基于数字孪生的电站锅炉可视化安全预控系统研究

中电华创电力技术研究有限公司 徐 威 俞卫新 江苏常熟发电有限公司 薛建强 许文彦 北京必可测科技股份有限公司 曹 鑫 高文蒂

火力发电站锅炉受热面泄漏是造成机组非计划停机的主要原因之一，今天对于锅炉四管泄露的原因已有较深切认识，对于四管泄露也有了相应的管理制度和预防措施。。锅炉四管泄漏事故的预防，主要随着机组检修时间段内对锅炉受热面管道实行深入检验检测，在发现问题时及时进行消缺处理，但四大管道在日常检修中，存在着“检”不全面、存在盲点，“修”不到位、遗留缺陷的问题。因此如何把锅炉安全预控工作做好，充分利用检修期对锅炉四管开展精细化检修就显得非常关键[1-2]。

1 系统总体设计

基于数字孪生的电站锅炉可视化安全预控系统，是利用数字孪生和可视化技术，对电站锅炉进行三维建模，实时直观展示锅炉受热面布置情况，并将受热面管材数据、金属检验检测数据、SIS 系统中锅炉壁温实时监测数据等关联到三维模型中，建立电站锅炉的数字孪生体，对设备进行精细化管理的一种新技术。

利用所建立的电站锅炉数字孪生模型，对受热面的运行状态进行实时监测、异动预警和长周期趋势分析，通过对所监测受热面的重要程度、超温情况、劣化趋势等数据进行分析，确定该处设备的安全风险等级并提出相应的运行维护建议，指导锅炉受热面检修与金属检验检测工作的开展。利用人机交互技术，将锅炉受热面检修工作中发现的问题与最新的管材数据等反馈到系统中，将受热面壁厚情况、减薄分布等更新到系统的知识库，为进一步做好锅炉四管泄漏安全预控工作打下数字基础（图1）。

图1 系统逻辑架构图

2 锅炉三维建模

该系统以所建模的锅炉图纸为基础，以台账设备树为支撑，结合现场实际管道的布置，根据现有的三维数字化建模技术，将锅炉受热面中各主要部件及零件单独进行三维模型建模，然后拼装组合成完整锅炉。通过对锅炉中需要监督的设备、部件及零件进行三维建模实现将所需要监测的设备以三维立体图形展示，并用颜色将不同的区域及不同的管道材质进行区分，然后在设备台账录入的基础上实现三维模型所有设备信息与台账一致，完成数据对接，最后实现防磨防爆的可视化管理。

利用三维建模并结合可视化技术对电站锅炉进行数字孪生再现，可直观展示锅炉当前运行状态与历史数据统计分析情况。当前运行状态存在受热面超温等异常情况时，系统会高亮闪烁并报警异常区域，便于技术人员第一时间发现异常受热面；可单独选取受热面各区域，查看当前区域的详细信息，包括管道材质使用情况、检修记录、金属检验检测记录等。利用各类图表，对电站锅炉超温统计情况、壁厚减薄分布、金属检验检测情况等进行图表化展示，将锅炉防磨防爆重点工作进行可视化管理，做到对当前锅炉设备的各类信息一目了然。

3 受热面状态监测及设备管控

通过数字孪生与可视化技术，将电厂SIS 系统中壁温测点关联预置在建立的锅炉三维模型中，实现管道与测点的一一对应关系，获取锅炉受热面的壁温测点的实时数据，结合管道的尺寸以及材质等设备主要参数设置报警阈值，用列表和曲线图谱等形式进行数据展示实时反映测点及设备状态等信息，采用多级报警的模式将报警信息告知相关技术人员，并提供相应的运行参数、报警描述及维修建议。

系统对锅炉受热面状态进行报表管理，可选定时间段对各区域的超温次数、超温时长、壁厚减薄程度等指标进行统计分析，从较长时间维度上监测各指标的变化趋势。系统将两个或多个具备相关性的指标进行关联分析，设置受热面劣化上限，当有指标超过预设的劣化极限时系统会自动推送劣化预警，对由某一指标变化即将带来的缺陷进行提取告知，对某些深层次隐藏缺陷提前预警，加强人工干预规避事故的发生。结合综合评估信息可评估出该部件的状态信息，包括健康状态、部件风险等级、锅炉管在线稳定性及耐久性等，指导检修工作重点关注该部位，合理分配检修资源。

系统管理员可将火电厂内的关于金属监督、防磨防爆及滚动检修等计划项目进行定制化植入，用户可在此基础上直观的进行计划制定、记录信息录入及检查检修进度并进行跟踪，也可通过系统观察记录汇总、完成缺陷管理、实现金检闭环总结等工作，设备管理人员可根据时间、人员情况合理分配检修工作，制定专项检修计划，为实现全局把控整个金检过程，优化检修资源，需检验的零件做到不过检、失检。此外结合历次检查发现受热面缺陷的跟踪信息、已发生缺陷的危险信息、机组运行报警信息等，以金属监督工作国家和行业标准及规则为基础，以建立的设备台账树为媒介，系统自动智能化生成大、小检修计划。

系统设置各类金属检验检测及防磨防爆记录录入模块，用户可在该模块进行各类检验数据的录入，从而实现现场检查及消缺过程所得结果（数据、图片等）的快速录入以及生成相关检查报告的功能。同时系统使用数据库的高智能检索功能在金属检验数据库的基础上自动将历次的检查详情通过一定方式进行科学的总结，总结信息包含时长、所有设备信息、项目总数、项目完成率、缺陷项总结、消缺率、各类缺陷分布及参与人员与队伍详情，总结信息与三维图形进行关联，历次检查的工作内容以及目前设备现状将一目了然。系统也可实现跟踪金属检验了解详细情况，并将总结信息随检修进度以及当前工作任务的完成实时更新，从而实现改变目前的金属监督及检验的管理体系及模式，大幅度提高检修工作效率。

系统利用网络、数据库等信息化方式，建立锅炉运行维护、风险预控及安全管理体系，通过用户授权等功能实现用户关系管理将管理的责任准确的落实到责任人。通过梳理锅炉防磨防爆和金属检验工作的主要环节，使用数字化进行锅炉相关信息实时跟踪，建立起锅炉长时间运行和检修信息，为超前控制风险提供基础数据。

4 结语

通过基于数字孪生的电站锅炉可视化安全预控系统的研究，搭建了锅炉三维模型，利用数字孪生技术，将各类信息关联到模型中，实现设备的数字化管理；结合可视化技术，将各类信息用图形、图表的方式展现，便于技术人员直观、及时地了解设备状况；通过大数据分析，对锅炉受热面运行状况进行在线监测，提供运行、维护与检修建议，指导电厂锅炉防磨防爆管理工作，减少锅炉四管泄漏的发生，实现锅炉四管安全预控管理，实现计划检修到精准检修的转变。