蒸汽喷射抽气装置智能设计_董晨.pdf

2023 年 第 2 期 化学工程与装备 2023 年 2 月 Chemical Engineering&Equipment 191 蒸汽喷射抽气装置智能设计 蒸汽喷射抽气装置智能设计 董 晨1，王文霞2（1杭州汽轮辅机有限公司；2杭州汽轮机股份有限公司，浙江 杭州 310022）摘 要：摘 要：用智能设计的思维，对蒸汽喷射抽气装置做了完整的技术定义和产品结构规划，诠释了从性能设计到结构设计应对客户定制的基本策略。通过智能设计系统的建立，使得蒸汽喷射抽气装置的产品常规设计场景发生了根本的转变，除了产品设计周期的大幅压缩，设计质量的提高，还解决了定制产品结构数据的冗余。关键词：关键词：蒸汽喷射抽气装置；性能定制；技术定义；结构策划；结构数字化；智能设计 引 言 引 言 传统的过程设备制造厂家面对工程项目的装置定制化需求，往往徘徊于非标化与标准化的两难选择中。使用传统CAD 技术为数值计算和图形处理工具，重复常规产品设计造成的数据冗余不但给产品全生命周期管理造成额外的负担，也在制造管理、成本控制等方面制约提升企业的综合竞争能力。随着智能设计在过程设备交付中的深化应用，使得制造商在应对客户个性化需求时对产品的技术应用有了全新的认识，在应对客户多样性的专业需求时显得更加从容。1 蒸汽喷射抽气装置的功能及构成 1 蒸汽喷射抽气装置的功能及构成 蒸汽喷射抽气装置（以下简称抽气装置）是汽轮机凝汽系统中建立和维持系统真空的过程设备，它使用蒸汽为动力，用喷射引流技术抽出系统中的不凝结气体，消耗的蒸汽及抽出的气、汽混合物排入喷射器的后置冷却器中冷凝成水，再经过疏水送回凝汽系统中。一般由 1 个用于汽轮机开车时建立真空的起动喷射器（辅抽）和 2 个两级喷射器（主抽，1 套运行 1 套备用）以及 1 套或 2 套中后冷却器构成。后冷却器用于冷却两级喷射器（主抽）排出的蒸汽。同时，连接喷射器、中后冷却器的管路、阀门及就地压力表、温度计共同构成抽气装置。抽气装置广泛地应用于流程工业各种装置的汽轮机的凝汽系统中。2 抽气装置定制化需求分析 2 抽气装置定制化需求分析 工业拖动领域装置的共用工程条件和汽轮机的排汽参数因装置的要求不同几乎都不相同，加上客户对配置的要求差异，使得抽气装置设计变得较为复杂和多变。通过分析可以发现，装置的性能定制要求导致产品配置和结构上的差异。通过常规范围的设计条件的比对计算可以发现，通过配置性能适当冗余的标准的喷射器和中后冷却器仍然可以满足装置性能的特殊要求。产品的标准结构从装置性能需求出发，用制造商的专业技术和积累的经验重新定义产品，包括但不限于抽气装置配置，性能参数范围的策划，零、部件的结构尺寸的系列规划等数据的组织。标准化的产品结构也是应对客户运行维护灵活性的有力措施。因此，产品性能定制，产品结构标准化是供求双方共同的选择。3 抽气装置设计解析和产品定义 3 抽气装置设计解析和产品定义 3.1 抽气装置智能设计系统的功能目标 抽气装置智能设计系统的设计过程是一个标准部套、零件的选型设计过程。通过热力计算直接选取合适的喷射器和中后冷却器组合，并根据选型结果计算和确认抽气装置的综合性能。同时，针对选定的喷射器和中后冷却器，通过配置相应的管道、阀门、仪表和其他附件完成产品的结构设计，包括生成所有部件的构成表。能设计系统设计出的抽气装置的外形尺寸是唯一的，所有智能设计系统使用者得到的结果是一致的。只要能正确输入设计条件，系统都会给出一致的设计结果。输入设计条件的智能设计系统使用者不再限于制造方自己的产品工程师，还可以是任何具备产品设计条件识别的人员，包括但不限于制造方销售、项目设计工程师；买方技术代表、采购；工程设计方采购、项目工程师或者装置运营方采购、技术代表等。使得产品设计的场景发生根本转变。3.2 抽气装置的技术定义 抽气装置的技术定义包括满足常规需要的配置和性能的参数范围，需要明确范围内的产品配置分类、零部件的尺寸系列规划。并为此组织零部件的产品特征数据，建立适宜产品设计推理机制的设计应用系统，最终实现抽气装置常规产品的智能设计。3.2.1 抽气装置的配置 常规的抽气装置的配置分为1个单元的中后冷却器和2个单元的中后冷却器两种，喷射器都是 1 个起动喷射器和 2个两级喷射器。以及根据中后冷却器配置单元数不同略有差异的管路、阀门等的选项。如图 3 所示。起动喷射器排汽口配置消音器。使用 1 个单元的中后冷却器，一级喷射器后使用隔断阀，阀门前配置安全阀。使用 2 个单元的中后冷却器的配置略有不同。这些差异都可以作为设计的选项满足项目DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.02.087192 董 晨：蒸汽喷射抽气装置智能设计 的需要。图 1 配置 1 套中后冷却器的抽气装置 图 1 配置 1 套中后冷却器的抽气装置 3.2.2 性能设计条件的参数范围 抽气装置热力计算的参数范围应该考虑动力蒸汽、汽轮机排气量和凝汽器的冷凝压力，范围如下。参数名称 范围 单位 动力蒸汽 3.540 Bar a 汽轮机排量 2000 t/h 凝汽器冷凝压力 0.070.25 Bar a 3.3 产品零部件的结构规划 3.3.1 喷射器的结构规划 喷射器由喷嘴、扩压管和混合式组成。喷嘴和扩压器的喉径，可以根据参数范围的要求规划出按等差数列安排的尺寸规格。通过不同的喷嘴和扩压器的组合构成所需的喷射器，通过不同的喷射器的组合构成所需的两级喷射器组，以满足系统起动和运行的抽吸能力的需要。经过策划的结构可以大大压缩核心零部件的规格数量，将以往无序的上千数量级的喷嘴喉径档数压缩至 40 档以内型号不超过 200；将以往无序的数百数量级的扩压管喉径档数压缩至 40 档以内，并能充分覆盖参数范围内的所需性能要求。3.3.2 中后冷却器的结构规划 同样经过结构规划，中后冷却器为了提供更有效的换热能力规划出了更丰富的面积系列组合，每档组合都有多种管程结构。但在不同规格的系列所使用的零部件上做到通用性的最大化。这样在满足性能需要的多样性的同时，没有造成零部件种类的明显增加。产品系列的扩充也会很方便。3.4 结构数据的组织和引用 设计推理机制常用的操作模式就是特征的识别，是人工智能应用的基本方式。传统的零部件数据一般只是物号、名称、资料号、材料、重量等材料明细及工艺等数据，更多产品的结构信息使用图纸文件描述。智能设计系统则更多地处理产品的数据，是对产品进行数字表达的过程，产品图纸成了产品智能设计数字化表达的背景。抽气装置的零部件结构规划好之后，要建立和组织相关的引用的特征数据。零件的特征数据通过智能设计的识别和提取生成上一级的部件和特征数据，直到递归完成产品的总成设计，是一个自下而上的产品数据的引用过程。每个零件、部件都有结构的特征数据，总成的抽气装置还有性能数据，并能提取接口数据和总体的结构尺寸数据。3.4.1 部件构成表的生成 根据智能设计系统设计推理机制的要求，零件、部件的特征数据的组织考虑设计推理搭建产品的引用需要，比如通过热力计算确定起动喷射器的编号（H11D18）。智能设计系统的 BOM 引用喷嘴的编号（H11）获得喷嘴定位组件的尺寸，再通过扩压器的编号（18）获得混合室的编号，推导出喷嘴定位组件的标准号，并在起动喷射器部件中引用生成的物号，构建出起动喷射器部件包含相关喷嘴、扩压器和喷嘴定位组件，并生成该部件对应的物号及特征属性的数据，包括但不限于物号、名称、以及对应蒸汽入口、排汽口和吸入口尺寸的特征数据等。这些数据用于起动喷射器总成、上级部件抽气装置或同级其他部件设计时引用，比如进汽总管设计时用起动喷射器总成的进汽口径配置进汽总管管径；起动喷射器总成部套内管路的阀门，、法兰对、消音器的尺寸等等。零件、部件的特征数据根据设计规则的需要安排，这需要做全面的统筹规划。对通用的标准件和零件，特征数据的策划要易于识别和规范，方便各类产品的设计使用。对于不需要推导内部构建的部套，比如定型的中后冷却器，仍然要安排被引用的数据，比如各个功能接管的管口尺寸，用于三维建模数据交换的结构数据和安装尺寸等的提取。同时，产品详细描述的内部数据也应该组织好，便于制造文件的使用。通过零件和部件汇总成部件的构成表，同时也汇总了这个部件的结构数据。经过由下到上的结构搭建，建成产品完整的部件构成。抽气装置按结构定义了固定的 13 个部件，每个部件及部件下属的部件和零件都有特征数据属性，携带了结构描述的数据。3.4.2 结构的数字化描述 抽气装置部件构成表生成后，所有的产品的相关的结构数据都已经组织完成。可以提取出该设计方案的结构数据驱动抽气装置参数化三维模型的更新。最终获得跟部件构成描述一致的抽气装置的三维模型并生成二维的外形图。用于制造的生产用图基于结构数据的数字化表达的图例描述。抽气装置的总成方案通过数据提取用三维建模除了印证设计方案的合理性外，也是项目设计需要提供数字化交付文件的需要。制造使用的零部件设计不建议用三维驱动生成二维图，也应该尽量减低二维 CAD 绘图软件的使用。智能设计系统直接用图例为说明背景，用数字表达产品的结构尺 董 晨：蒸汽喷射抽气装置智能设计 193 寸。4 智能设计系统的建立 4 智能设计系统的建立 抽气装置的产品定义、产品结构和结构模块化数据的组织和引用策划，是智能设计系统建立的前提。智能设计系统应该有多场景的技术应用、多层次的数据引用、嵌入式透明的技术服务功能，使智能设计系统能够不断迭代和成长的技术应用。4.1 多场景的技术应用 传统的产品设计一般是单向的，按设计条件计算、结构设计（绘图）。设计的结果基于性能计算的结构圆整，并参考类似产品的结构。设计往往由制造方的专业产品工程师完成。产品的性能校核来源于现场运行的结果反馈，很难得到准确的反馈。设计的准确性较难印证，运行结果的预见性滞后。给予客户技术支持的有效性较低。智能的设计系统使用标准的产品结构，并提交满足性能需要的技术方案，能给各个项目相关方提供专业的产品技术支持。如为配套的汽轮机提供多工况的性能参考。通过必要设计条件的输入得到专业的产品技术方案或通过确定的技术方案得到产品的运行性能参数等。4.2 多层次的数据引用 智能设计系统完成的设计技术方案不但要给己方的设计文件提交各种交换数据，还能提交生产准备所需的所有材料或工艺数据及现场服务的工程技术文件。更能够为外部的项目合作方提供项目设计的关联数据支持，包括数字化交付的关联文件、主机厂的多工况性能校核以及运营方的装置运行模拟等。4.3 嵌入式透明的技术服务 智能设计系统基于满足装置性能需求的产品结构设计，应该基于相同的技术平台为合作方开放技术接口或提供技术模块，使得产品的技术方案能更符合相关方的需求，尤其是性能刚度较大的静设备，有时设计余量的增加反而制约设备的运行能力。通过客户的技术输入数据的采集可以总结出相关的产品设计经验，以便今后为客户提交更贴切的技术方案。让智能设计系统具有吸收设计经验的能力。4.4 技术迭代 智能设计带来设计模式的变化，需要专业厂家寻求算法的技术支持，抽气装置选型后的性能校核计算就是很好的例子。这个算法的变化，不但给自己的智能设计提供了支撑，也能为客户运营分析提供技术服务。同时，结构设计、算法、运行参数的沟通，有利于专业厂家积累技术经验，判断设计条件、安全余量和运行差异的关系。方便项目合作相关方确定最适合的设计条件并得到满意的产品和服务。5 结 语 5 结 语 通过对抽气装置的产品重新定义，智能设计系统带来了设计场景的深刻变化，彻底改变了传统设计的不足。在制造商提高产品设计能力的同时，也为项目合作相关方带来全新的技术支持体验。满足客户不同的性能要求的同时，产品设计的效率、质量发生了根本性的改变。参考文献 参考文献 1 石油化工工程数字化交付标准：GB/T 51296-2018S.2 李英敏.化工企业建立工程项目数字化交付标准探析J.化工管理,2019(7):184-185.3 Dominik Stephan.打造企业数字化竞争力J.流程工业,2020(05).4 董晨.抽气装置选型和性能计算：2021SR0958994P.2021.5 HEI 2866-2007(E)Steam Jet Vacuum Systems 6thS.