基于边缘计算的锅炉高温部件和管道智能寿命监测管理系统应用

华 伟，郭 旭，年 华，贾长武

(1.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,长春 130021;2.大唐东营发电有限公司，山东 东营 257200)

某新建电厂为高参数超超临界机组，全厂范围内采用现场总线技术，实现锅炉、汽轮发电机及其辅助系统、辅助车间/系统、发变组、厂用电系统在分散控制系统(DCS)的一体化监视和控制并设置带断点的“一键启停”(APS)功能。工程采用炉、机、电集中控制方式，两台机组设置一个集中控制室。该项目在国内设计的火电厂中首次采用了基于Predix边缘计算的智能寿命监测管理系统(LTMS)。该系统满足欧洲EN 12952标准，通过对锅炉主要高温部件和高温管道的实时监测实现对锅炉高温部件、主蒸汽和再热管道的寿命监测和分析。

1 高温部件和管道寿命的主要影响因素和计算方法

锅炉高温部件和管道主要是指过热器出口联箱、再热器出口联箱、分离器(超临界机组)或汽包(亚临界机组)、主蒸汽管道、冷再热管道和热再热管道。目前，对于锅炉高温部件和管道疲劳寿命的在线计算和分析方法并没有形成统一的标准，大多以推荐和建议的形式出现在相应的标准体系中，主要包括美国ASME、英国BS PD5500、德国TRD和欧洲EN 12952等标准。其中EN 12952-3(压力部件的设计和计算)和EN 12952-4(锅炉运行寿命预测计算)两部分是分析和计算疲劳和蠕变对锅炉主要高温部件寿命产生影响的主要依据[1]。

对高温部件和管道进行量化计算、分析以及实时评估其使用状况，是实现锅炉高温部件和管道的可预测性维护、降低维护时间和成本，提高工作效率的有效手段。根据相应的国内外标准及对设备运行的实际情况的研究和分析，影响这些高温部件和管道使用年限的主要因素包括以下几个方面。

a. 蠕变破坏。金属在高温下所受到的应力长期作用而发生的缓慢塑性变形叫做蠕变。火力发电厂超超临界机组的大量应用，使锅炉蒸汽联箱和主、再蒸汽管道等高温受热部件设计参数不断增加，主蒸汽设计参数最高能达到30 MPa，609 ℃左右，由于长期在高温高压的恶劣工况下运行，容易出现因为蠕变引起的材质老化和损伤积累。

b. 疲劳损伤。疲劳损伤是指在循环载荷过程中的损伤累积。一般分为高周期疲劳和低周期疲劳。对于火电机组，高温部件的寿命是由启动和停止过程中部件壁面热应力引起的低周疲劳(LCF)决定的。随着能源结构的改变，可再生能源发电比例增加，使得大型超超临界机组也不得不参与调峰，且通常处于低负荷运行；另外当前火电厂宽负荷和灵活性工况越来越多，导致启停次数增加和负荷变化剧烈，最终使高温部件和管道的低周期疲劳引起的寿命消耗剧烈增加。伴随着高温引起的蠕变和频繁启停引起的低周疲劳及其之间的相互作用和影响，更容易引起材料疲劳等危害。

目前主要根据欧洲EN 12952标准来分别计算和量化蠕变和疲劳累积的程度，两者之和作为疲劳-蠕变相互作用下的寿命损耗，主要方式为测量管件内壁和中壁温度并导出温度梯度后再进行应力计算。计算过程同时要考虑启停频次和锅炉启动、停止、运行、变负荷工况下介质的压力、温度、流量等参数对应力计算的影响。

c. 变形应力。现代电站的运行特点是蒸汽具有极高的温度，过热蒸汽流经管道上部时，在管道下部的低点可能会有积水的情况发生。这导致高温管道积水点周围的温差加大，有时甚至会超过200 ℃，这一温差的存在，导致厚壁部件存在极大的变形应力。另外，过热器和再热器减温水在某些工况下会出现“过喷”现象，使管道和厚壁构件受到热冲击，出现的变形应力足以导致对管道寿命的损耗。这种损耗的程度是通过对易进水位置和冷蒸汽处的上、下壁温差进行计算局部变形应力来评估的。

d. 其他潜在应力。支吊架对管道产生的应力，或由于部件或管道无法正常膨胀移动导致的应力增高等也是导致高温管道寿命损耗的一个主要因素。对于这些潜在应力的计算需要把管道系统有代表性位置的X和Y向位移值以及支吊架Z向的重力测量值作为输入，通过计算外部的热膨涨位移、支吊架摩擦力等对管件产生的应力来评估损耗[2]。但目前电厂并不对这些参数进行在线测量，因此可以暂不考虑这部分应力对于管道或部件寿命的不利影响。

通过对以上四个方面的损伤和应力计算求和，可以量化高温部件和管道在启停和运行等工况下的寿命损耗累积，实现对设备全生命周期内的在线监测和分析；另外，锅炉制造商通过对部件和管道的运行数据、设计制造数据以及材料特性的掌握而形成的“知识库”，也是进行寿命分析计算和评估的重要影响因素。

2 物联网及边缘计算

随着“工业4.0”和“工业互联网”的对接和整合，智能电厂建设中的工业物联网技术(IIOT)已经成为发展趋势之一。通过物联网系统采集设备数据并整合其他运营数据，建立各项数据之间的关联和逻辑，进行大数据的高级分析、计算和可视化后，可用于运行维护服务、备件库存管理、运营的优化和投资决策。

云计算平台面临着海量设备接入、海量数据、带宽不够和功耗过高等高难度挑战。就目前的带宽水平来说，还无法支持设备到云端之间的直接数据传输，这使得云计算中心实时返回数据决策也变成了不可能的任务。但在靠近物或数据源头的网络边缘形成融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，把计算任务从云计算中心迁移到产生源数据的边缘设备上，以实现数据的边缘处理、分析和计算的方式，已经成为工业物联网发展的趋势之一。

对于实时的IIOT数据，在网络边缘进行计算可加快资料的处理与传送速度，减少延迟，降低能耗和费用，更适合实时的数据分析和智能化处理。LTMS可以通过DCS或支持物联网技术的智能检测元件来采集火电厂的实时运行参数，结合边缘计算功能来对各种工况进行分析和应力计算，以实现高温管道和部件的寿命分析评估，而且可以把计算结果进一步上传至云平台，实现企业的管理决策和智能化应用，这正是采用物联网技术实现设备状态监视和预测性维护的主要应用场景之一。

3 实际工程应用

3.1 测点布置

一般情况下，关于蠕变和疲劳损伤计算所需的温度测点需要分别测量管道的内壁温度和中壁温度。虽然这是欧洲标准中推荐的安装方式，但存在不利于安全运行且现场安装和调试不便等缺点。

由于疲劳损伤是通过部件由内至外的温度梯度来计算的，而测量介质温度和金属表面温度就可计算梯度，因此无论是通过内壁温度、中壁温度还是表面温度来进行蠕变计算，计算出的蠕变消耗应该基本相同。因此，该工程采用介质温度和金属壁温代替计算标准中的内壁温度和中壁温度测量也是可行的。

对于联箱等厚壁高温部件，一般在其两端1/4处的顶部和底部分别成对安装壁温热电偶来计算蠕变和疲劳损伤，同时在每个过热减温器和再热减温器的下游安装一对上下壁温热电偶，以检测由于过度喷水引起的温差。本工程单元机组各种联箱及汽水分离器一共安装壁温热电偶64支并硬接线连接至DCS。

主蒸汽和再热高温管道上测点的初始位置需根据启动、停止和正常运行期间预期的热变化确定，除了安装用于蠕变计算所需的壁温热电偶外，还将安装在位于蒸汽管道低点以检测积水情况的壁温热电偶。本单元机组各大管道一共安装34支热电偶并硬接线连接至DCS。

本工程由于受到资金的限制，没有对支吊架的位移和受力进行实时测量。在有条件时完全可以利用工业物联网技术，采用专门的传感器、有线或无线终端实现这部分数据的传输、采集和转换，并利用边缘计算实现完整的部件寿命计算和分析。

3.2 软硬件配置和网络连接

本工程全厂设置1套高温部件和管道智能LTMS，布置在靠近厂级监控系统(SIS)这个数据源头的边缘。虽然没有设置基于物联网技术的智能检测仪表，但其所需的温度、压力、流量、运行方式等大量数据全部来自SIS，并在2套Predix边缘计算服务器内根据相应的计算公式和锅炉的“知识库”实施数据计算和寿命分析，LTMS依然具有基于边缘计算的实时数据分析和智能化处理功能。

Predix边缘计算服务器部署Predix Machine软件，支持应用开发和管理，并内置网络安全机制，降低恶意软件入侵的可能性；利用Predix APM的状态监视和预测维护模块实现计算和分析结果的可视化功能，使管理人员在任何时间、任意地点都能对机器设备运行状态和故障进行在线监视，并通过预测设备故障，减少非计划停机造成的损失和维护成本来提高工作效率[3]。

为了满足IEC 62443规定的信息安全要求，LTMS从位于全厂的办公网和SIS之间的安全隔离区(DMZ)内的Web服务器中以TEXT通讯协议读取全厂各台机组的DCS数据，主要包括壁温、运行方式、介质温度、压力和流量、启动/停止状态等参数，在服务器中计算应力并在工程师站上形成可视化的状态监视和寿命分析及评估结果，同时在办公网的授权客户端上经过浏览器也可查看相关信息，并可以通过互联网把重要的计算分析结果上传至企业云端，实现云端管理和决策。

4 结论

目前新建的大型超临界机组的蒸汽参数越来越高，高温部件和管材的设计余量也越来越小，对高温部件进行在线监视显得尤为重要。利用工业物联网技术，采用边缘计算进行数据采集和高温管道的寿命智能分析和评估，不但可以实现单一电厂高温部件的监视和管理，也实现了设备全生命周期内的可视化预测性维护，保证了电厂的安全运行。通过公司或集团级别的云端计算，可获取不同地区、不同环境下设备的实时运行状态参数，将这些数据进行深入挖掘分析后实现对运行、维护和库存的优化，可为企业、集团的智能化运营提供数据支撑，成为向智能制造升级转型的重要工具和手段。