本发明涉及燃煤发电机组锅炉本体受热面失效防治领域，具体涉及锅炉受热面失效区域分析防治动态虚拟系统。
背景技术：
燃煤发电机组锅炉受热面发生失效，这给电厂安全生产及经济效益带来严重影响，因此避免锅炉受热面失效不仅是锅炉专业的重点反措部分，也是金属技术监督工作中的重要一项，更是电厂安全生产的重点管理环节。
燃煤发电机组锅炉受热面覆盖范围非常广，空间结构也异常复杂，各部分的材质分布与工作条件也不尽相同，呈现问题的原因、机理和方式多种多样，涉及到设计、制造、安装、调试、运行、检修、维护等工序区分，对于已发生缺陷和故障需要治理，没有发生隐患的需要预防，工作细碎而具体，因此锅炉本体受热面失效防治工作极具多样性和复杂性，电厂的设备管理系统或者资产管理系统无法支持锅炉受热面各类数据的积累，因此也无法开展有效的分析。
造成燃煤发电机组锅炉受热面失效的诸多因素，如腐蚀、磨损、应力、疲劳、强度等，都无法像发电机组参数那样可以进行实时在线监测，在锅炉生产运行中是很难感知到的，即使在机组停备和检修，也会由于工期、人员、手段等问题以至不能将锅炉全部覆盖检查完整，因此对于投入运行的锅炉机组，导致锅炉受热面失效的因素错综复杂，并且这些因素所造成的问题会不断累积，一旦爆发，就防不胜防，甚至造成恶性循环。所以，锅炉受热面失效问题的成因和发展具有相当的隐蔽性和滞后性，而且强突发性极强。
针对锅炉受热面失效的机理，很多电厂采取了积极的应对措施和技术手段，如规范有效的组织管理、健全严格的规章制度、完善灵活的激励措施、优化改进的材料工艺、锅炉炉管寿命分析，锅炉防磨防爆三维监测等，但还存在以下仍未解决的问题：
(1)隐患及泄漏区域的空间位置不清晰，缺陷和隐患数据离散，难以分析与追溯；
(2)锅炉运行的历史和实时数据没有建立关联计算分析；
(3)防磨防爆三维监测只能实现在锅炉三维结构下对当前的温度状态进行监测，没有数据的分析、挖掘与计算，无法预测分析锅炉泄漏的易发部位。
技术实现要素：
针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种锅炉受热面失效区域分析防治及动态虚拟仿真系统，包括数据采集单元、多维分析计算单元、失效位置动态自动定位单元；所述数据采集单元是针对锅炉本身的属性数据、检修维护数据和通过传感器监测到的实时和历史数据进行统一完整的数据采集；所述多维分析计算单元是对锅炉运行综合工况监测及失效数据进行多维分析计算及处理单元；所述失效位置动态自动定位单元是根据多维计算分析单元的结果，预测和实时预警锅炉受热面失效的易发部位，并在虚拟锅炉数字平台中进行空间动态定位和模拟仿真。
作为改进，所述数据采集单元包括锅炉基础数据采集子单元、锅炉检修维护数据采集子单元、锅炉运行实时及历史数据采集子单元，用于将受热面母材缺陷数据、受热面安装期缺陷数据、受热面运行期失效数据、锅炉运行壁温实时数据、锅炉泄漏声波检测数据进行收集。
作为改进，其中，锅炉基础数据采集子单元采集数据包括：锅炉设计期存在的母材缺陷数据，管材在制造时发生的缺陷与钢铁锻压、延展时产生的缺陷数据，安装期锅炉安装焊缝位置及焊接工艺数据，炉管技术参数，锅炉设计运行时间，壁温测点编码及空间位置数据。
作为改进，其中，锅炉检修维护数据采集子单元采集数据包括：电厂发电机组停机检修过程中人工检查获取的炉管壁厚、割管金相、内窥镜检查数据；历次锅炉炉管泄漏或者爆管故障前后的运行数据、受热面修补或更换情况；故障分析数据；锅炉受热面换管、换屏的部位、材质、焊缝、焊接工艺的数据。
作为改进，其中，锅炉运行实时及历史数据采集子单元采集数据是通过传感器实时监测到的，包括：包括锅炉运行的机组负荷、过热蒸汽流量、再热蒸汽流量、过热蒸汽压力、再热蒸汽压力、过热蒸汽温度、再热蒸汽温度、给水温度、燃煤量以及锅炉管壁壁温数据。
作为改进，所述多维分析计算单元包括锅炉受热面失效分类及评估子单元、锅炉壁温数据与受热面失效的关联分析与计算子单元、炉管泄漏报警数据与受热面失效的关联分析与计算子单元。
作为改进，其中，锅炉受热面失效分类及评估子单元是通过对锅炉受热面失效分类、失效原因标识、并对失效部位进行状态跟踪，划分预警等级、开展风险预警监测，实现受热面潜在失效部位有效、及时的预防治理。
作为改进，其中，锅炉壁温数据与受热面失效的关联分析与计算子单元是通过对锅炉受热面的壁温实时和/或历史数据进行监控、报警、分析和追溯原因，其中当实测值与历史值比较的差值超过阈值后，进行报警、且更新报警记录；当新的报警记录报警时间不超过对应情况下历史报警记录时间时，只报警不更新报警记录。
作为改进，其中，炉管泄漏报警数据与受热面失效的关联分析与计算子单元是通过虚拟数字锅炉平台对泄漏报警的声波信号数据进行远程实时监测、数据追溯分析单元。
作为改进，所述失效位置动态自动定位单元是通过对与锅炉受热面相关的各类数据挖掘计算分析得出锅炉受热面失效区域的预测信息，并将该信息在虚拟数字锅炉平台上进行声光报警标识及动态自动定位处理的单元。
有益效果：本发明采用虚拟现实、数字孪生技术为燃煤电厂建立了一个数字化、虚拟化、网络化的锅炉受热面失效防治的计算机软件平台。实现了对电厂锅炉泄漏事故、隐患信息的立体数字空间的表达，通过受热面部件指标数据、检修维护数据的综合有效关联、分析与计算，在锅炉的虚拟数字镜像的环境中实现事故的分析与诊断、隐患的发掘与治理、摸清锅炉受热面失效的特性与规律，从而预测锅炉受热面的劣化倾向、检查重点、修理方法。通过预测，指导检查，发掘隐患，进一步提高锅炉受热面失效防治的管理水平和技术水平，从而逐步实现锅炉泄漏的预防治理。燃煤发电机组锅炉受热面发生失效，一般停机处理至少3天，一台600mw发电机组为例，按70％的负荷率计算，每天发电量约为1000万度，每度电利润0.05元计算，加上启停锅炉及检修费用60万元，则锅炉受热面失效发生一次的经济损失为:3×1000×0.05 60＝210万元，这给电厂安全生产及经济效益带来严重影响，通过本发明技术的应用，预防一次锅炉受热面失效引起的非计划停机，就能为电厂避免200万元左右的经济损失。同时相较于现有技术，具有以下几方面的优势：
(1)数据全面
系统针对锅炉受热面采集了设计制造期的母材缺陷数据、基建安装期焊接和承压试验数据、生产期的检查检修数据、运行过程中的锅炉及机组相关设备的在线数据，这些数据涵盖了锅炉及机组设备的整个生命周期，为锅炉受热面失效易发区域预测分析提供了全面详实的基础数据。
(2)数据关联分析和预测
系统以全面详实的锅炉受热面数据为基础，将数据进行科学分类，并开展关联性分析，挖掘数据偏差的关联性因素，同时分析这些因素在未来对锅炉受热面的演化性影响，对受热面潜在失效区域进行预测，从而为电厂提供预防性手段，避免非停。
(3)快速定位失效隐患
在虚拟数字锅炉环境中预测定位受热面失效点及潜在隐患点，能快速、直观了解锅炉受热面失效的空间位置与空间结构，并能与检修全过程的记录数据项对应，从而准确全面的了解锅炉受热面的健康状态。
(4)形成失效隐患地图
建立电厂锅炉系统历年发生的泄漏以及检修过程中发现的隐患的动态虚拟数字地图，并进行数据交互操作与积累，为锅炉受热面预防性检维修提供保障。
(5)强化过程跟踪管理
为电厂管理层对锅炉受热面隐患点实行动态跟踪、监督的有效闭环管理提供高效的、数字化、虚拟化的辅助方法与手段；通过虚拟数字锅炉平台强化对专业人员处理隐患或缺陷的过程与质量进行监测。
(6)降低炉管失效几率
通过平台专业人员可以直观了解锅炉结构、流程以及锅炉布置方式、运行特点，同时掌握锅炉受热面发生失效的规律和原因，运行对失效处理的情况以及发生实现后的处理情况；有效提出风险防范的措施，科学预防受热面失效，有效降低锅炉炉管失效几率。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
图2为本发明系统实施例1中的原理示意图。
具体实施方式
一种锅炉受热面失效区域分析防治动态虚拟系统，是依据燃煤电厂锅炉受热面失效防治的工作特点，运用计算机虚拟现实技术，建立锅炉本体受热面失效分析防治及动态虚拟系统，通过计算机图形工作站，将锅炉受热面进行计算机虚拟仿真，建立计算机锅炉受热面虚拟数字平台，采集锅炉运行状态实时监测数据，同时与锅炉炉管属性数据、失效历史数据和检修数据相结合，同时将电厂内部的设备管理系统和生产过程控制系统结合起来，通过数据挖掘分析，对锅炉受热面失效易发区域进行预测和空间定位，并对定位的易发部位进行计算机仿真模拟，了解不同部位泄漏所造成的关联性损伤，从而建立预防措施，降低锅炉受热面失效事故发生率。
锅炉受热面失效分析防治动态虚拟系统包括：数据采集单元1，多维分析计算单元2，失效位置动态自动定位单元3。所述数据采集单元1指包括针对锅炉本身的属性数据、检修维护数据和通过传感器监测到的实时和历史数据进行统一完整的采集。包括锅炉基础数据采集子单元11、锅炉检修维护数据采集子单元12、锅炉运行实时及历史数据采集子单元13；所述多维分析计算单元2是指锅炉运行综合工况监测及失效数据多维分析计算软件系统。包括锅炉受热面失效分类及评估子单元21、锅炉壁温数据与受热面失效的关联分析与计算子单元22、炉管泄漏报警数据与受热面失效的关联分析与计算子单元23；所述失效位置动态自动定位单元3根据多维分析计算单元2分析的结果，预测和实时预警锅炉受热面失效的易发部位，并在虚拟锅炉数字平台中进行空间动态定位和模拟仿真。
锅炉基础数据采集子单元11采集锅炉设计期存在的母材缺陷数据，管材在制造时发生的缺陷与钢铁锻压、延展时产生了气泡、夹层、折叠、壁厚不均、退火不良、晶粒度等缺陷；安装期锅炉安装焊缝位置及焊接工艺数据，炉管壁厚、直径、材质分布等炉管技术参数；锅炉设计运行小时；壁温测点编码及空间位置。
锅炉检修维护数据采集子单元12采集电厂发电机组停机检修过程中人工检查获取的炉管壁厚测量、割管金相检测、内窥镜检查等数据；历次锅炉炉管泄漏或者爆管故障前后的运行数据、受热面修补或更换情况；故障分析数据；锅炉受热面换管、换屏的的部位、材质、焊缝、焊接工艺的数据。
锅炉运行实时及历史数据采集子单元13采集与锅炉受热面失效有关联性的，通过传感器实时监测到的数据，包括锅炉运行的机组负荷、过热蒸汽流量、再热蒸汽流量、过热蒸汽压力、再热蒸汽压力、过热蒸汽温度、再热蒸汽温度、给水温度、燃煤量以及锅炉管壁壁温数据。
锅炉受热面失效分析及评估子单元21借助实现对锅炉受热面失效分类、失效原因标识、并对失效部位进行状态跟踪，划分预警等级、开展风险预警监测，实现受热面潜在失效部位有效、及时的预防治理。依据受热面管壁的测厚数据计算分析炉管管壁减薄趋势；根据历锅炉炉管历史爆漏数据的积累、计算、分析，指导并化各类锅炉用管备品备件的采购；对锅炉的热膨胀数据进行监测分析。利用电厂以上受热面失效数据的大样本库，通过数据标签后，学习推测出一些原本无法直接测量的指标。由此实现对当前锅炉受热面状态的评估、对以往发生故障的诊断，以及对未来劣化趋势的预测，并给予分析的结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。
锅炉壁温数据与受热面失效的关联分析与计算子单元22将虚拟数字化模型与受热面管壁壁温实时数据进行关联开发，对锅炉受热面的壁温实时/历史数据进行监控、报警、分析和追溯。主要围绕壁温超限、壁温突变计算、偏差计算，同屏不同管壁温分布，同管不同屏壁温分布。在分析过程中，阈值用户可以自行定义设置，系统将根据选择的参数(机组、负荷、时间范围、部件、温度等)计算并返回指定的数据；数据可以通过表格、曲线、棒图、鱼刺图其他图表进行展现。下面给出了锅炉受热面温度突变和偏差分析计算的关系公式：
a-(a1，a2....an)＞x
其中，在锅炉受热面管屏上分布的温度测点实时值(a)与温度测点历史值(an)进行比较，当差值超过设定的阀值(x)时开始突变报警，当差值低于阀值(x)时结束报警，记录为历史报警记录。
其中，相邻两个锅炉受热面管屏上分布的温度测点实时值的差值(a-b)与正常差值(正常值通过历史数据获取
管泄漏报警数据与受热面失效的关联分析与计算子单元23，是基于虚拟数字锅炉平台的炉管泄漏报警数据的分析与追溯实现开发与泄漏报警装置的工业数据接口，将泄漏报警的声波信号数据以及炉管泄漏后捕捉到的能量数据接入虚拟数字锅炉平台，实现在虚拟数字锅炉平台上对泄漏报警的远程实时监测、数据追溯和诊断分析。
虚拟数字锅炉平台运用虚拟现实和数字孪生技术结合数据库技术、软件开发技术、网络技术、图形技术，建立一个集综合业务、数据信息、高度可视化为一体的立体式、多维度、全方位的虚拟数字锅炉平台，实现对锅炉受热面管屏分布、联箱、集箱、引入引出管、鳍片、焊口、悬吊架、燃烧孔、看火孔、人孔、吹灰孔等细微部件的立体数字结构，同时支持锅炉受热面各种类型的数据与虚拟数字锅炉平台中的各虚拟部件进行数字化关联，将物理世界中的锅炉映射到虚拟数字空间中，形成可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的数字镜像。
锅炉受热面失效预警的动态自动定位单元3通过锅炉受热面的一系列静态、动态的数据，通过计算分析得出锅炉受热面失效预测信息，该信息会在系统平台上进行声光报警，同时，该预测信息能在对应的受热面具体空间位置的虚拟数字锅炉平台中进行动态自动定位。
下面对本发明附图结合实施例作出进一步说明。
采用本发明的锅炉受热面失效区域分析防治动态虚拟系统进行测量的具体方法：见图2中，包括数据采集，虚拟数字锅炉构建，失效区域预测分析计算模型和预警及定位。数据采集用于将锅炉受热面在不同时期产生的缺陷数据以及对应的机组运行状态数据进行采集，清洗，转换、存储；虚拟数字锅炉构建用于将物理实体的锅炉在数字世界中创建一个同样的虚拟镜像；失效区域预测分析计算模型用于将数据采集系统采集到的数据开展分析计算，预测锅炉受热面失效区域；预警及定位用于将系统计算预测出的失效区域在计算机上声光预警同时在虚拟数字锅炉中动态定位预警的空间位置。
1.数据采集
数据采集的实施通过三种途径开展采集工作。对于制造期、安装期、运行期的缺陷数据按照设计的数据库表单类型先整理成excel文件，然后通过报表导入工具导入到数据库中；对于运行期机组和锅炉监测在线历史和当前实时数据通过开发工业软件接口，从电厂dcs或者sis系统中通过etl方式进行采集并存入数据库中。
2.虚拟数字锅炉构建
采用虚拟现实技术、数字孪生技术，计算机图形技术将实体锅炉在计算机中构建一个完全一样的虚拟数字锅炉。首先要对锅炉结构，区域、管屏通过kks规则机型编码，以单一管屏为最小图元，以锅炉结构图纸为基准进行构建。
为保证虚拟数字锅炉良好的软件动态效果以及快速人机交互响应，数字模型构建过程中，遵守以下规范：
(1)模型单个图元的点数(vertex)≤65535，超过之后使用减面工具减面，不能减面则使用“元素分离(detach)”分成多个图元，并做好备份，确保单个图元的点数(vertex)≤65535。
(2)模型单个图元的圆形弧度边线曲≥48，具体数值的确定要求原则：不可见棱角；三角面数量尽量少。
(3)物体表面做布尔运算打孔时，“计算物体”边数≤20，“源物体”边数≤10。针对曲面做布尔运算之后应删除多余的点和线。
(4)多边形建模单个面的边数(edgecount)≤4。
(5)涡轮平滑(turbosmooth)细分值(interations)≤3。
(6)布尔运算后，物体中心点必须归零(centertoobject)。
(7)做环形阵列时，使用辅助坐标轴阵列功能(transformcoordinatecenter)，而不是改变物体自身坐标轴。
(8)从模型上提取的线(spline)或面(polygon)，在提取后必须修复其法线、坐标方向。
3.失效区域预测分析计算模型
对锅炉受热面失效分类、失效原因标识、并对失效部位进行状态跟踪，划分预警等级、开展风险预警监测，实现受热面潜在失效部位有效、及时的预防治理。依据受热面管壁的测厚数据计算分析炉管管壁减薄趋势；根据历锅炉炉管历史爆漏数据的积累、计算、分析，指导并化各类锅炉用管备品备件的采购；对锅炉的热膨胀数据进行监测分析。利用电厂以上受热面失效数据的大样本库，通过数据标签后，学习推测出一些原本无法直接测量的指标。由此实现对当前锅炉受热面状态的评估、对以往发生故障的诊断，以及对未来劣化趋势的预测，并给予分析的结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。
将虚拟数字化模型与受热面管壁壁温实时数据进行关联开发，对锅炉受热面的壁温实时/历史数据进行监控、报警、分析和追溯。主要围绕壁温超限、壁温突变计算、偏差计算，同屏不同管壁温分布，同管不同屏壁温分布。在分析过程中，阈值用户可以自行定义设置，系统将根据选择的参数(机组、负荷、时间范围、部件、温度等)计算并返回指定的数据；数据可以通过表格、曲线、棒图、鱼刺图其他图表进行展现。
下面给出了锅炉受热面温度突变和偏差分析计算的关系公式：
a-(a1、a3....an)＞x
其中，在锅炉受热面管屏上分布的温度测点实时值(a)与温度测点历史值(an)进行比较，当差值超过设定的阀值(x)时开始突变报警，当差值低于阀值(x)时结束报警，记录为历史报警记录。
其中，相邻两个锅炉受热面管屏上分布的温度测点实时值的差值(a-b)与正常差值(正常值通过历史数据获取
将泄漏报警的声波信号数据以及炉管泄漏后捕捉到的能量数据接入虚拟数字锅炉平台，实现在虚拟锅炉数字平台上对泄漏报警的远程实时监测、数据追溯分析。
3.2预警及定位
用于将系统计算预测出的失效区域在计算机上声光预警，声光报警的数据在虚拟数字锅炉中动态定位空间位置。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
1.一种锅炉受热面失效区域分析防治动态虚拟系统，其特征在于：包括数据采集单元(1)、多维分析计算单元(2)、失效位置动态自动定位单元(3)；所述数据采集单元(1)是针对锅炉本身的属性数据、检修维护数据和通过传感器监测到的实时和历史数据进行统一完整的数据采集；所述多维分析计算单元(2)是对锅炉运行综合工况监测及失效数据进行多维分析计算及处理单元；所述失效位置动态自动定位单元(3)是根据多维计算分析单元(2)的结果，预测和实时预警锅炉受热面失效的易发部位，并在虚拟锅炉数字平台中进行空间动态定位和模拟仿真。
2.根据权利要求1所述的锅炉受热面失效区域分析防治动态虚拟系统，其特征在于：所述数据采集单元(1)包括锅炉基础数据采集子单元(11)、锅炉检修维护数据采集子单元(12)、锅炉运行实时及历史数据采集子单元(13)，用于将受热面母材缺陷数据、受热面安装期缺陷数据、受热面运行期失效数据、锅炉运行壁温实时数据、锅炉泄漏声波检测数据进行收集。
3.根据权利要求2所述的锅炉受热面失效区域分析防治动态虚拟系统，其特征在于：其中，锅炉基础数据采集子单元(11)采集数据包括：锅炉设计期存在的母材缺陷数据，管材在制造时发生的缺陷与钢铁锻压、延展时产生的缺陷数据，安装期锅炉安装焊缝位置及焊接工艺数据，炉管技术参数，锅炉设计运行时间，壁温测点编码及空间位置数据。
4.根据权利要求2所述的锅炉受热面失效区域分析防治动态虚拟系统，其特征在于：其中，锅炉检修维护数据采集子单元(12)采集数据包括：电厂发电机组停机检修过程中人工检查获取的炉管壁厚、割管金相、内窥镜检查数据；历次锅炉炉管泄漏或者爆管故障前后的运行数据、受热面修补或更换情况；故障分析数据；锅炉受热面换管、换屏的部位、材质、焊缝、焊接工艺的数据。
5.根据权利要求2所述的锅炉受热面失效区域分析防治动态虚拟系统，其特征在于：其中，锅炉运行实时及历史数据采集子单元(13)采集数据是通过传感器实时监测到的，包括：包括锅炉运行的机组负荷、过热蒸汽流量、再热蒸汽流量、过热蒸汽压力、再热蒸汽压力、过热蒸汽温度、再热蒸汽温度、给水温度、燃煤量以及锅炉管壁壁温数据。
6.根据权利要求1所述的锅炉受热面失效区域分析防治动态虚拟系统，其特征在于：所述多维分析计算单元(2)包括锅炉受热面失效分类及评估子单元(21)、锅炉壁温数据与受热面失效的关联分析与计算子单元(22)、炉管泄漏报警数据与受热面失效的关联分析与计算子单元(23)。
7.根据权利要求6所述的锅炉受热面失效区域分析防治动态虚拟系统，其特征在于：其中，锅炉受热面失效分类及评估子单元(21)是通过对锅炉受热面失效分类、失效原因标识、并对失效部位进行状态跟踪，划分预警等级、开展风险预警监测，实现受热面潜在失效部位有效、及时的预防治理。
8.根据权利要求6所述的锅炉受热面失效区域分析防治动态虚拟系统，其特征在于：其中，锅炉壁温数据与受热面失效的关联分析与计算子单元(22)是通过对锅炉受热面的壁温实时和/或历史数据进行监控、报警、分析和追溯原因，其中当实测值与历史值比较的差值超过阈值后，进行报警、且更新报警记录；当新的报警记录报警时间不超过对应情况下历史报警记录时间时，只报警不更新报警记录。
9.根据权利要求6所述的锅炉受热面失效区域分析防治动态虚拟系统，其特征在于：其中，炉管泄漏报警数据与受热面失效的关联分析与计算子单元(23)是通过虚拟数字锅炉平台对泄漏报警的声波信号数据进行远程实时监测、数据追溯分析单元。
10.根据权利要求1所述的锅炉受热面失效区域分析防治动态虚拟系统，其特征在于：所述失效位置动态自动定位单元(3)是通过对与锅炉受热面相关的各类数据挖掘计算分析得出锅炉受热面失效区域的预测信息，并将该信息在虚拟数字锅炉平台上进行声光报警标识及动态自动定位处理。
技术总结