工业锅炉数字化设计与数字孪生综述

张富玉，杜增辉

（1.兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 730060；2.中海壳牌石油化工有限公司，广东 惠州 516082）

0 引言

工业锅炉作为现代工业中重要的能源设备之一，扮演着至关重要的角色。随着智能制造的发展，数字化设计和数字孪生成为智能制造领域中的关键技术之一。传统的工业锅炉设计过程主要依赖经验和试错，存在效率低下和成本高昂的问题[1]。因此，数字化设计和数字孪生技术被引入到工业锅炉领域中，以提高设计的准确性和效率，并实时监测和优化工业锅炉的性能。数字孪生是一种将物理系统和数字模型相结合的技术，通过实时数据采集和模型仿真，实现对物理系统的监测、分析和优化。在工业锅炉中，数字孪生技术可以实时监测和分析工业锅炉的运行情况，提供设备状态的即时反馈。同时，数字孪生还能够进行设备的故障诊断和预测，提前采取维修和保养措施，从而减少停机时间和维修成本。数字化设计将工业锅炉的各个方面，包括结构、燃烧和传热等，进行数字化建模和仿真。通过数字化设计，可以提高工业锅炉的设计准确性和效率[2]。数字化设计和数字孪生的结合可以实现工业锅炉的自动化和智能化，进一步提高工业锅炉的性能和效率。随着物联网、大数据和人工智能等技术的不断发展，工业锅炉的数字化设计和数字孪生将进一步深化和拓展[3]。

1 数字孪生的特点

首先，数字孪生技术能够实时采集和分析物理系统的数据，并与数字模型进行实时交互。这使得数字孪生能够实时监测和分析工业锅炉的运行情况，并提供及时的设备状态反馈。其次，工业锅炉作为复杂的能源设备，涉及多个方面的物理过程，数字孪生能够通过建立复杂的多物理模型来准确地模拟和分析工业锅炉的运行状态[4]。再次，数字孪生技术可以通过可视化手段，将工业锅炉的数据和模型直观地展示出来，帮助工程师直观地了解设备的运行情况和性能表现。最后，数字孪生具有协同性，能够通过与其他工业系统和设备的联动，实现信息共享和协同优化，提高整体生产效率和能源利用效率[5]。通过利用数字孪生技术，工业锅炉的设计、运维和维修过程能够得到智能化的支持，进一步提高工业锅炉的性能和效率。

2 工业锅炉数字化设计的重要性和必要性

2.1 传统工业锅炉设计问题

传统的工业锅炉设计过程主要依赖经验和试错，并存在效率低下和成本高昂的问题。传统设计方法无法充分考虑各个方面的因素，如结构、燃烧和传热等，容易造成设计的不准确性和低效率。首先，传统设计方法主要依赖于设计师的经验和直觉，设计过程缺乏科学性和系统性。设计师常常需要通过猜测和试错来确定最佳方案，这不仅费时费力，而且容易导致设计错误或不理想的设计结果。其次，传统设计方法无法充分考虑到工业锅炉各个组成部分之间的相互影响和耦合效应。在传统设计中，各个部分往往是独立设计的，无法及时发现和解决各个部分之间的冲突或矛盾，导致整体设计的不完善和不一致。再次，传统设计方法无法全面考虑到实际运行环境对工业锅炉性能的影响[6]。传统设计过程中往往忽视了外部环境因素，如气候、水质和燃料差异等，导致设计结果与实际运行情况存在偏差和不匹配。最后，传统设计方法还存在设计周期长、成本高的问题。传统设计过程中需要多次的试制、调试和修改，导致设计时间和成本都无法控制。特别对大型工业锅炉的设计，由于设计的复杂性和精度的要求，传统设计方法容易产生问题。

2.2 传统锅炉的设计案例

设计目标：为化工厂提供稳定、高效的蒸汽供应，满足生产工艺需求。

设计要点：

（1）炉膛设计：炉膛采用矩形结构，确保燃料在炉膛内均匀分布和燃烧；炉膛内壁采用耐高温、耐腐蚀的材料，如耐火砖或陶瓷纤维；炉膛底部设有灰渣排放口，方便清理灰渣。

（2）换热器设计：换热器采用水管式结构，水在管内流动，通过管外壁与炉膛中的高温烟气进行热交换；换热器材料选择耐腐蚀、耐高温的合金钢；换热器布置在炉膛出口处，确保烟气充分流经换热器，提高热交换效率。

（3）燃烧器设计：燃烧器采用燃油或燃气作为燃料，通过喷嘴将燃料喷入炉膛；燃烧器配备点火装置和火焰监测装置，确保燃烧稳定和安全；燃烧器可根据负荷需求进行自动调节，实现节能运行。

（4）控制系统设计：控制系统包括自动化仪表、传感器和执行机构，用于监测和控制锅炉的运行参数，如蒸汽压力、温度、水位等；控制系统可实现自动化运行和远程监控，方便操作人员对锅炉进行管理和调整。

（5）安全系统设计：锅炉配备水位保护、压力保护和温度保护等多重安全装置，确保锅炉在异常情况下能够安全停车；安全系统还包括防爆门、紧急排放阀等安全设施，以防止锅炉发生爆炸或其他安全事故。

2.3 工业锅炉数字化设计的必要性

首先，数字化设计通过将工业锅炉的各个方面，包括结构、燃烧和传热等，进行数字化建模和仿真，能够提高设计的准确性。通过使用数字化工具和技术，设计人员能够更全面地了解工业锅炉的各个部分，并对其进行精确分析，这样可以减少设计错误，提高设计效率，降低设计成本。其次，工业锅炉数字化设计可以帮助设计人员更好地控制工业锅炉的性能[7]。通过数字化设计，可对工业锅炉的关键参数进行模拟和优化，以实现最佳性能。例如，通过数字模型对锅炉的燃烧过程进行优化，提高燃烧效率，减少能源浪费。同时，数字化设计还能够帮助设计人员确定最佳材料和结构，以提高工业锅炉的耐久性和可靠性。最后，工业锅炉数字化设计还能够使设计过程具有可追溯性和可重现性。通过数字化设计，设计人员可以记录和保存所有的设计数据和决策过程，使得设计过程更加透明和可追溯。这对设计过程的评估和改进非常重要，也有利于知识的传承和积累。综上所述，工业锅炉数字化设计在提高设计准确性、控制性能和提供可追溯性等方面具有重要意义。通过数字化设计，可以降低设计成本，提高工业锅炉的性能和效率，从而为工业锅炉的发展和应用作出贡献。

2.4 工业锅炉数字化设计的实现方法

为了实现工业锅炉的数字化设计，需要采取合适的方法和技术：

首先，工业锅炉的数字化设计可以基于CAD 软件进行。CAD 软件可以对工业锅炉进行三维建模，包括结构和部件的设计。通过CAD 软件，设计师可以对工业锅炉进行虚拟组装和拟真仿真，以验证设计的准确性和可行性。此外，CAD 软件还可以进行参数化设计，即设计师可以通过改变参数来快速生成不同规格的工业锅炉设计。

其次，工业锅炉的数字化设计可以利用计算机辅助工程（CAE）软件进行。CAE 软件可以对工业锅炉的燃烧和传热等方面进行模拟和分析，以评估设计的性能[8]。通过CAE 软件，设计师可以对工业锅炉的燃烧过程进行数值模拟，以了解燃烧效率和污染物排放情况。同时，CAE 软件还可以进行传热分析，包括燃气到水的传热过程和排烟温度等方面的计算。

再次，工业锅炉的数字化设计还可以借助虚拟现实（VR）技术进行。通过VR 技术，设计师可以将工业锅炉的数字模型转化为虚拟现实场景，以进行沉浸式的体验和评估。设计师可以通过VR 头显设备进入虚拟现实环境，在其中观察和检查工业锅炉的各个部件和操作过程，从而发现设计中的缺陷和改进之处。此外，VR 技术还可以与其他技术结合，如手部追踪和触觉反馈，以提供更真实的体验和操作。

最后，工业锅炉的数字化设计可以借助数据驱动的方法进行。通过采集和分析工业锅炉的实时数据，可以获取对工业锅炉运行状态和性能的了解。设计师可以通过数据驱动的方法，例如机器学习和人工智能技术，对工业锅炉的性能进行优化和预测。通过对大量数据的建模和分析，可以发现工业锅炉设计中的潜在问题，并提出改进和优化方案。

3 数字孪生技术在工业锅炉设计中的应用

3.1 数字孪生在工业锅炉中的监测与分析

数字孪生技术可以通过实时数据采集和模型仿真，对工业锅炉进行监测和分析，提供设备状态的即时反馈。具体来说，数字孪生技术可以实时监测工业锅炉的运行参数，如温度、压力、流量等，并将这些数据实时传输到数字模型中进行分析。通过对实时数据和模型结果的对比，可以及时发现工业锅炉的异常情况，如过热、过压、漏水等。同时，数字孪生技术还可以对工业锅炉的运行情况进行分析，包括燃烧状态、传热效率等，为优化工业锅炉的性能提供依据[9]。通过数字孪生技术的监测与分析，可以及时发现工业锅炉的问题，并采取相应的维修和保养措施，减少停机时间和维修成本，提高设备的连续运行能力和可靠性。

3.2 数字孪生在工业锅炉故障诊断与预测中的应用

在工业锅炉的故障诊断方面，数字孪生技术可以根据实时数据和模型进行故障检测，及时发现设备可能存在的故障，并提供故障信息和可能的原因。通过故障诊断，可对设备的维修和保养提供准确的指导，减少停机时间和维修成本。

除了故障诊断，数字孪生技术还可以进行设备的故障预测。通过对工业锅炉历史数据和模型的分析，数字孪生能够预测设备未来可能出现的故障，并提前采取相应的维修和保养措施，以减少设备故障对生产的影响。同时，数字孪生还能够通过对不同工况进行模拟和优化，提高设备的性能和效率，延长设备的使用寿命[10]。

数字孪生技术的应用使得工业锅炉的管理更加智能化和精细化。通过对设备运行状态的实时监测和分析，可以及时发现和解决潜在问题，提高设备的可靠性和稳定性。同时，数字孪生还可以为设备的维修和保养提供更准确的指导，提高维修效率，减少停机时间和维修成本。

未来，数字孪生技术在工业锅炉中的应用将继续深化和拓展。随着物联网、大数据和人工智能等技术的不断发展，工业锅炉的数字化设计和数字孪生将与其他智能制造技术相结合，实现工业锅炉的自动化和智能化。同时，数字孪生技术还可以通过与其他领域的数字孪生模型进行联合仿真和优化，提供更全面和更准确的设备运行状态分析和性能优化。

3.3 数字孪生在工业锅炉维修与保养中的应用

数字孪生技术在工业锅炉的维修和保养中具有广泛的应用前景。通过实时监测和分析工业锅炉的运行情况，数字孪生技术可以提供设备状态的即时反馈，帮助运维人员更好地了解锅炉的性能和状况。

首先，数字孪生可以进行设备故障的诊断和预测。通过与数字模型的比对，数字孪生可以检测出工业锅炉中的潜在故障，并提供预测性的维修建议，可以帮助运维人员及时采取维修和保养措施，减少设备故障造成的停机时间和维修成本。

其次，数字孪生可以进行设备维护的优化。通过对工业锅炉的运行数据进行分析，数字孪生可以判断出设备在不同时间段的运行状况。基于这些状况，数字孪生可以提供定制化的维护方案，包括维修检查的频率、维护工作的内容等，从而最大程度地延长设备的使用寿命，并提高设备的性能和效率。

最后，数字孪生还可以帮助运维人员进行应急维修。当工业锅炉发生意外故障时，数字孪生可以提供即时的故障诊断和修复指导，包括故障部件的定位和更换等，使维修人员能够更加高效和精确地进行维修工作，快速恢复工业锅炉的正常运行。

4 结论

本文对工业锅炉数字化设计和数字孪生技术进行了综述，并对其应用前景进行了展望。通过对数字孪生的介绍，说明了数字孪生技术在智能制造中的重要性和广阔的应用前景。在工业锅炉设计方面，本文强调了传统的设计过程存在低效率和高成本的问题，并指出数字化设计可以通过数字化建模和仿真的方式提高设计的准确性和效率。在工业锅炉中的应用方面，数字孪生技术可以实时监测和分析工业锅炉的运行情况，提供设备状态的即时反馈。同时，数字孪生技术还能进行设备的故障诊断和预测，提前采取维修和保养措施，从而减少停机时间和维修成本。综上所述，本文的研究结论是工业锅炉数字化设计和数字孪生技术在智能制造领域具有重要的研究价值和应用潜力，通过促进这两项技术的应用和发展，可以进一步提高工业锅炉的性能和效率。