Технология проектирования оборудования ПТУ сприменением современных информационных технологий

В.И. Брезгин,

доц., к.т.н., с.н.с.,vibr@list.ru,

УрФУ, г. Екатеринбург

На этапе проектирования оборудования паротурбинных установок (ПТУ) определяются основные технические характеристики, технологичность изготовления, удобство эксплуатации и ремонтаПТУ тепловых электрических станций (ТЭС). Одним из методов повышения эффективности проектируемого оборудования является широкое применение современных информационных технологий. В жизненном цикле (ЖЦ) ПТУ, нормативная продолжительность которого составляет 40–50 лет, принимают участие различные предприятия, основными из которых в общем случае являются маркетинговое предприятие, турбинный завод, монтажная организация, предприятие по испытанию и наладке оборудования, электрическая станция, ремонтное предприятие. Организация взаимодействия предприятий без использования современных информационных технологий увеличивает количество необходимых согласований в разы по сравнению с поддержкой ЖЦ оборудования современными информационными технологиями.

Технология проектирования ПТУ на турбинных заводах в России лишь незначительно изменилась с середины прошлого века. Появившиеся в конструкторских бюро (КБ) компьютеры за редким исключением используются как «электронный кульман», на котором конструктор выполняет двумерные чертежи так же, как и в 50-е годы прошлого столетия. Различие лишь в используемом средстве – на смену кульману, бумаге и карандашу пришли монитор, принтер и мышь. Технология же проектирования осталась практически неизменной.

Для совершенствования технологии проектирования наукоемкой продукции, к числу которой относятся и ПТУ, автором была предложена концептуальная модель информационной поддержки жизненного цикла изделий [1,2], первая декомпозиция которой, выполненная в методологии функционального моделирования, представлена на рис. 1.

В качестве основных работ (функций) приняты три подмножества функций:

а) подмножество {f_С}: представление данных об оборудовании ПТУ в электронном виде. В качестве данных рассматриваются информационные объекты (ИО), которые порождаются на всех этапах ЖЦ оборудования ПТУ: от маркетинговых исследований до утилизации турбин и оборудования. В наименовании этого подмножества отражена основная характеристика ИО – электронная форма представления.

б) подмножество {f_О}: интеграция данных об оборудовании ПТУ. Основным содержанием этого подмножества функций является обеспечение возможности обмена ИО, полученными на всех этапах ЖЦ оборудования ПТУ, в состав которых входят: выбор и согласование протоколов связи между предприятиями-участниками ЖЦ оборудования ПТУ; выбор и согласование единой технологии взаимодействия прикладных компонентов; создание единой модели данных и создание в этих условиях виртуального предприятия, которое обеспечит объединение затрат, навыков и доступ на глобальные рынки всех участников.

в) подмножество {f_Р}: реинжиниринг бизнес-процессов ЖЦ оборудования ПТУ. В это подмножество входят рутинные функции управления (см. выше), а в наименовании отражено важнейшее свойство – необходимость обеспечения возможности реинжиниринга бизнес-процессов. В результате реинжиниринга изменяется структура бизнес-процессов ЖЦ оборудования ПТУ на всех этапах, что отражается в наличии обратной связи по управлению. Обратная связь является проявлением наличия пересечения множеств {f_Р} и {f_С}.

рис. 1 Концептуальная модель системы информационной поддержки жизненного цикла наукоемкой продукции. Первая декомпозиция

Важность функции реинжиниринга бизнес-процессов в совершенствовании проектирования оборудования ПТУ и опыт, накопленный автором при решении задач автоматизации на различных предприятиях энергетики и машиностроения, привели к разработке методологии или стратегии выполнения таких работ [3]. Основным принципом является опора на технологии информационной поддержки оборудования ПТУ на различных этапах его ЖЦ в сочетании с проведением необходимых теоретических и прикладных исследований. При разработке систем информационной поддержки оборудования ПТУ выделено пять основных этапов. Перечень основных работ на каждом этапе приведен в блоках под названиями этапов (см. рис. 2).

рис. 2 Стратегия выполнения работ при совершенствовании проектирования оборудования ПТУ

Если задачи первого этапа и часть задач второго этапа являются инвариантными к рассматриваемому элементу ПТУ и этапу его ЖЦ, то, начиная с задачи 2.4 (Разработка функциональной модели "Tobe"("Как будет")) применен контекстный подход. Функциональная модель "Как будет" представляет собой модель идеальной организации бизнес-процессов с учетом выбранной целевой функцией. Моделей "Как будет", ассоциативно связанных с целевой функцией, может быть построено несколько, среди которых определяется лучший вариант. Отражением этого факта является изменение графического изображения работы. Все последующие работы (см. рис.1, этапы 2 и 3) изображены в виде трех наложенных друг на друга прямоугольников.

Одним из важнейших этапов анализа является выбор цели реорганизации бизнес-процессов подразделения. В зависимости от ситуации, целью производимых изменений в подразделении может быть сокращение времени, затрачиваемого на бизнес-процессы, снижение их стоимости, повышение качества или какие-то другие, характерные для этого подразделения, цели.

Следующим этапом анализа является построение критического пути с учетом целевой функции. Для этого необходимо выполнить ранжирование всех работ на функциональной модели в соответствии с выбранной целью. После определения критических работ выполняется разработка функциональной модели "Как будет". "Разработка функциональной модели "To Be" является завершающей задачей анализа, как структурной части системного анализа. Задачи синтеза представлены в настоящем исследовании как "Теоретические и прикладные исследования". Необходимость в проведении дополнительных теоретических и прикладных исследований возникает из-за того, что полностью математически формализованное описание объектов при проектировании и эксплуатации оборудования ПТУ невозможно в силу недостаточной изученности многих явлений и процессов. Как и модель "To Be", содержание работ этого этапа имеет контекстную связь с целью реинжиниринга и с объектом исследования.

Примерами практической реализации разработанной стратегии являются: совершенствование методов проектирования подогревателей сетевой воды теплофикационных ПТУ [3–5, 7]; разработка системы проектирования маслоохладителей паровых турбин [2, 3, 6, 7]; совершенствование системы проектирования компоновок ПТУ [2, 3, 7, 8].

При разработке системы параметрического проектирования сетевых подогревателей ПТУ в рамках прикладных исследований (см. п. 2.5 на рис. 2) выполнялись экспериментальные исследования аэродинамического возбуждения вибрации трубных пучков сетевых подогревателей, натурные испытания сетевых подогревателей в условиях эксплуатации, экспериментальные исследования частот собственных колебаний и логарифмических декрементов трубок пучков сетевых подогревателей. Экспериментальные исследования проводились как для пучков гладких трубок, так и для пучков, выполненных из профильных витых трубок, применяемых в энергетике с целью повышения эффективности теплообмена. В исследованиях было установлено, что амплитуда колебаний профильных витых труб при поперечном обтекании меньше, чем гладких (в среднем на 30%), что связано с особенностями аэродинамики ПВТ. Использование при проектировании подогревателей сетевой воды ПВТ повышает вибрационную надежность проектируемого оборудования. Впервые были получены значения коэффициентов нестационарных аэродинамических сил для пучков профильных витых трубок. Для практических расчетов на вибрацию теплообменных аппаратов с ПВТ рекомендованы значения: Уточнена методика вибрационного расчета пучков трубок энергетических теплообменных аппаратов. Показано, что расхождение опытных и расчетных (по уточненной методике) данных составляет до 5% для гладкотрубных пучков и до 10% для пучков из ПВТ.В результате проведенных исследований натурных теплообменных аппаратов показано, что логарифмический декремент нелинейно зависит от амплитуды колебаний трубок. Для вибрационных расчетов теплообменных аппаратов рекомендуется использовать зависимость вида .

Усовершенствованная методика вибрационных расчетов и разработанная технология автоматизированного проектирования сетевых подогревателей легли в основу системы параметрического проектирования сетевых подогревателей. На рис. 3 в качестве примера совершенствования проектирования сетевых подогревателей приведена трехмерная твердотельная модель подогревателя сетевой воды ПСГ-1250 ПТУ с турбиной ПТ‑135/165-130/15.

рис. 3 Твердотельная модель подогревателя сетевой воды ПСГ-1250 ПТУ с турбиной ПТ‑135/165-130/15

При разработке системы проектирования маслоохладителей паровых турбинв рамках прикладных исследований (см. п. 2.5 на рис. 2) была поставлена серия численных экспериментов по исследованию гидродинамики жидкости в масляном пространстве маслоохладителей паровых турбин.В эксперименте использовались Realizable K-Epsilon модель турбулентности, разделенный решатель уравнений Навье – Стокса и двухслойная модель турбулентного пограничного слоя. Численное решение основывалось на конечно-элементной сетке, содержащей от 3,8 до 5,7 млн. элементов в зависимости от размеров зазора. В модели более 70 % всех конечных элементов приходилось на исследуемый узел. В численном эксперименте значение ΔP_м изменялось в диапазоне 400–3900 Па, что соответствует перепадам давлений на перегородках современных серийных маслоохладителей ПТУ. Температура масла изменялась в пределах 45–55 °С. В качестве рабочего тела исследовались турбинные масла марок: Т-22, Тп-22, Т-30, Т-46, ОМТИ.

При проведении комплекса численных экспериментов по моделированию гидродинамических процессов при поперечном обтекании маслом пучков трубок различных профилейпредложен новый геометрический параметр, характеризующий протечки масла – КАЛИБР ЗАЗОРА для пучков из гладких (K_гл) и ПВТ (K_пвт). Получены обобщенные зависимости для определения коэффициентов гидравлического сопротивления в технологических зазорах трубных пучков маслоохладителей паровых турбин. Уточнена и верифицирована опытными данными промышленных и стендовых испытаний методика позонного теплогидравлического расчета маслоохладителей. Максимальное относительное отклонение опытных и расчетных данных по гидравлическому сопротивлению с масляной стороны не превышает 3,5 %, а по температуре масла на выходе из аппарата – 0,3 °С.

Методология проектирования маслоохладителей ПТУ основана на: объединении проектирующей подсистемы с широким использованием таблиц семейств и шаблонов и расчетной подсистемы, включающей в себя уточненную методику позонного теплогидравлического расчета маслоохладителей паровых турбин. Она позволяет сократить сроки проектирования в несколько раз, обеспечить высокие показатели оборудования по экономичности, надежности и безопасности эксплуатации. На рис. 4 в качестве примера приведена твердотельная модель маслоохладителя, спроектированная в разработанной САПР маслоохладителей.

рис. 4 Твердотельная модель маслоохладителя МБ-63М турбины К-210-130

Совершенствование системы проектирования компоновок ПТУ выполнялось по двум направлениям. Первое – реинжиниринг бизнес-процессов с целью сокращения числа итераций, которые на функциональной модели бизнес-процессов проявляются в виде обратных связей. Второе – разработка модели данных оборудования ПТУ и создание на ее основе библиотеки твердотельных моделей оборудования. Обе поставленные задачи были успешно решены и в настоящее время в условиях разработанной САПР компоновок ПТУ спроектированы 14 паротурбинных установок, а 4 из них, а именно: Василеостровская ТЭЦ (на базе турбины Т-50/60-8,8); Тобольская ТЭЦ (К-110-1,6); Краснодарская ТЭЦ (Т-113/145-12,4); Улан-Удинская ТЭЦ-1 (Тп-100/110-90)уже изготовлены, смонтированы, запущены в работу и находятся в эксплуатации. Производительность труда КБ, занимающимся проектированием компоновок ПТУ, выросла в 3,5 раза, а количество рекламаций по поводу качества проектирования сократилось в десятки раз. На рис. 5 в качестве примера приведена 3D-модель компоновки ПТУ на базе Т-113/145-12,4.

рис. 5 Фрагмент компоновки ПТУ на базе Т-113/145-12,4

Применение технологий 3D-моделирования при проектировании оборудования ПТУ не только сокращает сроки проектирования, но и снижает количество ошибок в конструкторской документации. Математическое моделирование с последующей компьютерной реализацией позволяет оптимизировать конструктивные решения, рабочие режимы и технико-экономические показатели эксплуатации ПТУ на основе многовариантных расчетов, составляющих сущность компьютерного эксперимента, ускоряющего и удешевляющего процесс создания нового конкурентоспособного оборудования. Организовать взаимодействие между участниками ЖЦ оборудования ПТУ позволяет применение PLM-решений. Переход на современные технологии проектирования ПТУ обеспечивает повышение его конкурентоспособности за счет своевременного выявления и адекватного реагирования производителя на выявляемые проблемы в эксплуатации оборудования.Требования повышения качества оборудования и его конкурентоспособности обуславливают необходимость объединения информационных технологий в интегрированные системы, обеспечивающие сквозную поддержку оборудования ПТУ на всех этапах его ЖЦ.

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. C. 2…5.

2. Брезгин В.И. Комплексная система информационной поддержки и совершенствования методов проектирования паротурбинных установок Уральского турбинного завода / В.И.Брезгин, Ю.М.Бродов, Д.В.Брезгин [и др.] // Тяжелое машиностроение. № 1. 2010 г. С.8…11.

3. Брезгин В.И. Совершенствование системы проектирования оборудования паротурбинных установок с применением современных информационных технологий / В.И.Брезгин, Ю.М.Бродов, Д.В.Брезгин// Тяжелое машиностроение. № 2. 2012 г. С.7…14.

4. Применение концепции CALS на примере теплофикационной паротурбинной установки / Брезгин В.И., Бродов Ю.М., Кортенко В.В. и др.// Тяжелое машиностроение. 2002. № 2. С. 29…31.

5. Исследование концептуальной модели информационной поддержки жизненного цикла элементов турбин и турбинного оборудования на этапе проектирования / Брезгин В.И., Бродов Ю.М., Брезгин Д.В. // Тяжелое машиностроение. № 3. 2008. C. 9…11.

6. Брезгин В.И. Опыт разработки модернизированных маслоохладителей системы маслоснабжения турбин мощностью 800 МВт / К.Э.Аронсон [и др.] // Теплоэнергетика. 2009. №8. С. 13…19.

7. Брезгин В.И. Совершенствование методов непрерывной информационной поддержки жизненного цикла паровых турбин и турбинного оборудования на этапе проектирования / В.И.Брезгин, Ю.М.Бродов, Д.В.Брезгин // Информационные технологии в проектировании и производстве" № 1, 2010 г. С.57…64.

8. Брезгин В.И. Автоматизированное проектирование компоновок паротурбинных установок / Т.Л.Шибаев, А.А.Гольдберг, В.И.Брезгин // Теплоэнергетика. 2008. № 8. С. 59…64.