在《基於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。該方案適用於熱力系統、冷卻系統、通風空調、油氣管網、航空發動機與燃機等應用場景的數字孿生體搭建。本文介紹該方案在熱電廠數字孿生體中的應用實例。
背景與挑戰
燃煤熱電廠是由多個高溫、高壓的複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，並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之一。
l 環境條件變化。
l 冷卻塔性能下降。
l 冷凝器性能下降。
l 冷凝器進氣。
l 主冷凝器管堵塞。
l 給水加熱器啟用。
l 冷卻泵停用。
l 汽輪機效率損失。
l 送風機容量不足。
l 引風機容量不足。
l 煤質。
l 燃燒效率。
l 噴水系統。
l 吹灰。
l 空預器洩漏。
l 空預器壓力下降。
l 空預器結垢。
l 煙氣洩漏。
有可能導致電廠運行效率下降或故障的因素
解決方案
創建一個可以完全鏡像電廠運行狀況的數字孿生體，是解決上述挑戰的有效方案。數字孿生電廠的基線基於原始設計條件，但此後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：
在發生故障之前準確預測電廠的性能。
基於系統約束，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。
執行量身定製的工作範圍並評估停機後的工作優先順序，以最少的維護量獲得效率的提升。
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，煙氣淨化器，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後，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：記錄過程條件並與基線進行比較
圖3 燃煤電廠的數字孿生網絡模型
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，由於化學部門對水質的管理不善週末停機期間，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模擬結果彙總
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化學處理進行適當管理的重要性。
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。儘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，並且與工程管理人員一起，優先制定工作範圍，以便在下一次電廠停機維護時，獲得最大的長期收益。
楊振亞，安世亞太公司仿真業務部總經理，中國化工學會過程模擬及仿真專業委員會委員。
長期從事計算機輔助設計（CAE）軟件的技術支持、項目諮詢和產品管理工作，在仿真軟件（Fluent，CFX，Flownex，Twinmesh，Rocky等）的技術應用方面積累了豐富的經驗。
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