張富玉，杜增輝

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，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(yè)鍋爐作為現(xiàn)代工業(yè)中重要的能源設(shè)備之一，扮演著至關(guān)重要的角色。隨著智能制造的發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)和數(shù)字孿生成為智能制造領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)過程主要依賴經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)，存在效率低下和成本高昂的問題[1]。因此，數(shù)字化設(shè)計(jì)和數(shù)字孿生技術(shù)被引入到工業(yè)鍋爐領(lǐng)域中，以提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率，并實(shí)時(shí)監(jiān)測和優(yōu)化工業(yè)鍋爐的性能。數(shù)字孿生是一種將物理系統(tǒng)和數(shù)字模型相結(jié)合的技術(shù)，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和模型仿真，實(shí)現(xiàn)對物理系統(tǒng)的監(jiān)測、分析和優(yōu)化。在工業(yè)鍋爐中，數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析工業(yè)鍋爐的運(yùn)行情況，提供設(shè)備狀態(tài)的即時(shí)反饋。同時(shí)，數(shù)字孿生還能夠進(jìn)行設(shè)備的故障診斷和預(yù)測，提前采取維修和保養(yǎng)措施，從而減少停機(jī)時(shí)間和維修成本。數(shù)字化設(shè)計(jì)將工業(yè)鍋爐的各個(gè)方面，包括結(jié)構(gòu)、燃燒和傳熱等，進(jìn)行數(shù)字化建模和仿真。通過數(shù)字化設(shè)計(jì)，可以提高工業(yè)鍋爐的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和效率[2]。數(shù)字化設(shè)計(jì)和數(shù)字孿生的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐的自動(dòng)化和智能化，進(jìn)一步提高工業(yè)鍋爐的性能和效率。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)鍋爐的數(shù)字化設(shè)計(jì)和數(shù)字孿生將進(jìn)一步深化和拓展[3]。

1 數(shù)字孿生的特點(diǎn)

首先，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)采集和分析物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并與數(shù)字模型進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。這使得數(shù)字孿生能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和分析工業(yè)鍋爐的運(yùn)行情況，并提供及時(shí)的設(shè)備狀態(tài)反饋。其次，工業(yè)鍋爐作為復(fù)雜的能源設(shè)備，涉及多個(gè)方面的物理過程，數(shù)字孿生能夠通過建立復(fù)雜的多物理模型來準(zhǔn)確地模擬和分析工業(yè)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)[4]。再次，數(shù)字孿生技術(shù)可以通過可視化手段，將工業(yè)鍋爐的數(shù)據(jù)和模型直觀地展示出來，幫助工程師直觀地了解設(shè)備的運(yùn)行情況和性能表現(xiàn)。最后，數(shù)字孿生具有協(xié)同性，能夠通過與其他工業(yè)系統(tǒng)和設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)信息共享和協(xié)同優(yōu)化，提高整體生產(chǎn)效率和能源利用效率[5]。通過利用數(shù)字孿生技術(shù)，工業(yè)鍋爐的設(shè)計(jì)、運(yùn)維和維修過程能夠得到智能化的支持，進(jìn)一步提高工業(yè)鍋爐的性能和效率。

2 工業(yè)鍋爐數(shù)字化設(shè)計(jì)的重要性和必要性

2.1 傳統(tǒng)工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)問題

傳統(tǒng)的工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)過程主要依賴經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)，并存在效率低下和成本高昂的問題。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無法充分考慮各個(gè)方面的因素，如結(jié)構(gòu)、燃燒和傳熱等，容易造成設(shè)計(jì)的不準(zhǔn)確性和低效率。首先，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要依賴于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和直覺，設(shè)計(jì)過程缺乏科學(xué)性和系統(tǒng)性。設(shè)計(jì)師常常需要通過猜測和試錯(cuò)來確定最佳方案，這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或不理想的設(shè)計(jì)結(jié)果。其次，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無法充分考慮到工業(yè)鍋爐各個(gè)組成部分之間的相互影響和耦合效應(yīng)。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各個(gè)部分往往是獨(dú)立設(shè)計(jì)的，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決各個(gè)部分之間的沖突或矛盾，導(dǎo)致整體設(shè)計(jì)的不完善和不一致。再次，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無法全面考慮到實(shí)際運(yùn)行環(huán)境對工業(yè)鍋爐性能的影響[6]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中往往忽視了外部環(huán)境因素，如氣候、水質(zhì)和燃料差異等，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況存在偏差和不匹配。最后，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法還存在設(shè)計(jì)周期長、成本高的問題。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要多次的試制、調(diào)試和修改，導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)間和成本都無法控制。特別對大型工業(yè)鍋爐的設(shè)計(jì)，由于設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和精度的要求，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法容易產(chǎn)生問題。

2.2 傳統(tǒng)鍋爐的設(shè)計(jì)案例

設(shè)計(jì)目標(biāo)：為化工廠提供穩(wěn)定、高效的蒸汽供應(yīng)，滿足生產(chǎn)工藝需求。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）爐膛設(shè)計(jì)：爐膛采用矩形結(jié)構(gòu)，確保燃料在爐膛內(nèi)均勻分布和燃燒；爐膛內(nèi)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(shè)有灰渣排放口，方便清理灰渣。

（2）換熱器設(shè)計(jì)：換熱器采用水管式結(jié)構(gòu)，水在管內(nèi)流動(dòng)，通過管外壁與爐膛中的高溫?zé)煔膺M(jìn)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(jīng)換熱器，提高熱交換效率。

（3）燃燒器設(shè)計(jì)：燃燒器采用燃油或燃?xì)庾鳛槿剂?，通過噴嘴將燃料噴入爐膛；燃燒器配備點(diǎn)火裝置和火焰監(jiān)測裝置，確保燃燒穩(wěn)定和安全；燃燒器可根據(jù)負(fù)荷需求進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

（4）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：控制系統(tǒng)包括自動(dòng)化儀表、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于監(jiān)測和控制鍋爐的運(yùn)行參數(shù)，如蒸汽壓力、溫度、水位等；控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控，方便操作人員對鍋爐進(jìn)行管理和調(diào)整。

（5）安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)：鍋爐配備水位保護(hù)、壓力保護(hù)和溫度保護(hù)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(tǒng)還包括防爆門、緊急排放閥等安全設(shè)施，以防止鍋爐發(fā)生爆炸或其他安全事故。

2.3 工業(yè)鍋爐數(shù)字化設(shè)計(jì)的必要性

首先，數(shù)字化設(shè)計(jì)通過將工業(yè)鍋爐的各個(gè)方面，包括結(jié)構(gòu)、燃燒和傳熱等，進(jìn)行數(shù)字化建模和仿真，能夠提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。通過使用數(shù)字化工具和技術(shù)，設(shè)計(jì)人員能夠更全面地了解工業(yè)鍋爐的各個(gè)部分，并對其進(jìn)行精確分析，這樣可以減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本。其次，工業(yè)鍋爐數(shù)字化設(shè)計(jì)可以幫助設(shè)計(jì)人員更好地控制工業(yè)鍋爐的性能[7]。通過數(shù)字化設(shè)計(jì)，可對工業(yè)鍋爐的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行模擬和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。例如，通過數(shù)字模型對鍋爐的燃燒過程進(jìn)行優(yōu)化，提高燃燒效率，減少能源浪費(fèi)。同時(shí)，數(shù)字化設(shè)計(jì)還能夠幫助設(shè)計(jì)人員確定最佳材料和結(jié)構(gòu)，以提高工業(yè)鍋爐的耐久性和可靠性。最后，工業(yè)鍋爐數(shù)字化設(shè)計(jì)還能夠使設(shè)計(jì)過程具有可追溯性和可重現(xiàn)性。通過數(shù)字化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員可以記錄和保存所有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和決策過程，使得設(shè)計(jì)過程更加透明和可追溯。這對設(shè)計(jì)過程的評估和改進(jìn)非常重要，也有利于知識(shí)的傳承和積累。綜上所述，工業(yè)鍋爐數(shù)字化設(shè)計(jì)在提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(shù)字化設(shè)計(jì)，可以降低設(shè)計(jì)成本，提高工業(yè)鍋爐的性能和效率，從而為工業(yè)鍋爐的發(fā)展和應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。

2.4 工業(yè)鍋爐數(shù)字化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐的數(shù)字化設(shè)計(jì)，需要采取合適的方法和技術(shù)：

首先，工業(yè)鍋爐的數(shù)字化設(shè)計(jì)可以基于CAD 軟件進(jìn)行。CAD 軟件可以對工業(yè)鍋爐進(jìn)行三維建模，包括結(jié)構(gòu)和部件的設(shè)計(jì)。通過CAD 軟件，設(shè)計(jì)師可以對工業(yè)鍋爐進(jìn)行虛擬組裝和擬真仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可行性。此外，CAD 軟件還可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)師可以通過改變參數(shù)來快速生成不同規(guī)格的工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)。

其次，工業(yè)鍋爐的數(shù)字化設(shè)計(jì)可以利用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件進(jìn)行。CAE 軟件可以對工業(yè)鍋爐的燃燒和傳熱等方面進(jìn)行模擬和分析，以評估設(shè)計(jì)的性能[8]。通過CAE 軟件，設(shè)計(jì)師可以對工業(yè)鍋爐的燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以了解燃燒效率和污染物排放情況。同時(shí)，CAE 軟件還可以進(jìn)行傳熱分析，包括燃?xì)獾剿膫鳠徇^程和排煙溫度等方面的計(jì)算。

再次，工業(yè)鍋爐的數(shù)字化設(shè)計(jì)還可以借助虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)進(jìn)行。通過VR 技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以將工業(yè)鍋爐的數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)實(shí)場景，以進(jìn)行沉浸式的體驗(yàn)和評估。設(shè)計(jì)師可以通過VR 頭顯設(shè)備進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，在其中觀察和檢查工業(yè)鍋爐的各個(gè)部件和操作過程，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷和改進(jìn)之處。此外，VR 技術(shù)還可以與其他技術(shù)結(jié)合，如手部追蹤和觸覺反饋，以提供更真實(shí)的體驗(yàn)和操作。

最后，工業(yè)鍋爐的數(shù)字化設(shè)計(jì)可以借助數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行。通過采集和分析工業(yè)鍋爐的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以獲取對工業(yè)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)和性能的了解。設(shè)計(jì)師可以通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，例如機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，對工業(yè)鍋爐的性能進(jìn)行優(yōu)化和預(yù)測。通過對大量數(shù)據(jù)的建模和分析，可以發(fā)現(xiàn)工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)中的潛在問題，并提出改進(jìn)和優(yōu)化方案。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 數(shù)字孿生在工業(yè)鍋爐中的監(jiān)測與分析

數(shù)字孿生技術(shù)可以通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和模型仿真，對工業(yè)鍋爐進(jìn)行監(jiān)測和分析，提供設(shè)備狀態(tài)的即時(shí)反饋。具體來說，數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測工業(yè)鍋爐的運(yùn)行參數(shù)，如溫度、壓力、流量等，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)字模型中進(jìn)行分析。通過對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和模型結(jié)果的對比，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)工業(yè)鍋爐的異常情況，如過熱、過壓、漏水等。同時(shí)，數(shù)字孿生技術(shù)還可以對工業(yè)鍋爐的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，包括燃燒狀態(tài)、傳熱效率等，為優(yōu)化工業(yè)鍋爐的性能提供依據(jù)[9]。通過數(shù)字孿生技術(shù)的監(jiān)測與分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)工業(yè)鍋爐的問題，并采取相應(yīng)的維修和保養(yǎng)措施，減少停機(jī)時(shí)間和維修成本，提高設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行能力和可靠性。

3.2 數(shù)字孿生在工業(yè)鍋爐故障診斷與預(yù)測中的應(yīng)用

在工業(yè)鍋爐的故障診斷方面，數(shù)字孿生技術(shù)可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行故障檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)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(shè)備的維修和保養(yǎng)提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)，減少停機(jī)時(shí)間和維修成本。

除了故障診斷，數(shù)字孿生技術(shù)還可以進(jìn)行設(shè)備的故障預(yù)測。通過對工業(yè)鍋爐歷史數(shù)據(jù)和模型的分析，數(shù)字孿生能夠預(yù)測設(shè)備未來可能出現(xiàn)的故障，并提前采取相應(yīng)的維修和保養(yǎng)措施，以減少設(shè)備故障對生產(chǎn)的影響。同時(shí)，數(shù)字孿生還能夠通過對不同工況進(jìn)行模擬和優(yōu)化，提高設(shè)備的性能和效率，延長設(shè)備的使用壽命[10]。

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用使得工業(yè)鍋爐的管理更加智能化和精細(xì)化。通過對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，數(shù)字孿生還可以為設(shè)備的維修和保養(yǎng)提供更準(zhǔn)確的指導(dǎo)，提高維修效率，減少停機(jī)時(shí)間和維修成本。

未來，數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)鍋爐中的應(yīng)用將繼續(xù)深化和拓展。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)鍋爐的數(shù)字化設(shè)計(jì)和數(shù)字孿生將與其他智能制造技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐的自動(dòng)化和智能化。同時(shí)，數(shù)字孿生技術(shù)還可以通過與其他領(lǐng)域的數(shù)字孿生模型進(jìn)行聯(lián)合仿真和優(yōu)化，提供更全面和更準(zhǔn)確的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析和性能優(yōu)化。

3.3 數(shù)字孿生在工業(yè)鍋爐維修與保養(yǎng)中的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)鍋爐的維修和保養(yǎng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析工業(yè)鍋爐的運(yùn)行情況，數(shù)字孿生技術(shù)可以提供設(shè)備狀態(tài)的即時(shí)反饋，幫助運(yùn)維人員更好地了解鍋爐的性能和狀況。

首先，數(shù)字孿生可以進(jìn)行設(shè)備故障的診斷和預(yù)測。通過與數(shù)字模型的比對，數(shù)字孿生可以檢測出工業(yè)鍋爐中的潛在故障，并提供預(yù)測性的維修建議，可以幫助運(yùn)維人員及時(shí)采取維修和保養(yǎng)措施，減少設(shè)備故障造成的停機(jī)時(shí)間和維修成本。

其次，數(shù)字孿生可以進(jìn)行設(shè)備維護(hù)的優(yōu)化。通過對工業(yè)鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)字孿生可以判斷出設(shè)備在不同時(shí)間段的運(yùn)行狀況?；谶@些狀況，數(shù)字孿生可以提供定制化的維護(hù)方案，包括維修檢查的頻率、維護(hù)工作的內(nèi)容等，從而最大程度地延長設(shè)備的使用壽命，并提高設(shè)備的性能和效率。

最后，數(shù)字孿生還可以幫助運(yùn)維人員進(jìn)行應(yīng)急維修。當(dāng)工業(yè)鍋爐發(fā)生意外故障時(shí)，數(shù)字孿生可以提供即時(shí)的故障診斷和修復(fù)指導(dǎo)，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(jìn)行維修工作，快速恢復(fù)工業(yè)鍋爐的正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文對工業(yè)鍋爐數(shù)字化設(shè)計(jì)和數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行了綜述，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。通過對數(shù)字孿生的介紹，說明了數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造中的重要性和廣闊的應(yīng)用前景。在工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)方面，本文強(qiáng)調(diào)了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程存在低效率和高成本的問題，并指出數(shù)字化設(shè)計(jì)可以通過數(shù)字化建模和仿真的方式提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率。在工業(yè)鍋爐中的應(yīng)用方面，數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析工業(yè)鍋爐的運(yùn)行情況，提供設(shè)備狀態(tài)的即時(shí)反饋。同時(shí)，數(shù)字孿生技術(shù)還能進(jìn)行設(shè)備的故障診斷和預(yù)測，提前采取維修和保養(yǎng)措施，從而減少停機(jī)時(shí)間和維修成本。綜上所述，本文的研究結(jié)論是工業(yè)鍋爐數(shù)字化設(shè)計(jì)和數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域具有重要的研究價(jià)值和應(yīng)用潛力，通過促進(jìn)這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，可以進(jìn)一步提高工業(yè)鍋爐的性能和效率。