基于 平台的烟风煤粉管道数字化设计软件的研发
李华锋，谈宏力，冯伟波，张涛 （湖北省电力勘测设计院，湖北省 武汉市，）
摘要：本文对软件的数据库结构、设计模块、计算模块、协同设计做了详细介绍。软件通过
等级库访问元件库，在图形界面显示管道及零部件模型，并可将模型发布成。该软件还具有加固肋选型计算功能，并自动生成加固肋模型。通过对该软件的研发，可有效提高烟风煤粉管道及零部件的建模效率和设计质量。 关键词：烟风煤粉管道， ，，数字化设计
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火力发电厂设计是电厂建设的关键环节，设计效率和质量关系到电厂项目的施工进度、建设周期、工程质量和建设投资总额。随着信息技术的发展，设计环境应从二维设计平台向三维数字化设计平台过渡，运用三维设计软件，能够解决原来设计工作中普遍存在的碰、撞、漏等通病，可进一步提高设计的精细化程度，加快工程建设进度，节约投资成本。火力发电厂烟风煤粉管道中以矩形管居多，而矩形管的管径没有严格的统一规格，异形件也比较多，进行三维设计有一定的难度，而矩形管加固肋的设计涉及大量计算，为简化计算设计人员通常只能采用查表等办法，没有一套高效适用的设计解决方案，设计工作强度比较大。 我院的数字化工厂设计采用公司的 工厂信息模型解决方案，该三维工厂设计系统结合了和其他工厂软件的优点，并且具有更好的开放性和数据互用性。本文提出以 为基础平台，利用语言开发烟风煤粉管道数字化设计软件（六道软件），完善了工厂信息模型解决方案。该软件将烟风煤粉管道设计常用的《烟风煤粉管道零部件典型设计手册》（和）标准零部件、非标零部件及型钢数据录入后台数据库，以方便的交互方式让设计人员实现对烟风煤粉管道的数字化设计；同时该软件具备加固肋选型计算功能，极大的提高了设计人员的设计精度和效率，完善了我院工厂信息模型解决方案。本文针对六道软件的数据库、计算模块、设计模块、协同设计做一介绍，以供相关研发及设计人员参考。
软件数据库
软件的开发工具为 ，软件后台数据库平台采用数据库。数据库分为元件库、等级库、设计库三种。要进行设计，首先需要有元件库(存放标准部件的数据库)，元件库包含了特性数据，存放了材料、壁厚、重量等应力分所需要的数据；软件自带了烟道、冷风道、热风道、制粉管道、送粉管道等元件等级库，用户也可以根据工程需求建立相应的的等级（）；设计过程中所有的信息保存在设计库中，一般用户仅需操作设计库。
元件库
元件库（）是指管道零部件总库，一般按照不同的标准编制，如对于烟风煤粉管道零部件可分为和两个标准。六道软件使用层次数据结构组织元件库。本质上，对元件库操作的过程就是操作这些元素的过程。通过软件提供的元件库模块，可以对元件的属性、用途、图形表示规则和快速引用进行配置，创建各类元件集合和元件匹配表。对于特殊的管件，已经在
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库中定义了其连接点，如补偿器的连接点为其端面内20mm。
图 零部件连接点 图 创建元件形集
等级库
等级库（），也叫规范库，可以对具体的项目，从单个或多个元件库中按照项目要求提取的一部分管件，组成等级库，它是设计库与元件库之间的桥梁。通过软件提供的数据库工具，软件管理员可以方便的建立工程所需的等级库，以提高设计人员建模的精度和效率。对于汽水管道，一般是按照压力、温度等建立等级，对于烟风煤粉管道，由于其特殊性，针对特定工程，一般可按照卷册建立等级。
图 标准元件库及数据库工具
设计库
设计库是工程数据库。设计人员在等级库中选择元件后，等级库中的元件自动找到对应的元件库中的元件，元件库中的几何形状和数据被设计库参考。同时设计库中还存放工程中管道零部件的空间位置信息。
计算模块
我国火力发电厂烟风道设计人员大多采用文献[]和文献[]推荐的方法进行设计计算。六道软件将文献[]中烟风煤粉管道加固肋的选型计算方法程序化，简化了加固肋设计计算流程。
加固肋中心间距计算
tt矩形烟道道体面板按照四周固定的薄板大挠度塑性变形理论计算，应力≤?s/nF，?s为钢材在设计温度下的屈服极限，nF为抗塑性饺安全系数，面板按照其相对挠度控制在道体计算面板宽度的，并控制面板自振频率f?20Hz（常规设计）及f?40Hz（振动设计）。
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加固肋中心间距的实用计算公式（选定值）如下：
按强度（应力）条件计算：
Smax?55????t?q?50(mm) （）
按刚度（挠度）条件计算：
Smax?84?3E?q?50(mm) （）
按振动（频率）条件计算：
Smax?116?4E?50(mm) ?f?20Hz? （）
Smax?82?4E?50(mm) ?f?40Hz? （）
对烟道道体分别按照（）（）式计算，以强度和频率条件作为控制依据，刚度条件作为校核依据。
加固肋选型计算
形成箍状的加固肋属刚架结构，按刚架计算，不形成箍状的加固肋属于简支结构，按简支梁计算。横向加固肋应力，理论上为弯曲应力与正应力之和，即??M/W?N/F?[?]，为便于计算，实际计算中忽略正应力N/F，按纯弯曲应力考虑，误差一般小于；加固肋选型的挠度计算分为简支（铰接）和半固支（刚接），控制挠度值?1/400；振动计算分为刚接和铰接两种，刚接时按多支点梁的第一自振频率计算，铰接时按简支梁的第一自振频率公式计算，并控制加固肋的一阶自振频率f?20Hz（常规设计）及f?40Hz（振动设计）。加固肋选型的实用计算公式如下：
按强度（应力）条件计算：
tZ????50(mm) （） 铰接（简支） Lmax?2828?qStZ???固接（固支） Lmax?3464??q0??qdl?S?50(mm) （）
t按刚度（挠度）条件计算： 铰接（简支） Lmax?1243?3EI刚接（固支） Lmax?1566?3EI按振动（频率）条件计算： 铰接（简支） Lmax?498?4EI?qS?qS?50(mm) （） ?50(mm) （）
GG?50(mm) ?f?20Hz? （） ?50(mm) ?f?40Hz? （）
Lmax?352?4EI刚接（固支） Lmax?542?4EIG?50(mm) ?f?20Hz? （） ?50(mm) ?f?40Hz? （）
tLmax?383?4EIG公式（）（）符号：S横向加固肋中心间距，mm；?道体面板厚度，mm；[?]钢材在设计温度下的许用应力，MPa；?q道体计算面板上的组合设计荷载，kPa；?qdl道体计算面板上的当量设计荷载，kPa；q0烟道介质设计内压荷载，kPa；f道体面板、加固肋的自振频率，Hz；L横向加固肋计算跨度，mm；E钢材在不同温度下的弹性模量，GPa；
I道体计算面板上加固肋截面的断面惯性矩，cm4；G加固肋单位长度理论质量，kg/m；
Z道体计算面板上横向加固肋组合截面的断面系数，cm3；?道体临边面板加固肋对计算
面板加固肋刚度的影响系数。
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软件计算程序实现
烟风道加固肋设计是一个反复对道体顶、底、侧面面板分别进行加固肋设计的过程。设计人员每设计一组道体都要对每一侧面板进行荷载计算、加固肋间距的计算、加固肋规格的选取、内撑杆计算以及是否设置纵向肋的计算等等。
本软件的计算程序主要依据和的计算方法实现加固肋的选型计算，对于标准道体加固肋设计计算流程为：设计人员在参数设置对话框输入原始设计参数，软件依次计算出面板顶、底、侧各项荷载、组合荷载、当量荷载、加固肋间距、加固肋规格、内撑杆规格、是否设置纵向肋。如果要设置纵向肋，其规格由用户在参数设置对话框处选择规格。计算程序总体设计流程图如下：
输入原始数据 荷载计算 计算道体材料在设计温度下的许用应力和弹性模量 计算横向肋间距 判断加固肋的连接方式 计算简支加固肋规格 计算固支加固肋规格 确定内撑杆规格 确定纵向肋规格 生成计算书
图 加固肋计算程序总体设计流程图
设计模块
管道及零部件建模
对锅炉专业的数字化设计而言，烟风煤粉管道及零部件布置通常是大中型电厂项目中最费时的工作，也是产生问题最多的部分。管道及零部件建模是六道软件最强大的功能之一，它最大可能地避免了设计错误的产生。依据完备的标准典道元件库（和）及非标件库，六道软件可以方便的实现烟风煤粉管道及零部件的数字化建模。
在六道软件中，每个管道（）可以有多个分支（），在分支下面才是具体的零部件，分支与管道的不同在于分支只有两个端点，而管道可以有多个端点，这要看它有几个分支。管道为管理组织分支的节点，分支为管理组织管件的节点，管道、分支及零部件的组织关系如图所示。依据相应的组织关系，逐步创建管道、分支、零部件，完成锅炉烟风煤粉管道布置建模。
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分支
三通 分支 图 管道、分支和零部件的组织关系
管道零部件建模采用的是参数化建模方式，管道及零部件的参数可由设计人员根据工程需要进行修改，极大的方便了设计人员对元件库的扩充和维护，也为今后对 平台的二次开发提供了新思路。
图 圆形烟道及零部件模型 图 参数化建模
交互操作
的建模定位功能（对元素或实体的移动、旋转等）是非常强大的，操作方式灵活多样。六道软件的交互操作与 的基本交互操作功能高度集成，利用 的基本交互操作功能对零部件进行操作时，软件通过检测 的元素选中事件信息，识别元素的空间位置及几何信息，并利用软件的数据库接口，将交互操作后的元素信息即时写入工程数据库，从而实现了利用 的操作功能对六道零部件进行交互式操作。
加固肋模型
实际工程中，对于较大的烟风道道体，其加固肋规格也较大，在施工时，经常碰到加固肋与设备、执行机构等碰撞现象。本软件在设计人员进行加固肋参数输入和计算完成后，点击生成模型，即可自动进行加固肋空间定位和生成加固肋模型，方便设计人员进行碰撞检查操作，避免加固肋碰撞现象，提高设计精度。
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基于MicroStationV8i平台的烟风煤粉管道数字化设计软件的
