工業鍋爐數字化設計與數字孿生綜述

張富玉，杜增輝

（1.蘭州石化職業技術大學，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

工業鍋爐作為現代工業中重要的能源設備之一，扮演著至關重要的角色。隨著智能制造的發展，數字化設計和數字孿生成為智能制造領域中的關鍵技術之一。傳統的工業鍋爐設計過程主要依賴經驗和試錯，存在效率低下和成本高昂的問題[1]。因此，數字化設計和數字孿生技術被引入到工業鍋爐領域中，以提高設計的準確性和效率，并實時監測和優化工業鍋爐的性能。數字孿生是一種將物理系統和數字模型相結合的技術，通過實時數據采集和模型仿真，實現對物理系統的監測、分析和優化。在工業鍋爐中，數字孿生技術可以實時監測和分析工業鍋爐的運行情況，提供設備狀態的即時反饋。同時，數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措施，從而減少停機時間和維修成本。數字化設計將工業鍋爐的各個方面，包括結構、燃燒和傳熱等，進行數字化建模和仿真。通過數字化設計，可以提高工業鍋爐的設計準確性和效率[2]。數字化設計和數字孿生的結合可以實現工業鍋爐的自動化和智能化，進一步提高工業鍋爐的性能和效率。隨著物聯網、大數據和人工智能等技術的不斷發展，工業鍋爐的數字化設計和數字孿生將進一步深化和拓展[3]。

1 數字孿生的特點

首先，數字孿生技術能夠實時采集和分析物理系統的數據，并與數字模型進行實時交互。這使得數字孿生能夠實時監測和分析工業鍋爐的運行情況，并提供及時的設備狀態反饋。其次，工業鍋爐作為復雜的能源設備，涉及多個方面的物理過程，數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鍋爐的運行狀態[4]。再次，數字孿生技術可以通過可視化手段，將工業鍋爐的數據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。最后，數字孿生具有協同性，能夠通過與其他工業系統和設備的聯動，實現信息共享和協同優化，提高整體生產效率和能源利用效率[5]。通過利用數字孿生技術，工業鍋爐的設計、運維和維修過程能夠得到智能化的支持，進一步提高工業鍋爐的性能和效率。

2 工業鍋爐數字化設計的重要性和必要性

2.1 傳統工業鍋爐設計問題

傳統的工業鍋爐設計過程主要依賴經驗和試錯，并存在效率低下和成本高昂的問題。傳統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，傳統設計方法主要依賴于設計師的經驗和直覺，設計過程缺乏科學性和系統性。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，傳統設計方法無法充分考慮到工業鍋爐各個組成部分之間的相互影響和耦合效應。在傳統設計中，各個部分往往是獨立設計的，無法及時發現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，傳統設計方法無法全面考慮到實際運行環境對工業鍋爐性能的影響[6]。傳統設計過程中往往忽視了外部環境因素，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，傳統設計方法還存在設計周期長、成本高的問題。傳統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。特別對大型工業鍋爐的設計，由于設計的復雜性和精度的要求，傳統設計方法容易產生問題。

2.2 傳統鍋爐的設計案例

設計目標：為化工廠提供穩定、高效的蒸汽供應，滿足生產工藝需求。

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測裝置，確保燃燒穩定和安全；燃燒器可根據負荷需求進行自動調節，實現節能運行。

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

（5）安全系統設計：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；安全系統還包括防爆門、緊急排放閥等安全設施，以防止鍋爐發生爆炸或其他安全事故。

2.3 工業鍋爐數字化設計的必要性

首先，數字化設計通過將工業鍋爐的各個方面，包括結構、燃燒和傳熱等，進行數字化建模和仿真，能夠提高設計的準確性。通過使用數字化工具和技術，設計人員能夠更全面地了解工業鍋爐的各個部分，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，工業鍋爐數字化設計可以幫助設計人員更好地控制工業鍋爐的性能[7]。通過數字化設計，可對工業鍋爐的關鍵參數進行模擬和優化，以實現最佳性能。例如，通過數字模型對鍋爐的燃燒過程進行優化，提高燃燒效率，減少能源浪費。同時，數字化設計還能夠幫助設計人員確定最佳材料和結構，以提高工業鍋爐的耐久性和可靠性。最后，工業鍋爐數字化設計還能夠使設計過程具有可追溯性和可重現性。通過數字化設計，設計人員可以記錄和保存所有的設計數據和決策過程，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，工業鍋爐數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。通過數字化設計，可以降低設計成本，提高工業鍋爐的性能和效率，從而為工業鍋爐的發展和應用作出貢獻。

2.4 工業鍋爐數字化設計的實現方法

為了實現工業鍋爐的數字化設計，需要采取合適的方法和技術：

首先，工業鍋爐的數字化設計可以基于CAD 軟件進行。CAD 軟件可以對工業鍋爐進行三維建模，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化設計，即設計師可以通過改變參數來快速生成不同規格的工業鍋爐設計。

其次，工業鍋爐的數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，設計師可以對工業鍋爐的燃燒過程進行數值模擬，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，工業鍋爐的數字化設計還可以借助虛擬現實（VR）技術進行。通過VR 技術，設計師可以將工業鍋爐的數字模型轉化為虛擬現實場景，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實環境，在其中觀察和檢查工業鍋爐的各個部件和操作過程，從而發現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，工業鍋爐的數字化設計可以借助數據驅動的方法進行。通過采集和分析工業鍋爐的實時數據，可以獲取對工業鍋爐運行狀態和性能的了解。設計師可以通過數據驅動的方法，例如機器學習和人工智能技術，對工業鍋爐的性能進行優化和預測。通過對大量數據的建模和分析，可以發現工業鍋爐設計中的潛在問題，并提出改進和優化方案。

3 數字孿生技術在工業鍋爐設計中的應用

3.1 數字孿生在工業鍋爐中的監測與分析

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

3.2 數字孿生在工業鍋爐故障診斷與預測中的應用

在工業鍋爐的故障診斷方面，數字孿生技術可以根據實時數據和模型進行故障檢測，及時發現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，數字孿生技術還可以進行設備的故障預測。通過對工業鍋爐歷史數據和模型的分析，數字孿生能夠預測設備未來可能出現的故障，并提前采取相應的維修和保養措施，以減少設備故障對生產的影響。同時，數字孿生還能夠通過對不同工況進行模擬和優化，提高設備的性能和效率，延長設備的使用壽命[10]。

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

未來，數字孿生技術在工業鍋爐中的應用將繼續深化和拓展。隨著物聯網、大數據和人工智能等技術的不斷發展，工業鍋爐的數字化設計和數字孿生將與其他智能制造技術相結合，實現工業鍋爐的自動化和智能化。同時，數字孿生技術還可以通過與其他領域的數字孿生模型進行聯合仿真和優化，提供更全面和更準確的設備運行狀態分析和性能優化。

3.3 數字孿生在工業鍋爐維修與保養中的應用

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

首先，數字孿生可以進行設備故障的診斷和預測。通過與數字模型的比對，數字孿生可以檢測出工業鍋爐中的潛在故障，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措施，減少設備故障造成的停機時間和維修成本。

其次，數字孿生可以進行設備維護的優化。通過對工業鍋爐的運行數據進行分析，數字孿生可以判斷出設備在不同時間段的運行狀況。基于這些狀況，數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，數字孿生還可以幫助運維人員進行應急維修。當工業鍋爐發生意外故障時，數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，快速恢復工業鍋爐的正常運行。

4 結論

本文對工業鍋爐數字化設計和數字孿生技術進行了綜述，并對其應用前景進行了展望。通過對數字孿生的介紹，說明了數字孿生技術在智能制造中的重要性和廣闊的應用前景。在工業鍋爐設計方面，本文強調了傳統的設計過程存在低效率和高成本的問題，并指出數字化設計可以通過數字化建模和仿真的方式提高設計的準確性和效率。在工業鍋爐中的應用方面，數字孿生技術可以實時監測和分析工業鍋爐的運行情況，提供設備狀態的即時反饋。同時，數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鍋爐數字化設計和數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展，可以進一步提高工業鍋爐的性能和效率。