李 明,汪 海,孫 勝,王育坤,黃 崗,戴鈺冰

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院四川成都610005)

研究堆考驗(yàn)回路工藝系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)研究

李 明,汪 海,孫 勝,王育坤,黃 崗,戴鈺冰

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院四川成都610005)

以PDMS為設(shè)計(jì)平臺(tái)，對研究堆考驗(yàn)回路工藝系統(tǒng)進(jìn)行三維數(shù)字化布置設(shè)計(jì)。針對單體大空間類型考驗(yàn)回路工藝間內(nèi)設(shè)備實(shí)行系統(tǒng)分區(qū)化布置和模塊化建模，高效實(shí)現(xiàn)了設(shè)備與工藝間空間合理匹配；管道系統(tǒng)分區(qū)及單元化的量化定性，從設(shè)備角度劃分了整條回路各區(qū)域管道布置的優(yōu)先級，使系統(tǒng)管道布置工作清晰明了且具有邏輯性；同時(shí)，結(jié)合系統(tǒng)間管廊化布置，使整條回路系統(tǒng)管道布局在滿足工藝功能的前提下高度集約化。最后，通過PDMS自身的模型校驗(yàn)功能，保證了布置設(shè)計(jì)工作的優(yōu)質(zhì)高效。

PDMS；研究堆；考驗(yàn)回路；工藝系統(tǒng)；布置

擬建考驗(yàn)回路作為研究堆輻照試驗(yàn)設(shè)施，可模擬壓水堆工況對燃料元件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)輻照考驗(yàn)，回路設(shè)計(jì)壓力17.2 MPa，設(shè)計(jì)溫度350 ℃，換熱功率1 500 kW。回路由主冷，凈化、破探、二次冷卻水、安注、補(bǔ)水、檢漏、去污等系統(tǒng)組成，與研究堆配置幾乎一樣?？简?yàn)回路工藝系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)關(guān)系著其功能的實(shí)現(xiàn)，以及實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量，受研究堆影響的同時(shí)，也影響著研究堆的運(yùn)行及安全，因此，該回路工藝系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)對回路本身及研究堆都至關(guān)重要。

1 回路工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則

回路工藝間由三面墻體圍成，容積1200m3，設(shè)備41臺(tái)，平均單臺(tái)設(shè)備體積約1m3，其工藝間容積與所容納設(shè)備體積的比值較大，屬單體大工藝間?；S、火電廠等工藝流程貫穿多個(gè)小工藝間的常規(guī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，雖覆蓋面廣，貫穿多層廠房，但其工藝系統(tǒng)是被分隔在若干個(gè)小工藝間內(nèi)，基于空間有限，限定設(shè)備布置可能僅有一兩種方案，管道布置方案也極易確定。而對于單體大工藝間，首先，系統(tǒng)和設(shè)備較多，設(shè)備布置方式是無限的，管道布置以設(shè)備為導(dǎo)向，無限的設(shè)備布置方式意味著管道布置方案難以確定；其次，工藝間弧形外墻內(nèi)側(cè)的不規(guī)則空間，對系統(tǒng)布置來說也是不利因素；此外，還要考慮系統(tǒng)放射性等問題，相比被分隔在各小工藝間內(nèi)的工藝系統(tǒng)，該類型工藝間的系統(tǒng)布置極其復(fù)雜。以往關(guān)于管道布置具體方法的研究，基本是針對設(shè)備類如泵[1-2]、塔[3-4]、換熱器[5-6]，對于系統(tǒng)類的管道布置，更多是側(cè)重于三維軟件的使用或管道布置方面的注意事項(xiàng)或原則等[7-10]，未對系統(tǒng)管道布置方法進(jìn)行深入的研究和探討。因此，如何確定工藝間內(nèi)系統(tǒng)設(shè)備最佳布置方案、數(shù)十臺(tái)設(shè)備如何快速建模及布置以及如何有針對性、優(yōu)質(zhì)高效地進(jìn)行系統(tǒng)管道布置都是該回路工藝系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)面臨的難點(diǎn)問題。

針對上述問題，該回路工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循以下原則：

1) 符合工藝流程總體功能要求；

2) 合理高效劃分工藝間格局；

3) 充分發(fā)揮設(shè)備在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的核心作用(承擔(dān)設(shè)備布置，聯(lián)接管道)；

4) 系統(tǒng)本身含放射性，考慮輻射防護(hù)；

5) 設(shè)計(jì)兼顧功能性、經(jīng)濟(jì)性及美觀，綜合考慮后期運(yùn)行、檢修及退役過程中的人機(jī)互動(dòng)。

2 設(shè)計(jì)平臺(tái)及數(shù)據(jù)管理

早期的研究堆考驗(yàn)回路受客觀條件制約，只能以二維模式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長，各方面設(shè)計(jì)誤差導(dǎo)致施工現(xiàn)場問題頻發(fā)，浪費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力。隨著核電行業(yè)的發(fā)展，各種三維設(shè)計(jì)平臺(tái)也隨之產(chǎn)生，其中在管道布置方面應(yīng)用較為成熟且較為專業(yè)的是英國AVEVA公司開發(fā)的PDMS(Plant Design Management System)工程三維設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于核電、化工、海上工程等大型工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目[11-13]。PDMS是以數(shù)據(jù)庫為核心，全專業(yè)協(xié)同的三維設(shè)計(jì)管理平臺(tái)。包含設(shè)備、管道、土建/結(jié)構(gòu)、電纜橋架等多專業(yè)功能模塊。建模用戶可自定義元件庫和等級庫，在實(shí)時(shí)三維實(shí)體環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)無碰撞設(shè)計(jì)?；谀Ｐ涂煞奖?、快捷生成各種所需文件資料如：管道ISO圖、綜合布置圖和材料清單等。此外，根據(jù)需要，PDMS三維模型也可方便地進(jìn)行動(dòng)畫漫游、設(shè)計(jì)審查、模擬安裝維修及人員培訓(xùn)等工作?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，將PDMS設(shè)計(jì)管理平臺(tái)引入研究堆考驗(yàn)回路進(jìn)行工藝系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)。

PDMS是以數(shù)據(jù)庫為核心進(jìn)行前期的數(shù)據(jù)管理及后期三維建模和模型校驗(yàn)的。PDMS的數(shù)據(jù)庫形式上包含元件庫與等級庫，等級庫對元件庫中所需元件進(jìn)行等級劃分，建模時(shí)通過等級庫調(diào)用到基本的元件單元。以該回路管件為例，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12459—2005，在元件庫模塊(Paragon)中將所需規(guī)格編入該標(biāo)準(zhǔn)中，通過設(shè)計(jì)模塊(Design)>create>components即可調(diào)用。PDMS數(shù)據(jù)庫基于嚴(yán)格的層次和樹狀結(jié)構(gòu)搭建，簡單且具邏輯性[14]，該回路管道數(shù)據(jù)庫層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。PDMS設(shè)計(jì)管理平臺(tái)是以數(shù)據(jù)庫為核心，支撐各專業(yè)模塊的運(yùn)作，作為設(shè)計(jì)管理平臺(tái)全程數(shù)字化的起點(diǎn)，強(qiáng)大的核心體系作用顯得尤為重要，直接決定著后期文件輸出的質(zhì)量。

圖1 管道數(shù)據(jù)庫層次示意圖Fig.1 Diagram of Pipe date base layers

3 設(shè)備布置

在工藝系統(tǒng)布置中，設(shè)備布置可看作設(shè)備與空間的合理匹配過程，設(shè)備作為工藝管道的生根點(diǎn)及紐帶，對管道布置起著至關(guān)重要的作用。從整條回路的工藝流程角度講，各子系統(tǒng)作為密不可分的有機(jī)聯(lián)系體，但功能方面相對獨(dú)立，因此在設(shè)備布置時(shí)，綜合系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備情況(如設(shè)備管口方位的影響)，采用系統(tǒng)分區(qū)布置。

3.1 系統(tǒng)分區(qū)

系統(tǒng)分區(qū)是以各子系統(tǒng)為單元，合理并高效劃分工藝間格局的過程。分區(qū)原則是以特殊的工藝間格局為基準(zhǔn)，從子系統(tǒng)承擔(dān)的功能、輻射防護(hù)、人機(jī)互動(dòng)過程等角度考慮各子系統(tǒng)布局。

首先，主冷系統(tǒng)因與考驗(yàn)裝置構(gòu)成主回路，屬放射性子系統(tǒng)，包含主泵、換熱器、穩(wěn)壓器和泄壓箱等設(shè)備，按長方形緊湊型布局，規(guī)劃至區(qū)域一(各區(qū)域劃分及設(shè)備布置如圖2所示，虛線為系統(tǒng)分區(qū)線，雙點(diǎn)劃線為系統(tǒng)分隔線)。該區(qū)域僅有兩側(cè)開放性放射性活動(dòng)面，降低了人員受照射的危害，且將三臺(tái)換熱器管口方位調(diào)至臨墻側(cè)布置，采用距離防護(hù)的方式避免對工藝間內(nèi)部區(qū)域形成照射。

其次，為高效利用空間及設(shè)備和管道的單元化布置，對于二次水、補(bǔ)水及安注系統(tǒng)中管口少，且只作為容器型的設(shè)備，如保存水池、補(bǔ)水箱及安注箱沿弧形墻體側(cè)布置，而與之匹配的動(dòng)力輸出型設(shè)備如泵，則向工藝間內(nèi)映射布置，形成區(qū)域二。其中，二次水作為主冷系統(tǒng)三臺(tái)主熱交換器及兩臺(tái)主泵的冷源，宜與主冷系統(tǒng)臨近布置；氮檢漏系統(tǒng)與考驗(yàn)裝置壓力管連接，作為破損監(jiān)測，具有潛在放射性，為減少其放射性活動(dòng)面，將其規(guī)劃至弧形墻底側(cè)角落位置。該區(qū)域順時(shí)針沿墻體側(cè)細(xì)化為二次水、補(bǔ)水、安注及氮檢漏系統(tǒng)。

再次，凈化、破探作為并聯(lián)于主冷系統(tǒng)一次側(cè)的兩個(gè)放射性系統(tǒng)，應(yīng)緊湊布置，臨近氮檢漏系統(tǒng)規(guī)劃于區(qū)域三，為降低管道產(chǎn)生的放射性危害，設(shè)備管口方位調(diào)至臨墻側(cè)布置。此外，對于頻繁操作的設(shè)備如凈化系統(tǒng)取樣箱布置在臨門及人員通道側(cè)，便于操作或維修。

最后，根據(jù)門所在位置，規(guī)劃出工藝間內(nèi)人員主干通道區(qū)域；至此，工藝間內(nèi)各系統(tǒng)劃分為三大主要區(qū)域。

3.2 系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備布置

系統(tǒng)分區(qū)后，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備布置可看作是單個(gè)小工藝間內(nèi)設(shè)備布置，屬常規(guī)設(shè)備布置，除弧形墻體側(cè)系統(tǒng)基本屬貯存及動(dòng)力輸出型設(shè)備，其系統(tǒng)分區(qū)等同于設(shè)備布置以外，各系統(tǒng)分區(qū)過程中已具備設(shè)備布置方案雛形，后期只需從管道布置角度對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整?；芈分型愒O(shè)備較多，占位空間較大，管口多的設(shè)備盡量布置在規(guī)則區(qū)域，便于后期管道布置的單元化及墻體側(cè)統(tǒng)一規(guī)劃管廊，如三臺(tái)主熱交換器，形狀規(guī)則，型式相同，可并列布置，預(yù)留管道布置空間及人員通道。最后，從檢修，更換設(shè)備角度微調(diào)設(shè)備位置。設(shè)備布置過程中須考慮后續(xù)管道、大型管件(電動(dòng)型閥門)等布置、安裝、檢修等所需操作空間。

圖2 工藝間設(shè)備布置圖Fig.2 Equipments arrangement in the process room

3.3 設(shè)備模塊化

PDMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，管道建模是主要的精細(xì)化工作，對于設(shè)備，為節(jié)省工作量，不必完全圖紙化建模。從工藝設(shè)計(jì)的角度講，設(shè)備信息應(yīng)該包含外形尺寸、空間定位、接口信息及檔案數(shù)據(jù)[15]。此外，同類設(shè)備建模采用模塊化設(shè)計(jì)，可將建模工作量縮減至1/8?；芈吩性O(shè)備及模塊化設(shè)備如表1所示，對同類型不同尺寸設(shè)備，模塊化后只需修改相關(guān)參數(shù)即可。

表1 回路中原設(shè)備及可模塊化設(shè)備

4 管道布置

系統(tǒng)分區(qū)后，解決了工藝間設(shè)備布置方案不易確定的難點(diǎn)，使單體設(shè)備占位最終與工藝間格局合理、高效匹配。但工藝系統(tǒng)能否可靠、優(yōu)質(zhì)成為有機(jī)整體，最終穩(wěn)定運(yùn)行，還取決于管道布置。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)同類(可單元化)設(shè)備數(shù)量，管道布置采取分區(qū)化處理，劃分為可單元化管道布置區(qū)與常規(guī)管道布置區(qū)；根據(jù)子系統(tǒng)間布局及工藝間格局，系統(tǒng)間采取管廊化布置，有條理和有針對性地進(jìn)行管道布置。

4.1 系統(tǒng)內(nèi)管道布置

子系統(tǒng)內(nèi)以單元化設(shè)備為切入點(diǎn)，以單元化管道布置為導(dǎo)向，對設(shè)備管口附屬的系統(tǒng)管道有機(jī)分解。在單元化管道布置區(qū)，實(shí)行管道單元化的量化定性。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)可單元化設(shè)備數(shù)量a與設(shè)備管口數(shù)量b的乘積c作為可單元化因子，劃分單元化管道布置區(qū)在系統(tǒng)中的可單元化程度，作為管道布置時(shí)的優(yōu)先級，單元化程度越高，優(yōu)先級越高，表示在管道布置中可優(yōu)先布置，或在管道調(diào)整時(shí)盡量以該區(qū)域可單元化管道為基準(zhǔn)，調(diào)整其他管道，優(yōu)先級相同時(shí)，可參考周邊管線協(xié)調(diào)布置，布置原則是便于規(guī)劃至管廊區(qū)。系統(tǒng)管道可單元化程度如表2所示。各子系統(tǒng)管道經(jīng)單元化量化定性后，整條回路系統(tǒng)管道被有機(jī)分解為可單元化管道與常規(guī)連接型管道(兩者比例約1∶1)，可單元化管道布置工作簡單快捷、高效，同時(shí)又可將各子系統(tǒng)管道邏輯性分解，使回路管道布置工作清晰明了，有規(guī)律可循，即優(yōu)先級1>2>…>常規(guī)連接型管道；常規(guī)連接型管道中，除去一部分長跨距管線集中構(gòu)成管廊外，僅剩約2/3是單純近距離連接管線。系統(tǒng)管道可單元化情況如 表3 所示。

表2 系統(tǒng)管道可單元化程度

表3 系統(tǒng)管道布置單元化分解程度

單元化管道與母管是密不可分的，母管是系統(tǒng)內(nèi)常規(guī)管道區(qū)與單元化管道區(qū)的橋梁，以及單元化管道布置合理性的關(guān)鍵因素，甚至影響整條回路的管道布置。一般對于垂直方向兩層及以上且單臺(tái)設(shè)備管口數(shù)大于2的單元化管道布置，母管宜水平方向并行布置，形成管廊。主冷系統(tǒng)三臺(tái)主熱交換器單元化、母管布置如圖3所示。

圖3 主熱交換器單元化及母管布置Fig.3 Blocking and Main pipe arrangement for the main heat exchanger

經(jīng)單元化布置后，系統(tǒng)內(nèi)管道布置框架已完成，其余為常規(guī)連接型管線。常規(guī)連接管線在系統(tǒng)內(nèi)主要起聯(lián)接作用，聯(lián)接可單元化管道布置區(qū)構(gòu)成有機(jī)的系統(tǒng)性管道。管道布置要在保證工藝流程的前提下進(jìn)行,充分考慮主工藝外其他專業(yè)，通過匯總與輔助專業(yè)接口資料，綜合考慮，協(xié)同布置。在不影響工藝性的前提下，管道和設(shè)備上排氣、排水接口的位置和數(shù)量應(yīng)盡量少，盡量合并排氣、排水管道。從輻射防護(hù)角度考慮，除須拆卸更換的管件外，管道均采用焊接型式，且管道布置盡量短、直，減少彎頭及焊縫的數(shù)量，減小阻力的同時(shí)，對于放射性子系統(tǒng)也是減少潛在的放射性漏點(diǎn)。

4.2 系統(tǒng)間管道布置

系統(tǒng)間管道是回路各系統(tǒng)中匯總管道等長跨距管道，形式上聯(lián)接兩個(gè)系統(tǒng)，理論上屬于系統(tǒng)內(nèi)部管道，基于布置要求，將此類管道近墻體側(cè)集中布置形成公共管道區(qū)，即管廊型式?；芈废到y(tǒng)管線總長830m，規(guī)劃至管廊490m(近60%)，管道布置高度集約化，大大節(jié)約了工藝間內(nèi)部空間，如圖4所示。

圖4 回路管廊布置Fig.4 Arrangement of the public pipeline lane

回路子系統(tǒng)管道布置的單元化及系統(tǒng)間公共區(qū)管廊型式，以及除單元化、管廊布置方式外的管道，應(yīng)盡量以共用管架的形式布置，可簡化管道布局，便于后期支架的統(tǒng)一設(shè)計(jì)和安裝。最終整條回路工藝系統(tǒng)布置如圖5所示。

圖5 工藝間管道布置圖Fig.5 Pipeline arrangement in the process room

5 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

考驗(yàn)回路工藝系統(tǒng)三維模型設(shè)計(jì)，從質(zhì)量控制角度須確保工藝流程的功能可靠性和微小空間(如物項(xiàng)間距、閥門等操作空間)布局的合理性。前者通過項(xiàng)目的三維設(shè)計(jì)審查會(huì)中相關(guān)資深專家的評定，而后者則要依靠PDMS自身的碰撞檢查功能。PDMS全專業(yè)的三維協(xié)同布置項(xiàng)目中，碰撞檢查以其強(qiáng)大的微小空間檢查校驗(yàn)優(yōu)勢對工藝系統(tǒng)建模成功與否起著決定性作用，通過對碰撞檢查窗口中各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的設(shè)定[16]，便可有針對性地對整條回路或任意子系統(tǒng)進(jìn)行碰撞檢查?；芈饭に囅到y(tǒng)布置設(shè)計(jì)中，碰撞檢查以其精確的數(shù)字化檢查校驗(yàn)優(yōu)勢，徹底排除了微小空間布局方面的人因誤差對系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)的影響。其中，閥門類操作空間干涉4處，而管道及管道與其他物項(xiàng)間零干涉，從而也驗(yàn)證了單元化量化定性布置方法在管道布置過程中科學(xué)合理性。

碰撞檢查是針對管線間，管線與設(shè)備等其他物項(xiàng)間的干涉問題，管線自身連接問題則要依靠數(shù)據(jù)一致性檢查。Design模塊下，利用Date Consistency對話框便可快捷的產(chǎn)生一份數(shù)據(jù)檢查報(bào)告[17]，內(nèi)容包括： 鄰近管件間隙是否符合加工要求; 連接類型是否匹配; 連接管件是否處在同一方向; 分支的頭尾連接是否正確等。

碰撞檢查和數(shù)據(jù)一致性檢查作為PDMS布置設(shè)計(jì)的質(zhì)量控制手段，使得考驗(yàn)回路工藝系統(tǒng)布置在提高效率的前提下，確保了的質(zhì)量。

6 結(jié)論

以PDMS為設(shè)計(jì)平臺(tái)，對研究堆考驗(yàn)回路工藝系統(tǒng)進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，提升了整體設(shè)計(jì)水平，使系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)工作變得形象、直觀，便于規(guī)劃和設(shè)計(jì)，結(jié)合自身模型校驗(yàn)手段確保了回路系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)的質(zhì)量。另外，通過對該回路工藝系統(tǒng)采取有針對性的布置設(shè)計(jì)研究，得出以下結(jié)論：

(1) 對設(shè)備的系統(tǒng)分區(qū)，清晰地劃分了以各系統(tǒng)為單位的設(shè)備格局，簡化了設(shè)備布置工作，同時(shí)對整條回路系統(tǒng)同類設(shè)備進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，節(jié)約了大量人工時(shí)。

(2) 管道的系統(tǒng)內(nèi)分區(qū)，以及經(jīng)單元化程度量化后的優(yōu)先級，結(jié)合系統(tǒng)間管廊化的合理布置，使整條回路繁瑣的管道布置工作快捷，且井然有序的得以完成。

(3) 單元化量化定性分解方法，使系統(tǒng)性的管道布置工作實(shí)現(xiàn)從 “試”升級為“算”的過程，對繁瑣復(fù)雜的有機(jī)管道體系進(jìn)行合理分解布置設(shè)計(jì)，極大地提升了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，將對后續(xù)項(xiàng)目，特別是多系統(tǒng)、復(fù)雜化大型項(xiàng)目工程的管道布置工作有著很好的參考價(jià)值。

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ProcessSystemArrangementDesignStudyofResearchReactorIrradiationTestLoop

LIMing,WANGHai,SUNSheng,WANGYu-kun,HUANGGang,DAIYu-bing

(Nuclear Power Institute of China, Chengdu of Sichuan Prov. 610005, China)

3D digital arrangement design of a research reactor irradiation test loop process system was completed with PDMS code. The devices in a large room were matched reasonably with a modeling design and zoning scheme method. A zone priority assessment strategy was achieved by zoning arrangement and the blocking’s qualitative quantization of the pipe system from the view point of equipments, and then made the system pipe arrangement much more simply and logical. along with a pipeline lane arrangement of the system, the arrangement of the loop process system met the process requirement and became highly intensive. Effective and outstanding arrangement designs were guaranteed by a model verification function of PDMS code.

PDMS; Research reactor; Irradiation test circuit; Process system; Arrangement

2017-03-27

李 明(1981—)，男，遼寧燈塔人，助理研究員，碩士研究生，現(xiàn)主要從事研究堆考驗(yàn)回路工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作

TL371

：A

：0258-0918(2017)04-0525-07