燃煤热电厂三维可视化管系监测系统的应用

2012-04-12彭行金

电力与能源 2012年3期

唐彬，彭行金

（1.上海电力股份有限公司吴泾热电厂，上海 200241；2.上海发电设备成套设计研究院，上海 200240）

0 引言

燃煤电厂的主蒸汽、热再热蒸汽、冷再热蒸汽和高压给水管道（以下简称四大管道）以及支吊架系统，是电厂安全生产的重要组成部分，也是电厂技术监督的重点。三维可视化技术是以仿真的方式给用户创造一个实时反映监测对象变化与相互作用的三维虚拟世界，并通过显示器等设备提供用户一个交互的三维可视化技术操作平台，使用户直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化［1］。本文结合三维可视化技术、管道在线监测功能和支吊架的状态计算，介绍研发电厂四大管道和支吊架监测系统的技术路径以及现场应用经验。

1 管道在线监测系统的研发

1.1 系统结构

系统采用服务器—客户端（C／S）模式进行构架。服务器存储管道和支吊架的结构、维护数据和数值计算程序，客户端主要用于三维显示、用户和系统的交互。系统结构示意，如图1所示。

1.2 系统数据

系统数据分为离线数据和在线数据。离线数据包括支吊架和管道的结构参数、日常检测数据等；在线数据包括蒸汽管道的温度、压力和时间信息等。通过三维可视化的交互界面，操作员对离线数据可以进行修改和存储，也可以根据需要触发相关计算程序进行数值计算。在线数据则通过测点直接进入系统数据库，计算程序可以对其进行调用和修改。

图1 系统结构

1.3 监测方式

1.3.1 离线计算

蒸汽管道长期运行会导致支吊架位移偏离设计值及部件的失效。所以，对支吊架进行合理调整，消除存在的缺陷和安全隐患，使管道受力均衡、膨胀自如，可有效延长管道的使用寿命［2］。对支吊架的调整需要对整个管道系统（以下简称管系）进行应力计算，以确定支吊架的调整方法。对管系的应力计算通常采用专用的应力计算工具进行。在本系统中，针对管道和支吊架系统的特点开发了基于有限元的管系应力计算程序。

1）根据管道的结构将管道划分为多个单元，由力学平衡原理得出任何一个AB单元的平衡方程，如式（1）［3］：

式中：K为单元AB的刚度矩阵；T为温差力矩阵；G为均布载荷矩阵。

根据单元的节点作用力P与节点位移D的基本方程，可以进行叠加得出整个管系中的总体平衡方程，如式（2）：

通过整体平衡方程即可解出每个节点的位移和受力。通过节点的位移和受力，进一步可以算出在支吊架作用下每个管道单元的应力分布，从而对管道和支吊架进行状态诊断。

1.3.2 在线监测

管道的温度和压力是通过测点将数据传送到服务器，经过软件的筛选和处理进入数据库。系统可以实时地将管道的温度和压力在三维模型中直接显示，并通过计算将管道的温度场和应力场实时显示。

1.4 构建模型

三维可视化模型是系统和用户交互的核心部分。系统的三维模型主要包括设施模型、管道模型和支吊架模型的构建，如图2所示。外围设施模型采用场景建模软件建立，然后通过贴图等操作进行效果处理，使其达到和真实场景一致。管道模型和支吊架模型采用CAD软件建立，只需保留结构信息，不需要进行效果处理。

图2 模型结构

1.5 仿真平台

监测系统的仿真平台用C＋＋语言在Window平台下采用Open Scene Graph图形接口进行开发。仿真平台和数据库之间通过数据操作模块进行数据处理。仿真平台通过网络向计算程序发出命令，从而激发计算程序的运算。

2 实施效果

2.1 监测系统的功能

2011年由上海吴泾发电有限责任公司（以下简称吴泾热电厂）与上海发电设备成套设计研究院合作开发的四大管道和支吊架监测软件PSHMS，成功应用于热电厂的技术监督和生产管理。该系统的实时监测功能，基本满足了燃煤电厂四大管道和支吊架技术监督的动态管理要求，并在12号机组的主蒸汽管道和支吊架监测中，诊断出多个支吊架位移超标，取得了良好的监测效果。监测系统主要有三大功能。

1）三维场景漫游采用三维可视化技术，可将电厂全景图置于一个真实的三维画面中，如图3所示。在实际应用中还可以进行三维场景漫游。

2）显示管道和支吊架状态管道和支吊架的安全运行状态，是技术监督关注的重点。监测系统将支吊架、管道运行状况和三维部件进行实时映射，对管道和支吊架系统的监测可以达到“所见及所得”的直观立体效果。如图4所示的12号机组主蒸汽某检测段在线监测结果：内壁温度为537.90℃，内壁压力为17.8 MPa，最大应力为14.7 MPa，安全性评定为在安全范围内。

图3 电厂三维全景画面

图4 主蒸汽管道在线监测模拟

3）支吊架模拟调整由于管道支吊架之间受力的相互关联性，支吊架的调整是一个复杂的过程，过多过少的调整都会给管系带来安全隐患。针对这种情况，监测系统开发了模拟调整模块，在现场调整支吊架之前，可以先通过三维可视化操作平台进行模拟试调，并根据系统计算出的相关调整量加以显示和指导。

2.2 监测系统的应用

监测系统根据DL／T 438—2009《火力发电厂金属技术监督规程》、DL／T 616—2006《汽水管道与支吊架维修调整导则》结合吴泾热电厂12号机组主蒸汽管道参数和坐标系设定以及选用支吊架型号设计值等，对12号机组主蒸汽管道及支吊架进行模型计算，诊断出部分支吊架位移严重偏离安全范围。

1）查看原始设计值查看12号机组主蒸汽管道和支吊架J0502-09至25设计值，如表1所示。

2）提取监测值采用监测系统对12号机组主蒸汽管道和支吊架J0502-09至25进行诊断，结果如表2所示。

3）外观核查对主蒸汽管道和支吊架J0502-09至25进行外观检查。19号支吊架热态和冷态垂直位移都是0，本支吊架已经失去恒力吊架的作用。22号支吊架冷、热态水平东西偏移严重超标。23号恒力支吊架热态垂直刻度数值偏大（80 mm），接近顶死。24号支吊架冷热态水平南北偏移严重超标。现场观察结果如表3所示。

表2 主蒸汽管道和支吊架J0502-09至25监测数据

4）支吊架调整通过查看12号机组主蒸汽管道和支吊架J0502-09至25设计值，采用监测系统对支吊架J0502-09至25进行诊断以及现场察看支吊架的位移情况，得出了合理调整支吊架位移量的数据，及时消除了部分支吊架失效或偏移量严重超标的隐患。调整12号机组主蒸汽管J0502-09至25支吊架偏移的现场照片如图5所示，调整后的测量结果如表4所示。