CN106662417A - 热交换器的监视装置及热交换器的监视方法 - Google Patents

热交换器的监视装置及热交换器的监视方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种热交换器的监视装置及热交换器的监视方法。本发明的异常监视装置(10)监视热交换器(20)，所述热交换器(20)设置于负载变化的IGCC成套设备，并在含碳燃料与流过传热管(24)的热交换介质之间进行热交换。而且，异常监视装置(10)按IGCC成套设备的每一负载计算热交换器(20)的状态量的平均值及标准偏差，并根据该平均值及该标准偏差计算马哈拉诺比斯距离，通过已计算的马哈拉诺比斯距离判定传热管(24)的传热面(28)有无异常。由此，异常监视装置(10)能够更加可靠地检测热交换器(20)的异常。

Description

热交换器的监视装置及热交换器的监视方法
技术领域
本发明涉及一种热交换器的监视装置及热交换器的监视方法。
背景技术
燃气涡轮发电成套设备、核发电成套设备、化学成套设备及煤气化复合发电(IGCC)成套设备之类的各种成套设备中，为了监视成套设备是否正常运行而获取温度及压力之类的成套设备状态量。
例如，在IGCC成套设备设有对生成的含碳燃料进行处理的热交换器。并且，该热交换器，在含碳燃料(例如燃料气体)和流过传热管的热交换介质(例如水)之间进行热交换，但是由于含碳燃料附着于传热面，从而有可能发生传热面被封闭之类的异常。因此，处理含碳燃料的热交换器的状态也被包括于监视成套设备是否正常运行的监视对象中。
其中，专利文献1中公开了使用基于成套设备的状态量的马哈拉诺比斯距离监视成套设备的运行状态的成套设备状态监视方法。
即，专利文献1中公开的成套设备状态监视方法执行第一单位空间制作工序和第二单位空间制作工序，所述第一单位空间制作工序为，根据成套设备的启动运行期间中的状态量制作在判定成套设备的启动运行期间的运行状态是否正常时成为基准的数据集合体即第一单位空间的工序；所述第二单位空间制作工序为，根据成套设备的负载运行期间中的状态量制作在判定成套设备的负载运行期间的运行状态是否正常时成为基准的数据集合体即第二单位空间的工序。
在上述第一单位空间制作工序中，根据在从评价成套设备的启动运行中的成套设备的状态的时刻起追溯到过去第一期间的时刻开始，至从同一时刻起进一步追溯到过去第二期间的时刻为止的期间中的成套设备的状态量，制作第一单位空间。并且，在上述第二单位空间制作工序中，根据在从评价成套设备的负载运行中的成套设备的状态的时刻起追溯到过去第三期间的时刻开始，至从同一时刻起进一步追溯到过去第四期间的时刻为止的期间中的成套设备的状态量，制作第二单位空间。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5031088号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
专利文献1的图4作为表示马哈拉诺比斯距离的概念的示意图，示出将横轴设为吸入空气温度，将纵轴设为燃气涡轮的输出的单位空间。图4所示的特性具有强正相关，且为线性。
然而，在燃气涡轮中，即便统一处理单位空间，其特性也并非为线性时，若使用专利文献1中记载的方法，则成套设备状态为异常时有可能发生漏检。尤其是，以部分负载运行的成套设备中，有时在不同的负载区间，成套设备的状态变化并非成为线性。
并且，即便对处理含碳燃料的热交换器的异常进行监视时，在成套设备的状态变化并非为线性的情况下，若使用专利文献1中记载的方法，则有可能发生漏检。
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种能够更加可靠地检测热交换器的异常的热交换器的监视装置及热交换器的监视方法。
用于解决技术课题的手段
为了解决上述课题，本发明的热交换器的监视装置及热交换器的监视方法采用以下方法。
本发明的第一方式所涉及的热交换器的监视装置中，所述热交换器设置于负载变化的成套设备，并在含碳燃料与流过传热管的热交换介质之间进行热交换，所述热交换器的监视装置具备：运算机构，按所述成套设备的每一负载计算所述热交换器的状态量的平均值及标准偏差，并根据该平均值及该标准偏差计算马哈拉诺比斯距离；及异常判定机构，根据通过所述运算机构计算的马哈拉诺比斯距离，判定所述传热管的传热面有无异常。
本发明所涉及的监视装置监视设置于负载变化的成套设备的热交换器。该热交换器在含碳燃料与流过传热管的热交换介质之间进行热交换。
含碳燃料流过的热交换器中，由于碳(煤)附着于传热面，从而有时会发生传热面被封闭而无法充分进行热交换等异常。因此，本发明使用马哈拉诺比斯距离来判定热交换器有无异常。
其中，用于计算马哈拉诺比斯距离的单位空间中的参数分布的特性为强正相关(线性)时，即便统一处理该单位空间，也能够无遗漏地检测热交换器的异常。然而，上述特性并非为线性时，若统一处理单位空间，则有可能发生漏检热交换器的异常。
因此，通过运算机构按成套设备的每一负载计算热交换器的状态量的平均值及标准偏差，并根据平均值及标准偏差计算马哈拉诺比斯距离。并且，由异常判定机构根据已计算的马哈拉诺比斯距离判定传热管的传热面有无异常。即，单位空间被设为成套设备的每一负载。
由此，本发明可抑制热交换器的异常的漏检，因此能够更加可靠地检测热交换器的异常。
在上述第一方式中，所述状态量可以是所述含碳燃料的流动方向上的多个温度、差压及流量、以及所述热交换介质的流动方向上的多个温度、差压及流量中的至少任一个。
根据本结构，能够更适当地判定热交换器的异常。
在上述第一方式中，可以在所述热交换器上具备去除附着于所述传热管的煤的除煤装置，通过所述异常判定机构判定为发生异常时，变更所述除煤装置的运用条件。
根据本结构，变更除煤装置的运用条件，以能够进一步去除附着于所述传热管的煤，从而能够消除热交换器的异常。
本发明的第二方式所涉及的热交换器的监视方法中，所述热交换器设置于负载变化的成套设备，并在含碳燃料与流过传热管的热交换介质之间进行热交换，所述热交换器的监视方法包括：第1工序，按所述成套设备的每一负载计算所述热交换器的状态量的平均值及标准偏差，并根据该平均值及该标准偏差计算马哈拉诺比斯距离；及第2工序，根据已计算的马哈拉诺比斯距离判定所述传热管的传热面有无异常。
发明效果
根据本发明，具有能够更可靠地检测热交换器的异常等优异的效果。
附图说明
图1为表示本发明的实施方式所涉及的异常监视装置的结构的示意图。
图2为表示本发明的实施方式所涉及的具备热交换器的IGCC成套设备整体的概略结构的图。
图3为表示本发明的实施方式所涉及的处理部功能的功能框图。
图4为表示IGCC成套设备的部分负载的示意图。
图5为表示将横轴设为负载，将纵轴设为状态量的情况下的单位空间范围的模式图。
图6为表示本发明的实施方式所涉及的IGCC成套设备的每一负载下的规定状态量的平均值m的图表。
图7为表示本发明的实施方式所涉及的IGCC成套设备的每一负载下的规定状态量的标准偏差σ的图表。
图8为表示本发明的实施方式所涉及的热交换器监视处理的流程的流程图。
具体实施方式
以下，关于本发明所涉及的热交换器的监视装置及热交换器的监视方法的一实施方式，参考附图进行说明。
图1为表示本实施方式所涉及的异常监视装置10的结构的模式图。异常监视装置10监视热交换器20运行中的状态，并判定热交换器20是否正常运行。
本实施方式所涉及的热交换器20在含碳燃料与热交换介质(例如水)之间进行热交换，且具备燃料流路22、传热管24及除煤装置26。
含碳燃料经由燃料流路22供给到热交换器20。作为含碳燃料的例，例如可举出燃料气体或粉体燃料等。在热交换器20的内部，通有传热管24，并由该传热管24构成传热面28。并且，在传热面28中，在从燃料流路22向热交换器20流动的含碳燃料与流过传热管24的热交换介质之间进行热交换。
除煤装置26去除附着于传热面28的煤。该煤为包含于含碳燃料中的碳等。作为除煤装置26使用向传热面6喷射压缩气体(氮气和蒸汽等)的喷射式除煤装置(例如，吹灰器)等，但是并不限于此，也可以使用对传热面28赋予振动的振动式除煤装置和使硬球下落于传热面28的硬球下落式除煤装置等。
通过异常监视装置10被监视的热交换器20的状态量为，例如，热交换器20的初级侧流动方向G上的多个位置的温度(例如，热交换器20的入口温度、中间温度、出口温度等)、初级侧流动方向G上的出入口的差压、初级侧的流量、次级侧流动方向W上的多个位置的温度(例如，传热管24的入口温度、中间温度、出口温度等)、次级侧流动方向W上的出入口的差压、次级侧的流量等。这些状态量通过状态量检测机构(温度传感器、压力传感器及流量传感器，以下统称为“传感器”。)被检测。这些状态量为用于更加适当地判定热交换器20的异常的监视对象，在以下说明中，将表示通过传感器被检测出的状态量的数据称为监视对象数据。
另外，热交换器20的初级侧是指高温侧。即，本实施方式中，热交换器20的初级侧是指含碳燃料流过的一侧。另一方面，热交换器20的次级侧是指低温侧。即，本实施方式中，热交换器20的次级侧是指热交换介质流过的一侧。
其中，本实施方式所涉及的热交换器20作为一例设置于图2所示的煤气化复合发电成套设备(以下称为“IGCC成套设备”。)。
如图2所示，本第1实施方式所涉及的IGCC成套设备30主要具备：煤气化炉32、燃气涡轮设备34、蒸汽涡轮设备36及废热回收锅炉(以下称为“HRSG”。)38。
在煤气化炉32的上游侧设有将粉煤供给至煤气化炉32的煤供给设备40。该煤供给设备40具备可将焦煤粉碎成几μm～几百μm的粉煤的粉碎机(未图示)，并且通过该粉碎机粉碎的粉煤被储存于多个料斗42。
储存于各料斗42的粉煤与按一定的流量从空气分离设备44供给的氮气一同被输送到煤气化炉32。空气分离设备44为从空气分离氮气及氧气并将它们供给到煤气化炉32的装置。
煤气化炉32具备：煤化部32a，形成为气体从下方流至上方；及气体冷却器(SGC：Syn Gas Cooler)32b，连接于煤化部32a的下游侧并形成为气体从上方流至下方。
在煤化部32a从下方设有燃烧器及减压器。燃烧器燃烧粉煤及煤焦的一部分，剩余的部分通过热分解作为挥发成分(CO、H2、低级烃)被排出。
在燃烧器及减压器中分别设有燃烧器燃烧炉(Combusta burner)及减压器燃烧炉(Recuctor burner)，对燃烧器燃烧炉及减压器燃烧炉从煤供给设备40供给粉煤。从燃气涡轮设备34的空气压缩机34c抽出的空气经由空气升压机46及氧化剂供给路48与在空气分离设备44中被分离的氧气一同作为氧化剂被供给到燃烧器燃烧炉。在减压器中，粉煤通过来自燃烧器的高温燃烧气体被气化。由此，从煤生成CO和H2等成为气体燃料的可燃性气体(以下称为“燃料气体”。)
在气体冷却器32b中设置有多个上述的热交换器20，从自减压器引导的燃料气体得到显热而产生蒸汽，并冷却在煤气化炉3内产生的燃料气体。在热交换器20中产生的蒸汽主要用作蒸汽涡轮36b的驱动用蒸汽。通过气体冷却器32b的燃料气体被引导至除尘设备50。该除尘设备50具备多孔过滤器，使燃料气体通过多孔过滤器，从而捕捉并回收包括混在于燃料气体中的未燃部分的煤焦。
如此回收的煤焦被返送到煤气化炉32的煤焦燃烧炉(Char burner)而被再利用。
通过除尘设备50的燃料气体通过气体净化设备22被净化并送到燃气涡轮设备34的燃烧器34a。
燃气涡轮设备34具备：燃烧器34a，燃烧燃料气体；燃气涡轮34b，通过燃烧气体被驱动；空气压缩机34c，向燃烧器34a送出高压空气。燃气涡轮34b和空气压缩机34c通过相同的旋转轴34d被连接。在空气压缩机34c中压缩的空气被抽出后，除了燃烧器34a以外，还引导到空气升压机46。
通过燃气涡轮34b的燃烧排气被引导至HRSG38，从煤气化炉32及HRSG38向蒸汽涡轮36b供给高压蒸汽。作为一例，在旋转轴34d，与燃气涡轮34b一同连接有蒸汽涡轮36b，夹着蒸汽涡轮设备36在燃气涡轮设备34的相反侧设有输出电的发电机52。
另外，HRSG38通过来自燃气涡轮34b的燃烧排气产生蒸汽的同时，将燃烧排气从烟囱54向大气排放。
如此本实施方式所涉及的热交换器20作为一例具备于IGCC成套设备30的煤气化炉32中的气体冷却器32b。并且，热交换器20在作为含碳燃料的燃料气体与热交换介质之间进行热交换。
含碳燃料流过的热交换器20中，有时发生如下异常，即在传热面28附着有碳，且利用除煤装置26也无法去除碳时，传热面28被封闭而无法充分地进行热交换。因此，异常监视装置10利用马哈拉诺比斯距离判定热交换器20有无异常。
如图1所示，异常监视装置10具备输入输出部(I/O)12、存储部14及处理部16。
输入输出部12从安装于热交换器20的各种传感器输入表示热交换器20的状态量的监视对象数据。各种传感器从IGCC成套设备30启动开始，以规定的时间间隔定期检测状态量，并输出到输入输出部12。输入输出部12将监视对象数据输出到存储部14。
并且，输入输出部12将基于处理部16的处理结果输出到控制面板18。控制面板18可显示用于控制IGCC成套设备30的各种信息。
在存储部14中，按时间序列以及IGCC成套设备30的每一负载来存储被输入的监视对象数据。另外，以下说明中，将按每一时间序列存储的多个监视对象数据称为监视对象数据组。
处理部16进行计算监视对象数据组的马哈拉诺比斯距离的运算处理(详细内容将后述)，并将已计算的马哈拉诺比斯距离存储于存储部14。
另外，处理部16例如由CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random AccessMemory)、ROM(Read Only Memory)及计算机可读存储介质等构成。并且，关于用于实现各种功能的一系列处理，作为一例，以程序的形式存储于存储介质等，该程序由CPU读取到RAM等，并通过执行信息的加工/运算处理而实现各种功能。另外，关于程序，可以应用如下方式，即预先安装于ROM或其他存储介质的方式、以存储于计算机可读存储介质的状态提供的方式、及经由基于有线或无线的通信机构传送的方式等。计算机可读存储介质是指磁盘、光磁盘、CD-ROM、DVD-ROM及半导体存储器等。
图3为表示处理部16的功能的功能框图。
处理部16具备马哈拉诺比斯距离运算部60、异常判定部62及运用条件变更部64。
马哈拉诺比斯距离运算部60按IGCC成套设备30的每一负载计算监视对象数据组的平均值及标准偏差，并根据该平均值及该标准偏差计算马哈拉诺比斯距离。
另外，用于计算平均值及标准偏差的监视对象数据组为过去被判断为正常的值。
其中，用于计算马哈拉诺比斯距离的单位空间中的监视对象数据组的分布特性为强正相关(线性)时，即便统一处理该单位空间，也能够无遗漏地检测热交换器20的异常。然而，上述特性并非为线性时，若统一处理单位空间，则有可能产生漏检热交换器20的异常。
例如，如图4所示，IGCC成套设备30中，有时以部分负载(作为一例为全负载(100％)的85％、70％、60％)运行，按这些部分的每一负载检测出多个表示热交换器20的状态量的监视对象数据。即，在IGCC成套设备30中，若负载区域不同，则不同负载区域中的状态量彼此为非线性。在图4的例中，各负载下的监视对象数据的数量(样本数量)被设为相同。
图5为表示将横轴设为负载，将纵轴设为状态量时被视为正常的单位空间范围的模式图的一例。
将所有的负载区域作为一个单位空间来统一处理时被视为正常的单位空间的范围在图5所示的虚线内。另一方面，将每一负载区域作为一个单位空间来处理时，被视为正常的单位空间的范围在图5所示的实线内。
如图5所示，与将所有负载区域作为一个单位空间来处理的情况相比，在将各负载区域作为一个单位空间来处理的情况下，被视为正常的单位空间的范围更狭窄。
即，在将各负载区域作为一个单位空间来处理的情况下，图5的A点的状态量被判定为异常。另一方面，在将所有的负载区域作为一个单位空间来处理的情况下，A点的状态量被判定为正常并非为异常，从而发生异常的漏检。
因此，本实施方式中，为了保持单位空间的线性，按IGCC成套设备30的每一负载分割单位空间。并且通过马哈拉诺比斯距离运算部60，作为IGCC成套设备30的每一负载的函数(平均值m＝F1(负载)、标准偏差σ＝F2(负载))计算监视对象数据组的平均值及标准偏差。
图6为表示IGCC成套设备30的每一负载下的规定状态量(监视对象数据组，例如热交换器20的初级侧的流动方向G上的多个位置的温度差)的平均值m的图表。图7为表示IGCC成套设备30的每一负载下的规定状态量的标准偏差σ的图表。
如图6、7所示，根据IGCC成套设备30的负载，流过热交换器20的燃料气体的流量发生变化，由此状态量的平均值m及标准偏差σ变得不同。
并且，作为一例，通过下述式(1)，根据已计算的平均值m及已计算的标准偏差σ来计算马哈拉诺比斯距离MD。
[数式1]
式(1)中，x为当前的状态量。如式(1)所示，当前的状态量和平均值m之间的差越大，马哈拉诺比斯距离越变大。
另外，用于计算马哈拉诺比斯距离的状态量的种类可以使用一种，也可以使用两种以上。
异常判定部62通过由马哈拉诺比斯距离运算部60计算的马哈拉诺比斯距离(以下称为“计算的马哈拉诺比斯距离”。)来判定传热管24的传热面28有无异常。具体而言，计算的马哈拉诺比斯距离为规定的判定阈值以上时，异常判定部62判定为在传热面28发生有异常。
关于判定阈值，根据过去正常时的马哈拉诺比斯距离来确定，并按IGCC成套设备30的每一负载预先存储于存储部14。例如，正常时的马哈拉诺比斯距离可以设为判定阈值其本身，也可以将正常时的马哈拉诺比斯距离相加公差的值设为判定阈值。
由异常判定部62判定为异常时，运用条件变更部64变更除煤装置26的运用条件，以使能够进一步去除附着于热交换器20的传热管24的煤。作为除煤装置26的运用条件的变更方法，例如为提高除煤装置26的使用频率的方法、除煤装置26为吹灰器时使喷射的压缩气体的压力上升的方法等。由此，异常监视装置10能够消除热交换器20的异常。
图8为表示基于本实施方式所涉及的异常监视装置10的热交换器20的监视处理(以下称为“热交换器监视处理”。)的流程的流程图。
首先，在步骤100中，以预定的时间间隔从设于热交换器20的各种传感器，获取表示热交换器20的状态量的监视对象数据。被获取的监视对象数据按时间序列且按IGCC成套设备30的每一负载存储于存储部14。
在下一步骤102中，根据存储于存储部14的监视对象数据组，处理部16计算当前监视对象数据中的马哈拉诺比斯距离。
在下一步骤104中，处理部16从存储部14读取与在步骤102中计算的马哈拉诺比斯距离的负载对应的判定阈值，并比较算出的马哈拉诺比斯距离和判定阈值而判定传热面28有无异常。即，计算的马哈拉诺比斯距离为判定阈值以上时，判定为发生异常，并过渡到步骤106。另一方面，计算的马哈拉诺比斯距离小于判定阈值时，判定为未发生异常，返回至步骤100，重复监视对象数据的获取、马哈拉诺比斯距离的计算及异常的判定。
另外，马哈拉诺比斯距离的计算无需每次获取监视对象数据时进行，也可以按预定的规定期间进行。
并且，步骤104中，计算的马哈拉诺比斯距离为判定阈值以上的情况连续规定期间以上(例如为1个小时以上)时、或计算的马哈拉诺比斯距离为判定阈值以上的情况在规定期间内为预定的次数以上时，也可以判定为发生有异常。由此，抑制异常的错误检测。
在步骤106中，向控制面板18报警热交换器20中发生异常，并且变更热交换器20的运用条件，并返回至步骤100。
如上说明，本实施方式所涉及的异常监视装置10监视热交换器20，所述热交换器20设置于负载变化的IGCC成套设备30，并在含碳燃料与流过传热管24的热交换介质之间进行热交换。并且，异常监视装置10按IGCC成套设备30的每一负载计算热交换器20的状态量的平均值及标准偏差，并根据该平均值及该标准偏差计算马哈拉诺比斯距离，通过已计算的马哈拉诺比斯距离判定传热管24的传热面28有无异常。
由此，异常监视装置10可抑制热交换器20的异常的漏检，因此能够更加可靠地检测热交换器20的异常。
以上，利用上述实施方式对本发明进行了说明，但是本发明的技术范围并不限定于上述实施方式中所记载的范围。在不脱离发明的主旨的范围内，能够对上述实施方式加以多种变更或改良，加以该变更或改良的方式也包含于本发明的技术范围。并且，也可以适当组合上述实施方式。
例如，上述实施方式中，对热交换器20具备于IGCC成套设备30的方式进行了说明，但是本发明并不限定于此，只要是在含碳燃料与热交换介质之间进行热交换的热交换器20，则具备该热交换器20的成套设备的种类不受限定，例如也可以具备于锅炉等。
并且，上述实施方式中，如同成套设备的负载变大，则流过热交换器20的含碳燃料量也会变大，成套设备的负载与流过热交换器20的含碳燃料量具有相关关系。因此，代替成套设备的每一负载的监视对象数据组的平均值及标准偏差，也可以根据流过热交换器20的每一含碳燃料量的监视对象数据组的平均值及标准偏差来计算马哈拉诺比斯距离。
并且，上述实施方式中说明的热交换器监视处理的流程也作为一例，在不脱离本发明的主旨的范围内，也可以删除不必要的步骤或者追加新的步骤或者替换处理顺序。
符号说明
10-异常监视装置，16-处理部，20-热交换器，24-传热管，28-传热面，30-IGCC成套设备，60-马哈拉诺比斯距离运算部，62-异常判定部。

Claims (4)

1.一种热交换器的监视装置，所述热交换器设置于负载变化的成套设备，并在含碳燃料与流过传热管的热交换介质之间进行热交换，
所述热交换器的监视装置具备：
运算机构，按所述成套设备的每一负载计算所述热交换器的状态量的平均值及标准偏差，并根据该平均值及该标准偏差计算马哈拉诺比斯距离；及
异常判定机构，根据通过所述运算机构计算的马哈拉诺比斯距离，判定所述传热管的传热面有无异常。
2.根据权利要求1所述的热交换器的监视装置，其中，
所述状态量为所述含碳燃料的流动方向上的多个温度、差压、流量以及所述热交换介质的流动方向上的多个温度、差压及流量中的至少任一个。
3.根据权利要求1所述的热交换器的监视装置，其中，
所述热交换器具备去除附着于所述传热管的煤的除煤装置，
在通过所述异常判定机构判定为发生异常的情况下，变更所述除煤装置的运用条件。
4.一种热交换器的监视方法，所述热交换器设置于负载变化的成套设备，并在含碳燃料与流过传热管的热交换介质之间进行热交换，
所述热交换器的监视方法包括：
第1工序，按所述成套设备的每一负载计算所述热交换器的状态量的平均值及标准偏差，并根据该平均值及该标准偏差计算马哈拉诺比斯距离；及
第2工序，通过已计算的马哈拉诺比斯距离判定所述传热管的传热面有无异常。
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