发电厂烟风道数字化设计

綦学良

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春　130021)

随着发电设计行业对设计成品直观性、全专业化配合、高精细化程度、高效率的需求不断提升，以三维设计为主体的发电厂数字化设计正广泛普及和应用，其中工厂三维设计管理系统(PDMS)是较为主流的数字化设计平台之一[1]。热机专业作为发电项目的主体专业对实体空间占位、专业间碰撞检查、高效率材料统计的需求尤为突出。热机专业烟风道设计计算量大，烟风道零件形式复杂、多变，对空间占位的要求高；同时，零件的材料量统计项目繁多、耗时。采用PDMS软件平台固有的供热通风与空气调节(HVAC)风道设计模式建立三维模型，已不能准确刻画零件的外形及占位，为实体碰撞检查提供有效依据且模型精细化程度低，不能满足对烟风道零件开取材料的要求，因此，针对于发电项目对烟风道设计精细化程度的迫切需求，烟风道三维设计的各类方法、体系、软件程序应运而生。 本文以基于PDMS12.1SP2三维设计平台进行的二次开发烟风道三维设计体系为例，与该软件平台固有的HVAC风道设计模式相对比分析，着重探讨发电厂烟风道三维设计的有效方法[2]。

1　烟风道三维设计体系及原有HVAC模式弊端

1.1　烟风道三维设计体系

火力发电厂烟风道的全过程三维设计主要分为：烟风道单体零件模型详细设计(包括：搭建烟风道零件、加固肋、内撑、法兰、支吊架等模型)；烟风道模型三维布置设计；烟风道零件材料量统计；绘制烟风道零件及支吊架详图。

1.2　原有HVAC模式弊端

PDMS软件平台提供的烟风道三维设计操作是在其HVAC模式下进行；而HVAC模式的原有功能是为暖通专业通风风道三维设计提供支持，该方式的零件数据库为PDMS软件原HVAC暖通专业风道数据库。

在发电工程设计的实际应用中，烟风道零件的形式依据布置条件复杂而多变，其零件形式的丰富程度远超过暖通专业的基础风道零件形式。固定、有限的数据库零件形式可以满足暖通专业通风风道的三维设计需求，但这些简单、基本的风道零件形式在锅炉专业如异形三通类型的复杂烟风道零件三维设计中不能作为有效的建模素材。

通过HVAC基础功能建立的三维模型可以满足零件的基本占位；而实际工程应用中，烟风道零件配备有大量的加固肋和支吊架，其占位需要纳入对布置设计的考虑，准确的加固肋及支吊架模型将为烟风道布置占位提供有效参考依据。HVAC基础功能中的简化风道零件模型素材不具备实现加固肋和支吊架等高精细化程度建模的功能。

HVAC基础功能由于其精细化程度的限制，仅适用于暖通专业通风风道的三维设计，而并不适用于对支吊架、加固肋及内撑等构件有高度需求的烟风道三维设计。简化的HVAC基础模型中缺少记录加固肋、内撑等构件尺寸数据的信息和细部模型，这个限制导致了该设计模式不能满足烟风道材料量统计的需求，烟风道零件的材料量统计需要其三维模型具有极高的精细化程度。

2　优化的烟风道三维设计模式

2.1　烟风道三维设计的二次开发

烟风道的三维设计需要精确、高效、功能更完备的设计模式。该设计模式应具备丰富的烟风道零件形式素材数据库，该数据库对常用及特殊的烟风道零件形式具有较高的涵盖性，且数据库架构应利于其内容的扩充，以便将以往工程中未使用过的新型零件快速收纳入库；模型精细化程度应达到接近真实烟风道零件的水平，能够对除道体零件外的内撑、加固肋、法兰进行建模，以保证模型空间占位的真实性；设计模式应具备烟风道零件材料量统计的功能，程序代码自动提取储存于模型的材料量数据，并进行统计，最后反馈给用户。

PDMS三维设计平台的程序主要以PML语言为编程基础，代码开放，为用户的二次开发提供了有利条件。二次开发制作的烟风道三维设计主程序界面见图1。

图1　二次开发的烟风道三维设计界面

2.2　精细化的烟风道三维设计模式

2.2.1可扩展、可定制的烟风道零件形式

二次开发的烟风道三维设计软件具备独立的零件数据库，其零件形式丰富，相比HVAC基础功能更适用于烟风道零件的三维设计。基础零件形式包括：烟风道直段、90°弯头、变角度弯头、三通、方圆节、吸风口等零件形式；组件包括：法兰、加固肋、内撑等。零件选择列表直观、便利。以异形三通为例，可选择复杂零件类型，见图2。

图2　异形三通零件选型

数据库由于采用了模板双层分级数据引用模式，具备高度的可扩展性，即烟风道零件的选型引用零件的模板数据库，零件的模板数据库引用标准钢板、型钢截面(如工字钢、槽钢、角钢和圆钢等)数据库。用户不仅可在模板数据库中选用已有的零件形式，同时可以选取标准数据库中的钢板及型钢截面快速搭建未收纳入库的新形式零件，以满足实际工程的需求。新形式的烟风道零件模型搭建完成后，可以作为模板数据库的建库素材，通过对其内置钢板及型钢的自动布置规则，制作成零件模板存储到模板数据库中，以便于其他发电工程设计对相同形式零件的引用。

2.2.2精细化的零件模型及建模方式

通过优化后的三维设计模式所建立的烟风道零件模型精细化程度极高，模型与真实的零件相差无几，钢板、型钢等均以独立的模型通过布置规则自动组装成零件整体，由于其独立性可有效支持材料量统计。以90°烟道弯头为例(见图3)，单体零件的细部模型包括钢板、密封角钢、内撑梁等，细部模型通过后台标准型钢数据库作为数据支持，淡色部分为2 524 mm宽的弧形钢板。

图3　90°弯头模型示例

弧形钢板模型中记录了尺寸参数和自动布置规则。其设计参数值(desp num 1)：2 524 mm，表征钢板的宽度；定参数(para)：6 mm，表征钢板厚度；引用：GB/T 700—2006《碳素结构钢》标准的 Q235 6 mm厚度钢板数据库。

将烟风道弯头零件的入口宽度标记为变量：AARR，型钢数据库厚度定参数标记为变量：PASP。钢板的宽度计算模型：desp num 1=AARR-para 1 of PASP×2 - 32×2，即弧形钢板的宽度应为零件入口宽度扣除两侧的钢板厚度和两侧密封角钢与钢板间32 mm宽的焊接裕量，可以满足对焊接裕量的要求。

可见，模型可以支持材料量统计到以毫米为单位。由于烟风道零件的真实占位及布置需要考虑零件的加固肋，因此烟风道三维设计程序涵盖了加固肋、内撑、法兰等组件供设计人员选择。另外，这些组件模型的尺寸需要与主体零件相吻合，因此应在软件所控制的组件建模程序中加入参数继承代码，即加固肋等组件模型会直接继承主体零件的外形尺寸参数，设计人员无须再对加固肋给定尺寸。仍以90°弯头零件为例，建立后完整的零件模型见图4。

图4　带有加固肋、内撑和法兰的90°弯头

由于烟风道零件上钢板、加固肋的工字钢和槽钢、内撑的圆钢等杆件需要依据实际情况进行安装、焊接，因此软件应具备型钢编辑程序。以弧形钢板处焊接的加固肋的槽钢为例，设计人员可拾取槽钢焊接位置的钢板弧面，使槽钢模型自动计算旋转角度。

2.3　高效率的零件材料统计

2.3.1高效数据库支撑

数据库调用模式的建模系统能最大程度精简数据量，并保存有效设计数据。烟风道三维设计软件主要采用双层分级的数据库引用模式。零件细化达到型钢杆件的程度，型钢杆件的外形及单重信息储存于标准型钢数据库，为烟风道零件外形的基础依据；用户进行零件选型时引用零件模板数据库，模板数据库中记录钢板、杆件的尺寸和布置规则，以及烟风道零件的具体形式。这个双层分级的数据库引用方式确保了用户在扩充模板库中的零件形式时，可以随时引用钢板、型钢数据库建立零件模板，并通过输入布置规则，使得钢板和杆件按设计过程中用户给定的设计参数自动旋转、定位和调整尺寸，因此，用户在定制新的模板时仅需输入零件布置规则计算公式、控制参数和型钢选型范围，区别于HVAC基础功能数据库，不需要输入大量的型钢截面计算公式和截面尺寸控制参数。

以槽钢为例，其杆件数据库中除给定槽钢截面尺寸参数，还需涵盖型钢单重信息，程序自动计算杆件长度配合统计。而钢板数据库的截面尺寸参数仅为钢板厚度(定参数)，其钢板宽度在Design设计模式下由设计人员依实际情况给定。数据库需另设钢板单位质量，程序会自动计算钢板面积配合统计。

2.3.2高效的材料量统计及数据传递

因具备强大的后台标准数据库，烟风道三维设计软件可直接在设计模式下对单体零件和整个烟风系统进行一键材料量汇总统计，并将结果导出为绘制零件详图所需的接口文件。软件会先将单体零件的材料量汇总到一个与材料明细表格式相同的表单中；而HVAC基础功能由于无法表达和储存零件的细部杆件模型及信息，无法实现材料量统计。

2.4　真实的烟风道零件投影绘图

基于PDMS平台的Draft绘图模式以投影方式成像。该方式能真实地将三维模型外轮廓投影到图纸上，但如果模型表达不够细致，投影绘图亦粗糙、表达不清晰。烟风道三维设计软件区别于原有的HVAC设计模式，将烟风道零件及其细部准确建模，其模型的细致程度可以有效支持三维投影的绘图方式，且满足正视图、剖面图以及图中加固肋、内撑的尺寸和定位信息的图面表达。

软件在材料统计阶段生成的材料明细表接口文件可直接导入至零件详图，生成该零件的材料明细表。材料明细表的数据源来自生成于设计模块的统计结果文件，结果文件由程序自动结合零件模型的尺寸及模型数据库中的单重信息进行计算，统计过程无人为干涉，计算结果真实、准确。

2.5　可扩展的烟风道支吊架设计模式及优势

2.5.1设计模式

全过程的烟风道三维设计包括支吊架设计，由于烟风道三维设计软件数据库的可扩展性，和烟风道支吊架主要由型钢杆件和钢板焊接而成的特点，烟风道支吊架可以同样的方式纳入该设计模式中。首先，根据支吊架的形式，从标准型钢数据库中选材搭建出支吊架的模板数据库，并将与烟风道零件尺寸控制参数及计算公式相匹配的自动布置规则，内置到支吊架模板数据库中，这样用户便可以采用与烟风道零件建模相同的方式，创建支吊架模型。此外，由于建模方式相同，支吊架模型可以直接从零件本体模型中读取尺寸参数，进而配合布置规则完成占位，从而大幅提高设计效率。烟风道支吊架形式多样，建议以定制常用的支吊架形式数据库作为基础，按需求扩展应用。

2.5.2主要优势

通过二次开发实现的发电厂烟风道三维设计新模式优势主要源于2个部分。其一：双层分级的数据库引用模式，对烟风道零件高效建模起到了关键作用。记录于零件模板库中各杆件模型的自动布置规则与参数继承体系相配合，用户仅需要对主体零件赋予尺寸参数，其下的零件道体、加固肋、法兰、内撑等模型会自动依据主体零件参数调整其尺寸、定位和偏转。其二：以数据库和模型作为数据源，由程序驱动实现了一键统计功能，使得原本由人为参与、易出错的材料量统计工作更严谨、更自动化。以华能营口仙人岛2×150 MW热电新建工程冷二次风道的三维布置设计为例，将优化三维设计模式和原有HVAC基础功能三维设计模式效率对比见表1。

通过对比分析可以看出，优化后的烟风道三维设计模式在数据库建立方面提高效率20%，在烟风道三维建模及布置设计方面提高效率20%，在烟风道材料量统计方面提高效率75%；同时，以优化设计模式建立的烟风道三维模型，具有贴近真实的空间占位，是协同布置设计的有力参考依据。

表1　优化三维设计模式和

3　结论及建议

优化的设计模式相比原有的HVAC基础设计模式有以下优势：首先，在发电厂烟风道三维设计搭建模型的准确程度、空间占位及碰撞检查的可参考性方面，由于其高精细化程度的模型可以真实地体现零件本体、加固肋、内撑、法兰等构件，可以提供更精确的模型和设计依据；其次，在三维设计数据库维护方面，由于其可将用户手动创建的临时烟风道模型作为数据库素材直接收纳入库，其可扩展性远高于HVAC基础数据库；第三，在材料量统计方面，优化的设计模式以高精细化程度的三维模型为数据源，可一键完成精确、高效的材料量统计。优化的三维设计模式在精细化程度、扩展性和提高效率等方面极具优势，更适用于未来发电工程烟风道设计。

参考文献：

[1]王坚.火力发电厂布置设计精细化发展趋势[J].电力建设，2011，32(1)：68-71.

[2]景晓东，唐利萍.PDMS软件在锅炉设计中的应用[J].电站系统工程，2006，221(1)：55-56.