工業(yè)鍋爐數(shù)字化設計與數(shù)字孿生綜述

張富玉，杜增輝

（1.蘭州石化職業(yè)技術大學，甘肅 蘭州 730060；2.中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516082）

0 引言

工業(yè)鍋爐作為現(xiàn)代工業(yè)中重要的能源設備之一，扮演著至關重要的角色。隨著智能制造的發(fā)展，數(shù)字化設計和數(shù)字孿生成為智能制造領域中的關鍵技術之一。傳統(tǒng)的工業(yè)鍋爐設計過程主要依賴經(jīng)驗和試錯，存在效率低下和成本高昂的問題[1]。因此，數(shù)字化設計和數(shù)字孿生技術被引入到工業(yè)鍋爐領域中，以提高設計的準確性和效率，并實時監(jiān)測和優(yōu)化工業(yè)鍋爐的性能。數(shù)字孿生是一種將物理系統(tǒng)和數(shù)字模型相結合的技術，通過實時數(shù)據(jù)采集和模型仿真，實現(xiàn)對物理系統(tǒng)的監(jiān)測、分析和優(yōu)化。在工業(yè)鍋爐中，數(shù)字孿生技術可以實時監(jiān)測和分析工業(yè)鍋爐的運行情況，提供設備狀態(tài)的即時反饋。同時，數(shù)字孿生還能夠進行設備的故障診斷和預測，提前采取維修和保養(yǎng)措施，從而減少停機時間和維修成本。數(shù)字化設計將工業(yè)鍋爐的各個方面，包括結構、燃燒和傳熱等，進行數(shù)字化建模和仿真。通過數(shù)字化設計，可以提高工業(yè)鍋爐的設計準確性和效率[2]。數(shù)字化設計和數(shù)字孿生的結合可以實現(xiàn)工業(yè)鍋爐的自動化和智能化，進一步提高工業(yè)鍋爐的性能和效率。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術的不斷發(fā)展，工業(yè)鍋爐的數(shù)字化設計和數(shù)字孿生將進一步深化和拓展[3]。

1 數(shù)字孿生的特點

首先，數(shù)字孿生技術能夠實時采集和分析物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并與數(shù)字模型進行實時交互。這使得數(shù)字孿生能夠實時監(jiān)測和分析工業(yè)鍋爐的運行情況，并提供及時的設備狀態(tài)反饋。其次，工業(yè)鍋爐作為復雜的能源設備，涉及多個方面的物理過程，數(shù)字孿生能夠通過建立復雜的多物理模型來準確地模擬和分析工業(yè)鍋爐的運行狀態(tài)[4]。再次，數(shù)字孿生技術可以通過可視化手段，將工業(yè)鍋爐的數(shù)據(jù)和模型直觀地展示出來，幫助工程師直觀地了解設備的運行情況和性能表現(xiàn)。最后，數(shù)字孿生具有協(xié)同性，能夠通過與其他工業(yè)系統(tǒng)和設備的聯(lián)動，實現(xiàn)信息共享和協(xié)同優(yōu)化，提高整體生產(chǎn)效率和能源利用效率[5]。通過利用數(shù)字孿生技術，工業(yè)鍋爐的設計、運維和維修過程能夠得到智能化的支持，進一步提高工業(yè)鍋爐的性能和效率。

2 工業(yè)鍋爐數(shù)字化設計的重要性和必要性

2.1 傳統(tǒng)工業(yè)鍋爐設計問題

傳統(tǒng)的工業(yè)鍋爐設計過程主要依賴經(jīng)驗和試錯，并存在效率低下和成本高昂的問題。傳統(tǒng)設計方法無法充分考慮各個方面的因素，如結構、燃燒和傳熱等，容易造成設計的不準確性和低效率。首先，傳統(tǒng)設計方法主要依賴于設計師的經(jīng)驗和直覺，設計過程缺乏科學性和系統(tǒng)性。設計師常常需要通過猜測和試錯來確定最佳方案，這不僅費時費力，而且容易導致設計錯誤或不理想的設計結果。其次，傳統(tǒng)設計方法無法充分考慮到工業(yè)鍋爐各個組成部分之間的相互影響和耦合效應。在傳統(tǒng)設計中，各個部分往往是獨立設計的，無法及時發(fā)現(xiàn)和解決各個部分之間的沖突或矛盾，導致整體設計的不完善和不一致。再次，傳統(tǒng)設計方法無法全面考慮到實際運行環(huán)境對工業(yè)鍋爐性能的影響[6]。傳統(tǒng)設計過程中往往忽視了外部環(huán)境因素，如氣候、水質和燃料差異等，導致設計結果與實際運行情況存在偏差和不匹配。最后，傳統(tǒng)設計方法還存在設計周期長、成本高的問題。傳統(tǒng)設計過程中需要多次的試制、調試和修改，導致設計時間和成本都無法控制。特別對大型工業(yè)鍋爐的設計，由于設計的復雜性和精度的要求，傳統(tǒng)設計方法容易產(chǎn)生問題。

2.2 傳統(tǒng)鍋爐的設計案例

設計目標：為化工廠提供穩(wěn)定、高效的蒸汽供應，滿足生產(chǎn)工藝需求。

設計要點：

（1）爐膛設計：爐膛采用矩形結構，確保燃料在爐膛內均勻分布和燃燒；爐膛內壁采用耐高溫、耐腐蝕的材料，如耐火磚或陶瓷纖維；爐膛底部設有灰渣排放口，方便清理灰渣。

（2）換熱器設計：換熱器采用水管式結構，水在管內流動，通過管外壁與爐膛中的高溫煙氣進行熱交換；換熱器材料選擇耐腐蝕、耐高溫的合金鋼；換熱器布置在爐膛出口處，確保煙氣充分流經(jīng)換熱器，提高熱交換效率。

（3）燃燒器設計：燃燒器采用燃油或燃氣作為燃料，通過噴嘴將燃料噴入爐膛；燃燒器配備點火裝置和火焰監(jiān)測裝置，確保燃燒穩(wěn)定和安全；燃燒器可根據(jù)負荷需求進行自動調節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能運行。

（4）控制系統(tǒng)設計：控制系統(tǒng)包括自動化儀表、傳感器和執(zhí)行機構，用于監(jiān)測和控制鍋爐的運行參數(shù)，如蒸汽壓力、溫度、水位等；控制系統(tǒng)可實現(xiàn)自動化運行和遠程監(jiān)控，方便操作人員對鍋爐進行管理和調整。

（5）安全系統(tǒng)設計：鍋爐配備水位保護、壓力保護和溫度保護等多重安全裝置，確保鍋爐在異常情況下能夠安全停車；安全系統(tǒng)還包括防爆門、緊急排放閥等安全設施，以防止鍋爐發(fā)生爆炸或其他安全事故。

2.3 工業(yè)鍋爐數(shù)字化設計的必要性

首先，數(shù)字化設計通過將工業(yè)鍋爐的各個方面，包括結構、燃燒和傳熱等，進行數(shù)字化建模和仿真，能夠提高設計的準確性。通過使用數(shù)字化工具和技術，設計人員能夠更全面地了解工業(yè)鍋爐的各個部分，并對其進行精確分析，這樣可以減少設計錯誤，提高設計效率，降低設計成本。其次，工業(yè)鍋爐數(shù)字化設計可以幫助設計人員更好地控制工業(yè)鍋爐的性能[7]。通過數(shù)字化設計，可對工業(yè)鍋爐的關鍵參數(shù)進行模擬和優(yōu)化，以實現(xiàn)最佳性能。例如，通過數(shù)字模型對鍋爐的燃燒過程進行優(yōu)化，提高燃燒效率，減少能源浪費。同時，數(shù)字化設計還能夠幫助設計人員確定最佳材料和結構，以提高工業(yè)鍋爐的耐久性和可靠性。最后，工業(yè)鍋爐數(shù)字化設計還能夠使設計過程具有可追溯性和可重現(xiàn)性。通過數(shù)字化設計，設計人員可以記錄和保存所有的設計數(shù)據(jù)和決策過程，使得設計過程更加透明和可追溯。這對設計過程的評估和改進非常重要，也有利于知識的傳承和積累。綜上所述，工業(yè)鍋爐數(shù)字化設計在提高設計準確性、控制性能和提供可追溯性等方面具有重要意義。通過數(shù)字化設計，可以降低設計成本，提高工業(yè)鍋爐的性能和效率，從而為工業(yè)鍋爐的發(fā)展和應用作出貢獻。

2.4 工業(yè)鍋爐數(shù)字化設計的實現(xiàn)方法

為了實現(xiàn)工業(yè)鍋爐的數(shù)字化設計，需要采取合適的方法和技術：

首先，工業(yè)鍋爐的數(shù)字化設計可以基于CAD 軟件進行。CAD 軟件可以對工業(yè)鍋爐進行三維建模，包括結構和部件的設計。通過CAD 軟件，設計師可以對工業(yè)鍋爐進行虛擬組裝和擬真仿真，以驗證設計的準確性和可行性。此外，CAD 軟件還可以進行參數(shù)化設計，即設計師可以通過改變參數(shù)來快速生成不同規(guī)格的工業(yè)鍋爐設計。

其次，工業(yè)鍋爐的數(shù)字化設計可以利用計算機輔助工程（CAE）軟件進行。CAE 軟件可以對工業(yè)鍋爐的燃燒和傳熱等方面進行模擬和分析，以評估設計的性能[8]。通過CAE 軟件，設計師可以對工業(yè)鍋爐的燃燒過程進行數(shù)值模擬，以了解燃燒效率和污染物排放情況。同時，CAE 軟件還可以進行傳熱分析，包括燃氣到水的傳熱過程和排煙溫度等方面的計算。

再次，工業(yè)鍋爐的數(shù)字化設計還可以借助虛擬現(xiàn)實（VR）技術進行。通過VR 技術，設計師可以將工業(yè)鍋爐的數(shù)字模型轉化為虛擬現(xiàn)實場景，以進行沉浸式的體驗和評估。設計師可以通過VR 頭顯設備進入虛擬現(xiàn)實環(huán)境，在其中觀察和檢查工業(yè)鍋爐的各個部件和操作過程，從而發(fā)現(xiàn)設計中的缺陷和改進之處。此外，VR 技術還可以與其他技術結合，如手部追蹤和觸覺反饋，以提供更真實的體驗和操作。

最后，工業(yè)鍋爐的數(shù)字化設計可以借助數(shù)據(jù)驅動的方法進行。通過采集和分析工業(yè)鍋爐的實時數(shù)據(jù)，可以獲取對工業(yè)鍋爐運行狀態(tài)和性能的了解。設計師可以通過數(shù)據(jù)驅動的方法，例如機器學習和人工智能技術，對工業(yè)鍋爐的性能進行優(yōu)化和預測。通過對大量數(shù)據(jù)的建模和分析，可以發(fā)現(xiàn)工業(yè)鍋爐設計中的潛在問題，并提出改進和優(yōu)化方案。

3 數(shù)字孿生技術在工業(yè)鍋爐設計中的應用

3.1 數(shù)字孿生在工業(yè)鍋爐中的監(jiān)測與分析

數(shù)字孿生技術可以通過實時數(shù)據(jù)采集和模型仿真，對工業(yè)鍋爐進行監(jiān)測和分析，提供設備狀態(tài)的即時反饋。具體來說，數(shù)字孿生技術可以實時監(jiān)測工業(yè)鍋爐的運行參數(shù)，如溫度、壓力、流量等，并將這些數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)字模型中進行分析。通過對實時數(shù)據(jù)和模型結果的對比，可以及時發(fā)現(xiàn)工業(yè)鍋爐的異常情況，如過熱、過壓、漏水等。同時，數(shù)字孿生技術還可以對工業(yè)鍋爐的運行情況進行分析，包括燃燒狀態(tài)、傳熱效率等，為優(yōu)化工業(yè)鍋爐的性能提供依據(jù)[9]。通過數(shù)字孿生技術的監(jiān)測與分析，可以及時發(fā)現(xiàn)工業(yè)鍋爐的問題，并采取相應的維修和保養(yǎng)措施，減少停機時間和維修成本，提高設備的連續(xù)運行能力和可靠性。

3.2 數(shù)字孿生在工業(yè)鍋爐故障診斷與預測中的應用

在工業(yè)鍋爐的故障診斷方面，數(shù)字孿生技術可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)和模型進行故障檢測，及時發(fā)現(xiàn)設備可能存在的故障，并提供故障信息和可能的原因。通過故障診斷，可對設備的維修和保養(yǎng)提供準確的指導，減少停機時間和維修成本。

除了故障診斷，數(shù)字孿生技術還可以進行設備的故障預測。通過對工業(yè)鍋爐歷史數(shù)據(jù)和模型的分析，數(shù)字孿生能夠預測設備未來可能出現(xiàn)的故障，并提前采取相應的維修和保養(yǎng)措施，以減少設備故障對生產(chǎn)的影響。同時，數(shù)字孿生還能夠通過對不同工況進行模擬和優(yōu)化，提高設備的性能和效率，延長設備的使用壽命[10]。

數(shù)字孿生技術的應用使得工業(yè)鍋爐的管理更加智能化和精細化。通過對設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和分析，可以及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題，提高設備的可靠性和穩(wěn)定性。同時，數(shù)字孿生還可以為設備的維修和保養(yǎng)提供更準確的指導，提高維修效率，減少停機時間和維修成本。

未來，數(shù)字孿生技術在工業(yè)鍋爐中的應用將繼續(xù)深化和拓展。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術的不斷發(fā)展，工業(yè)鍋爐的數(shù)字化設計和數(shù)字孿生將與其他智能制造技術相結合，實現(xiàn)工業(yè)鍋爐的自動化和智能化。同時，數(shù)字孿生技術還可以通過與其他領域的數(shù)字孿生模型進行聯(lián)合仿真和優(yōu)化，提供更全面和更準確的設備運行狀態(tài)分析和性能優(yōu)化。

3.3 數(shù)字孿生在工業(yè)鍋爐維修與保養(yǎng)中的應用

數(shù)字孿生技術在工業(yè)鍋爐的維修和保養(yǎng)中具有廣泛的應用前景。通過實時監(jiān)測和分析工業(yè)鍋爐的運行情況，數(shù)字孿生技術可以提供設備狀態(tài)的即時反饋，幫助運維人員更好地了解鍋爐的性能和狀況。

首先，數(shù)字孿生可以進行設備故障的診斷和預測。通過與數(shù)字模型的比對，數(shù)字孿生可以檢測出工業(yè)鍋爐中的潛在故障，并提供預測性的維修建議，可以幫助運維人員及時采取維修和保養(yǎng)措施，減少設備故障造成的停機時間和維修成本。

其次，數(shù)字孿生可以進行設備維護的優(yōu)化。通過對工業(yè)鍋爐的運行數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)字孿生可以判斷出設備在不同時間段的運行狀況?；谶@些狀況，數(shù)字孿生可以提供定制化的維護方案，包括維修檢查的頻率、維護工作的內容等，從而最大程度地延長設備的使用壽命，并提高設備的性能和效率。

最后，數(shù)字孿生還可以幫助運維人員進行應急維修。當工業(yè)鍋爐發(fā)生意外故障時，數(shù)字孿生可以提供即時的故障診斷和修復指導，包括故障部件的定位和更換等，使維修人員能夠更加高效和精確地進行維修工作，快速恢復工業(yè)鍋爐的正常運行。

4 結論

本文對工業(yè)鍋爐數(shù)字化設計和數(shù)字孿生技術進行了綜述，并對其應用前景進行了展望。通過對數(shù)字孿生的介紹，說明了數(shù)字孿生技術在智能制造中的重要性和廣闊的應用前景。在工業(yè)鍋爐設計方面，本文強調了傳統(tǒng)的設計過程存在低效率和高成本的問題，并指出數(shù)字化設計可以通過數(shù)字化建模和仿真的方式提高設計的準確性和效率。在工業(yè)鍋爐中的應用方面，數(shù)字孿生技術可以實時監(jiān)測和分析工業(yè)鍋爐的運行情況，提供設備狀態(tài)的即時反饋。同時，數(shù)字孿生技術還能進行設備的故障診斷和預測，提前采取維修和保養(yǎng)措施，從而減少停機時間和維修成本。綜上所述，本文的研究結論是工業(yè)鍋爐數(shù)字化設計和數(shù)字孿生技術在智能制造領域具有重要的研究價值和應用潛力，通過促進這兩項技術的應用和發(fā)展，可以進一步提高工業(yè)鍋爐的性能和效率。