三维设计在煤粉炉方案设计中应用

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摘要:三维设计技术能够有效提升产品设计的效率与准确性，被广泛应用于机械与建筑行业，但将其直接应用于锅炉设计还处于空白。将三维设计应用于锅炉的设计中，对提升产品竞争力有着重要意义。通过对煤粉炉现行方案设计的研究，并结合三维设计技术与模块化设计原理，从锅炉设计的模块模型建立与锅炉设计的应用方法两方面介绍三维设计在煤粉炉方案设计中的实际应用情况。

关键词:工业锅炉;方案设计;三维设计;模块模型

1研究背景

作为工业革命后最主要的能源转换装置，锅炉在现代工业中依旧扮演着重要的角色，无论是在电站能源行业还是在船舶运输行业，或是化学化工行业，锅炉都有着不可替代的地位。在现代锅炉设计制造过程中，大多数企业依旧使用AutoCAD等主流的二维设计软件，随着中国工业的发展，更直观、高效的三维设计方法被应用于越来越多的行业，并开始应用于锅炉设计中。三维设计是实现数字化、虚拟化和智能化设计平台的基础［1］。随着计算机软硬件的飞速发展，三维技术在航空、航天、汽车、船舶等高端制造业中已有成熟、广泛的应用。三维设计软件不仅可以创建实体模型，还可以利用设计出的三维实体模型进行模拟装配和静态干涉检查、机构分析和动态干涉检查、动力学分析、强度分析等［2］。目前，国内锅炉企业主要应用三维设计软件进行三维建模、干涉检查、锅炉辅助设备的设计检查、系统布置等，对锅炉的三维设计研究还处于初级阶段。国内主要运用的三维软件有PDMS、Creo、NX、SolidWorks、Inventor等，这些软件已经成功运用于机床、模具等机械设计领域和土建钢结构等建筑设计领域，而锅炉设计既有复杂机械设计，又兼顾土建钢结构等建筑设计，目前在国内还没有一个将三维设计软件应用于锅炉设计的成熟案例。本文提出了一种将三维设计应用于煤粉炉方案设计的方法。选择煤粉炉是因为煤粉炉技术成熟，结构相对固定，进行三维设计研究有更成熟的技术基础和更广泛的应用前景。本研究的主要原理是应用三维设计手段及模块化设计理论，提升煤粉炉方案设计的效率与准确性。通过本研究达到以下目的:利用三维软件实现煤粉炉的详细方案设计;在煤粉炉方案设计阶段完成系统配合设计，减少系统间的干涉等问题;实现性能计算数据的结构验证，减少人为因素对设计质量的影响，缩短设计周期，提升设计效率和降低现场消缺成本;填补国内三维软件进行锅炉详细方案设计方法的空白。

2模块模型建立

在进行煤粉炉方案设计前，首先需要建立用于设计的模块模型。模块模型是基于过去产品的功能、结构特点和设计的经验而总结出的模型，包括煤粉炉的组成结构与各结构的功能、外形在设计过程中的设计规律。各模块模型除了能体现模块功能外，还应包括模块的主要控制参数与参数的变化规则。具体的建立方式如下。

2.1模块划分

产品模块化过程一般包括产品系列化和模块化规划;模块划分，接口定义;建立产品编码体系和名称字典;通用模块设计;模块化产品平台总体构建等［2］。模块划分是产品模块化的重要过程，模块划分可以基于模块实现的功能、模块的结构特点、模块的生产工艺等进行，在进行煤粉炉模块划分时主要依据模块所要实现的功能进行划分。通常将煤粉炉划分为以下几个系统:主要受热面系统、燃烧系统、系统间连接系统、配套辅助系统、构架系统及其他，而各系统又由几个细分模块组成。1)主要受热面系统:水冷壁模块、大屏过热器模块、后屏过热器模块、高温过(再)热器模块、低温过(再)热器模块、水平烟道模块、省煤器模块、尾部包墙过热器模块、空预器模块等。2)燃烧系统:燃烧器模块、主燃烧风箱模块、燃尽风燃烧器模块、燃尽风风箱模块等。3)系统间连接系统:锅筒模块、汽水连接管模块、下水连接管模块、省煤器至锅筒连接管模块、饱和蒸汽引出管模块、包墙连接管模块、一级减温器模块、二级减温器模块、高过(再)出口模块、连接烟道模块、灰斗模块等。4)配套辅助系统:人孔系统模块、吹灰系统模块、测点系统模块、吊挂系统模块等。5)构架系统:柱梁系统模块、平台系统模块、扶梯系统模块、刚性梁系统模块、顶板模块等。6)其他:主要包括与设计院、其他设计厂家等配合需要的空间占用，如SCR预留空间、冷热风烟道、冷渣器预留空间等。

2.2参数选择

模块的划分主要考虑的是模块的功能实现，模块参数的选择则主要考虑的是模块的外形，所以在参数选择前需要搞清楚各模块的主要结构。在煤粉炉的设计过程中，各模块都有各种各样的结构形式，比如根据布置位置的不同，过热器可以是立式蛇形管屏或者卧式蛇形管屏;根据固定方式的不同，省煤器可以是吊挂式省煤器或者支撑式省煤器;根据换热方式的不同，空预器可以是管式空预器或者回转式空预器。进行模块化工作时可选取最常用的结构形式进行模块化，之后再补充其他结构形式的模块模型。模块模型不应为了兼容多种结构形式而增加模型容量。模块模型由各种参数驱动，而煤粉炉设计过程中输出的参数与模块驱动参数并不一定完全一致。在确定了模块结构形式后，须从设计参数中选取建模必要的设计参数，增加建模外形控制必要的外形参数与定位参数，因此可将建模参数分为三类:①主参数:煤粉炉设计过程中输出的外形参数。②次参数:除煤粉炉设计过程中确定的外形参数外，其他建模必须的外形参数。③定位参数:驱动模型在装配过程中定位的参数。根据参数类型的不同，分别选择对应的模型参数，以建立相应的模块模型。

2.3模型建立

完成模块的设计后，根据模块划分与参数选择建立模块模型。模块模型的建立须满足煤粉炉方案设计的精度要求，并做适当简化，使模型在能够体现模块设计的功能与外形结构的情况下，尽可能地减小模型容量。完成模块建立后须对模块进行参数化，并使选择出的参数可以驱动模块模型。各模块模型间的参数存在关联性，为了实现参数变动时关联参数也响应变化，完成各模型模块的建立后，应在各模块间建立参数关联。以三维设计软件NX为例，在完成各模块模型的建立后，可通过外部表格的形式建立参数间的关联关系，通过模块共同调用同一数据库表格参数的方式，确保了关联参数间的响应关系。

2.4模块评审

完成模块模型建立后，在进行煤粉炉方案设计前，需要对模块设计与模块模型进行评审。评审内容总体来说需要先确认划分模块的功能表达情况，模型整体外形和参数相应的控制情况，以及整体外形与煤粉炉设计计算结果的对应情况等。在模型中，实体与实体间无错误的重叠部分，调整参数后模型能正确生成不报错，对参数变化的响应满足模型快速、正确的要求，并使关联模块对应变化。除此之外，评审中还应判断控制参数的情况，特别是对次要参数，可以考虑锁定次要参数、不作为开放参数进行控制或使其阶梯式变化，简化模块模型使用操作。评审结束后将模型发布至数据库，已备使用。

3煤粉炉方案设计

完成模块模型建模后进行煤粉炉方案设计，运用模块模型进行设计需要先完成锅炉设计计算，之后调用各模块模型，将各参数输入模型中，并调整参数完成方案设计，具体方式如下。

3.1调用模块模型

根据拟定的各系统结构，将数据库中对应的模型调入总装模型中。模块模型的调用因参数存在关联，因此有一定的逻辑调用顺序。通常选择水冷壁作为模块模型的调用基准，对水冷壁定位完成后再调用其他模块，各模块调用后将关联参数进行关联，并调整定位。完成模块的调用后，将煤粉炉方案设计中的参数输入模块模型中。

3.2调整方案设计

完成模块模型的调用后，根据模型情况调整模块的次要参数与定位参数，使模型响应参数变化。基本调试完成后，通过三维软件的干涉分析功能，检测模型是否存在干涉情况，规避干涉后调整分析条件，设置模块间安全距离，检测需要规避的“软干涉”，调整模型参数完成方案设计，煤粉炉方案设计模型如图1所示。

3.3验证方案设计

根据煤粉炉方案设计的计算数据与签订的技术协议等，判断方案设计是否合理，判断依据为:①各系统模型参数是否正确配合。②炉内结构是否有足够空间布置且无模型重叠等现象，如过热器、省煤器等的布置。③方案设计是否符合协议要求。

4结语

本文主要进行了煤粉炉方案设计模块模型的开发与应用。对各系统进行了模块化设计和参数化模型建立。根据煤粉炉炉型布置需求，调用锅炉方案设计的计算数据，完成方案模型的生成，并通过调整次要参数快速完成模型的变更，达到三维模型跟随输入数据而自动变更的目标。通过对煤粉炉方案设计的三维设计研究，尝试将锅炉设计由二维设计向三维设计转变，填补国内三维软件进行锅炉详细方案设计方法的空白，提升设计效率，增强产品竞争力。

参考文献:

［1］杨斯琦．锅炉设计中引入三维设计软件的思考［J］．技术与市场，2017(1):38．

［2］顾新建，杨青海，纪杨建，等．机电产品模块化设计方法和案例［M］．北京:机械工业出版社，2013．

［3］谢红，施炜．用SolidWorks计算机软件进行装配体三维设计［J］．机械设计与制造，2002(1):35．

［4］张乐林，祝锡晶，叶林征．基于UG二次开发的参数化建模方法［J］．计算机系统应用，2016(1):146．

作者:黄俊辅 吴鸿宇 丁贵鹏 单位:华西能源工业股份有限公司