JP4585323B2 - プラント配管エンジニアリング計算用リスト出力装置およびプラント配管エンジニアリング計算装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元配置調整ＣＡＤの配管部品データを利用して計算を行う配管エンジニアリング計算用リスト出力装置およびその方法並びに配管エンジニアリング計算装置に関する。

火力、原子力また水力発電プラント等の設計において、プラント配管について配管エンジニアリング計算が行われる。ここで配管エンジニアリング計算とは、設計圧力、設計温度や流体の物性および配管材料の寸法や物性等のデータに基づいて、配管内の流体の流速や圧力損失や許容応力等を求める計算や、油管のフローバック油量と油面角に関する計算等を指す。

近年、こうした配管設計に三次元配置調整ＣＡＤが利用されているが、この三次元配置調整ＣＡＤから出力される情報は、アイソメトリック図面と配管部品の物量集計であって、配管エンジニアリング計算に関する出力を得られる装置がなかった。そのため、配管設計者は、三次元配置調整ＣＡＤによる配管設計と別の作業として、並行的に配管エンジニアリング計算を行っていた。

従来、三次元配置調整ＣＡＤを用いてプラント機器の配置や配管等の設計を支援するシステムが利用されている。例えば、設計構想および基本設計の段階から施工および製作の段階までを統合化し、設計生産の省力化に好適な設計生産支援システムを提供する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−３０９４１８号公報

しかしながら、上述のように三次元配置調整ＣＡＤへの配管部品配置データの入力と配管エンジニアリング計算とを分ける方法は、下記のような後戻り処理を生むため、効率的な設計方法とは言えなかった。例えば、先に三次元配置調整ＣＡＤに配管部品配置データを入力した場合、その後に配管エンジニアリング計算をする際に、三次元配置調整ＣＡＤ上に配置された配管部品を配管設計者が拾い上げて配管エンジニアリング計算しなければならなかった。

また、逆に配管エンジニアリング計算を先に行った場合、プラントの配管以外の部品である機器やケーブルトレイとの配置調整によって配管計画ルートが変更されることがあるため、このような場合、配管計画ルートの変更点に基づいて、再度配管エンジニアリング計算を行わなければならなかった。

このように、配管設計において三次元配置調整ＣＡＤへの配管データ入力と配管エンジニアリング計算とが分割して行われていることは、設計作業上たいへん非効率であり、そのため、これらの作業を密接に関係させることが可能な新しい設計技術および手段が必要とされていた。

しかしながら、上述したような従来の三次元配置調整ＣＡＤを用いた設計手段や方法において、三次元配置調整ＣＡＤの配置データを用いた配管エンジニアリング計算に関する装置や方法について述べられている技術は、従来存在しなかった。

このように、従来の配管設計技術は、三次元配置調整ＣＡＤの配管部品から配管エンジニアリング計算用のデータを抽出することができないことが課題であった。

本発明は、上述したような事情を考慮してなされたものであり、三次元配置調整ＣＡＤの配管部品配置データを利用して、配管エンジニアリング計算を実施し、計算結果をリストとして出力することが可能な配管エンジニアリング計算装置および方法を提供することを目的とする。

本発明のプラント配管エンジニアリング計算用リスト出力装置は、上述した課題を解決するために、三次元配置調整ＣＡＤで作成した配管部品配置データと、配管系統ごとの配管仕様情報が格納されたリスト形式の配管仕様データとを入力して関連付け、前記配管部品配置データが保有する配管部品の端点の座標を用いて配管エンジニアリング計算に必要な配管エンジニアリング計算用リストを求める演算手段と、この演算手段で求めた配管エンジニアリング計算用リストを出力する出力手段とを備え、前記演算手段にて、前記配管部品配置データが保有する前記配管部品の種類とこれら配管部品の端点の座標とに関する情報から、前記配管系統の総距離および高低差を計算することを特徴とするものである。

さらに、本発明の配管エンジニアリング計算装置は、上述した課題を解決するために、前記請求項１ないし請求項６で求められた配管エンジニアリング計算用リストを用いて配管エンジニアリング計算を行うようにしたものである。

本発明のプラント配管エンジニアリング計算用リスト出力装置によれば、三次元配置調整ＣＡＤの配管部品配置データを直接入力することにより、配管エンジニアリング計算用リストを得ることができるので、三次元配置調整ＣＡＤによる配管設計と配管エンジニアリング計算とを並列的に処理できる。また、配管エンジニアリング計算用リストの内容を三次元配置調整ＣＡＤにフィードバックすることにより、三次元配置調整ＣＡＤの配管ルートを再計画することが可能となる。従って、配管設計に要する時間が短縮され、設計コストを低減することが可能である。

本発明に係る配管エンジニアリング計算装置および方法の実施例について、図面を参照して以下に詳細に説明する。

図１は、本実施例のエンジニアリング計算用リスト出力装置および配管エンジニアリング計算装置を示す構成図である。

配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０は、入力手段１０_１、演算手段１０_２および出力手段１０_３を備えている。この配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０は、三次元配置調整ＣＡＤが有する配管の構成要素としての直管や継手や弁等の部品に関する部品配置データ２と、配管系統との関連付けが可能なユニークなキー例えばライン番号で識別される配管仕様を記載したリスト形式の配管仕様データ３とを入力手段１０_１により入力し、しかも、これら入力データを関連付けして演算手段１０_２によって配管エンジニアリング計算に必要な配管エンジニアリング計算用リスト６を求め、この求めた配管エンジニアリング計算用リスト６を出力手段１０_３から出力するように構成されている。４０は、配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０から出力された配管エンジニアリング計算用リスト６を用いて配管エンジニアリング計算を行う配管エンジニアリング計算装置である。

前述した、配管部品配置データ２は、三次元配置調整ＣＡＤ１によって、コンピュータ上の三次元仮想空間に配管部品を配置することによって生成されるものを利用する。これらには、配管部品ごとに必要な情報として、配管系統を表すライン番号と、部品型式と、口径と、全端点の座標とがある。

一方、配管仕様データ３は、配管部品配置データ２に含まれない情報であって、かつ配管エンジニアリング計算に必要な属性情報がすべて記載される。上記属性情報として、例えば、設計圧力、設計温度、配管材質および肉厚等のデータが該当する。この配管仕様データ３は、データベース上に概念的にリスト形式に構成され、リストの各行の属性を表すユニークキーに相当するフィールド部分に配管系統を現すライン番号が記載され、ユニークキーに相当しないフィールド部分に属性情報が記載される形態である。すなわち、配管部品配置データ２と配管仕様データ３とは、ライン番号を共通する情報としてそれぞれ保有している。

これら配管部品配置データ２および配管仕様データ３を基にして、配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０にて配管エンジニアリング計算に必要な配管エンジニアリング計算用リスト６が演算によって得られ、この得られた配管エンジニアリング計算結果のデータは、リスト形式で出力される。ここで、本実施例の配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０に入力されるデータおよび出力されるデータは、テキスト形式のファイルであっても、または、スプレッドシート形式のファイルやデータベース形式のいずれの形態であっても可能であり、特定のファイル形式に依存しない。

次に、配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０が、配管部品配置データ２および配管仕様データ３の入力データを用いて、配管エンジニアリング計算用リスト６を出力する仕組みについて以下に説明する。

まず、配管部品配置データ２に関して、連続する配管の始点から終点までの接続性を明示して配管系統を表現することができるようにする。すなわち、ある配管部品と、この配管部品の上流側および下流側にそれぞれ接続する配管部品とを順番に記載することによって、配管系統の接続性を明らかにする。

このとき、配管の分岐点や配管口径が変化する点においては、この点をもって別の配管系統とみなして分割して表現する。例えば、ティーや管台、溶接座等によって主流配管から分岐配管に枝分かれする分岐点を始点とする配管系統は、主流配管と別の配管系統として認識して明示する。

図２（Ａ）に、実施例の配管エンジニアリング計算の対象となる配管モデル２０の例を示す。また、図２（Ｂ）に、この配管モデル２０について、配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０の演算手段１０_２が配管部品配置データ２に基づいて配管系統ごとに計算して得られた属性データを注入する前の配管エンジニアリング計算用リスト５の例を示す。

なお、属性データ注入前の配管エンジニアリング計算用リスト５は、配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０内に一時蓄えられるものなので、図１において特に図示していない。

この配管モデル２０は、口径１００Ａの主流配管（配管部品記号：ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ、ＰＥ）と、口径１００Ａの分岐配管（ＰＦ）と、口径８０Ａの分岐配管（ＰＧ、ＰＨ、ＰＩ）とで構成される配管を模式的に示したモデル例である。ここで、配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０において、それぞれの配管系統は、接続する配管部品記号の列によって表記される。例えば、口径１００Ａの主流配管は、ＰＡ−ＰＢ−ＰＣ−ＰＤ−ＰＥのように表記され、口径１００Ａの分岐配管は、ＰＦと表記され、口径８０Ａの分岐配管は、ＰＧ−ＰＨ−ＰＩとして表記される。

本実施例の配管エンジニアリング計算用リスト装置１０において、配管モデル２０におけるそれぞれの配管系統の接続性を認識する際には、配管部品の端点の座標を配管部品配置データ２から検索キーとして用意し、この検索キーすなわち配管部品の端点の座標が合致する配管部品を検索して配管部品同士が接続することを確認する。また、二つの端点の中間に位置し、同一の方向ベクトルを有する端点は、配管系統から削除する。

このようにして、配管部品同士の接続性を認識した配管モデル２０に対して、実施例の配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０の演算手段１０_２によって、配管部品配置データ２が保有する配管部品の端点の座標から、配管系統の総距離と、高低差（水頭）とが計算され、ライン番号を備えた属性データ注入前の配管エンジニアリング計算用リスト５が、図２（Ｂ）のような書式で得られる。すなわち、配管部品の種類と各部品の端点の座標とから、配管系統の総距離や高低差を計算する。より詳しく言えば、配管系統における配管部品の面間の和を距離として計算し、端点の高さ方向の最大値と最小値の差を高低差として計算する。

図３（Ａ）に、上記の配管系統の接続性を認識する方法を説明する配管モデル３０を示し、また図３（Ｂ）に、配管系統の接続性を認識する方法の過程表を示す。この図３（Ａ）および図３（Ｂ）を用いて、配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０における配管部品の端点の処理および配管系統の接続性の認識の仕組みについてさらに詳しく説明する。

この図３（Ａ）の配管モデル３０は、実施例の配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０の演算手段１０_２によって配管エンジニアリング計算用リスト６が求められる配管モデル２０の、配管部品ＰＡの端点ＰＡ１から配管部品ＰＢの端点ＰＢ２までの配管系統を示したものである。配管部品ＰＡは、端点ＰＡ１と端点ＰＡ２を持ち、分岐点として端点ＰＡ３を持っている。一方、配管部品ＰＢは、端点ＰＢ１と端点ＰＢ２を持ち、曲げ部のコーナー点として端点ＰＢ３を持っている。この初期状態が図３（Ｂ）に示す過程１であり、それぞれ模式的に、（ＰＡ１−ＰＡ３−ＰＡ２）、（ＰＢ１−ＰＢ３−ＰＢ２）と表現される。

次に、過程２において、配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０内に取り込まれた配管部品配置データ２を端点の座標を文字列または数値データとして検索して、同じ座標を持つ端点ＰＡ２と端点ＰＢ１を認識する。この段階での配管部品の端点の座標の認識を模式的に表すと、ＰＡ１−ＰＡ３−（ＰＡ２／ＰＢ１）−ＰＢ３−ＰＢ２のようになる。

このように、端点ＰＡ２と端点ＰＢ１のように端点や分岐点の座標が合致した場合、どちらかの端点を選択するが、例えば、弁や継手の端点を直管より優先する等の規則を設けて、どちらかの端点を選択するように設定する。この図３（Ｂ）の場合は、ＰＡ２を選択するものとして、この配管系統をＰＡ１−ＰＡ３−ＰＡ２−ＰＢ３−ＰＢ２と表現する。あるいは、直管と弁の端点の座標が同一であった場合には、弁の端点を優先するように設定する。

次に、過程３において、端点ＰＡ３と端点ＰＡ２は、ＰＡ１−ＰＢ３の間に位置し、ＰＡ１→ＰＢ３と、ＰＡ１→ＰＡ３と、ＰＡ１→ＰＡ２との方向ベクトルが同一であるので、配管系統から削除する。その結果、図３（Ａ）の配管モデル３０に示される配管系統は、図３（Ｂ）の過程４に示すように、模式的にＰＡ１−ＰＢ３−ＰＢ２と表現される。

このようにして、配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０の演算手段１０_２は配管部品配置データ２から、主に配管系統の総距離および高低差についての計算を行い、配管エンジニアリング計算用リスト５（図２（Ｂ）参照）を得る。さらに、配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０の演算手段１０_２は、三次元配置調整ＣＡＤ１が保有していない情報を、配管仕様データ３が保有するデータから取得し、このデータを前記配管エンジニアリング計算用リスト５に対して追加させる機能を有する。このデータの追加は、配管部品配置データ２と配管仕様データ３とに共通なライン番号についてデータ同士を関連させて行なわれる。

図４に、配管仕様データ３と図２（Ｂ）で示した配管エンジニアリング計算用リスト５との情報を関連させる仕組みを模式的に示す。配管エンジニアリング計算用リスト５は、各配管系統に対応したライン番号Ｌ００１およびＬ００２を有しており、一方の配管仕様データ３には、Ｌ００１、Ｌ００２およびＬ００３を備えた属性情報が格納されている。これら配管エンジニアリング計算用リスト５および配管仕様データ３について、配管仕様データ３が保有するライン番号が同一である配管系統の属性情報を、図４の矢印に示すように配管エンジニアリング計算用リスト５の有する配管系統ごとのデータに注入して配管エンジニアリング計算用リスト６を得る。

上記のように配管エンジニアリング計算用リスト５に対して属性データである配管仕様データ３を付与することにより、配管エンジニアリング計算装置４０によって配管エンジニアリング計算を行うまでの準備が完了する。

配管エンジニアリング計算装置４０は、配管仕様データ３によって配管系統ごとの属性情報を注入された配管エンジニアリング計算用リスト６を用いて、その配管系統ごとに配管エンジニアリング計算を行い、詳細な計算図書５０を出力する。

なお、配管エンジニアリング計算装置４０に入力された配管エンジニアリング計算用リスト６のデータを三次元配置調整ＣＡＤ１にフィードバックすることにより、配管エンジニアリング計算用リスト６の改良すべき点を明示することができる。この場合、三次元配置調整ＣＡＤ１の配管部品配置データ２の改訂箇所が速やかに判明し、スムーズな改善が可能となる。また、この作業は、配管ルートの更新時に繰り返して実施することが可能であるため、効率的な配管設計が実現する。

次に、火力発電プラント用プロセス配管の圧力損失に関する配管エンジニアリング計算について述べる。

なお、この配管の圧量損失に関する配管エンジニアリング計算を行う場合、三次元配置調整ＣＡＤ１から配管口径、配管の曲がり、部品の個数、および座標のデータを取得することが最低限必要であり、また、配管仕様データ３から設計圧力・温度、流量、流体および肉厚のデータを取得することが最低限必要である。

配管設計者は、三次元配置調整ＣＡＤ１によって、三次元仮想空間上に配管部品を配置して配管ルートを作成することによって、配管部品配置データ２を作成する。また一方、配管仕様データ３として、配管系統の属性情報をスプレッドシート等の形式で独立して作成する。この配管仕様データ３は、属性情報を関連付ける共有情報として必須であるライン番号を有しており、さらに配管系統の詳細な名称や、系統の最高使用圧力温度、肉厚、材質、突き合わせ溶接の開先等、配管部品に関する情報を書き込む。

このような入力データを用いて、配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０によって、配管系統、距離、高低差およびライン番号が表示された配管エンジニアリング計算用リスト５が得られる。このとき、配管系統の分岐部以降の配管系統は、配管エンジニアリング計算用リスト５上において別の行に格納される。また、レデューサ等による口径変更部以降の配管系統も、分岐部と同様に別の行に格納される。

続いて、配管仕様データ３の属性情報が配管エンジニアリング計算用リスト５に格納される。この際、配管エンジニアリング計算用リスト５と配管仕様データ３の共通の項目であるライン番号を介して、同一のライン番号のものについてデータが関連付けられて格納される。このようにして、属性情報を関連させた配管エンジニアリング計算用リスト６に基づいて、さらに配管エンジニアリング計算を実施して、三次元配置調整ＣＡＤの配管ルートを更新する。

この実施例において配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０は、上述した必須のデータの他に必要に応じて例えば、配管系統名称、呼び径、肉厚、距離、水頭を配管仕様データ３の入力データから取得し、比体積と流速と圧力損失を計算することができる。

本実施例の配管エンジニアリング計算用リスト出力装置１０は、圧力に関する配管エンジニアリング計算に必要なリストを計算によって求めるだけでなく、次のような配管エンジニアリング計算にも適用できるものである。

すなわち、配管部品配置データ２および配管仕様データ３の情報を基にして、配管の許容応力の計算に関する配管エンジニアリング計算用リスト６を作成することができる。

なお、配管の許容応力の計算に関する配管エンジニアリング計算を行う場合、三次元配置調整ＣＡＤ１から配管口径のデータを取得することが最低限必要であり、また、配管仕様データ３から設計圧力・温度、肉厚および材質のデータを取得することが最低限必要である。この場合、計算の基となる条件として、管路名称、最高使用圧力、最高使用温度、材質、系統保証流量、呼び径、肉厚などを、配管仕様データ３の入力データから取得し、これらを基に許容応力を計算し、その計算結果から最も溶接に適した配管断面に関する各寸法を計算する。

さらに、本実施例の配管エンジニアリング計算装置１０は、油管のフローバック油量と油面角に関する配管エンジニアリング計算用リスト６の作成も可能である。

油管のフローバック油量とは、油ポンプの停止後、潤滑油系統内を循環していた潤滑油が自重で油タンクに戻る油量をいう。このフローバック油量により、油管、油タンクに必要な容量のチェック、標準油面の設定および油タンク初充填油量の検討が行われる。このフローバック油量の計算に関する配管エンジニアリング計算を行う場合、三次元配置調整ＣＡＤ１から配管口径および座標のデータを取得することが最低限必要であり、また、配管仕様データ３から流量、流体および肉厚のデータを取得することが最低限必要である。なお、フローバック油量の計算に関する配管エンジニアリング計算を行う場合、必要に応じて、三次元配置調整ＣＡＤ１から距離、水頭、勾配を取得し、また、経路に使用した部品分類を配管仕様データ３から取得することによって、フローバック油量と湯面角を計算することが可能である。

本発明の配管エンジニアリング計算用リスト出力装置および配管エンジニアリング計算装置を示すシステムの構成図。 （Ａ）は、実施例の配管エンジニアリング計算の対象となる配管モデルの構成図、（Ｂ）は、配管モデルの配管系統ごとの配管エンジニアリング計算用リスト５の出力例を示す図。 （Ａ）は、配管系統の接続性を認識する方法を説明する配管モデルの構成図、（Ｂ）は、配管系統の接続性を認識する方法の過程を示す図。 エンジニアリング計算用リストと配管仕様データとを関連させる仕組みを示す模式図。

符号の説明

１ 三次元配置調整ＣＡＤ
２ 配管部品配置データ
３ 配管仕様データ
５ 配管エンジニアリング計算用リスト（属性情報注入前）
６ 配管エンジニアリング計算用リスト
１０ 配管エンジニアリング計算用リスト出力装置
１０_１ 入力手段
１０_２ 演算手段
１０_３ 出力手段
２０ 配管モデル
３０ 配管モデル
４０ 配管エンジニアリング計算装置
５０ 計算図書

Claims (7)

1. 三次元配置調整ＣＡＤで作成した配管部品配置データと、配管系統ごとの配管仕様情報が格納されたリスト形式の配管仕様データとを入力して関連付け、前記配管部品配置データが保有する配管部品の端点の座標を用いて配管エンジニアリング計算に必要な配管エンジニアリング計算用リストを求める演算手段と、この演算手段で求めた配管エンジニアリング計算用リストを出力する出力手段とを備え、
   前記演算手段にて、前記配管部品配置データが保有する前記配管部品の種類とこれら配管部品の端点の座標とに関する情報から、前記配管系統の総距離および高低差を計算することを特徴とするプラント配管エンジニアリング計算用リスト出力装置。
2. 前記配管部品配置データおよび前記配管仕様データは、それぞれ配管系統との関連付けが可能なユニークなキーを有し、前記演算手段は、前記配管部品配置データが保有しない情報を、前記キーが同一である前記配管仕様データと関連付けさせて前記配管エンジニアリング計算用リストを作成することを特徴とする請求項１記載のプラント配管エンジニアリング計算用リスト出力装置。
3. 前記出力手段から出力された前記配管部品配置データに関する配管エンジニアリング計算用リストに関する情報を前記三次元配置調整ＣＡＤにフィードバックすることにより、この三次元配置調整ＣＡＤが保有する配管部品配置データにおける改良すべき点を明示することを特徴とする請求項１記載のプラント配管エンジニアリング計算用リスト出力装置。
4. 前記配管部品の端点の座標を検索キーとして保有し、この検索キーが合致する配管部品を前記配管部品配置データから検索して配管部品同士の接続性を求めて連続する配管系統として認識し、前記配管系統の始点から終点までの接続性を明示することを特徴とする請求項１記載のプラント配管エンジニアリング計算用リスト出力装置。
5. 前記配管系統における分岐点および配管口径が変化する端点からの配管系統を、別の配管系統として認識することを特徴とする請求項４記載のプラント配管エンジニアリング計算用リスト出力装置。
6. 前記端点がそれぞれ方向ベクトルを有し、前記配管系統に存在する二つの端点の間に位置する端点のうち、前記二つの端点と同一の方向ベクトルを有する端点を、前記配管系統から削除することを特徴とする請求項４記載のプラント配管エンジニアリング計算用リスト出力装置。
7. 前記請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のプラント配管エンジニアリング計算用リスト出力装置で求められた配管エンジニアリング計算用リストを用いて配管エンジニアリング計算を行うようにしたプラント配管エンジニアリング計算装置。

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