基于Flownex的數字孿生體解決方案（下）
在《數字孿生體技術白皮書》中，我們提出了數字孿生體的成熟度模型，分為數化、互動、先知、先覺和共智五個層級。其中“數化”是對物理世界數字化的過程。這個過程需要將物理對象表達為計算機和網絡所能識別的數字模型。建模技術是數字化的核心技術之一。
《基于Flownex的數字孿生體解決方案》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、冷卻系統、通風空調、油氣管網、航空發(fā)動機與燃機等應用場景的數字孿生體搭建。
《基于Flownex的數字孿生體解決方案》前期回顧：
在該方案中，使用Flownex所提供的豐富的部件庫來實現“數化”的建模過程。下面，對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提供了在系統建模時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)點和邊界條件、噴管、流量計、機械傳動等。
??
?
?2 換熱元件庫
Flownex提供了豐富的換熱元件庫，包括導熱（徑向和軸向）、對流、氣膜冷卻、流體輻射換熱、沖擊對流換熱、表面輻射換熱等，以及多種類型的熱交換器。
3 旋轉元件庫
Flownex提供了專門的旋轉元件庫用于計算旋轉機械內的流動狀況，包括壓氣機、渦輪、泵、風機、強制漩渦、自由漩渦、封嚴篦齒、旋轉環(huán)形間隙、旋轉通道、旋轉孔口、轉子-轉子盤腔、轉子-靜子盤腔等。
4 控制系統元件庫
Flownex提供了豐富的控制系統元件庫，包括模擬元件（控制器，濾波器，輸入輸出流，數學函數和開關）、數字元件（計數器，邏輯操作，開關和定時器）以及轉換器等。
5 電氣系統元件庫
Flownex提供了多種電氣系統中的元件庫，包括輸入元件（發(fā)電機，馬達，變壓器等）、輔助元件（基本激勵，電壓源，同步器等）、節(jié)點（總線，固定電壓節(jié)點等）以及開關和制動器等。
?
6 材料物性庫
Flownex提供了豐富的材料物性庫，可以計算氣體、液體、氣體混合物以及含相變的均勻兩相流的流動，還可以計算氣固、液固耦合換熱。
7 元件特性曲線數據庫
Flownex提供了豐富的元件特性曲線數據庫，包括壓氣機、渦輪、泵和閥等的特性曲線。
數字孿生電廠
燃煤熱電廠是由多個高溫、高壓的復雜設備組成的熱力系統。在電廠運行過程中，有很多因素有可能導致系統效率下降（見表1），帶來運行成本的增加。嚴重的情況會導致故障或重大安全事故的發(fā)生。如何評估各種因素對燃煤電廠熱效率或安全運行的影響，并對這些影響進行量化，以便在停機維修時改善這些可能的因素，從整體上提升電廠的效率和安全性，是目前大多數電廠遇到的挑戰(zhàn)之一。
-
*環(huán)境條件變化。
-
*冷卻塔性能下降。
-
*冷凝器性能下降。
-
*冷凝器進氣。
-
*主冷凝器管堵塞。
-
*給水加熱器啟用。
-
*冷卻泵停用。
-
*汽輪機效率損失。
-
*送風機容量不足。
-
*引風機容量不足。
-
*煤質。
-
*燃燒效率。
-
*噴水系統。
-
*吹灰。
-
*空預器泄漏。
-
*空預器壓力下降。
-
*空預器結垢。
-
*煙氣泄漏。
有可能導致電廠運行效率下降或故障的因素列表
1 解決方案
創(chuàng)建一個可以完全鏡像電廠運行狀況的數字孿生體，是解決上述挑戰(zhàn)的有效方案。數字孿生電廠的基線基于原始設計條件，但此后可以根據現有電廠工況進行調整。在數字孿生體中，可以將不同“版本”的工況放置在一起，通過對比，量化出更改條件帶來的影響。數字孿生體能夠完成如下工作：
-
在發(fā)生故障之前準確預測電廠的性能。
-
基于系統約束，提前給出建議，更好地管理故障和系統瓶頸的影響。
-
為電廠預期維修或停機工作提供前瞻性指導。
-
執(zhí)行量身定制的工作范圍并評估停機后的工作優(yōu)先順序，以最少的維護量獲得效率的提升。
-
2 熱電廠的數字孿生體
熱電廠的數字孿生體架構包括熱電廠的物理設備、數字孿生設備、測量與控制設備、以及包含了人機界面的用戶域。如圖1所示。
圖1 熱電廠數字孿生體架構
圖2顯示了燃煤電廠的示意圖。數字孿生體中包括了各個子系統的所有綜合傳熱和流體流動行為。為了開發(fā)基線，需要使用一系列數據表，例如原始設計數據，測試數據，風機和水泵曲線，空預器，鍋爐，煙氣凈化器，汽輪機，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)建的熱電廠數字孿生體網絡模型。燃煤電廠的數字孿生體完成后，每個故障或缺陷對熱性能的影響為可通過以下方式進行評估：
步驟1：建立基準。
步驟2：引入電廠測量的缺陷數據。
步驟3：求解數字孿生體模型，允許控制系統調整設定點的參數。
步驟4：記錄過程條件并與基線進行比較
圖3 燃煤電廠的數字孿生網絡模型
3 運行實例
利用上述熱電廠數字孿生體，評估冷凝器管內結垢的影響。結垢會增加傳熱阻力，從而導致主冷凝器背壓升高。因此，必須增加煤粉量以補償熱效率的損失，這帶來了可量化的更高的運營成本。從電廠到冷凝系統工程師所獲得的信息是，由于化學部門對水質的管理不善周末停機期間，測量得到的主冷凝器管內的水垢積聚為437.5μm。
通過運行在Flownex®中創(chuàng)建的數字孿生體，得到冷凝器管內水垢帶來了表2中的結果。
表2模擬結果匯總
從結果可以確定，水垢對主冷凝器背壓有負面影響，從而降低了汽輪機的效率。效率損失約為1.2％，需要多燒煤8.2千克/秒。運行成本的增加讓系統工程師意識到冷凝器的清潔以及對冷卻水循環(huán)化學處理進行適當管理的重要性。
4 結論
通過使用Flownex®中燃煤電廠的數字孿生體進行的研究，量化了冷凝器在管內結垢對電廠熱性能的影響。使用Flownex®量化了補償效率損失的額外燃煤量，系統工程師據此來考慮下一次停機時對主冷凝器清潔的必要性。盡管本案例研究了一個子系統中的單個缺陷，也可以使用Flownex®評估其它子系統的缺陷。電廠的數字孿生體還能夠為其他系統工程師提供有價值的信息，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維護時，獲得最大的長期收益。
