三維設(shè)計在煤粉爐方案設(shè)計中的應(yīng)用

黃俊輔，吳鴻宇，丁貴鵬

(華西能源工業(yè)股份有限公司，四川 自貢 643000)

1 研究背景

作為工業(yè)革命后最主要的能源轉(zhuǎn)換裝置，鍋爐在現(xiàn)代工業(yè)中依舊扮演著重要的角色，無論是在電站能源行業(yè)還是在船舶運輸行業(yè)，或是化學(xué)化工行業(yè)，鍋爐都有著不可替代的地位。在現(xiàn)代鍋爐設(shè)計制造過程中，大多數(shù)企業(yè)依舊使用AutoCAD等主流的二維設(shè)計軟件，隨著中國工業(yè)的發(fā)展，更直觀、高效的三維設(shè)計方法被應(yīng)用于越來越多的行業(yè)，并開始應(yīng)用于鍋爐設(shè)計中。

三維設(shè)計是實現(xiàn)數(shù)字化、虛擬化和智能化設(shè)計平臺的基礎(chǔ)[1]。隨著計算機軟硬件的飛速發(fā)展，三維技術(shù)在航空、航天、汽車、船舶等高端制造業(yè)中已有成熟、廣泛的應(yīng)用。三維設(shè)計軟件不僅可以創(chuàng)建實體模型，還可以利用設(shè)計出的三維實體模型進行模擬裝配和靜態(tài)干涉檢查、機構(gòu)分析和動態(tài)干涉檢查、動力學(xué)分析、強度分析等[2]。目前，國內(nèi)鍋爐企業(yè)主要應(yīng)用三維設(shè)計軟件進行三維建模、干涉檢查、鍋爐輔助設(shè)備的設(shè)計檢查、系統(tǒng)布置等，對鍋爐的三維設(shè)計研究還處于初級階段。國內(nèi)主要運用的三維軟件有PDMS、Creo、NX、SolidWorks、Inventor等，這些軟件已經(jīng)成功運用于機床、模具等機械設(shè)計領(lǐng)域和土建鋼結(jié)構(gòu)等建筑設(shè)計領(lǐng)域，而鍋爐設(shè)計既有復(fù)雜機械設(shè)計，又兼顧土建鋼結(jié)構(gòu)等建筑設(shè)計，目前在國內(nèi)還沒有一個將三維設(shè)計軟件應(yīng)用于鍋爐設(shè)計的成熟案例。

本文提出了一種將三維設(shè)計應(yīng)用于煤粉爐方案設(shè)計的方法。選擇煤粉爐是因為煤粉爐技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)相對固定，進行三維設(shè)計研究有更成熟的技術(shù)基礎(chǔ)和更廣泛的應(yīng)用前景。本研究的主要原理是應(yīng)用三維設(shè)計手段及模塊化設(shè)計理論，提升煤粉爐方案設(shè)計的效率與準確性。通過本研究達到以下目的：利用三維軟件實現(xiàn)煤粉爐的詳細方案設(shè)計；在煤粉爐方案設(shè)計階段完成系統(tǒng)配合設(shè)計，減少系統(tǒng)間的干涉等問題；實現(xiàn)性能計算數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)驗證，減少人為因素對設(shè)計質(zhì)量的影響，縮短設(shè)計周期，提升設(shè)計效率和降低現(xiàn)場消缺成本；填補國內(nèi)三維軟件進行鍋爐詳細方案設(shè)計方法的空白。

2 模塊模型建立

在進行煤粉爐方案設(shè)計前，首先需要建立用于設(shè)計的模塊模型。模塊模型是基于過去產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計的經(jīng)驗而總結(jié)出的模型，包括煤粉爐的組成結(jié)構(gòu)與各結(jié)構(gòu)的功能、外形在設(shè)計過程中的設(shè)計規(guī)律。各模塊模型除了能體現(xiàn)模塊功能外，還應(yīng)包括模塊的主要控制參數(shù)與參數(shù)的變化規(guī)則。具體的建立方式如下。

2.1 模塊劃分

產(chǎn)品模塊化過程一般包括產(chǎn)品系列化和模塊化規(guī)劃；模塊劃分，接口定義；建立產(chǎn)品編碼體系和名稱字典；通用模塊設(shè)計；模塊化產(chǎn)品平臺總體構(gòu)建等[2]。模塊劃分是產(chǎn)品模塊化的重要過程，模塊劃分可以基于模塊實現(xiàn)的功能、模塊的結(jié)構(gòu)特點、模塊的生產(chǎn)工藝等進行，在進行煤粉爐模塊劃分時主要依據(jù)模塊所要實現(xiàn)的功能進行劃分。通常將煤粉爐劃分為以下幾個系統(tǒng)：主要受熱面系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、系統(tǒng)間連接系統(tǒng)、配套輔助系統(tǒng)、構(gòu)架系統(tǒng)及其他，而各系統(tǒng)又由幾個細分模塊組成。

1)主要受熱面系統(tǒng)：水冷壁模塊、大屏過熱器模塊、后屏過熱器模塊、高溫過(再)熱器模塊、低溫過(再)熱器模塊、水平煙道模塊、省煤器模塊、尾部包墻過熱器模塊、空預(yù)器模塊等。

2)燃燒系統(tǒng)：燃燒器模塊、主燃燒風(fēng)箱模塊、燃盡風(fēng)燃燒器模塊、燃盡風(fēng)風(fēng)箱模塊等。

3)系統(tǒng)間連接系統(tǒng)：鍋筒模塊、汽水連接管模塊、下水連接管模塊、省煤器至鍋筒連接管模塊、飽和蒸汽引出管模塊、包墻連接管模塊、一級減溫器模塊、二級減溫器模塊、高過(再)出口模塊、連接煙道模塊、灰斗模塊等。

4)配套輔助系統(tǒng)：人孔系統(tǒng)模塊、吹灰系統(tǒng)模塊、測點系統(tǒng)模塊、吊掛系統(tǒng)模塊等。

5)構(gòu)架系統(tǒng)：柱梁系統(tǒng)模塊、平臺系統(tǒng)模塊、扶梯系統(tǒng)模塊、剛性梁系統(tǒng)模塊、頂板模塊等。

6)其他：主要包括與設(shè)計院、其他設(shè)計廠家等配合需要的空間占用，如SCR預(yù)留空間、冷熱風(fēng)煙道、冷渣器預(yù)留空間等。

2.2 參數(shù)選擇

模塊的劃分主要考慮的是模塊的功能實現(xiàn)，模塊參數(shù)的選擇則主要考慮的是模塊的外形，所以在參數(shù)選擇前需要搞清楚各模塊的主要結(jié)構(gòu)。在煤粉爐的設(shè)計過程中，各模塊都有各種各樣的結(jié)構(gòu)形式，比如根據(jù)布置位置的不同，過熱器可以是立式蛇形管屏或者臥式蛇形管屏；根據(jù)固定方式的不同，省煤器可以是吊掛式省煤器或者支撐式省煤器；根據(jù)換熱方式的不同，空預(yù)器可以是管式空預(yù)器或者回轉(zhuǎn)式空預(yù)器。進行模塊化工作時可選取最常用的結(jié)構(gòu)形式進行模塊化，之后再補充其他結(jié)構(gòu)形式的模塊模型。模塊模型不應(yīng)為了兼容多種結(jié)構(gòu)形式而增加模型容量。

模塊模型由各種參數(shù)驅(qū)動，而煤粉爐設(shè)計過程中輸出的參數(shù)與模塊驅(qū)動參數(shù)并不一定完全一致。在確定了模塊結(jié)構(gòu)形式后，須從設(shè)計參數(shù)中選取建模必要的設(shè)計參數(shù)，增加建模外形控制必要的外形參數(shù)與定位參數(shù)，因此可將建模參數(shù)分為三類：①主參數(shù)：煤粉爐設(shè)計過程中輸出的外形參數(shù)。②次參數(shù)：除煤粉爐設(shè)計過程中確定的外形參數(shù)外，其他建模必須的外形參數(shù)。③定位參數(shù)：驅(qū)動模型在裝配過程中定位的參數(shù)。根據(jù)參數(shù)類型的不同，分別選擇對應(yīng)的模型參數(shù)，以建立相應(yīng)的模塊模型。

2.3 模型建立

完成模塊的設(shè)計后，根據(jù)模塊劃分與參數(shù)選擇建立模塊模型。模塊模型的建立須滿足煤粉爐方案設(shè)計的精度要求，并做適當簡化，使模型在能夠體現(xiàn)模塊設(shè)計的功能與外形結(jié)構(gòu)的情況下，盡可能地減小模型容量。完成模塊建立后須對模塊進行參數(shù)化，并使選擇出的參數(shù)可以驅(qū)動模塊模型。

各模塊模型間的參數(shù)存在關(guān)聯(lián)性，為了實現(xiàn)參數(shù)變動時關(guān)聯(lián)參數(shù)也響應(yīng)變化，完成各模型模塊的建立后，應(yīng)在各模塊間建立參數(shù)關(guān)聯(lián)。以三維設(shè)計軟件NX為例，在完成各模塊模型的建立后，可通過外部表格的形式建立參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過模塊共同調(diào)用同一數(shù)據(jù)庫表格參數(shù)的方式，確保了關(guān)聯(lián)參數(shù)間的響應(yīng)關(guān)系。

2.4 模塊評審

完成模塊模型建立后，在進行煤粉爐方案設(shè)計前，需要對模塊設(shè)計與模塊模型進行評審。評審內(nèi)容總體來說需要先確認劃分模塊的功能表達情況，模型整體外形和參數(shù)相應(yīng)的控制情況，以及整體外形與煤粉爐設(shè)計計算結(jié)果的對應(yīng)情況等。在模型中，實體與實體間無錯誤的重疊部分，調(diào)整參數(shù)后模型能正確生成不報錯，對參數(shù)變化的響應(yīng)滿足模型快速、正確的要求，并使關(guān)聯(lián)模塊對應(yīng)變化。除此之外，評審中還應(yīng)判斷控制參數(shù)的情況，特別是對次要參數(shù)，可以考慮鎖定次要參數(shù)、不作為開放參數(shù)進行控制或使其階梯式變化，簡化模塊模型使用操作。評審結(jié)束后將模型發(fā)布至數(shù)據(jù)庫，已備使用。

3 煤粉爐方案設(shè)計

完成模塊模型建模后進行煤粉爐方案設(shè)計，運用模塊模型進行設(shè)計需要先完成鍋爐設(shè)計計算，之后調(diào)用各模塊模型，將各參數(shù)輸入模型中，并調(diào)整參數(shù)完成方案設(shè)計，具體方式如下。

3.1 調(diào)用模塊模型

根據(jù)擬定的各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的模型調(diào)入總裝模型中。模塊模型的調(diào)用因參數(shù)存在關(guān)聯(lián)，因此有一定的邏輯調(diào)用順序。通常選擇水冷壁作為模塊模型的調(diào)用基準，對水冷壁定位完成后再調(diào)用其他模塊，各模塊調(diào)用后將關(guān)聯(lián)參數(shù)進行關(guān)聯(lián)，并調(diào)整定位。完成模塊的調(diào)用后，將煤粉爐方案設(shè)計中的參數(shù)輸入模塊模型中。

3.2 調(diào)整方案設(shè)計

完成模塊模型的調(diào)用后，根據(jù)模型情況調(diào)整模塊的次要參數(shù)與定位參數(shù)，使模型響應(yīng)參數(shù)變化。基本調(diào)試完成后，通過三維軟件的干涉分析功能，檢測模型是否存在干涉情況，規(guī)避干涉后調(diào)整分析條件，設(shè)置模塊間安全距離，檢測需要規(guī)避的“軟干涉”，調(diào)整模型參數(shù)完成方案設(shè)計，煤粉爐方案設(shè)計模型如圖1所示。

圖1 煤粉爐方案設(shè)計模型示例

3.3 驗證方案設(shè)計

根據(jù)煤粉爐方案設(shè)計的計算數(shù)據(jù)與簽訂的技術(shù)協(xié)議等，判斷方案設(shè)計是否合理，判斷依據(jù)為：①各系統(tǒng)模型參數(shù)是否正確配合。②爐內(nèi)結(jié)構(gòu)是否有足夠空間布置且無模型重疊等現(xiàn)象，如過熱器、省煤器等的布置。③方案設(shè)計是否符合協(xié)議要求。

4 結(jié)語

本文主要進行了煤粉爐方案設(shè)計模塊模型的開發(fā)與應(yīng)用。對各系統(tǒng)進行了模塊化設(shè)計和參數(shù)化模型建立。根據(jù)煤粉爐爐型布置需求，調(diào)用鍋爐方案設(shè)計的計算數(shù)據(jù)，完成方案模型的生成，并通過調(diào)整次要參數(shù)快速完成模型的變更，達到三維模型跟隨輸入數(shù)據(jù)而自動變更的目標。通過對煤粉爐方案設(shè)計的三維設(shè)計研究，嘗試將鍋爐設(shè)計由二維設(shè)計向三維設(shè)計轉(zhuǎn)變，填補國內(nèi)三維軟件進行鍋爐詳細方案設(shè)計方法的空白，提升設(shè)計效率，增強產(chǎn)品競爭力。