[發明專利]一種基于數字孿生的蒸汽發生器狀態監測與預測系統及方法

在審

• 申請號: 202210884074.0
• 申請日: 2022-07-26
• 公開（公告）號: CN115202307A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 夏虹;姜瑩瑩;王志超;劉永闊;孫蘭昕;張汲宇;尹文哲;周卓然
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種基于數字孿生的蒸汽發生器狀態監測與預測系統及方法，系統包括模型層、數據層、服務支持層，各層之間通過通訊協議實現交互。一個完整的蒸汽發生器數字孿生狀態監測與預測系統的構成模塊主要有：數字孿生模型模塊、數據處理模塊、特征提取與融合模塊、狀態與故障識別模塊、狀態預測模塊。本發明針對傳統的物理機理建模和數據驅動方法的優缺點進行互補融合，并基于人工智能、預測技術和反演重構技術得到蒸汽發生器傳熱管無法直接監測的運行狀態，必要時可加速運行實現傳熱管狀態預測。

技術領域

本發明屬于核電廠故障診斷領域，涉及一種基于數字孿生的蒸汽發生器傳熱管狀態監測與預測系統及方法。

背景技術

隨著計算機和人工智能技術的不斷發展，數字孿生概念被提出并得到學者的廣泛研究。在核電系統中很多關鍵設備的部件無法通過傳感器直接監測，因此有必要通過數字孿生技術結合核電廠和監測數據針對這些設備進行實時的運行狀態映射。常用的建模方法可分為物理機理建模、數據驅動建模和經驗公式，物理機理建模結果較為準確對經驗數據依賴度不大但計算成本較高，不滿足數字孿生系統實時性的要求；數據驅動建模方法計算速度快，但結果的準確性對經驗數據的數據量和種類依賴性大；經驗公式的建模方法對于得到經驗的試驗場景依賴度較大，普適性不高。

在核電廠中蒸汽發生器是連接一、二回路的關鍵換熱設備，來自堆芯的冷卻劑通過傳熱管將熱量傳遞給二回路工質并產生蒸汽。一回路冷卻劑具有高溫高壓和放射性的特性；二回路工質在蒸汽發生器內部經歷單相對流傳熱、潛熱沸騰傳熱和沸騰傳熱，轉換為蒸汽推動汽輪機發電?？梢娬羝l生器傳熱管的工作環境惡劣，且其完整性對于核電機組而言具有重要意義。多堆年的運行經驗表明，流致振動、異物撞擊和微振磨損產生的疲勞、缺陷斷裂等問題是影響傳熱管完整性的主要因素。而傳熱管布置在蒸汽發生器腔體內部，考慮到材料強度、換熱效率等因素，無法布置傳感器對其狀態進行直接監測。因此借助人工智能、計算機技術、反演技術、預測技術、流體力學分析技術、數字孿生技術等手段可以直觀和實時的對蒸汽發生器傳熱管的運行狀態進行評估和預測。

發明內容

本發明針對傳統的物理機理建模和數據驅動方法的優缺點進行互補融合，并基于人工智能、預測技術和反演重構技術得到蒸汽發生器傳熱管無法直接監測的運行狀態，必要時可加速運行實現傳熱管狀態預測。

本發明的目的是這樣實現的：包括數字孿生模型模塊、數據處理模塊、特征提取與融合模塊、狀態與故障識別模塊、狀態預測模塊；通過核電廠蒸汽發生器DCS系統采集現場數據，并將獲得的現實空間數據傳送給數字孿生模型和數據處理模塊；數據處理模塊將獲得的傳感器參數、環境參數和調控參數進行歸一化、去噪預處理，并通過D-S理論和濾波算法進行融合，得到的融合信息傳遞給數字孿生模型和特征提取與融合模塊；數字孿生模型通過歷史數據和實時監測數據實現對蒸汽發生器傳熱管關鍵物理場和參數的反演并將必要參數展現在操作臺和三維模型中；特征提取與融合模塊通過基于iForest的多維特征提取方法實現特征提取與融合并將可識別的特征送往狀態監測與診斷模塊進行狀態識別；狀態預測模塊通過預測模型對傳熱管缺陷程度和最大應力強度進行預測，并將結果反饋到孿生空間的集合模型中視景；針對產生的不可標記故障，通過數字孿生模型的故障數據與遷移學習模型進行診斷；將診斷和預測結果展示在三維展示界面上，利用核電廠停堆檢修中蒸汽發生器傳熱管渦流檢測信號對孿生模型進行校驗和更新。

進一步的，對應的方法步驟如下：

步驟1：蒸汽發生器的運行數據通過核電廠監測系統傳送給數據處理模塊，將傳感器采集數據進行預處理和標準化；

步驟2：步驟1中所得到的數據一方面存儲到歷史數據庫中以供調用，另一方面傳遞給數字孿生模型；

步驟3：步驟1中得到預處理后的數據通過iForest多維特征提取后對特征進行識別，對于可標記的特征將其傳遞到狀態監測與故障診斷系統中；