仪器仪表学报

作者：张凤丽，李伟，田琨，王金江

单位：张凤丽,1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院北京102249； 2.国家市场监督管理总局重点实验室（油气生产装备 质量检测与健康诊断）北京102249,fengliz@cup.edu.cn,李伟,1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院北京102249； 2.国家市场监督管理总局重点实验室（油气生产装备 质量检测与健康诊断）北京102249,,田琨,中国石油集团安全环保技术研究院有限公司北京102206,,王金江,1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院北京102249； 2.国家市场监督管理总局重点实验室（油气生产装备 质量检测与健康诊断）北京102249,

关键词：数字孪生;结垢监测;故障量化;变工况

基金：国家自然科学基金重点项目（52234007）、中国石油天然气集团有限公司科技项目（2023DJ6508）资助

现有管式换热器结垢监测过度依赖历史运行工况，在波动与变工况下，现有工况与历史工况监测数据偏差大，难以准确感知结垢厚度，容易出现误报、漏报的问题。故开展了数字孪生驱动的管式换热器结垢监测与厚度量化研究。首先，构建高精度高保真的管式换热器有限元仿真模型，通过几何建模、非结构化四面体网格划分及合理仿真假设，获取运行过程中全部节点的物理信息数据。其次，利用本征正交分解（POD）提取关键低维模态，结合径向基函数（RBF）插值增强参数泛化能力，提出基于数据驱动的POD-RBF降阶方法；建立自适应采样布局优化方法，减少计算量的同时保证精度，生成多组训练数据，构建可实时预测运行状态的数字孪生模型，并通过卡尔曼滤波动态校正模型误差，提升实时预测精度。最后，基于传热系数公式推导结垢判断及厚度量化模型，通过对比实体与孪生体的总传热系数、进出口温度等参数判断结垢，利用污垢热阻与厚度的关联公式实现量化。试验验证采用透明壳体换热器，以饱和硫酸钙溶液为冷流体，通过监测进出口压力、流量、温度参数，测得健康工况下数字孪生体与实际运行误差在1%以内，结垢工况下结垢监测率为100%，结垢厚度感知误差为5%~25%，实现了变工况下的结垢监测与厚度量化。

来源：2025年第8期

《仪器仪表学报》期刊编辑部

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