本發(fā)明涉及基于pinn的變負(fù)荷工況下cfb鍋爐水冷壁疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，屬于循環(huán)流化床參數(shù)預(yù)測(cè)。
背景技術(shù)：
1、循環(huán)流化床（circulating?fluidized?bed,cfb）鍋爐因具有燃料適應(yīng)性強(qiáng)、燃燒效率高、污染物排放低以及負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在燃煤電站中得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著風(fēng)電、光伏等新能源裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)對(duì)火電機(jī)組的調(diào)峰能力和靈活運(yùn)行能力提出了更高要求。作為重要的調(diào)峰電源，cfb鍋爐在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中需頻繁經(jīng)歷升負(fù)荷、降負(fù)荷及啟停等變負(fù)荷工況，其運(yùn)行狀態(tài)呈現(xiàn)出明顯的非穩(wěn)態(tài)特征。
2、在變負(fù)荷運(yùn)行條件下，cfb鍋爐爐膛內(nèi)燃燒強(qiáng)度、氣固兩相流特性以及傳熱狀態(tài)隨時(shí)間不斷變化，導(dǎo)致水冷壁管外側(cè)煙氣溫度、顆粒濃度及對(duì)流換熱強(qiáng)度隨高度和時(shí)間均產(chǎn)生顯著波動(dòng)。同時(shí)，水冷壁管內(nèi)工質(zhì)的溫度、壓力及流量也隨負(fù)荷變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整。內(nèi)外壁熱邊界條件的強(qiáng)烈非同步變化使水冷壁管壁溫度場(chǎng)呈現(xiàn)明顯的非穩(wěn)態(tài)特征，從而在管壁內(nèi)部誘發(fā)復(fù)雜的瞬態(tài)熱應(yīng)力響應(yīng)。
3、水冷壁管長(zhǎng)期處于高溫、顆粒沖刷及周期性熱應(yīng)力作用環(huán)境中，在反復(fù)的熱應(yīng)力循環(huán)載荷作用下，管壁材料容易產(chǎn)生熱疲勞損傷，裂紋逐漸萌生并擴(kuò)展，最終可能引發(fā)泄漏或爆管事故。大量運(yùn)行實(shí)踐表明，水冷壁爆管事故與頻繁變負(fù)荷運(yùn)行密切相關(guān)，其本質(zhì)原因在于非恒幅熱應(yīng)力作用下的疲勞損傷持續(xù)累積。因此，如何在變負(fù)荷工況下準(zhǔn)確刻畫水冷壁管的熱應(yīng)力演化規(guī)律，并對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行合理分析，已成為保障cfb鍋爐安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)問題。然而，由于變負(fù)荷工況下熱邊界條件和應(yīng)力載荷具有顯著的非線性特征，傳統(tǒng)壽命評(píng)估方法難以全面反映真實(shí)運(yùn)行條件下的疲勞損傷演化過(guò)程。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供基于pinn的變負(fù)荷工況下cfb鍋爐水冷壁疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，包括：
2、獲取爐膛變負(fù)荷下的外壁熱邊界參數(shù)，計(jì)算外壁面熱流密度；
3、獲取變負(fù)荷工況下水冷壁管內(nèi)工質(zhì)動(dòng)態(tài)特性，計(jì)算內(nèi)壁面對(duì)流換熱系數(shù)；
4、基于外壁面熱流密度，內(nèi)壁面對(duì)流換熱系數(shù)以及水冷壁管內(nèi)工質(zhì)動(dòng)態(tài)特性，在有限元仿真軟件中構(gòu)建水冷壁管有限元仿真模型，利用水冷壁管有限元仿真模型進(jìn)行瞬態(tài)溫度—應(yīng)力分析，得到沿高度與時(shí)間變化的熱應(yīng)力序列；
5、通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法對(duì)熱應(yīng)力序列進(jìn)行處理，得到應(yīng)力幅和平均應(yīng)力；
6、將應(yīng)力幅和平均應(yīng)力輸入預(yù)先構(gòu)建的物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用預(yù)先構(gòu)建的物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)得到水冷壁管的累積損傷和疲勞壽命；
7、其中，預(yù)先構(gòu)建物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，包括：
8、構(gòu)建以cfb鍋爐的高度、cfb鍋爐的溫度、應(yīng)力幅、平均應(yīng)力作為輸入且以水冷壁管的累積損傷和疲勞壽命作為輸出的物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將miner累積損傷法則作為物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的物理約束，利用總損失函數(shù)對(duì)物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練。
9、優(yōu)先地，獲取爐膛變負(fù)荷工況下的外壁面熱邊界參數(shù)，計(jì)算外壁面熱流密度，包括：
10、外壁熱邊界參數(shù)包括煙氣側(cè)溫度、水冷壁材料的彈性模量、熱膨脹系數(shù)；
11、由于循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)氣固兩相流具有非均勻性，根據(jù)預(yù)設(shè)的爐膛內(nèi)顆粒的體積分?jǐn)?shù)將水冷壁外側(cè)熱邊界分為密相區(qū)區(qū)域和稀相區(qū)區(qū)域；兩個(gè)區(qū)域的顆粒濃度不同，所以對(duì)流換熱系數(shù)不同。在計(jì)算水冷壁管外壁面熱流密度時(shí)，若水冷壁管處于稀相區(qū)區(qū)域，則計(jì)算稀相區(qū)區(qū)域的稀相區(qū)對(duì)流換熱系數(shù)：
12、，
13、，
14、，
15、式中，為預(yù)設(shè)常數(shù)，kf為氣相導(dǎo)熱率，l為特征長(zhǎng)度，為稀相區(qū)雷諾數(shù)，為氣相密度，為氣相速度，為氣相動(dòng)力粘度，?為普朗特?cái)?shù)；為氣相定壓比熱，kf為氣相導(dǎo)熱率；
16、若水冷壁管處于密相區(qū)區(qū)域，則計(jì)算密相區(qū)區(qū)域的密相區(qū)對(duì)流換熱系數(shù)：
17、，
18、，
19、式中，為預(yù)設(shè)常數(shù)，dp為顆粒直徑，為密相區(qū)雷諾數(shù)；
20、將稀相區(qū)區(qū)域的稀相區(qū)對(duì)流換熱系數(shù)或密相區(qū)區(qū)域的密相區(qū)對(duì)流換熱系數(shù)賦值給hg，計(jì)算外壁面熱流密度q：
21、，
22、式中，為煙氣側(cè)溫度，為水冷壁管內(nèi)工質(zhì)溫度，為水冷壁管內(nèi)壁面對(duì)流換熱系數(shù)，為水冷壁管厚度，為水冷壁管材料導(dǎo)熱系數(shù)；
23、優(yōu)先地，計(jì)算內(nèi)壁面對(duì)流換熱系數(shù)hin：
24、，
25、，
26、，
27、式中，hdl為單相流體對(duì)流換熱系數(shù)；hch為沸騰換熱系數(shù)；λst為流體的熱導(dǎo)率；di為水冷壁管的內(nèi)徑；η為動(dòng)力粘度。
28、優(yōu)先地，構(gòu)建的物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)包括輸入層、三個(gè)隱藏層、輸出層；利用輸入層接收應(yīng)力幅、平均應(yīng)力、水冷壁高度h、水冷壁溫度t并傳遞至隱藏層；隱藏層共包括3層，每層設(shè)置128個(gè)節(jié)點(diǎn)；采用雙曲正切tanh激活函數(shù)實(shí)現(xiàn)非線性變換，輸出為疲勞壽命的對(duì)數(shù)。
29、優(yōu)先地，基于雨流計(jì)數(shù)法，從復(fù)雜的應(yīng)力時(shí)序中提取當(dāng)前循環(huán)的熱應(yīng)力序列，并求出當(dāng)前循環(huán)的應(yīng)力幅：
30、，
31、式中，為當(dāng)前循環(huán)的最大熱應(yīng)力，為當(dāng)前循環(huán)的最小熱應(yīng)力。
32、優(yōu)先地，物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的總損失函數(shù)為：，
33、式中，l代表總損失值，代表數(shù)據(jù)殘差項(xiàng)的權(quán)重，代表基于minner法則項(xiàng)的損失函數(shù)的權(quán)重，代表復(fù)合邊界條件項(xiàng)損失函數(shù)的權(quán)重，代表輔助正則項(xiàng)損失函數(shù)的權(quán)重，代表數(shù)據(jù)殘差，代表基于minner法則項(xiàng)的損失函數(shù)，代表復(fù)合邊界條件項(xiàng)損失函數(shù)，代表輔助正則項(xiàng)損失函數(shù)。
34、優(yōu)先地，輔助正則項(xiàng)損失函數(shù)lm的表達(dá)式：
35、，
36、式中，m為時(shí)間區(qū)間數(shù)量，relu為線性整流函數(shù)，為物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)的第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)的累積損傷，為物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)的第i+1個(gè)時(shí)間點(diǎn)的累積損失。
37、優(yōu)先地，本發(fā)明提供一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)任一項(xiàng)所述方法的步驟。
38、優(yōu)先地，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)任一項(xiàng)所述方法的步驟。
39、本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：
40、1、本發(fā)明將有限元獲得的熱應(yīng)力序列、s–n曲線及miner累積損傷法則通過(guò)物理?yè)p失函數(shù)統(tǒng)一集成到pinn框架中，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)cfb鍋爐實(shí)際存在的非恒幅、多尺度、非穩(wěn)定熱應(yīng)力下的真實(shí)疲勞機(jī)制，從而有效提高了模型對(duì)復(fù)雜工況的預(yù)測(cè)精度，可以有效提升在變負(fù)荷、非穩(wěn)態(tài)工況下cfb鍋爐壽命評(píng)估的準(zhǔn)確程度。
41、2、本發(fā)明通過(guò)引入輔助正則項(xiàng)作為損失函數(shù)。通過(guò)設(shè)置累積損傷單調(diào)性、非負(fù)性等物理規(guī)律相關(guān)的正則項(xiàng)，使預(yù)測(cè)的疲勞壽命在數(shù)學(xué)上保持穩(wěn)定，在物理上滿足材料疲勞損傷不可逆性這一工程規(guī)律。避免出現(xiàn)反常結(jié)果，從而提高了壽命預(yù)測(cè)的可靠性。
42、3、本發(fā)明利用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)應(yīng)力幅進(jìn)行計(jì)算并且還考慮了平均應(yīng)力影響，解決了傳統(tǒng)s–n方法無(wú)法有效處理非恒幅及變頻率的問題，使得模型能夠輸入網(wǎng)絡(luò)cfb鍋爐中不規(guī)則的熱應(yīng)力序列，保證了預(yù)測(cè)的真實(shí)性。
43、4、本發(fā)明不依賴某一特定工況的實(shí)驗(yàn)或模擬數(shù)據(jù)，而依賴材料疲勞機(jī)理方程進(jìn)行建模，使得網(wǎng)絡(luò)能夠在數(shù)據(jù)不足時(shí)仍保持穩(wěn)定的推斷能力，并可遷移到不同燃燒方式、不同負(fù)荷策略及不同材料下的壽命預(yù)測(cè)。