百万机组四大管道及支吊架三维可视化量化管理平台开发.pdf

自动化技术与应用 Automation Technology and Application68 今日制造与升级 2023.60引言随着我国电力体制改革的深化和行业市场经济的逐步形成与发展，在“双碳”目标、节能减排、提质增效的背景下，发电企业正大力发展设备信息化管理，积极发展智慧化电站1-2。目前主流电厂的大多设备属于高温高压，且结构复杂，部件繁多，机组参数的不断提高使得机组运行中产生的数据种类和数量都大大增加3。管道及支吊架是管道系统的重要承载元件，如果管道支吊架不能承受管道所承受的荷载，无法对管系的热膨胀进行有效控制，将导致管道的应力将迅速恶化，缩短管道寿命，增大管道开裂风险，严重影响管道的应力安全4-5。而目前对于管道支吊架的管理处于粗放阶段，相关基础信息、检验信息、过程管理文件等资料均由人工收集、检查、处理，容易导致数据丢失、处理不及时、大量数据沉睡等问题6。为此，针对某百万机组开发了四大管道及支吊架三维可视化量化管理平台（以下简称“三维可视化平台”），实现了数据的可视化管理，同时三维可视化平台内嵌了量化评估系统，实现了管道应力安全的量化管理。三维可视化平台预留了受热面焊缝、集箱等设备的数据接口，可接入设备的实时监测数据，具备良好的拓展性。三维可视化平台可以监测管道和支吊架的运行状态，提高管道和支吊架的可靠性，对于管道和支吊架的检修、运行和维护均具有重要的意义。1 三维可视化模型根据厂区设计图纸，结合现场测绘、通过专业的场景设计软件，建立了百万机组塔式炉机组的三维可视化模型。1.1 管道及支吊架三维可视化模型建立了四大管道及支吊架的全尺寸1 1比例的三维可视化模型（图1），支吊架模型包括刚性吊架、弹簧吊架、恒力吊架、阻尼器和限位器等。在三维设计软件中按照严格尺寸建立模型零部件，然后对零部件进行装配，形成完整的四大管道和支吊架部件的孪生虚拟体。图1 管道及支吊架三维模型1.2 厂区及其他设备三维可视化模型为保持模型的整体协调，同步建立了厂区重要厂房的轮廓（图2）。同时三维可视化平台具备良好的拓展性，因此同步建立了管道元件模型（图3），包括焊缝、弯头、直管、三通和大小头等，三维模型中每一段管件、支吊架等部件分别映射了相关数据库，方便进行相关操作。图2 全厂区三维可视化模型摘要管道与支吊架是高参数机组的重要承载部件，直接影响高参数管道的应力安全。针对目前管道支吊架管理粗放的问题，开发了某百万机组四大管道支吊架三维可视化平台，实现了数据的可视化管理，同时三维可视化平台内嵌了量化评估系统，实现了安全的量化管理。三维可视化量化管理平台预留了受热面焊缝、集箱等设备接口，可接入设备的实时监测数据，具备良好的拓展性。本平台可以监测管道和支吊架的运行状态，提高管道和支吊架的可靠性，对于管道和支吊架的检修、运行和维护均具有重要的意义。关键词三维可视化；量化评估；管理平台；百万机组；支吊架中图分类号TM621 文献标志码A百万机组四大管道及支吊架三维 可视化量化管理平台开发尹刚1，孙中元2，吴海洋2，李洋2（1.国能浙江宁海发电有限公司，浙江宁波315612；2.苏州热工研究院有限公司，江苏苏州215004）自动化技术与应用 Automation Technology and Application2023.6 今日制造与升级 69图3 管道元件三维可视化模型2 数据管理系统为便于三维可视化模型的升级与管理，将管理对象（如支吊架、焊缝等）的相关数据分为了基础信息数据库、检修信息数据库、健康评估数据库、在线监测数据库，建立了数据管理系统7。2.1 管道元件基础信息数据库根据电厂基建开始形成的图纸资料以及在运行过程中进行的维护资料，建立了所有类型支吊架的基础信息数据库。该数据库收集了四大管道等主管道及支吊架部件的材料、结构、运行位移、载荷等基本参数信息。同时建立了虚拟档案室，将对应的图纸、产品手册、安装记录等原始文件映射至虚拟档案室，便于后期查阅。为保证平台的拓展性，同步建立了管道其他元件的基础信息数据库，包含温度、材料等基础信息，如图4所示。图4 管道元件基础信息数据库2.2 检修信息数据库检修信息数据库包含了对象检修信息，同时预留若干字段，用于后续的升级。检修信息包括历次检修记录和维护数据、后续检修计划、内部自检记录、重要缺陷滚动报警等。因此应在设备检修完毕后，将检修数据规格化处理，以便导入信息管理数据库（图5）。弯头、焊缝等管道元件的金属检验结果是管道检验的重要检验数据，为此建立了硬度、金相、无损检测等金属检验数据库（图6）。根据相关标准、规范中对对象的管理要求，结合生产需要和运行反馈，对每一个管理对象制定了检验周期与计划，即建立了在役检查大纲。其中检查大纲可根据需要进行不定期修正。赋予每个管理对象在役检查大纲的属性后，可以在日常维护以及检修前，准确、快速列出需检验的清单，防止错漏。2.3 健康评估数据库对每个对象建立了健康评估数据库，包含了相关健康评估结果数据，可以对每个对象进行精细化管理。其中健康评估结果数据来自于量化评估模型。2.4 在线监测数据预留了每个对象的监测数据库，便于后续接入设备在线监测系统。目前监测数据为空白。3 量化评估模型按照相关规范要求，一般通过一次应力和二次应力来评估高参数管道的结构应力安全。一次应力指管道承受内压和持续外载（包括自重和支吊架反力等）产生的应力。二次应力指管道由于热胀冷缩等变形受约束而产生的应图5 检修数据库（a）探伤（b）硬度图6 金属检验数据库自动化技术与应用 Automation Technology and Application70 今日制造与升级 2023.6力，即热胀当量应力或称热胀应力范围8。管道系统往往比较复杂，因此在进行分析计算时将管道划分一定的计算范围，互相连接的各管段构成了独立的计算范围9。采用有限元法方法，将管道分成许多直单元、弯头单元、三通单元，根据力学本构关系，列出了每个单元的作用力与变形之间的矩阵式，利用单元与邻接单元的力的平衡条件和变形连续条件列出整个管系的变形协调方程式。以单元间的连接点的位移为未知数，解得这些节点的位移，从单元的力与变形关系式解得各单元的力、应力和位移。同时根据管道支吊架的实际运行状态，作为边界条件，可分析出管道的实际应力状态。进一步根据管道的实际状态监测数据作为边界条件，可得出管道的实时应力状态。同时，结合管道支吊架的实际运行状态，以对管道的应力安全影响程度为依据，提出了支吊架运行状态的修正因子，对管道应力状态实现了量化评估，如图7所示。图7 管道量化评估4 可视化量化管理平台可视化量化管理平台的系统架构采用了 B/s（网页浏览器）模式结合 C/s（客户端和服务器端）模式实施。系统的所有数据库、专业计算程序、网站程序和服务器端程序全部集中放置在服务器上。整个系统以对象的三维可视化模型为基础，开发了管道支吊架检验与管理模块、无损检测与分析模块、在线监测模块（数据待补充）、量化评估模块，形成了可视化量化管理平台，实现了对每个对象的量化管理。5 结论（1）针对目前对于管道支吊架的管理粗放的问题，开发了百万机组四大管道及支吊架三维可视化量化管理平台，实现了数据的可视化管理。同时，三维可视化平台内嵌了量化评估系统，实现了管道应力安全的量化管理。（2）建立了支吊架、直管、焊缝、弯头、三通等管道元件三维模型，同时预留了大量模块接口，可以方便嵌入或二次开发相应的金属检验、转机部件管理等模块，也可以接入第三方监测数据。因此可以快速拓展为综合展示与健康管理平台，具有良好的发展潜力。（3）本系统作为开放式平台，可以接入其他信息系统，尤其是监测数据，可作为其他监测系统的基础平台，将可视化量化管理平台拓展成健康在线监测平台。（4）本系统能完全适应于其他火电机组，具有广泛的适应性，特别是契合智慧电站的发展需求，具备广阔的推广前景。参考文献1 危元华，任晓东，李智，等.数字化电厂的概念及方案研究J.电力建设，2013，34（4）：51-54.2 张学孟，刘智铭.数字化电厂建设的关键技术及发展J.广东电力，2012，25（9）：35-39，46.3 张轶桀，孙中元，李英，等.大型机组四大管道支吊架预防性检查J.电力安全技术，2014，16（11）：55-56.4 孙利，钱江波.主蒸汽管道支吊架调整及管道应力分析J.热电技术，2005（2）：54-55.5 唐璐，李长宁，李英.某1000MW超超临界机组高温再热蒸汽管道异常膨胀原因探讨J.锅炉技术，2017，48（5）：63-68.6 吕媛，费雪萍.数字化电厂的研究与进展综述J.城市建设理论研究（电子版），2012（35）：1-4.7 唐彬，陈国强，彭行金.基于三维可视化技术的管道和支吊架监测系统的开发和应用J.电力安全技术，2012，14（5）：34-36.8 赵星海，翟松.火电厂高温高压汽水管道动应力分析及优化J.中国电力，2016，49（1）：33-36，43.9 张乐川，胡训栋，李琳.火力发电厂主要管道精确动态分析方法及应用J.发电设备，2011，25（6）：402-407.作者简介尹刚（1971），男，吉林公主岭人，本科，工程师，主要研究方向为锅炉检修管理。