1.本发明涉及数字孪生建模技术领域，具体为一种与真实机组完成数据互联的磨煤机孪生模型运行方法。
背景技术：2.双进双出磨煤机具有连续作业率高；煤种适应范围广；负荷响应快；储粉能力强；出力和煤粉细度稳定和风煤比低等优点。此外，双进双出磨煤机制粉系统具有非线性、强耦合、大时滞等特点，不能持续稳定的投入自动控制，运行的安全性以及稳定性受到影响。因此，对双进双出磨煤机制粉系统进行数学建模，于机理层面上揭示其动态特性，为其控制奠定良好的数学基础的工作，尤其是建立以实时数据或者历史数据为驱动，可以完成模型与机组实际运行数据交互的高精度模型，显得尤为重要。
3.双进双出磨煤机由几乎完全对称的驱动端和非驱动端同时进煤，分离器出粉，因此具有两个对称、独立的磨煤回路。磨煤机筒体内装有一定量用于撞击、研磨原煤的钢球。钢球随磨煤机旋转被提升至一定高度后自由抛落同时对原煤产生撞击，使原煤粉碎成煤粒；此外，钢球之间、钢球与筒体衬板之间的煤也会受到挤压、研磨作用，最终研磨成煤粉。磨煤机出口温度作为磨煤机运行中重要的监测量必须维持在合理范围内，过低会影响锅炉的燃烧效率，而过高则容易导致煤粉爆炸等问题。磨煤机内是否有合适的煤量是磨煤机安全运行的一个重要监测参数，但料位难以直接测量，因此需要建立高精度的孪生模型从而完成监测功能。磨煤机出力的影响因素众多，很难通过简单的机理模型反映出来，因此通过数据通讯连接模型与实际运行数据，对提高模型精度具有很重要的的意义。这三个关键参数对于磨煤机运行的故障预警、异常监测、预演重演具有很强的指导功能，通过与大数据的连接提高模型精度，进行数据统计分析，于机理层面揭示其动态特性，加强自动控制，对于实现电厂和磨煤机的平稳运行具有重要作用。
4.根据国际统一的定义，数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程。数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。数字孪生具有以下几个典型特点：(1)互操作性，数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互、实施连接。(2)可扩展性，数字孪生技术具备集成、添加和替换数字模型的能力，能够针对多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展。(3)实时性，数字孪生技术要求数字化，即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。(4)保真性，数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。(5)闭环性，数字孪生中的数字虚体，用于描述物理实体的可视化模型和内在机理，以便于对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数，实现决策功能，即赋予数字虚体和物理实体一个大脑。
5.目前，传统的磨煤机研究集中在对重要参数的监测与控制，而对于其中关键参数的变化规律尚无深入的研究。对参数的仿真也都大多集中在机理建模，离线仿真，而无法与实际运行数据交互，与电厂实际运行脱轨。实际上，磨煤机的运行部分取决于现场的工况与设备状态，因此，历史数据与实时数据对于磨煤机关键参数的变化具有极大的指导意义。完成磨煤机孪生模型与磨煤机运行状态下的实时数据的通讯，对于提高模型精度，完善监测方法，开发预警机制具有重要作用。也是电厂实现数字化的关键一步。
技术实现要素：6.基于以上背景，为了实现磨煤机制粉系统稳定的投入自动控制，提前完成故障与异常的预警和预演重演，本发明针对传统的模拟仿真无法与实时数据相连接的技术问题提供一种磨煤机孪生模型运行方法。
7.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种磨煤机孪生模型运行方法，包括以下步骤：
9.步骤1：基于双进双出钢球磨煤机的工作原理和其中的热平衡关系，结合专家经验，创建磨煤机孪生模型，磨煤机孪生模型包括三个模块，即磨煤机出口温度孪生模型、磨煤机料位孪生模型和磨煤机出力孪生模型；
10.其中，磨煤机出口温度孪生模型如下：
[0011][0012]
其中：t
out
：当前磨煤机出口温度，b
gm
：单端给煤量，δw：磨煤过程中原煤水分质量分数的变化，tg：给煤温度，c
gq
：钢球比热容，m
gq
：钢球装载量，cm：煤粉比热容，mm：存煤量，k
bs
：模型辨识参数；
[0013]
建立磨煤机料位孪生模型如下：
[0014][0015]
料位建模采用压差间接反映煤位高度，压差煤位与高度煤位关系如下：
[0016]
δp＝k*hm*(5+g
f2
)
[0017]
其中：hm：磨煤机当前料位高度，μ：磨煤机的风煤比，gr：热风量，g
l
：冷风量，g
mf
：密封风量，l：磨煤机筒体长度，ρm：磨煤机内存煤密度，r:筒体内半径，δp：压差煤位，k：磨煤机压差系数，gf：一次风入口流量；
[0018]
建立磨煤机出力孪生模型如下：
[0019]
当gf》5pi》1000
[0020][0021]
当gf》5pi《1000
[0022][0023]
其中：vf：出口风速，kf：转换系数，pf：炉膛压力，pi：一次风压力；
[0024]
步骤2：利用燃煤机组dcs的孪生系统即孪生dcs，模拟实际电厂机组中双进双出钢球磨煤机的运行；机组运行数据的传输方向为燃煤机组dcs向大数据服务器单向传输，再由大数据服务器传递给孪生dcs，通过孪生dcs将燃煤机组运行数据导入磨煤机孪生模型；
[0025]
步骤3：利用实时的双进双出钢球磨煤机出口温度以及各项可测参数，通过磨煤机内部热量关系，依靠步骤1所述磨煤机孪生模型对未来双进双出钢球磨煤机出口温度预测值tf、反应磨煤机当前料位高度的压差δp和双进双出钢球磨煤机出口风速vf进行实时工况计算，实现磨煤机孪生模型的预测功能；
[0026]
计算过程：
[0027]
磨煤过程中水分吸收的热量：qw＝b
gm
*δw*(2491+1.884*t
out-4.19tg)
[0028]
磨煤过程中产生的热量：qj＝41.57*b
gm
[0029]
磨煤机空气和煤的输入热量：q
in
＝b
gm
*cm*tg+gf*cf*tf+qj[0030]
其中：gf：一次风流量，cf：一次风比热容，tf：一次风温度；
[0031]
磨煤机空气和煤的的输出热量：
[0032]qout
＝bm*cm*t
out
+(gf+b
gm
*δw)*cf*t
out
+qw[0033]
其中：bm:磨煤机出力；
[0034]
磨煤机内部能量关系：
[0035]
能量变化，单位换算后：
[0036]
其中：dt
out
：磨煤机出口温度变化速率，m
cm
：磨煤机存煤质量，c
gm
：给煤比热容；
[0037]
磨煤机出口温度预测：tf＝t
out
+t*dt
out
[0038]
tf:磨煤机出口温度预测值t：时间间隔
[0039]
通过磨煤机料位孪生模型计算出反应磨煤机当前料位高度的压差δp；通过磨煤机出力孪生模型计算出出口风速vf；
[0040]
步骤4：将步骤3计算的未来双进双出钢球磨煤机出口温度预测值tf、压差δp和出口风速vf结果返回孪生dcs,实现磨煤机孪生模型和孪生dcs的数据互联。
[0041]
本发明的有益效果：
[0042]
本发明建立了一种与燃煤机组数据交互的磨煤机孪生模型运行方法，由于该孪生模型的构建是在机理的基础上，结合数理方法，模拟精度较传统仿真机大幅提高，可以达到对真实机组的高精度模拟。对于磨煤机出口温度、料位和出力的模拟预测，可以建立燃煤机组安全性的预警机制。
附图说明
[0043]
图1为opc通讯架构下的实时数据传输的流程图。
[0044]
图2是孪生模型在燃煤机组实时工况下对磨煤机出口温度进行模拟预测得到随时间变化的曲线与磨煤机实际出口温度曲线的对比。
[0045]
图3是孪生模型在燃煤机组实时工况下对磨煤机料位压差进行模拟预测得到的随时间变化的曲线与磨煤机实际料位压差曲线的对比。
[0046]
图4是孪生模型在燃煤机组实时工况下对磨煤机出口风速进行模拟预测得到的随时间变化的曲线与磨煤机实际出口风速曲线的对比。
具体实施方式
[0047]
为了详细说明本发明的目的、优点、技术内容，下面结合附图对本发明作详细说明。
[0048]
以某电厂双进双出式钢球磨煤机为例，详细说明本发明的实施方式。
[0049]
一种磨煤机孪生模型运行方法，包括以下步骤：
[0050]
步骤1：基于双进双出钢球磨煤机的工作原理和其中的热平衡关系，结合专家经验，创建磨煤机孪生模型，磨煤机孪生模型包括三个模块，即磨煤机出口温度孪生模型、磨煤机料位孪生模型和磨煤机出力孪生模型；
[0051]
其中，磨煤机出口温度孪生模型如下：
[0052][0053]
其中：t
out
：当前磨煤机出口温度，b
gm
：单端给煤量，δw：磨煤过程中原煤水分质量分数的变化，tg：给煤温度，c
gq
：钢球比热容，m
gq
：钢球装载量，cm：煤粉比热容，mm：存煤量，k
bs
：模型辨识参数；
[0054]
建立磨煤机料位孪生模型如下：
[0055][0056]
料位建模采用压差间接反映煤位高度，压差煤位与高度煤位关系如下：
[0057]
δp＝k*hm*(5+g
f2
)
[0058]
其中：hm：磨煤机当前料位高度，μ：磨煤机的风煤比，gr：热风量，g
l
：冷风量，g
mf
：密封风量，l：磨煤机筒体长度，ρm：磨煤机内存煤密度，r:筒体内半径，δp：压差煤位，k：磨煤机压差系数，gf：一次风入口流量；
[0059]
建立磨煤机出力孪生模型如下：
[0060]
当gf》5pi》1000
[0061][0062]
当gf》5pi《1000
[0063][0064]
其中：vf：出口风速，kf：转换系数，pf：炉膛压力，pi：一次风压力；
[0065]
步骤2：实现燃煤机组dcs和孪生dcs的数据传输。传输方向为燃煤机组dcs向大数
据服务器单向传输，大数据服务器与燃煤机组dcs通过dcs交换机、opc服务器、协议转换网关、防火墙、网闸将双进双出钢球磨煤机运行的实时数据或者历史数据传输给大数据服务器，大数据服务器再将数据单向传输给孪生dcs，完成孪生dcs的初始化。通过孪生dcs将磨煤机的数据导入磨煤机孪生模型。其中孪生dcs的数据同步过程如附图1所示；
[0066]
步骤3：利用实时的双进双出钢球磨煤机出口温度以及各项可测参数，通过磨煤机内部热量关系，依靠步骤1所述磨煤机孪生模型对未来双进双出钢球磨煤机出口温度预测值tf、反应磨煤机当前料位高度的压差δp和双进双出钢球磨煤机出口风速vf进行实时工况计算，实现磨煤机孪生模型的预测功能；
[0067]
计算过程：
[0068]
磨煤过程中水分吸收的热量：qw＝b
gm
*δw*(2491+1.884*t
out-4.19tg)
[0069]
磨煤过程中产生的热量：qj＝41.57*b
gm
[0070]
磨煤机空气和煤的输入热量：q
in
＝b
gm
*cm*tg+gf*cf*tf+qj[0071]
其中：gf：一次风流量，cf：一次风比热容，tf：一次风温度；
[0072]
磨煤机空气和煤的的输出热量：
[0073]qout
＝bm*cm*t
out
+(gf+b
gm
*δw)*cf*t
out
+qw[0074]
其中：bm:磨煤机出力；
[0075]
磨煤机内部能量关系：
[0076]
能量变化，单位换算后：
[0077]
其中：dt
out
：磨煤机出口温度变化速率，m
cm
：磨煤机存煤质量，c
gm
：给煤比热容；
[0078]
磨煤机出口温度预测：tf＝t
out
+t*dt
out
[0079]
tf:磨煤机出口温度预测值t：时间间隔
[0080]
通过磨煤机料位孪生模型计算出反应磨煤机当前料位高度的压差δp；通过磨煤机出力孪生模型计算出出口风速vf；
[0081]
步骤4：将步骤3计算的未来双进双出钢球磨煤机出口温度预测值tf、压差δp和出口风速vf结果返回孪生dcs,实现磨煤机孪生模型和孪生dcs的数据互联。
[0082]
图2是孪生模型在燃煤机组实时工况下对磨煤机出口温度进行模拟预测得到随时间变化的曲线与磨煤机实际出口温度曲线的对比，从图中能够看出：出口温度孪生模型模拟预测的磨煤机出口温度与实际测点温度误差较小，表明出口温度孪生模型精度较高，可以实现磨煤机出口温度的监测功能，预防温度过低影响锅炉的燃烧效率或温度过高导致煤粉爆炸引起安全事故。。
[0083]
图3是孪生模型在燃煤机组实时工况下对磨煤机料位压差进行模拟预测得到的随时间变化的曲线与磨煤机实际料位压差曲线的对比，从图中能够看出：实际料位压差具有振荡特性，而孪生模型预测结果可以比较准确地反映出料位压差的震荡范围，从而为磨煤机投料控制提供参考。图4是孪生模型在燃煤机组实时工况下对磨煤机出口风速进行模拟预测得到的随时间变化的曲线与磨煤机实际出口风速曲线的对比，从图中能够看出：磨煤机出力孪生模型比较精确地反映出磨煤机出口风速的变化趋势，对控制磨煤机一次风量、冷热风阀门开度、给煤量，分析磨煤机能耗特性具有参考价值。
技术特征：1.一种磨煤机孪生模型运行方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：基于双进双出钢球磨煤机的工作原理和其中的热平衡关系，结合专家经验，创建磨煤机孪生模型，磨煤机孪生模型包括三个模块，即磨煤机出口温度孪生模型、磨煤机料位孪生模型和磨煤机出力孪生模型；其中，磨煤机出口温度孪生模型如下：其中：t
out
：当前磨煤机出口温度，b
gm
：单端给煤量，δw：磨煤过程中原煤水分质量分数的变化，t
g
：给煤温度，c
gq
：钢球比热容，m
gq
：钢球装载量，c
m
：煤粉比热容，m
m
：存煤量，k
bs
：模型辨识参数；建立磨煤机料位孪生模型如下：料位建模采用压差间接反映煤位高度，压差煤位与高度煤位关系如下：δp＝k*h
m
*(5+g
f2
)其中：h
m
：磨煤机当前料位高度，μ：磨煤机的风煤比，g
r
：热风量，g
l
：冷风量，g
mf
：密封风量，l：磨煤机筒体长度，ρ
m
：磨煤机内存煤密度，r：筒体内半径，δp：压差煤位，k：磨煤机压差系数，g
f
：一次风入口流量；建立磨煤机出力孪生模型如下：当g
f
＞5 p
i
＞1000当g
f
＞5 p
i
＜1000其中：v
f
：出口风速，k
f
：转换系数，p
f
：炉膛压力，p
i
：一次风压力；步骤2：利用燃煤机组dcs的孪生系统即孪生dcs，模拟实际电厂机组中双进双出钢球磨煤机的运行；机组运行数据的传输方向为燃煤机组dcs向大数据服务器单向传输，再由大数据服务器传递给孪生dcs，通过孪生dcs将燃煤机组运行数据导入磨煤机孪生模型；步骤3：利用实时的双进双出钢球磨煤机出口温度以及各项可测参数，通过磨煤机内部热量关系，依靠步骤1所述磨煤机孪生模型对未来双进双出钢球磨煤机出口温度预测值t
f
、反应磨煤机当前料位高度的压差δp和双进双出钢球磨煤机出口风速v
f
进行实时工况计算，实现磨煤机孪生模型的预测功能；计算过程：磨煤过程中水分吸收的热量：q
w
＝b
gm
*δw*(2491+1.884*t
out-4.19t
g
)磨煤过程中产生的热量：q
j
＝41.57*b
gm
磨煤机空气和煤的输入热量：q
in
＝b
gm
*c
m
*t
g
+g
f
*c
f
*t
f
+q
j
其中：g
f
：一次风流量，c
f
：一次风比热容，t
f
：一次风温度；磨煤机空气和煤的的输出热量：q
out
＝b
m
*c
m
*t
out
+(g
f
+b
gm
*δw)*c
f
*t
out
+q
w
其中：b
m
：磨煤机出力；磨煤机内部能量关系：能量变化，单位换算后：其中：dt
out
：磨煤机出口温度变化速率，m
cm
：磨煤机存煤质量，c
gm
：给煤比热容；磨煤机出口温度预测：t
f
＝t
out
+t*dt
out
t
f
：磨煤机出口温度预测值t：时间间隔通过磨煤机料位孪生模型计算出反应磨煤机当前料位高度的压差δp；通过磨煤机出力孪生模型计算出出口风速v
f
；步骤4：将步骤3计算的未来双进双出钢球磨煤机出口温度预测值t
f
、压差δp和出口风速v
f
结果返回孪生dcs，实现磨煤机孪生模型和孪生dcs的数据互联。2.根据权利要求1所述的一种磨煤机孪生模型运行方法，其特征在于：步骤1中所述的模型辨识参数k
bs
利用非线性最小二乘法，依靠燃煤机组历史运行数据进行函数拟合和参数辨识获得。
技术总结一种磨煤机孪生模型运行方法，基于双进双出钢球磨煤机的工作原理和热平衡关系，结合专家经验，创建磨煤机孪生模型；利用孪生DCS模拟实际电厂机组中双进双出钢球磨煤机的运行；机组运行数据的传输方向为燃煤机组DCS向大数据服务器单向传输，再由大数据服务器传递给孪生DCS，通过孪生DCS将燃煤机组运行数据导入磨煤机孪生模型；利用实时的、磨煤机出口温度以及各项可测参数，通过磨煤机内部热量关系，依靠磨煤机孪生模型对未来双进双出钢球磨煤机出口温度预测值、反应磨煤机当前料位高度的压差和双进双出钢球磨煤机出口风速进行计算；将计算结果返回孪生DCS,实现磨煤机孪生模型和孪生DCS的数据互联。建立燃煤机组安全性的预警机制。机制。机制。
技术研发人员：韩友超 王朝阳 刘明 邢秦安 严俊杰
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.04.08
技术公布日：2022/7/5
