文｜湖北省電力勘測設(shè)計院 李華鋒

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，火力發(fā)電廠的設(shè)計環(huán)境應(yīng)從二維設(shè)計平臺向三維數(shù)字化設(shè)計平臺過渡，運(yùn)用三維設(shè)計軟件，能夠解決原來設(shè)計工作中普遍存在的碰、撞、漏等通病，可進(jìn)一步提高設(shè)計的精細(xì)化程度，加快工程建設(shè)進(jìn)度，節(jié)約投資成本?；鹆Πl(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道中以矩形管居多，而矩形管的管徑?jīng)]有嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)格，異形件也比較多，進(jìn)行三維設(shè)計有一定的難度，而矩形管加固肋的設(shè)計涉及大量計算，為簡化計算，設(shè)計人員通常只能采用查表等辦法，沒有一套高效適用的設(shè)計解決方案，設(shè)計工作強(qiáng)度比較大。

我院的數(shù)字化工廠設(shè)計采用OpenPlant Modeler工廠信息模型解決方案，該三維工廠設(shè)計系統(tǒng)結(jié)合了AutoPlant和其他Bentley工廠設(shè)計軟件的優(yōu)點，并且具有更好的開放性和數(shù)據(jù)互用性。本文提出以MicroStation V8i為基礎(chǔ)平臺，利用C#語言開發(fā)煙風(fēng)煤粉管道數(shù)字化設(shè)計軟件（六道軟件），完善了Bentley工廠信息模型解決方案。該軟件將煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計常用的《煙風(fēng)煤粉管道零部件典型設(shè)計手冊》（74DD和D-LD2000）標(biāo)準(zhǔn)零部件、非標(biāo)零部件及型鋼數(shù)據(jù)錄入后臺數(shù)據(jù)庫，以方便的交互方式讓設(shè)計人員實現(xiàn)對煙風(fēng)煤粉管道的數(shù)字化設(shè)計；同時該軟件具備加固肋選型計算功能，極大的提高了設(shè)計人員的設(shè)計精度和效率，完善了我院工廠信息模型解決方案。本文針對六道軟件的數(shù)據(jù)庫、計算模塊、設(shè)計模塊、協(xié)同設(shè)計做一介紹，以供相關(guān)研發(fā)及設(shè)計人員參考。

1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

軟件的開發(fā)工具為Visual Studio，軟件后臺數(shù)據(jù)庫平臺采用SQL數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫分為元件庫、等級庫、設(shè)計庫三種。要進(jìn)行設(shè)計，首先需要有元件庫(存放標(biāo)準(zhǔn)部件的數(shù)據(jù)庫)，元件庫包含了特性數(shù)據(jù)，存放了材料、壁厚、重量等應(yīng)力分所需要的數(shù)據(jù)；軟件自帶了煙道、冷風(fēng)道、熱風(fēng)道、制粉管道、送粉管道等元件等級庫，用戶也可以根據(jù)工程需求建立相應(yīng)的的等級（SPEC）；設(shè)計過程中所有的信息保存在設(shè)計庫中，一般用戶僅需操作設(shè)計庫。

1.1 元件庫

元件庫（Catalog）是指管道零部件總庫，一般按照不同的標(biāo)準(zhǔn)編制，對于煙風(fēng)煤粉管道零部件可分為74DD和D-LD2000兩個標(biāo)準(zhǔn)。本軟件使用層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織元件庫。本質(zhì)上，對元件庫操作的過程就是操作這些元素的過程。通過軟件提供的元件庫模塊，可以對元件的屬性、用途、圖形表示規(guī)則和快速引用進(jìn)行配置，創(chuàng)建各類元件集合和元件匹配表。對于特殊的管件，已經(jīng)在庫中定義了其連接點，如圖1所示補(bǔ)償器的連接點為其端面內(nèi)20mm。

圖1 零部件連接點

1.2 等級庫

等級庫（SPEC），也叫規(guī)范庫，可以對具體的項目，從單個或多個元件庫中按照項目要求提取的一部分管件，組成等級庫，它是設(shè)計庫與元件庫之間的橋梁。通過軟件提供的數(shù)據(jù)庫工具，軟件管理員可以方便的建立工程所需的等級庫，以提高設(shè)計人員建模的精度和效率。對于汽水管道，一般是按照壓力、溫度等建立等級，對于煙風(fēng)煤粉管道，由于其特殊性，針對特定工程，一般可按照卷冊建立等級。

1.3 設(shè)計庫

設(shè)計庫是工程數(shù)據(jù)庫。設(shè)計人員在等級庫中選擇元件后，等級庫中的元件自動找到對應(yīng)的元件庫中的元件，元件庫中的幾何形狀和數(shù)據(jù)被設(shè)計庫參考。同時設(shè)計庫中還存放工程中管道零部件的空間位置信息。

2 計算模塊

我國火力發(fā)電廠煙風(fēng)道設(shè)計人員大多采用文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]推薦的方法進(jìn)行設(shè)計計算。六道軟件將文獻(xiàn)[2]中煙風(fēng)煤粉管道加固肋的選型計算方法程序化，簡化了加固肋設(shè)計計算流程。

2.1 加固肋中心間距計算

矩形煙道道體面板按照四周固定的薄板大撓度塑性變形理論計算，應(yīng)力應(yīng)小于等于鋼材在設(shè)計溫度下的屈服極限與鋼材抗塑性餃安全系數(shù)的比值，面板按照其相對撓度控制在道體計算面板寬度的1/120，并控制面板自振頻率f≥20Hz（常規(guī)設(shè)計）及f≥40Hz（振動設(shè)計）。加固肋中心間距S的實用計算公式（選定值）如下：

對煙道道體分別按照（1）～（3）式計算，以強(qiáng)度和頻率條件作為控制依據(jù)，剛度條件作為校核依據(jù)。

2.2 加固肋選型計算

形成箍狀的加固肋屬剛架結(jié)構(gòu)，按剛架計算，不形成箍狀的加固肋屬于簡支結(jié)構(gòu)，按簡支梁計算。橫向加固肋應(yīng)力，理論上為彎曲應(yīng)力與正應(yīng)力之和，為便于計算，實際計算中忽略正應(yīng)力N/F，按純彎曲應(yīng)力考慮，誤差一般小于10%；加固肋選型的撓度計算分為簡支（鉸接）和半固支（剛接），控制撓度值≤1/400；振動計算分為剛接和鉸接兩種，剛接時按多支點梁的第一自振頻率計算，鉸接時按簡支梁的第一自振頻率公式計算，并控制加固肋的一階自振頻率f≥20Hz（常規(guī)設(shè)計）及f≥40Hz（振動設(shè)計）。加固肋選型的實用計算公式如下：

公式（1）～（12）符號：S-橫向加固肋中心間距，mm；δ-道體面板厚度，mm；[σ]t-鋼材在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa；Σq-道體計算面板上的組合設(shè)計荷載，kPa；Σqdl-道體計算面板上的當(dāng)量設(shè)計荷載，kPa；q0-煙道介質(zhì)設(shè)計內(nèi)壓荷載，kPa；f-道體面板、加固肋的自振頻率，Hz；L-橫向加固肋計算跨度，mm；E-鋼材在不同溫度下的彈性模量，GPa；I-道體計算面板上加固肋截面的斷面慣性矩，cm4；G-加固肋單位長度理論質(zhì)量，kg/m；Z-道體計算面板上橫向加固肋組合截面的斷面系數(shù)，cm3；β-道體臨邊面板加固肋對計算面板加固肋剛度的影響系數(shù)。

2.3 軟件計算程序?qū)崿F(xiàn)

煙風(fēng)道加固肋設(shè)計是一個反復(fù)對道體頂、底、側(cè)面面板分別進(jìn)行加固肋設(shè)計的過程。設(shè)計人員每設(shè)計一組道體都要對每一側(cè)面板進(jìn)行荷載計算、加固肋間距的計算、加固肋規(guī)格的選取、內(nèi)撐桿計算以及是否設(shè)置縱向肋的計算等等。

本軟件的計算程序主要依據(jù)2.1和2.2的計算方法實現(xiàn)加固肋的選型計算，對于標(biāo)準(zhǔn)道體加固肋設(shè)計計算流程為：設(shè)計人員在參數(shù)設(shè)置對話框輸入原始設(shè)計參數(shù)，軟件依次計算出面板頂、底、側(cè)各項荷載、組合荷載、當(dāng)量荷載、加固肋間距、加固肋規(guī)格、內(nèi)撐桿規(guī)格、是否設(shè)置縱向肋。如果要設(shè)置縱向肋，其規(guī)格由用戶在參數(shù)設(shè)置對話框處選擇規(guī)格。計算程序總體設(shè)計流程圖如下：

圖2 加固肋計算程序總體設(shè)計流程圖

3 設(shè)計模塊

3.1 管道及零部件建模

對鍋爐專業(yè)的數(shù)字化設(shè)計而言，煙風(fēng)煤粉管道及零部件布置通常是大中型電廠項目中最費(fèi)時的工作，也是產(chǎn)生問題最多的部分。管道及零部件建模是六道軟件最強(qiáng)大的功能之一，它最大可能地避免了設(shè)計錯誤的產(chǎn)生。依據(jù)完備的標(biāo)準(zhǔn)典道元件庫（D-LD2000和74DD）及非標(biāo)件庫，六道軟件可以方便的實現(xiàn)煙風(fēng)煤粉管道及零部件的數(shù)字化建模。

在六道軟件中，每個管道（PIPE）可以有多個分支（BRANCH），在分支下面才是具體的零部件，分支與管道的不同在于分支只有兩個端點，而管道可以有多個端點，這要看它有幾個分支。管道為管理組織分支的節(jié)點，分支為管理組織管件的節(jié)點，管道、分支及零部件的組織關(guān)系如圖3所示。依據(jù)相應(yīng)的組織關(guān)系，逐步創(chuàng)建管道、分支、零部件，完成鍋爐煙風(fēng)煤粉管道布置建模。

圖3 管道、分支和零部件的組織關(guān)系

管道零部件建模采用的是參數(shù)化建模方式，界面如圖4所示，管道及零部件的參數(shù)可由設(shè)計人員根據(jù)工程需要進(jìn)行修改，極大的方便了設(shè)計人員對元件庫的擴(kuò)充和維護(hù)，也為今后對MicroStation V8i平臺的二次開發(fā)提供了新思路。

圖4 參數(shù)化建模

3.2 交互操作

MicroStation V8i的建模定位功能（對元素或?qū)嶓w的移動、旋轉(zhuǎn)等）是非常強(qiáng)大的，操作方式靈活多樣。六道軟件的交互操作與MicroStation V8i的基本交互操作功能高度集成，利用MicroStation V8i的基本交互操作功能對零部件進(jìn)行操作時，軟件通過檢測MicroStation V8i的元素選中事件信息，識別元素的空間位置及幾何信息，并利用軟件的數(shù)據(jù)庫接口，將交互操作后的元素信息即時寫入工程數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)了利用MicroStation V8i的操作功能對六道零部件進(jìn)行交互式操作。

3.3 加固肋模型

實際工程中，對于較大的煙風(fēng)道道體，其加固肋規(guī)格也較大，在施工時，經(jīng)常碰到加固肋與設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等碰撞現(xiàn)象。本軟件在設(shè)計人員進(jìn)行加固肋參數(shù)輸入和計算完成后，點擊生成模型，即可自動進(jìn)行加固肋空間定位和生成加固肋模型，方便設(shè)計人員進(jìn)行碰撞檢查操作，避免加固肋碰撞現(xiàn)象，提高設(shè)計精度。

3.4 發(fā)布 i-model模型

i-model是對基礎(chǔ)設(shè)施信息進(jìn)行開放式交換的載體。六道軟件提供了發(fā)布i-model的功能，將軟件建立的模型發(fā)布成i.dgn的通用文件格式，從而其他專業(yè)平臺的設(shè)計人員在參考i-model文件后，通過查看元素信息的方式，不但可以查看煙風(fēng)煤粉管道零部件的幾何信息，而且可以查看其設(shè)計溫度、壓力、材料等工程信息（如圖5所示），更好的實現(xiàn)各專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計。

圖5 查看i-model模型信息

4 協(xié)同設(shè)計

六道軟件支持多人協(xié)同設(shè)計，多個用戶可以同時登錄一個工程，并且所有用戶設(shè)計內(nèi)容都可以實時保持同步。軟件的配置采取由ProjectWise托管的方式，軟件啟動時向ProjectWise獲取配置文件，軟件與ProjectWise在權(quán)限上可實現(xiàn)單點登錄。在協(xié)同設(shè)計工作模式下，對數(shù)據(jù)庫及用戶的操作均由管理員在服務(wù)器端來完成。

5 總結(jié)與展望

本文從六道軟件的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、計算模塊、設(shè)計模塊、協(xié)同設(shè)計等方面，對煙風(fēng)煤粉管道數(shù)字化設(shè)計軟件的開發(fā)思路及功能實現(xiàn)逐步做了詳細(xì)介紹。該軟件不僅可以實現(xiàn)煙風(fēng)煤粉管道的快速數(shù)字化建模、加固肋設(shè)計計算，并可生成零部件的加固肋模型，解決了鍋爐專業(yè)六道零部件建模困難的問題，進(jìn)一步完善我院Bentley系列軟件的工廠設(shè)計系統(tǒng)，同時該軟件還具有發(fā)布i-model的功能，從而可實現(xiàn)煙風(fēng)煤粉管道及零部件的工程設(shè)計信息快速、方便、精確的在各專業(yè)設(shè)計平臺間流轉(zhuǎn)。

由于煙風(fēng)煤粉管道的設(shè)計計算是一個復(fù)雜的過程，在加固肋計算方面，軟件采用的是文獻(xiàn)[2]推薦的簡略計算，今后的開發(fā)方向是將六道軟件建立的煙風(fēng)煤粉管道零部件模型與大型的有限元分析軟件（如ANSYS等）做接口，校核本軟件加固肋計算選型的準(zhǔn)確性和合理性；同時由于煙風(fēng)煤粉管道的非標(biāo)件較多，需要對軟件的零部件詳圖設(shè)計功能做開發(fā)，進(jìn)一步完善軟件的煙風(fēng)煤粉管道數(shù)字化設(shè)計功能。