CN103759894B - 一种换热器漏流的检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种换热器漏流的检测方法及系统，该检测方法包括：采集换热器的多个样本组的过程数据；以所述过程数据为输入条件，利用能量平衡方程计算总传热系数；利用总传热系数方程，根据所述总传热系数计算结垢热阻；对所述结垢热阻进行消噪处理，生成消噪后结垢热阻；根据所述消噪后结垢热阻计算消噪后结垢热阻的均值和方差；根据所述均值和方差判断换热器是否发生漏流。与现有换热器漏流诊断技术相比，本发明的检测方法计算实时性强，时间滞后小，不受换热器以外其他装置操作条件的影响；通过采用小波变换理论在线处理现场数据，消弱了噪声对诊断结果的影响，提高了计算的准确性，且便于实施，总费用低。

Description

一种换热器漏流的检测方法及系统

技术领域

本发明是关于石油化工的系统工程领域，具体地，是关于一种换热器漏流的检测方法及系统。

背景技术

换热器广泛应用于石油化工过程工业的能量回收系统，能够大大降低其投资和操作费用。但由于腐蚀、高温下换热器各部件热胀冷缩程度不一致以及流体诱导震动等因素，常使换热器受到破坏而时有漏流现象发生，即管程流体流入壳程或壳程流体流入管程，造成互相换热的介质之间的污染等损失。这种换热器漏流现象发生在壳体内，肉眼观察不能发现，具有较大的隐蔽性。

目前，通过在各换热器进口和出口设置流量计，实时监测冷、热流体的进出口流量，可以判断漏流是否发生，但由于石油化工装置中包括几十乃至几百个换热器，在每一个换热器的进出口均设置流量计会增大设备投资费用，并且鉴于空间分布以及管件要求等约束，在各换热器之间的管段开孔设置流量计很难进行工程实施。在实际生产中，往往通过定期检修发现漏流，这种方法也存在着以下弊端：(一)利用定期检修发现漏流，存在很大的时间滞后，无法实时反映当前换热器中的具体情况；(二)由于难以及时发现换热器漏流将造成能量损耗，会对物料产生污染而影响产品质量，甚至造成生产危险。而采用软测量技术，由于现场环境复杂，现场采集数据存在较大的噪声，噪声干扰可能导致误判断和操作，因此有必要对采集数据进行处理。工业过程中，信号降噪是不可或缺的一环，传统的线性滤波方法由于其尺度的单一性，存在保护信号局部特征与抑制噪声之间的矛盾，并且实际过程中这种滤波方法必须以模型的可知性为前提，而这一条件实际上往往并不能满足。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种换热器漏流的检测方法及系统，以解决现有技术中存在的上述问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种换热器漏流的检测方法，该方法包括：采集换热器的多个样本组的过程数据；以所述过程数据为输入条件，利用能量平衡方程计算总传热系数；利用总传热系数方程，根据所述总传热系数计算结垢热阻；对所述结垢热阻进行消噪处理，生成消噪后结垢热阻；根据所述消噪后结垢热阻计算消噪后结垢热阻的均值和方差；根据所述均值和方差判断换热器是否发生漏流。

在一实施例中，上述过程数据包括：管程流股数据及壳程流股数据；其中，所述的管程流股数据包括：管程流股进口流量m₂、管程进口温度T_2i、管程出口温度T_2o及不考虑与漏液换热时的出口温度T′_2o；所述的壳程流股数据包括：壳程流股进口流量m₁、壳程进口温度T_1i及壳程出口温度T_1o。

在一实施例中，上述总传热系数分为：管程流股数据的管程传热系数K_h及壳程流股数据的壳程传热系数K_c，上述能量平衡方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1{\mathrm{Cp}}_1(T_{1o}-T_{1i})=K_{c}A\mathrm{\Δ}T\\ m_2{\mathrm{Cp}}_2(T_{2i}-T_{2o})=K_{h}A\mathrm{\Δ}T\end{array}\right.;$ 其中，Cp₁为换热器壳程流股数据的定压比热容，Cp₂为换热器壳程流股数据的定压比热容；A为换热器传热面积；Cp₁、Cp₂及A均为常数；K_h为管程流股数据的管程传热系数；K_c为壳程流股数据的壳程传热系数。

在一实施例中，上述以所述过程数据为输入条件，利用能量平衡方程计算总传热系数，包括：根据所述过程数据计算换热器的换热温差：利用所述能量平衡方程，根据所述过程数据及换热温差计算所述管程传热系数：以及利用所述能量平衡方程，根据所述过程数据及换热温差计算所述壳程传热系数：

在一实施例中，上述的结垢热阻包括管程结垢热阻及壳程结垢热阻，所述利用总传热系数方程，根据所述总传热系数计算结垢热阻，包括：利用管程传热系数方程，根据所述管程传热系数计算所述管程结垢热阻；以及利用壳程传热系数方程，根据所述壳程传热系数计算所述壳程结垢热阻；所述管程传热系数方程为：

$K_h=\frac{1}{(\frac{1}{k_2{(m_2-\mathrm{\Δ}m)}^{0.8}}+R_{oh})\frac{d_o}{d_i}+\frac{d_{o}b}{{\mathrm{\λd}}_a}+\frac{1}{k_1{m_1}^{0.6}}+\frac{R_{oh}}{\mathrm{\β}}},$ 所述壳程传热系数方程为：

$K_c=\frac{1}{(\frac{1}{k_2{m}_2^{0.8}}+{\mathrm{\βR}}_{oc})\frac{d_o}{d_i}+\frac{d_{o}b}{{\mathrm{\λd}}_a}+\frac{1}{k_1{(m_1-\mathrm{\Δ}m)}^{0.6}}+R_{oc}},$ 其中，k₁是管外壁传热系数， $k_1=0.23\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{d_o}{\left(\frac{d_o}{u_1\sqrt{S_c{S}_b}}\right)}^{0.6}{\left(\frac{{\mathrm{Cp}}_1{u}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}\right)}^{\frac{1}{3}};$ k₂是管内壁传热系数，d_o,d_i分别为换热管的外、内径；β为换热管内外壁结垢热阻速率之比；b为换热管壁厚；d_a为换热管平均直径；λ为换热管的热导率，λ₁，λ₂分别为冷热流股的热导率；u₁，u₂分别为冷热流股的黏度系数；S_c为两折流板之间靠近壳中心线处的管间流通面积；S_b为折流板缺口的管间流通面积；S_i为管程流通截面积；R_oh为所述管程结垢热阻；R_oc为所述壳程结垢热阻。

在一实施例中，上述对所述结垢热阻进行消噪处理，生成消噪后结垢热阻，包括：通过在一个移动的数据窗口内应用小波滤波与分解重构，生成消噪后结垢热阻。

具体地，上述通过在一个移动的数据窗口内应用小波滤波与分解重构，生成消噪后结垢热阻，包括：确定所述移动的数据窗口的数据长度；采用小波变换理论对所述管程结垢热阻和壳程结垢热阻进行小波分解，分别获取所述管程结垢热阻、壳程结垢热阻及噪声信号的小波系数；根据频率特性的不同区分所述管程结垢热阻、壳程结垢热阻及噪声信号的小波系数，生成消噪后管程结垢热阻及消噪后壳程结垢热阻；判断所述多个样本组的数量是否大于所述数据窗口的数据长度；如果是，则将当前样本组的消噪后管程结垢热阻及消噪后壳程结垢热阻放入所述数据窗口末尾，并删除第一组样本组的消噪后管程结垢热阻及消噪后壳程结垢热阻。

在一实施例中，上述根据所述消噪后结垢热阻计算所述多个样本组的消噪后结垢热阻的均值和方差，包括：根据所述数据窗口的数据长度及所述消噪后管程结垢热阻，通过滑动所述数据窗口计算所述多个样本组的消噪后管程结垢热阻的均值和方差，以及根据数据窗口的长度及所述消噪后壳程结垢热阻，通过滑动所述数据窗口计算所述多个样本组的消噪后壳程结垢热阻的均值和方差。

在一实施例中，当所述多个样本组的数量小于所述数据窗口的数据长度时，根据以下公式计算所述消噪后管程结垢热阻或消噪后壳程结垢热阻的均值和方差：均值： ${\stackrel{\‾}{X}}_n=\frac{n-1}{n}{\stackrel{\‾}{X}}_{n-1}+\frac{1}{n}{X}_n,$ 方差： ${\mathrm{\σ}}_n=\sqrt{\frac{n-1}{n}\[{\mathrm{\σ}}_{n-1}^2+\frac{1}{n}{(X_n-{\stackrel{\‾}{X}}_{n-1})}^2\]},$ 其中，n＝1,2,…L，L为所述数据窗口的长度；当所述多个样本组的数量大于或等于所述数据窗口的数据长度时，根据以下公式计算所述消噪后管程结垢热阻或消噪后壳程结垢热阻的均值和方差：均值： ${\stackrel{\‾}{X}}_n={\stackrel{\‾}{X}}_{n-1}+\frac{1}{L}(X_n-X_{n-L}),$ 方差：

${\mathrm{\σ}}_n=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{n-1}^2+\frac{L+1}{L^2}{(X_n-X_{n-L})}^2-\frac{2}{L}(X_n-X_{n-L}){\stackrel{\‾}{X}}_{n-1}},$ 其中n＝L+1,…，L为所述数据窗口的长度。

在一实施例中，上述根据所述均值和方差判断换热器是否发生漏流，包括：根据当前样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值与前一样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值和方差计算管程检验数；根据当前样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值与前一样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值和方差计算壳程检验数；判断所述管程检验数或壳程检验数是否大于一门限值；当所述管程检验数或壳程检验数大于所述门限值时，判定换热器发生漏流。

具体地，根据以下公式计算所述管程检验数：其中，为当前样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值，为前一样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值，σ_2h为前一样本组的所述消噪后管程结垢热阻的方差。

具体地，根据以下公式计算所述壳程检验数：其中，为当前样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值，为前一样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值，σ_2c为前一样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的方差。

本发明实施例还提供一种换热器漏流的检测系统，该系统包括：过程数据采集单元，用于采集换热器的多个样本组的过程数据；总传热系数计算单元，用于以所述过程数据为输入条件，利用能量平衡方程计算总传热系数；结垢热阻计算单元，用于利用总传热系数方程，根据所述总传热系数计算结垢热阻；消噪处理单元，用于对所述结垢热阻进行消噪处理，生成消噪后结垢热阻；均值和方差计算单元，用于根据所述消噪后结垢热阻计算消噪后结垢热阻的均值和方差；漏流判定单元，用于根据所述均值和方差判断换热器是否发生漏流。

在一实施例中，上述过程数据包括：管程流股数据及壳程流股数据；其中，所述的管程流股数据包括：管程流股进口流量m₂、管程进口温度T_2i、管程出口温度T_2o及不考虑与漏液换热时的出口温度T′_2o；所述的壳程流股数据包括：壳程流股进口流量m₁、壳程进口温度T_1i及壳程出口温度T_1o。

在一实施例中，上述总传热系数分为：管程流股数据的管程传热系数K_h及壳程流股数据的壳程传热系数K_c，所述能量平衡方程为：

$\{\begin{array}{c}{m}_1{\mathrm{Cp}}_1(T_{1o}-T_{1i})=K_{c}A\mathrm{\Δ}T\\ m_2{\mathrm{Cp}}_2(T_{2i}-T_{2o})=K_{h}A\mathrm{\Δ}T\end{array};$ 其中，Cp₁为换热器壳程流股数据的定压比热容，Cp₂为换热器壳程流股数据的定压比热容；A为换热器传热面积；Cp₁、Cp₂及A均为常数。

在一实施例中，上述总传热系数计算单元包括：换热温差计算模块，用于根据所述过程数据计算换热器的换热温差：管程传热系数计算模块，用于利用所述能量平衡方程，根据所述过程数据及换热温差计算所述管程传热系数：以及壳程传热系数计算模块，用于利用所述能量平衡方程，根据所述过程数据及换热温差计算所述壳程传热系数：

在一实施例中，上述的结垢热阻包括管程结垢热阻及壳程结垢热阻，所述结垢热阻计算单元包括：管程结垢热阻计算模块，用于利用管程传热系数方程，根据所述管程传热系数计算所述管程结垢热阻；以及壳程结垢热阻计算模块，用于利用壳程传热系数方程，根据所述壳程传热系数计算所述壳程结垢热阻；所述管程传热系数方程为：

$K_h=\frac{1}{(\frac{1}{k_2{(m_2-\mathrm{\Δ}m)}^{0.8}}+R_{oh})\frac{d_o}{d_i}+\frac{d_{o}b}{{\mathrm{\λd}}_a}+\frac{1}{k_1{m_1}^{0.6}}+\frac{R_{oh}}{\mathrm{\β}}},$ 所述壳程传热系数方程为：

$K_c=\frac{1}{(\frac{1}{k_2{m}_2^{0.8}}+{\mathrm{\βR}}_{oc})\frac{d_o}{d_i}+\frac{d_{o}b}{{\mathrm{\λd}}_a}+\frac{1}{k_1{(m_1-\mathrm{\Δ}m)}^{0.6}}+R_{oc}},$ 其中，k₁是管外壁传热系数， $k_1=0.23\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{d_o}{\left(\frac{d_o}{u_1\sqrt{S_c{S}_b}}\right)}^{0.6}{\left(\frac{{\mathrm{Cp}}_1{u}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}\right)}^{\frac{1}{3}};$ k₂是管内壁传热系数，d_o,d_i分别为换热管的外、内径；β为换热管内外壁结垢热阻速率之比；b为换热管壁厚；d_a为换热管平均直径；λ为换热管的热导率，λ₁，λ₂分别为冷热流股的热导率；u₁，u₂分别为冷热流股的黏度系数；S_c为两折流板之间靠近壳中心线处的管间流通面积；S_b为折流板缺口的管间流通面积；S_i为管程流通截面积；R_oh为所述管程结垢热阻；R_oc为所述壳程结垢热阻。

在一实施例中，上述消噪处理单元具体用于：通过在一个移动的数据窗口内应用小波滤波与分解重构，生成消噪后结垢热阻。

具体地，上述消噪处理单元包括：数据长度确定模块，用于确定所述移动的数据窗口的数据长度；小波系数获取模块，用于采用小波变换理论对所述管程结垢热阻和壳程结垢热阻进行小波分解，分别获取所述管程结垢热阻、壳程结垢热阻及噪声信号的小波系数；消噪处理模块，用于根据频率特性的不同区分所述管程结垢热阻、壳程结垢热阻及噪声信号的小波系数，生成消噪后管程结垢热阻及消噪后壳程结垢热阻；样本数量判断模块，用于判断所述多个样本组的数量是否大于所述数据窗口的数据长度；数据更新模块，用于将当前样本组的消噪后管程结垢热阻及消噪后壳程结垢热阻放入所述数据窗口末尾，并删除第一组样本组的消噪后管程结垢热阻及消噪后壳程结垢热阻。

在一实施例中，上述均值和方差计算单元包括：管程均值和方差计算模块，用于根据所述数据窗口的数据长度及所述消噪后管程结垢热阻，通过滑动所述数据窗口计算所述多个样本组的消噪后管程结垢热阻的均值和方差，以及壳程均值和方差计算模块，用于根据所述数据窗口的数据长度及所述消噪后壳程结垢热阻，通过滑动所述数据窗口计算所述多个样本组的消噪后壳程结垢热阻的均值和方差。

在一实施例中，当所述多个样本组的数量小于所述数据窗口的数据长度时，所述均值和方差计算单元根据以下公式计算所述消噪后管程结垢热阻或消噪后壳程结垢热阻的均值和方差：均值：方差：

其中，n＝1,2,…L，L为所述数据窗口的长度；当所述多个样本组的数量大于或等于所述数据窗口的数据长度时，所述均值和方差计算单元根据以下公式计算所述消噪后管程结垢热阻或消噪后壳程结垢热阻的均值和方差：均值： ${\stackrel{\‾}{X}}_n={\stackrel{\‾}{X}}_{n-1}+\frac{1}{L}(X_n-X_{n-L}),$ 方差：

${\mathrm{\σ}}_n=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{n-1}^2+\frac{L+1}{L^2}{(X_n-X_{n-L})}^2-\frac{2}{L}(X_n-X_{n-L}){\stackrel{\‾}{X}}_{n-1}},$ 其中n＝L+1,…，L为所述数据窗口的长度。

在一实施例中，上述漏流判定单元包括：管程检验数计算模块，用于根据当前样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值与前一样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值和方差计算管程检验数；壳程检验数计算模块，用于根据当前样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值与前一样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值和方差计算壳程检验数；检验数判断模块，用于判断所述管程检验数或壳程检验数是否大于一门限值；漏流判定模块，用于判定换热器发生漏流。

具体地，上述管程检验数计算模块根据以下公式计算所述管程检验数：其中，为当前样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值，为前一样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值，σ_2h为前一样本组的所述消噪后管程结垢热阻的方差。

具体地，上述壳程检验数计算模块根据以下公式计算所述壳程检验数：其中，为当前样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值，为前一样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值，σ_2c为前一样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的方差。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过机理数学模型对换热器中管程和壳程处的结垢热阻进行计算，通过换热器入口流量以及冷、热流股换热温差计算总传热系数，进而得出结垢热阻，计算实时性强，时间滞后小，不受换热器以外其他装置操作条件的影响，便于实现换热器漏流的在线诊断；通过采用小波变换理论在线处理现场数据，削弱了现场数据采集中噪声对诊断的影响，提高了计算的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的换热器漏流的检测方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的换热器机理数学模型示意图；

图3为根据本发明实施例的小波分析计算模块的程序流程图；

图4为根据本发明实施例的结垢热阻随时间变化的实时趋势曲线图；

图5为根据本发明实施例的采样数据分组流程图；

图6为根据本发明实施例的换热器漏流的检测系统的结构示意图；

图7为根据本发明实施例的总传热系数计算单元的结构示意图；

图8为根据本发明实施例的结垢热阻计算单元的结构示意图；

图9为根据本发明实施例的消噪处理单元的结构示意图；

图10为根据本发明实施例的均值和方差计算单元的结构示意图；

图11为根据本发明实施例的漏流判定单元的结构示意图；

图12为根据本发明实施例的换热器漏流检测分析系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种换热器漏流的检测方法和系统。以下结合附图对本发明进行详细说明。

本发明实施例提供一种换热器漏流的检测方法，如图1所示，该检测方法包括以下步骤：

步骤101：采集换热器的多个样本组的过程数据；

步骤102：以过程数据为输入条件，利用能量平衡方程计算总传热系数；

步骤103：利用总传热系数方程，根据总传热系数计算结垢热阻；

步骤104：对结垢热阻进行消噪处理，生成消噪后结垢热阻；

步骤105：根据消噪后结垢热阻计算消噪后结垢热阻的均值和方差；

步骤106：根据均值和方差判断换热器是否发生漏流。

本发明通过对换热器中管程和壳程处的结垢热阻进行计算，计算实时性强，时间滞后小，不受换热器以外其他装置操作条件的影响，便于实现换热器漏流的在线诊断；通过采用小波变换理论在线对现场数据进行消噪处理，削弱了现场数据采集中噪声对诊断的影响，提高了计算的准确性。

具体地，在实际应用中，为了对换热器的漏流情况进行检测，经过上述步骤101，采集该换热器的一些必要的参数，例如：该换热器的管程流股数据及壳程流股数据，其中，管程流股数据包括：管程流股进口流量m₂、管程进口温度T_2i、管程出口温度T_2o及不考虑与漏液换热时的出口温度T′_2o；壳程流股数据包括：壳程流股进口流量m₁、壳程进口温度T_1i及壳程出口温度T_1o。

当换热器发生漏流时，其内部换热过程发生了变化。根据管程、壳程压力大小的不同，有多种泄漏情形(即泄漏点位置不同)，不同的泄漏点相应的换热过程也会有所变化。在本发明实施例中，是以单管程单壳程逆流换热器为例，考虑比较普遍的情况，即当壳程压力大于管程压力，在壳程进口(管程出口)发生向管程漏流的情形时，其换热过程的换热器机理数学模型如图2所示，其中，Δm是假定换热器发生漏流时的漏流量。

在获取了换热器的上述过程数据后，通过上述的步骤102，基于上述换热器机理数学模型，以上述的过程数据为输入条件，结合能量平衡方程即可计算出该换热器的总传热系数，具体的计算过程如下：

首先，需要计算换热器的换热温差ΔT：

$\mathrm{\Δ}T=ln\left(\frac{(T_{2i}-T_{1o})-(T_{2o}^{\′}-T_{1i})}{\frac{(T_{2i}-T_{1o})}{(T_{2o}^{\′}-T_{1i})}}\right)---\left(1\right),$

第二步，结合能量平衡方程求解该换热器的总传热系数K：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1{\mathrm{Cp}}_1(T_{1o}-T_{1i})=KA\mathrm{\Δ}T\\ m_2{\mathrm{Cp}}_2(T_{2i}-T_{2o})=KA\mathrm{\Δ}T\end{array}\right.---\left(2\right),$

其中，Cp₁为换热器壳程流股数据的定压比热容，Cp₂为换热器管程流股数据的定压比热容；A为换热器传热面积；Cp₁、Cp₂及A在换热器设备运行过程中均为常数。

实际计算过程中，根据在管程和壳程流股数据中的应用不同，该总传热系数K分为：管程流股数据的管程传热系数K_h及壳程流股数据的壳程传热系数K_c，上述的公式(2)可变换为：

$\{\begin{array}{c}{m}_1{\mathrm{Cp}}_1(T_{1o}-T_{1i})=K_{h}A\mathrm{\Δ}T\\ m_2{\mathrm{Cp}}_2(T_{2i}-T_{2o})=K_{c}A\mathrm{\Δ}T\end{array}---{\left(2\right)}^{,},$

并可由此分别计算出管程传热系数K_h：

$K_h=\frac{m_2{\mathrm{Cp}}_2(T_{2i}-T_{2o})}{A\mathrm{\Δ}T}---\left(3\right);$ 以及

壳程传热系数K_c：

$K_c=\frac{m_1{\mathrm{Cp}}_1(T_{1o}-T_{1i})}{A\mathrm{\Δ}T}---\left(4\right).$

通过计算得到管程传热系数K_h和壳程传热系数K_c后，即可通过上述的步骤103，结合总传热系数方程中总传热系数与换热器结垢热阻的关系计算换热器的结垢热阻。具体计算过程中，应针对管程传热系数和壳程传热系数分别对管程结垢热阻和壳程结垢热阻进行计算，计算过程如下：

a.计算管程结垢热阻

根据管程传热系数方程：

$K_h=\frac{1}{(\frac{1}{k_2{(m_2-\mathrm{\Δ}m)}^{0.8}}+R_{oh})\frac{d_o}{d_i}+\frac{d_{o}b}{{\mathrm{\λd}}_a}+\frac{1}{k_1{m_1}^{0.6}}+\frac{R_{oh}}{\mathrm{\β}}}---\left(5\right),$

其中，k₁是管外壁传热系数，k₂是管内壁传热系数，d_o,d_i分别为换热管的外、内径；β为换热管内外壁结垢热阻速率之比；b为换热管壁厚；d_a为换热管平均直径；λ为换热管的热导率，λ₁，λ₂分别为冷热流股的热导率；u₁，u₂分别为冷热流股的黏度系数；S_c为两折流板之间靠近壳中心线处的管间流通面积；S_b为折流板缺口的管间流通面积；S_i为管程流通截面积；R_oh为管程结垢热阻。

由上述公式(5)可以看出管程传热系数K_h与管程结垢热阻R_oh的关系，并且，结合上述步骤102中以换热器的过程数据为输入条件，利用能量平衡方程计算得到的管程传热系数K_h，即可计算得出管程结垢热阻R_oh。

b.计算壳程结垢热阻

根据壳程传热系数方程：

$K_c=\frac{1}{(\frac{1}{k_2{m}_2^{0.8}}+{\mathrm{\βR}}_{oc})\frac{d_o}{d_i}+\frac{d_{o}b}{{\mathrm{\λd}}_a}+\frac{1}{k_1{(m_1-\mathrm{\Δ}m)}^{0.6}}+R_{oc}}---\left(6\right),$

其中，k₁是管外壁传热系数，k₂是管内壁传热系数，d_o,d_i分别为换热管的外、内径；β为换热管内外壁结垢热阻速率之比；b为换热管壁厚；d_a为换热管平均直径；λ为换热管的热导率，λ₁，λ₂分别为冷热流股的热导率；u₁，u₂分别为冷热流股的黏度系数；S_c为两折流板之间靠近壳中心线处的管间流通面积；S_b为折流板缺口的管间流通面积；S_i为管程流通截面积；R_oc为壳程结垢热阻。

由上述公式(6)可以看出壳程传热系数K_c与壳程结垢热阻R_oc的关系，并且，结合上述步骤102中以换热器的过程数据为输入条件，利用能量平衡方程计算得到的壳程传热系数K_c，即可计算得出壳程结垢热阻R_oc。

在换热器运行的过程中，现场采集的数据中不可避免会混有噪声，因此，需要经过上述步骤104，对通过上述计算所得的管程结垢热阻R_oh和壳程结垢热阻R_oc进行消噪处理。在本发明实施例中，是结合小波变换理论实现对管程结垢热阻R_oh和壳程结垢热阻R_oc的消噪处理。小波变换理论是傅里叶变换的重大进展，它克服了短时傅里叶变换的单一分辨率的缺陷，是一种比较理想的信号处理方法，已成为分析非平稳信号最重要的工具。

在本发明实施例中，是利用信号和噪声在不同尺度上所表现出来的特征不同来对信号和噪声进行区分，这里的尺度是指其频率特性，也就是利用信号和噪声的频率特性不同来进行区分；信号即是指换热器的管程结垢热阻和壳程结垢热阻。在小波空间中，信号和噪声具有不同的传播特性，信号和噪声的小波系数是随着尺度而变化的。对于连续信号函数，随着尺度的增大，其小波变换系数也增大；对于噪声，其小波变换系数随着尺度的增大而减小，从而可将信号和噪声区分开来。

为实现对现场数据的在线处理，通常是通过在一个移动的数据窗口内应用小波滤波与分解重构，从而实现换热器结垢参数(管程结垢热阻和壳程结垢热阻)的在线实时检测。每采集一个新的数据，数据窗口就要移动一次，随着数据的增多，该数据窗口的长度也会逐渐变大。但是，随着数据窗口的长度的变大，每采集到一个数据，计算量就会增加，因此当数据窗口的长度增大到一定程度，就保持该数据窗口的长度不变，只滑动窗口以包含最新的数据。

在线结合小波理论对换热器的结垢参数进行消噪处理的具体步骤如下：

1)首先根据实际情况确定数据窗口的最大长度n；

2)在该数据窗口内对包含换热器的结垢参数及噪声的测量数据进行小波分解，从而分别获取该换热器的管程结垢热阻、壳程结垢热阻及噪声信号的小波系数；

3)根据管程结垢热阻、壳程结垢热阻及噪声信号的小波系数的频率特性的不同来将噪声信号区分出来，重构信号，从而获取经过消噪后的管程结垢热阻和壳程结垢热阻；

4)保存重构后的最后1个数据点，也即最新的1个数据点，以备其他在线应用；

5)当接收到新的数据时，若此时数据窗口长度未达到设定最大值n，则移动数据窗口以包含最新的数据；若此时数据窗口长度已经达到设定最大值n，则滑动数据窗口，即移除数据窗口内首个也即最旧的1个数据点，并加入新接收数据点放于末尾，以保持数据窗口长度不变。

实际应用中，上述的结合小波理论对数据进行处理过程可以是通过MATLAB来实现。MATLAB具有强大的数值计算功能，其小波分析工具箱包含各种成熟的小波分析函数，因此选择MATLAB小波工具箱函数对计算所得的R_oc和R_oh作消噪处理。但MATLAB软件庞大，其解释性的执行语言运行速度有限，考虑工业现场的实时性和通用型要求，开发通用的小波分析计算模块，具体程序流程如图3所示：1)从信息管理系统PHD读取过程采样数据及换热器编号NUM；2)判断当前换热器编号NUM是否处于投运状态，如果是，则继续进行下一步骤，否则返回上一步骤，重新读取过程采样数据及换热器编号NUM；3)判断累计采样数据的序列长度是否小于小波分析窗口长度，如果是，则进行下一步骤，否则滑动小波分析窗口，以包含最新的采集数据；4)调用小波分析DLL文件对采集数据进行小波分析；5)调用漏流诊断子程序，对换热器是否漏流进行判断；6)返回数据各变量以及诊断结果给PHD。该小波分析计算模块也可以在工业应用现场没有安装MATLAB软件的计算机上实现小波滤波在线算法。

对计算得到的管程结垢热阻R_oh和壳程结垢热阻R_oc进行在线小波滤波消噪处理之后，可得到结垢热阻R_o随时间变化的实时趋势曲线，如图4所示。其中，当管程处发生漏流，管程结垢热阻R_oh将发生显著变化，当壳程处发生漏流时，则壳程结垢热阻R_oc发生显著变化，可将管程结垢热阻和壳程结垢热阻统称为结垢热阻R_o。当换热器壳程冷流侧发生漏流时，结垢热阻R_o曲线有明显的异常变化，改变原渐增趋势，急剧下降。由此可知，通过计算并分析R_oc和R_oh的变化，根据漏流发生位置对应其具体结垢热阻，当其中有一个出现异常变化时，即可用于诊断换热器漏流的情况。自漏流开始至漏流稳定下来(漏流量达到最大)的过程中，结垢热阻R_o的方差(范围)也较发生漏流前有明显增大。故在本发明实施例中，提出了通过比较均值与方差的方法进行漏流判断，若结垢热阻R_o的均值或方差出现了显著变化且超过门限值，则诊断换热器发生漏流。

对换热这类连续生产过程，在同一时刻不能采集到一组样本，因为在很短的时间内，过程变量都有微小变化，因此每时刻只能采集到一个样本。为了实现对连续生产过程进行实时监控，可将数据按日期等时间段分组，也即构造若干样本总体，分别计算其均值和方差，并进行比较。

对一般非渐变的生产过程，可以取正常生产工况下的历史数据作为标准数据，计算得到标准均值和标准方差的估计，从而与最新数据的均值和方差作比较，作出判断。但是，换热器的结垢热阻正常情况下也是逐渐增长的，即是一渐变过程，不能用一个不变的标准均值和标准方差，而要实时地更新。因此需通过上述步骤105，采用滑动数据窗口的办法，每采集一个新的过程数据点，各组样本就均向前滑动1个数据点，从而实现更新并保持数据窗口长度不变，进而根据采集的数据得到的管程结垢热阻和壳程结垢热阻来计算其均值和方差。

对结垢热阻的均值和方差的进行计算的公式包括：

当累积样本数小于该数据窗口的长度L时，

均值： ${\stackrel{\‾}{X}}_n=\frac{n-1}{n}{\stackrel{\‾}{X}}_{n-1}+\frac{1}{n}{X}_n,n=1,2,\mathrm{...}L---\left(7\right)$

方差： ${\mathrm{\σ}}_n=\sqrt{\frac{n-1}{n}\[{\mathrm{\σ}}_{n-1}^2+\frac{1}{n}{(X_n-{\stackrel{\‾}{X}}_{n-1})}^2\]},n=1,2,\mathrm{...}L---\left(8\right)$

当累积样本数大于或等于该数据窗口的长度L时，

均值： ${\stackrel{\‾}{X}}_n={\stackrel{\‾}{X}}_{n-1}+\frac{1}{L}(X_n-X_{n-L}),n=L+1,\mathrm{...}---\left(9\right)$

方差： ${\mathrm{\σ}}_n=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{n-1}^2+\frac{L+1}{L^2}{(X_n-X_{n-L})}^2-\frac{2}{L}(X_n-X_{n-L}){\stackrel{\‾}{X}}_{n-1}},n=L+1,\mathrm{...}---\left(10\right)$

在判断换热器是否发生漏流情况时，先根据上述公式(7)～(10)计算得到的结垢热阻的均值和方差来计算检验数K_检。具体地，应分别计算管程检验数K_检h和壳程检验数K_检c。

计算管程检验数K_检h：

其中，为当前样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值，为前一样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值，σ_2h为前一样本组的所述消噪后管程结垢热阻的方差。

计算壳程检验数K_检c：

其中，为当前样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值，为前一样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值，σ_2c为前一样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的方差。

在通过上述公式(11)、(12)分别计算得到管程检验数K_检h和壳程检验数K_检c后，即可通过上述步骤106，通过分别判断管程检验数K_检h、壳程检验数K_检c与门限值的大小关系来判断换热器是否出现漏流的情况。根据概率统计中的3σ法则，通常将均值变化量达到方差的3倍作为门限值。当均值变化量超出此门限值时，实际换热器漏流发生的概率将达到99.84％，也即诊断的置信水平为0.0016。需要说明的是，在本发明实施例中，该门限值根据3σ法则取值3，但具体实施时，该门限值的取值可以根据实际需要进行调整，本发明并不以此为限。

当门限值取3时，如果管程检验数K_检h和壳程检验数K_检c中至少有一个是大于该门限值时，即当K_检h>3，或K_检c>3，或K_检h、K_检c均大于3时，即判定换热器发生漏流。

在用均值和方差检验时，考虑换热器结垢热阻的变化非常缓慢，短时间内正常增长很小，因此，构造两个样本总体即可满足要求，即分成两组：包含当前时刻采样数据的较新1组样本反映换热器实时状况，记为组1；较旧1组样本作为判断的参考标准，记为组2。当两组样本的均值和方差有显著差异并且其检验数超过设定的门限值时，即可判定换热器发生漏流。

上述方法要求具有较多的采样数据，当刚开始投用时，数据不足，因此需等到积累了足够的数据之后才可实行。但是，现场一般要求投用后尽快看到结果，因此，制定刚开始数据不足时的策略：(具体如图5所示)当累计采样数不足组1的两倍时，在偶数个数据时均分成两部分构成组1和组2，奇数个数据时不计算，保持上步计算结果；当累计采样数在组1和组2之和与2倍组1之间时，从当前采样点往前取够组1要求的数据量构成组1，其余作为组2；当累计采样数大于组1和组2之和并小于组1、组2与中间间隔三者之和时，从首数据取足组2并固定，组1仍从当前采样点往前取足；否则，在此基础上，每新增一个采样数据，组1和组2均向前滑动1个数据点。

综上所述，本发明实施例的换热器漏流的检测方法利用换热器中管程处和壳程处结垢热阻求解并对比其均值和方差实现对换热器漏流情况的在线诊断，避免了现有方法的大滞后问题，提高了计算结果的实时性。

本发明实施例还提供一种换热器漏流的检测系统，如图6所示，该检测系统包括：过程数据采集单元1、总传热系数计算单元2、结垢热阻计算单元3、消噪处理单元4、均值和方差计算单元5及漏流判定单元6，其中：

过程数据采集单元1用于采集换热器的多个样本组的过程数据；

总传热系数计算单元2用于以所述过程数据为输入条件，利用能量平衡方程计算总传热系数；

结垢热阻计算单元3用于利用总传热系数方程，根据所述总传热系数计算结垢热阻；

消噪处理单元4用于对所述结垢热阻进行消噪处理，生成消噪后结垢热阻；

均值和方差计算单元5用于根据所述消噪后结垢热阻计算消噪后结垢热阻的均值和方差；

漏流判定单元6用于根据所述均值和方差判断换热器是否发生漏流。

本发明的换热器漏流的检测系统通过对换热器中管程和壳程处的结垢热阻进行计算，计算实时性强，时间滞后小，不受换热器以外其他装置操作条件的影响，便于实现换热器漏流的在线诊断；通过采用小波变换理论在线对现场数据进行消噪处理，削弱了现场数据采集中噪声对诊断的影响，提高了计算的准确性。

具体地，在实际应用中，为了对换热器的漏流情况进行检测，首先需要通过上述的过程数据采集单元1采集该换热器的一些必要的参数，例如：该换热器的管程流股数据及壳程流股数据，其中，管程流股数据包括：管程流股进口流量m₂、管程进口温度T_2i、管程出口温度T_2o及不考虑与漏液换热时的出口温度T′_2o；壳程流股数据包括：壳程流股进口流量m₁、壳程进口温度T_1i及壳程出口温度T_1o。

当换热器发生漏流时，其内部换热过程发生了变化。根据管程、壳程压力大小的不同，有多种泄漏情形(即泄漏点位置不同)，不同的泄漏点相应的换热过程也会有所变化。在本发明实施例中，是以单管程单壳程逆流换热器为例，考虑比较普遍的情况，即当壳程压力大于管程压力，在壳程进口(管程出口)发生向管程漏流的情形时，其换热过程的换热器机理数学模型如图2所示，其中，Δm是假定换热器发生漏流时的漏流量。

在获取了换热器的上述过程数据后，通过上述总传热系数计算单元2，基于上述换热器机理数学模型，以过程数据采集单元1采集的过程数据为输入条件，结合能量平衡方程即可计算出该换热器的总传热系数。

如图7所示，该总传热系数计算单元2包括：换热温差计算模块21、管程传热系数计算模块22及壳程传热系数计算模块23，其具体的计算过程如下：

首先，通过该换热温差计算模块21，利用上述的公式(1)来计算换热器的换热温差ΔT；

第二步，结合能量平衡方程求解该换热器的总传热系数K；由管程传热系数计算模块22根据上述公式(3)来计算出管程传热系数K_h；并由壳程传热系数计算模块23根据上述公式(4)计算出壳程传热系数K_c。

通过上述总传热系数计算单元2计算得到管程传热系数K_h和壳程传热系数K_c后，即可通过结垢热阻计算单元3结合总传热系数方程中总传热系数与换热器结垢热阻的关系计算换热器的结垢热阻。具体实施中，如图8所示，该结垢热阻计算单元3包括：管程结垢热阻计算模块31及壳程结垢热阻计算模块32，其中，该管程结垢热阻计算模块31用于针对管程传热系数计算换热器的管程结垢热阻，该壳程结垢热阻计算模块32用于针对壳程传热系数计算换热器的壳程结垢热阻。具体计算过程如下：

a.通过管程结垢热阻计算模块31根据上述公式(5)来计算管程结垢热阻R_oh。

由上述公式(5)可以看出管程传热系数K_h与管程结垢热阻R_oh的关系，并且，结合上述总传热系数计算单元2以换热器的过程数据为输入条件，利用能量平衡方程计算得到的管程传热系数K_h，即可计算得出管程结垢热阻R_oh。

b.通过壳程结垢热阻计算模块32根据上述公式(6)来计算壳程结垢热阻R_oc。

由上述公式(6)可以看出壳程传热系数K_c与壳程结垢热阻R_oc的关系，并且，结合总传热系数计算单元2以换热器的过程数据为输入条件，利用能量平衡方程计算得到的壳程传热系数K_c，即可计算得出壳程结垢热阻R_oc。

在换热器运行的过程中，现场采集的数据中不可避免会混有噪声，因此，需要通过上述的消噪处理单元4对通过管程结垢热阻计算模块31及壳程结垢热阻计算模块32计算所得的管程结垢热阻R_oh和壳程结垢热阻R_oc进行消噪处理。在本发明实施例中，是结合小波变换理论实现对管程结垢热阻R_oh和壳程结垢热阻R_oc的消噪处理。小波变换理论是傅里叶变换的重大进展，它克服了短时傅里叶变换的单一分辨率的缺陷，是一种比较理想的信号处理方法，已成为分析非平稳信号最重要的工具。

在本发明实施例中，该消噪处理单元4是利用信号和噪声在不同尺度上所表现出来的特征不同来对信号和噪声进行区分，这里的尺度是指其频率特性，也就是利用信号和噪声的频率特性不同来进行区分；信号即是指换热器的管程结垢热阻和壳程结垢热阻。在小波空间中，信号和噪声具有不同的传播特性，信号和噪声的小波系数是随着尺度而变化的。对于连续信号函数，随着尺度的增大，其小波变换系数也增大；对于噪声，其小波变换系数随着尺度的增大而减小，从而可将信号和噪声区分开来。

为实现对现场数据的在线处理，该消噪处理单元4通常是通过在一个移动的数据窗口内应用小波滤波与分解重构，从而实现换热器结垢参数(管程结垢热阻和壳程结垢热阻)的在线实时检测。每采集一个新的数据，数据窗口就要移动一次，随着数据的增多，该数据窗口的长度也会逐渐变大。但是，随着数据窗口的长度的变大，每采集到一个数据，计算量就会增加，因此当数据窗口的长度增大到一定程度，就保持该数据窗口的长度不变，只滑动窗口以包含最新的数据。

如图9所示，该消噪处理单元4包括：数据长度确定模块41、小波系数获取模块42、消噪处理模块43、样本数量判断模块44及数据更新模块45。该消噪处理单元4在线结合小波理论对换热器的结垢参数进行消噪处理的具体步骤如下：

1)首先通过数据长度确定模块41根据实际情况确定数据窗口的最大长度n；

2)通过小波系数获取模块42在该数据窗口内对包含换热器的结垢参数及噪声的测量数据进行小波分解，从而分别获取该换热器的管程结垢热阻、壳程结垢热阻及噪声信号的小波系数；

3)由消噪处理模块43根据管程结垢热阻、壳程结垢热阻及噪声信号的小波系数的频率特性的不同来将噪声信号区分出来，重构信号，从而获取经过消噪后的管程结垢热阻和壳程结垢热阻；

4)保存重构后的最后1个数据点，也即最新的1个数据点，以备其他在线应用；

5)当接收到新的数据时，通过样本数量判断模块44判断当前样本数量(当前数据窗口的长度)是否达到了该数据窗口的限定长度(最大值n)。若此时数据窗口长度未达到设定最大值n，则移动数据窗口以包含最新的数据；若此时数据窗口长度已经达到设定最大值n，则通过上述数据更新模块45滑动数据窗口，即移除数据窗口内首个也即最旧的1个数据点，并加入新接收数据点放于末尾，以保持数据窗口长度不变。

实际应用中，该消噪处理单元4结合小波理论对数据进行处理过程可以是通过MATLAB来实现。MATLAB具有强大的数值计算功能，其小波分析工具箱包含各种成熟的小波分析函数，因此选择MATLAB小波工具箱函数对计算所得的R_oc和R_oh作消噪处理。但MATLAB软件庞大，其解释性的执行语言运行速度有限，考虑工业现场的实时性和通用型要求，开发通用的小波分析计算模块，具体程序如图3所示：1)从信息管理系统PHD读取过程采样数据及换热器编号NUM；2)判断当前换热器编号NUM是否处于投运状态，如果是，则继续进行下一步骤，否则返回上一步骤，重新读取过程采样数据及换热器编号NUM；3)判断累计采样数据的序列长度是否小于小波分析窗口长度，如果是，则进行下一步骤，否则滑动小波分析窗口，以包含最新的采集数据；4)调用小波分析DLL文件对采集数据进行小波分析；5)调用漏流诊断子程序，对换热器是否漏流进行判断；6)返回数据各变量以及诊断结果给PHD。该小波分析计算模块也可以在工业应用现场没有安装MATLAB软件的计算机上实现小波滤波在线算法。

对计算得到的管程结垢热阻R_oh和壳程结垢热阻R_oc进行在线小波滤波消噪处理之后，可得到结垢热阻R_o随时间变化的实时趋势曲线，如图4所示。其中，当管程处发生漏流，管程结垢热阻R_oh将发生显著变化，当壳程处发生漏流时，则壳程结垢热阻R_oc发生显著变化，可将管程结垢热阻和壳程结垢热阻统称为结垢热阻R_o。当换热器壳程冷流侧发生漏流时，结垢热阻R_o曲线有明显的异常变化，改变原渐增趋势，急剧下降。由此可知，通过计算并分析R_oc和R_oh的变化，根据漏流发生位置对应其具体结垢热阻，当其中有一个出现异常变化时，即可用于诊断换热器漏流的情况。自漏流开始至漏流稳定下来(漏流量达到最大)的过程中，结垢热阻R_o的方差(范围)也较发生漏流前有明显增大。故在本发明实施例中，提出了通过比较均值与方差的方法进行漏流判断，若结垢热阻R_o的均值或方差出现了显著变化且超过门限值，则诊断换热器发生漏流。

对换热这类连续生产过程，在同一时刻不能采集到一组样本，因为在很短的时间内，过程变量都有微小变化，因此每时刻只能采集到一个样本。为了实现对连续生产过程进行实时监控，可将数据按日期等时间段分组，即构造多个样本组，分别计算其均值和方差，并进行比较。

对一般非渐变的生产过程，可以取正常生产工况下的历史数据作为标准数据，计算得到标准均值和标准方差的估计，从而与最新数据的均值和方差作比较，作出判断。但是，换热器的结垢热阻正常情况下也是逐渐增长的，即是一渐变过程，不能用一个不变的标准均值和标准方差，而要实时地更新。因此采用滑动数据窗口的办法，每采集一个新的过程数据点，各组样本就均向前滑动1个数据点，从而实现更新并保持数据窗口长度不变。

在本发明实施例中，是通过上述的均值和方差计算单元5对结垢热阻的均值和方差进行计算。其中，当累积样本数小于该数据窗口的长度L时，均值和方差计算单元5根据上述公式(7)、(8)来计算结垢热阻的均值和方差；当累积样本数大于或等于该数据窗口的长度L时，均值和方差计算单元5根据上述公式(9)、(10)来计算结垢热阻的均值和方差。

实际应用中，如图10所示，该均值和方差计算单元5包括：管程均值和方差计算模块51及壳程均值和方差计算模块52。其中，该管程均值和方差计算模块51用于根据上述公式(7)～(10)计算换热器的经消噪后的管程结垢热阻的均值和方差，该壳程均值和方差计算模块52用于根据上述公式(7)～(10)计算换热器的经消噪后的壳程结垢热阻的均值和方差。

在通过上述漏流判定单元6判断换热器是否发生漏流情况时，需先根据上述均值和方差计算单元5计算得到的结垢热阻的均值和方差来计算检验数K_检。具体地，如图11所示，上述漏流判定单元6包括：管程检验数计算模块61、壳程检验数计算模块62、检验数判断模块63及漏流判定模块64。其中，该管程检验数计算模块61用于利用上述公式(11)来计算管程检验数K_检h；该壳程检验数计算模块62用于利用上述公式(12)来计算壳程检验数K_检c。

在通过上述管程检验数计算模块61及壳程检验数计算模块62分别计算得到管程检验数K_检h和壳程检验数K_检c后，由上述检验数判断模块63分别判断管程检验数K_检h、壳程检验数K_检c与门限值的大小关系。根据概率统计中的3σ法则，通常将均值变化量达到方差的3倍作为门限值。当均值变化量超出此门限值时，实际换热器漏流发生的概率将达到99.84％，也即诊断的置信水平为0.0016。需要说明的是，在本发明实施例中，该门限值根据3σ法则取值3，但具体实施时，该门限值的取值可以根据实际需要进行调整，本发明并不以此为限。

当门限值取3时，如果管程检验数K_检h和壳程检验数K_检c中至少有一个是大于该门限值时，即当K_检h>3，或K_检c>3，或K_检h、K_检c均大于3时，即由上述漏流判定模块64判定换热器发生漏流。由此，便完成了对换热器是否漏流的情况进行检测的过程。

在用均值和方差检验时，考虑换热器结垢热阻的变化非常缓慢，短时间内正常增长很小，因此，构造两个样本总体即可满足要求，即分成两组：包含当前时刻采样数据的较新1组样本反映换热器实时状况，记为组1；较旧1组样本作为判断的参考标准，记为组2。当两组样本的均值和方差有显著差异并且其检验数超过设定的门限值时，即可判定换热器发生漏流。

上述方法要求具有较多的采样数据，当刚开始投用时，数据不足，因此需等到积累了足够的数据之后才可实行。但是，现场一般要求投用后尽快看到结果，因此，制定刚开始数据不足时的策略：(具体如图5所示)当累计采样数不足组1的两倍时，在偶数个数据时均分成两部分构成组1和组2，奇数个数据时不计算，保持上步计算结果；当累计采样数在组1和组2之和与2倍组1之间时，从当前采样点往前取够组1要求的数据量构成组1，其余作为组2；当累计采样数大于组1和组2之和并小于组1、组2与中间间隔三者之和时，从首数据取足组2并固定，组1仍从当前采样点往前取足；否则，在此基础上，每新增一个采样数据，组1和组2均向前滑动1个数据点。

综上所述，本发明实施例的换热器漏流的检测系统利用换热器中管程处和壳程处结垢热阻求解并对比其均值和方差实现对换热器漏流情况的在线诊断，避免了现有检测过程中的大滞后问题，提高了计算结果的实时性。

以下结合一个应用实例对本发明实施例的换热器漏流的检测系统作进一步的详细说明。

如图12所示，换热器漏流检测分析系统按功能结构可分为五部分：换热器数据检测采集模块；漏流检测操作站；实时数据库；漏流检测调度模块；漏流检测热阻计算及小波分析模块(漏流检测数据处理模块)。

其中，数据检测采集模块通过分布式控制系统(DCS)的局域网与DCS数据库进行数据的交互；实时数据库是连接现场检测数据与漏流分析程序的数据平台，小波分析计算和统计诊断是本系统功能实现的核心。在操作站，用组态及监控软件开发其与实时数据库通讯的接口程序，以及工程师和操作员界面；利用VB语言开发漏流检测调度模块，包括与实时数据库的OPC通讯接口、统计判断程序；开发小波分析计算模块，可被漏流检测调度模块调用。

与现有技术相比，本发明通过机理数学模型计算换热器中管程和壳程处的结垢热阻，采用小波变换理论对数据进行在线处理，并根据结垢热阻均值和方差的变化情况判断换热器漏流，当其均值和方差超出门限值时则诊断换热器存在漏流。不受冷热物流流量、温度及其他装置操作条件的影响，便于实施，实时性强，时间滞后小且准确性高。以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，比如ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种换热器漏流的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：

采集换热器的多个样本组的过程数据；

以所述过程数据为输入条件，利用能量平衡方程计算总传热系数；

利用总传热系数方程，根据所述总传热系数计算结垢热阻；

对所述结垢热阻进行消噪处理，生成消噪后结垢热阻；

根据所述消噪后结垢热阻计算消噪后结垢热阻的均值和方差；

根据所述均值和方差判断换热器是否发生漏流；

其中，所述过程数据包括：管程流股数据及壳程流股数据；其中，

所述的管程流股数据包括：管程流股进口流量m₂、管程进口温度T_2i、管程出口温度T_2o及不考虑与漏液换热时的出口温度T_2o′；

所述的壳程流股数据包括：壳程流股进口流量m₁、壳程进口温度T_1i及壳程出口温度T_1o。

2.根据权利要求1所述的换热器漏流的检测方法，其特征在于，所述总传热系数分为：管程流股数据的管程传热系数K_h及壳程流股数据的壳程传热系数K_c，所述能量平衡方程为： $\left\{\begin{array}{c}{m}_1{\mathrm{Cp}}_1\left(T_{1o}-T_{1i}\right)=K_{c}A\mathrm{\Δ}T\\ m_2{\mathrm{Cp}}_2\left(T_{2i}-T_{2o}\right)=K_{h}A\mathrm{\Δ}T\end{array}\right.;$

其中，Cp₁为换热器壳程流股数据的定压比热容，Cp₂为换热器壳程流股数据的定压比热容；A为换热器传热面积；Cp₁、Cp₂及A均为常数；ΔT为换热器的换热温差。

3.根据权利要求2所述的换热器漏流的检测方法，其特征在于，以所述过程数据为输入条件，利用能量平衡方程计算总传热系数，包括：

根据所述过程数据计算换热器的换热温差：

利用所述能量平衡方程，根据所述过程数据及换热温差计算所述管程传热系数： $K_h=\frac{m_2{\mathrm{Cp}}_2(T_{2i}-T_{2o})}{A\mathrm{\Δ}T};$ 以及

利用所述能量平衡方程，根据所述过程数据及换热温差计算所述壳程传热系数： $K_c=\frac{m_1{\mathrm{Cp}}_1(T_{1o}-T_{1i})}{A\mathrm{\Δ}T}.$

4.根据权利要求3所述的换热器漏流的检测方法，其特征在于，所述的结垢热阻包括管程结垢热阻及壳程结垢热阻，所述利用总传热系数方程，根据所述总传热系数计算结垢热阻，包括：

利用管程传热系数方程，根据所述管程传热系数计算所述管程结垢热阻；以及利用壳程传热系数方程，根据所述壳程传热系数计算所述壳程结垢热阻；

所述管程传热系数方程为：

$K_h=\frac{1}{(\frac{1}{k_2{(m_2-\mathrm{\Δ}m)}^{0.8}}+R_{oh})\frac{d_o}{d_i}+\frac{d_{o}b}{{\mathrm{\λd}}_a}+\frac{1}{k_1{m_1}^{0.6}}+\frac{R_{oh}}{\mathrm{\β}}},$

所述壳程传热系数方程为：

$K_c=\frac{1}{\left(\frac{1}{k_2{m}_2^{0.8}}+{\mathrm{\βR}}_{oc}\right)\frac{d_o}{d_i}+\frac{d_{o}b}{{\mathrm{\λd}}_a}+\frac{1}{k_1{\left(m_1-\mathrm{\Δ}m\right)}^{0.6}}+R_{oc}},$

其中，k₁是管外壁传热系数，k₂是管内壁传热系数，d_o,d_i分别为换热管的外、内径；β为换热管内外壁结垢热阻速率之比；b为换热管壁厚；d_a为换热管平均直径；λ为换热管的热导率，λ₁，λ₂分别为冷热流股的热导率；u₁，u₂分别为冷热流股的黏度系数；S_c为两折流板之间靠近壳中心线处的管间流通面积；S_b为折流板缺口的管间流通面积；S_i为管程流通截面积；R_oh为所述管程结垢热阻；R_oc为所述壳程结垢热阻。

5.根据权利要求4所述的换热器漏流的检测方法，其特征在于，对所述结垢热阻进行消噪处理，生成消噪后结垢热阻，包括：通过在一个移动的数据窗口内应用小波滤波与分解重构，生成消噪后结垢热阻。

6.根据权利要求5所述的换热器漏流的检测方法，其特征在于，通过在一个移动的数据窗口内应用小波滤波与分解重构，生成消噪后结垢热阻，包括：

确定所述移动的数据窗口的数据长度；

采用小波变换理论对所述管程结垢热阻和壳程结垢热阻进行小波分解，分别获取所述管程结垢热阻、壳程结垢热阻及噪声信号的小波系数；

根据频率特性的不同区分所述管程结垢热阻、壳程结垢热阻及噪声信号的小波系数，生成消噪后管程结垢热阻及消噪后壳程结垢热阻；

判断所述多个样本组的数量是否大于所述数据窗口的数据长度；

如果是，则将当前样本组的消噪后管程结垢热阻及消噪后壳程结垢热阻放入所述数据窗口末尾，并删除第一组样本组的消噪后管程结垢热阻及消噪后壳程结垢热阻。

7.根据权利要求6所述的换热器漏流的检测方法，其特征在于，根据所述消噪后结垢热阻计算所述多个样本组的消噪后结垢热阻的均值和方差，包括：

根据所述数据窗口的数据长度及所述消噪后管程结垢热阻，通过滑动所述数据窗口计算所述多个样本组的消噪后管程结垢热阻的均值和方差，以及根据所述数据窗口的数据长度及所述消噪后壳程结垢热阻，通过滑动所述数据窗口计算所述多个样本组的消噪后壳程结垢热阻的均值和方差。

8.根据权利要求7所述的换热器漏流的检测方法，其特征在于，当所述多个样本组的数量小于所述数据窗口的数据长度时，根据以下公式计算所述消噪后管程结垢热阻或消噪后壳程结垢热阻的均值和方差：

均值： ${\stackrel{\‾}{X}}_n=\frac{n-1}{n}{\stackrel{\‾}{X}}_{n-1}+\frac{1}{n}{X}_n,$ 方差： ${\mathrm{\σ}}_n=\sqrt{\frac{n-1}{n}\[{\mathrm{\σ}}_{n-1}^2+\frac{1}{n}{(X_n-{\stackrel{\‾}{X}}_{n-1})}^2\]},$

其中，n＝1,2,…L，L为所述数据窗口的长度；

当所述多个样本组的数量大于或等于所述数据窗口的数据长度时，根据以下公式计算所述消噪后管程结垢热阻或消噪后壳程结垢热阻的均值和方差：

均值： ${\stackrel{\‾}{X}}_n={\stackrel{\‾}{X}}_{n-1}+\frac{1}{L}(X_n-X_{n-L}),$

方差： ${\mathrm{\σ}}_n=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{n-1}^2+\frac{L+1}{L^2}{(X_n-X_{n-L})}^2-\frac{2}{L}(X_n-X_{n-L}){\stackrel{\‾}{X}}_{n-1}},$

其中n＝L+1,…，L为所述数据窗口的长度。

9.根据权利要求8所述的换热器漏流的检测方法，其特征在于，根据所述均值和方差判断换热器是否发生漏流，包括：

根据当前样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值与前一样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值和方差计算管程检验数；

根据当前样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值与前一样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值和方差计算壳程检验数；

判断所述管程检验数或壳程检验数是否大于一门限值；

当所述管程检验数或壳程检验数大于所述门限值时，判定换热器发生漏流。

10.根据权利要求9所述的换热器漏流的检测方法，其特征在于，根据以下公式计算所述管程检验数：

其中，为当前样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值，为前一样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值，σ_2h为前一样本组的所述消噪后管程结垢热阻的方差。

11.根据权利要求10所述的换热器漏流的检测方法，其特征在于，根据以下公式计算所述壳程检验数：

其中，为当前样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值，为前一样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值，σ_2c为前一样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的方差。

12.一种换热器漏流的检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：

过程数据采集单元，用于采集换热器的多个样本组的过程数据；

总传热系数计算单元，用于以所述过程数据为输入条件，利用能量平衡方程计算总传热系数；

结垢热阻计算单元，用于利用总传热系数方程，根据所述总传热系数计算结垢热阻；

消噪处理单元，用于对所述结垢热阻进行消噪处理，生成消噪后结垢热阻；

均值和方差计算单元，用于根据所述消噪后结垢热阻计算消噪后结垢热阻的均值和方差；

漏流判定单元，用于根据所述均值和方差判断换热器是否发生漏流；

其中，所述过程数据包括：管程流股数据及壳程流股数据；其中，

所述的管程流股数据包括：管程流股进口流量m₂、管程进口温度T_2i、管程出口温度T_2o及不考虑与漏液换热时的出口温度T′_2o；

所述的壳程流股数据包括：壳程流股进口流量m₁、壳程进口温度T_1i及壳程出口温度T_1o。

13.根据权利要求12所述的换热器漏流的检测系统，其特征在于，所述总传热系数分为：管程流股数据的管程传热系数K_h及壳程流股数据的壳程传热系数K_c，所述能量平衡方程为： $\left\{\begin{array}{c}{m}_1{\mathrm{Cp}}_1\left(T_{1o}-T_{1i}\right)=K_{c}A\mathrm{\Δ}T\\ m_2{\mathrm{Cp}}_2\left(T_{2i}-T_{2o}\right)=K_{h}A\mathrm{\Δ}T\end{array}\right.;$

其中，Cp₁为换热器壳程流股数据的定压比热容，Cp₂为换热器壳程流股数据的定压比热容；A为换热器传热面积；Cp₁、Cp₂及A均为常数；ΔT为换热器的换热温差。

14.根据权利要求13所述的换热器漏流的检测系统，其特征在于，所述总传热系数计算单元包括：

换热温差计算模块，用于根据所述过程数据计算换热器的换热温差： $\mathrm{\Δ}T=ln\left(\frac{(T_{2i}-T_{1o})-(T_{2o}^{\′}-T_{1i})}{\frac{(T_{2i}-T_{1o})}{(T_{2o}^{\′}-T_{1i})}}\right);$

管程传热系数计算模块，用于利用所述能量平衡方程，根据所述过程数据及换热温差计算所述管程传热系数：以及

壳程传热系数计算模块，用于利用所述能量平衡方程，根据所述过程数据及换热温差计算所述壳程传热系数：

15.根据权利要求14所述的换热器漏流的检测系统，其特征在于，所述的结垢热阻包括管程结垢热阻及壳程结垢热阻，所述结垢热阻计算单元包括：

管程结垢热阻计算模块，用于利用管程传热系数方程，根据所述管程传热系数计算所述管程结垢热阻；以及

壳程结垢热阻计算模块，用于利用壳程传热系数方程，根据所述壳程传热系数计算所述壳程结垢热阻；

所述管程传热系数方程为：

$K_h=\frac{1}{(\frac{1}{k_2{(m_2-\mathrm{\Δ}m)}^{0.8}}+R_{oh})\frac{d_o}{d_i}+\frac{d_{o}b}{{\mathrm{\λd}}_a}+\frac{1}{k_1{m_1}^{0.6}}+\frac{R_{oh}}{\mathrm{\β}}},$

所述壳程传热系数方程为：

$K_c=\frac{1}{\left(\frac{1}{k_2{m}_2^{0.8}}+{\mathrm{\βR}}_{oc}\right)\frac{d_o}{d_i}+\frac{d_{o}b}{{\mathrm{\λd}}_a}+\frac{1}{k_1{\left(m_1-\mathrm{\Δ}m\right)}^{0.6}}+R_{oc}},$

其中，k₁是管外壁传热系数，k₂是管内壁传热系数，d_o,d_i分别为换热管的外、内径；β为换热管内外壁结垢热阻速率之比；b为换热管壁厚；d_a为换热管平均直径；λ为换热管的热导率，λ₁，λ₂分别为冷热流股的热导率；u₁，u₂分别为冷热流股的黏度系数；S_c为两折流板之间靠近壳中心线处的管间流通面积；S_b为折流板缺口的管间流通面积；S_i为管程流通截面积；R_oh为所述管程结垢热阻；R_oc为所述壳程结垢热阻。

16.根据权利要求15所述的换热器漏流的检测系统，其特征在于，所述消噪处理单元具体用于：通过在一个移动的数据窗口内应用小波滤波与分解重构，生成消噪后结垢热阻。

17.根据权利要求16所述的换热器漏流的检测系统，其特征在于，所述消噪处理单元包括：

数据长度确定模块，用于确定所述移动的数据窗口的数据长度；

小波系数获取模块，用于采用小波变换理论对所述管程结垢热阻和壳程结垢热阻进行小波分解，分别获取所述管程结垢热阻、壳程结垢热阻及噪声信号的小波系数；

消噪处理模块，用于根据频率特性的不同区分所述管程结垢热阻、壳程结垢热阻及噪声信号的小波系数，生成消噪后管程结垢热阻及消噪后壳程结垢热阻；

样本数量判断模块，用于判断所述多个样本组的数量是否大于所述数据窗口的数据长度；

数据更新模块，用于将当前样本组的消噪后管程结垢热阻及消噪后壳程结垢热阻放入所述数据窗口末尾，并删除第一组样本组的消噪后管程结垢热阻及消噪后壳程结垢热阻。

18.根据权利要求17所述的换热器漏流的检测系统，其特征在于，所述均值和方差计算单元包括：

管程均值和方差计算模块，用于根据所述数据窗口的数据长度及所述消噪后管程结垢热阻，通过滑动所述数据窗口计算所述多个样本组的消噪后管程结垢热阻的均值和方差，以及

壳程均值和方差计算模块，用于根据所述数据窗口的数据长度及所述消噪后壳程结垢热阻，通过滑动所述数据窗口计算所述多个样本组的消噪后壳程结垢热阻的均值和方差。

19.根据权利要求18所述的换热器漏流的检测系统，其特征在于，当所述多个样本组的数量小于所述数据窗口的数据长度时，所述均值和方差计算单元根据以下公式计算所述消噪后管程结垢热阻或消噪后壳程结垢热阻的均值和方差：

均值： ${\stackrel{\‾}{X}}_n=\frac{n-1}{n}{\stackrel{\‾}{X}}_{n-1}+\frac{1}{n}{X}_n,$ 方差： ${\mathrm{\σ}}_n=\sqrt{\frac{n-1}{n}\[{\mathrm{\σ}}_{n-1}^2+\frac{1}{n}{(X_n-{\stackrel{\‾}{X}}_{n-1})}^2\]},$

其中，n＝1,2,…L，L为所述数据窗口的长度；

当所述多个样本组的数量大于或等于所述数据窗口的数据长度时，所述均值和方差计算单元根据以下公式计算所述消噪后管程结垢热阻或消噪后壳程结垢热阻的均值和方差：

均值： ${\stackrel{\‾}{X}}_n={\stackrel{\‾}{X}}_{n-1}+\frac{1}{L}(X_n-X_{n-L}),$

方差： ${\mathrm{\σ}}_n=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{n-1}^2+\frac{L+1}{L^2}{(X_n-X_{n-L})}^2-\frac{2}{L}(X_n-X_{n-L}){\stackrel{\‾}{X}}_{n-1}},$

其中n＝L+1,…，L为所述数据窗口的长度。

20.根据权利要求19所述的换热器漏流的检测系统，其特征在于，所述漏流判定单元包括：

管程检验数计算模块，用于根据当前样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值与前一样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值和方差计算管程检验数；

壳程检验数计算模块，用于根据当前样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值与前一样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值和方差计算壳程检验数；

检验数判断模块，用于判断所述管程检验数或壳程检验数是否大于一门限值；

漏流判定模块，用于判定换热器发生漏流。

21.根据权利要求20所述的换热器漏流的检测系统，其特征在于，所述管程检验数计算模块根据以下公式计算所述管程检验数：

其中，为当前样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值，为前一样本组的所述消噪后管程结垢热阻的均值，σ_2h为前一样本组的所述消噪后管程结垢热阻的方差。

22.根据权利要求21所述的换热器漏流的检测系统，其特征在于，所述壳程检验数计算模块根据以下公式计算所述壳程检验数：

其中，为当前样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值，为前一样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的均值，σ_2c为前一样本组的所述消噪后壳程结垢热阻的方差。