一种核电厂工艺管道智能化设计系统及设计方法

技术领域

本发明属于核电厂设计技术，具体涉及一种核电厂工艺管道智能化设计系统及设计方法。

背景技术

一般的核电厂工艺布置设计工作量很大，通常需要投入大量人力和物力，涉及工艺、布置、力学、设备、结构等多个专业工种，各专业之间存在多个接口，并且接口之间相互交叉、相互影响。布置专业在开展布置设计时，通常使用二维结合三维的设计工具，首先初步设计一版工艺管道布置，人工梳理大量的力学计算条件，提资力学专业进行计算，如若力学计算反馈结果不通过，还得反馈布置专业重新调整并再次提资，重复往返直至力学通过。一般厂房涉及到多个工艺系统，而一般三维设计软件往往不具备综合功能，无法得知物项之间的干涉和碰撞，致使还得另外使用三维综合软件来梳理、解决干涉和碰撞点，这样就可能使得原本布置固化的管道因干涉和碰撞而需要重新进行调整和计算，这大大增加了设计周期和人力投入。对于埋板和孔洞，一般都是由各专业人工设计和提资，由于其数量庞大且提资方涉及多个专业的不同人员，这使得人因错误率增大且容易导致管理混乱。

发明内容

本发明的目的是针对传统工艺管道设计方法存在的上述问题，提供一种核电厂工艺管道智能化设计系统及设计方法，实现工艺管道的智能化布置，并为数字化核电厂奠定基础。

本发明的技术方案如下：一种核电厂工艺管道智能化设计系统，包括：

参数设计模块，用于赋予工艺管道、支吊架及设备的设计参数，并将这些参数作为力学计算参数反馈给力学计算模块；

管道设计模块，用于根据与管道相关的设计参数自动进行管道的布置设计，并将管道布置设计结果反馈给力学计算模块；

支吊架设计模块，用于根据与支吊架相关的设计参数自动进行支吊架的布置设计，并将支吊架布置设计结果反馈给力学计算模块；

埋板设计模块，用于在管道布置设计固化后，依据支吊架功能、位置和力学计算模块反馈的支吊架载荷、位移，自动确定埋板位置和型号；

孔洞设计模块，用于在管道布置设计固化后，依据管道位置、力学计算模块反馈的穿墙管道位移，自动确定孔洞位置和尺寸；

力学计算模块，用于依据力学计算参数和管道布置条件，开展力学分析与评定，并将计算结果反馈给管道设计模块、支吊架设计模块、埋板设计模块和孔洞设计模块；

三维综合模块，用于当存在多个工艺系统管道布置时，自动识别物项间干涉和碰撞点，并将结果反馈给管道设计模块，从而自动调整管道布置以消除干涉和碰撞点。

进一步，如上所述的核电厂工艺管道智能化设计系统，其中，所述参数设计模块赋予的工艺管道、支吊架及设备的设计参数包括：工艺管道的设计工况分类及参数、管道材料参数、保温材料参数和工艺介质参数；支吊架功能类型及参数；设备接口形式及参数。

进一步，如上所述的核电厂工艺管道智能化设计系统，其中，所述管道设计模块、支吊架设计模块、埋板设计模块和孔洞设计模块分别依据管道、支吊架、埋板和孔洞相关的设计标准规范、厂房体素化数据、工艺设计要求和其他特殊要求形成自动化原理设计程序。

进一步，如上所述的核电厂工艺管道智能化设计系统，其中，所述力学计算模块包括热胀、地震、蠕变等应力的计算程序。

进一步，如上所述的核电厂工艺管道智能化设计系统，其中，所述管道设计模块依据管道材料参数和蠕变要求自动识别、判断高温管道是否需要蠕变评定，并将需要蠕变评定的管道信息反馈给力学计算模块。

进一步，如上所述的核电厂工艺管道智能化设计系统，其中，当管道布置设计固化后，能够自动导出管道三维图或三维模型直接用于工程施工，并能够自动生成管道管件材料清单；当埋板和孔洞设计完成后，按层自动导出楼板和墙的结构模板图，用于埋板和孔洞的施工。

进一步，如上所述的核电厂工艺管道智能化设计系统，其中，埋板设计模块依据编码规则赋予每块埋板唯一标识，按层自动导出整个厂房带有唯一标识、标准类型、尺寸、房间号、使用物项等关键参数的埋板清单。

进一步，如上所述的核电厂工艺管道智能化设计系统，其中，孔洞设计模块依据编码规则赋予每个孔洞唯一标识，按层自动导出整个厂房带有唯一标识、标准类型、尺寸、位置、使用物项等关键参数的孔洞清单。

进一步，如上所述的核电厂工艺管道智能化设计系统，其中，孔洞设计模块在完成孔洞设计后，依据孔洞大小、力学计算模块反馈的穿墙管道位移、孔洞两侧房间的气密要求、水密要求、防火要求、辐照屏蔽要求、承压要求，合理选取孔洞封堵方法。

一种采用上述系统进行核电厂工艺管道智能化设计的方法，包括如下步骤：

(1)根据与管道相关的设计参数进行管道的布置设计，根据与支吊架相关的设计参数进行支吊架的布置设计；

(2)识别多个工艺系统管道间的干涉和碰撞点，调整管道布置以消除干涉和碰撞点；

(3)依据管道布置条件和力学计算参数开展力学分析与评定，并将计算结果反馈给管道、支吊架、埋板和孔洞的设计模块；

(4)进行埋板和孔洞的设计计算，确定埋板位置和型号，以及孔洞位置、尺寸及封堵方法；

(5)完成工艺管道布置，输出设计结果。

本发明的有益效果如下：

本发明通过核电厂工艺管道智能化布置平台的设计，为数字化核电厂设计奠定了基础。与传统的核电厂设计相比，核电厂工艺管道智能化设计系统大大减少了各专业间的接口和相互提资，也减少了相互提资和设计过程中的人因错误率，同时大大提高了设计效率，从而缩短了设计周期，节省了人力投入。

工艺管道智能化布置能够通过压缩设计周期来提升核电厂的经济性，从而可以扩大国内自主研发的竞争性优势，为核电厂出口海外提供了很大帮助。

对于需要同时考虑热胀、地震和蠕变的高温管道，由于热胀和地震对于布置要求本就是一对矛盾体，难以同时满足，再加上蠕变评定，使其布置设计尤为复杂，通过本发明提供的智能化布置方法可以减少迭代次数，大大减少设计工作量。

对于有关键设备和工艺管道连接的情况，使用该智能化布置方法可以不通过设备解耦而连带设备直接进行力学计算，这样不仅提高了力学计算的真实性和准确度，而且减小了设备解耦后保守计算带来的力学不通过的可能性。

附图说明

图1为本发明具体实施例中提供的核电厂工艺管道智能化布置平台的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中提供的核电厂工艺管道智能化布置方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的核电厂工艺管道智能化布置平台基于先进三维设计软件1，集成了三维综合程序2和力学计算程序3，实现了三维设计、三维综合和力学计算在同一平台同步开展的目的，智能化布置平台如图1所示。

核电厂工艺管道智能化布置平台的系统组成包括如下功能模块：

参数设计模块，包括参数输入接口程序，用于赋予工艺管道、支吊架及设备的设计参数，具体包括：1)工艺管道的设计工况分类及参数、管道材料参数、保温材料参数和工艺介质参数；2)支吊架功能类型及参数；3)设备接口形式及参数，并将这些参数作为力学计算参数反馈给力学计算模块；

管道设计模块，包括管道设计程序11，用于根据与管道相关的设计参数自动进行管道的布置设计，并将管道布置设计结果反馈给力学计算模块；

支吊架设计模块，包括支吊架设计程序12，用于根据与支吊架相关的设计参数自动进行支吊架的布置设计，并将支吊架布置设计结果反馈给力学计算模块；

埋板设计模块，包括埋板设计程序13，用于在管道布置设计固化后，依据支吊架功能、位置和力学计算模块反馈的支吊架载荷、位移，自动确定埋板位置和型号；

孔洞设计模块，包括孔洞设计程序14，用于在管道布置设计固化后，依据管道位置、力学计算模块反馈的穿墙管道位移，自动确定孔洞位置和尺寸；

力学计算模块，包括力学计算程序3，用于依据力学计算参数和管道布置条件，开展力学分析与评定，并将计算结果反馈给管道设计模块、支吊架设计模块、埋板设计模块和孔洞设计模块；

三维综合模块，包括三维综合程序2，用于当存在多个工艺系统管道布置时，自动识别物项间干涉和碰撞点，并将结果反馈给管道设计模块，从而自动调整管道布置以消除干涉和碰撞点。

先进三维设计软件1的管道设计程序11、支吊架设计程序12、埋板设计程序13和孔洞设计程序14是分别依据管道、支吊架、埋板和孔洞相关的设计标准规范、厂房体素化数据、工艺设计要求和其他特殊要求形成的自动化原理设计程序。该系统依据上述程序，可以自动进行管道、支吊架、埋板和孔洞的布置设计，同时可以依据力学计算反馈的结果，自动进行调整。

采用上述系统进行核电厂工艺管道智能化设计的方法流程如图2所示，包括如下步骤：

(1)管道设计程序11根据与管道相关的设计参数进行管道的布置设计，支吊架设计程序12根据与支吊架相关的设计参数进行支吊架的布置设计。管道、支吊架设计程序和力学计算程序3是耦合且相互迭代的，管道、支吊架布置的调整导致力学重新计算，若管道应力比不满足设计要求，则将结果反馈给管道、支吊架设计程序进行管道、支吊架的调整，直至管道应力比达到设计要求为止。

(2)当存在多个工艺系统管道布置时，通过三维综合程序2自动识别物项间干涉和碰撞点，并将其反馈给管道设计程序11，从而自动调整管道布置以消除干涉和碰撞点。

(3)力学计算程序3包括热胀、地震、蠕变等应力的计算程序，力学计算程序3依据管道布置条件和力学计算参数开展力学分析与评定，并将计算结果反馈给管道、支吊架、埋板和孔洞的设计程序。管道设计程序11能够自动识别、判断高温管道是否需要蠕变评定，依据管道材料物性参数和蠕变要求进行识别和判断，如若需要蠕变评定，则将其反馈给力学计算程序3。

(4)进行埋板和孔洞的设计计算，确定埋板位置和型号，以及孔洞位置、尺寸及封堵方法。当管道布置设计固化后，埋板设计程序13依据支吊架功能、位置和力学计算程序3反馈的支吊架载荷、位移，自动、准确地确定埋板位置和型号；孔洞设计程序14依据管道位置、力学计算程序3反馈的穿墙管道位移，自动、准确地确定孔洞位置和尺寸，当埋板和孔洞设计完成时，按层自动导出楼板和墙的结构模板图，用于埋板和孔洞的施工。在进行埋板和孔洞的设计时，也可以通过三维综合程序2自动识别物项间干涉和碰撞点，避免相邻管道支架的埋板或孔洞发生碰撞。

(5)完成工艺管道布置，输出设计结果。

当管道布置设计固化后，该智能化布置平台能够自动导出管道三维图或三维模型，且可直接应用于工程施工；同时，能够自动生成管道管件材料清单，可用于采购。

埋板设计程序13能够依据一定的编码规则赋予每块埋板唯一标识，按层自动导出整个厂房带有唯一标识、标准类型、尺寸、房间号、使用物项等关键参数的埋板清单，用于采购；孔洞设计程序14能够依据一定的编码规则赋予每个孔洞唯一标识，按层自动导出整个厂房带有唯一标识、标准类型、尺寸、位置、使用物项等关键参数的孔洞清单。

孔洞设计程序14在完成孔洞设计后，依据孔洞大小、力学计算程序3反馈的穿墙管道位移、孔洞两侧房间的气密要求、水密要求、防火要求、辐照屏蔽要求、承压要求，合理选取孔洞封堵要求，若穿墙管道位移大于20mm时，使用柔性硅布、钢套管结合缩洞的方法进行封堵；若穿墙管道位移小于等于20mm时，使用硅酮进行封堵，最终自动导出整个厂房的孔洞封堵清单，用于指导孔洞封堵。

本发明的管道设计程序11可以基于现有技术中先进的三维管道设计程序，如E3D、Revi t等，采用智能化算法，如遗传算法、神经网络、粒子群算法等，将起始和终端间的管道自动布置在厂房内，同理，本发明描述的其他设计程序也可以采用类似的方法开发形成相应的自动化设计程序，这对于本领域的技术人员来说完全可以实现。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。