CN112051082A - 一种供热系统换热器运行中故障诊断方法 - Google Patents

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刘路衡
宿皓
田喆
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Abstract

本发明公开了一种供热系统换热器运行中故障诊断方法，包括以下步骤：利用换热器在运行过程中的一次侧流量和供回水温差以及二次侧流量和供回水温差，开发梯度提升回归树(GBRT)模型，计算换热器的固定传热系数；利用换热器传热原理开反映换热器性能的白箱模型，计算换热器总传热系数；利用换热器固定传热系数和总传热系数计算换热器的广义污垢热阻，通过广义污垢热阻判断换热器是否存在故障需要清洗或维修。本发明可针对性地反映换热器的性能，在不影响正常工作的同时诊断换热器运行状态，保证供热系统运行稳定性。

Description

一种供热系统换热器运行中故障诊断方法
技术领域
本发明属于故障诊断领域，具体涉及一种供热系统换热器运行中故障诊断方法。
背景技术
换热器是供热系统中的主要设备，为了将城市供热管网中的热能分配到各个供热末端，通常需要利用换热器将一次管网中的热量传递到二次管网中。但是由于换热器在长时间使用后会产生板间泄露、导热管内累积结垢等故障，进而导致其换热效率变低，影响正常换热甚至会导致不正常的系统报警停车。由于换热器的内部是封闭结构，内部产生故障不能通过直接在线检测的方式进行诊断，只能通过系统运行参数间接判断其运行状态。
目前有很多针对供热系统中换热器故障判断的方法，然而大多数的方法都是在已经存在结垢或其他故障的情况下进行数据的收集，建立反映换热器故障的模型，利用运行数据判断换热器是否出现了响应的故障。而这种方法通常不能覆盖全部的故障情况，另外用其他换热器故障开发得到的模型不一定能反映所有换热器的情况。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种供热系统换热器运行中故障诊断的方法，以解决不同类型换热器运行中的故障诊断问题，保证供热系统的稳定性。
为实现上述目的，本发明提出了一种供热系统换热器运行中故障诊断方法，包括以下步骤：
步骤1：首先建立换热器正常状态下反映固定传热系数的梯度提升回归树(GBRT)模型，模型的输入变量为换热器的一次侧流量G1′和二次侧流量G2′，模型的输出变量为换热器固定传热系数k′。
该传热系数如下式所示：
Figure BDA0002675810090000011
式中，h1和h2分别为一次侧和二次侧对流传热系数(W/(m2·K)),
Figure BDA0002675810090000012
为导热传热系数(W/(m2·K))。
步骤2：利用换热器正常状态下的传热系数k′与一次侧流量G1′和二次侧流量G2′对GBRT模型进行训练和测试，使训练得到的黑箱模型能够反映正常状态下换热器流量与固定传热系数的关系。
步骤3：基于换热器的换热原理开发计算换热器换热系数的白箱模型，模型的输入变量为待检状态换热器的一次侧温差Δt1、一次侧流量G1和二次侧温差Δt2，模型的输出变量为换热器的总传热系数k，该传热系数如下式所示：
Figure BDA0002675810090000021
式中，R为污垢热阻((m2K)/W)。
用于计算待检换热器传热系数的白箱模型为：
Figure BDA0002675810090000022
Q＝CG1Δt1 (7)
Figure BDA0002675810090000023
式中，Q为换热器一次侧换热量，由一次侧进出口温差Δt1和流量G1计算(W)；A为换热器的传热面积(m2)；C为水的比热容(J/(kg·℃))；Δtm为换热器的对数平均温差，由换热器一次侧进出口温差Δt1和二次侧进出口温差Δt2计算。
步骤4：将待测状态下换热器的一次侧流量G1和二次侧流量G2输入步骤2得到的黑箱模型中，计算待检状态下换热器的固定换热系数kd。
步骤5：将步骤3得到的换热器总传热热阻
Figure BDA0002675810090000024
减去步骤4得到的固定传热热阻
Figure BDA0002675810090000025
以计算换热器的广义污垢传热热阻R，具体公式如下：
Figure BDA0002675810090000026
广义污垢传热热阻R的定义及计算方式。广义污垢传热热阻指的是由于换热器结垢、堵塞或板间泄露、密封槽损坏等原因导致的换热器热阻增加，区别于传统的污垢热阻，同时用换热器总传热系数减去固定传热系数计算广义污垢传热热阻。
步骤6：根据计算出的广义污垢传热热阻R诊断待检换热器是否发生故障，诊断的依据为：当广义污垢热阻大于0.0002(m2·K)/W时，认为换热器故障，需要清洗或维修；否则换热器运行正常。
有益效果
(1)本发明基于GBRT模型对换热器的固定传热系数进行计算，利用换热器运行中的参数对模型进行训练，得到的结果可有针对性地反映特定换热器的性能。
(2)本发明通过广义污垢传热热阻对换热器运行状态进行诊断，其计算过程不受换热器类型的影响，仅取决于换热器的运行参数，满足不同型号换热器故障诊断的需要。
(3)本发明利用换热器的运行数据对换热器运行状态进行判断，不会影响换热器的正常运行，同时又可以及时发现换热器的异常情况，保证供热系统运行稳定性。
附图说明
图1为本发明一种换热器运行中故障诊断方法的技术流程图；
图2为本发明一个实施例中GBRT模型计算结果与实测值对比图；
图3为本发明一个实施例中广义污垢热阻(R)的计算结果图；
图4为本发明一个实施例中广义污垢热阻(R)的计算结果分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种换热器运行中故障诊断的方法，其流程图如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：建立反映换热器正常运行状态下固定传热系数k′的GBRT模型；
步骤2：利用换热器正常状态下的传热系数k′与一次侧流量G1′和二次侧流量G2′对GBRT模型进行训练和测试；
具体地，本实例中GBRT模型的计算结果与实测值的结果对比如图2所示。经计算，GBRT模型的CV-RMSE为0.004，表明GBRT模型能够准确计算换热器，一次侧流量二次侧流量对应的换热器固定传热系数kd。
步骤3：利用基于换热器换热原理开发的白箱模型计算待检换热器的总换热系数：
Figure BDA0002675810090000031
其中，Q为换热器一次侧换热量，由一次侧进出口温差Δt1和流量G1计算(W)；A为换热器的传热面积(m2)；Δtm为换热器的对数平均温差，由换热器一次侧进出口温差Δt1和二次侧进出口温差Δt2计算。
本实例中，利用白箱模型共计算了500组数据。
步骤4：将换热器总传热热阻
Figure BDA0002675810090000032
减去固定传热热阻
Figure BDA0002675810090000033
以计算换热器的广义污垢传热热阻R；本实例中，计算得到的污垢热阻情况如图3所示；进而对污垢热阻的计算结果进行统计，结果如图4所示。
具体地，通过图4可以看出，本示例中换热器的广义污垢热阻基本呈现均值为0.002(m2·K)/W的正态分布，经过计算，95％置信区间为[0.000192，0.000208]，这说明该诊断计算方法计算低区换热器污垢热阻的误差不超过0.000008(m2·K)/W。这样的精度相比0.0002(m2·K)/W的阈值是可以接受的，说明该诊断方法能够用于供热系统运行中的换热器诊断。
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，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (5)

1.一种供热系统换热器运行中故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：首先建立换热器正常状态下反映固定传热系数的梯度提升回归树GBRT模型，模型的输入变量为换热器的一次侧流量G1′和二次侧流量G2′，模型的输出变量为换热器固定传热系数k′；
步骤2)：利用换热器正常状态下的传热系数k′与一次侧流量G1′和二次侧流量G2′对GBRT模型进行训练，使训练得到的黑箱模型能够反映正常状态下换热器流量与固定传热系数的关系；
步骤3)：基于换热器的换热原理开发计算换热器换热系数的白箱模型，模型的输入变量为待检状态换热器的一次侧温差Δt1和二次侧温差Δt2，模型的输出变量为换热器的总传热系数k，得到换热器总传热热阻
Figure FDA0002675810080000011
步骤4)：将待测状态下换热器的一次侧流量G1和二次侧流量G2输入步骤2)得到的黑箱模型中，计算待检状态下换热器的固定换热系数kd，得到固定传热热阻
Figure FDA0002675810080000012
步骤5)：将步骤3)得到的换热器总传热热阻
Figure FDA0002675810080000013
减去步骤4)得到的固定传热热阻
Figure FDA0002675810080000014
以计算换热器的广义污垢传热热阻R；
步骤6)：根据计算出的广义污垢传热热阻诊断待检换热器是否发生故障。
2.根据权利要求1所述的一种供热系统换热器运行中故障诊断方法，其特征在于，所述步骤1)中以一次侧流量G1′和二次侧流量G2′为变量建立特定的换热器固定换热系数k的梯度提升回归树(GBRT)模型。
3.根据权利要求1所述的一种供热系统换热器运行中故障诊断方法，其特征在于，所述步骤3)中用于计算待检换热器传热系数的白箱模型为：
Figure FDA0002675810080000015
Q＝CG1Δt1 (2)
Figure FDA0002675810080000016
式中，Q为换热器一次侧换热量，由一次侧进出口温差Δt1和流量G1计算(W)；A为换热器的传热面积(m2)；C为水的比热容(J/(kg·℃))；Δtm为换热器的对数平均温差，由换热器一次侧进出口温差Δt1和二次侧进出口温差Δt2计算。
4.根据权利要求1所述的一种供热系统换热器运行中故障诊断方法，其特征在于，所述步骤5)中计算换热器的广义污垢传热热阻R，具体公式如下：
Figure FDA0002675810080000021
5.根据权利要求1所述的一种供热系统换热器运行中故障诊断方法，其特征在于，所述步骤6)中采用广义污垢换热热阻判断待检换热器是否故障，判断的依据为：当广义污垢热阻大于0.0002(m2·K)/W时，认为换热器故障，需要清洗或维修；否则换热器运行正常。
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