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发电工程数字化协同设计方案

摘要:为提高设计效率和质量,实现设计数据共享和数字化模型整合,根据工程实践经验总结出由资料交换、外部参照、模型整合组成的数字化协同设计初级阶段方案,并对三种模式进行了详细分析和论述,在此基础上提出了高级阶段建设工程信息集成管理平台,通过统一的编码规范和数据交换标准,实现跨系统、跨区域的协同设计方案。

关键词:数字化协同;资料交换;外部参照;模型整合;程信息集成

随着数字化技术的不断发展,越来越多的发电企业意识到数字资产与物理资产同等重要[1],为实现安全、高效、清洁、智能运行,新一代发电厂必将依托数字技术,建设全生命期数字化智能电厂。设计是产品生命的开端,也是大部分产品数据的来源。因此,为实现全生命周期数字化管理,设计、建造向运营方的“数字化移交”也越来越得到重视。无论是为了满足数字化移交,还是为实现更先进、更高效的设计,都需要从传统的设计模式向数字化设计模式转变[2]。在发电设计领域,由于不同专业设计的侧重点不同,采用的三维数字化软件也有差异,造成彼此之间的数据隔离,容易形成信息孤岛。因此,为了打破壁垒,实现设计数据共享和数字化模型整合,开展数字化协同设计就显得非常必要。

1现状

在传统发电工程设计中,多专业配合经常是以互相提条件的形式来体现的。这些条件以纸版通知书或电子版文档的形式提出,接收条件专业将其作为条件输入本专业的设计中。若提出条件方发生设计修改,接收方就必须重新输入和修改,这种操作模式限制了专业间配合效率的提高,而手工的重复输入也容易造成设计成果不一致,从而影响设计质量[3]。数字化协同设计是指由两个或两个以上设计主体,通过一定的信息交换和相互协同,分别以不同的设计任务共同完成同一设计目标。这一机制在国外一些大型国际工程公司里获得了成功的应用,特别是在石油化工、船舶制造等行业,不仅部门内部开展了高效的协同设计,跨部门、跨单位、跨区域的全球协同设计也已逐步推广,提高了设计效率、质量和资源利用率[4]。对于有多专业参与的发电工程,不同的专业很难采用统一的数字化设计系统,专业软件的分隔为专业间的数字化协同带来很多问题,目前的数字化协同设计主要在同一软件系统内部开展,也出现了一些接口解决跨系统的协同,如何更高效地整合多方资源仍处于摸索阶段。目前国内发电工程数字化设计系统主要有以下几类:智能P&ID设计系统,包括AVEVADiagrams、SmartPlantP&ID、COMOSP&ID、INPOWERP&ID等,均实现了以网络为支撑、数据库为核心的工艺、仪控智能P&ID协同设计,在发电工程设计中得到广泛的应用。工厂三维布置设计系统,以AVEVAPDMS、IntergraphSmartPlant3D为代表,在三维可视化环境下进行布置设计,包括机械设备、工艺管道、烟风道、支吊架、电缆桥架等,设计成果实时更新,并根据项目需要进行实时碰撞检查、抽取材料表单、管道安装图、平立剖图。建筑信息模型(buildinginformationmodeling,BIM)类设计系统,在发电工程设计中应用较多的主要有Autodesk公司的Revit建筑、结构和机电系列和Bentley公司的建筑、结构、电气和基础设施系列。各智能P&ID设计系统通常采用C/S架构,实现了基于统一的项目数据库,通过数据权限、版本管理以及规则驱动的系统内部各工艺专业和仪控专业数据级协同设计。工厂三维布置类设计系统以数据为驱动,采用C/S架构,设计成果均存放在统一的项目数据库中,布置设计各专业在统一的三维可视化环境下进行实时协同设计。BIM类三维设计系统通常以图形为驱动,多采用单机版,设计成果以文件形式存放,其协同方式主要是外部参照方式,并借助文档管理系统的功能进行协同管理。

2初级阶段方案

随着数字化设计的深化应用,根据不同专业数字化设计系统特点,结合现阶段实际情况,西北电力设计院有限公司探索出了一系列协同设计模式,并根据工程实践经验总结出由资料交换、外部参照、模型整合三部分组成的发电工程数字化协同设计初级阶段方案。2.1资料交换协同设计。资料交换协同设计指进行本专业设计时,需要其他相关专业提供相应的输入边界条件。其输入分为结构化数据形式和文件形式,分别实现数据级协同和文件级协同。数据级协同目前以数字化设计系统之间的接口开发的方式来实现,已投入工程应用的有二三维接口,机械布置设计系统与BIM土木设计系统接口等。二三维接口实现了工艺系统设计与机械布置设计之间的数据级协同,二维的设备、管道、阀门等对象的编码、参数可以数据发布的方式传递给三维布置设计,三维布置设计不仅能通过接口实时只读访问工艺系统设计图纸及数据,进行校验、数据接收,根据工艺系统发布的P&ID逻辑模型自动创建管道及其附件的三维模型,还能参与工艺对象详细参数多专业协同设计,将布置设计相关参数发布至二维系统设计系统,从而实现系统间的双向数据交互。机械布置设计系统与BIM结构设计系统接口通过中间数据库实现工艺专业的荷载、埋件、留孔根据规则生成并向BIM设计系统发布、校验和管理,结构专业的设计模型向机械布置设计系统的发布和复建,实现不同布置设计系统间的双向数据交互。由于发电工程数字化设计系统众多,其三维模型和数据格式各不相同,以两两接口的方式来实现协同设计无法实现设计数据的集成和全面协同,考虑到开发周期、生产的平稳性、协同经验等因素,目前以流程驱动的文件级协同仍是重要的协同方式。此类协同通常以设计项目信息管理集成系统为中心,组织协调各专业内、专业间、跨部门的协同管理,各数字化设计系统生成需要交互的文件,提交至集成系统进入协同流程,集成系统通过权限管理、记录追踪、电子签名等技术确保系统的安全性,同时通过关键流程节点的控制,保证交互信息的准确性。2.2外部参照协同设计。外部参照(externalreference,Xref)是指在一幅图形中对另一幅外部图形的参照(或引用)[5],主要应用于图形驱动的设计系统。外部参照是开展各专业协同设计最基本和最简单的方法,主要解决专业间或者专业内部不产生资料交互,仅借用其他设计成果进行设计参考或作为出图环境背景时的协同设计。由于BIM类三维设计系统是以图形为驱动,多采用单机版,设计成果以文件形式存放,因此外部参照也是目前不可或缺的协同方式。外部参照协同设计需定制统一的模板、路径、文件命名规则、模型基准点、坐标系等,并借助文档管理系统的功能进行协同管理。2.3模型整合协同设计。由于发电工程三维设计软件较多,不同的三维设计软件模型格式互不相同,目前的三维设计软件系统均无法快捷、完整地展示完整的数字电厂模型,不便于项目参与各方进行沟通。现阶段国内外数字化电厂解决方案提供商与工程公司、电力设计院均已开始合作致力于开发工厂轻量化三维展示系统,该系统能识别多种三维模型格式,将不同三维设计系统的模型转换成可被轻量化展示系统读取的统一形式,并集成和关联工程数据,面向电厂的全生命周期,为参与规划、设计、采购、施工、调试的项目各方提供可视化的沟通环境。

3高级阶段方案

随着发电工程设计领域数字化应用水平的不断提升,以及智能电厂的建设对电厂数字化要求的不断提高,实现电厂全生命周期数字化,建立电厂的工程信息模型,构建电厂的全生命周期数据资源池,实现工程信息的集成和管理,并为业主以及项目参与各方提供工程信息服务是必然的趋势。数字化协同设计高级阶段将不仅局限于设计系统之间或设计单位内部的协同,而是实现项目参与各方及不同类型设计软件之间基于工程信息管理集成平台的协同,通过统一的编码规范和数据交换标准打通各类软件与集成平台的数据交互通道,实现不同来源、不同类型设计软件的数据集成和面向全生命周期的数据服务。热资源禀赋也不尽相同,可结合重点光热规划区域,开展适用于我国太阳能光热资源分布特点的典型气象年分析方法的研究;2)开展太阳能光热资源典型气象年各气象要素权重系数取值研究。研究风速、总辐射、温度等气象要素对太阳能光热资源及发电量的影响,分析适用于我国太阳能光热特性相关气象要素权重系数的取值范围;3)开展太阳能光热资源不确定度及超越概率研究,量化太阳能光热资源变化带来的经济风险,降低项目投资风险,满足国内外金融机构项目风险评估需求,也为今后太阳能光热资源精细化评估、行业技术标准编制提供依据。

参考文献

[1]国家能源局.电力工程气象勘测技术规程:DL/T5158―2012[S].北京:中国计划出版社,2012.

[2]国家市场监督管理总局,中国国家标准化管理委员会.太阳能资源评估方法:GB/T37526―2019[S].北京:中国标准出版社,2019.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.太阳能资源测量直接辐射:GB/T33698―2017[S].北京:中国标准出版社,2017.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.太阳能资源测量总辐射:GB/T31156―2014[S].北京:中国标准出版社,2014.

[5]S.Wilcox,W.Marion.UsersManualforTMY3DataSets[R].Golden:NREL/TP,2008.

[6]T.Cebecauer,M.Suri.TypicalMeteorologicalYeardata:SolarGISapproach[J].EnergyProcedia,2015(69):1958-1969.

[7]常蕊,申彦波,郭鹏.太阳能资源典型年挑选方法的适用性对比研究[J].高原气象,2017,36(6):1713-1721.

作者:谭书莉 曹嘉 张伟峰 杜晓巍 单位:中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司

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