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摘要:三維設計技術能夠有效提升產品設計的效率與準確性，被廣泛應用于機械與建筑行業，但將其直接應用于鍋爐設計還處于空白。將三維設計應用于鍋爐的設計中，對提升產品競爭力有著重要意義。通過對煤粉爐現行方案設計的研究，并結合三維設計技術與模塊化設計原理，從鍋爐設計的模塊模型建立與鍋爐設計的應用方法兩方面介紹三維設計在煤粉爐方案設計中的實際應用情況。

關鍵詞:工業鍋爐;方案設計;三維設計;模塊模型

1研究背景

作為工業革命后最主要的能源轉換裝置，鍋爐在現代工業中依舊扮演著重要的角色，無論是在電站能源行業還是在船舶運輸行業，或是化學化工行業，鍋爐都有著不可替代的地位。在現代鍋爐設計制造過程中，大多數企業依舊使用AutoCAD等主流的二維設計軟件，隨著中國工業的發展，更直觀、高效的三維設計方法被應用于越來越多的行業，并開始應用于鍋爐設計中。三維設計是實現數字化、虛擬化和智能化設計平臺的基礎［1］。隨著計算機軟硬件的飛速發展，三維技術在航空、航天、汽車、船舶等高端制造業中已有成熟、廣泛的應用。三維設計軟件不僅可以創建實體模型，還可以利用設計出的三維實體模型進行模擬裝配和靜態干涉檢查、機構分析和動態干涉檢查、動力學分析、強度分析等［2］。目前，國內鍋爐企業主要應用三維設計軟件進行三維建模、干涉檢查、鍋爐輔助設備的設計檢查、系統布置等，對鍋爐的三維設計研究還處于初級階段。國內主要運用的三維軟件有PDMS、Creo、NX、SolidWorks、Inventor等，這些軟件已經成功運用于機床、模具等機械設計領域和土建鋼結構等建筑設計領域，而鍋爐設計既有復雜機械設計，又兼顧土建鋼結構等建筑設計，目前在國內還沒有一個將三維設計軟件應用于鍋爐設計的成熟案例。本文提出了一種將三維設計應用于煤粉爐方案設計的方法。選擇煤粉爐是因為煤粉爐技術成熟，結構相對固定，進行三維設計研究有更成熟的技術基礎和更廣泛的應用前景。本研究的主要原理是應用三維設計手段及模塊化設計理論，提升煤粉爐方案設計的效率與準確性。通過本研究達到以下目的:利用三維軟件實現煤粉爐的詳細方案設計;在煤粉爐方案設計階段完成系統配合設計，減少系統間的干涉等問題;實現性能計算數據的結構驗證，減少人為因素對設計質量的影響，縮短設計周期，提升設計效率和降低現場消缺成本;填補國內三維軟件進行鍋爐詳細方案設計方法的空白。

2模塊模型建立

在進行煤粉爐方案設計前，首先需要建立用于設計的模塊模型。模塊模型是基于過去產品的功能、結構特點和設計的經驗而總結出的模型，包括煤粉爐的組成結構與各結構的功能、外形在設計過程中的設計規律。各模塊模型除了能體現模塊功能外，還應包括模塊的主要控制參數與參數的變化規則。具體的建立方式如下。

2.1模塊劃分

產品模塊化過程一般包括產品系列化和模塊化規劃;模塊劃分，接口定義;建立產品編碼體系和名稱字典;通用模塊設計;模塊化產品平臺總體構建等［2］。模塊劃分是產品模塊化的重要過程，模塊劃分可以基于模塊實現的功能、模塊的結構特點、模塊的生產工藝等進行，在進行煤粉爐模塊劃分時主要依據模塊所要實現的功能進行劃分。通常將煤粉爐劃分為以下幾個系統:主要受熱面系統、燃燒系統、系統間連接系統、配套輔助系統、構架系統及其他，而各系統又由幾個細分模塊組成。1)主要受熱面系統: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、空預器模塊等。2)燃燒系統:燃燒器模塊、主燃燒風箱模塊、燃盡風燃燒器模塊、燃盡風風箱模塊等。3)系統間連接系統: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:人孔系統模塊、吹灰系統模塊、測點系統模塊、吊掛系統模塊等。5)構架系統:柱梁系統模塊、平臺系統模塊、扶梯系統模塊、剛性梁系統模塊、頂板模塊等。6)其他:主要包括與設計院、其他設計廠家等配合需要的空間占用，如SCR預留空間、冷熱風煙道、冷渣器預留空間等。

2.2參數選擇

模塊的劃分主要考慮的是模塊的功能實現，模塊參數的選擇則主要考慮的是模塊的外形，所以在參數選擇前需要搞清楚各模塊的主要結構。在煤粉爐的設計過程中，各模塊都有各種各樣的結構形式，比如根據布置位置的不同，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;根據換熱方式的不同，空預器可以是管式空預器或者回轉式空預器。進行模塊化工作時可選取最常用的結構形式進行模塊化，之后再補充其他結構形式的模塊模型。模塊模型不應為了兼容多種結構形式而增加模型容量。模塊模型由各種參數驅動，而煤粉爐設計過程中輸出的參數與模塊驅動參數并不一定完全一致。在確定了模塊結構形式后，須從設計參數中選取建模必要的設計參數，增加建模外形控制必要的外形參數與定位參數，因此可將建模參數分為三類:①主參數:煤粉爐設計過程中輸出的外形參數。②次參數:除煤粉爐設計過程中確定的外形參數外，其他建模必須的外形參數。③定位參數:驅動模型在裝配過程中定位的參數。根據參數類型的不同，分別選擇對應的模型參數，以建立相應的模塊模型。

2.3模型建立

完成模塊的設計后，根據模塊劃分與參數選擇建立模塊模型。模塊模型的建立須滿足煤粉爐方案設計的精度要求，并做適當簡化，使模型在能夠體現模塊設計的功能與外形結構的情況下，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化，并使選擇出的參數可以驅動模塊模型。各模塊模型間的參數存在關聯性，為了實現參數變動時關聯參數也響應變化，完成各模型模塊的建立后，應在各模塊間建立參數關聯。以三維設計軟件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間的關聯關系，通過模塊共同調用同一數據庫表格參數的方式，確保了關聯參數間的響應關系。

2.4模塊評審

完成模塊模型建立后，在進行煤粉爐方案設計前，需要對模塊設計與模塊模型進行評審。評審內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相應的控制情況，以及整體外形與煤粉爐設計計算結果的對應情況等。在模型中，實體與實體間無錯誤的重疊部分，調整參數后模型能正確生成不報錯，對參數變化的響應滿足模型快速、正確的要求，并使關聯模塊對應變化。除此之外，評審中還應判斷控制參數的情況，特別是對次要參數，可以考慮鎖定次要參數、不作為開放參數進行控制或使其階梯式變化，簡化模塊模型使用操作。評審結束后將模型發布至數據庫，已備使用。

3煤粉爐方案設計

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

3.1調用模塊模型

根據擬定的各系統結構，將數據庫中對應的模型調入總裝模型中。模塊模型的調用因參數存在關聯，因此有一定的邏輯調用順序。通常選擇水冷壁作為模塊模型的調用基準，對水冷壁定位完成后再調用其他模塊，各模塊調用后將關聯參數進行關聯，并調整定位。完成模塊的調用后，將煤粉爐方案設計中的參數輸入模塊模型中。

3.2調整方案設計

完成模塊模型的調用后，根據模型情況調整模塊的次要參數與定位參數，使模型響應參數變化?；菊{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，規避干涉后調整分析條件，設置模塊間安全距離，檢測需要規避的“軟干涉”，調整模型參數完成方案設計，煤粉爐方案設計模型如圖1所示。

3.3驗證方案設計

根據煤粉爐方案設計的計算數據與簽訂的技術協議等，判斷方案設計是否合理，判斷依據為:①各系統模型參數是否正確配合。②爐內結構是否有足夠空間布置且無模型重疊等現象，如過熱器、省煤器等的布置。③方案設計是否符合協議要求。

4結語

本文主要進行了煤粉爐方案設計模塊模型的開發與應用。對各系統進行了模塊化設計和參數化模型建立。根據煤粉爐爐型布置需求，調用鍋爐方案設計的計算數據，完成方案模型的生成，并通過調整次要參數快速完成模型的變更，達到三維模型跟隨輸入數據而自動變更的目標。通過對煤粉爐方案設計的三維設計研究，嘗試將鍋爐設計由二維設計向三維設計轉變，填補國內三維軟件進行鍋爐詳細方案設計方法的空白，提升設計效率，增強產品競爭力。

參考文獻:

［1］楊斯琦．鍋爐設計中引入三維設計軟件的思考［J］．技術與市場，2017(1):38．

［2］顧新建，楊青海，紀楊建，等．機電產品模塊化設計方法和案例［M］．北京:機械工業出版社，2013．

［3］謝紅，施煒．用SolidWorks計算機軟件進行裝配體三維設計［J］．機械設計與制造，2002(1):35．

［4］張樂林，祝錫晶，葉林征．基于UG二次開發的參數化建模方法［J］．計算機系統應用，2016(1):146．

作者:黃俊輔 吳鴻宇 丁貴鵬 單位:華西能源工業股份有限公司