CN113158494B - 一种热交换器虚实融合故障诊断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热交换器虚实融合故障诊断方法及系统，热交换器虚实融合故障诊断方法包括获取热交换器的运行参数、结构参数与流体物性参数；基于运行参数、结构参数与流体物性参数，根据能量守恒和热平衡方程构建介质内泄漏故障与法兰外泄漏故障的泄漏量虚拟感知模型，实时监测热交换器泄漏故障程度；基于运行参数、结构参数与流体物性参数，利用总传热系数构建结垢厚度虚拟感知模型；根据所述运行参数计算热交换器的换热效率和总传热系数，根据运行参数中的热侧压力参数、换热效率以及总传热系数在不同故障形式下的差异，判断热交换器故障类型与位置。该故障诊断方法能够判断热交换器的故障状态和提高故障诊断的准确性，提高运行可靠性。

Description

一种热交换器虚实融合故障诊断方法及系统

技术领域

本发明涉换热领域，特别涉及一种热交换器虚实融合故障诊断方法。本发明还涉及一种热交换器虚实融合故障诊断系统。

背景技术

热交换器是工业生产中广泛应用的一种通用工艺设备，因其通常运行在高温高压、大温差等恶劣的环境下，导致其在长期运行过程中易出现部件失效、传热性能下降等问题。

热交换器设备的常见故障为泄漏、结垢和堵塞等。热交换器的故障会导致传热性能恶化和能量消耗增加，威胁设备安全同时增大运行维护费用。因此，准确估计热交换器在发生故障时的运维值，对提高设备的运行性能以及降低经济损失是非常重要的。

目前关于热交换器故障诊断，大部分是仅通过采集热交换器的运行基础数据或部分性能指标，并结合已发生的故障，对热交换器可能发生何种故障以及故障程度进行判断。但热交换器的运行环境较为复杂多变，产生的故障表观形式也种类繁多，仅基于采集的数据以及历史故障，并不能准确确定影响故障因素及故障状态，进而影响故障诊断的准确性以及维修经济性。因此，目前亟需一种更为综合高效的热交换器虚实融合故障诊断方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种热交换器虚实融合故障诊断方法，该方法能够提高故障诊断的准确性，改善热交换器运行安全性和可靠性。本发明的另一目的是提供一种应用热交换器虚实融合故障诊断方法的热交换器虚实融合故障诊断系统。

为实现上述目的，本发明提供一种热交换器虚实融合故障诊断方法，包括：

获取热交换器的运行参数、结构参数与流体物性参数；

基于运行参数、结构参数与流体物性参数，根据能量守恒和热平衡方程构建介质内泄漏故障与法兰外泄漏故障的泄漏量虚拟感知模型，实时监测热交换器泄漏故障程度；

基于运行参数、结构参数与流体物性参数，利用总传热系数构建结垢厚度虚拟感知模型；

根据所述运行参数计算热交换器的换热效率和总传热系数，根据运行参数中的热侧压力参数、换热效率以及总传热系数在不同故障形式下的差异，判断热交换器故障类型与位置；

基于所述泄漏量虚拟感知模型与所述结垢厚度虚拟感知模型，预测热交换器故障发展趋势，设置运维阈值并进行热交换器故障预警。

可选地，所述利用总传热系数构建结垢厚度虚拟感知模型的步骤还包括：获取热交换器清洁状态运行参数、结构参数与流体物性参数，计算热交换器清洁状态下的基准厚度，并利用所述基准厚度得到修正结垢厚度。

可选地，所述基于运行参数、结构参数与流体物性参数，根据能量守恒和热平衡方程构建介质内泄漏故障与法兰外泄漏故障的泄漏量虚拟感知模型的步骤包括：

根据热平衡方程，计算介质内泄漏故障泄漏量x，计算公式如下：

根据热平衡方程，计算法兰外泄漏故障泄漏量x，计算公式如下：

式中：

x——泄漏量，m³/h；

V_c——冷流体流量，m³/h；

V_h——热流体流量，m³/h；

T_co——冷侧出口温度，℃；

T_ci——冷侧进口温度，℃；

T_ho——热侧出口温度，℃；

T_hi——热侧进口温度，℃；

ΔT_co——泄漏前后冷侧出口温度温差，℃；

ΔT_ci——泄漏前后冷侧进口温度温差，℃；

c——冷流体定压比热，kJ/(kg·K)；

C——热流体定压比热，kJ/(kg·K)；

ρ_c——冷流体密度，kg/m³；

ρ_h——热流体密度，kg/m³。

可选地，所述基于运行参数、结构参数与流体物性参数，利用总传热系数构建结垢厚度虚拟感知模型的步骤为：

根据

计算总传热系数；

利用总传热系数计算结垢厚度δ_f，计算公式如下：

式中：

K——总传热系数，W/(m²·K)；

A——热交换器换热面积，m²；

ΔT_m——平均传热温差，℃；

Q_l——冷侧流体换热量，W；

c——冷流体定压比热，kJ/(kg·K)；

G_c——冷流体质量流量，kg/s；

ΔT_c——冷流体进出口温差，℃；

α₁——管程对流换热系数，W/(m²·K)；

α₂——壳程对流换热系数，W/(m²·K)；

λ₁——换热管的导热系数，W/(m·K)；

λ₂——污垢的导热系数，W/(m·K)；

δ_t——换热管壁厚，m；

δ_f——结垢厚度，m。

可选地，所述计算热交换器清洁状态下的基准厚度，并利用所述基准厚度得到修正结垢厚度的步骤为；

根据

计算基准厚度δ_f0；

根据δ'_f＝δ_f-δ_f0计算修正结垢厚度δ'_f；

式中：

ΔT_mclean——清洁状态平均传热温差，℃；

α_1clean——清洁状态管程对流换热系数，W/(m²·K)；

α_2clean——清洁状态壳程对流换热系数，W/(m²·K)。

可选地，所述根据运行参数中的热侧压力参数、换热效率以及总传热系数在不同故障形式下的差异，判断热交换器故障类型与位置的步骤为：

获取热交换器运行参数的热侧压力参数，通过热侧压力参数判断热交换器是否发生泄漏故障；

若热侧压力参数低于理论压力范围的最小值则为泄漏故障，计算热交换器的换热效率并根据换热效率的变化判断泄漏故障位置：

根据

计算换热效率；

若热交换器换热效率上升，则泄漏位置为介质内泄漏；

若热交换器换热效率下降，则泄漏位置为法兰外泄漏；

式中：

ε——热交换器换热效率；

Q——冷热流体在热交换器中的实际换热量，W；

Q_max——流体在热交换器中可能发生的最大换热量，W；

(t-t″)_max——冷流体或热流体实际温度差值中的大者，℃；

t′₁-t′₂——流体在热交换器中可能发生的最大温差值，℃；

若热侧压力参数位于理论压力范围内，计算热交换器的总传热系数并根据总传热系数的变化判断热交换器是否发生结垢故障；

根据

计算总传热系数；

式中：

K——总传热系数，W/(m²·K)；

A——热交换器换热面积，m²；

ΔT_m——平均传热温差，℃；

Q_l——冷侧流体换热量，W；

c——冷流体定压比热，kJ/(kg·K)；

G_c——冷流体质量流量，kg/s；

ΔT_c——冷流体进出口温差，℃；

若热交换器总传热系数下降，则热交换器发生结垢故障。

可选地，所述设置运维阈值并进行热交换器故障预警的步骤具体为：实时感知热交换器的泄漏量与结垢厚度，根据泄漏量与结垢厚度的虚拟感知数据趋势构建故障预测模型，并通过设定运维阈值实现热交换器故障预警。

可选地，还包括根据运行参数，构建反映传热性能、阻力性能和基于总熵增率的综合性能的热交换器二次监测参数，并结合泄漏量与结垢厚度的虚拟感知数据综合评估热交换器的健康状态。

本发明还提供一种热交换器虚实融合故障诊断系统，应用上述热交换器虚实融合故障诊断方法，包括：

数据获取模块，用以获取并存储热交换器的运行参数、结构参数和流体物性参数；

数据预处理模块，用以对实时运行参数进行数据降噪和异常数据剔除；

泄漏虚拟感知模块，用以根据运行参数、结构参数和流体物性参数，利用热平衡方程构建泄漏量虚拟感知模型，实时感知当前热交换器介质内泄漏故障及法兰外泄漏故障的泄漏量；

结垢虚拟感知模块，用以根据运行参数、结构参数和流体物性参数，利用总传热系数构建热交换器结垢厚度虚拟感知模型，实时感知当前热交换器结垢厚度；

故障判断与定位模块，用以根据运行参数、结构参数和流体物性参数计算并对比总传热系数以及运行参数中的热侧压力参数与理论压力范围的差异，判断故障类型以及泄漏故障位置；

故障预测预警模块，用以根据所述泄漏量虚拟感知模型和所述结垢厚度虚拟感知模型感知的数据预测泄漏量与结垢厚度发展趋势，设定运维阈值实现预警。

可选地，还包括健康状态综合评估模块，所述健康状态综合评估模块用以根据运行参数、结构参数和流体物性参数计算反映传热性能、阻力性能和基于总熵增率的综合性能的热交换器二次监测参数，并结合所述泄漏量虚拟感知模型和所述结垢厚度虚拟感知模型感知的数据综合评估热交换器健康状态。

相对于上述背景技术，本发明所提供的热交换器虚实融合故障诊断方法及系统兼顾热交换器在传热过程中运行参数能够表征故障程度的特性，通过构建泄漏量虚拟感知模型和结垢厚度虚拟感知模型对故障进行虚拟量化感知；同时结合热交换器运行中精度高、易获取的温度、压力等运行参数以及通过计算性能指标对热交换器运行过程中可能发生的故障类型进行判断，通过虚实融合，提高热交换器故障诊断的准确性，基于上述虚实感知模型设定运维阈值，避免热交换器故障运行，改善了热交换器运行的稳定性和安全性。

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，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的热交换器虚实融合故障诊断方法的流程图；

图2为本发明实施例所提供的热交换器虚实融合故障诊断系统的示意图。

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做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。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图2，图1为本发明实施例所提供的热交换器虚实融合故障诊断方法的流程图，图2为本发明实施例所提供的热交换器虚实融合故障诊断系统的示意图。

本发明所提供的热交换器虚实融合故障诊断方法包括如下步骤：

步骤S10：获取热交换器的运行参数、结构参数以及流体物性参数；

步骤S11：基于运行参数、结构参数与流体物性参数，根据能量守恒和热平衡方程构建介质内泄漏故障与法兰外泄漏故障的泄漏量虚拟感知模型，实时监测热交换器泄漏故障程度；

基于运行参数、结构参数与流体物性参数，利用总传热系数构建结垢厚度虚拟感知模型；

步骤S12：根据所述运行参数计算热交换器的换热效率和总传热系数，根据运行参数中的热侧压力参数、换热效率以及总传热系数在不同故障形式下的差异，判断热交换器故障类型与位置；

步骤S13：基于所述泄漏量虚拟感知模型与所述结垢厚度虚拟感知模型，预测热交换器故障发展趋势，设置运维阈值并进行热交换器故障预警。

其中，步骤S10获取的运行参数不仅包括热侧的进出口压力、进出口温度以及流量，还包括冷侧的进出口压力、进出口温度和流量等。通过设置在热交换器进出管口等部位布置温度、压力、压力降以及流量等传感器，以获取用于表征热交换器的实时运行状态数据也即运行参数；全部监控信号和控制输出均由PLC系统完成，通过PLC实现基于以太网的现场总线控制与远程控制的集成。

步骤S10还包括对获取的压力参数和运行参数进行预处理，对传感器采集到的壳程进出口温度、管壳程压降、管壳程进出口流量等状态表征参数的标准差与均值进行计算，对标准差范围外的数据进行剔除，最后利用滑动平均方法对数据进行降噪处理，提高运行参数的参考价值。

步骤S11：通过上述步骤获取热交换器运行参数中的热侧进出口温度、冷侧进出口温度以及冷侧进口流量，基于能量守恒定律进行热量平衡计算，可以在工况波动影响下有效地计算热交换器介质内泄漏与法兰外漏故障泄漏量，判断泄漏位置和泄漏量，从而准确把控热交换器的运行状态。热交换器经过一段时间实际运行之后在换热面上出现的覆盖物会导致热交换器传热系数减小，从而导致换热性能下降，通过进行总传热系数计算可获知垢层的厚度。针对结垢故障监测采用基于总传热系数在不同运行阶段实时计算结垢厚度，并构建结垢厚度随运行时间变化的曲线模型，以便设定结垢厚度阈值，对结垢厚度进行预警，保障安全运行。

步骤S11具体包括步骤S110和步骤S111，步骤S11通过构建泄漏量虚拟感知模型和结垢厚度虚拟感知模型对热交换器运行过程中的泄漏故障或结垢故障进行量化感知。

步骤S12：通过比对热侧压力参数(具体为进口压力)判断故障类型，这是因为发生泄漏故障时热侧压力参数会发生较为明显的下降，而发生结垢故障时热侧压力参数处于理论压力参数内并保持基本不变。且泄漏位置不同时，热交换器的热交换效率变化也不相同；而发生结垢故障时，热交换器的壁厚发生变化，其总传热系数也会相应变化。基于换热侧的压力参数、换热效率和总传热系数即可实现故障类型及泄漏位置的判断。

步骤S13通过借助泄漏量虚拟感知模型和结垢厚度虚拟感知模型对热交换器的故障发展趋势进行预测，设定泄漏量超过临界值或结垢厚度超过临界值时对应的运维参数，同时监测运维参数实现故障预警，保障热交换器的安全运行。

步骤S110，对于介质内泄漏，热交换器内漏按照热源型式和吸收热量可以分为四部分：

Q₁是泄漏出的流体没有参与正常换热造成的热量损失，假设泄漏量为x则：

Q₁＝xcρ(T_hi-T_ho)   (1-1)

Q₂是泄漏出的流体流过泄漏孔温度变为冷侧流体温度过程的放热量，假设泄漏位置在壳程(冷侧)中部，泄漏流体与冷侧流体温度在(T_ci+T_co)/2时达到一致，则：

Q_外是由于系统工况波动导致的冷侧进口温度变化的外界影响热量：

Q_外＝V_ccρΔT_ci   (1-3)

Q₃是由于泄漏导致壳程温度升高吸收的热量，壳程(冷侧)出口温度由未发生泄漏时的稳定值升高至发生泄漏时的稳定值，温差为ΔT_co，则：

Q₃＝V_ccρΔT_co   (1-4)

根据热量守恒，等号左边为热源提供热量，等号右边为从热源吸收的热量：

Q_外+Q₂＝Q₃+Q₁   (1-5)

化简得：

也即根据化简后的式(1-6)即可计算介质内泄漏的泄漏量。

步骤S110，对于法兰外泄漏，管程(热侧)流体在管程进口处从法兰中流出，因此热交换器内管程剩余部分流体与壳程流体进行换热，因此，这个部分可表示为：

(V_h-x)Cρ_h(T_hi-T_ho)＝V_ccρ_c(T_co-T_ci)   (1-7)

等号左边为泄漏后管程流体放出的热量，等号右边为壳程流体吸收的热量，化简得：

在介质内泄漏及法兰外泄漏的泄漏量表达式中：

x——泄漏量，m³/h；

V_c——冷流体流量，m³/h；

V_h——热流体流量，m³/h；

T_co——冷侧出口温度，℃；

T_ci——冷侧进口温度，℃；

T_ho——热侧出口温度，℃；

T_hi——热侧进口温度，℃；

ΔT_co——泄漏前后冷侧出口温度温差，℃；

ΔT_ci——泄漏前后冷侧进口温度温差，℃；

c——冷流体定压比热，kJ/(kg·K)；

C——热流体定压比热，kJ/(kg·K)；

ρ_c——冷流体密度，kg/m³；

ρ_h——热流体密度，kg/m³。

利用热交换器冷热侧进出口温度、冷热侧流量等易测运行参数，即可通过计算虚拟感知泄漏量的大小，作为热交换器运维的关键依据。

步骤S111借助结垢厚度虚拟感知模型，基于热交换器的结构参数、运行参数和总传热系数计算获取结垢厚度δ_f，然后构造结垢厚度随运行时间变化的曲线模型，实现结垢厚度随运行时间的虚拟感知，以便设定结垢厚度阈值，当超过对应结垢厚度阈值进行报警；还可根据结垢厚度随运行时间变化的曲线模型预测到达结垢厚度阈值所需的运行时间，对维护时间进行预估侧。结垢厚度的计算获取过程如下：

热交换器总传热系数K：

式中：

A——热交换器换热面积，m²；

ΔT_m——平均传热温差，℃；

Q_l——冷流体换热量，W；

c——冷流体定压比热，kJ/(kg·K)；

G_c——冷流体质量流量，kg/s；

ΔT_c——冷流体进出口温差，℃。

其中平均传热温差为：

式中：

ΔT_m——平均传热温差，℃；

ΔT_max——冷、热两侧温差较大者，℃；

ΔT_min——冷、热两侧温差较小者，℃。

式中：

α₁——管程对流换热系数，W/(m²·K)；

α₂——壳程对流换热系数，W/(m²·K)；

λ₁——换热管的导热系数，W/(m·K)；

λ₂——污垢的导热系数，W/(m·K)；

δ_t——换热管壁厚，m。

其中，管程对流换热系数α₁可通过下式计算(应用范围Re>10000)：

其中，壳程对流换热系数α₂可通过下式计算(应用范围Re＝3～2×10⁴)：

式中：

λ_r——热流体导热系数，W/(m·K)；

λ_l——冷流体导热系数，W/(m·K)；

d_i——换热管内径，m；

d_o——换热管外径，m；

Re_r——管程雷诺数；

Re_l——壳程雷诺数；

C_pr——热流体定压比热容，kJ/(kg·K)；

C_pl——冷流体定压比热容，kJ/(kg·K)；

μ_r——热流体粘度，Pa·s；

μ_l——热流体粘度，Pa·s；

μ_w——壁温流体粘度，Pa·s。

为了使厚度感知结果更精确，选取一段同工况定长热交换器正常状态(清洁状态)运行数据作为厚度基准δ_f0对感知厚度进行修正：

式中：

A——热交换器换热面积，m²；

ΔT_mclean——清洁状态平均传热温差，℃；

c——冷流体定压比热，kJ/(kg·K)；

G_c——壳程质量流量，kg/s；

ΔT_c——壳程流体进出口温差，℃；

α_1clean——清洁状态管程对流换热系数，W/(m²·K)；

α_2clean——清洁状态壳程对流换热系数，W/(m²·K)；

λ₁——换热管的导热系数，W/(m·K)；

λ₂——污垢的导热系数，W/(m·K)；

δ_t——换热管壁厚，m。

则修正后的结垢厚度δ_f′为：

δ_f′＝δ_f-δ_f0   (1-15)

其中污垢导热系数是决定结垢厚度感知是否正确的关键参数，由于热交换器实际污垢往往由多物质混合，且污垢存在不同的水合物，因此需要通过最小二乘法解超定方程的方式求得污垢导热系数最优解，以此实现热交换器结垢厚度虚拟感知。

根据热交换器的运行参数与二次监测参数差异判断热交换器故障类型与位置，二次监测参数是指通过直接监测参数计算获取的参数，包括总传热系数，换热效率等；

热交换器故障类型包括介质内泄漏故障、法兰外泄漏故障和结垢故障。通过比对热交换器热侧进口压力与理论压力范围(无故障状态)的最小值确认发生故障泄漏故障；通过计算换热效率确认泄漏故障发生的位置。

这是因为根据克拉珀龙方程：

dP/dT＝L/(TΔV)   (2-1)

式中：

P——压力，Pa；

V——流体体积，m³；

L——相变潜热，J/mol；

T——温度，℃。

流体体积变化方程：

ΔV＝xt   (2-2)

式中：

ΔV——体积增量，m³；

x——泄漏量，m³/s；

t——时间，s。

在定工况后温度不变的情况下，一旦热交换器发生泄漏就会导致热交换器内流体体积增大且体积增量与时间呈线性关系，而根据克拉珀龙方程压力与体积呈反比例关系，因此通过克拉珀龙方程分析可知一旦热交换器发生泄漏就会导致热侧进口压力发生下降，可根据热侧进口压力诊断热交换器是否发生泄漏。

根据热交换器的运行参数计算热交换器的换热效率并根据换热效率的变化判断泄漏位置。热交换器的换热效率计算过程如下：

式中：

ε——热交换器换热效率；

Q——冷热流体在热交换器中的实际换热量，W；

Q_max——流体在热交换器中可能发生的最大换热量，W；

(t-t″)_max——冷流体或热流体实际温度差值中的大者，℃；

t′₁-t′₂——流体在热交换器中可能发生的最大温差值，℃。

若热交换器换热效率上升，则泄漏位置为介质内泄漏，热侧的介质直接泄漏至冷侧，泄漏部分不经热交换器换热，而是直接与冷侧的介质混合，导致换热效率上升；若热交换器换热效率下降，则泄漏位置为法兰外泄漏，热侧实际参与换热的介质减少，导致换热效率下降。

当热交换器的热侧进口压力稳定在理论压力范围内时热交换器的工作状态为正常运行或结垢故障，可通过计算比对总传热系数则可判定热交换器是否发生结垢故障。热交换器结垢时会导致管壳程流体换热受到污垢的影响，因此热侧出口温度会上升，冷侧出口温度会下降，因此导致换热面两侧平均传热温差逐渐升高，进而导致热交换器总传热系数逐渐下降，因此可通过总传热系数对热交换器结垢故障进行诊断。

在上述实施例中，本发明所提供热交换器虚实融合故障诊断方法还包括根据上述计算得到的故障类型和运行参数的对应关系，构建故障类型和运行参数的曲线模型，设定发生对应故障时运行参数所对应的阈值(如泄漏量阈值，结垢厚度阈值)，同时实时监测获取热交换器运行参数，当某一运行参数超过设定值时，及时发出故障预警。

具体来说，可基于故障状态虚拟感知的泄漏量与结垢厚度数据，利用自回归滑动平均模型或支持向量回归模型预测对应故障模式(法兰外漏、介质内漏、结垢故障)下的一定时间步长故障数据。首先通过热交换器历史运行数据训练自回归滑动平均模型，确定模型中的自回归项阶数与滑动平均项阶数以及误差，其次通过实际运行时对热交换器故障的可接受程度确定运维阈值，最后接入热交换器实时运行时序数据即可得到故障劣化状态预测数据以及趋势和达到阈值所需的时间，一旦实际数据或一定步长预测数据达到阈值系统就会报警。

此外，上述热交换器虚实融合故障诊断方法还包括对热交换器的健康状态进行评估。具体可结合表征热交换器性能参数的传热、阻力等性能指标，根据热交换器的冷侧及热侧的温度、压力和流量等运行参数以及工艺流体的物性参数(粘度、比热等)、热交换器的结构参数构件计算得到表征热交换器性能的二次监测参数。二次监测参数包括换热效率、流动功耗和换热过程中的总熵增率对热交换器的健康状态进行评估。

换热效率的评估可参考式(2-3)，基于流动功耗的阻力性能评价如下。流动功耗表示流体在热交换器流动换热过程中损失的功。功耗越大，热交换器使用性能越差，功耗越低，热交换器使用性能越好。计算公式如下：

N＝[V_h(P_hi-P_ho)+V_c(P_ci-P_co)]   (3-1)

式中：

N——流动功耗，W；

V_c——冷流体体积流量，m³/s；

V_h——热流体体积流量，m³/s；

P_hi——热侧进口压力，Pa；

P_ho——热侧出口压力，Pa；

P_ci——冷侧进口压力，Pa；

P_co——冷侧出口压力，Pa。

基于总熵增率的综合性能评价，热交换器的总熵增率为热交换器每传过单位热量时所消耗的可用能，工业中常用来进行热交换器的能效评价，计算公式如下：

式中：

Y_s——热交换器的总熵增率；

T₀——环境温度，℃；

Δs_Tot——总熵增，J/K；

Δs_Δt——由温差传热引起的熵增，J/K；

Δs_Δp——由压差流动引起的熵增，J/K；

n——折算系数。

由温差传热引起的熵增：

Δs_Δt＝Δs_Δt1+Δs_Δt2   (3-3)

式中：

Δs_Δt1——冷流体吸热引起的熵增，J/K；

Δs_Δt2——热流体放热引起的熵增，J/K。

Δs_Δt1、Δs_Δt1的计算公式为：

Δs_Δt1＝Q/2t_ci(3-t_co/t_ci)   (3-4)

Δs_Δt2＝Q/2t_hi(3-t_ho/t_hi)   (3-5)

同理：

Δs_Δp＝Δs_Δp1+Δs_Δp2   (3-6)

式中：

Δs_Δp1——冷流体流动引起的熵增，J/K；

Δs_Δp2——热流体流动引起的熵增，J/K。

由冷热流体引起的熵增计算公式如下：

Δs_Δp1＝V_cΔp_c/t_cm＝2V_c(p_ci-p_co)/(t_ci+t_co)   (3-7)

Δs_Δp2＝V_hΔp_h/t_hm＝2V_h(p_hi-p_ho)/(t_hi+t_ho)   (3-8)

式中：

V_c——冷流体体积流量，m³/s；

V_h——热流体体积流量，m³/s；

Δp_c——冷侧压降，Pa；

Δp_h——热侧压降，Pa；

T_cm——冷侧进、出口平均温度，℃；

T_hm——热侧进、出口平均温度，℃；

P_co——冷侧出口压力，Pa；

P_ci——冷侧进口压力，Pa；

P_ho——热侧出口压力，Pa；

P_hi——热侧进口压力，Pa；

T_co——冷侧出口温度，℃；

T_ci——冷侧进口温度，℃；

T_ho——热侧出口温度，℃；

T_hi——热侧进口温度，℃。

本申请所提供的热交换器虚实融合故障诊断方法应用运行参数、结构参数以及流体物性参数，基于能量守恒定律利用热平衡虚拟感知热交换器泄漏量以及利用总传热系数虚拟感知热交换器结垢厚度；通过运行参数与二次监测参数同理论范围的差异判断热交换器故障类型以及泄漏故障下的泄漏位置。结合运行参数与故障类型的对应关系，通过设定运维阈值，对热交换器可能发生故障进行预警。通过实时接入运行参数，对换热效率、流动功耗和总熵增率等参数进行监测，实现对热交换器健康状态的评估。

本申请还公开一种热交换器虚实融合故障诊断系统，包括以下模块：数据采集模块、数据预处理模块、故障判断与定位模块、泄漏虚拟感知模块、结垢虚拟感知模块和故障预测预警模块。数据采集模块用来采集包括热交换器热侧进口压力在内的运行参数，同时还用来预存储热交换器的结构参数和流体物性参数，数据采集模块并将采集到的运行参数等数据传递给数据预处理模块，通过数据预处理模块对获取到的实时数据进行异常值剔除和降噪处理，以提取表征热交换器运行过程与劣化状态的特征参数。故障判断模块则用来根据预处理后的运行参数，进行热交换器热侧进口压力的比对，通过比对，初步界定热交换器可能的故障类型，依据公式(2-3)计算判断泄漏故障的位置，依据公式(1-9)和(1-10)计算判断是否为结垢故障。泄漏虚拟感知模块则用来同时依据公式(1-1)～(1-8)计算泄漏量。结垢虚拟感知模块用来根据公式(1-9)～(1-15)计算结垢故障的结垢厚度。故障预测预警模块用来根据运行参数、结构参数和流体物性参数构建的泄漏量虚拟感知模型和结垢厚度虚拟感知模型感知的数据如结垢厚度或泄漏量，根据数据趋势预测泄漏量与结垢厚度的发展趋势，同时还可用来存储结垢厚度与运行时间的曲线模型并设定运维阈值，当检测到泄漏量和结垢厚度超过运维阈值时进行报警。

进一步地，进一步地，上述热交换器虚实融合故障处理系统进一步包括健康状态综合评估模块，健康状态综合评估模块可用来根据运行参数、结构参数和流体物性参数计算反映传热性能、阻力性能和基于总熵增率的综合性能的热交换器二次监测参数，并结合泄漏量与结垢厚度虚拟感知模型综合评估热交换器健康状态。可利用公式(2-3)、(3-1)～(3-8)从换热效率、流动功耗和总熵增率对热交换器的健康状态进行检测评估。故障判断与定位模块、泄漏虚拟感知模块、结垢虚拟感知模块、故障预测预警模块以及健康状态综合评估模块均可采用具有对应运算处理功能的处理器等硬件，本申请不再详细说明。

本申请所提供的热交换器虚实融合故障诊断方法及系统通过热交换器运行参数与热力学参数建立了热交换器运行状态判断与热交换器故障状态虚拟感知，在分辨热交换器所处状态的同时能够感知当前状态的泄漏量与结垢厚度，解决了传统热交换器在不停机检修以及拆机的条件下无法获取故障劣化程度直接参量的难题，对确保热交换器机组安全、经济运行，具有重要的理论意义和工程实用价值。

在诊断热交换器故障时，不仅可以诊断热交换器是处于正常运行还是故障，而且还能够诊断出发生故障时是泄漏故障还是结垢故障，且泄漏故障下的泄漏位置是介质内漏还是外漏，实现了热交换器运行状态的全方位感知以及故障定位，并且能够在故障初期即可发现。

通过结合故障状态虚拟感知模型，实现热交换器从传热性能、阻力性能、综合性能以及状态的综合评价。

在应用基于热量衡算法感知泄漏量时，充分考虑热量吸收与释放的来源和途径，考虑外界因素带来的干扰，能够一定程度的抵抗工况波动带来的感知准确性影响，基于机器学习模型通过设定运维阈值可实现热交换器泄漏故障预测预警，提高热交换器风险可视化水平。

在应用基于总传热系数感知结垢厚度时，除部分热交换器状态数据与结构参数外，其余物性参数相对恒定且几乎不随工况改变，该模型实现利用热交换器实时采集状态数据对热交换器内结垢厚度变化进行实时感知，基于机器学习模型通过设定运维阈值可实现热交换器结垢故障预测预警，提高热交换器风险可视化水平。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的热交换器虚实融合故障诊断方法及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种热交换器虚实融合故障诊断方法，其特征在于，包括：

获取热交换器的运行参数、结构参数与流体物性参数；

基于运行参数、结构参数与流体物性参数，根据能量守恒和热平衡方程构建介质内泄漏故障与法兰外泄漏故障的泄漏量虚拟感知模型，实时监测热交换器泄漏故障程度；

基于运行参数、结构参数与流体物性参数，利用总传热系数构建结垢厚度虚拟感知模型；

根据所述运行参数计算热交换器的换热效率和总传热系数，根据运行参数中的热侧压力参数、换热效率以及总传热系数在不同故障形式下的差异，判断热交换器故障类型与位置；

基于所述泄漏量虚拟感知模型与所述结垢厚度虚拟感知模型，预测热交换器故障发展趋势，设置运维阈值并进行热交换器故障预警；

所述利用总传热系数构建结垢厚度虚拟感知模型的步骤还包括：获取热交换器清洁状态运行参数、结构参数与流体物性参数，计算热交换器清洁状态下的基准厚度，并利用所述基准厚度得到修正结垢厚度；

所述基于运行参数、结构参数与流体物性参数，根据能量守恒和热平衡方程构建介质内泄漏故障与法兰外泄漏故障的泄漏量虚拟感知模型的步骤包括：

根据热平衡方程，计算介质内泄漏故障泄漏量x，计算公式如下：

根据热平衡方程，计算法兰外泄漏故障泄漏量x，计算公式如下：

式中：

x——泄漏量，m³/h；

V_c——冷流体流量，m³/h；

V_h——热流体流量，m³/h；

T_co——冷侧出口温度，℃；

T_ci——冷侧进口温度，℃；

T_ho——热侧出口温度，℃；

T_hi——热侧进口温度，℃；

ΔT_co——泄漏前后冷侧出口温度温差，℃；

ΔT_ci——泄漏前后冷侧进口温度温差，℃；

c——冷流体定压比热，kJ/(kg·K)；

C——热流体定压比热，kJ/(kg·K)；

ρ_c——冷流体密度，kg/m³；

ρ_h——热流体密度，kg/m³；

所述基于运行参数、结构参数与流体物性参数，利用总传热系数构建结垢厚度虚拟感知模型的步骤为：

根据

计算总传热系数；

利用总传热系数计算结垢厚度δ_f，计算公式如下：

式中：

K——总传热系数，W/(m²·K)；

A——热交换器换热面积，m²；

ΔT_m——平均传热温差，℃；

Q_l——冷侧流体换热量，W；

c——冷流体定压比热，kJ/(kg·K)；

G_c——冷流体质量流量，kg/s；

ΔT_c——冷流体进出口温差，℃；

α₁——管程对流换热系数，W/(m²·K)；

α₂——壳程对流换热系数，W/(m²·K)；

λ₁——换热管的导热系数，W/(m·K)；

λ₂——污垢的导热系数，W/(m·K)；

δ_t——换热管壁厚，m；

δ_f——结垢厚度，m；

所述计算热交换器清洁状态下的基准厚度，并利用所述基准厚度得到修正结垢厚度的步骤为；

根据

计算基准厚度δ_f0；

根据δ'_f＝δ_f-δ_f0计算修正结垢厚度δ'_f；

式中：

ΔT_mclean——清洁状态平均传热温差，℃；

α_1clean——清洁状态管程对流换热系数，W/(m²·K)；

α_2clean——清洁状态壳程对流换热系数，W/(m²·K)；

所述根据运行参数中的热侧压力参数、换热效率以及总传热系数在不同故障形式下的差异，判断热交换器故障类型与位置的步骤为：

获取热交换器运行参数中的热侧压力参数，通过热侧压力参数判断热交换器是否发生泄漏故障；

若热侧压力参数低于理论压力范围的最小值则为泄漏故障，计算热交换器的换热效率并根据换热效率的变化判断泄漏故障位置：

根据

计算换热效率；

若热交换器换热效率上升，则泄漏位置为介质内泄漏；

若热交换器换热效率下降，则泄漏位置为法兰外泄漏；

式中：

ε——热交换器换热效率；

Q——冷热流体在热交换器中的实际换热量，W；

Q_max——流体在热交换器中可能发生的最大换热量，W；

(t-t″)_max——冷流体或热流体实际温度差值中的大者，℃；

t′₁-t′₂——流体在热交换器中可能发生的最大温差值，℃；

若热侧压力参数位于理论压力范围内，计算热交换器的总传热系数并根据总传热系数的变化判断热交换器是否发生结垢故障；

根据

计算总传热系数；

式中：

K——总传热系数，W/(m²·K)；

A——热交换器换热面积，m²；

ΔT_m——平均传热温差，℃；

Q_l——冷侧流体换热量，W；

c——冷流体定压比热，kJ/(kg·K)；

G_c——冷流体质量流量，kg/s；

ΔT_c——冷流体进出口温差，℃；

若热交换器总传热系数下降，则热交换器发生结垢故障。

2.根据权利要求1所述的热交换器虚实融合故障诊断方法，其特征在于，所述设置运维阈值并进行热交换器故障预警的步骤具体为：实时感知热交换器的泄漏量与结垢厚度，根据泄漏量与结垢厚度的虚拟感知数据趋势构建故障预测模型，并通过设定运维阈值实现热交换器故障预警。

3.根据权利要求1或2所述的热交换器虚实融合故障诊断方法，其特征在于，还包括根据运行参数，构建反映传热性能、阻力性能和基于总熵增率的综合性能的热交换器二次监测参数，并结合泄漏量与结垢厚度的虚拟感知数据综合评估热交换器的健康状态。

4.一种热交换器虚实融合故障诊断系统，应用上述权利要求1-3任一项所述的热交换器虚实融合故障诊断方法，其特征在于，包括：

数据获取模块，用以获取并存储热交换器的运行参数、结构参数和流体物性参数；

数据预处理模块，用以对实时运行参数进行数据降噪和异常数据剔除；

泄漏虚拟感知模块，用以根据运行参数、结构参数和流体物性参数，利用热平衡方程构建泄漏量虚拟感知模型，实时感知当前热交换器介质内泄漏故障及法兰外泄漏故障的泄漏量；

结垢虚拟感知模块，用以根据运行参数、结构参数和流体物性参数，利用总传热系数构建热交换器结垢厚度虚拟感知模型，实时感知当前热交换器结垢厚度；

故障判断与定位模块，用以根据运行参数、结构参数和流体物性参数计算并对比总传热系数以及运行参数中的热侧压力参数与理论压力范围的差异，判断故障类型以及泄漏故障位置；

故障预测预警模块，用以根据所述泄漏量虚拟感知模型和所述结垢厚度虚拟感知模型感知的数据预测泄漏量与结垢厚度发展趋势，设定运维阈值实现预警。

5.根据权利要求4所述的热交换器虚实融合故障诊断系统，其特征在于，还包括健康状态综合评估模块，所述健康状态综合评估模块用以根据运行参数、结构参数和流体物性参数计算反映传热性能、阻力性能和基于总熵增率的综合性能的热交换器二次监测参数，并结合所述泄漏量虚拟感知模型和所述结垢厚度虚拟感知模型感知的数据综合评估热交换器健康状态。

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