上海上電漕涇發(fā)電有限公司 曹衛(wèi)峰 徐 開 劉偉平 祝雷淵

1 引言

我國“雙碳”目標的提出，新能源正在迅猛的發(fā)展，對火電調(diào)峰電源的需求逐年升高，為能源電力行業(yè)發(fā)展帶來了深刻的變革[1]。上海上電漕涇發(fā)電有限公司2臺1000MW機組未來將會持續(xù)低負荷運行，深度調(diào)峰將成為常態(tài)。

調(diào)峰會導致機組頻繁啟動及大范圍負荷變動，高溫高壓部件要經(jīng)常承受大幅度的溫度和壓力變化，使其產(chǎn)生交變熱應力，導致低周疲勞損傷。在這種工況下，機組壽命損耗增加較多，燃料損耗也增加很多，這些都直接影響著機組運行的安全性和經(jīng)濟性。

1#和2#機組高溫高壓設(shè)備日常檢測和維護工作量龐大。自機組投運以來，設(shè)備管理和維護數(shù)據(jù)的保存和處理主要是靠文檔記錄。日常的檢測報告、數(shù)據(jù)、更換記錄等都是以紙質(zhì)的方式保存。這種記錄方式有很大的局限性，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)分散，不能保證一致性，缺少對比性和預測性。不能直觀的去查看設(shè)備，很難從大量數(shù)字中識別出關(guān)鍵信息，難以滿足設(shè)備管理和維護的需要。

為此、有必要對高溫高壓部件制定統(tǒng)一的數(shù)字化管理[2]，以三維模式顯示部件的位置、結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，將設(shè)備狀態(tài)信息和三維模型關(guān)聯(lián)。借助三維可視化技術(shù)，建立所有設(shè)備部件的模型，然后將設(shè)備檢測數(shù)據(jù)映射到三維模型中，實現(xiàn)設(shè)備的數(shù)字孿生。用不同的顏色代表部件的缺陷狀況、安全程度，可以非常簡單明了的反映出高溫高壓設(shè)備總體部件的狀態(tài)分布。日常檢修中根據(jù)三維系統(tǒng)的狀態(tài)分布和提醒，有針對性的加強監(jiān)督和減少檢修[3]，可以達到設(shè)備的優(yōu)化檢修。

2 研究內(nèi)容

2.1 高性能三維顯示平臺開發(fā)

三維仿真技術(shù)充分利用了空間的第三個維度，相對傳統(tǒng)二維顯示方式具備更強的信息表達能力，能更高效、直觀地表達設(shè)備的大量數(shù)據(jù)，便于迅速了解當前設(shè)備中存在的問題及其程度，對設(shè)備運行有整體的把握。最近幾年，隨著三維數(shù)字化計算機技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外掀起了一陣智慧電廠的熱潮。多個單位研究開展了各種智慧電廠項目，實現(xiàn)了三維數(shù)字化電廠管理。國內(nèi)大部分三維數(shù)字化電廠項目應用的都是游戲引擎，由國外廠家開發(fā)和享有知識產(chǎn)權(quán)。漕涇電廠1000MW機組設(shè)備復雜、數(shù)量繁多，游戲引擎無法高效展示全廠零件級大規(guī)模模型數(shù)據(jù)。所以，需要研究與開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能三維客戶端。

2.2 大規(guī)模部件建模技術(shù)研究

鍋爐受熱面每屏由不同材質(zhì)、不同規(guī)格管道組成；大口徑管道由彎頭、直管、三通、支吊架組成；閥門由閥桿、螺栓、密封面等組成；汽輪機、風機、磨煤機、給煤機、脫硫和脫銷設(shè)備等都由大量的零部件組成。全廠2臺機組高溫高壓部件每個零件制作成三維模型后，統(tǒng)一裝配成設(shè)備模型，會形成非常龐大模型數(shù)據(jù)，難以快速在日常PC機上流暢運行。為此需要研究部件參數(shù)化建模，縮短建模時間；建模后研究開發(fā)模型壓縮工具，大比例減少模型占用空間。實現(xiàn)大規(guī)模模型數(shù)據(jù)在三維平臺中的高效運行。

2.3 基于大數(shù)據(jù)算法研究

高溫高壓設(shè)備是日常監(jiān)督的重點監(jiān)測對象。監(jiān)督重點內(nèi)容為無損檢測（包括表面磁粉MT、超聲波UT、射線RT等），以及其材料性能的檢測（包括硬度、厚度、金相、不圓度和蠕脹測量等）。機組自投運以來，歷次對高溫高壓部件的檢修，已經(jīng)積累了相當規(guī)模的數(shù)據(jù)。大量的壁厚、硬度、金相、不圓度、蠕變、UT、MT等檢測數(shù)據(jù)分散在各個不同檢測單位的紙質(zhì)報告中。通過對歷年檢測數(shù)據(jù)數(shù)字化，對歷史檢測數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，建立設(shè)備性能變化模型，提前預測設(shè)備未來發(fā)展趨勢，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)基于大數(shù)據(jù)的深度分析和設(shè)備狀態(tài)的預測。

3 技術(shù)路線

3.1 可視化三維平臺開發(fā)

三維可視化平臺在全球開源庫OSG基礎(chǔ)上開發(fā)，OSG全稱Open Scene Graph，是一個開放源碼，跨平臺的圖形開發(fā)包，為科學計算可視化這樣的高性能圖形應用程序開發(fā)而設(shè)計。其基于場景圖的概念，提供一個在OpenGL之上的面向?qū)ο蟮目蚣堋Ｍ耆蓸藴蔆++程序和OpenGL編寫，充分利用STL和設(shè)計模式，發(fā)揮開源開發(fā)模型的優(yōu)勢來提供一個免費的開發(fā)庫，并且重點集中在用戶的需求上。OSG的關(guān)鍵優(yōu)勢在于它的性能、可擴展性、可移植性和快速開發(fā)。能夠更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序?；贠SG的三維可視化系統(tǒng),實現(xiàn)了場景的模型編輯、模型和性能數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、多視角觀察、自定義漫游器、天空盒和環(huán)境模擬等功能[4]。

3.2 全廠精細化模型設(shè)計

根據(jù)電廠廠區(qū)設(shè)計圖紙，結(jié)合現(xiàn)場測繪、通過專業(yè)的場景設(shè)計軟件，建立廠區(qū)場景模型。在三維設(shè)計軟件中按照嚴格尺寸建立高溫高壓零部件模型，然后對零部件進行裝配，形成完整的高溫高壓設(shè)備部件的孿生虛擬體。下圖1至圖6模型全部精細化為每個零件，完全實現(xiàn)和現(xiàn)場模型一致。針對大規(guī)模數(shù)據(jù)，開發(fā)大數(shù)據(jù)量模型實時轉(zhuǎn)換平臺，通過設(shè)計數(shù)據(jù)重用，直接解析模型幾何特征和屬性，采用輕量化方式重組可視化模型，支持整個設(shè)備模型數(shù)據(jù)的全部導入。同時將零部件設(shè)計屬性、工藝信息等采用外接離線文件方式存儲，減少了實時渲染的模型數(shù)據(jù)量，方便了屬性和工藝信息的編輯、修改等操作。

圖1 鍋爐受熱面模型

圖2 四大管道模型

圖3 汽輪發(fā)電機模型

圖4 制粉系統(tǒng)模型

圖5 風機模型

圖6 脫硫模型

3.3 高溫高壓設(shè)備數(shù)據(jù)庫建設(shè)

通過對全廠高溫高壓設(shè)備進行分類管理，建立了鍋爐、四大管道、汽輪發(fā)電機、風機、制粉系統(tǒng)、脫硫脫硝等模塊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。將管件、吊架、閥門、葉片、轉(zhuǎn)子、螺栓、皮帶、催化劑等部件建立結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括：規(guī)格尺寸、材料性能、運行溫度、壓力等；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括：檢修記錄、缺陷處理記錄、報告、圖紙、金屬監(jiān)督標準等。

3.4 基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)預測性算法設(shè)計

高溫高壓部件部分性能在安裝時是一個確定的值，日后隨著運行時間的增加，其性能逐漸下降。以管道壁厚為例，在管道運行中，引起管道壁厚的主要是蒸汽的沖刷和管道檢測打磨產(chǎn)生壁厚減薄。所以通過管道原始壁厚、離線檢測數(shù)據(jù)和機組運行時間，可以建立起管道壁厚和機組運行時間的量化方程式。

可以定義厚度（h）和運行時間（x）函數(shù)模型如下：

通過回歸分析，可以得出厚度和時間的最佳回歸線，從而預測壁厚未來發(fā)展趨勢。同樣方法建立硬度、不圓度、蠕變等數(shù)據(jù)線性回歸機器學習模型。下圖7和圖8分別為厚度和硬度的分布和預測曲線圖。

圖7 厚度預測

圖8 硬度預測

對于高溫高壓非靜定結(jié)構(gòu)的管道系統(tǒng)，采用有限元方法，將自重、吊架反力、溫度、壓力、端口位移等作為邊界條件，建立單元的剛度矩陣，組集單元形成平衡方程：

其中K為剛度矩陣，D為自由剛度度，R為節(jié)點載荷。利用矩陣方程的稀疏性，求解方程組，從而得出單元位移和應力。圖9為計算模型，圖10為應力分析結(jié)果圖表。

圖9 結(jié)構(gòu)計算模型

圖10 應力實時分析

通過對歷次無損檢測數(shù)據(jù)分析，確定并表征缺陷尺寸；通過應力計算得出缺陷部位的應力變化范圍，結(jié)合材料的機械性能，對現(xiàn)有缺陷進行安全評定和裂紋擴展壽命的計算。避免管道部件由于任何裂紋等缺陷導致設(shè)備的故障。針對缺陷進行斷裂和塑性失效評定方法程序，只考慮體積缺陷，體積型缺陷的疲勞評定按下列步驟進行：缺陷表征；應力變化范圍的確定；免于疲勞評定的判別；使用工況所要求承受的疲勞強度參量確定；容許承受的疲勞強度參量的確定；疲勞安全性評價[5]。

針對每個高溫高壓部件，對影響其安全性的多個性能進行量化評估。設(shè)計基于大數(shù)據(jù)的分析優(yōu)化程序，結(jié)合其應力分析、材料性能、基礎(chǔ)屬性和歷次檢修數(shù)據(jù)，分析預測高溫高壓設(shè)備部件隨著機組運行帶來的未來性能變化趨勢，實時給出每個部件的健康指標，根據(jù)健康指標實現(xiàn)智能優(yōu)化檢修，避免檢修欠修和過修，保證部件在電廠全壽期內(nèi)的安全監(jiān)督。

4 結(jié)語

建立1#和2#機組高溫高壓設(shè)備部件基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)預測性維護系統(tǒng)，實現(xiàn)了對高溫高壓設(shè)備的數(shù)字化精細化管理。系統(tǒng)可以有針對性制定檢修方案，減少檢修項目，縮短檢修時間，減少檢修人員，節(jié)約檢修費用。在電廠層面，運用系統(tǒng)可實現(xiàn)資料數(shù)字化管理、應力計算實時化，人員和設(shè)備管理精細化，大幅提升電廠高溫高壓設(shè)備管理水平。