Разработка системы автоматизированного проектирования тепловых схем и компоновок турбоустановок производства ЗАО УТЗ

В.И. Брезгин, доцент, к.т.н., Ю.М. Бродов, профессор, д.т.н.,

А.А. Гольдберг, инженер, Т.Л. Шибаев, инженер

г. Екатеринбург

1. Назначение Системы

Система автоматизированного проектирования тепловых схем и компоновок турбоустановок производства ЗАО УТЗ (далее – Система) предназначена для внедрения в конструкторском отделе паровых турбинных установок (далее отдел) завода – изготовителя паровых турбин. В задачи отдела входят разработка проектно – конструкторской документации (ПКД) турбоустановок тепловых электрических станций (ТЭС). Основной состав ПКД, разрабатываемой отделом:

1. развернутые тепловые схемы паротурбинной установки

2. компоновка паротурбинной установки

3. строительные задания для проектных организаций

4. рабочие чертежи трубопроводов пара, горячей воды, маслопроводов, и других.

Целью создания системы является снижение затрат времени на выпуск (ПКД), в том числе схем, компоновок, строительных заданий; снижение затрат времени на выпуск рабочей конструкторской документации за счет использования единого информационного пространства и нормативно справочной информации в электронном виде, использования современных способов обмена информацией со сторонними организациями, оптимальной загрузки персонала отдела на всех этапах работы над проектом и повышение качества выпускаемой отделом ПКД за счет использования систематизированного подхода к проектированию.

При разработке структуры системы использовались концептуальные решения, предложенные в [1, 2] и апробированные при создании САПР теплообменного оборудования в условиях Уральского турбинного завода (ЗАО УТЗ), ранее называвшегося ОАО Уральский турбомоторный завод. Настоящая работа является продолжением работ, начатых ранее [3, 4].

2. Структура Системы

Структурная схема работы внутри отдела представлена на рисунке 1.

Рис.1. Структура работы отдела

Перед началом работы над проектом собираются исходные данные. Этими данными являются данные об объекте, спецификация устанавливаемого оборудования, чертежи оборудования, расчетные данные (параметры сред, расходы, массы оборудования). Кроме того, при реконструкции объектов, исходными данными являются и ограничительные условия объекта (габариты сохраняемого помещения машинного зала ТЭС, необходимость использования существующего оборудования, кранового хозяйства).

После сбора первых исходных данных начинается разработка развернутых тепловых схем с выполнением тепловых и гидравлических расчетов, компоновки турбоустановки. Эта работа ведется параллельно, однако, результаты разработки тепловой схемы необходимы для трассировки трубопроводов в компоновке.

После выполнения тепловых схем и компоновки начинается разработка строительных заданий и чертежей трубопроводов. В разработку трубопроводов входят монтажные чертежи самих трубопроводов, чертежи блоков, расчеты трубопроводов на прочность и компенсацию тепловых расширений. Для окончательного выполнения строительных заданий необходимы данные о нагрузках на строительные конструкции от трубопроводов, которые также определяются из расчетов трубопроводов на прочность и компенсацию тепловых расширений.

3. Учет всех рисков, возникающих в процессе работы

Конструкторские риски при проектировании турбоустановки связаны с участием в разработке различных подразделений. Возможен риск нестыковки в трубопроводах, неточности в присоединительных и габаритных элементах. Примером конструкторского риска такого плана может служить случай, когда одно подразделение проектирует маслобак, а другое его обвязывает. При внесении изменений в рабочие чертежи маслобака, изменения приходят в отдел, проектирующий обвязку после выполнения проекта, что значительно увеличивает трудоемкость работы. Кроме того к конструкторским рискам относятся риски ошибок при проектировании, расчете элементов турбоустановки, риски коллизий оборудования, строительных конструкций.

К производственным рискам относятся риски, связанные с производством трубопроводов, строительных конструкций. Чертежи трубопроводов должны обеспечивать производство этих трубопроводов в соответствии с нормами, технологическими процессами предприятия – изготовителя трубопроводов. К производственным рискам также можно отнести риски, связанные с неточностью изготовления, с несоблюдением требований конструкторской документации, которые при монтаже выливаются в значительные проблемы, и которые необходимо предусматривать при проектировании.

Со строительными рисками связаны особенности монтажа крупного уникального оборудования турбоустановки (турбины, генератора, конденсатора, подогревателей). Компоновка должна обеспечивать беспрепятственный монтаж турбины, конденсатора, сетевых подогревателей. Для монтажа турбины существует риск, заключающийся в невозможности установки турбины на место в связи с большим габаритом турбины по высоте и ограниченной высотой подъема крюка мостового крана машзала. Для монтажа сетевых подогревателей и конденсатора риск заключается в невозможности заводки аппаратов из-за нехватки расстояния между фундаментом и стенами машзала, либо строительными конструкциями. Кроме того, подогреватели высокого давления в связи со своим большим габаритом по высоте также как турбина определяют риск монтажа с использованием мостового крана машзала.

К эксплуатационным рискам можно отнести возможность обслуживания арматуры, трубопроводов, другого оборудования. Также для ремонта теплообменных аппаратов необходимо соблюдение габаритов выема и, особенно, завода трубок теплообменной поверхности. Строительные конструкции могут вызвать риски, связанные с использованием площадок обслуживания, лестничных маршей. К эксплуатационным рискам также относятся риски, связанные к ошибочным действиям персонала, которые могут привести к аварийным последствиям.

Система строится на базе «тяжелой САПР» Pro Engineer. «Костяк» Системы составляет ядро твердотельного трехмерного моделирования. Для обеспечения работы с данными используются базы данных.

4. Автоматизация проектирования развернутых тепловых схем

Наиболее важная составляющая при разработке тепловых схем – создание базы данных. Поскольку отрисовка самой схемы не вызывает больших затруднений, данные, которые вносятся при проектировании, играют большую роль в дальнейшем для разработки компоновки. В состав модуля разработки тепловых схем входят:

- библиотека элементов схем

- база данных оборудования

- графическая система рисования схемы.

5. Разработка компоновки

Компоновка турбоустановки является, наряду с тепловыми схемами, определяющим документом для проектирования объекта.

Для проектирования компоновки турбоустановки используется модуль, в который входят:

- библиотеки оборудования в трехмерном твердотельном виде

Все элементы библиотеки параметризованы для возможности быстрого изменения. Примеры элементов библиотеки представлены на рис. 2-5.

Рис.2. Подогреватель сетевой горизонтальный

Рис.3. Подогреватель низкого давления

Рис. 4. Эжектор пароструйный

Рис.5. Насос конденсатный

- Средства работы со сборками, параллельной работы и нисходящего проектирования.

При проектировании компоновки очень важно проектирование «сверху вниз». Необходимо сначала задать граничные условия (габариты, высоты), затем разместить крупное оборудование. Наличие средства нисходящего проектирования обеспечивает логичность работы над компоновкой. Кроме того, для ускорения работы необходимы средства параллельной работы над одной моделью.

- Ассоциативный инструмент для конструирования трубопроводов.

Он предназначен для решения задач проектирования конструкций, трассировки трубопроводов. Проектирование трубопроводов в компоновке является очень важной задачей. Поскольку трубопроводы турбоустановки сильно отличаются от магистральных трубопроводов своей разветвленностью и компактностью, имеет смысл ввести дополнительные инструменты для проверки соответствия нормативным ограничениям, проверку на коллизии. На рис.6 и 7 приведены примеры трубопровода и компоновки, соответственно.

Рис. 6. Пример трубопровода

После проектирования компоновки начинается проектирование строительных заданий и трубопроводов.

Строительные задания являются исходными данными для выполнения рабочей документации проектными организациями. Для разработки строительных заданий используется инструменты плоского черчения с библиотеками стандартных элементов (обозначений элементов строительных конструкций). В строительных заданиях приоритетным является ассоциативная связь с компоновкой. Эту связь обеспечивают инструменты ассоциативного проектирования, встроенные в Систему.

Рис. 7. Пример компоновки

6. Проектирование трубопроводов

Комплект рабочей документации по трубопроводам состоит из монтажных чертежей на трубопроводы, спецификаций, сборочных чертежей блоков и чертежей деталей.

Из компоновки в проекты трубопроводов передаются данные о трассировке трубопровода, данные об обстановке трубопровода, определяются места крепления трубопроводов. Далее происходит предварительная проработка, после чего трубопровод рассчитывается на прочность и компенсацию тепловых расширений или самокомпенсацию программными расчетными средствами. Рассчитывается подвесная система трубопроводов. Результаты расчета передаются в строительные задания для расчета нагрузок на строительные конструкции. После окончательного расчета трубопровода выполняется деталировка трубопровода. Детали и блоки полностью ассоциированы, спецификации связаны со своими деталями. Схема работы над трубопроводом приведена на рис. 8.

Для разработки трубопроводов применяются средства автоматизированного проектирования трубопроводов. В состав модуля входят:

1. средство для проектирования трубопроводов

Полностью параметрическое и ассоциативное приложение, которое обеспечивает автоматическое внесение изменений в конструкцию трубопровода в ответ на изменения сборки. Поддерживается также автоматическая разводка через массив точек, автоматическое создание комментариев в точках сгиба, проверка на пересечение и на удовлетворение ограничениям по габаритным размерам.

2. средство для расчета трубопровода на прочность и компенсацию тепловых перемещений

3. библиотеки стандартных элементов.

Библиотеки включают в себя детали, выполняемые по ГОСТам и ОСТам. Элементы различных типоразмеров полностью параметризованы. пример параметризованного элемента (фланец) приведен на рис.9.

Рис. 8. Схема работы над трубопроводом

Рис. 9. Пример параметризованного фланца

Параметры элемента задаются в таблице (эти данные берутся из ГОСТа на фланцы). Пользователю необходимо только задать условный проход, тип и параметры фланца. Остальные размеры устанавливаются автоматически.

4. средство генерации монтажных чертежей

Данное средство позволяет генерировать из трехмерной модели трубопровода чертеж в соответствии с ЕСКД. Кроме того, для монтажных чертежей существует особенность: обязательно присутствие на чертеже обстановки трубопровода для легкой проверки трубопровода на коллизии.

5. средство разработки сборочных чертежей блоков.

Особенность данного средства в том, что необходимо поддерживать актуальное состояние спецификаций сборочных чертежей, что возможно только при жесткой ассоциативной связи с монтажным чертежом и трехмерной моделью трубопровода, кроме того, модель трубопровода ассоциирована с моделью компоновки и тепловой схемой. В данном средстве также необходимо наличие библиотек материалов, технических требований.

6. средство проверки и коррекции.

Для трубопроводов крайне важно иметь возможность их проверки и нормоконтроля. При этом средство должно позволять вносить замечания и контролировать их выполнение.

Заключение

Представлена Система автоматизированного проектирования тепловых схем и компоновок паротурбинных установок ТЭС. Данная Система позволяет автоматизировать проектирование ячейки турбоустановки. Автоматизации подвергаются процессы, имеющие четкий алгоритм выполнения, однотипные работы. Автоматизация позволяет избежать многих ошибок. Для инженера остается больше времени на выполнение творческой работы, принятие принципиальных решений. Появляется возможность проведения большого количества итераций, разработки нескольких вариантов исполнения без ущерба для проекта. Кроме того, Система позволяет выполнять расчеты с высокой точностью, проводить несколько вариационных расчетов. Для системы жизненного цикла изделия данная САПР представляет данные о проекте, архивы выполненных проектов, разграничивает доступ, позволяет быстро получать сведения о выполненных работах.

Литература

1. Концепция информационной поддержки жизненного цикла турбин и турбинного оборудования как стратегия развития энергомашиностроения / Брезгин В.И., Бродов Ю.М., Зырянов С.М. // "Тяжелое машиностроение" № 12, 2005 г. C. 2-5.

2. Разработка методики выбора направлений реинжиниринга проектных работ для обеспечения непрерывной информационной поддержки жизненного цикла паротурбинных установок тепловых электростанций / Брезгин В.И., Бродов Ю.М., Брезгин Д.В. // "Информационные технологии в проектировании и производстве" № 2, 2006 г. С. 27-33.

3. Проектирование подогревателей сетевой воды теплофикационных турбин в условиях электронного представления данных / В.И. Брезгин, А.А. Чубаров // Материалы 4-ой международной конференции CAD/CAM/PDM 2004. М.:Институт проблем управления РАН.-2004

4. Модель непрерывной информационной поддержки жизненного цикла паротурбинных установок тепловых электростанций / В.И. Брезгин, А.А. Чубаров, Д.В. Брезгин // Материалы 5-ой международной конференции CAD/CAM/PDM 2005. М.:Институт проблем управления РАН.-2005