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      大型復(fù)雜成套裝備建模與設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢與關(guān)鍵技術(shù)研究*

      2015-04-17 15:55:59譚建榮劉振宇沈利紅
      機(jī)電工程 2015年11期
      關(guān)鍵詞:低能耗空分關(guān)鍵

      譚建榮,劉振宇,沈利紅

      (浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,杭州310027)

      0 引言

      發(fā)展大型復(fù)雜成套裝備是我們國家的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè),是國家許多重大工程建設(shè)的基礎(chǔ)。例如,大型空氣分離成套裝備,隨著大型鋼鐵、大型石化、大型火電等大工程對空氣分離成套裝備需求的增加,我國正在成為世界上空氣分離成套裝備需求量最大的國家。具體來說,目前我國對空氣分離成套裝備制氧能力的年需求量已超過1500 多億立方米,空氣分離成套裝備市場需求超過500 億元,而且這一統(tǒng)計(jì)還不包括燃?xì)夂兔簹饣?lián)合發(fā)電、熔融還原煉鐵(用氧量比原來約增加10倍)對空氣分離成套裝備的需求,這兩項(xiàng)技術(shù)一旦大規(guī)模應(yīng)用,對空氣分離成套裝備將有更大的需求。由此可見,大型鋼鐵、大型石化、大型火電等大型工程及航天、深海等特殊領(lǐng)域都以工業(yè)氣體為原料氣體或工藝氣體,因而,工業(yè)氣體被工業(yè)界普遍認(rèn)為是“工業(yè)的血液”,復(fù)雜空氣分離成套裝備被稱為“工業(yè)血液”的“造血裝備”。

      開展大型復(fù)雜成套裝備建模與設(shè)計(jì)相關(guān)研究,解決大型復(fù)雜成套裝備設(shè)計(jì)的共性關(guān)鍵技術(shù)問題,進(jìn)而提高大型復(fù)雜成套裝備及關(guān)鍵機(jī)組的自主設(shè)計(jì)能力,是增強(qiáng)我國制造業(yè)核心競爭力的關(guān)鍵。

      本研究以復(fù)雜空氣分離成套裝備為例,分析大型復(fù)雜成套裝備超大型與低能耗的發(fā)展趨勢,凝練大型復(fù)雜成套裝備超大型與低能耗需要解決的建模與設(shè)計(jì)方面的科學(xué)問題,闡述大型復(fù)雜成套裝備建模與設(shè)計(jì)中的共性關(guān)鍵技術(shù)。

      1 成套裝備的復(fù)雜性與面臨的挑戰(zhàn)

      大型復(fù)雜成套裝備往往由多部機(jī)組成,結(jié)構(gòu)組成、工藝過程與技術(shù)需求十分復(fù)雜,這些都給成套裝備的設(shè)計(jì)、制造帶來了很大的挑戰(zhàn)。以空分成套裝備為例,其復(fù)雜性表現(xiàn)在三個方面:

      (1)結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜。由凈化器、壓縮機(jī)、預(yù)冷裝置、純化裝置、增壓膨脹機(jī)、換熱器與精餾塔等多機(jī)組多部機(jī)組成;

      (2)工藝過程復(fù)雜。通過空氣壓縮、凈化、換熱、冷卻與精餾等工藝過程,生產(chǎn)氧、氮或其他稀有氣體;

      (3)技術(shù)需求復(fù)雜。大型鋼鐵、大型石化、大型火電等大型工程對空氣分離類成套裝備的設(shè)計(jì)制造提出了不同的技術(shù)要求。

      2 大型復(fù)雜成套裝備的發(fā)展趨勢

      從空分技術(shù)和空分裝備的發(fā)展歷程來看,可以將空分裝備技術(shù)分為:

      以焦?fàn)枺瓬愤d循環(huán)理論為基礎(chǔ)的第一代空分裝備技術(shù),以多股流多相換熱理論為基礎(chǔ)的第二代空分裝備技術(shù),以兩相雙膜傳質(zhì)理論為基礎(chǔ)的第三代空分裝備技術(shù),以及正在形成發(fā)展中的第四代空分裝備技術(shù)。

      超大型化與低能耗化作為第四代空分裝備技術(shù)的重要特征,已成為當(dāng)前空分裝備技術(shù)國際競爭的制高點(diǎn)??辗盅b備超大型化,可以有效降低能耗,節(jié)約成本,提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性,減少設(shè)備維護(hù)的工作量。例如,同樣滿足10 萬m3/h 用氧量的需求,1 臺10 萬等級的空分裝備比2 臺5 萬等級空分裝備聯(lián)動大約可節(jié)約能耗10%,節(jié)約投資30%,設(shè)備故障率降低50%??辗盅b備的能耗是空分配套企業(yè)最主要的能耗之一,例如,大型鋼鐵企業(yè)空分裝備耗電量通常占公司總用電量的1/7。裝備能耗指標(biāo)每降低0.1 kWh/m3O2,就意味著空分裝備設(shè)計(jì)制造技術(shù)一次大的飛躍。我國空分成套裝備若平均能耗指標(biāo)下降0.1 kWh/m3O2,全國每年可節(jié)省用電量達(dá)55 億~60 億千瓦時,相當(dāng)于三峽工程年發(fā)電量的6.5%[1]。

      然而,我國空分成套裝備超大型化、低能耗化技術(shù)與國際先進(jìn)水平相比仍存在很大的差距。造成這一差距的主要原因及技術(shù)難點(diǎn)是:

      在超大型化方面。空分成套裝備超大型化設(shè)計(jì)不是對現(xiàn)有機(jī)組尺寸的簡單放大,需要對整個裝備重新進(jìn)行復(fù)雜的參數(shù)計(jì)算分析。目前,發(fā)達(dá)國家已掌握超大型空分成套裝備跨機(jī)組動力學(xué)非線性耦合與多參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、超大型化壓縮機(jī)膨脹機(jī)換熱器等設(shè)計(jì)制造技術(shù),而我國超大型空分成套裝備設(shè)計(jì)制造所依據(jù)的計(jì)算公式還主要停留在通過經(jīng)驗(yàn)、引進(jìn)消化或有限試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而成階段。

      在能耗方面。發(fā)達(dá)國家已掌握臨界區(qū)附近空分流體熱物性精確數(shù)據(jù)、超大結(jié)構(gòu)汽液兩相流均布技術(shù)、低能耗高密度板翅式換熱器設(shè)計(jì)制造技術(shù)、低能耗大流量壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)等低能耗核心技術(shù),空分成套裝備外壓縮流程單位氧產(chǎn)量電耗可達(dá)0.365 kWh;而我國關(guān)鍵機(jī)組能耗大,空分成套裝備外壓縮流程單位氧產(chǎn)量電耗0.41-0.43 kWh。

      因此,等級上不去,能耗下不來,成為現(xiàn)階段制約我國空分成套裝備發(fā)展中的突出問題。

      3 大型復(fù)雜成套裝備建模與設(shè)計(jì)的共性關(guān)鍵技術(shù)

      3.1 成套裝備動力學(xué)非線性耦合建模技術(shù)

      針對大型復(fù)雜成套裝備中連續(xù)、離散混合的非線性、強(qiáng)耦合動力學(xué)問題,需要解決以下幾個問題:

      (1)研究連續(xù)離散混合系統(tǒng)統(tǒng)一表征理論及方法;

      (2)揭示大型裝備中多因素非線性界面環(huán)境的動力學(xué)耦合作用機(jī)理;

      (3)建立多場耦合環(huán)境下設(shè)備轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學(xué)模型,確定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在非對稱、非穩(wěn)定外場作用下的非線性振動特性;

      (4)實(shí)現(xiàn)基于多領(lǐng)域物理統(tǒng)一表達(dá)方法的復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng)解耦機(jī)制及求解方法。

      3.2 復(fù)雜工況多機(jī)組多變量關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)

      大型復(fù)雜成套裝備設(shè)計(jì)中,需要解決不同機(jī)組間存在的機(jī)/電/液/控/低溫多學(xué)科關(guān)聯(lián)的多個主要設(shè)計(jì)變量與設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)與分析問題。針對這一難題,需要清晰了解多機(jī)組多學(xué)科多參數(shù)關(guān)聯(lián)機(jī)理,揭示機(jī)組界面參數(shù)的相互作用及其傳遞規(guī)律[2],實(shí)現(xiàn)成套裝備多性能關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)與工藝流程的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。

      3.3 多機(jī)組同步穩(wěn)定與壽命均衡設(shè)計(jì)技術(shù)

      針對大型復(fù)雜成套裝備多機(jī)組壽命隨機(jī)分布問題,需要闡明壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、動力裝置等多機(jī)組運(yùn)行過程出現(xiàn)不穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)理,揭示在復(fù)雜振動載荷作用下裝備運(yùn)行的穩(wěn)定性準(zhǔn)則和關(guān)鍵零部件疲勞失效的規(guī)律[3],獲取成套裝備多機(jī)組零部件壽命序列,實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜成套裝備多機(jī)組零部件壽命的均衡設(shè)計(jì)。

      3.4 關(guān)鍵部機(jī)高強(qiáng)度大構(gòu)件保質(zhì)設(shè)計(jì)制造技術(shù)

      大型復(fù)雜成套裝備可靠性與穩(wěn)定性,需要通過機(jī)組、部機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和裝配質(zhì)量來保證。針對超大型空分成套裝備中大型壓縮機(jī)、板翅式換熱器等設(shè)計(jì)制造中的難點(diǎn)問題,需要解決大流量多軸耦合高速轉(zhuǎn)子動態(tài)變形控制技術(shù)[4]、高強(qiáng)度特長、特寬高壓板翅換熱器的保質(zhì)設(shè)計(jì)制造方法,實(shí)現(xiàn)大型壓縮機(jī)中超薄葉輪葉片和刀具耦合動力學(xué)分析及其對能耗的影響,從而,實(shí)現(xiàn)成套裝備關(guān)鍵機(jī)組與部機(jī)的保質(zhì)設(shè)計(jì)與制造。

      3.5 大型成套裝備性能實(shí)驗(yàn)、仿真與集成技術(shù)

      數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究是驗(yàn)證大型復(fù)雜成套裝備設(shè)計(jì)理論與方法正確性與有效性的重要手段,因此,需要建立大型復(fù)雜成套裝備數(shù)字樣機(jī)的仿真模型,以此來模擬成套裝備的整機(jī)性能;同時,需要通過構(gòu)建關(guān)鍵部機(jī)性能實(shí)驗(yàn)臺與系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷實(shí)驗(yàn)臺[5],為成套裝備的性能分析、系統(tǒng)集成、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

      4 大型復(fù)雜成套裝備建模與設(shè)計(jì)的解決方案

      (1)大型復(fù)雜成套裝備的建模與設(shè)計(jì)涉及學(xué)科廣泛,必須用多學(xué)科交叉的研究模式加以解決。

      例如,在空分成套裝備的設(shè)計(jì)制造中,必須通過低溫、力學(xué)、化工學(xué)科的交叉,解決低能耗驅(qū)動的大尺度混合流復(fù)雜界面漸變形成規(guī)律與能量遷移機(jī)理;通過機(jī)械設(shè)計(jì)和信息學(xué)科的交叉,解決超大型化空分成套裝備非線性動力學(xué)耦合與多工況多學(xué)科多參數(shù)關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)問題;通過機(jī)械制造、低溫、力學(xué)學(xué)科的交叉,解決復(fù)雜空氣分離類成套裝備運(yùn)行穩(wěn)定、關(guān)鍵零部件壽命均衡及關(guān)鍵機(jī)組保質(zhì)的設(shè)計(jì)制造問題。

      (2)在復(fù)雜成套裝備的設(shè)計(jì)制造方面,需要高度重視原始創(chuàng)新與集成創(chuàng)新相結(jié)合。

      自主設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新、引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的關(guān)鍵,沒有正確的設(shè)計(jì)創(chuàng)新就不可能是成功的創(chuàng)新。例如,在空分成套裝備設(shè)計(jì)制造中,在深低溫混合流多相傳熱傳質(zhì)理論、裝備非線性動力學(xué)變量分離與耦合機(jī)理、多機(jī)組壽命均衡與保質(zhì)制造技術(shù)等方面形成原創(chuàng)性成果的基礎(chǔ)上,通過多學(xué)科、多系統(tǒng)技術(shù)成果融合匯聚,在超大型空分成套裝備設(shè)計(jì)制造中實(shí)現(xiàn)集成創(chuàng)新,為形成具有市場競爭力的產(chǎn)品提供科學(xué)技術(shù)支撐。

      (3)基礎(chǔ)研究與裝備應(yīng)用相結(jié)合。

      從復(fù)雜成套裝備自主設(shè)計(jì)制造中提煉科學(xué)問題,解決成套裝備在機(jī)理、建模、設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行中的關(guān)鍵技術(shù)問題,在典型企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用驗(yàn)證,保證基礎(chǔ)研究有明確的載體。

      5 結(jié)束語

      中國從制造大國走向制造強(qiáng)國,設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。創(chuàng)新驅(qū)動,設(shè)計(jì)要先行。我國要在激烈的國際競爭中掌握主動權(quán),打破工業(yè)發(fā)達(dá)國家在尖端產(chǎn)品領(lǐng)域?qū)χ袊姆怄i,就必須重視大型復(fù)雜成套裝備自主設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵共性技術(shù)研究,大力提高我國大型復(fù)雜成套裝備自主設(shè)計(jì)制造能力。

      本研究以復(fù)雜空氣分離成套裝備為例,分析了復(fù)雜成套裝備的發(fā)展趨勢,凝練了復(fù)雜成套裝備需要解決的建模與設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)科學(xué)問題,闡述了大型成套裝備中動力學(xué)非線性耦合建模技術(shù)、復(fù)雜工況多機(jī)組多變量關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)、多機(jī)組同步穩(wěn)定與壽命均衡設(shè)計(jì)技術(shù)、關(guān)鍵部機(jī)高強(qiáng)度大構(gòu)件保質(zhì)制造技術(shù)、大型成套裝備性能實(shí)驗(yàn)仿真與集成等共性關(guān)鍵技術(shù),給出了提升我國復(fù)雜成套裝備建模與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵共性技術(shù)的解決方案。

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      [2]彭 翔,劉振宇,譚建榮,等.基于變關(guān)聯(lián)分析的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型簡化[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2013,25(8):1245-1254.

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      [4]李開泰,張 武,黃艾香,等.三維旋轉(zhuǎn)Navier-Stokes 方程有限元維數(shù)分裂方法[J].中國科學(xué):數(shù)學(xué),2015,45(8):1299-1318.

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