计算机辅助设计在锅炉产品设计中的应用

　　计算机辅助设计在锅炉产品设计中的应用黄其生（广西梧州锅炉股份有限公司，广西梧州543005）计算机辅助设计已成为科学技术、产品研究开发的重要手段。借助这一手段，使设计人员摆脱了大量繁琐的计算和重复的非创造性工作，大大加快了设计速度，缩短了产品开发的周期，提高了设计质量和水平，增强了企业技术竞争的应变能力。

　　1计算机在锅炉设计中的应用概况锅炉的计算机辅助设计主要包括两个重要的方面：即计算机辅助设计计算和CAD绘图。

　　锅炉的计算机辅助设计计算主要是指采用计算机程序软件对锅炉在认识的结构参数下，所完成的锅炉受热面布置的热力设计计算，根据热力计算确定的锅炉结构和烟风通道进行的锅炉烟风阻力计算，根据所采用的锅炉不同受压元件形式进行锅炉强度计算，以及根据所采用的锅炉介质循环方式进行的水动力计算。这些计算被称为锅炉设计的四大计算。所有这些计算都有相应的国家标准或规范进行强制性和指导性的设计计算约束。

　　锅炉的CAD绘图是在锅炉的计算机辅助设计计算的基础上完成锅炉系统零部件的图纸绘制工作。

　　从1992年引进计算机辅助设计计算及CAD绘图软件至今，梧州锅炉股份有限公司应用它进行锅炉开发已有十多个年头了。并且期间不断对软件系统进行二次开发，使该软件逐步趋于完善，更加适合锅炉设计以及公司实际情况的需要，现在梧州锅炉股份有限公司基本实现了设计计算的自动化，绘图的标准化、参数化。

　　2软件系统的内容2. 1计算机辅助设计计算软件系统目前，梧州锅炉股份有限公司计算机辅助设计计算软件系统具有锅炉的四大计算，还有安全阀排放量计算、面式减温器计算、管壁金属温度计算、热力部件计算，还有辅助工具，包括单位制转换、水蒸汽特性表、空气特性、烟气特性、可燃气体的平均比热。这完全满足了梧州锅炉股份有限公司锅炉设计计算自动化的要求。

　　2. 2 CAD绘图软件系统2. 2. 1具有统一的绘图环境，建立了横向、纵向的A4～A0号标准图纸库，以对应的名称以图形样板文件（。 dwt）存贮在标准图纸库里。图形样板文件具有统一标准的图层、图框、标题栏、明细表头等等，并且它的字体、标注具有*常用的默认设置。设计者只要调用出图纸库的。 dwt文件，就可以直接在此环境中绘图，而无需进行太多的初始设置。

　　2. 2. 2建立了标准件库、符号库。标准件库有锅炉设计常用的螺栓、螺母、法兰、型钢、封头等参数化图库。符号库有焊接符号、仪表阀门等常用符号。如想要调用标准件、符号，只要用鼠标点击工具栏上的提取图符，按照提示选择就可以得到。

　　2. 2. 3锅炉部件库。我们把公司的锅炉产品分成几个系列，蔗渣煤粉炉系列、循环硫化床锅炉系列、双锅筒链条炉排锅炉系列、单锅筒链条炉排锅炉系列、卧式锅壳式燃油（气）锅炉系列、双锅筒水管式燃油（气）锅炉系列等等。各系列锅炉是由一个个锅炉部件组成的。如蔗渣煤粉炉系列锅炉下面的有水冷系统、过热器、省煤器、空气预热器、锅筒、集箱、钢架、炉墙、固定装置等部件。经过对这些部件作大量的分析与归类，提出其特征参数。设计人员可根据设计中的特征参数形成数据文件，然后调用AU TO LISP编制的参数化程序，就能一次性生成整个部件的绝大部分图样，然后用AU TOCAD的一些基本命令及菜单操作，就可生成整张图样。

　　2. 2. 4锅炉部件图块是采用树形结构图库管理，它是依据锅炉分层结构图来制订的，如图1为锅壳式燃油（气）锅炉的分层结构图。

　　就是依靠这种树形结构把锅炉的总体分成不同的子系统，在父系统调用修改时，可按树形结构方便地调用修改子系统。这种绘图结构伸展性强，系统性好，结构具有较强的可修改性。

　　2. 2. 5在锅炉新产品开发过程中，大量采用了交互式绘图设计，并与计算软件系统相互确认优化，*终输出结构性能好的锅炉结构，锅炉结构及方案得到确认后，可以调用标准化、参数化图库的图块进行锅炉部件的设计绘图，然后拼装锅炉总图。

　　3设计软件的应用管板的优化设计。

　　首先进行热力计算。输入已知的锅炉吸热量，假定辐射受热面积、对流受热面积和烟气的流通截面积，然后进行计算，直到得到合理的烟速和热效率。

　　然后根据确定的受热面积和烟气的流通截面积来对管板进行设计以及锅壳长度的确定。

　　卧式锅壳锅炉的管板一般分成几个不同的几何区，烟管在管板上的布置强烈地受到管板强度计算和锅炉安全设计的影响。如图2所示。

　　卧式锅壳锅炉的设计在受热面布置的时候往往要和锅炉的强度计算、计算机结构优化同步进行，作为一个设计者，只能在强度计算许可的范围内布置受热面。从图3管板以及烟管的布置图就可以看到，受热面布置受到强度和安全设计的影响。

　　整块管板可分为炉胆区、**、二回程管束区和蒸汽空间，按锅炉设计的要求，锅炉所有的受热面必须得到可靠的冷却，如此确定锅炉的*高火界，从*高火界向上延伸75mm～100mm就是安全水位区，整个管板的空间是有限的。除此之外，按照GB/第8. 2条的标准规定，管板上壁温不同的相邻元件之间必须有足够的呼吸空位，以防止产生过大的温差应力。标准规定：炉胆外壁和烟管之间或炉胆外壁与锅壳之间的呼吸空位，应不小于锅壳内径的5和50mm的较大者，若该值大于100mm时，可取100mm锅壳筒体内壁与烟管外壁之间的呼吸空位，不当元件和波形炉胆、平直与波形组合炉胆、斜拉杆相邻的部位的呼吸空位可为上述数值的70 ，若炉胆为扳边结构且采用斜拉杆，其间的呼吸空位可为上述数值的50.这种呼吸空位可以用图3来说明。

　　因为管板的直径较大，实际计算管板厚度时将大的管板看成是由拉撑件分割成的很多块小管板组成的，由拉撑件固定形成的一块块小的管板，一般看成由拉撑件组成的假想圆，这一思想的确立是建立在两个假设上的：（ 1）拉撑件的强度是足够的（ 2）拉撑件和管板的连接强度是足够的。

　　因此在管板设计时，应先采用绘图方法对锅炉管板上的拉撑件进行均匀分配，以*大限度地降低管板厚度而又不使拉撑件过分增多。

　　另外在依靠管板的假想圆决定了管板厚度之后，还必须校核拉撑件的强度。

　　假想圆就是以拉撑件为支撑点画的圆，拉撑面积是被拉管板上相邻支撑点的中位线所包围的面积，以前这一工作是在正交坐标纸上用手工完成的，工作量非常大。现在可在计算机上利用AutoCAD绘图软件来进行。

　　采用如下的AutoCAD R2000中文版的命令可以完成画假想圆：a.下拉菜单：绘图圆三点b.对象捕捉工具条：捕捉到交点、捕捉到交点与捕捉到交点（或捕捉到切点）采用如下的CAD命令可以完成拉撑面积的确定：a.下拉菜单：绘图多段线b.对象捕捉工具条：捕捉到圆心。

　　画完之后，利用对象特性功能，可快速地获得假想圆直径和拉撑面积。

　　获得假想圆直径和拉撑面积后，采用强度计算软件进行管板壁厚和拉撑件直径计算，若达不到预计的壁厚，还要对管板上拉撑件的分布进行调整。图4是在AutoCAD软件上绘制的管板上系列假想圆。

　　这样，经过强度计算与CAD绘图的多次交互确认，得到管板的*优化结构，确定了锅炉的受热面的布置以及锅壳的大小和长度。然后根据锅炉实际的结构数据，对热力计算中的受热面积、烟气流通面积等已知的结构数据进行修正，输出*终热力计算书。再根据热力计算书中提供的烟温、烟速等数据进行烟气阻力计算，选择具有合适背压的燃烧机。

　　图在完成了方案设计后就是锅炉部件图纸的绘制工作了。锅炉部件绘图可调用已建立的标准化图块、参数化图块等。比如要进行锅筒设计绘图，就可以调出参数化锅筒图块，只要输入锅筒直径、厚度、长度以及管板直径、厚度、高度，就可以生成锅筒的三视图，然后添加管座图块，就可完成了整张锅筒图纸。

　　在完成一个个锅炉部件图后，就可以把部件图拼装成锅炉总图了。

　　4应用效果锅炉的计算机辅助设计计算和CAD绘图设计在梧州锅炉股份有限公司的应用中，取得了显著的经济效益。如用传统的手工计算和绘图要形成一个方案，*少需要1～2个月的时间，而现在用锅炉的计算机辅助设计计算和CAD绘图设计，只需1个星期，甚至1～2天就能完成多个优化方案供用户选择。这为赢得客户争取了宝贵的时间。如今年梧州锅炉股份有限公司新开发的型3台燃蔗渣锅炉，已为梧州锅炉股份有限公司赢得2000多万元的合同。这个项目从洽谈到合同的签订只用了1个多星期，这完全得益于锅炉的计算机辅助设计系统，使我们在很短的时间内就完成了方案的设计及优化。而且合同产品交货期要求只有3个多月的时间，这就要求产品图纸必须在更短的时间内完成。我们在设计人员不足的情况下，采用CAD绘图软件系统的参数化和标准化图块绘图，只用了1个多月时间就完成了3台锅炉的几大部件的设计图纸，为按时、按质交货奠定了基础。

　　[1 ] GB /T165081996锅壳锅炉受压元件强度计算[ S].

　　[ 2 ]劳部发（ 1996） 276号。《蒸汽锅炉安全技术监察规程》备注：表1所用数据来自于罐车厂设计资料《液化石油气（丙烯）罐体安全阀排放面积（丙烯）计算书》。

　　[ 1 ]国家质量技术监督局。压力容器安全技术监察规程[3 ]中华人民共和国劳动部。液化气体汽车罐车安全监察机械工业沈阳教材编委会。安全阀与爆破片[M ].黑龙江：东北工学院出版社， 1989.

　　[ 5 ]崔克清。化学安全工程学[ M ].沈阳：辽宁科学技术