Совершенствование методов проектирования компоновок

паротурбинных установок

Т.Л.Шибаев,

аспирант, инженер-конструктор ЗАО «УТЗ»

В.И. Брезгин,

доцент, к.т.н., с.н.с.,

Ю.М. Бродов,

профессор, д.т.н.

УГТУ-УПИ, vibr@list.ru, г. Екатеринбург

1. Введение

Существующая ситуация в генерирующей энергетике предъявляет к заводам, производящим энергетическое оборудование, особые требования. Ушло время типовых проектов. При реконструкции отработавшего ресурс оборудования требуется сохранение старых площадок, машзалов, фундаментов, что создает особые условия для проектировщика. Для соответствия требованиям современного рынка необходимо модифицировать технологии проектирования с привлечением современных технологий, в частности, трехмерного твердотельного моделирования, которое для проектирования компоновок паротурбинных установок (ПТУ) является наилучшим решением среди существующих методов компьютерного моделирования.

В докладе представлена разработанная авторами концепция проектирования компоновок ПТУ (см. рис.1), в которой были формализованы требования к процессу проектирования в трехмерном твердотельном моделировании и создана информационная модель процесса. Практическая реализация разработанной концепции показана на примере проектирования компоновки теплофикационной турбины Т‑113/145-12.

2. Концепция проектирования компоновок ПТУ

Концепция проектирования компоновок ПТУ (рис.1) представляет собой синтез двух составляющих – системы проектирования и метода проектирования. Рассмотрим их подробнее.

2.1. Система проектирования

К системе проектирования относятся:

· Технические средства проектирования;

· Расчетная подсистема;

· Проектирующая подсистема;

· Библиотеки.

Технические средства позволяют размещать необходимое программное обеспечение, хранить данные, пользоваться необходимым интерфейсом, дают возможность выводить результаты проектирования в необходимом виде и формате. К техническим средствам относятся персональные компьютеры, серверы, плоттеры, принтеры, сканеры. К техническим средствам проектирования относятся также неспециальное программное обеспечение, включающее в себя системы поддержки расчетов, системы проектирования, системы вывода результатов проектирования. Замыкающим элементом технических средств проектирования является вычислительная сеть. Ее роль может выполнять всемирная сеть Интернет в случае если инженерно – технический персонал находится в различных, географически удаленных, местоположениях.

Расчетная подсистема является одним из двух самых важных элементов системы проектирования, без которых функционирование невозможно. В общей сложности расчетную подсистему можно составить из трех обособленных элементов.

Специальные методики расчета. Сюда входят методики расчета, которые характерны только для узкой части отрасли (к примеру, расчет трехшарнирных систем компенсации тепловых перемещений).

Общие методики расчета. К ним относятся широко распространенные расчеты, которые выполняются не только в данной отрасли, но и в смежных отраслях (например расчет трубопроводов на прочность). В понятие «методика расчета» в данном случае вложена совокупность элементов расчетной подсистемы, таких как автоматизированные расчеты по заранее заданным алгоритмам и формулам, базы для исходных данных расчетов (к примеру адаптированные таблицы состояний воды и пара), инструменты для визуализации и верификации результатов расчетов.

Связь с проектирующей подсистемой. Последним элементом расчетной подсистемы является связь с проектирующей подсистемой. Этот элемент является необходимым для реализации возможности автоматической передачи данных из проектирующей подсистемы в расчетную.

Проектирующая подсистема состоит из нескольких элементов, выполняющих определенные, узко обозначенные функции.

Компоновка оборудования. Здесь проводится компоновка основного оборудования паротурбинной установки, такого как паровая турбина, генератор, конденсатор, подогреватели сетевой воды, теплообменные аппараты регенеративного цикла, насосное оборудование конденсата и масляной системы, масляное оборудование.

Проектирование строительных конструкций. В рамках этого элемента осуществляется проектирование строительных конструкций, таких, как фундамент турбоагрегата, пол конденсационного помещения, пол подвала, площадки обслуживания, конструкции крепления основного крупного оборудования.

Трассировка трубопроводов. Трассировка трубопроводов проводится для всех трубопроводов. В это понятие включены такие действия, как прокладывание трассы прямолинейных участков трубопровода, расстановка отводов, гибов, ответвлений, арматуры, подвесок и опор.

Связь с расчетной подсистемой. Этот элемент является необходимым для реализации возможности автоматической передачи данных из проектирующей подсистемы в расчетную.

Библиотеки. Структурно можно выделить несколько общих позиций. Электронные библиотеки – непосредственно набор данных, содержащий геометрию, параметры, данные спецификаций библиотечных элементов в электронном виде.

рис. 1. Концепция проектирования компоновок ПТУ

Структура библиотек. Структура библиотек является очень важным элементом библиотек, поскольку оптимальная структура определяет правильное распределение ресурсов при обращении к библиотечным элементам.

Библиотека традиционных решений. Сюда относятся решения в проектировании элементов паротурбинной установки, которые применяются длительное время и являются проверенными и отработанными.

Архив проекта. В архиве проекта хранятся данные по выполненным проектам.

2.2. Метод проектирования

Метод проектирования включает в себя особенности концепции проектирования, которые отличают ее от прочих, присутствовавших ранее наборов методик проектирования компоновок паротурбинных установок. К методу проектирования относятся такие особенности, как:

· Адаптивность проектирования;

· Автоматизация ограничений.

· Структура выходных данных.

· Методика проектирования.

· Система качества проектирования.

· Новые возможности проектирования.

Адаптивность проектирования включает в себя два важнейших фактора – гибкость системы проектирования и универсальность метода проектирования. Гибкость системы проектирования позволяет быстро настраиваться под любые нужды инженеров – конструкторов, под современные требования отрасли. Универсальность метода проектирования заключается в таких возможностях метода, которые позволяют проектировать любые теплоэнергетические установки, с любой конфигурацией оборудования, будь то простая паротурбинная установка с одноцилиндровой конденсационной турбиной либо парогазовая установка с когенерационным циклом.

Автоматизация ограничений. Сюда входит автоматизированное наложение ограничений в процессе проектирования. К объектам ограничений относятся: конструкторские ограничения, нормативные ограничения, монтажные ограничения, эксплуатационные ограничения.

Структура выходных данных. Выходные данные, то есть результаты проектирования в рассматриваемом методе проектирования имеют четко выстроенную структуру. Результаты проектирования имеют ассоциативную связь на всех уровнях документации от спецификации проекта до спецификации деталей сборочных узлов. Кроме того, результаты проектирования выводятся в новых, современных форматах данных, которые позволяют быстрее оперировать данными, занимают меньше места при хранении и обладают еще рядом преимуществ. Новая структура выходных данных позволяет выбрать формат их представления как внутри предприятия, так и сторонним организациям: от представления на бумажном носителе или в электронном виде, не допускающем их модификацию, до 3D-модели с сохранением всех ассоциативных и параметрических связей.

Методика проектирования. Непосредственно методика проектирования включает в себя рекомендации для освоения концепции – эти рекомендации позволяют безболезненно переходить от ныне используемых методов проектирования компоновок ПТУ к новой концепции; рекомендации для инженерной практики – здесь содержатся инструкции по пользованию системой проектирования; методика коллективного проектирования – поскольку описываемый метод проектирования использует единое информационное пространство и требуется особая методика работы в едином пространстве.

Новые возможности проектирования. Концепция проектирования предусматривает технические возможности для инновационной деятельности в области проектирования компоновок ПТУ. Кроме того, поскольку использованы информационные технологии, имеются широкие возможности для масштабирования системы как в сторону увеличения количества входящих узлов, так и в сторону усложнения проектируемых объектов.

3. Описание объекта проектирования

Одним из примеров применения на практике разработанной концепции явился проект компоновки новой теплофикационной паровой турбины, выполненный в отделе паровых турбинных и специальных теплоэнергетических установок СКБт ЗАО «УТЗ».

Паровая турбина Т-113/145-12, предназначенная для парогазовой установки мощностью 410 МВт (ПГУ-410), представляет собой трехцилиндровый одновальный агрегат, сопряженный с генератором ТВФ‑160 с воздушным охлаждением. С точки зрения компоновки данная ПТУ имеет ряд особенностей. С одной стороны – отсутствует система регенерации – нет подогревателей низкого и высокого давления и соответствующих трубопроводов, нет сливных насосов. С другой стороны, имеются крупногабаритное оборудование, которое необходимо разместить в ячейке турбоагрегата: конденсаторная группа (состоит из двух крупных блоков), горизонтальные и вертикальные сетевые подогреватели (ПСГ и ПСВ).

4. Формирование структуры компоновки

Для размещения всего оборудования и строительных конструкций используется три базовых плоскости: вертикальная плоскость, проходящая через ось паротурбинного агрегата, вертикальная плоскость, проходящая через ось симметрии выхлопного патрубка цилиндра низкого давления (ЦНД), горизонтальная плоскость на отметке 0,00 м.

Первым элементом, размещаемым в компоновке, является модель фундамента турбоагрегата, которая на момент начала компоновки является предварительной. Кроме того, положение этой модели в компоновке ПТУ является полностью зафиксированным. Вторым зафиксированным элементом компоновки является модель конденсаторной группы, устанавливаемая внутри фундамента (см. рис. 2).

Следующими элементами, определяющими габариты компоновки ПТУ, являются паровая турбина и генератор. Генератор

рис. 2. Компоновка турбины, генератора и конденсаторной рис. 3. Компоновка ПСГ-1 и ПСГ-2 под

группы на фундаменте фундаментом турбины

определяет продольный габарит, который ограничивается местом, требуемым для выема ротора генератора. Габарит по высоте определяется по высоте снятия обшивки ЦНД (см. рис.2).

Положение конденсатора по высоте зависит от расположения выхлопного патрубка турбины.

Сетевые подогреватели в данном проекте располагаются под фундаментом турбоагрегата (рис. 3). ПСГ-1 располагается под передними продольными ригелями фундамента, под цилиндром высокого давления (ЦВД) турбоагрегата. Такое расположение связано с тем, что патрубки отбора на ПСГ-1 у турбины находятся слева от конденсатора, если смотреть со стороны поворотных водяных камер на конденсатор. ПСГ‑2 располагается под задними продольными ригелями фундамента, под генератором. Сетевые подогреватели развернуты входными водяными камерами туда же, куда развернут конденсатор.

Блоки стопорно-регулирующих клапанов высокого и низкого давления размещаются перед передним подшипником турбин таким образом, чтобы патрубки подвода и отвода пара находились под, а сервомоторы над оперативной площадкой обслуживания. Остальное оборудование размещалось по опыту прошлых проектов (рис.4).

5. Разработка модели строительных конструкций

Для начала в сборку компоновки паротурбинной установки вставлены модели основных площадок обслуживания и модель пола машзала. На начальном этапе контуры площадок выполнены условно, лишь примерно отражая будущую геометрию площадок.

Следующим важным элементом строительных конструкций является модель стоек площадок обслуживания. Традиционно стойки имеют шаг 3 м, как в продольном, так и в поперечном направлении. Однако вблизи фундамента или отдельного оборудования шаг может изменяться. Стойки необходимо разместить таким образом, чтобы впоследствии они не входили в коллизию с трубопроводами и оборудованием.

После предварительного размещения стоек площадок обслуживания были выполнены модели проемов в площадках обслуживания для выема оборудования, которые впоследствии будут покрыты съемным рифленым настилом (см. рис. 5). На этом этапе особенно важно такое свойство трехмерной модели компоновки, как ассоциативность. Ассоциативные связи между проемами в площадках обслуживания и оборудованием, для которого они и выполняются, обеспечивают автоматическое обновление положения проемов.

Следующими элементами строительных конструкций являются балки, лестницы и ограждения, однако проектирование этих строительных конструкций в модели компоновки выполняется после построения трубопроводов. На данном этапе выполнялось лишь предварительное размещение лестничных маршей в ячейке турбоустановки и балок по краям площадок обслуживания.

Уже после предварительного размещения стоек и лестниц выявляются коллизии с оборудованием, либо его недопустимое расположение по отношению к строительным конструкциям. Таким образом, в данном проекте было выявлено неверное расположение конденсатных насосов. В процессе проектирования выяснилось, что насосы находятся вне габарита площадок обслуживания и над насосами отсутствуют балки для крепления трубопроводов. В результате насосы были перенесены в промежуток между двумя рядами стоек, но при этом возникли определенные ограничения по извлечению насосов из ячейки турбоагрегата.

Фундаментальный критерий разработанной системы проектирования состоит в том, что центральным, основным объектом проектирования компоновки ПТУ и общим источником информации для всех режимов является 3D-модель: все связанные представления ссылаются непосредственно на общую модель проекта. Степень подробности описания модели компоновки ПТУ различна для разных целей: для анализа прочности – одна, а для создания проектной документации и генерации рабочих чертежей и спецификаций - другая. Поскольку необходимые для различных задач идеализированные модели создаются из единой 3D-модели, эти процессы проходят с применением эффективных преобразований с минимальным участием пользователя. Только с появлением такой модели стало возможным получать производные документы, осуществлять контроль пересечений и нарушения предельных расстояний.

Ассоциативные связи между трехмерными моделями компоновки турбоустановки и чертежа используются в первую очередь для поддержания чертежной документации в актуальном состоянии. Ассоциативная связь модели и чертежей избавляет от двух проблем проектирования компоновок паротурбинных установок:

1) потери данных при переносе новых решений в документ;

2) ошибки, связанные с ручным проектированием.

6. Разработка моделей трубопроводов

После предварительной компоновки оборудования и строительных конструкций начинается этап проработки трубопроводов большого диаметра, в первую очередь это трубопроводы подвода и отвода охлаждающей воды к конденсаторам и сетевой воды к сетевым подогревателям (рис. 6). Хотя эти трубопроводы не входят в границу рабочего проектирования компоновки, было необходимо предусмотреть их трассировку для размещения остальных элементов в этой области.

По результатам предварительной трассировки возникла необходимость изменить расположение сетевых подогревателей №1 и №2, кроме того, необходимо было изменить расположение стоек площадок обслуживания для того, чтобы обеспечить выем трубок ПСГ при их ремонте. Возникновение итераций в процессе проектирования компоновок ПТУ неизбежно.

При разработке концепции проектирования компоновок ПТУ в результате исследования функциональной модели процесса были выявлены итерации, которые влияют на время проектирования. Необходимость внесения изменений в документы может быть связанна с ошибками на раннем этапе разработки, с изменениями в конструкции оборудования, с изменениями в решениях генерального проектировщика. Другие изменения могут быть связаны с изменением типов и количества арматуры, с введением дренажей, опорожнений и продувок на этапе рабочего проектирования трубопроводов, которые невозможно предусмотреть на этапе разработки схемы турбоустановки.

Разработанная авторами концепция проектирования позволила уменьшить число таких итераций, либо свести к минимуму их влияние на сроки проектирования.

Следующими проектируемыми трубопроводами являлись трубопроводы подвода пара. Поскольку проектируемая турбина предназначена для работы в составе трехконтурной ПГУ, количество линий подвода пара значительно возрастает по сравнению с традиционной турбиной такой же мощности, а необходимость выполнения условий на компенсацию температурных расширений и дренирования приводят к появлению сложных пространственных конфигураций проектируемых трубопроводов (см. рис.7).

Подвод пара к блоку стопорно-регулирующих клапанов спроектирован для труб из хромомолибденованадиевых сталей из-за высоких параметров свежего пара (свыше 500˚С) .

При разработке системы проектирования компоновок ПТУ была создана библиотека элементов, состоящая из шести разделов:

· типоразмеры труб,

· арматура,

· элементы трубопроводов,

· элементы крепежа,

· покупные изделия,

· крупные уникальные узлы и агрегаты.

Библиотечный элемент с точки зрения информационных технологий является набором данных, содержащих информацию о геометрии элемента, его семантическом описании, массовых и физических свойствах. Большинство элементов имеет в своем составе ряд типоразмеров, подчиняющихся одним законам подобия. Анализ библиотечных элементов, представленных в компоновке паротурбинной установки, показал, что они наилучшим образом подчиняются описанию через таблицы семейств. Таблица семейства библиотечного элемента состоит из родового экземпляра, который несет в себе основные данные

о геометрии объекта, и набора необходимых параметров: обозначение, наименование, масса, материал элемента. Кроме того, определяются параметры, по которым возможна идентификация типа законцовки элемента (приварной встык, фланцевый, с ответными фланцами). Для каждого элемента необходимо описание его параметров, связанных с расстановкой элемента на трассе трубопровода (на линии, в конечной точке, на углу и т.д.), а также параметры, отвечающие за типоразмер трубы, на который устанавливается данный фитинг.

Задача автоматизации использования традиционных решений является неотъемлемой частью метода проектирования, основанного на накопленном опыте и в то же время использующего современные информационные технологии. Эта задача была реализована посредством программных ограничений, накладываемых на процесс проектирования. При выборе пользователем применяемых стандартных изделий (отводов, тройников, других фасонных изделий, арматуры) система по умолчанию предлагает наиболее часто используемые изделия.

В условиях ограниченного пространства между элементами фундамента, ПСГ и другими трубопроводами необходимо проложить трассу трубопровода с учетом возможности достаточной самокомпенсации и правильного дренирования.

Для выполнения этой задачи хорошо подходят функциональные возможности разработанной системы к выполнению многовариантных работ. Кроме того, что возможно быстрое проектирование нескольких вариантов трассы трубопровода, каждый вариант можно сразу экспортировать в расчетную подсистему. Таким образом, возможно быстрое получение множества решений, из которых можно выбрать наиболее подходящее. При этом, разумеется, что ассоциативно связанные объекты (чертежи, спецификации и др.) изменятся автоматически. Благодаря этому в несколько раз возросла скорость проработки принципиальных решений и повысилось качество проектирования.

1. Вывод. Итоги работы

Усовершенствованная методика проектирования компоновок паротурбинных установок, представляющая собой реализацию разработанной концепции проектирования успешно прошла апробацию в проектном подразделении ЗАО «УТЗ» и в настоящее время является базовой технологией выполнения работ по проектированию компоновок. По оценкам специалистов производительность труда в этом подразделении возросла в 2…3 раза. В течение года по этой технологии были полностью выполнены три проекта (теплофикационные турбины Т-113 и Т-50, турбина с теплофикационным и производственным отбором ПТ-30), и в настоящее время идет работа над четвертым проектом – конденсационной турбиной К‑110.