大型復(fù)雜成套裝備建模與設(shè)計的發(fā)展趨勢與關(guān)鍵技術(shù)研究*

譚建榮，劉振宇，沈利紅

(浙江大學(xué)機械工程學(xué)院，杭州310027)

0 引言

發(fā)展大型復(fù)雜成套裝備是我們國家的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家許多重大工程建設(shè)的基礎(chǔ)。例如，大型空氣分離成套裝備，隨著大型鋼鐵、大型石化、大型火電等大工程對空氣分離成套裝備需求的增加，我國正在成為世界上空氣分離成套裝備需求量最大的國家。具體來說，目前我國對空氣分離成套裝備制氧能力的年需求量已超過1500 多億立方米，空氣分離成套裝備市場需求超過500 億元，而且這一統(tǒng)計還不包括燃氣和煤氣化聯(lián)合發(fā)電、熔融還原煉鐵(用氧量比原來約增加10倍)對空氣分離成套裝備的需求，這兩項技術(shù)一旦大規(guī)模應(yīng)用，對空氣分離成套裝備將有更大的需求。由此可見，大型鋼鐵、大型石化、大型火電等大型工程及航天、深海等特殊領(lǐng)域都以工業(yè)氣體為原料氣體或工藝氣體，因而，工業(yè)氣體被工業(yè)界普遍認為是“工業(yè)的血液”，復(fù)雜空氣分離成套裝備被稱為“工業(yè)血液”的“造血裝備”。

開展大型復(fù)雜成套裝備建模與設(shè)計相關(guān)研究，解決大型復(fù)雜成套裝備設(shè)計的共性關(guān)鍵技術(shù)問題，進而提高大型復(fù)雜成套裝備及關(guān)鍵機組的自主設(shè)計能力，是增強我國制造業(yè)核心競爭力的關(guān)鍵。

本研究以復(fù)雜空氣分離成套裝備為例，分析大型復(fù)雜成套裝備超大型與低能耗的發(fā)展趨勢，凝練大型復(fù)雜成套裝備超大型與低能耗需要解決的建模與設(shè)計方面的科學(xué)問題，闡述大型復(fù)雜成套裝備建模與設(shè)計中的共性關(guān)鍵技術(shù)。

1 成套裝備的復(fù)雜性與面臨的挑戰(zhàn)

大型復(fù)雜成套裝備往往由多部機組成，結(jié)構(gòu)組成、工藝過程與技術(shù)需求十分復(fù)雜，這些都給成套裝備的設(shè)計、制造帶來了很大的挑戰(zhàn)。以空分成套裝備為例，其復(fù)雜性表現(xiàn)在三個方面:

(1)結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜。由凈化器、壓縮機、預(yù)冷裝置、純化裝置、增壓膨脹機、換熱器與精餾塔等多機組多部機組成;

(2)工藝過程復(fù)雜。通過空氣壓縮、凈化、換熱、冷卻與精餾等工藝過程，生產(chǎn)氧、氮或其他稀有氣體;

(3)技術(shù)需求復(fù)雜。大型鋼鐵、大型石化、大型火電等大型工程對空氣分離類成套裝備的設(shè)計制造提出了不同的技術(shù)要求。

2 大型復(fù)雜成套裝備的發(fā)展趨勢

從空分技術(shù)和空分裝備的發(fā)展歷程來看，可以將空分裝備技術(shù)分為:

以焦爾－湯姆遜循環(huán)理論為基礎(chǔ)的第一代空分裝備技術(shù)，以多股流多相換熱理論為基礎(chǔ)的第二代空分裝備技術(shù)，以兩相雙膜傳質(zhì)理論為基礎(chǔ)的第三代空分裝備技術(shù)，以及正在形成發(fā)展中的第四代空分裝備技術(shù)。

超大型化與低能耗化作為第四代空分裝備技術(shù)的重要特征，已成為當(dāng)前空分裝備技術(shù)國際競爭的制高點。空分裝備超大型化，可以有效降低能耗，節(jié)約成本，提高設(shè)備運行的可靠性，減少設(shè)備維護的工作量。例如，同樣滿足10 萬m3/h 用氧量的需求，1 臺10 萬等級的空分裝備比2 臺5 萬等級空分裝備聯(lián)動大約可節(jié)約能耗10%，節(jié)約投資30%，設(shè)備故障率降低50%。空分裝備的能耗是空分配套企業(yè)最主要的能耗之一，例如，大型鋼鐵企業(yè)空分裝備耗電量通常占公司總用電量的1/7。裝備能耗指標每降低0.1 kWh/m3O2，就意味著空分裝備設(shè)計制造技術(shù)一次大的飛躍。我國空分成套裝備若平均能耗指標下降0.1 kWh/m3O2，全國每年可節(jié)省用電量達55 億～60 億千瓦時，相當(dāng)于三峽工程年發(fā)電量的6.5%［1］。

然而，我國空分成套裝備超大型化、低能耗化技術(shù)與國際先進水平相比仍存在很大的差距。造成這一差距的主要原因及技術(shù)難點是:

在超大型化方面。空分成套裝備超大型化設(shè)計不是對現(xiàn)有機組尺寸的簡單放大，需要對整個裝備重新進行復(fù)雜的參數(shù)計算分析。目前，發(fā)達國家已掌握超大型空分成套裝備跨機組動力學(xué)非線性耦合與多參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)計、超大型化壓縮機膨脹機換熱器等設(shè)計制造技術(shù)，而我國超大型空分成套裝備設(shè)計制造所依據(jù)的計算公式還主要停留在通過經(jīng)驗、引進消化或有限試驗數(shù)據(jù)擬合而成階段。

在能耗方面。發(fā)達國家已掌握臨界區(qū)附近空分流體熱物性精確數(shù)據(jù)、超大結(jié)構(gòu)汽液兩相流均布技術(shù)、低能耗高密度板翅式換熱器設(shè)計制造技術(shù)、低能耗大流量壓縮機設(shè)計制造技術(shù)等低能耗核心技術(shù)，空分成套裝備外壓縮流程單位氧產(chǎn)量電耗可達0.365 kWh;而我國關(guān)鍵機組能耗大，空分成套裝備外壓縮流程單位氧產(chǎn)量電耗0.41－0.43 kWh。

因此，等級上不去，能耗下不來，成為現(xiàn)階段制約我國空分成套裝備發(fā)展中的突出問題。

3 大型復(fù)雜成套裝備建模與設(shè)計的共性關(guān)鍵技術(shù)

3.1 成套裝備動力學(xué)非線性耦合建模技術(shù)

針對大型復(fù)雜成套裝備中連續(xù)、離散混合的非線性、強耦合動力學(xué)問題，需要解決以下幾個問題:

(1)研究連續(xù)離散混合系統(tǒng)統(tǒng)一表征理論及方法;

(2)揭示大型裝備中多因素非線性界面環(huán)境的動力學(xué)耦合作用機理;

(3)建立多場耦合環(huán)境下設(shè)備轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學(xué)模型，確定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在非對稱、非穩(wěn)定外場作用下的非線性振動特性;

(4)實現(xiàn)基于多領(lǐng)域物理統(tǒng)一表達方法的復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng)解耦機制及求解方法。

3.2 復(fù)雜工況多機組多變量關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)

大型復(fù)雜成套裝備設(shè)計中，需要解決不同機組間存在的機/電/液/控/低溫多學(xué)科關(guān)聯(lián)的多個主要設(shè)計變量與設(shè)計參數(shù)的設(shè)計與分析問題。針對這一難題，需要清晰了解多機組多學(xué)科多參數(shù)關(guān)聯(lián)機理，揭示機組界面參數(shù)的相互作用及其傳遞規(guī)律［2］，實現(xiàn)成套裝備多性能關(guān)聯(lián)設(shè)計與工藝流程的關(guān)聯(lián)設(shè)計。

3.3 多機組同步穩(wěn)定與壽命均衡設(shè)計技術(shù)

針對大型復(fù)雜成套裝備多機組壽命隨機分布問題，需要闡明壓縮機、膨脹機、動力裝置等多機組運行過程出現(xiàn)不穩(wěn)定運行的機理，揭示在復(fù)雜振動載荷作用下裝備運行的穩(wěn)定性準則和關(guān)鍵零部件疲勞失效的規(guī)律［3］，獲取成套裝備多機組零部件壽命序列，實現(xiàn)大型復(fù)雜成套裝備多機組零部件壽命的均衡設(shè)計。

3.4 關(guān)鍵部機高強度大構(gòu)件保質(zhì)設(shè)計制造技術(shù)

大型復(fù)雜成套裝備可靠性與穩(wěn)定性，需要通過機組、部機的設(shè)計、制造和裝配質(zhì)量來保證。針對超大型空分成套裝備中大型壓縮機、板翅式換熱器等設(shè)計制造中的難點問題，需要解決大流量多軸耦合高速轉(zhuǎn)子動態(tài)變形控制技術(shù)［4］、高強度特長、特寬高壓板翅換熱器的保質(zhì)設(shè)計制造方法，實現(xiàn)大型壓縮機中超薄葉輪葉片和刀具耦合動力學(xué)分析及其對能耗的影響，從而，實現(xiàn)成套裝備關(guān)鍵機組與部機的保質(zhì)設(shè)計與制造。

3.5 大型成套裝備性能實驗、仿真與集成技術(shù)

數(shù)值模擬與實驗研究是驗證大型復(fù)雜成套裝備設(shè)計理論與方法正確性與有效性的重要手段，因此，需要建立大型復(fù)雜成套裝備數(shù)字樣機的仿真模型，以此來模擬成套裝備的整機性能;同時，需要通過構(gòu)建關(guān)鍵部機性能實驗臺與系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷實驗臺［5］，為成套裝備的性能分析、系統(tǒng)集成、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷提供實驗依據(jù)。

4 大型復(fù)雜成套裝備建模與設(shè)計的解決方案

(1)大型復(fù)雜成套裝備的建模與設(shè)計涉及學(xué)科廣泛，必須用多學(xué)科交叉的研究模式加以解決。

例如，在空分成套裝備的設(shè)計制造中，必須通過低溫、力學(xué)、化工學(xué)科的交叉，解決低能耗驅(qū)動的大尺度混合流復(fù)雜界面漸變形成規(guī)律與能量遷移機理;通過機械設(shè)計和信息學(xué)科的交叉，解決超大型化空分成套裝備非線性動力學(xué)耦合與多工況多學(xué)科多參數(shù)關(guān)聯(lián)的設(shè)計問題;通過機械制造、低溫、力學(xué)學(xué)科的交叉，解決復(fù)雜空氣分離類成套裝備運行穩(wěn)定、關(guān)鍵零部件壽命均衡及關(guān)鍵機組保質(zhì)的設(shè)計制造問題。

(2)在復(fù)雜成套裝備的設(shè)計制造方面，需要高度重視原始創(chuàng)新與集成創(chuàng)新相結(jié)合。

自主設(shè)計是實現(xiàn)原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新、引進消化吸收再創(chuàng)新的關(guān)鍵，沒有正確的設(shè)計創(chuàng)新就不可能是成功的創(chuàng)新。例如，在空分成套裝備設(shè)計制造中，在深低溫混合流多相傳熱傳質(zhì)理論、裝備非線性動力學(xué)變量分離與耦合機理、多機組壽命均衡與保質(zhì)制造技術(shù)等方面形成原創(chuàng)性成果的基礎(chǔ)上，通過多學(xué)科、多系統(tǒng)技術(shù)成果融合匯聚，在超大型空分成套裝備設(shè)計制造中實現(xiàn)集成創(chuàng)新，為形成具有市場競爭力的產(chǎn)品提供科學(xué)技術(shù)支撐。

(3)基礎(chǔ)研究與裝備應(yīng)用相結(jié)合。

從復(fù)雜成套裝備自主設(shè)計制造中提煉科學(xué)問題，解決成套裝備在機理、建模、設(shè)計、制造與運行中的關(guān)鍵技術(shù)問題，在典型企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)中實現(xiàn)應(yīng)用驗證，保證基礎(chǔ)研究有明確的載體。

5 結(jié)束語

中國從制造大國走向制造強國，設(shè)計是關(guān)鍵。創(chuàng)新驅(qū)動，設(shè)計要先行。我國要在激烈的國際競爭中掌握主動權(quán)，打破工業(yè)發(fā)達國家在尖端產(chǎn)品領(lǐng)域?qū)χ袊姆怄i，就必須重視大型復(fù)雜成套裝備自主設(shè)計的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵共性技術(shù)研究，大力提高我國大型復(fù)雜成套裝備自主設(shè)計制造能力。

本研究以復(fù)雜空氣分離成套裝備為例，分析了復(fù)雜成套裝備的發(fā)展趨勢，凝練了復(fù)雜成套裝備需要解決的建模與設(shè)計方面的基礎(chǔ)科學(xué)問題，闡述了大型成套裝備中動力學(xué)非線性耦合建模技術(shù)、復(fù)雜工況多機組多變量關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)、多機組同步穩(wěn)定與壽命均衡設(shè)計技術(shù)、關(guān)鍵部機高強度大構(gòu)件保質(zhì)制造技術(shù)、大型成套裝備性能實驗仿真與集成等共性關(guān)鍵技術(shù)，給出了提升我國復(fù)雜成套裝備建模與設(shè)計基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵共性技術(shù)的解決方案。

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