基于Flownex的數(shù)字孿生體解決方案（下）
在《數(shù)字孿生體技術(shù)白皮書》中，我們提出了數(shù)字孿生體的成熟度模型，分為數(shù)化、互動(dòng)、先知、先覺和共智五個(gè)層級(jí)。其中“數(shù)化”是對(duì)物理世界數(shù)字化的過程。這個(gè)過程需要將物理對(duì)象表達(dá)為計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)所能識(shí)別的數(shù)字模型。建模技術(shù)是數(shù)字化的核心技術(shù)之一。
《基于Flownex的數(shù)字孿生體解決方案》是我們最近完成的系列落地方案之一。該方案適用于熱力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)、油氣管網(wǎng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃機(jī)等應(yīng)用場景的數(shù)字孿生體搭建。
《基于Flownex的數(shù)字孿生體解決方案》前期回顧：
在該方案中，使用Flownex所提供的豐富的部件庫來實(shí)現(xiàn)“數(shù)化”的建模過程。下面，對(duì)Flownex所提供的部件庫作簡要介紹。
Flownex所提供的部件庫簡要介紹
1 基本元件庫
Flownex提供了在系統(tǒng)建模時(shí)最常用到的基本元件庫，包括管件、彎頭、閥門、容器、限流器、流阻、節(jié)點(diǎn)和邊界條件、噴管、流量計(jì)、機(jī)械傳動(dòng)等。
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?2 換熱元件庫
Flownex提供了豐富的換熱元件庫，包括導(dǎo)熱（徑向和軸向）、對(duì)流、氣膜冷卻、流體輻射換熱、沖擊對(duì)流換熱、表面輻射換熱等，以及多種類型的熱交換器。
3 旋轉(zhuǎn)元件庫
Flownex提供了專門的旋轉(zhuǎn)元件庫用于計(jì)算旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)的流動(dòng)狀況，包括壓氣機(jī)、渦輪、泵、風(fēng)機(jī)、強(qiáng)制漩渦、自由漩渦、封嚴(yán)篦齒、旋轉(zhuǎn)環(huán)形間隙、旋轉(zhuǎn)通道、旋轉(zhuǎn)孔口、轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子盤腔、轉(zhuǎn)子-靜子盤腔等。
4 控制系統(tǒng)元件庫
Flownex提供了豐富的控制系統(tǒng)元件庫，包括模擬元件（控制器，濾波器，輸入輸出流，數(shù)學(xué)函數(shù)和開關(guān)）、數(shù)字元件（計(jì)數(shù)器，邏輯操作，開關(guān)和定時(shí)器）以及轉(zhuǎn)換器等。
5 電氣系統(tǒng)元件庫
Flownex提供了多種電氣系統(tǒng)中的元件庫，包括輸入元件（發(fā)電機(jī)，馬達(dá)，變壓器等）、輔助元件（基本激勵(lì)，電壓源，同步器等）、節(jié)點(diǎn)（總線，固定電壓節(jié)點(diǎn)等）以及開關(guān)和制動(dòng)器等。
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6 材料物性庫
Flownex提供了豐富的材料物性庫，可以計(jì)算氣體、液體、氣體混合物以及含相變的均勻兩相流的流動(dòng)，還可以計(jì)算氣固、液固耦合換熱。
7 元件特性曲線數(shù)據(jù)庫
Flownex提供了豐富的元件特性曲線數(shù)據(jù)庫，包括壓氣機(jī)、渦輪、泵和閥等的特性曲線。
數(shù)字孿生電廠
燃煤熱電廠是由多個(gè)高溫、高壓的復(fù)雜設(shè)備組成的熱力系統(tǒng)。在電廠運(yùn)行過程中，有很多因素有可能導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降（見表1），帶來運(yùn)行成本的增加。嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致故障或重大安全事故的發(fā)生。如何評(píng)估各種因素對(duì)燃煤電廠熱效率或安全運(yùn)行的影響，并對(duì)這些影響進(jìn)行量化，以便在停機(jī)維修時(shí)改善這些可能的因素，從整體上提升電廠的效率和安全性，是目前大多數(shù)電廠遇到的挑戰(zhàn)之一。
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*環(huán)境條件變化。
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*冷卻塔性能下降。
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*冷凝器性能下降。
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*冷凝器進(jìn)氣。
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*主冷凝器管堵塞。
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*給水加熱器啟用。
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*冷卻泵停用。
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*汽輪機(jī)效率損失。
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*送風(fēng)機(jī)容量不足。
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*引風(fēng)機(jī)容量不足。
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*煤質(zhì)。
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*燃燒效率。
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*噴水系統(tǒng)。
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*吹灰。
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*空預(yù)器泄漏。
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*空預(yù)器壓力下降。
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*空預(yù)器結(jié)垢。
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*煙氣泄漏。
有可能導(dǎo)致電廠運(yùn)行效率下降或故障的因素列表
1 解決方案
創(chuàng)建一個(gè)可以完全鏡像電廠運(yùn)行狀況的數(shù)字孿生體，是解決上述挑戰(zhàn)的有效方案。數(shù)字孿生電廠的基線基于原始設(shè)計(jì)條件，但此后可以根據(jù)現(xiàn)有電廠工況進(jìn)行調(diào)整。在數(shù)字孿生體中，可以將不同“版本”的工況放置在一起，通過對(duì)比，量化出更改條件帶來的影響。數(shù)字孿生體能夠完成如下工作：
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在發(fā)生故障之前準(zhǔn)確預(yù)測電廠的性能。
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基于系統(tǒng)約束，提前給出建議，更好地管理故障和系統(tǒng)瓶頸的影響。
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為電廠預(yù)期維修或停機(jī)工作提供前瞻性指導(dǎo)。
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執(zhí)行量身定制的工作范圍并評(píng)估停機(jī)后的工作優(yōu)先順序，以最少的維護(hù)量獲得效率的提升。
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2 熱電廠的數(shù)字孿生體
熱電廠的數(shù)字孿生體架構(gòu)包括熱電廠的物理設(shè)備、數(shù)字孿生設(shè)備、測量與控制設(shè)備、以及包含了人機(jī)界面的用戶域。如圖1所示。
圖1 熱電廠數(shù)字孿生體架構(gòu)
圖2顯示了燃煤電廠的示意圖。數(shù)字孿生體中包括了各個(gè)子系統(tǒng)的所有綜合傳熱和流體流動(dòng)行為。為了開發(fā)基線，需要使用一系列數(shù)據(jù)表，例如原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)，風(fēng)機(jī)和水泵曲線，空預(yù)器，鍋爐，煙氣凈化器，汽輪機(jī)，給水加熱器，泵，冷凝器和冷卻塔。
圖2 燃煤電廠過程示意圖
?圖3是在Flownex®中創(chuàng)建的熱電廠數(shù)字孿生體網(wǎng)絡(luò)模型。燃煤電廠的數(shù)字孿生體完成后，每個(gè)故障或缺陷對(duì)熱性能的影響為可通過以下方式進(jìn)行評(píng)估：
步驟1：建立基準(zhǔn)。
步驟2：引入電廠測量的缺陷數(shù)據(jù)。
步驟3：求解數(shù)字孿生體模型，允許控制系統(tǒng)調(diào)整設(shè)定點(diǎn)的參數(shù)。
步驟4：記錄過程條件并與基線進(jìn)行比較
圖3 燃煤電廠的數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)模型
3 運(yùn)行實(shí)例
利用上述熱電廠數(shù)字孿生體，評(píng)估冷凝器管內(nèi)結(jié)垢的影響。結(jié)垢會(huì)增加傳熱阻力，從而導(dǎo)致主冷凝器背壓升高。因此，必須增加煤粉量以補(bǔ)償熱效率的損失，這帶來了可量化的更高的運(yùn)營成本。從電廠到冷凝系統(tǒng)工程師所獲得的信息是，由于化學(xué)部門對(duì)水質(zhì)的管理不善周末停機(jī)期間，測量得到的主冷凝器管內(nèi)的水垢積聚為437.5μm。
通過運(yùn)行在Flownex®中創(chuàng)建的數(shù)字孿生體，得到冷凝器管內(nèi)水垢帶來了表2中的結(jié)果。
表2模擬結(jié)果匯總
從結(jié)果可以確定，水垢對(duì)主冷凝器背壓有負(fù)面影響，從而降低了汽輪機(jī)的效率。效率損失約為1.2％，需要多燒煤8.2千克/秒。運(yùn)行成本的增加讓系統(tǒng)工程師意識(shí)到冷凝器的清潔以及對(duì)冷卻水循環(huán)化學(xué)處理進(jìn)行適當(dāng)管理的重要性。
4 結(jié)論
通過使用Flownex®中燃煤電廠的數(shù)字孿生體進(jìn)行的研究，量化了冷凝器在管內(nèi)結(jié)垢對(duì)電廠熱性能的影響。使用Flownex®量化了補(bǔ)償效率損失的額外燃煤量，系統(tǒng)工程師據(jù)此來考慮下一次停機(jī)時(shí)對(duì)主冷凝器清潔的必要性。盡管本案例研究了一個(gè)子系統(tǒng)中的單個(gè)缺陷，也可以使用Flownex®評(píng)估其它子系統(tǒng)的缺陷。電廠的數(shù)字孿生體還能夠?yàn)槠渌到y(tǒng)工程師提供有價(jià)值的信息，并且與工程管理人員一起，優(yōu)先制定工作范圍，以便在下一次電廠停機(jī)維護(hù)時(shí)，獲得最大的長期收益。
