核电站用的燃料是铀。铀是一种很重的金属。用铀制成的 核燃料在一种叫“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量 热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器 内产生蒸汽，蒸汽推动气轮机带着发电机一起旋转，电就 源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方。这就是 最普通的压水反应堆核电站的工作原理

王若冰 吴彦
（中国广东核电集团技术中心, 广东 深圳 518124）

介绍了三维设备模型设计在核电站中的实际应用，包括建模准则的制定、程序编制、模型建立、以及项目实践的全过程。阐述了作为数字核电厂的重要组成部分——三维设备模型设计的基本准则和应用实践，从而，进一步验证了数字电厂主要结构体系和程序配置的合理性、有效性，对核电厂全寿期管理概念的具体实践进行了有益的尝试，并取得了良好的应用成果。为三维设备模型更深入的运用于大亚湾、岭澳核电站的运行、维修模拟以及岭澳二期、广三核项目的工程设计管理，奠定了可靠的工作基础。
核电站；三维模型；设计；准则；工程信息
Abstract: The practical application of 3D digital model design at nuclear power stations were introduced in detail in the paper. The whole process for system choice, program constitution, model design and project practice were also summarized. By demonstrating the basic principle and application practice of 3D digital model design as an important sub project of CGNPC Digital Plant, which validates the rationality and validity for the major architecture system and program configuration for digital plant, carries through useful attempt and study in the overall power plant life engineering management and site practice, and has significant both engineering and social benefits. The success of the project''s practice accelerates extended and extensive application value of Digital Plant for the operations of Daya Bay and Lingao Nuclear Power Stations, the engerineering project design management for maintenance simulation, Lingao II and III of CGNPC on a consolidated basis.
Key words: Nuclear power plant; 3D Model; Design; Criteria; Information of engineering

近年来，随着信息技术的广泛应用和迅速发展，电力行业的设计院及业主都在寻求IT在行业内更加完善的应用发展方向和解决方案，努力实现工厂设计、采购、施工、运营和管理的集约化和智能化。建立以三维工厂设计数据库为核心的协同工作平台，将电厂项目的系统工艺设计、三维辅助设计、设备采购和制造、施工进度管理、运行维护集成在一体的全寿期数字电厂信息管理系统，已经得到电力行业的广泛认同，并为此进行了多方面卓有成效的实践。
由于自身领域的复杂和特殊性，核电站在设计、采购、施工建造、运营维护等方面，较早地应用了三维虚拟技术。中国广东核电集团技术中心(以下简称中心)在2001年引入了三维设计管理综合平台，成立了数字电厂全寿期管理课题组(以下简称数字电厂组)，进行了大规模的工作实践和测试，取得了三维设计环境下大量宝贵的建模、设计管理和维修应用经验。
数字电厂全寿期工程信息管理体系涵盖了核电站从设计到退役的全过程，可以对核电站项目的设计、采购、施工、安装、调试、运行、维修等工程数据信息实行完整的纪录、更新、积累和有效的阶段性综合延续。设备的全过程跟踪管理是未来核电厂设备可靠性管理的核心组成部分。为此，技术中心数字电厂组以大亚湾核电站竣工图纸为蓝本，进行了设备三维模型设计、仿真的积极探索，总结了完整的工作程序和全面的管理准则。到目前为止，完成了核岛厂房35个系统17类共计337台设备，基本建立了核电站主要系统设备的三维模型，并且在多次的实际维修项目中应用，取得了良好的工程效益和社会效益，对于在核电站的工程建设、运行维修中综合应用三维设计管理技术起到了重要的推动作用。

1 三维设计平台的选择

数字电厂就是核电站物理对象的数字化表达，集成了核电站设计数据、安装信息、管理程序的综合数据库，并利用三维仿真模型以互动的形式显示，其核心部分是三维模型设计。因此，在数字电厂中所有的图像、模型都是基准数据库的数据映射，从而达到了数字电厂模型设计以数据为中心的一体化集成。
要实现数字电厂尤其是设备三维模型设计的技术要求，其软件平台应具备2个基本条件：首先是建立稳定的读写数据库；其次要联接互动的图形界面进行操作。从欧美发达国家多个电力设计工程公司的3D CAD平台看，都经历了从图数分离的2个软件系统并行到图数一体化解决方案集成的优化过程。如：Intergraph公司的PDS系统、Bentley公司的AutoPlant系统，其内核是独立开发的工艺属性数据库，搭接第三方成熟的图形处理软件AutoCAD、Microstation实现可视化。这样的组合形式对计算机硬件要求较高，由于增加了中间转换、传输环节，速度、数据一致性以及系统稳定性都不够理想。
20世纪70年代中期，以AVEVA(时为CADCE-NTRE)公司的PDMS软件为代表的新一代工厂设计系统出现，其图形处理基础和数据库应用图数一体的专有技术，即模型所有的信息(图形和属性)都以数据库的形式存储和输出，在当时该系统只能运行于UNIX系统的大型电脑，进入90年代，此系统升级并能够平稳地运行在普通微机上，具有良好的通用性、交互性。虽然，Intergraph公司的SmartPlant系统、Bentley公司的PlantSpace系统等升级版本也开发了类似的功能，但从市场占有率和用户群体反映来看，PDMS系统的运行效果更为理想，并且在国外核电领域已经有比较成熟的实践经验。如：法国EDF、Framatome、美国Westinghouse、英国Alstom、日本Hitachi、Mitsubishi等。目前，在我国石油、化工、电力、机械行业PDMS系统也被广泛的采用。有鉴于此，中心数字电厂组于2001年引进PDMS系统开展数字电厂项目的相关课题研究工作。

2 设备三维模型设计的基本准则

2.1 设计流程与工作目标
核电站项目设计工作一般可分为初步可行性研究、可行性研究、初步设计和施工图设计4个阶段，根据各阶段的具体情况，目前三维设计主要针对初步设计和施工图2个阶段进行，以汽机专业为例，其设计流程主线为：
PDMS-EQUI设备建模定位→PDMS-PIPE管道和支吊点布置→PDMS-DESI碰撞检查→GLIF应力计算分析→DRAFT管道布置图→设计校核→ISODRAFT管道ISO图→管道材料统计→ACAD图纸汇总打印→校核、审定→出版、归档。
可以看出，设备三维模型的设计和定位过程是整个工厂布置设计流程的关键，其设计参数、形状特性、材料特性、接口信息以及物理属性应该有较为详细的描述，并且在设计时就应考虑该模型在未来核电厂施工和运行维修时的应用。设计院主要考虑模型的占位和同其他工艺系统及周边环境的相互关系，而对设备安装和施工所考虑的问题则较少，而在后续的三维应用的实践中发现，三维模型的主要可拆解部分的模型建立，对核电厂的运行和维护有着非常重要的意义，故应该在设计阶段阶段进行考虑。但是，模型建设的详细程度应该控制在一个适当的范围内，才不至于在模型的建设上花费太多成本。这就对三维设备的建设提出了一个深度标准的问题。如何把握这个标准，是业主在三维设备模型建设中的关键，也是数字电厂工作的主要目标之一。从工艺设计的角度出发，设备模型信息应该包含：
(1) 外形尺寸。设备主要外部特征，设备三维包络控制尺寸数据；
(2) 空间定位。设备自身Origin Point(定位原点)的合理设置及其准确的三维空间坐标，应该同时考虑设备安装的顺序和通道；
(3) 接口信息。管嘴是设备与管道实体联接部件，也是工艺设计流程中关键的节点。其数据须准确、完整，主要包括：选用标准、联接形式、公称直径、压力等级、介质温度以及相关功能说明等；
(4) 档案数据。记录设备生产商名称、订货时间、设备型号、设备系统编码、施工图纸号码、设备安装的区域和房间编码、设计建模人员姓名等。
2.2 模型精度及附加信息
在数字电厂全寿期管理的概念中，三维设备模型的设计应用是逐步传递、渐次细化和提高的。依据使用者对功能要求的不同，可以划分为3个主要阶段：①设计承包商初步建立模型，用于工艺布置设计和方案优选；②施工承包商归并和继承三维模型，编制施工组织计划并指导现场的实际安装和调试工作；③业主公司最终汇总和集成模型，有针对性地服务于电站操作培训、维修模拟、数据维护等。3个阶段紧密联系、相辅相成，后者是前者的延续和补充。设备模型作为数据的载体，将不断丰富的信息资源有效地提供给后续的使用者。
数字电厂组在几年的建模实践中，总结出了核电站设备三维模型的技术特点，并根据现场运行、维修的具体需求，认为在设备模型精度及所附加的信息中还应该增加以下几个方面的内容：
(1) 模型精度。对于基本设备，应增加空间定位、外部形状、标识，颜色完全写实仿真。对于教学演示及维修设备，应增加定位、外部形状、标识，颜色应体现实际情况，设备组件构成、内部细节零件能够分解和拆装(静态图像、影片模式)，并应符合核电站设备运行培训规范和维修手册的技术要求。根据每个维修项目的具体情况不同，在维修时间的关键路经上，设置若干设备布置的控制状态，以实现现场动态交互式维修计划管理；
(2) 安装调试数据。安装调试人员、时间、调试程序，现场调试参数同步记录；
(3) 维修信息。引用的维修工作程序，维修起始时间，承包商(维修、供货)名称，维修数据积累，备品备件库存指引；
(4) 质保信息。设计及校审记录，安装调试临时移交运行文件、设备试验监测确认文件。

3 核电站三维设备模型的数据结构

核电站核岛厂房分区多、房间多，工艺系统特别复杂，其中工艺相关的设备涉及17大类99个系统，为了使三维设备模型具有唯一性、附加信息具有可追朔性，根据PDMS的树状结构特点并结合中心设计程序手册(M-ENG-3.06)，数字电厂组编制了《数字电厂设备建模工作细则》，其中详细界定了模型组成及其层次结构的划分，下面以PCP系统设备为例说明，如图1所示。

数据来源：工艺流程图及相应的设备装配图(Assembly)。
命名方式(Name)：工艺流程图中设备代号 设备装配图中管嘴编号,如1RCP系统代码为001的设备上编为02的管嘴，其名称应为1RCP001-N2。
类型(Nozzle Type)：由工艺图纸中管嘴的规格表(Specification)、公称管径(Nominal bore)确定。
属性(Attributes)：应填加相应的选用标准等数据，其单位应符合规范类别要求。
在每一个层次目录下，都有属性(Attributes)选项，可以将前述的附加数据和自定义的管理信息分门别类地详细输入。

4 应用实例

4.1 核电大修项目
核电站大修项目涉及多系统、多专业，多个承包商共同工作，核岛大修工作面为反应堆厂房20m平台，以环吊运行为主线、以设备舱开闭为时间窗口制定工期。数字电厂组在大修期间，利用核岛设备三位模型和空间布置图与大修主线计划相结合，提供了多工种的协同工作空间，对设备进出时间、移动空间和路径进行实况模拟，确保其实施方案的可行性、合理性，使大修主线计划也得到了最佳的完善和优化。
(1) 调整环吊使用时间和大修主线计划，将20m平台的设备布置流程规划为14个控制状态，对每一阶段的设备位置进行三维空间模拟。
(2) 确定关键路径，对假封头和旧顶盖进出设备舱的时间进行优化，缩短环吊的实际使用工期。
(3) 提供关键设备布置的精确定位，如：新顶盖支座和MMA(自主式起吊平台)现场定位坐标。完成了大型设备工具组装、拆卸、周转的场地布置。
(4) 与项目进度结合，编写了项目指导性工作程序，用于指导施工承包商和业主相关单位之间的工作协调。
大修期间，利用设备模型将空间布置和大修计划相结合，统一安排核岛(RX)厂房现场的工作和物流，有效地缩短了施工工期，尤其对D209大修项目提前92.5h完成起到了关键作用。并以此为契机，将设备三维模拟技术不断应用于广核维修项目之中。自2002年12月～2004年9月，成功完成了D209、D109、L101、D210、D110 5个大修项目20m平台布置及动态管理方案。
4.2 APG交换器更换项目
在设备三维模型实际应用于大修项目取得成功的基

[1] [2]