三维数字化协同技术在电厂设计中的应用研究

三维数字化协同技术在电厂设计中的应用研究摘要：近年来，随着我国经济转型的不断深入，电力行业得到了快速的发展，如今随着我国居民在日常工作和生活中对电量的需求不断增加，以及公司和企业在用电量方面的需求增加，原有的电厂运行模式已经无法满足人们对于电力行业的需求，新型的电厂运行方式成为了电力行业研究的重点。

数字化电厂作为电厂在信息化技术发展背景下的产物，逐渐得到了行业中的广泛重视。

但是随之而来的则是数字化电厂运行过程中设备的安全性和可靠性，如何充分利用电气设备的信息共享和传输就显得尤为重要。

协同技术和三维设计技术能够促进数字化电厂的运行高效性与更小的故障率，通过强大统一的数据库作为基础支撑，快速高效的实现传统的二维设计向协同三维设计模型的转换，促进数字化电厂的高效稳定发展。

关键词：三维设计；SP3D；协同设计；数字化电厂1 引言随着数字化技术应用的不断加快，数字化技术在传统电厂中的应用逐渐受到人们的重视。

数字化电厂是数字化技术应用在电厂建设中的高科技产物，其主要是指电厂对日常运行过程中的全生命周期进行量化和分析控制等操作，通过企业的数据库将电厂运行过程中相关的数据进行储存，并将数据库信息向客户传输和共享，以便于客户实现对电厂信息数据的管理和应用，实现数字化电厂设计的原则。

除此之外，数字化电厂的建设还能够使电厂的客户通过使用网络技术远程实时对电厂数据库进行访问，并进行远程控制和管理等操作，大大提升电厂运营、维护的质量和效率。

随着数字化电厂建设，协同设计技术和三维设计技术将在建设过程中发挥越来越重要的作用和影响。

如何在更大程度上发挥三维协同设计技术在数字电厂建设中的作用，已成为一个电厂自动化领域需要解决的技术问题。

2 三维数字化协同设计的优势现如今,随着中国经济的快速发展和人民生活水平的提高,人们对于能源的需求,尤其是电力方面的需求将逐渐加大。

如何优化设计工具,如何提高设计水平,降低电厂的建设周期并使其更快地投入生产经营,以满足经济快速发展带来的电力不断增长的需求已成为现如今急需解决的问题。

因此,利用协同、三维技术来实现先进的企业管理,协同和三维设计技术在数字电厂中的应用可以使电厂的设计质量得到进一步的提升，同时协同和三维设计工具也成为了现代电力企业发展和壮大的先决条件。

近年来除了使用成熟的PDS、PDMS软件进行三维设计外，开始逐步实施了Intergraph公司的SmartPlant 3D（简称SP3D）软件的使用与推广工作，该软件是一款具有前瞻性的产品，打破了设计技术局限，可以在整个工厂的生命周期内对工厂进行维护，改变了工程设计的方式，其基于数据库基础上的一体化多专业集成布置数据库平台，极大简化了工程设计过程，有效使用并重复使用现有数据。

结构、设备、管道建模都在此模块中完成。

基于数据库的设计软件，以区域或系统划分工厂结构（WBS），统一按照设计院的设计规则及工作流程来进行设计，并可进行各模块之间的集成，便于设计信息的查询和管理，贯穿于设计、施工到运营等完整的工厂生命周期。

SP3D以数据为中心，Microsoft Windows风格的界面使用户很容易上手，包括公共环境、设备、管道、支吊架、电仪、暖通、成品与报告多个模块，接口开发，与同是SP系列软件的工艺、仪表、电气系统软件、材料管理软件在信息管理平台下进行数据集成设计，保证数据准确性及唯一性，三维模型直观，能很好地避免碰撞问题，提高设计质量，为工程现场施工提供了很好的保障。

此外，SP3D还可以通过SP系列软件中的SPF接收SP P&ID发布的数据，将3D中的P&ID图纸中的对象进行对比验证，实现设计数据从二维到三维的传递、设计的集成及与P&ID图纸的一致性校验。

采用三维设计软件SP3D进行三维设计不但能提高效率，而且能够提高设计质量，优化设计，是近年来最先进的工厂设计软件之一。

SP3D作为主流的工程布置协同设计平台，具有以下特点。

（1）采用协同工作模式，所有专业在同一空间下建模，所有模型的数据在同一数据库中存储，协同工作方式简单直观。

利用三维协同设计即时性的特点，各专业建模工程师可实时同步数据和实时查看所有专业的三维布置设计数据。

（2）数字化三维模型可实现工程设备设施的数字化、精细化和可视化，从而使设计数据通过数据管理平台实现工程信息集成。

（3）三维模型设计平台在操作的易用性上表现较为突出，特别是在管道等工艺系统的三维布置设计方面。

（4）具有高效率的多专业三维模型碰撞检查功能，能够实时发现各专业模型的碰撞问题，提高建模人员的沟通效率，及时纠正设计院施工图纸中的不足，避免施工过程中因碰撞和干涉导致的返工，提高设计质量，降低建造成本。

（5）通过最新型的设计程序来缩短了工程周期。

（6）保存有价值的工厂设计信息并且可以在将来的工程中复用。

（7）获得新的或是已有的工程信息并加以保存用以未来的复用，这是如今全球经济竞争成功的关键。

3 SP3D在电厂设计中的应用数字化协同设计的过程被分为四个阶段：项目订制、系统设计、布置设计、详图设计。

项目订制包含以下几个部分的内容：项目的WBS、相关人员权限的划分，相关数据服务的建立以及各项标准的订制。

SP3D的主要模块有设备模型模块、钢结构模块、管道设计模块、电缆桥架设计模块、采暖通风设计模块、参考数据库管理模块、图形管理模块、应力分析接口、碰撞检查管理模块、管道轴侧图接口、报表生成模块和设计审查模块等。

具有模型漫游功能（用专用软件SmartPlant Review完成），可发现模型错误，设计中的错、漏、碰、缺，以保证设计质量。

三维模型设计在计算机上可动态直观地展示出工厂或单元装置建成后的实际情景，有利于业主更客观准确地作出决策，进行施工控制及生产维护。

在电厂设计专业应用之初，三维软件仅仅用于主厂房检查碰撞设计工作，简单地将二维图纸转变为三维虚拟模型，建立的三维管道模型也只是简单满足碰撞检查需求和管段施工图的生成。

结合笔者所参与设计的陕西延安煤油气资源综合利用项目热动力站工程热电联产项目，从工厂订制、数据库、轴网、结构、设备、管道设计、碰撞检查、出图、材料统计等方面浅谈SP3D在电厂设计中的应用。

3.1 操作程序规定为保证三维建模的规范统一以及最后三维出图的流畅，需要首先定义一个工厂区域Define Workspace。

通过过滤器Filter的设置，在三维中项目建立以后，对用户登录名称、用户权限、数据库树状网格式、命名方式及选用的参数标准等均需统一规定。

3.2 轴网设置SP3D建模的基础是由单个或多个用户使用绝对坐标将整个工厂的三维模型建立起来。

在这个模型中，用户可以很直观地完全预览到整个工厂的模型，及时发现并有效纠正结合部位的错误。

电厂项目设计的轴网系统非常繁琐，需要用到绝对坐标和相对坐标结合的方式来完成。

建立起来的轴网系统可以作为全局的参考坐标和定位系统，极大地简便了后续结构、设备、管道等的布置定位。

在实际项目中，可以根据汽机房、锅炉房、炉后、脱硫、脱硝、空冷岛、厂外管廊等区域划分建立不同的坐标系，通过该轴网系统，可以很清楚地知道主厂房外的整体布局。

3.3 电厂管道与管件数据库建立三维建模是在建立数据库的基础上设计，该电厂项目参照《火力发电厂汽水管道零件及部件典型设计手册GD87-1101》规范，将SP3D数据库用Excel表填写汇总，通过SP3D自带的交互界面读入数据库中。

作为工程设计软件中一个重要模块，SP3D管道数据库兼具整体性和独立性：（1）与整个数据库协调的Codelist 部分；（2）划分Specification部分；（3）反应管道实际尺寸参数的Catalog部分。

在建立一套完整的电厂管道、管件数据库，进行分类归纳后，在接下来的模型设计过程中只需从数据库中选择相应的设备部件，简单修改参数后即可使用。

3.4 建立土建结构模型首先由人员进行轴网布置，确定整个厂房的坐标，方便对设备进行布置、就位等，再建立厂房整体结构，使模型具备土建条件。

SP3D在结构建模方面最大的特点就是其杆件之间的关联性。

失去关联意味着失去基础，对往后的复制、镜像等操作以及输出文件都会造成很大的影响。

SP3D对于如楼梯、爬梯、扶手等结构的创建主要基于外型方面的参数设置，用户可以根据设计需要选择合适的类型，并可对相应的参数进行修改。

但在该电厂项目中，这些零星结构的设置主要用于示意及检查碰撞，并不作为结构专业的出图标准。

3.5 搭建设备模型在SP3D中用户可以放置参数化设备，也可以根据需要放置非参数化设备。

放置参数化设备相对比较简单，用户在设备的属性页面中可以很直观地查看外型和参数定义，由此用户可以根据设备信息，对SP3D数据库中已有的模型进行修改，如定义设备名称，存放的目录，以及修改设备的尺寸、参考点等标准属性。

另外也可以根据需要利用标准几何体搭建设备模型，只需要满足总的外形尺寸、接口定位尺寸对总体空间布置、对接口的要求即可。

组装好的设备按照总平面图的坐标要求进行定位。

3.6 工艺管线、电缆桥架的布置在土建专业完成建筑物模型以及设备就位后，开始布置工艺管线及电缆桥架。

在这一步遵循先主工艺专业后辅助专业，先主要管道后次要管道的原则。

3.7 碰撞检查在SP3D环境中可对全厂模型进行碰撞检查，不仅可以检查出各专业之间的模型碰撞。

也可以检查出模型与预留空间的碰撞。

其中SP3D的碰撞检查有两种模式，一种是在服务器上进行的碰撞检查，另一种是交互式碰撞检查。

3.8 图纸和报告在SP3D模型基础上可以按照需要提取管道系统，电缆桥架的各方向布置图，也可抽取任一标高的平面、剖面图。

同时可以直接生成管线，管件以及其它部件的材料表、设备明细表等，可以最大限度地减少工作量，同时避免统计错误的出现。

4 结语传统的二维设计手段，各专业设计人员不能有效沟通，且受二维设计空间的局限，提交的施工图纸在现场施工过程中不可避免地存在着差、漏、错、碰问题，甚至会对工期及费用造成较大的影响。

二维向三维的数字化变革，使传统的设计理念发生了彻底改变，设计核心由图纸转化为三维模型，实现了二维平面设计向三维立体设计的转变，由以往的数据、图纸分离交付转化为三维图形和数据一体交付，由通过书面文字传递的协作方式转变为多专业面向同一三维模型、同一平台的作业方式。

随着三维数字化协同技术的运用以及相关配套数据的不断完善，为电厂数字化设计、施工、管理模式变革提供了技术手段。

基于这个角度，本文主要分析了三维数字化协同技术在电厂设计中的应用，以期提高电厂设计的水平与质量。

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