三维设计中仪表专业建模工作探讨

王昭

(中国寰球工程有限公司 北京分公司，北京 100012)

在数字化交付成为大趋势的情况下，业主对三维模型的要求也在不断提高： 某些高标准、高要求的海外项目，甚至要求三维模型可以达到与真实工厂一致的细致程度，以便使操作维护人员提前熟悉新建工厂。其次，在多专业设计的配合过程中，也可以互相避让、互相校验，避免现场可能出现的碰撞及设计错误，在设计过程中减少设计变更带来的费用增加。再次，在施工过程中，三维模型可以辅助施工单位对各专业设备布置建立整体的概念，避免了传统的不同专业施工队先到先得、先施工先占空间的施工模式，对于施工质量和施工进度的把控也有很大的帮助。

因此，在实际的工程设计及施工过程中，通过三维建模辅助的设计手段可以大幅提高设计效率，可以达到节约投资的目的。

1 仪表专业三维模型建模

在以往的工程实践中，通常是在完成现场仪表的设计工作后，再通过模型进行校对，避免桥架、接线箱等仪表设备的碰撞。至于变送器、可燃气体检测器等体积较小，安装方式灵活的设备则不需要建模，仅用仪表布置图、桥架布置图等现场布置图体现现场仪表设备的物理位置。仪表布置图的比例尺一般较大，变送器等设备的图例在图中只能示意大概位置；对于现场仪表比较密集的区域，图例符号排布密集的情况，定位则会出现更大的偏差。由于不能精确地示意仪表设备的具体位置，因此最终的位置确认工作就只能留给现场进行。

另外，由于没有在同一个可视的平台中整合所有专业对于空间的需求，因此经常出现已经安装的仪表设备阻碍安全通道，妨碍检维修空间，或无法保证仪表设备的检维修空间等问题出现，造成了安装后被迫拆除、修改位置的窘况，既浪费人工时也浪费施工耗材。

三维模型可以提供真实的尺寸比例，能够精确地体现仪表设备的具体位置，同时又给各专业提供了一个公用的平台用于校验碰撞和空间需求。因此，目前对于三维模型的应用，已经从在工程实践中用于避免碰撞，逐渐转向以下几个方面： 确保仪表设备的检维修便利性；确保仪表设备的安装空间及管道要求；确保仪表设备的取源要求；确保安全通道及其他检维修空间不被占用；辅助进行现场图纸的设计。

随着三维模型要求的不断提高，需要建模的仪表专业的范围逐渐增加。笔者参与设计的某海外项目要求对桥架、穿线管、电缆沟/井、接线箱、就地盘、变送器、可燃气体探测器、警灯警笛、CCTV等仪表及通信设备进行三维建模，再加上传统上管道专业负责的阀门建模和仪表取源点建模，构成了完整的仪表模型体系，自控三维模型建模范围见表1所列。另外，由于该项目具有特殊性，需按照合资公司外方的惯例进行专业分工，因此电信专业的模型由仪表专业代为实施。

表1 自控三维模型建模范围

为了最大程度地避免设计图纸的修改，设计人员应当首先进行仪表设备的三维建模，然后再绘制现场仪表图纸。通过设计顺序的调整，就可以大幅提升设计工作的一次性准确率，提升设计效率。

2 仪表专业相关模型工作的关注重点

在建模过程中，虽然阀门、流量计、引压点等管道安装的一次元件的模型是由管道专业负责建模，但仪表专业工程师对于仪表、阀门的安装要求比管道专业工程师更加熟悉，更容易发现在建模过程中的瑕疵并加以修正。另外，在设计进度30%，60%，90%的几次模型审查时，仪表专业也应参与其中，对于一些方案性的设置进行了解并提出建议，规避设计建模工作中可能出现的问题。仪表专业相关模型建模的关注重点有以下几个方面。

2.1 安装空间和管道要求

在进行仪表建模和模型确认时，首先应该确认仪表的外形尺寸，保证目前预留的空间能够满足该仪表的安装需求，尤其是对分析仪表的预处理系统和阀门的执行机构尺寸都应当进行确认，以避免现场无法安装而出现设计变更的情况。

同时，对流量仪表的前后直管段长度应该给予高度重视，常用的差压式流量计(包含孔板流量计、楔形流量计、各种巴类流量计等)，涡街流量计，超声波流量计和转子流量计都对安装方向(水平/垂直)和前后直管段有着很高的要求，需要流体在相对稳定的状态下经过流量计，才能得到准确的测量结果。

流量计对管道直管段的要求并非是简单的“前十后五”，对于不同安装位置前后直管段有着不同的要求，具体的要求还应参考JJG 640—2016《差压式流量计》，以及不同产品生产厂家的具体技术要求。例如某品牌超声波流量计前后直管段要求如图1所示。

图1 某超声波流量计的前后直管段要求示意

值得注意的是： 根据ISO 5167—2《用压差装置测量管道循环交叉液体流量》规范中第6章的要求，在没有整流器的情况下，孔板流量计的前后直管段要求与它的β值直接相关，这一点经常在建模的过程中被忽略。仪表专业应当对直管段进行核对，以保证管道设计满足要求，以期达到最优的测量效果。

2.2 安全空间

由于变送器、有毒可燃气体探测器在施工过程中安装位置的随意性较大，因此在仪表建模的过程中，需要确认安全通道以及逃生通道不因安装仪表而受阻，避免现场进行修改返工。根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》的要求，厂房内疏散楼梯、走道、门的各自总净宽度，应根据疏散人数按每100人的最小疏散净宽度不小于表2的规定来计算确定。对于安全通道和逃生通道，管道专业在建模时应避免在安全通道中设置仪表设备，以保证安全通道的畅通。

表2 厂房内疏散楼梯、走道和门的每100人最小疏散净宽度

2.3 操作空间及检维修空间

对于操作空间及检维修空间的确认有以下几种情况：

1)与安全空间相类似，安装位置随意的仪表设备会阻碍其他设备的检维修和操作。比较常见的情况有： 仪表设备阻碍了换热器的抽芯空间；阻碍了管道手动阀门阀柄、八字盲板旋转等的操作空间；阻碍了吊车、叉车等设备的行进空间。

2)有一些仪表设备的功能是相互关联的，比如取样阀的操作按钮，应设置在取样平台附近，而非其他地方，以便于操作工就近操作。

3)在设计过程中应对仪表设备的检维修空间进行确认，比如需要考虑阀门的拆卸以及检维修空间，尤其是需要对控制阀的气源附件和阀门定位器的检维修空间进行二次确认，在施工过程中经常会出现控制阀定位器没有碰撞，但由于与其他设备间隙过小，无法开盖进行接线、检修工作的情况。

2.4 检维修便利性

在设计过程中，仪表设备是否便于检维修是非常容易被忽略的内容。通常会有仪表安装在设备中上部的管口，或者变送器在楼层半空，平常无法触及。虽然安装位置并不影响仪表设备的正常工作，但是操作工在巡检过程中不便读取变送器读数，仪表设备故障时不便于快速进行检维修，因此对生产造成影响。

当碰到实在无法通过调整仪表的安装位置来保证仪表设备的检维修便利性的时候，应当给下游专业提出设计条件，要求增设固定或移动平台，以确保仪表设备出现故障时可以快速进行检修，避免因仪表设备长时间故障而引起工艺停车，甚至造成经济损失。

2.5 取源要求

常规的压力及差压仪表都需要从管道取源测量压力或差压值，而被测工艺介质的物性则决定了管道取源点的朝向，需要利用取源方向排除非被测介质物性对测量的干扰，例如气泡、小液滴等。不同物性介质取源方向及范围如图2所示。

图2 不同物性介质取源方向及范围要求示意

2.6 辅助其他专业进行确认工作

在建模过程中，不仅需要对仪表专业范围内的设备建模，还应协助其他专业进行三维建模的确认工作，比如管道等其他专业建模的一次点进行检验和确认等。因此，仪表专业会更加深入地介入三维建模的工作中。例如，在某项目执行的过程中，音叉开关的位置在工艺和仪表专业的协助下进行了合理化修改。机泵联锁流程如图3所示。

图3所示的机泵联锁流程中，对于KS-1452联锁描述如下：

a)卸车管线阀门(UZV-4169)无开阀位反馈信号。己烷卸车线路上的开关阀UZV-4169未开到位，如果出现该状况，泵P-414无法吸入己烷，如机泵持续运行会造成泵设备的损坏。

b)气体平衡线阀门(UZV-4179)无开阀位反馈信号。己烷卸车的气体平衡线上的开关阀UZV-4179未开到位，如果出现此种情况，泵P-414将己烷从卸车罐中抽离后，会造成卸车罐的负压，如机泵持续运行会使泵设备或卸车罐损坏。

c)气液分离缓冲罐高液位(LA-4144)无报警。泵P-414的气液分离缓冲罐未灌满液，如果出现该种情况，则说明泵前的管线未灌满，也就是灌泵动作未完成，或者己烷卸车罐已将卸空，如机泵持续运行会造成泵设备的损坏。

图3 机泵联锁流程示意

d)泵吸入口液位开关(LA-4145)无报警。泵P-414入口管线无液，如果出现该种情况，则说明泵前的管线未灌满，也就是灌泵动作未完成，或者己烷卸车罐已卸空，如机泵持续运行会造成泵设备的损坏。

e)泵出口流量低低报警(延时30 s)。泵P-414出口流量低，如果出现该种情况，说明泵前某个环节出现故障，如机泵持续运行会造成泵设备的损坏。为避免出现误报警的情况，因此对该联锁动作进行延时30 s处理。

在联锁说明中对于与泵P-414相关的仪表功能进行了很明确的描述，但在管道建模的过程中由于PID未做出明确的说明，管道专业无法确定音叉开关与泵的入口之间的距离，于是把音叉开关设置在泵的入口处。在这种情况下，自控专业就应当协同工艺、机泵、管道等专业进行计算和确认，以保证音叉开关设置的位置能够满足联锁保护的需求。

最终经过对泵的能力值和控制系统的响应速度进行综合判断，确定音叉开关应当至少距离泵的入口600 mm，以保证在机泵设备没有因空转而损坏前，执行联锁停泵动作，达到对机泵设备进行联锁保护的目的。

3 结束语

在国内外业主对于三维建模和多专业协同工作重视程度大幅增加的前提下，仪表专业应当提高三维建模水平，并协助其他专业对三维模型优化，以达到减少设计变更，提高施工效率的目的。通过多专业协同模型优化的方法，使设计水平及准确性进一步提升。