电缆敷设和管路桥架三维设计在抽水蓄能电站的应用

汪志强，陈泓宇

（南方电网调峰调频发电公司清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853）

电缆敷设和管路桥架三维设计在抽水蓄能电站的应用

汪志强，陈泓宇

（南方电网调峰调频发电公司清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853）

抽水蓄能电站厂内综合管线复杂，风管、水管、电缆桥架、埋管间交叉问题突出，根据以往工程经验来看，传统的平面二维设计无法实现空间上的最优布置，无法实现电缆敷设最短路径和电缆桥架容积率的合理匹配，现场安装、管理难度大。本文以清远抽水蓄能电站工程三维建模机电设备及管路桥架设计为实例，介绍其应用情况，分析了三维设计在抽水蓄能电站设计中的优越性，并获得南方电网职工技术创新成果金奖，揭示了国内三维设计在水电行业中的发展趋势及广阔前景。

三维建模；管路；电缆桥架

0 引言

随着计算机技术的发展，三维设计正越来越受到人们的重视，利用三维新技术手段进行设计不仅可以向人们展示直观的数据模型，还可以通过一系列的自动化手段（如抽取材料列表、碰撞检查等）将复杂的工作交由计算机来完成，大大提高了生产效率。本文以清远抽水蓄能电站工程为例，介绍三维建模在清远蓄能电站的应用情况。

广东清远抽水蓄能电站（以下简称清蓄）位于广东省清远市清新县太平镇境内。地理位置处于珠江三角洲西北部，直线距广州75km，距清远市32km。电站安装4台立式单级混流可逆式水泵水轮机-发电电动机机组，单机容量（发电工况）320MW，总装机容量1280MW，是一座日调节纯抽水蓄能电站。地下建筑物主要有输水系统、地下主副厂房、主变洞、母线洞、交通洞、排风洞、高压电缆洞等组成。

抽水蓄能电站厂内综合管线复杂，风管、水管、电缆桥架、埋管间交叉问题突出，根据以往工程经验来看，传统的平面二维设计无法实现空间上的最优布置，无法实现电缆敷设最短路径和电缆桥架容积率的合理匹配，现场安装、管理难度大。为提升设计水平和质量及现场设备安装水平，清蓄电站采用三维设计软件，对电站地下厂房进行电缆敷设三维施工设计、机电设备及管路桥架三维设计，设计单位根据设计图纸信息，通过软件制作三维漫游、动画模型，检查管路、桥架等是否存在碰撞现象，减少设计变更，提升设计工作质量。其应用的三维软件是由Bentley公司基于Microstation平台的一系列专业软件构成，并使用projectwise协同工作平台，多专业协同设计的模式完成了清远抽水蓄能电站三维管路桥架设计和电缆敷设设计。

1 三维设计的优越性

传统的二维设计是利用平面图结合多个平面图来反映设备的布置，三维设计是直接在立体空间内将设备布置反映出来。相对于二维设计，三维设计的优越性主要体现在以下几个方面。

（1）直视可观。通过三维设计可以快速准确地建立三维实体模型，轻松理解设备之间的空间关系，从而大大降低通过二维剖面图理解三维模型空间关系的难度，最大限度避免平面思维的盲区，能够及时发现各个设备之间的碰撞问题，使施工过程中出现的设备布置问题更方便协调解决。相比传统的二维设计，三维设计不仅是画图手段的改进，它对于整个设计各个环节都有着显著的改进。工程师在搭建三维模型后，可以直观地将整个系统展现在业主面前，而不仅仅是单调的二维图纸。业主可以生动形象的根据模型提出修改意见，对整个电站前景有个较为清晰的展望。设计师也可以根据模型，对整个系统的合理性进行分析，有利于快速完善设计方案，减少重复改动工作量，如图1和图2所示。

图1 蜗壳层设备布置效果图Fig. 1 volute layer equipment layout renderings

图2 水泵水轮机层设备布置效果图Fig. 2 pump turbine layer equipment layout renderings

（2）缩短设计周期。三维设计可使设计变得更方便、快捷，在所有模块和数据库已完成后，使得带有参数化的设备模型布置不需再查找样本，不需要考虑设备元件的外形尺寸，并且出图时间短，修改工作量小，设备布置如需改变，只需修改模型，重新生成平面图、剖面图、材料表即可。

（3）可提高设计效率及质量。采用协同设计，各专业可在同一平台上同时进行设计。专业之间可实时参考各专业最新的设计图纸，以避免设备之间的碰撞、干扰，并及时进行修改，把在施工中经常出现的错、漏及碰撞现象消除在设计中。三维设计成果可以帮助设计人员和决策人员在项目工程动工之前全面准确地掌握其技术要点，尽早发现设计错误和缺陷，并及时提出可行的修改意见，避免工程建设中出现问题和可能造成的巨大损失，有助于优化设计方案，缩短设计与施工周期，加快整个项目设计开发的进程，对工程指导性意义很强。三维产品的直观性也能促进设计方、业主和施工方的良好沟通。

2 电缆敷设三维设计

清远抽水蓄能电站三维电缆敷设，是在厂房及机电设备三维布置的基础上，在microstation平台上，进一步对机电设备及相关电缆桥架（电气埋管）进行编码及属性赋予。

设备的属性包括：设备的软件代码、设备的尺寸、所属系统、设备的KKS码、设备的电缆连接方式、设备的电压等级、设备最多可允许接入的电缆等，如图3所示。

桥架（电气埋管）的属性包括：桥架的软件代码、桥架的尺寸、桥架的质量、桥架的负载能力、桥架的容量、桥架的电压等级、桥架的KKS码等。

需要建模的电气设备包括：

全厂水泵/阀门/电机等电气设备；

全厂控制盘柜；

全厂电流电压互感器；

全厂继电保护盘柜；

全厂厂用电开关柜；

全厂检修/照明配电箱；

传感器及端子箱；

消防系统探测器；

通风控制系统控制器；

工业电视系统设备；

语音通信系统设备等；

综合通信网络系统设备。

在对机电设备及相关电缆桥架（电气埋管）编码及属性赋予的基础上，通过计算机软件对全厂电缆进行敷设，并通过算法实时监测桥架的容量及负载，在避开高容量或高负载桥架的基础上自动寻找最短的路径进行敷设。

该计算方式可以有效减少现场电缆敷设混乱的情况以及电缆桥架溢出的情况，并能够大量的节约电缆。根据清蓄的实际计算结果，可节约40%左右的电缆。已提交电缆桥架编码、路径清册等成果，并应用于安装，安装效果良好、电缆布置顺畅。

三维电缆敷设可以方便运行期设备检修、维护和管理。如厂房埋管，可以在三维信息模型上重新实现可视化管理；可以查询电缆敷设路径、电缆桥架填充率等信息，方便电厂管理。优化了电缆敷设路径，做到事先规划，提升现场电缆敷设效率和工艺，节约电缆，美化厂房布置。

图3 敷设路径、电缆桥架填充率等信息Fig. 3 cable tray laying path，filling rate and other information

3 管路桥架三维设计

清远抽水蓄能电站三维管路桥架设计范围包括：地下厂房内主厂房、副厂房、主变压器洞、尾闸室的三维管路、桥架设计。各专业需要建立三维模型，如：

水工结构：厂房三维模型；

金属结构：尾水闸门模型等；

暖通专业：全厂通风管路三维模型、全厂空调三维模型、全厂的空调冷却水三维模型、全厂风机三维模型、全厂防火阀三维模型等；

水机专业：球阀三维模型、蜗壳三维模型、调速器管路三维模型、机组液压系统三维模型、水导循环三维模型、进水阀阀体排水三维模型、蜗壳及压力钢管排水三维模型、进水阀操作系统阀门模型、供排水系统三维模型、全厂检修平台三维模型、球阀液压操作系统三维模型、起重设备三维模型、机坑里衬三维模型、水力测量系统三维模型、气系统三维模型、透平油系统三维模型、尾水管三维模型等；

电气一次：全厂照明三维模型、全厂电气一次盘柜三维模型、全厂电缆桥架三维模型、全厂GIS三维模型、离相封闭母线三维模型；

电气二次：全厂监控系统盘柜三维模型、全厂继电保护设备三维模型、全厂火灾自动报警系统三维模型、全厂通信设备三维模型、全厂工业电视系统三维模型、全厂通风控制设备三维模型；

埋设：全厂机械、电气埋管三维模型设计。

三维设计在设计阶段根据二维平面设计成果，进行三维碰撞检查以及布置的美观性和合理性检查，模拟现场施工后的效果，并根据检查结果进行专业间的设计调整；使现场由于二维设计容易造成的管路和电缆在空间上的冲突导致协调工作减少了80%，使现场的实际安装效果更为美观、布局更为合理。

管路、桥架可以完成空间上的最优布置，实现二维设计无法达到的解决方案。

管道安装从过去现场量尺寸焊接方式改为工厂预制方式，减少了现场焊接工作量，改善了安装期间空气质量；直观地指导厂房管路桥架的安装、提升现场安装水平和质量。三维管路模型如图4所示。

图4 三维管路模型Fig. 4 3D pipeline model

4 调速器系统管路安装运用三维设计实例

抽水蓄能电站调速器系统油管路复杂，管路安装时常常会与其他设备和管路发生冲突、交叉等现象，影响管路布置观感质量。清蓄电站调速器由Alstom设计并供货，整个系统由调速器机械柜（由油泵、油箱、配压阀、电磁阀组等组成一体）、压力油罐、控制机构、执行机构、电气柜等设备组成，调速器与进水阀、尾水事故闸门之间有一套液压闭锁系统（图7，图8），单台机组的调速器系统管路的总长度约为550m，液压闭锁管路长度约为1000m/台。调速器管路施工运用了三维图设计方案，有效指导了施工人员正确施工，管路的安装质量和观感质量优良，每台机调速器管路施工工期约为61天，比原计划单台机80天工期少用19天。节省人工费约5万元/台，经济效益良好。

施工前，根据管路布置图和设备布置图及现场实际情况，绘制三维图（图5），对管路敷设路径二次设计，分析调速器管路与相邻设备的相对位置情况，联合设计方，对有位置冲突的管路进行优化，调整管路不合理路径走向，出具三维管路路径图，指导现场施工工作，提高工作效率和管路感观质量。现场的施工按照三维布置的协调结果进行设计或由三维图纸直接剖切。管道安装从过去现场量尺寸焊接方式改为工厂预制方式，在具体施工过程审查施工图纸、勘查现场、绘制管线三维图，以确认是否有与其他设备、管路、桥架有交叉、冲突等情况，及时与设计方沟通协商，对敷设路径调整优化。另外，结合施工工艺对管路安装进行二次设计，总体还应满足以下要求：①管路敷设可根据现场实际情况选择合理的走向路径，但不得影响其相邻主体设备、管路的运行、操作和检修。②管路走向应横平竖直，路径应与现场实际情况相符合，尽量以最短路径进行敷设。③尽量减少管路活接头，避免接头油渗漏，但考虑后续维修时拆卸需要进行合理布置。④集中敷设，减小管路占用面积，管路数量较多的区域可采用多层管路敷设。⑤管路与电缆的距离至少200mm，避免在易受机械损伤、有振动的场所敷设。⑥尽量统一走向，管路应与主体结构相平行，不应影响建筑物结构的整体观感质量。

图5 管路敷设三维设计示意图Fig. 5 Sketch map of 3D design of pipeline laying

清远抽水蓄能电站成功运用调速器系统管路安装运用三维设计，使管路布置更加紧凑、整齐、美观，也提高了厂房的空间利用度（图6，图9，图10）。

图6 管路敷设实际效果图Fig. 6 Actual effect of pipe laying

图7 现场施工效果图（1）Fig. 7 Site construction drawing（1）

图8 现场施工效果图（2）Fig. 8 Site construction drawing（2）

图9 现场施工效果图（3）Fig. 9 Site construction drawing（3）

图10 现场施工效果图（4）Fig. 10 Site construction drawing（4）

5 目前三维设计存在的问题

三维设计优越性可能远不止上述几点，但作为一次设计技术革新，在尝试摸索的过程中，还是存在一些亟待解决的问题。三维设计虽然直观，但出图方式仍然有待完善。由于软件本身的局限性，在出具图纸时对机器性能依赖性较高，由于软件公司对端口开放有限，软件的二次开发也存在一定困难，行业的本地化，不同客户的一些个性化需求目前还无法得到满足。如果仍然按照二维出图模式来进行三维设计，必然存在着种种问题，所以三维设计必须有其自己的工作模式，只有不断加强对三维出图方式和工作模式的探索，工作效率才有可能得到提高。

6 结束语

清远蓄能电站根据已有的二维平面设计图纸，借鉴其他建成工程经验，对风管、水管、电缆桥架和埋管等进行了三维布置模拟设计，实现管路、桥架在空间上的最优布置，开展管路工厂预制设计，将管路、桥架间交叉矛盾由现场解决方式改为设计阶段解决，使现场由于二维设计容易造成的管路和电缆在空间上的冲突导致协调工作减少了80%，提高效率，加快进度。实施成效主要如下：

（1）实现了管路和电缆在三维模型上可视化管理，直观地指导了现场安装，提升管路桥架的现场安装水平和质量；

（2）实现现场管路现场的焊接工作量的减少，改善了安装期间空气质量，为现场的安健环管理创造了条件；

（3）实现了电缆敷设路径的最优化，提高了电缆桥架容积率，节约建设成本；

（4）实现了实际安装效果更为美观、布局更为合理，整个厂房呈工业厂房艺术之美，为电站运行期设备的检修、维护和管理创造了更便利的条件，并成功推广应用至其他电站，为后续电站立了标杆。

电缆敷设和管路桥架三维设计在清远抽水蓄能电站的成功运用，加快了整个施工进度，设备的安装质量和观感质量优良，《三维建模在抽水蓄能电站管路及电缆桥架上的应用》获得了南方电网职工技术创新成果金奖。三维设计系统在国内抽水电设计行业的应用应该说仅仅是才起步，三维软件目前还有一些不足之处，但是它前瞻的设计理念代表了未来设计的方向。

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2016-05-30

2016-06-20

汪志强（1969—），男，高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站设计与设备管理等。E-mail：1295512324@qq.com

陈泓宇（1975—），男，工程师，主要研究方向：电站基建和电厂技术管理工作。E-mail： 542120791@qq.com

Application of 3D design in pumped storage power station

WANG Zhiqiang，CHEN Hongyu
（CSG Power Generation Company Qingyuan Pumped Storage Power Co，. Ltd.，Qingyuan 511853，China）

Pumped storage power plant integrated pipeline complex，wind pipe，water pipe，cable tray，buried pipe crossing problems，previous engineering experience，the traditional two-dimensional design can not achieve the optimal layout of space，reasonable matching can not realize the shortest path and cable laying cable tray volume rate，site installation，management difficulty big. This paper takes Qingyuan pumped storage power station engineering modeling electromechanical equipment and pipeline bridge design as an example，introduces its application，analyzes the three-dimensional design of the pumped storage power station in the superiority of the design，and get the workers Technology Innovation Achievement Award of China Southern Power Grid，revealed in the hydropower industry in the development trend of domestic and broad prospects of 3D design.

Three-dimensional modeling；pipeline；cable tray

TM312

B学科代码：570.3520

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.015

南方电网职工创新金奖；国家重点工程项目（发改能源[2009]731号）；南方电网电力建设重点项目（南方电网计[2010]19号）。