基于數字孿生的電站鍋爐可視化安全預控系統研究

中電華創電力技術研究有限公司 徐 威 俞衛新 江蘇常熟發電有限公司 薛建強 許文彥 北京必可測科技股份有限公司 曹 鑫 高文蒂

火力發電站鍋爐受熱面泄漏是造成機組非計劃停機的主要原因之一，今天對于鍋爐四管泄露的原因已有較深切認識，對于四管泄露也有了相應的管理制度和預防措施。。鍋爐四管泄漏事故的預防，主要隨著機組檢修時間段內對鍋爐受熱面管道實行深入檢驗檢測，在發現問題時及時進行消缺處理，但四大管道在日常檢修中，存在著“檢”不全面、存在盲點，“修”不到位、遺留缺陷的問題。因此如何把鍋爐安全預控工作做好，充分利用檢修期對鍋爐四管開展精細化檢修就顯得非常關鍵[1-2]。

1 系統總體設計

基于數字孿生的電站鍋爐可視化安全預控系統，是利用數字孿生和可視化技術，對電站鍋爐進行三維建模，實時直觀展示鍋爐受熱面布置情況，并將受熱面管材數據、金屬檢驗檢測數據、SIS 系統中鍋爐壁溫實時監測數據等關聯到三維模型中，建立電站鍋爐的數字孿生體，對設備進行精細化管理的一種新技術。

利用所建立的電站鍋爐數字孿生模型，對受熱面的運行狀態進行實時監測、異動預警和長周期趨勢分析，通過對所監測受熱面的重要程度、超溫情況、劣化趨勢等數據進行分析，確定該處設備的安全風險等級并提出相應的運行維護建議，指導鍋爐受熱面檢修與金屬檢驗檢測工作的開展。利用人機交互技術，將鍋爐受熱面檢修工作中發現的問題與最新的管材數據等反饋到系統中，將受熱面壁厚情況、減薄分布等更新到系統的知識庫，為進一步做好鍋爐四管泄漏安全預控工作打下數字基礎（圖1）。

圖1 系統邏輯架構圖

2 鍋爐三維建模

該系統以所建模的鍋爐圖紙為基礎，以臺賬設備樹為支撐，結合現場實際管道的布置，根據現有的三維數字化建模技術，將鍋爐受熱面中各主要部件及零件單獨進行三維模型建模，然后拼裝組合成完整鍋爐。通過對鍋爐中需要監督的設備、部件及零件進行三維建模實現將所需要監測的設備以三維立體圖形展示，并用顏色將不同的區域及不同的管道材質進行區分，然后在設備臺賬錄入的基礎上實現三維模型所有設備信息與臺賬一致，完成數據對接，最后實現防磨防爆的可視化管理。

利用三維建模并結合可視化技術對電站鍋爐進行數字孿生再現，可直觀展示鍋爐當前運行狀態與歷史數據統計分析情況。當前運行狀態存在受熱面超溫等異常情況時，系統會高亮閃爍并報警異常區域，便于技術人員第一時間發現異常受熱面；可單獨選取受熱面各區域，查看當前區域的詳細信息，包括管道材質使用情況、檢修記錄、金屬檢驗檢測記錄等。利用各類圖表，對電站鍋爐超溫統計情況、壁厚減薄分布、金屬檢驗檢測情況等進行圖表化展示，將鍋爐防磨防爆重點工作進行可視化管理，做到對當前鍋爐設備的各類信息一目了然。

3 受熱面狀態監測及設備管控

通過數字孿生與可視化技術，將電廠SIS 系統中壁溫測點關聯預置在建立的鍋爐三維模型中，實現管道與測點的一一對應關系，獲取鍋爐受熱面的壁溫測點的實時數據，結合管道的尺寸以及材質等設備主要參數設置報警閾值，用列表和曲線圖譜等形式進行數據展示實時反映測點及設備狀態等信息，采用多級報警的模式將報警信息告知相關技術人員，并提供相應的運行參數、報警描述及維修建議。

系統對鍋爐受熱面狀態進行報表管理，可選定時間段對各區域的超溫次數、超溫時長、壁厚減薄程度等指標進行統計分析，從較長時間維度上監測各指標的變化趨勢。系統將兩個或多個具備相關性的指標進行關聯分析，設置受熱面劣化上限，當有指標超過預設的劣化極限時系統會自動推送劣化預警，對由某一指標變化即將帶來的缺陷進行提取告知，對某些深層次隱藏缺陷提前預警，加強人工干預規避事故的發生。結合綜合評估信息可評估出該部件的狀態信息，包括健康狀態、部件風險等級、鍋爐管在線穩定性及耐久性等，指導檢修工作重點關注該部位，合理分配檢修資源。

系統管理員可將火電廠內的關于金屬監督、防磨防爆及滾動檢修等計劃項目進行定制化植入，用戶可在此基礎上直觀的進行計劃制定、記錄信息錄入及檢查檢修進度并進行跟蹤，也可通過系統觀察記錄匯總、完成缺陷管理、實現金檢閉環總結等工作，設備管理人員可根據時間、人員情況合理分配檢修工作，制定專項檢修計劃，為實現全局把控整個金檢過程，優化檢修資源，需檢驗的零件做到不過檢、失檢。此外結合歷次檢查發現受熱面缺陷的跟蹤信息、已發生缺陷的危險信息、機組運行報警信息等，以金屬監督工作國家和行業標準及規則為基礎，以建立的設備臺賬樹為媒介，系統自動智能化生成大、小檢修計劃。

系統設置各類金屬檢驗檢測及防磨防爆記錄錄入模塊，用戶可在該模塊進行各類檢驗數據的錄入，從而實現現場檢查及消缺過程所得結果（數據、圖片等）的快速錄入以及生成相關檢查報告的功能。同時系統使用數據庫的高智能檢索功能在金屬檢驗數據庫的基礎上自動將歷次的檢查詳情通過一定方式進行科學的總結，總結信息包含時長、所有設備信息、項目總數、項目完成率、缺陷項總結、消缺率、各類缺陷分布及參與人員與隊伍詳情，總結信息與三維圖形進行關聯，歷次檢查的工作內容以及目前設備現狀將一目了然。系統也可實現跟蹤金屬檢驗了解詳細情況，并將總結信息隨檢修進度以及當前工作任務的完成實時更新，從而實現改變目前的金屬監督及檢驗的管理體系及模式，大幅度提高檢修工作效率。

系統利用網絡、數據庫等信息化方式，建立鍋爐運行維護、風險預控及安全管理體系，通過用戶授權等功能實現用戶關系管理將管理的責任準確的落實到責任人。通過梳理鍋爐防磨防爆和金屬檢驗工作的主要環節，使用數字化進行鍋爐相關信息實時跟蹤，建立起鍋爐長時間運行和檢修信息，為超前控制風險提供基礎數據。

4 結語

通過基于數字孿生的電站鍋爐可視化安全預控系統的研究，搭建了鍋爐三維模型，利用數字孿生技術，將各類信息關聯到模型中，實現設備的數字化管理；結合可視化技術，將各類信息用圖形、圖表的方式展現，便于技術人員直觀、及時地了解設備狀況；通過大數據分析，對鍋爐受熱面運行狀況進行在線監測，提供運行、維護與檢修建議，指導電廠鍋爐防磨防爆管理工作，減少鍋爐四管泄漏的發生，實現鍋爐四管安全預控管理，實現計劃檢修到精準檢修的轉變。