Инновации в трех измерениях: 3D-моделирование на заводе «Красный котельщик»

Отвечая на вызовы мировой энергетики, Таганрогский котлостроительный завод «Красный котельщик» (ТКЗ) стремится предложить рынку не просто современное, а соответствующее любым индивидуальным запросам заказчиков оборудование. Качественного результата позволяет добиться развитие инновационных технологий, совершенствование собственных наработок и внедрение прогрессивных IT-решений. В том числе использование 3D-моделирования.

16 января 2019

Благодарим Пресс-службу ПАО "Силовые машины" за предоставление данного материала. 

Совершенствование и оптимизация конструкции энергетических котлов — одно из важнейших направлений проектной деятельности инженеров-конструкторов «Красного котельщика». Сегодня без использования методик трехмерного проектирования и моделирования добиться реального прогресса в этой сфере деятельности невозможно. Современные тенденции проектирования, включая переход на электронные макеты изделий, неразрывно связаны с технологией 3D-моделирования объектов и процессов в них. Например, 3D-проектирование должно органично сочетаться с 3D-моделированием напряженно-деформированного состояния конструкций, их температурных полей, полей скоростей мультифазной среды и другими подходами.

В тренде времени

История использования 3D-моделирования напряженно-деформированного состояния и температурных полей отдельных элементов конструкций энергетического оборудования, в том числе котлов, насчитывает уже полтора десятка лет. В начале 2010-х годов был сделан качественный переход к моделированию крупных частей котла, таких как холодная воронка с ее опорной системой. А затем и к моделированию экранной коробки котла со всеми прикрепленными к ней элементами конструкции.

Развивающийся в последние годы тренд на цифровизацию, в том числе возможность обрабатывать огромные массивы данных (Big Data), применять новые подходы, инструменты и методы обработки информации, выявлять новые закономерности и учитывать их в дальнейшем, требует соответствующего технического оснащения. Для этого на ТКЗ были значительно повышены возможности специалистов, занимающихся 3D-моделированием: закуплены мощные вычислительные станции, запущен вычислительный кластер.

Помимо технического переоснащения, здесь разрабатывались новые методики моделирования, подкрепленные математическими моделями экранов, расчета нагрузок от шлака, учета особенностей нагрева поверхностей котла, построения оптимальных геометрических моделей, применения к котельным конструкциям техник субмоделирования и субструктурирования сложных моделей. Все это позволило в разы сократить трудоемкость построения сложных моделей и на порядок уменьшить время вычислительных операций. Так, время расчета сложных моделей элементов котла удалось снизить от нескольких недель и дней до нескольких часов.

Эффективная работа

Сокращение трудоемкости построения моделей и длительности вычислительных операций важно не только с экономической точки зрения, но и для качественного перехода: 3D-моделирование напряженно-деформированного состояния объектов из разовых элитных расчетов превращается в действенный инструмент оптимизации конструкций, работающий в условиях реального времени при сжатых сроках выполнения проектов. Это позволило вести вариантное проектирование, оперативно вносить изменения. Благодаря чему были разработаны новые конструкции крупных элементов и отдельных узлов, позволившие обеспечить снижение металлоемкости при сохранении или повышении их нагрузочной способности и надежности. Так, углубленный анализ результатов 3D-моделирования позволил снизить металлоемкость опорной системы холодной воронки котла средней мощности на 6,4 тонны, а экономия металла после оптимизации конструкции холодной воронки с ее опорными конструкциями для котла большой мощности составила около 100 тонн.

Результаты не только количественные, но и качественные. Использование 3D-моделирования позволило инженерам ТКЗ перейти на новый уровень расчета оборудования, работающего под давлением. Например, использование результатов моделирования напряженно-деформированного состояния соединений штуцер-обечайка, учет выявленных особенностей зон концентрации напряжений в этих соединениях позволили оптимизировать конструкции барабанов, коллекторов и сепараторов с учетом конкретного расположения отверстий в обечайке. Отсюда возможность повысить надежность конструкции, точность оценки ресурса отдельных элементов и котла в целом.

Михаил Сербиновский, начальник отдела прочности дирекции по инжинирингу ТКЗ: «Мы ведем работы по совершенствованию и разработке новых котельных конструкций с малой металлоемкостью, повышенной технологичностью в изготовлении, монтаже и сервисе при соблюдении достаточной прочности и надежности. В конечном счете это новые продукты компании, снижение себестоимости котлов, повышение конкурентоспособности нашей продукции. Такая работа предполагает творческое сочетание технологий 3D-моделирования и 3D-проектирования. Требует высокой квалификации и вовлеченности сотрудников, изменений в организации проектирования и, если можно так сказать, в коллективном сознании работников предприятия».

Комплексный экспертный подход

Безусловно, простого внедрения готовых программных комплексов при решении задач инженерного уровня ТКЗ недостаточно. Так, при работе над каждым проектом котла отдельный серьезный спектр задач связан с трубопроводами и их опорно-подвесными системами. Трубопроводы котлов — сложные пространственные разветвленные системы с большим количеством связей. Благодаря тому, что их составляющие — относительно простые по геометрии элементы, рынок предложил специализированные программы для прочностных и деформационных расчетов трубопроводов, однако они не позволяют эффективно рассчитывать трубопроводы во взаимодействии с экранами котла, другими поверхностями нагрева или разветвленные трубопроводы с их коллекторами и так далее. Поэтому требуется использование программных комплексов более высокого уровня.

Для каждого отдельного случая требуется не только подбор наиболее оптимального программного обеспечения, комбинирование подходов. Очень важна высокая квалификация и опыт конструктора. Он должен обладать компетенциями по созданию дополнительного программного обеспечения и макросов для программных комплексов. В дирекции по инжинирингу ТКЗ это направление поддерживается инженерами-конструкторами, на высоком уровне освоившими программирование. Наилучшие результаты обеспечивает именно такой комплексный подход.

Инженерное творчество

3D-технологии активно применяются «Красным котельщиком» и в рамках НИОКР, инвестиционных проектов компании.

Мировая практика демонстрирует экономическую эффективность использования новых технических решений и технологий, в том числе в машиностроительном производстве. Поэтому «Красный котельщик» активно возрождает традиции российских инновационных разработок в энергетике. Заводом реализуются инвестиционные проекты по созданию новых передовых конструкций, технический уровень которых как минимум соответствует мировым аналогам, а по надежности с одновременным снижением металлоемкости зачастую и превосходит их. Примером таких разработок может служить НИОКР по созданию новых креплений поясов жесткости к экранам котлов, обладающих низкой металлоемкостью при повышенной нагрузочной способности и надежности. Одним из основных инструментов при проведении таких научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ являются именно технологии 3D-моделирования и 3D-проектирования.

Ответственность нового уровня

Технический регламент Таможенного союза «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением» (ТР ТС 032 / 2013) разрешает использование численных методов, на которых основаны технологии 3D-моделирования, наряду с отраслевыми нормами, но возлагает разработку методик анализа конструкций на исполнителей проектов. Это новая возможность и большая ответственность, отмечают на ТКЗ.

«Нельзя уходить от этой ответственности, так как впереди одновременно такие сложные вызовы и задачи современности, как новые цифровые технологии. Это «цифровой котел» в составе «цифровой электростанции», «цифровой мониторинг и диагностика технического состояния оборудования электростанций». Это сложнейшая перспективная разработка нового уровня, которая начата на «Красном котельщике» уже в этом году. Это возможность поднять российское энергомашиностроение и котлостроение на новый уровень, и здесь также применяются технологии 3D-моделирования и проектирования», — отмечает Михаил Сербиновский.

Активное участие «Красного котельщика» в реализации планов по реконструкции и техническому перевооружению отечественных энергетических объектов — еще один серьезный вызов для завода.

«Проекты реконструкции часто более сложны, чем проекты новых котлов. Необходимо вписать новые решения в рамки существующих площадок, зданий, каркасов, обеспечить совместимость работы с существующими конструкциями, при этом повысив технические и экологические параметры котлов. Обеспечить все это невозможно без применения технологий 3D-моделирования и проектирования. Поэтому одна из основных задач ТКЗ в области инжиниринга — продолжать комплексно развивать инновационные подходы, совершенствуя собственные наработки и внедряя самые прогрессивные IT-решения мировой практики», — считает директор по инжинирингу ТКЗ Владимир Михайлов.

Марина СКЛЯРЕНКО

Комментарии к статье
24.01.2019 16:14
0

Ни одной 3Д картинки в материале. Не информативно.

Комментировать


UP-PRO в сетях