工的一致性、协调性，提升效率，减少设计变更。

(2)校核方便

PDMS大大节省了二维平面设计校核工作量和校核时间。设备和管道连接信息校核，配合其他工艺设计软件如Diagrams、EB等，自动校核三维布置连接是否正确，设备管嘴、管道头尾、三通、阀门、仪表等连接顺序是否和P&ID一致。除连接信息校核，PDMS同时可实现材料校核、等级校核，尤其放射性废物输送管线安全分级较多，管线材质、分级是否合规。PDMS项目管理校核中，仪表、阀门、法兰、垫片、螺栓、保温等可以和工艺材料清单对比，查漏补缺，减少多重采购的损失。针对放射性废物厂房面积小、设备多、管道复杂等引起各专业管道之间、管道和建筑、设备和建筑等产生的碰撞，可实时校核调整。

(3)智能生成设计成品文件

各专业完成设计建模，且审核通过后，可智能生成设计成品文件。厂房各层平面布置图、剖面图、局部剖面图、设备结构详图等可根据需要在Draft模块自由切图，产生三维模型的二维投影平面图。PDMS内置的ISO Draft模块可实现自动抽取单线图。除此之外，PDMS还自动标注尺寸以及设备、管道、结构等其他元件的标签，并自动产生的各类报表。

5.PDMS在放射性废物处理厂房设计中的不足

PDMS在放射性废物处理厂房设计中带来诸多便利，但也存在一些不足。PDMS从国外引进，贴合国外工程公司设计思维，引入国内部分设计模块有些“水土不服”。这就需要国内工程公司投入相应人力，制定设计流程规范，软件二次开发，体现三维设计的优势。PDMS应用于放射性废物处理厂房设计，存在以下不足。

(1)数据库维护工作量大

由于放射性废物处理厂房的特殊性，所以PDMS自身的数据库中数据不足以支撑放射性废物处理厂房设计工作。放射性废物处理涉及的设备和管阀件等，PDMS数据库不能即取即用，需要数据库维护人员定期更新数据库满足设计的多元化需求。PDMS开放的数据库环境模式，可以很方便地建立和修改数据库数据。但是基于放射性废物处理设施非标设备和阀门多，材料材质和等级要求高，利用PDMS进行放射性废物处理厂房设计，需要专业人员对数据库进行维护，根据工程需求制定满足放射性废物处理厂房的标准化数据库。前期数据库新建数据工作量大，包括所有的非标元件库和特殊设备元件的数据建立。项目初期需要投入较多的人力资源对数据库进行维护。

(2)施工图出图不完备

PDMS施工图出图时，由于放射性废物处理厂房内部各类元素较多，三维模型的平面投影切平（剖）图布置图时，图面设备和管线重叠、标注不清。抽取ISO图时，长管线和复杂管线的单线图支吊架、穿墙点、标注混杂、错位，甚至较长复杂管线抽ISO图时自动分段不均，没有平均切割一根管线，各张图纸上局部单线图有长有短。自动生成的各类报表内容不够齐全，不满足工程需求。这些错误需要人工校对、修改，保证施工出图的正确率。出图之前数据库维护人员根据出图规范需求进行二次设置，可减少或避免此类问题。

软件二次开发投入不足时，设计人员会感觉利用PDMS进行设计费时费力。随着利用PDMS设计放射性废物处理设施项目累积，积累的元件数量越多，就可以很方便新建一个数据库或复制一个数据库，后期维护成本大大降低。从三维设计长远发展来看，需要公司上层积极推动，体现PDMS平台的设计优势。

6.结语

三维设计在工程设计咨询行业广泛应用和核电工程三维设计的前车之鉴，放射性废物处理领域采用三维设计也是趋势化选择。PDMS作为三维设计平台的代表，其开放性的数据库模式特性，实现多专业交互设计。协同设计、直观呈现、自动生成设计成品文件的优势，能够满足放射性废物处理厂房的设计需求。针对PDMS在放射性废物处理厂房设计中的缺点，进行软件二次开发以及数据库更新维护工作，即可弥补PDMS的短板。PDMS在放射性废物处理工程中应用范围越广，更多设计人员在使用中参与优化，提高数据库标准化程度，才能充分发挥PDMS的设计优势，更好服务放射性废物处理厂房设计工作。