化工学报 ›› 2022, Vol. 73 ›› Issue (2): 814-826.DOI: 10.11949/0438-1157.20210848
收稿日期:
2021-06-24
修回日期:
2021-11-17
出版日期:
2022-02-05
发布日期:
2022-02-18
通讯作者:
王金江
作者简介:
张凤丽(1983—),女,博士,副教授,基金资助:
Fengli ZHANG(),Hui PAN,Jinjiang WANG()
Received:
2021-06-24
Revised:
2021-11-17
Online:
2022-02-05
Published:
2022-02-18
Contact:
Jinjiang WANG
摘要:
随着流程工业快速发展及工艺过程复杂程度的不断增加,作为核心装备的热交换器存在有效故障早期预警难的问题。以管壳式热交换器为例,提出一种针对热交换器故障早期预警的新方法。该方法基于工艺流体温度、压力、流量等易测量参数构建、选取表征热交换器传热和流阻性能的监测指标,并引入指数移动平均(EMA)算法进行数据处理与指标动态特征提取;在多元状态估计理论(MSET)的基础上,构建表征热交换器健康运行状态的三维健康记忆矩阵,实现热交换器多变工况的融合,避免工况变化对监测指标的影响,然后针对设备当前运行观测值计算实时偏差,实现热交换器运行状态评估及故障预警;通过统计计算过程中各指标实时偏差贡献率锁定异常参数,实现故障精准定位。实验结果表明,该方法能够实现泄漏量占工艺流体流量1%以上泄漏故障预警及垢层厚度占管径2.2%以上结垢故障预警。
中图分类号:
张凤丽, 潘辉, 王金江. 基于多元状态估计的热交换器多参数关联预警方法[J]. 化工学报, 2022, 73(2): 814-826.
Fengli ZHANG, Hui PAN, Jinjiang WANG. Multi-parameter correlation early warning method of heat exchanger based on multivariate state estimation[J]. CIESC Journal, 2022, 73(2): 814-826.
名称 | 公式 | 名称 | 公式 |
---|---|---|---|
传热效率 | 流动功耗 | ||
有效平均温差 | 传热单元数 | ||
实际换热量 | 效率 | ||
总换热系数 | 熵产值 | ||
管程压损 | 壳程压损 |
表1 热交换器二次监测性能指标
Table 1 Secondary indexes of monitoring performance of heat exchangers
名称 | 公式 | 名称 | 公式 |
---|---|---|---|
传热效率 | 流动功耗 | ||
有效平均温差 | 传热单元数 | ||
实际换热量 | 效率 | ||
总换热系数 | 熵产值 | ||
管程压损 | 壳程压损 |
序号 | 进口温度/℃ | 进口压力/kPa | 进口流量/(m3/h) | 垢层厚度/mm | 垢层厚度占管径比/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
热侧流体 | 冷侧流体 | 热侧流体 | 冷侧流体 | 热侧流体 | 冷侧流体 | |||
工况1 | 60 | 26 | 5.3 | 9.3 | 0.81 | 0.48 | 0.3185 | 2.65 |
工况2 | 70 | 36 | 5.4 | 9.3 | 0.82 | 0.47 | 0.3830 | 3.19 |
工况3 | 65 | 31 | 5.0 | 4.5 | 0.72 | 0.44 | 0.3063 | 2.21 |
表2 热交换器结垢实验工况
Table 2 Experimental conditions of heat exchanger scaling
序号 | 进口温度/℃ | 进口压力/kPa | 进口流量/(m3/h) | 垢层厚度/mm | 垢层厚度占管径比/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
热侧流体 | 冷侧流体 | 热侧流体 | 冷侧流体 | 热侧流体 | 冷侧流体 | |||
工况1 | 60 | 26 | 5.3 | 9.3 | 0.81 | 0.48 | 0.3185 | 2.65 |
工况2 | 70 | 36 | 5.4 | 9.3 | 0.82 | 0.47 | 0.3830 | 3.19 |
工况3 | 65 | 31 | 5.0 | 4.5 | 0.72 | 0.44 | 0.3063 | 2.21 |
序号 | 进口温度/℃ | 进口压力/kPa | 进口流量/(m3/h) | 泄漏量/ (m3/h) | 泄漏率/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
热侧流体 | 冷侧流体 | 热侧流体 | 冷侧流体 | 热侧流体 | 冷侧流体 | |||
工况1 | 55 | 35 | 1420 | 102 | 30 | 20 | 0.5904 | 1.968 |
工况2 | 50 | 35 | 1800 | 110 | 35 | 20 | 0.3021 | 0.8631 |
工况3 | 45 | 35 | 1820 | 110 | 25 | 20 | 0.2660 | 1.064 |
表3 热交换器泄漏实验工况
Table 3 Working conditions of heat exchanger leakage for experiments
序号 | 进口温度/℃ | 进口压力/kPa | 进口流量/(m3/h) | 泄漏量/ (m3/h) | 泄漏率/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
热侧流体 | 冷侧流体 | 热侧流体 | 冷侧流体 | 热侧流体 | 冷侧流体 | |||
工况1 | 55 | 35 | 1420 | 102 | 30 | 20 | 0.5904 | 1.968 |
工况2 | 50 | 35 | 1800 | 110 | 35 | 20 | 0.3021 | 0.8631 |
工况3 | 45 | 35 | 1820 | 110 | 25 | 20 | 0.2660 | 1.064 |
序号 | 相似度值 | 误报对比 | 漏报对比 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
正常 运行 | 结垢/泄漏 状态 | 预警 阈值 | 原始数据 | 处理数据 | 原始数据 | 处理数据 | |
结垢工况1 | 0.7104 | 0.5123 | 0.6739 | 1 | 0 | 0 | 0 |
结垢工况2 | 0.6887 | 0.4735 | 0.5347 | 2 | 0 | 0 | 0 |
结垢工况3 | 0.5437 | 0.4234 | 0.4510 | 5 | 1 | 0 | 0 |
泄漏工况1 | 0.8950 | 0.8230 | 0.8540 | 6 | 0 | 0 | 0 |
泄漏工况2 | 0.8743 | 0.8103 | 0.8496 | 4 | 0 | 0 | 0 |
泄漏工况3 | 0.8889 | 0.8324 | 0.8612 | 1 | 0 | 0 | 0 |
表4 各工况下预警效果统计
Table 4 Statistics of early warning effect under various working conditions
序号 | 相似度值 | 误报对比 | 漏报对比 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
正常 运行 | 结垢/泄漏 状态 | 预警 阈值 | 原始数据 | 处理数据 | 原始数据 | 处理数据 | |
结垢工况1 | 0.7104 | 0.5123 | 0.6739 | 1 | 0 | 0 | 0 |
结垢工况2 | 0.6887 | 0.4735 | 0.5347 | 2 | 0 | 0 | 0 |
结垢工况3 | 0.5437 | 0.4234 | 0.4510 | 5 | 1 | 0 | 0 |
泄漏工况1 | 0.8950 | 0.8230 | 0.8540 | 6 | 0 | 0 | 0 |
泄漏工况2 | 0.8743 | 0.8103 | 0.8496 | 4 | 0 | 0 | 0 |
泄漏工况3 | 0.8889 | 0.8324 | 0.8612 | 1 | 0 | 0 | 0 |
1 | 刘博强, 袁修干, 李敏. 板翅式热交换器动态模型[J]. 化工学报, 1994, 45(6): 673-677. |
Liu B Q, Yuan X G, Li M. A dynamic model of plate-fin heat exchangers[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 1994, 45(6): 673-677. | |
2 | 朱冬生, 蒋翔. 管壳式换热器壳程高黏度流体的传热强化[J]. 化工学报, 2005, 56(8): 1451-1455. |
Zhu D S, Jiang X. Enhanced heat transfer investigation on high viscosity fluid in shell-and-tube exchanger[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2005, 56(8): 1451-1455. | |
3 | Arsana I M, Muhimmah L C, Nugroho G, et al. Enhanced heat transfer effectiveness using low concentration SiO2-TiO2 core-shell nanofluid in a water/ethylene glycol mixture[J]. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2021, 94(2): 423-430. |
4 | Tepe A Ü. Heat transfer enhancement of fin-tube heat exchangers using punched triangular ramp vortex generator on the fin surface[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2021, 174: 121326. |
5 | 王大成, 钱才富, 曹生现. 换热设备微生物污垢的动态模拟及影响因素分析[J]. 化工进展, 2013, 32(8): 1934-1938, 1942. |
Wang D C, Qian C F, Cao S X. Dynamic simulation of microbial fouling in heat exchanger and analysis of affecting factors[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2013, 32(8): 1934-1938, 1942. | |
6 | Tian Z X, Liu X, Wang C L, et al. Experimental investigation on the heat transfer performance of high-temperature potassium heat pipe for nuclear reactor[J]. Nuclear Engineering and Design, 2021, 378: 111182. |
7 | K H J, K N S. Heat-in-leak and longitudinal wall heat conduction influence on three-fluid cross-flow heat exchanger performance[J]. Heat Transfer, 2021, 50(2): 1308-1334. |
8 | Hanson K, Nathan R, Marchant T, et al. Vouchers for scaling up insecticide-treated nets in Tanzania: methods for monitoring and evaluation of a national health system intervention[J]. BMC Public Health, 2008, 8: 205. |
9 | Baek S M, Seol W S, Lee H S, et al. Decreasing the fouling of heat exchanger plates using air bubbles[J]. Defect and Diffusion Forum, 2010, 297/298/299/300/301: 1199-1204. |
10 | 何小英. 换热器在线监测系统的设计与实现[D]. 成都: 电子科技大学, 2009. |
He X Y. Design and implementation of heat exchanger online monitoring system[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2009. | |
11 | 苏岳龙, 于凤琴, 马天明. 换热器健康状态预测与实时监控[J]. 计算机与应用化学, 2015, 32(1): 91-96. |
Su Y L, Yu F Q, Ma T M. Heat Exchanger healthy state prediction and online real-time monitoring[J]. Computers and Applied Chemistry, 2015, 32(1): 91-96. | |
12 | 王瑞刚. 一种热交换器运行在线实时监控系统: 107478270A[P]. 2017-12-15. |
Wang R G. Heat exchanger operation online real-time monitoring system: 107478270A[P]. 2017-12-15. | |
13 | Jiang N, Li J. CFD simulation analysis of pressure drop in a vertical helical-coil heat exchanger[J]. Advanced Materials Research, 2012, 562/563/564: 1095-1098. |
14 | Chou G H, Lee K H, Chao H J. The development of a thermal performance diagnostics expert system for nuclear power plant[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1994, 41(5): 1729-1735. |
15 | Prieto M, Vallina J M, Suárez I, et al. Application of a design code for estimating fouling on-line in a power plant condenser cooled by seawater[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2001, 25(5): 329-336. |
16 | Prieto M M, Suárez I M, Montanés E. Analysis of the thermal performance of a church window steam condenser for different operational conditions using three models[J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23(2): 163-178. |
17 | 彭坚. 基于MSET的卫星关键部件异常监测方法[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2011. |
Peng J. Anomaly monitoring method for key components of satellite based on multivariate state estimation techniques[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2011. | |
18 | 张令, 刘晖, 李彦文, 等. 火电厂引风机故障预警与诊断综述[J]. 仪器仪表用户, 2019, 26(1): 109-112. |
Zhang L, Liu H, Li Y W, et al. Overview on fault warning and diagnosis of induced draft fan in thermal power plant[J]. Electronic Instrumentation Customer, 2019, 26(1): 109-112. | |
19 | 金典. 在线监测算法在核电厂系统故障诊断的应用研究[D]. 厦门: 厦门大学, 2019. |
Jin D. Research about application of online monitoring algorithm in fault diagnosis of nuclear power plant system[D]. Xiamen: Xiamen University, 2019. | |
20 | Singer R M, Gross K C, Herzog J P, et al. Model-based nuclear power plant monitoring and fault detection: theoretical foundations[C]// International Conference on Intelligent Systems Applications to Power Systems. IL, United States: Argonne National Lab, 1997:1-5. |
21 | 杨婷婷, 张蓓, 吕游, 等. 基于MSET的电站风机故障预警技术研究[J]. 热能动力工程, 2017, 32(9): 63-68, 124. |
Yang T T, Zhang B, Lv Y, et al. Research on early fault warning technology of fan in power plant based on MSET method[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2017, 32(9): 63-68, 124. | |
22 | Zhang S S, Wan Y H, Ding J, et al. State of charge (SOC) estimation based on extended exponential weighted moving average H∞ filtering[J]. Energies, 2021, 14(6): 1655. |
23 | Wang Z, Liu C. Wind turbine condition monitoring based on a novel multivariate state estimation technique[J]. Measurement, 2020, 168: 108388. |
24 | 孙见忠, 左洪福, 刘鹏鹏, 等. 航空发动机尾气静电信号基线模型分析及应用[J]. 航空动力学报, 2013, 28(3): 531-540. |
Sun J Z, Zuo H F, Liu P P, et al. Analysis and application of baseline model of aero-engine exhaust gas electrostatic monitoring signals[J]. Journal of Aerospace Power, 2013, 28(3): 531-540. | |
25 | 王皓, 赵晓蓓, 杨东升. 基于MSET和SPRT的导弹振动故障诊断[J]. 测控技术, 2015, 34(3): 59-62. |
Wang H, Zhao X B, Yang D S. Missile vibration fault diagnosis based on MSET and SPRT[J]. Measurement & Control Technology, 2015, 34(3): 59-62. | |
26 | 高明. 火电厂送风机故障预警系统的研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2013. |
Gao M. Research of power plant air feeder failure prognostic system[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2013. | |
27 | 孙建平, 高明. 改进“峰”方法的多元状态估计技术用于电站风机状态监测[J]. 华北电力大学学报(自然科学版), 2013, 40(3):91-94, 112. |
Sun J P, Gao M. Multivariate state estimation technology based on improved “peak” method for fan condition monitoring of power station [J]. Journal of North China Electric Power University (Natural Science Edition), 2013, 40(3): 91-94, 112. | |
28 | 韩万里, 茅大钧, 印琪民. 基于PCA和多元状态估计的引风机故障预警[J]. 热能动力工程, 2020, 35(1): 91-97. |
Han W L, Mao D J, Yin Q M. Induced draft fan fault warning based on PCA and multivariate state estimation technique[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2020, 35(1): 91-97. | |
29 | 李锋, 潘凤萍, 廖宏楷, 等. 多元状态估计的记忆矩阵选取及风机故障预警方法[J]. 自动化仪表, 2019, 40(1): 74-78. |
Li F, Pan F P, Liao H K, et al. Memory matrix selection of multivariate state estimation and hierarchical fault early warning method[J]. Process Automation Instrumentation, 2019, 40(1): 74-78. | |
30 | 黄伟, 张泽发. 基于多元状态估计的燃烧室故障预警研究[J]. 汽轮机技术, 2020, 62(1): 38-42. |
Huang W, Zhang Z F. Early warning of combustion chamber faults based on multivariate state estimation[J]. Turbine Technology, 2020, 62(1): 38-42. |
[1] | 宋嘉豪, 王文. 斯特林发动机与高温热管耦合运行特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 287-294. |
[2] | 刘远超, 关斌, 钟建斌, 徐一帆, 蒋旭浩, 李耑. 单层XSe2(X=Zr/Hf)的热电输运特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3968-3978. |
[3] | 李珍宝, 李超, 王虎, 王绍瑞, 黎泉. MPP抑制铝镁合金粉尘爆炸微观机理研究[J]. 化工学报, 2023, 74(8): 3608-3614. |
[4] | 刘晓洋, 喻健良, 侯玉洁, 闫兴清, 张振华, 吕先舒. 螺旋微通道对掺氢甲烷爆轰传播的影响[J]. 化工学报, 2023, 74(7): 3139-3148. |
[5] | 刘远超, 蒋旭浩, 邵钶, 徐一帆, 钟建斌, 李耑. 几何尺寸及缺陷对石墨炔纳米带热输运特性的影响[J]. 化工学报, 2023, 74(6): 2708-2716. |
[6] | 李振, 张博, 王丽伟. PEG-EG固-固相变材料的制备和性能研究[J]. 化工学报, 2023, 74(6): 2680-2688. |
[7] | 黄磊, 孔令学, 白进, 李怀柱, 郭振兴, 白宗庆, 李平, 李文. 油页岩添加对准东高钠煤灰熔融行为影响的研究[J]. 化工学报, 2023, 74(5): 2123-2135. |
[8] | 肖忠良, 尹碧露, 宋刘斌, 匡尹杰, 赵亭亭, 刘成, 袁荣耀. 废旧锂离子电池回收工艺研究进展及其安全风险分析[J]. 化工学报, 2023, 74(4): 1446-1456. |
[9] | 明迁, 高逸, 胡剑, 李盛杰, 王金江. 热交换器泄漏故障虚拟感知方法研究[J]. 化工学报, 2023, 74(4): 1836-1846. |
[10] | 贠程, 王倩琳, 陈锋, 张鑫, 窦站, 颜廷俊. 基于社团结构的化工过程风险演化路径深度挖掘[J]. 化工学报, 2023, 74(4): 1639-1650. |
[11] | 杨辉著, 兰精灵, 杨月, 梁嘉林, 吕传文, 朱永刚. 高功率平板热管传热性能的实验研究[J]. 化工学报, 2023, 74(4): 1561-1569. |
[12] | 武子超, 汪志雷, 李荣业, 李可昕, 华敏, 潘旭海, 王三明, 蒋军成. 点火方式对欠膨胀氢气射流爆炸超压影响规律研究[J]. 化工学报, 2023, 74(3): 1409-1418. |
[13] | 杜江龙, 杨雯棋, 黄凯, 练成, 刘洪来. 复合相变材料/空冷复合式锂离子电池模块散热性能[J]. 化工学报, 2023, 74(2): 674-689. |
[14] | 杨克, 王辰升, 纪虹, 郑凯, 邢志祥, 毕海普, 蒋军成. 聚多巴胺包覆混合粉体抑制甲烷爆炸的实验研究[J]. 化工学报, 2022, 73(9): 4245-4254. |
[15] | 廖珊珊, 张少刚, 陶骏骏, 刘家豪, 汪金辉. 竖直射流火撞击障碍管道数值模拟分析[J]. 化工学报, 2022, 73(9): 4226-4234. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||