数字化协同设计在煤矿建设项目中的应用

2023-09-18郑伟生别铜选

陕西煤炭 2023年5期

郑伟生,别铜选,付宇

(中煤西安设计工程有限责任公司,陕西西安 710054)

0 引言

在“数字化+可再生能源”的时代大趋势下,以及“碳达峰、碳中和”的目标大背景下,数字化转型成为能源企业当前重点发展方向。当前以神华集团、中煤能源为代表的各大煤炭企业集团已经在数字化转型的道路上扬帆启航,围绕煤炭工业与物联网、大数据、人工智能、自动控制、5G网络等关键领域,持续开展煤炭智能化、利用清洁化、管理信息化等技术创新和应用[1-2]。作为上下游企业,数字化转型工作的开展,与业主企业的对标,提供更优质高效的数字化服务,是弯道超车甚至把握行业领先等重大机遇的重要契机。

国家发改委、国家能源局、国家煤矿安监局等部门印发《关于加快煤矿智能化发展指导意见》的通知(发改能源〔2020〕283号),要求全面加快智能化矿山建设,推动高产、高效煤炭开采,发展以实现无人化开采为目标的智能技术与装备[3]。对数字化技术的应用是实现智能化矿井的重要技术支撑,煤矿项目数字化已经成为必然的发展趋势,煤矿企业掌握数字化业务能力,就能在市场竞争中占得先机。

1 大海则煤矿概况

大海则煤矿生产规模为15.0Mt/a,是中煤能源集团有限公司近年来建设的最大煤矿,产量高、储量大,是“国家首批智能化示范煤矿”之一,其配备大海则选煤厂目标是建成示范化、智能化选煤厂,洗选工艺为块煤重介浅槽分选;其主厂房筛选一体,即具备原煤筛分及块煤洗选功能,块煤采用2套重介浅槽分选,煤泥采用穿流式压滤机脱水;配备的原煤球仓是目前世界上单仓煤炭存储量最大的气膜钢筋混凝土球形仓。如图1所示。

中煤集团基于多年技术能力的积累,聚焦行业,在智能矿山、智慧煤化工、智慧电厂、智慧工厂等方向持续发力,探索用工业互联网的能力增强煤矿高质量发展的模式,落实集团以及国家提出的“双碳”战略目标,选煤厂设计、建设、运营的数字化应用是其重点之一。

整个选煤厂的特点是设备多、管路多、涉及专业多,设计复杂[4]。为最大程度避免出现二维设计的错漏碰缺引发的变更、返工进而造成工期延误、经济损失等问题,大海则选煤厂采用数字化协同设计,大部分设备以及所有工艺管线实现正向设计,其优点有:①大量复杂的设备可以全部实现三维建模,达到三维可视化,能够准确表达设计意图、减少错误和返工;②可以通过参数化来组织模型,构件的几何参数与形体相关联,并进行双向驱动,实现数据统一和快速建模;③建筑模型及工艺管路基于统一平台进行多专业的协同设计过程,能够更有效地进行专业协作、信息不对等协调,能够更全面、更有效地将隐藏的专业冲突或矛盾进行暴露并及早解决;④统一的数据库管理,有助于设计优化、信息传递以及价值挖掘,通过强大的数据库,使得设计阶段的模型和所有必要的信息可以被后续的施工、运维等阶段使用,更有助于提升整个工程的建造效率以及全生命周期管理的效果。

2 数字化协同设计流程

由于国内目前在煤矿项目上还没有展开较为完整的数字化协同设计,大海则选煤厂在对化工、电力以及民用项目进行充分的调研后,梳理了选煤厂数字化协同设计的流程,主要分为10个部分,以下对其中比较重要的部分作详述。

2.1 技术标准体系构建

在项目策划组织阶段,针对该项目编制一系列公司级BIM标准体系及BIM实施方案,定义通用性概念,以指导项目标准化操作,其中包括但不限于:《模型命名规范》《关联设计方法及规范》《基于3DE的选煤厂三维设计结构树搭建方法及规范》《基于3DE平台模板库搭建及维护原则》《选煤工程BIM应用技术标准》等。

相关规范和原则作为数字化设计的纲领性文件,起到统筹规划和指导性作用。只有在统一的规定下,才能保障各方数据信息形体的流通。在大海则项目实施之后,设计团队发现,许多规则虽然被定义下来,但仍略显不足,在后期以及其他项目需进行进一步完善。目前除完成的一些规范和标准,还有一些在编。编制规范和标准在很大程度上会影响项目数字化设计的进度,在目前行业体系规则仍不完善的现状下是无奈之举、也是必要的过程。如图2所示。

图2 企业规则或企业标准(部分)

2.2 平台搭建

项目采用Dassault 3DE平台作为数字化协同设计平台,协同平台的所有数据可应用到全生命周期进行管理。各专业采用CATIA进行协同设计,采用Simulia进行专业计算仿真,采用Delimia进行施工方案模拟,项目及设计数据采用ENOVIA进行管理。

针对煤炭工业项目的设计特点和 Dassault 3DE平台的功能特性,全专业研究形成了数字化协同设计的工作流程,设计人员基于统一平台协同工作,可随时了解不同专业的进展和详细情况,保障协调与沟通的及时性。工作流程如图3所示。

图3 数字化协同设计工作流程

2.3 协同设计

整个流程的基石是合作区的搭建与任务分解,而核心则是协同设计与详细设计。基于项目的管理平台搭建满足了详细的工作计划及任务指派,确保设计人员保质、按时完成设计任务;各专业人员则根据设计权限开展数字化设计,数据由平台统一管控,保障其唯一性和安全性。

项目实施过程中,构建各专业协同设计体系是整个工作流程的难点,项目负责人负责构建PBS结构树并创建总骨架,各专业引用同一骨架协同设计;骨架采用TOP-DOWN,即自顶而下的建模思路。首先,总图和工艺专业协同确定总平面的“骨架”,其主要包括原点定位(基准坐标系)、厂房的标高及位置控制轴系等;然后工艺专业参照总图提供的骨架创建各单体自身骨架(如轴网、标高、设备的预定位轴系等),采用装配模块将设备布置到关联轴系上,调整轴系位置对方案进行优化和定位。详细设计的任务流程如图4所示。

图4 详细设计的任务流程

2.4 项目管理与数据库管理

大海则煤矿项目实现在云平台进行项目管理和数据库管理,固化项目管理经验,及时了解项目占用资源和人力成本,实现设计全过程数据管理。在云端可以根据各专业情况定义Wbs设计任务,实时定义的任务与模型相关联,设计者第一时间了解设计进度和动向。例如在云端创建逻辑设备,配置逻辑端口,设计者进行资源库管理设备,其他专业可以随时进行调用。

开发团队通过轻量化模型、简化体系等方法对云端空间进行优化,但Dassault 3DE平台由于自身逻辑过于复杂,导致模型大、运行卡等问题,实施起来只算是差强人意。这些问题解决途径或许有2种,一种是从底层逻辑开始进行简化、优化体系;一种是采用其他平台对Dassault 3DE的数据进行兼容。目前,一方面软件公司正在深度开发,寻求进一步优化;另一方面大海则煤矿项目正在寻找国内优秀的平台开发软件进行合作,探讨项目管理和数据库管理的先进模式。项目管理窗口如图5所示。

图5 项目管理窗口

3 存在问题剖析

数字化设计技术在国家政策和市场需求的双重驱动下逐渐发展起来,目前煤矿项目处于技术开发和应用初期,通过大海则煤矿项目的积极应用,发现了数字化协同设计的许多优势,同时也暴露出一些问题,其中突出的有以下几方面:①建模效率不高,各阶段设计主要以“二维-三维”的翻模方式为主,难以完全实现正向设计。②应用范围不广,业内重视程度不高,导致数字化技术进步缓慢、与工程衔接度普遍较低。③行业规则体系不完善,缺乏规范约束和指导。④族库不完善,设备、管件等大部分依赖设计人员建模,严重影响设计效率。⑤软件多而杂,且相互之间兼容度不高,导致数据流通滞涩。目前,国内三维应用软件少,过度依赖国外软件,而国外软件的使用费用很高,厂商操作系统每年都会升级,应用过程可能出现资金不满足需求的情况,无法实现技术在业内普及。⑥人才缺口大,新人易上手但经验薄弱;有经验的设计师学习软件进度慢,甚至存在抵触现象[4-6]。

4 应用价值及应用前景

4.1 应用价值

尽管数字化协同设计前进的道路步履维艰,但其优势和价值还是不可否认的。大海则煤矿首次采用全专业、全过程的数字化协同设计,并将数字化模型应用于主厂房的施工和安装中。目前数字化设计项目的子项目大海则主厂房工艺管路、机制溜槽等采用正向设计,基本实现零碰撞。通过采用Delimia进行施工仿真模拟,对于现场主厂房建造、设备和管路安装起了规范和指导作用,前期设计虽然花费较大的精力,但后期施工进度和成本控制高效而准确,并且大大地提高了效率、降低了风险。主厂房工艺管路三维模型如图6所示。

图6 主厂房工艺管路三维模型

在项目三维协同设计的同时,团队基于3DE平台自主研发了选煤厂数字化设计的APP。结合设计经验和相关规范,嵌入业务逻辑,完成设计工艺的模板化,封装成选煤厂设计APP,使设计方便、建模快速;非标设备三维设计标准化、组件化及流程化,能翻倍地提高设计效率。选煤厂数字化设计APP如图7所示。

4.2 应用前景

目前,除了在选煤厂以及矿井水处理等方面应用数字化协同设计,在地质建模方面也作了尝试。从地质信息提取到数据处理,再到创建地质模型,最后生成地质结构,基本论证了可行性,为以后矿井的数字化设计奠定了一定的基础[7]。

未来,随着智能化矿山的要求逐步推进,数字化技术逐渐深化,从数字化工厂到地质建模,再到井巷开拓数字化设计等,都是绕不开的坎。通过大海则煤矿的深度应用,逐步向市场推广数字化与智能化的深度融合,逐渐推广应用到其他煤矿项目是未来的目标。要真正实现矿山数字化和智能化,路还很长。但同时数字化技术应用前景是广阔的[8-10]。