3D协同设计加持燃煤电厂烟道改造

基于重庆松藻电厂660MW机组烟道改造EPC项目的数字化实践——李子豪团队案例解读

关键词
flue duct reconstruction,3D协同设计,3D,Tekla,数据接口,3D碰撞检测,电除尘器改造,低温电除尘

在燃煤电厂超低排放和节能改造进入存量博弈阶段之后，如何在极其紧张的检修窗口内完成电除尘器（ESP）前后烟道、烟气冷却器等大型设备改造，成为工程公司和业主共同面对的现实难题。李子豪在《燃煤电厂烟道改造中3D协同设计的应用》一文中，以重庆松藻发电有限责任公司4号机组（660MW）烟气冷却器与换热器改造EPC工程为样本，对3D协同设计在复杂烟道改造项目中的应用路径进行了系统梳理。这项研究不仅与电除尘器改造、低温电除尘技术密切相关，也折射出当前烟气治理工程数字化转型的行业风向。

研究背景方面，作者首先回顾了我国电力装机结构和环保标准演进。到2012年底，中国发电装机容量已达11.45亿kW，其中火电约8.19亿kW，占比超过70%[1]。在“十二五”期间，《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）实施，对烟尘、SO₂、NOx及烟气黑度提出明显严于GB13223-2003的新限值，并给予存量机组两年半过渡期[1]。这直接催生了大规模的电除尘器效率提升与协同脱硫脱硝改造需求，尤其是在已有ESP基础上，通过低温电除尘、优化烟道与气流组织、布置烟气冷却器与空气预热器等手段，实现在有限空间内达标甚至超低排放[1]。

然而，大多数老机组厂区空间极度受限，原有钢结构与设备关系复杂，传统依赖二维CAD的“经验式”烟道改造设计，往往面临以下共性问题：一是总布置阶段对现场条件还原度不足，钢结构、烟道与设备间碰撞干涉需要在施工阶段大量返工消缺；二是设计、采购、制造之间数据脱节，材料统计、下料详图大量人工处理，周期长且易出错；三是对于类似烟气冷却器入口、出口烟道这样对流场均匀性高度敏感的部位，难以在方案阶段通过数值模拟进行优化验证[2]。这正是3D协同设计和CFD仿真在电除尘器及烟气治理改造工程中大展拳脚的突破口。

针对重庆松藻电厂4号机改造项目，作者给出了相对完整的工程约束与技术难点。项目需在“锅炉停机到并网仅62天、有效施工期57天”的前提下，完成从空气预热器出口到电除尘器进口段烟道整体改造，同时在新烟道垂直段布置两台烟气冷却器，实现单炉两台串联布置。原有钢支撑既要承担上部空气预热器自重，又要托举原烟道，这使得传统“拆旧支撑、重建体系”的方案不可行，只能在尽量不动旧支撑的前提下，从地面重新设基础、增设新支撑，与旧支撑共同承担新烟道与烟气冷却器荷载。这类“新旧钢结构叠加+大截面烟道+长距离落差+设备穿插”的工况，在常规燃煤电厂电除尘、脱硫、SCR改造中极具代表性。

为降低方案风险并提前暴露问题，研究团队采用“CFD+多软件3D协同”的总体技术路线。首先在方案阶段，对烟气冷却器本体及进出口烟道进行CFD数值模拟，构建简化的三维流道模型，将关键构件如导流板、折流段及烟道转弯半径以适当简化方式建模，通过速度云图等结果评估烟气在进入冷却器前后的速度分布均匀性与流线平顺性[3]。模拟结果显示，优化后的烟道改造方案可实现冷却器入口断面速度场相对均匀、出口烟道明显改善偏流现象，为后端电除尘器低温、高效稳定运行创造条件，这从流场层面支撑了整体布置的合理性。

在结构与详图阶段，作者将Tekla Structures作为协同设计的核心平台，对接CFD、结构分析及设备建模工具，构建统一的3D协同环境。具体做法包括：对于新、旧钢支撑体系，结构专业首先在SAP2000中进行受力分析和截面校核，然后将分析所得的空间钢架模型以.SDN等中间格式导出；团队通过Tekla二次开发插件，实现SAP2000模型向Tekla的直接导入，进而在Tekla中进行节点深化、支撑体系与烟道支架一体化设计，保证受力合理与可施工性兼顾。对于经CFD优化的进口、出口烟道边界形体，则采用将最终几何以STEP格式导入Tekla的方式，再基于导入边界搭建烟道本体与加劲肋结构。烟气冷却器本体由于包含大量换热管束与翅片模块，不适合完全三维精细建模，因此团队只在Rhino中构建外壳几何轮廓，并以STEP格式作为“参考模型”导入Tekla，用以约束支架布置与碰撞检查。

在Tekla统一环境中，所有通过数据接口导入的模型（包括CFD烟道边界、Rhino设备外壳、SAP2000钢结构框架）均可进行全局碰撞检查。借助Tekla Model Collision Check Manager，设计人员可以自动识别新旧支撑斜撑、柱脚与新烟道、烟气冷却器壳体之间的干涉，对传统二维图纸上难以察觉的遮挡和碰撞进行逐一协调处理。文章中提到，实际改造过程中，大量干涉集中于新旧钢支撑之间的斜撑与新烟道支撑之间，通过调整斜撑布置角度、局部改线烟道支座、优化节点构造等措施，在三维设计阶段被完全化解，避免了施工现场“切管、割梁、补强”的临时方案，从而在严苛的停机窗口内守住了工期红线。

在面向制造和采购的“前后端打通”上，Tekla的优势被系统放大。所有在协同模型中确认的构件都会自动生成唯一的构件编号，进而一键生成完整且可追溯的材料报表，供物资采购部门提前锁定钢材与板材资源。同时，设计团队可在三维模型稳定后，通过Tekla自动出图功能快速生成构件详图和安装总图，并可在后续设计变更时实现模型与图纸的同步更新，大幅降低传统二维“逐张修改”的人力消耗与错漏风险[3]。

作者还通过定性对比梳理了3D协同设计与传统二维流程在时间与流程组织上的差异：在总图阶段，由于可直接导入各专业的3D基础数据，3D协同方案可将原本完全手工绘制的CAD总布置时间显著压缩；在干涉处理阶段，传统方式只能通过人工审图或留待现场处理，而3D方案依托软件自动检查，将问题前移至设计阶段；在构件详图与材料统计环节，自动出图与自动汇总替代了大量人工放样和手工统计工作；在流程组织上，3D协同设计允许运维、采购、制造等环节以部分并行方式开展，而不再是严格的串行交接。这种“设计-采购-生产”一体化协同，为电除尘器改造、烟气脱硫吸收塔增容、SCR反应器改造等典型项目提供了可复制的数字化路径。

从行业视角看，李子豪团队的工作并非简单的软件应用案例，而是对燃煤电厂烟气治理工程在“高标准排放+极短工期+复杂存量结构”约束下的一次数字化工程实践。结合低温电除尘技术、精细化厂区总布置与模块化设计的发展趋势[1-2]，这一3D协同设计方法在后续的大气污染物深度治理、老机组灵活性改造、以及与CCUS或深度余热利用系统的耦合设计中，均具有推广价值。对设计院和EPC总包商而言，尽快建立跨学科3D模型数据接口标准，强化Tekla、PDMS、CFD、结构分析软件之间的数据互认，将成为未来电除尘器与烟气治理工程竞争的“底层能力”。

综合来看，该研究表明：在以重庆松藻电厂为代表的复杂烟道改造项目中，3D协同设计不仅在缩短设计周期、降低碰撞返工、优化设计-采购-生产衔接方面优势显著，也间接提升了电除尘系统整体运行的可靠性与可维护性，是燃煤电厂在新一轮环保标准与碳约束下提升工程管理水平的关键抓手之一。

参考文献
[1] Xie Q. Application of Low Temperature ESP Technology in 600MW Unit of Ningde Power Plant[C]. Proceedings of The 15th China Academic Conference on Electrostatic Precipitator, 2013: 392-395.
[2] Wang J. Layout Technology of Thermal Power Plant and Application of Information Technology[J]. Electric Power Construction, 2010(4): 82-85.
[3] Tang M. Research on Application of Tekla in Design of Nuclear Power Mechanical Modules[J]. Electric Power, 2013(4): 11-15.

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