燃煤熱電廠三維可視化管系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

唐 彬，彭行金

（1.上海電力股份有限公司吳涇熱電廠，上海 200241；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240）

0 引言

燃煤電廠的主蒸汽、熱再熱蒸汽、冷再熱蒸汽和高壓給水管道（以下簡(jiǎn)稱四大管道）以及支吊架系統(tǒng)，是電廠安全生產(chǎn)的重要組成部分，也是電廠技術(shù)監(jiān)督的重點(diǎn)。三維可視化技術(shù)是以仿真的方式給用戶創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映監(jiān)測(cè)對(duì)象變化與相互作用的三維虛擬世界，并通過(guò)顯示器等設(shè)備提供用戶一個(gè)交互的三維可視化技術(shù)操作平臺(tái)，使用戶直接參與并探索仿真對(duì)象在所處環(huán)境中的作用與變化［1］。本文結(jié)合三維可視化技術(shù)、管道在線監(jiān)測(cè)功能和支吊架的狀態(tài)計(jì)算，介紹研發(fā)電廠四大管道和支吊架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)路徑以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1 管道在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用服務(wù)器—客戶端（C／S）模式進(jìn)行構(gòu)架。服務(wù)器存儲(chǔ)管道和支吊架的結(jié)構(gòu)、維護(hù)數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算程序，客戶端主要用于三維顯示、用戶和系統(tǒng)的交互。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意，如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)分為離線數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)。離線數(shù)據(jù)包括支吊架和管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)、日常檢測(cè)數(shù)據(jù)等；在線數(shù)據(jù)包括蒸汽管道的溫度、壓力和時(shí)間信息等。通過(guò)三維可視化的交互界面，操作員對(duì)離線數(shù)據(jù)可以進(jìn)行修改和存儲(chǔ)，也可以根據(jù)需要觸發(fā)相關(guān)計(jì)算程序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在線數(shù)據(jù)則通過(guò)測(cè)點(diǎn)直接進(jìn)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算程序可以對(duì)其進(jìn)行調(diào)用和修改。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 監(jiān)測(cè)方式

1.3.1 離線計(jì)算

蒸汽管道長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致支吊架位移偏離設(shè)計(jì)值及部件的失效。所以，對(duì)支吊架進(jìn)行合理調(diào)整，消除存在的缺陷和安全隱患，使管道受力均衡、膨脹自如，可有效延長(zhǎng)管道的使用壽命［2］。對(duì)支吊架的調(diào)整需要對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱管系）進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，以確定支吊架的調(diào)整方法。對(duì)管系的應(yīng)力計(jì)算通常采用專用的應(yīng)力計(jì)算工具進(jìn)行。在本系統(tǒng)中，針對(duì)管道和支吊架系統(tǒng)的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了基于有限元的管系應(yīng)力計(jì)算程序。

1）根據(jù)管道的結(jié)構(gòu)將管道劃分為多個(gè)單元，由力學(xué)平衡原理得出任何一個(gè)AB單元的平衡方程，如式（1）［3］：

式中：K為單元AB的剛度矩陣；T為溫差力矩陣；G為均布載荷矩陣。

根據(jù)單元的節(jié)點(diǎn)作用力P與節(jié)點(diǎn)位移D的基本方程，可以進(jìn)行疊加得出整個(gè)管系中的總體平衡方程，如式（2）：

通過(guò)整體平衡方程即可解出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移和受力。通過(guò)節(jié)點(diǎn)的位移和受力，進(jìn)一步可以算出在支吊架作用下每個(gè)管道單元的應(yīng)力分布，從而對(duì)管道和支吊架進(jìn)行狀態(tài)診斷。

1.3.2 在線監(jiān)測(cè)

管道的溫度和壓力是通過(guò)測(cè)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，經(jīng)過(guò)軟件的篩選和處理進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地將管道的溫度和壓力在三維模型中直接顯示，并通過(guò)計(jì)算將管道的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示。

1.4 構(gòu)建模型

三維可視化模型是系統(tǒng)和用戶交互的核心部分。系統(tǒng)的三維模型主要包括設(shè)施模型、管道模型和支吊架模型的構(gòu)建，如圖2所示。外圍設(shè)施模型采用場(chǎng)景建模軟件建立，然后通過(guò)貼圖等操作進(jìn)行效果處理，使其達(dá)到和真實(shí)場(chǎng)景一致。管道模型和支吊架模型采用CAD軟件建立，只需保留結(jié)構(gòu)信息，不需要進(jìn)行效果處理。

圖2 模型結(jié)構(gòu)

1.5 仿真平臺(tái)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的仿真平臺(tái)用C＋＋語(yǔ)言在Window平臺(tái)下采用Open Scene Graph圖形接口進(jìn)行開(kāi)發(fā)。仿真平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)之間通過(guò)數(shù)據(jù)操作模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。仿真平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向計(jì)算程序發(fā)出命令，從而激發(fā)計(jì)算程序的運(yùn)算。

2 實(shí)施效果

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能

2011年由上海吳涇發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱吳涇熱電廠）與上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院合作開(kāi)發(fā)的四大管道和支吊架監(jiān)測(cè)軟件PSHMS，成功應(yīng)用于熱電廠的技術(shù)監(jiān)督和生產(chǎn)管理。該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，基本滿足了燃煤電廠四大管道和支吊架技術(shù)監(jiān)督的動(dòng)態(tài)管理要求，并在12號(hào)機(jī)組的主蒸汽管道和支吊架監(jiān)測(cè)中，診斷出多個(gè)支吊架位移超標(biāo)，取得了良好的監(jiān)測(cè)效果。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有三大功能。

1）三維場(chǎng)景漫游 采用三維可視化技術(shù)，可將電廠全景圖置于一個(gè)真實(shí)的三維畫(huà)面中，如圖3所示。在實(shí)際應(yīng)用中還可以進(jìn)行三維場(chǎng)景漫游。

2）顯示管道和支吊架狀態(tài) 管道和支吊架的安全運(yùn)行狀態(tài)，是技術(shù)監(jiān)督關(guān)注的重點(diǎn)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將支吊架、管道運(yùn)行狀況和三維部件進(jìn)行實(shí)時(shí)映射，對(duì)管道和支吊架系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)可以達(dá)到“所見(jiàn)及所得”的直觀立體效果。如圖4所示的12號(hào)機(jī)組主蒸汽某檢測(cè)段在線監(jiān)測(cè)結(jié)果：內(nèi)壁溫度為537.90℃，內(nèi)壁壓力為17.8 MPa，最大應(yīng)力為14.7 MPa，安全性評(píng)定為在安全范圍內(nèi)。

圖3 電廠三維全景畫(huà)面

圖4 主蒸汽管道在線監(jiān)測(cè)模擬

3）支吊架模擬調(diào)整 由于管道支吊架之間受力的相互關(guān)聯(lián)性，支吊架的調(diào)整是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，過(guò)多過(guò)少的調(diào)整都會(huì)給管系帶來(lái)安全隱患。針對(duì)這種情況，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了模擬調(diào)整模塊，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整支吊架之前，可以先通過(guò)三維可視化操作平臺(tái)進(jìn)行模擬試調(diào)，并根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算出的相關(guān)調(diào)整量加以顯示和指導(dǎo)。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)DL／T 438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》、DL／T 616—2006《汽水管道與支吊架維修調(diào)整導(dǎo)則》結(jié)合吳涇熱電廠12號(hào)機(jī)組主蒸汽管道參數(shù)和坐標(biāo)系設(shè)定以及選用支吊架型號(hào)設(shè)計(jì)值等，對(duì)12號(hào)機(jī)組主蒸汽管道及支吊架進(jìn)行模型計(jì)算，診斷出部分支吊架位移嚴(yán)重偏離安全范圍。

1）查看原始設(shè)計(jì)值 查看12號(hào)機(jī)組主蒸汽管道和支吊架J0502-09至25設(shè)計(jì)值，如表1所示。

2）提取監(jiān)測(cè)值 采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)12號(hào)機(jī)組主蒸汽管道和支吊架J0502-09至25進(jìn)行診斷，結(jié)果如表2所示。

3）外觀核查 對(duì)主蒸汽管道和支吊架J0502-09至25進(jìn)行外觀檢查。19號(hào)支吊架熱態(tài)和冷態(tài)垂直位移都是0，本支吊架已經(jīng)失去恒力吊架的作用。22號(hào)支吊架冷、熱態(tài)水平東西偏移嚴(yán)重超標(biāo)。23號(hào)恒力支吊架熱態(tài)垂直刻度數(shù)值偏大（80 mm），接近頂死。24號(hào)支吊架冷熱態(tài)水平南北偏移嚴(yán)重超標(biāo)?，F(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果如表3所示。

表2 主蒸汽管道和支吊架J0502-09至25監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4）支吊架調(diào)整 通過(guò)查看12號(hào)機(jī)組主蒸汽管道和支吊架J0502-09至25設(shè)計(jì)值，采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)支吊架J0502-09至25進(jìn)行診斷以及現(xiàn)場(chǎng)察看支吊架的位移情況，得出了合理調(diào)整支吊架位移量的數(shù)據(jù)，及時(shí)消除了部分支吊架失效或偏移量嚴(yán)重超標(biāo)的隱患。調(diào)整12號(hào)機(jī)組主蒸汽管J0502-09至25支吊架偏移的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖5所示，調(diào)整后的測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表3 主蒸汽管道和支吊架J0502-09至25外觀檢查

圖5 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整J0502-09至25支吊架

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)12號(hào)機(jī)組主蒸汽管道和支吊架的調(diào)整，管道受力合理，一次、二次應(yīng)力合格，支吊架狀態(tài)恢復(fù)正常，能夠滿足管道長(zhǎng)期安全運(yùn)行的要求。同時(shí)也證實(shí)了調(diào)整后的檢測(cè)數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模擬調(diào)整十分吻合，說(shuō)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的診斷能力十分準(zhǔn)確和可靠。

表4 主蒸汽支吊架J0502-09至25熱態(tài)測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)論

1）數(shù)字模型的簡(jiǎn)化和計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的快速發(fā)展，給電廠應(yīng)用三維可視化仿真平臺(tái)創(chuàng)造了條件，在經(jīng)濟(jì)效益和操作上都具有很大的可行性。

2）仿真技術(shù)不僅在電廠四大管道和支吊架監(jiān)測(cè)中發(fā)揮診斷作用，同樣也可應(yīng)用在其他設(shè)備上，比如全壽命周期管理、設(shè)備壽命評(píng)估等方面，以便加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督的動(dòng)態(tài)管理。

3）電廠的三維可視化仿真平臺(tái)，具有開(kāi)放性好、逼真度高、通用性強(qiáng)和操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

4）基于虛擬仿真技術(shù)的電廠四大管道和支吊架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在吳涇熱電廠12號(hào)機(jī)組主蒸汽管道和支吊架的普查和調(diào)整工作中，發(fā)揮了重要作用，確保了電廠的安全生產(chǎn)。

［1］ 胡曉峰.虛擬仿真技術(shù)“水土不服”成掣肘［J］.中國(guó)船舶報(bào)，2008（3）.

［2］ 谷敬澤.汽水管道支吊架問(wèn)題分析及調(diào)整措施［J］.河北電力技術(shù)，2006，25（4）.

［3］ 王致祥.管道應(yīng)力分析與計(jì)算［M］.北京：水利電力出版社，1983.