一种换热器关键易结垢群组划分及能效状态监测方法

摘要

一种换热器关键易结垢群组划分及能效状态监测方法：建立在役换热器关键易结垢群组划分评价标准，对关键易结垢换热器的运行能效状态进行监测和清洗预警管控；选取换热器检测点，安装一体化无线温度采集器；构建关键易结垢换热器群组运行能效状况无线监测网络；搭建在线监测系统平台；采用异同移动平均法，绘制换热器能效的异同移动平均指标图；由短期平均指数、中长期平均指数均线的离散、聚合表征当前的换热器管束清洁和结垢状态，以及引起的换热器能效发展变化趋势，实现换热器的能效状态监测、清洗预警和清洗效果。本发明通过搭建的换热器关键易结垢群组能效运行状况无线监测系统网络，对换热器的能效状况进行监测，提醒工作人员及时采取相应的措施。

说明书

技术领域

本发明涉及一种换热器关键易结垢状态监测方法。特别是涉及一种换热器关键易结垢群组划分及能效状态监测方法。

背景技术

石油化工产业是一个高耗能的产业，任何生产过程中一点小的改进都会带来巨大的经济效益。换热器是石油化工生产中最常用的设备之一，不仅作为保证特定工艺流程正常运转而广泛使用的设备，也是开发和利用工业二次能源，实现余热回收的重要设备。

投入运行的换热器一般都因为其与流体的接触而在传热面上结垢，从而影响流动与传热。与此同时，污垢常会对传热面产生腐蚀，严重时将影响到换热器的使用寿命，尤其是对于那些生产关键、失效后果严重的易结垢换热器，应该倾斜更多的管理资源。因此，对换热器的运行关键易结垢群组划分，对关键易结垢换热器能效状况进行监测，基于能效变化判断换热器结垢状况，提醒工作人员及时采取相应的措施显得尤为重要。

现阶段，一般石油化工装置中各条工艺流程都有流量监测装置，流量数据存储在实时数据库，但换热器基本都没有温度监测，少部分换热器有现场温度计，但大多检测不准确。因此，不具备进行换热器运行状态监测和清洗预警的条件。到目前为止，对于大型石油化工装置换热器关键易结垢群组的运行状态监测还没有一套完整的系统和方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以更直观简单的确定关键易结垢换热器群组，并对其进行运行状况监测的换热器关键易结垢群组划分及能效状态监测方法。

本发明所采用的技术方案是：一种换热器关键易结垢群组划分及能效状态监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)建立在役换热器关键易结垢群组划分评价标准，用于对在役换热器进行关键易结垢群组划分，依据划分结果，对关键易结垢换热器的运行能效状态进行监测和清洗预警管控；

2)选取换热器检测点，在关键易结垢换热器的管程进口、出口管道和壳程进口、出口管道上安装一体化无线温度采集器；

3)构建关键易结垢换热器群组运行能效状况无线监测网络；

4)搭建在线监测系统平台，包括建立换热器能效状态数据库，进行关键易结垢换热器群组划分，关键易结垢换热器实时运行能效性能计算、数据查询及显示；

5)在得到实时运行能效数据后，采用异同移动平均法，绘制换热器能效的异同移动平均指标图；

6)根据换热器换热效率的异同移动平均指标图，由短期平均指数EDIF、中长期平均指数EDEA均线的离散、聚合表征当前的换热器管束清洁和结垢状态，以及引起的换热器能效发展变化趋势，实现换热器的能效状态监测、清洗预警和清洗效果。

本发明的一种换热器关键易结垢群组划分及能效状态监测方法，通过编制在役换热器关键易结垢群组划分程序，对在役换热器进行关键易结垢群组划分，依据评价结果，确定出需进行运行状态监测和清洗预测的换热器关键易结垢群组，通过搭建的换热器关键易结垢群组能效运行状况无线监测系统网络，对换热器的能效状况进行监测，结合基于异同移动平均法的监控策略，根据能效变化趋势判断换热器结垢状况，提醒工作人员及时采取相应的措施。具体具有以下优点：

1、通过分析换热器生产重要程度，分析换热器的结垢机理，以及对换热器管束清洗次数进行统计分析，形成了换热器关键易结垢群组划分程序，该划分程序简洁合理，使用方便。

2、搭建的换热器关键易结垢群组能效状况无线监测系统网络，不需要停车安装测温设备，不影响装置运行，监测系统组态灵活，数据传输稳定，并且可以随时扩充换热器群组物理范围，使用稳定，工作效率高。

3、采用异同移动平均法，动态绘制换热器能效运行异同移动平均指标图，可以更直观简单的判断换热器的能效状态，通过对关键易结垢换热器能效状况进行监测，根据能效变化趋势判断换热器结垢状况，提醒工作人员及时采取相应的措施，指导换热器高效运行，降低安全运行维护成本，实现换热器的长周期运行。

附图说明

图1是本发明一种换热器关键易结垢群组划分及能效状态监测方法流程框图；

图2是大型石油化工装置关键易结垢换热器群运行状况实时监测和清洗预警系统框图；

图3是石化装置关键易结垢换热器效率相关工艺参数获取示意图；

图4是关键易结垢换热器能效运行监控指标示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种换热器关键易结垢群组划分及能效状态监测方法做出详细说明。

本发明的一种换热器关键易结垢群组划分及能效状态监测方法，是运用如图1和图2所示的大型石油化工装置关键易结垢换热器能效运行状态实时监测系统的方法。关键易结垢换热器的运行状况监测结果主要受二方面因素的影响，系统因素和随机因素的影响，在换热器的运行过程中，本发明重点关注运行状态的稳定性及正常与否，如果运行过程中存在较大的变值性系统影响因素或随机影响因素很大，那么都会对测量结果的平均值及标准差都会产生异常的波动，则可以认为换热器的运行状态是不稳定的。从数学的角度讲，如果换热器换热效率测试结果数据的总体分布参数(平均值及标准差)基本保持不变或在允许的范围内，则认为换热器的运行过程是稳定的。如分布参数超出允许的范围则应分析偏离的原因，及时采取措施调整换热器的运行状态。

图2中，包括有被测换热器6～14，被测换热器的管程进、出口管道和壳程进、出口管道上的4个一体化无线温度采集器；安装有用于拓展传输距离的无线中继器3、4、5，用于接收一体化无线温度采集器上传的数据的智能无线网关1(型号为1420A2A3A4)，以及与智能无线网关1相连的控制系统2和工厂实时数据库系统15。

如图1所示，本发明的一种换热器关键易结垢群组划分及能效状态监测方法，包括如下步骤：

1)建立在役换热器关键易结垢群组划分评价标准，用于对在役换热器进行关键易结垢群组划分，依据划分结果，对关键易结垢换热器的运行能效状态进行监测和清洗预警管控；所述的在役换热器关键易结垢群组划分评价标准如下：

(1)确定换热器能效关键性指数的四个影响因素：换热器生产重要性、换热器结垢状况、换热器结垢状况和换热器清洗难易程度；

(2)应用层次分析法确定出换热器能效关键性指数的四个影响因素的权重为：

换热器生产重要性权重b1为0.15；换热器结垢状况权重b2为0.42；换热器结垢状况权重b3为0.17；换热器清洗难易程度权重b4为0.26；

(3)确立换热器能效关键度打分标准，包括：

(3.1)依据换热器生产重要性打分：

换热器泄漏后造成所在生产装置停止运行，或造成两套以上相关生产装置异常波动，为5分；

换热器泄漏后造成所在生产装置局部停止运行或造成所属装置大机组急停，为4分；

换热器泄漏后只影响到所在生产装置正常的生产和工艺操作，产品质量不合格，为3分；

换热器泄漏后不影响产品质量和工艺操作，但造成介质串流，污染另一侧介质从而增加设备长期运行风险的，为2分；

换热器泄漏后不影响产品质量、工艺操作和其他设备，为1分；

(3.2)换热器结垢状况打分：

上次检修时沉积物覆盖管束比例大于20％，堵管率大于15％为5分；

上次检修时沉积物覆盖管束比例10％～20％，堵管率小于15％以下，为4分；

上次检修时沉积物覆盖管束比例2％～10％，为3分；

上次检修时沉积物覆盖管束比例<2％，为2分；

壁面干净，无覆盖物，为1分；

(3.3)依据换热器历史清洗次数打分：

每四年需定期进行清洗次数大于6次，为5分；

每四年需定期进行清洗4～6次，为4分；

每四年清洗2～4次，为3分；

每四年清洗1次，为2分；

每四年不需要清洗，为1分；

(3.4)换热器清洗难易程度打分：

换热器位置在10米高平台以上，直径大于等于6米，清洗需单台切出，停运时间2天以上，为5分；

换热器位置在10米高平台以上，直径小于6米且大于等于1.4米，清洗需单台切出，停运时间2天以内，为4分；

换热器在地面，清洗能够单台切出，换热器停运时间1天以内，为3分；

换热器具有反冲洗装置，为2分；

换热器能够进行在线清洗，为1分；

(4)换热器能效关键性指标计算及换热器能效群组划分标准

换热器关键度指数K综合计算公式如下：

K＝b1×生产重要性+b2×结垢状况+b3×清洗次数+b4×检维修难易程度

其中b1为0.15，b2为0.42，b3为0.17，b4为0.26，分别为生产重要性的权重、结垢状况的权重、清洗次数的权重和清洗难易程度的权重；

换热器能效群组划分标准如下：

关键度指数K为4.2～5时，结垢性等级为A，即为关键易结垢设备；

关键度指数K为4.2～3.2时，结垢性等级为B，即为重要易结垢设备；

关键度指数K为1～3.2时，结垢性等级为C，即为一般设备。

2)选取换热器检测点，在关键易结垢换热器的管程进口、出口管道和壳程进口、出口管道上安装一体化无线温度采集器；包括：

在选取的换热器管道表面的检测点上安装罗斯蒙特生产的型号为648DX1D1I5W的一体化无线温度采集器；其中所述一体化无线温度采集器中的温度传感器要沿管道轴向敷设并通过加装测量衬板安装在热电阻和管道之间。测量衬板一方面用于将弧形的管道表面转换成平面结构方便温度传感器的测量，另一方面使管道表面温度收集起来直接传递到热电阻以避免周围环境的影响。

为了使所述的温度传感器与衬板贴合紧密，在加装测量衬板上开与温度传感器截面对应的矩形槽，将温度传感器放入所述矩形槽内，并通过真空压紧模块覆盖螺栓锁紧，加装测量衬板对应管道侧的弧度按照管道的外径设计。

如图3所示，在关键易结垢换热器E-4的管程进、出口管道和壳程进、出口管道上各安装一体化无线温度采集器分别为16～19，用于采集换热器E-4冷流体换热前、后温度和热流体换热前、后温度；按照工艺流程，在已入选换热器的冷流体上下游和热流体的上下游找到冷流体流量监测仪表20和热流体流量监测仪表21、22，如未找到，则在换热器管程进或出口管道和壳程进或出口管道上安装一体化无线流量采集器，用于采集和发送流量测量值。图中E-2～E-n均为换热器。

3)构建关键易结垢换热器群组运行能效状况无线监测网络；包括：根据关键易结垢换热器群组数量和各换热器到智能无线网关之间的距离确定无线中继器安装位置和数量，从而将一体化无线温度采集器中的温度传感器测量值使用无线通信的方法传输至智能无线网关，智能无线网关用于接收一个或多个一体化无线温度采集器所发送的温度数据并与上位PC机通信。

4)搭建在线监测系统平台，包括建立换热器能效状态数据库，进行关键易结垢换热器群组划分，关键易结垢换热器实时运行能效性能计算、数据查询及显示；具体如下：

(1)建立换热器能效数据库

建立换热器能效数据库，用于存储换热器的结构参数、换热器所在生产装置运行状态参数、换热器检维修数据中的结垢状况、换热器历史清洗次数、换热器所在位置信息及清洗难易程度信息、换热器关键易结垢群组划分结果、由智能无线网关传输至上位PC机的关键易结垢换热器管程的进口、出口的和换热器壳程的进口、出口实时温度监测数据、从集散控制系统提取的有关换热器管程和壳程的流量、加工负荷参数、介质物性、介质在各温度下的焓值；

(2)根据在役换热器关键易结垢群组划分评价标准进行关键易结垢换热器群组划分；

(3)在线换热器实时运行的能效计算，即换热器换热效率的计算：

换热器的换热效率按如下公式：

Φ＝(Gc

Φ

式中：

η为换热器的换热效率，单位％；

Φ为换热器的实际换热热负荷，单位W；

Φ

G为换热器中冷流体和热流体两流体的质量流量，单位kg/s；

c

(Gc

Δt

t

t

5)在得到实时运行能效数据后，采用异同移动平均法，绘制换热器能效的异同移动平均指标图；

为确定被监测换热器的实际运行状况，需选择换热器正常运行的工况进行基础数据的测量，包括换热器每天零点时刻的冷、热流股的进、出口温度以及换热器冷、热流股的流量数据，计算基于该数据时刻的换热效率η

(1)计算换热器正常运行工况下的12天的加权平均值

被监测换热器每次大检修后，选取该换热器稳定运行26天的数据做为基准数据，按每24小时为一个采样周期，采集该换热器换热器冷、热流体进口、出口温度数据和流量数据，根据换热器的换热效率公式计算出每个采样周期的换热效率，根据每个采样周期的换热效率η

式中：η

(2)正常运行工况下第i个采样周期的换热效率短期平均指数EDIF的确定

EDIF(i)通过下式得到：

(3)正常运行工况下第i个采样周期的换热效率中长期平均指数EDEA的确定

EDEA(i)通过下式得到：

EDEA(i)＝0.2×EDIF(i)+0.8×EDEA(i-1)i＝1......n

(4)正常运行工况下第i个采样周期的换热器能效滑动平均指数EMACD的确定

EMACD(i)通过下式得到：

EMACD(i)＝2×(EDIF(i)-EDEA(i))i＝1......n

(5)以采样周期为横坐标，纵坐标取值范围为(-1,2)，每个采样周期的EDIF(i)和EDEA(i)值落在坐标系上，形成换热效率短期平均指数变化趋势线和换热效率长期平均指数变化趋势线，由EMACD(i)落在坐标系上的点值形成EMACD柱状图，最后形成一张含有两线一柱组成的关键易结垢换热器能效异同移动平均指标图。

6)根据换热器换热效率的异同移动平均指标图，由短期平均指数EDIF、中长期平均指数EDEA均线的离散、聚合表征当前的换热器管束清洁和结垢状态，以及引起的换热器能效发展变化趋势，实现换热器的能效状态监测、清洗预警和清洗效果。包括：

(1)当短期平均指数EDIF和中长期平均指数EDEA均大于0，即在关键易结垢换热器能效异同移动平均指标图上表示为它们处于零线以上，并保持平稳延横轴方向移动，且能效滑动平均指数EMACD柱状图中处于零线以上的正能量柱、短期平均指数EDIF和中长期平均指数EDEA同向不断增高，表示为能效状况良好，运行稳定，可以保持当前稳定状态；

(2)当短期平均指数EDIF和中长期平均指数EDEA均大于0，即在关键易结垢换热器能效异同移动平均指标图上表示为它们处于零线以上，但都向下移动时，特别当中长期平均指数EDEA穿过短期平均指数EDIF并持续在EDIF上方，且能效滑动平均指数EMACD柱状图中处于零线以下的负能量柱与短期平均指数EDIF和中长期平均指数EDEA同向不断增加，表示为能效变差，管束上有结垢，在短期平均指数EDIF和中长期平均指数EDEA的交点处为第一能效下降预警点，在不影响生产条件下，加大流速，以便过大流速物流带走管壁上的沉积物；当中长期平均指数EDEA持续在短期平均指数EDIF上方，并且两条线一直向下移动，当两线都下降过零线时，短期平均指数EDIF和中长期平均指数EDEA均小于0，即在关键易结垢换热器能效异同移动平均指标图上表示为它们处于零线以下，且能效滑动平均指数EMACD柱状图中负能量柱与短期平均指数EDIF和中长期平均指数EDEA同向不断增加，此时为第二能效下降预警点，开启清洗阀门，对管束进行清洗；

(3)当短期平均指数EDIF和中长期平均指数EDEA均小于0时(即在图形上表示为它们处于零线以下)但向上移动时，特别当短期平均指数EDIF穿过中长期平均指数EDEA并持续在中长期平均指数EDEA上方，且能效滑动平均指数EMACD柱状图中处于零线以下的负能量柱与短期平均指数EDIF和中长期平均指数EDEA同向不断增加，表示为清洗效果明显，为防止能效回弹，加大清洗量，直至能效恢复正常状态。