基于功能的余热锅炉过热器模块化设计系统研究

2015-03-15程天洋仲梁维范光耀方凯能

通信电源技术 2015年6期

程天洋，仲梁维，范光耀，方凯能

（上海理工大学机械工程学院，上海200093）

0 引言

面对不可再生资源的日渐枯竭，需要找到提高能源利用率的有效途径。其中发展和应用较为广泛的就是对能源的回收［1］，通过节能设备回收利用一次能源使用过程中浪费掉的那部分热量。余热锅炉作为一种节能减排设备，基本原理是利用工业生产中的废气、废液或废渣中的残余热量以及部分可燃物燃烧后产生的热量把自然状态的水加热到某种特定要求，使其产生水蒸气（热水）供其他设备使用［2］。随着余热锅炉技术的日益成熟，人们在设计中的重复劳动越来越多，所占时间也越来越长。因此，急需引进快速设计方法，提高企业竞争力。

本文从实现过热器的功能出发，把复杂功能划分成单一小功能，根据功能与结构的对应关系，得到各个结构模块，利用solidworks二次开发技术完成其参数化设计系统。利用该系统可以解决设计制造周期长的问题，使企业可以快速响应市场需求。

1 功能的定义

产品设计可以认为是在满足设计条件与达到设计约束的前提下，寻求实际的能够制造出来的物理结构的过程。简单地理解即是以功能需求为自变量，以结构单元为应变量的复杂映射，通过求解设计问题，使产品每个子模块具有解决相应子需求的功能，而且具有尽可能简单的拓扑结构。产品设计是一个将设计意图转变为具体实体的过程，产品设计是一个从抽象转换为具体、从简单到详细、不断反馈求解的过程，它以需求的分析为起点，依次完成功能归纳、原理分析、概念设计、详细设计，就是一个功能映射的过程，设计的结果是得到客户需求的产品。

2 面向功能的过热器设计过程

从面向功能的角度出发，将产品的设计开发过程用活动图表达，如图1所示。面向功能的产品设计过程的特点就是将功能需求作为设计的起点，把产品功能的实现作为终点［3］。在余热锅炉过热器快速设计过程中，将功能的概念贯穿在整个产品的设计过程，对余热锅炉过热器进行全生命周期的支持。余热锅炉过热器快速设计的起点是用户的功能需求，而功能实现作为设计的结果输出。

图1 面向功能的产品开发过程活动图

2.1 对活动图中主要要素的解释

（1）四个状态

客户功能需求：它是进行新产品设计的起点，在余热锅炉过热器的设计过程中，客户根据自己实际的需要，向项目承接方提出包括工作温度、工作压力、运行环境、交货日期等方面在内的要求。

功能集：即产品子功能的集合。产品的子功能是通过将产品的总功能按照合理的功能分解粒度逐层分解而得到的。

几何结构集：具有独立功能结构的集合。

产品：通过各个环节的共同作用，得到最终满足客户需求的产品。

（2）三个事件

功能建模：功能建模实质上就是对余热锅炉过热器进行功能模块划分，将过热器的总功能划分为一系列容易求解的子功能。子功能按其在产品中的作用，可以分为主要功能和次要功能，它们都是实现产品功能不可或缺的一部分。

功能结构映射：对于功能划分得到的子功能，通过功能结构的映射关系，求得满足子功能的解，即得到满足功能实现的结构（或称功能载体）。产品的功能是借助功能载体来体现的，其基本功能属性是通过设计变量来控制和维持的。

功能实现：将设计好的余热锅炉过热器进行装配调试，放置于整个余热锅炉系统中工作是功能实现的过程。余热锅炉过热器通过对烟气热量的吸收利用，得到满足要求的过热蒸汽，是其最终功能的实现。

2.2 自顶向下的设计流程

面向功能的余热锅炉过热器设计过程首先对客户进行功能需求分析，通过借鉴已有的设计实例，得到满足客户需求的产品总体功能需求方案。余热锅炉过热器的功能建模实质就是对其进行功能的分解，将满足客户需求的总功能划分为一系列容易实现的子功能，例如稳压功能、支撑功能等。接下来就是找到满足功能实现的结构模型，采用自顶向下的设计方法，对产品进行功能到结构的映射求解。自顶向下设计的基本流程如下：（1）从产品功能要求出发，对装配体结构、零部件配置进行初步确定，并制定初步设计方案进行结构草图设计，构建一个顶层骨架；然后，建立产品的骨架模型，并且根据设计的基本算法，确定每个设计的细节参数；（2）按照前一步确定的设计参数，在装配体环境下建立零部件模型，并通过几何约束求解，将零件装配成产品。当把所有满足功能的结构模型存入系统模型库时，即标志着组成余热锅炉过热器装配体的零部件的设计完成。（3）将设计好的过热器提交给客户，在现场完成安装调试，生成满足要求的过热蒸汽，是设计功能的最终实现。在产品的设计过程中，通过对设计约束的满足可以实现对产品功能的维持。综上所述为面向功能的余热锅炉过热器设计的全过程。

通过对面向功能余热锅炉过热器的研究，分析出其设计过程具有以下特点：

（1）余热锅炉过热器的功能始终贯穿于设计的全过程中，一切设计活动都是以满足功能为前提。功能需求是余热锅炉过热器设计的起点，功能的实现为设计终点。产品设计制造过程就是功能到结构、材料等的映射过程。

（2）区别于其它的机械产品设计过程，余热锅炉过热器设计过程是由定单驱动的，是面向客户的个性化定制，由客户的需求决定了它的设计具有多方面的要求（包括功能、结构、加工制造、生产周期等）。

（3）使用计算机辅助设计技术，借助三维CAD设计软件平台，进行余热锅炉过热器的设计，大大提高了设计效率和质量。

3 功能划分

3.1 功能层次结构划分

产品的总体功能是由多个子系统功能按一定的逻辑关系有序地组合而成的，这表明产品的功能具有层次性［4］。产品功能的实现是通过部件、零件或某些具有特定几何特征的单元相互协调共同完成的。通常，把产品功能分为总功能、子功能、功能元三个层次。把功能层次中处于最底层的子功能称为功能元，功能元是不可再分的子功能。所以，如何确定子功能的不可再分，成为功能分解中的一个不易掌握的问题［5］。

功能分解时应遵循以下原则：

（1）逐层分解过程中，要求各子功能都应该是所在层次中最基本的功能；

（2）同层次的每个基本功能之间是相互独立的。

过热器是余热锅炉中的主要受热面之一，通常布置在高烟温区域，在烟气的入口处，在蒸发器之前，最先受到烟气的冲刷换热，它在整个余热锅炉系统中起到的功能是将来自汽包的一定压力下的饱和水蒸汽加热成相应压力下的过热水蒸汽，来满足发电或其他生产工艺的需求，图2所示为过热器工作原理图。

图2 过热器工作原理图

余热锅炉设计中热力计算的目的是根据客户给定的设计条件，如余热烟气的组成、性质、流量、给水温度、工作压力和蒸汽参数等，以选定余热锅炉的结构与形式，确定余热锅炉的容量和换热面的布置及其尺寸［6］。余热锅炉过热器的功能在设计热力计算之后就确定下来了，即确定了过热器所要实现的换热量的大小，而具体的几何结构需要在详细设计阶段通过功能结构的映射求解而得到。这些功能将在过热器产品生命周期的不同阶段得以实现，其中包括生产制造、装配试验、包装运输、上线运行等阶段。按照产品功能划分的原则将余热锅炉过热器设计阶段的功能划分为：换热功能，即换热管组的设计；稳压功能，即进口联箱和出口联箱的设计；支撑功能，即壳体的设计；保温功能，隔热功能等过热器功能结构。

通过对余热锅炉过热器的功能分析可得到过热器功能的树状分解图［7］如图3所示。

图3 过热器功能分解图

3.2 功能到结构的求解

功能结构的映射求解实际就是寻找实现产品功能的结构的过程，同时也是功能分解的最终目的。产品功能实现的两个主要阶段分别是产品功能定义和几何结构的详细设计，它们分别对应产品的功能集和结构集。在本系统中把功能与结构的映射关系分为以下三种类型：

（1）一对一关系

一个产品的某一功能只能由单一的模块结构来实现，而该模块结构也只能实现与之对应的唯一功能。

（2）一对多关系

产品的某一功能可以由两个、三个或者更多的模块结构来共同实现。

（3）多对一关系

多个功能是由同一个模块结构来实现。功能和模块结构间的其它关系通过以上这三种关系的组合来实现。

如图4所示为余热锅炉过热器功能—结构求解结果的部分。

图4 余热锅炉过热器功能—结构求解

3.3 主功能的划分

表1 余热锅炉过热器功能划分

表1所示为归纳出的余热锅炉过热器的功能、属性以及功能所映射的结构。通过对产品功能与结构关系的分析，可知产品的主功能对应于主结构，辅助功能对应于次要结构。无论是主结构还是次要结构，都是组成产品的一部分。这里提出功能模块的概念，将其引入到余热锅炉过热器快速设计系统中，运用面向功能的思想来进行设计。采用功能模块概念是为了全面而准确地表达余热锅炉过热器的功能。余热锅炉过热器的总功能通过分解得到各子功能，产品子功能的完整表达成为进行面向功能设计的关键。某个零件可以实现产品的某一子功能，比如补偿板可以实现密封功能，通过联箱本体、端盖和管接头的组合可以实现联箱的稳压功能，说明单一的零部件和子功能之间不是简简单单的一对一关系，也可以是多对一或一对多关系。功能模块是具有某项功能的几何结构单元，它们可以是部件、零件、几何特征。面向功能的余热锅炉过热器设计侧重对产品进行功能建模，根据功能模型选取功能模块来完成过热器的设计过程。

余热锅炉过热器各主要功能如三维模型图5所示。