基于数字孪生与热力耦合预测的支吊架巡检系统及方法与流程

本发明属于电力电站设备状态监测，具体而言，涉及一种融合热力耦合建模、数字孪生状态映射与区域级联动预警的基于数字孪生与热力耦合预测的支吊架巡检系统及方法。

背景技术：

1、大型燃煤或燃气发电锅炉系统中，主蒸汽管道、再热热段等高温高压管道在运行过程中会经历剧烈的周期性热膨胀和冷缩，管道支吊架作为承载和导向装置，其工作状态直接关系到管道系统的整体应力分布与结构安全。当支吊架发生卡涩、失衡、载荷超限或疲劳失效时，将导致管道应力集中、局部变形甚至破裂，严重时可能引发安全事故。

2、现有技术中，支吊架状态监测方法主要包括：人工目测法，依赖巡检人员定期现场观察，效率低、盲区多、存在安全隐患；单点传感器在线监测，如授权公告号cn203949700u和cn117053867a等，各自监测单个支吊架，无法感知相邻支吊架之间的热膨胀联动效应；多系统综合监测，如公开号cn113324180a等，各监测子系统独立运行，数据未实现深度融合；巡检机器人方案，如公开号cn117078680a等，主要针对外观缺陷的视觉检测，无法测量载荷、位移等力学参数；数字孪生与无线监测，如公开号cn202511316130等，在支吊架监测方面未公开具体技术方案，且缺乏区域级联动风险预测功能。

3、现有技术存在以下共性问题：区域耦合效应无法识别，当某一支吊架发生异常时，无法分析其对相邻支吊架的力学传递路径和影响程度；热位移预测能力缺失，现有方案均为被动响应式监测，无法基于管道运行工况预测支吊架的应力发展趋势；高温危险区域监测盲区多，传统传感器因耐温不足而无法长期工作，人工巡检也存在安全隐患；预警及时性低，以单维阈值判断为主，缺乏区域级联动预警机制。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于数字孪生与热力耦合预测的支吊架巡检系统及方法，用以实现对电站高温蒸汽管道支吊架的全天候、高精度、区域联动式智能监测与故障预测。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种基于数字孪生与热力耦合预测的支吊架巡检系统，其包括：

3、多功能一体化智能巡检终端，设置于管道支吊架上，用于采集支吊架的热位移信号和承载载荷信号；

4、异构融合通信网络，用于将热位移信号和承载载荷信号传输至远程服务器；

5、数字孪生服务器，用于建立管道-支吊架系统的热力耦合有限元模型，并利用实测数据进行周期性自动校准；以及

6、分析服务器，用于基于热位移信号、承载载荷信号和热力耦合有限元模型，执行区域级联动风险预测并生成预警信息。

7、在本发明的一实施例中，可选地，多功能一体化智能巡检终端包括位移-载荷复合传感器单元、耐高温防护结构、自取电模块和边缘计算芯片；

8、位移-载荷复合传感器单元包括位移传感器模块和载荷传感器模块，分别用于测量支吊架的热位移量和承载载荷；

9、耐高温防护结构包括外层、中层和内层，外层采用不锈钢316l材料制成外壳，中层设置相变温度为85°c的相变材料层，内层设置陶瓷纤维隔热层；

10、核心传感元件设置于陶瓷纤维隔热层包裹的独立气腔内。

11、在本发明的一实施例中，可选地，自取电模块包括热电发电器、储能单元和电源管理芯片；

12、热电发电器采用bi2te3热电材料，设置于多功能一体化智能巡检终端的外壳与管道之间，利用管道表面与环境之间的温差产生电能；

13、储能单元包括微型锂电池和超级电容；

14、电源管理芯片用于管理热电发电与储能单元之间的电能分配。

15、在本发明的一实施例中，可选地，异构融合通信网络包括lora低功耗广域网、4g/5g移动通信网和nb-iot窄带物联网，用于适应不同监测场景的通信需求。

16、在本发明的一实施例中，可选地，数字孪生服务器执行以下：

17、基于管道三维拓扑结构建立有限元网格模型；

18、为每个支吊架节点赋予弹性刚度参数、弹簧预紧力和位移约束条件；

19、建立热力耦合边界条件，以锅炉负荷曲线、主蒸汽温度和主蒸汽压力为输入参数计算管道热膨胀位移场；

20、每隔预设时间周期将传感器实测数据与仿真模型输出进行比对，若偏差超过预设阈值则触发模型参数自动重辨识。

21、在本发明的一实施例中，可选地，分析服务器执行以下：

22、基于热位移时序数据建立热位移趋势预测模型，输出未来预设时间段内各支吊架的热位移预测值；

23、利用图卷积网络将管道-支吊架系统建模为图结构，其中，图节点表征各支吊架，边权重表征相邻支吊架之间的管段刚度；

24、基于图结构分析多支吊架之间的区域耦合影响；

25、当任一支吊架触发告警条件时，结合区域耦合影响评估结果生成区域联动预警信息。

26、在本发明的一实施例中，可选地，热位移趋势预测模型采用基于transformer架构的时序预测网络，包括编码器模块、解码器模块和多头自注意力机制，用于捕捉热位移变化的长期依赖关系。

27、在本发明的一实施例中，可选地，图卷积网络输出各节点的区域风险评分，综合考虑节点自身的测量异常程度和其邻居节点的异常影响；

28、区域联动预警的生成规则为：当某支吊架触发单点告警阈值时，自动启动区域耦合影响评估；若评估结果显示相邻支吊架中存在不少于两个节点进入风险区域，则生成区域联动预警，并标注风险扩散路径和最可能失效节点。

29、本发明还提供了一种基于数字孪生与热力耦合预测的支吊架巡检方法，其包括以下步骤：

30、s1. 采集管道支吊架的热位移信号和承载载荷信号；

31、s2. 将热位移信号和承载载荷信号通过异构融合通信网络传输至数字孪生服务器；

32、s3. 基于管道三维拓扑结构和支吊架设计参数，建立管道-支吊架系统的热力耦合有限元模型；

33、s4. 将实测数据与热力耦合有限元模型输出进行周期性比对，若偏差超过预设阈值则自动重辨识模型参数；

34、s5. 基于热位移时序数据，利用基于transformer架构的时序预测网络执行热位移趋势预测；

35、s6. 利用图卷积网络将管道-支吊架系统建模为图结构，分析多支吊架之间的区域耦合影响；

36、s7. 当任一支吊架触发告警条件时，结合区域耦合影响评估结果生成区域联动预警。

37、在本发明的一实施例中，可选地，以上方法适用于以下支吊架类型：恒力弹簧支吊架、变力弹簧支吊架、刚性吊架、导向支座和限位装置；

38、步骤s1中，进一步包括利用温度补偿模块对位移传感器和载荷传感器进行温度漂移补偿；

39、步骤s4中，自动重辨识模型参数包括：每隔15分钟执行一次模型输出与实测数据的比对，当位移偏差超过5mm或载荷偏差超过10%时触发模型参数重辨识。

40、本发明提供的基于数字孪生与热力耦合预测的支吊架巡检系统及方法具有以下有益效果：监测覆盖率提升至90%以上；预警提前量不低于48小时；区域联动预警准确率不低于85%；实现物理设备在数字空间的高保真实时映射；降低运维人员在高温高压环境下的安全风险；延长管道和支吊架的使用寿命。