CN208606637U - 一种换热器运行状况智能在线监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种换热器运行状况智能在线监控装置，包括换热器、控制器和显示屏，控制器和显示屏连接，换热器的原、次边分别设置若干传感器，采集换热器原边的进出水管的水温、进出水管间的水压差和水流量，次边的进出介质管的介质温度、进出介质管间的介质压差和介质流量，经由控制器计算，得出换热器的性能和结垢当量厚度；在原边出水管集气罐上安装有特种气体传感器，用于在线监视换热器内泄漏情况；换热器的性能、当量结垢厚度、内泄漏情况均可在显示屏上显示、报警。本实用新型能够对换热器在线运行参数进行信息采集和监控，并将换热器的性能、结垢当量厚度和内泄漏情况进行实时在线显示、报警。

Description

一种换热器运行状况智能在线监控装置

技术领域

本实用新型涉及一种换热器运行状况智能在线监控装置，以实现广泛应用在石油、化工、轻工、制药、能源、暖通等工民生产中的换热器运行状况的在线智能监控，为生产过程智能化打下坚实的底层信息应用基础。

背景技术

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体以保证生产系统中介质所要求的特定工艺温度不可或缺的设备。换热器泄漏会给生产的安全带来巨大的隐患。但现在的换热器泄漏主要依靠有经验的操作工巡视检查或定期大修来解决的，即便是在现代的DCS控制系统中，也仅仅是做到了对换热器是否有流体通过、是否运行等表面的信息进行采集，至于对换热器泄漏等深层次的信息不能进行监控。

实用新型内容

本实用新型提出一种换热器运行状况智能在线监控装置，能够对换热器在运行状态下内泄漏、性能、预后结果进行信息采集和监控。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种换热器运行状况智能在线监控装置，如石化生产系统中的换热器，包括换热器、控制器和显示屏，所述控制器和所述显示屏连接，所述换热器的原边出水管上设有集气罐，所述集气罐上设有特殊气体传感器，用于检测是否存在高压燃气或燃油内泄漏。

优选的，所述换热器的原、次边分别设置若干传感器，所述原边传感器用于采集换热器原边的进出水管的水温、进出水管间的水压差和水流量，所述次边传感器采集换热器次边的进出介质管的介质温度、进出水管间的介质压差和介质流量，并发送至所述控制器，所述控制器计算出换热器的结垢当量厚度、换热器性能、结垢的预后结果，发送至所述显示屏显示。

优选的，所述换热器原边设有第一温度传感器、第二温度传感器、第一流量传感器和第一压差传感器；所述换热器次边设有第三温度传感器、第四温度传感器、第二流量传感器和第二压差传感器，上述传感器分别将采集到的换热器实时运行参数发送给控制器。

优选的，所述换热器原边出水管上安装有第一电动调节阀，所述第二温度传感器、第一电动调节阀和所述控制器构成闭环控制回路，完成跟踪换热器负荷变化控制。

优选的，所述控制器为PLC或DDC。

优选的，所述控制器中安装有现场总线MODBUS接口或PROFIBUS通讯接口。

本实用新型的有益效果在于：能够对换热器在运行状态的内泄漏、换热器性能、结垢的预后结果进行信息采集和监控，并进行实时在线显示。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型一种换热器，如石化生产系统中的换热器，运行状态智能在线监控装置一个实施例的结构示意图。

图中，1-换热器；2-控制器；3-显示屏；4-第一温度传感器；5-第二温度传感器；6-第一流量传感器；7-第一压差传感器；8-第一特殊气体传感器；9-第三温度传感器；10-第四温度传感器；11-第二流量传感器；12-第二压差传感器； 13-第二特殊气体传感器；14-第一电动调节阀；15-原边水泵；16-次边水泵。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，如石化生产系统中的换热器，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

换热器1的泄漏分内泄漏和外泄漏两种。换热器1外泄漏由厂里环境监测或操作工巡视监测。

如图1所示，本实用新型提出了一种换热器1运行状态智能在线监控装置，如石化生产系统中的换热器，包括换热器1、控制器2和显示屏3，控制器2和显示屏3连接，一般换热器1的原边出水管上设有第一集气罐，第一集气罐上设置第一特殊气体传感器，第一特殊气体传感器8用于采集原边出水管上的集气罐中特殊气体的浓度或浓度变化率(比如燃油或燃气)，以便判断换热器1 是否发生内泄漏；(如是石化生产系统中的换热器，换热器1的次边走的是燃气或燃油，则侧不设集气罐和第二特殊气体传感器13)当水中含燃气、或燃油的浓度或浓度变化率超过设定值，便可发出换热器1内泄漏的故障报警。

本实用新型检测换热器1是否发生内泄漏，换热器1的内泄漏产生内泄漏时，会有温度变化、压力变化、一侧介质组分发生变化等等伴生现象，那么根据特定换热器1的内泄漏特点确定换热器1泄漏时的特异性变化的风向标参数，选择与特异参数相对应的传感器将特异性变化的信号检测出来，经过软件程序的判断比较，就可以实现换热器1泄漏在线监测的功能。

本实用新型还可以用于在线监测换热器是否结垢，换热器1的原、次边分别设置若干传感器，传感器用于采集换热器1原次边的进出水管的水温、进出水管间的水压差和出水管流量，并发送至控制器2，控制器2计算出换热器1的结垢当量厚度，发送至显示屏3显示。控制器2还计算出换热器1结垢的预后结果，发送至显示屏3进行显示；其中，换热器1结垢的预后结果体现为换热器1热阻的增加引起的热源有效能损失以及换热器1水阻力、消耗水泵输送动力。

换热器1的原边设有4个传感器，包括第一、二温度传感器(4、5)、第一流量传感器6、第一压差传感器7，第一、二温度传感器(4、5)分别用于采集换热器1原边进、出水管的水温t₁₁、t₁₂，第一压差传感器7用于采集换热器1 原边进、出水管间的水压差ΔP₁(即换热器1原边水阻力)，第一压差传感器7 用于采集换热器1原边出水管流量L₁，换热器1的次边也设有4个传感器，包括第三、四温度传感器(9、10)、第二流量传感器11、第二压差传感器12，第三、四温度传感器(9、10)分别用于采集换热器1次边进、出水管的水度t₂₁、 t₂₂，第二压差传感器12用于采集换热器1次边进、出水管间的压差ΔP₂，第二压差传感器12用于采集换热器1次边出水管流量L₂，控制器2与8个传感器连接，获取8个传感器采集的数据，并计算出换热器1的结垢当量厚度及预后结果，并控制显示屏3进行在线实时显示。

本实用新型利用原、次边的8个传感器采集的换热器1原、次边性能参数，利用热电比拟定律推导出换热器1结垢厚度及预后结果计算公式，计算出换热器1实时结垢厚度及预后结果。其中，换热器1结垢的预后结果包括换热器1 热阻的增加引起的热源有效能损失以及换热器1水阻力、消耗水泵输送动力。一、换热器1特性计算：

1.换热器1原边性能计算

换热器1原边的综合阻力系数S₁由公式(1)计算：

式中：

S₁——换热器1原边的综合阻力系数，(Pa.S²)/m⁶；

ΔP₁——换热器1原边水阻力，Pa；

L₁——换热器1原边出水管流量，m³/S。

经理论证明，如果水管中水流动在阻力平方区，换热器1原边的综合阻力系数S1是只和流道的几何参数有关，和流量无关。而在水系统工程中，水管阻力计算诺莫图是按水管里水流动基本是在阻力平方区设计的，这就是说在水工程中综合阻力系数S₁是不变的。但在换热器1结垢后，改变了流道的几何参数，那么公式(1)计算出来的S₁就要发生变化，随着换热器1工程运行经验的积累，可以归纳出S₁与换热器1当量结垢厚度δa之间的函数关系，那么就有了从S₁计算换热器1当量结垢厚度δa的另外一种方法。

换热器1原边的换热量由公式(2)计算：

Q₁＝ρ₁·C_p1·L₁·(t_1.2-t_1.1)＝ρ₁·C_p1·L₁·Δt₁ (2)

式中：

Q₁——换热器1原边的换热量，W；

ρ₁——换热器1原边的水密度，kg/m3；

C_p1——换热器1原边水的定压比热，J/(kg.℃)；

t₁₁——换热器1原边进水管的水温，℃；

t₁₂——换热器1原边出水管的水温，℃；

Δt₁＝t₁₂－t₁₁——换热器1原边水的进出温度差，℃。

其他符号同公式(1)。

换热器1原边消耗水泵P₁的输送动力由公式(3)计算：

式中：

W_P1——换热器1原边消耗的水泵输送动力，W；

η_p1.t——换热器1原边的水泵P₁的总效率。

其他符号同公式(1)。

2.换热器1次边性能计算

换热器1次边的综合阻力系数S₂由公式(4)计算：

式中：

S₂——换热器1次边的综合阻力系数，(Pa.S²)/m⁶；

ΔP₂——换热器1次边水阻力，Pa；

L₂——换热器1次边水流量，m³/S。

经理论证明，如果水管中水流动在阻力平方区，换热器1原边的综合阻力系数S₂是只和流道的几何参数有关，和流量无关。而在水系统工程中，水管阻力计算诺莫图是按水管里水流动基本是在阻力平方区设计的，这就是说在水工程中综合阻力系数S₂是不变的。但在换热器1结垢后，改变了流道的几何参数，那么公式(4)计算出来的S₂就要发生变化，随着换热器1工程运行经验的积累，可以归纳出S₂与换热器1当量结垢厚度δa之间的函数关系，那么就有了从S₂计算换热器1当量结垢厚度δa的另外一种方法。

换热器1次边的换热量由公式(5)计算：

Q₂＝ρ₂·C_p2·L₂·(t_2.2-t_2.1)＝ρ₂·C_p2·L₂·Δt₂ (5)

式中：

Q₂——换热器1次边的换热量，W；

ρ₂——换热器1次边的水密度，kg/m³；

C_p2——换热器1次边水的定压比热，J/(kg.℃)；

t₂₁——换热器1次边进水管的水温，℃；

t₂₂——换热器1次边出水管的水温，℃；

Δt₂＝t₂₂－t₂₁——换热器1次边水的进出温度差，℃。

其他符号同公式(4)。

换热器1次边消耗水泵P2的输送动力由公式(6)计算：

式中：

W_P.2——换热器1次边消耗的水泵输送动力，W；

η_p2.t——换热器1次边的水泵P₂的总效率。

其他符号同公式(4)。

根据传热学原理，换热器1原边和次边的换热量Q₁、Q₂应该相等，即：

Q₁＝Q₂＝Q (7)

如果两者相差超过工程允许误差5％以上，则要检查换热器1原、次边所有的传感器及其安装的方式，直至相差小于5％。

注：如是石化生产系统中的换热器，因次边是高压燃油和燃气，没有这部分计算。在集中供热系统小区换热站的换热器中，才有这部分计算。

二、换热器1结垢当量厚度的计算

根据热电比拟原理，传热温差相当于电压，热流相当于电流，热阻相当于电阻，这样就可以借鉴电路的计算方法，来计算热路。如果把换热器1当做一个平板换热器1来计算换热器1的当量结垢厚度，既简单形象，也可以真实反映换热器1结垢对换热器1传热的影响、多耗的能量。

换热器1换热量由公式(8)计算：

式中：

Q——换热量，W；

K——换热系数，W/(m².℃)；

F——换热计算面积，m²；

Δt_e——对数传热温差，℃。

换热系数K由公式(9)计算：

式中：

α₁——换热器1传热壁原边换热系数，(m².℃)/W；

δ_w——换热器1间隔传热壁厚度，m；

λ_w——换热器1间隔传热壁导热系数，W/(m.℃)；

δ_s——换热器1结垢厚度，m；

λ_s——换热器1结垢导热系数，W/(m.℃)；

α₂——换热器1传热壁次边换热系数，(m².℃)/W。

换热器1热阻由公式(10)计算：

换热器1传的对数温差计算公式(11)计算：

式中：

Δt_max——换热器1原边介质进口处或出口处两边温度差中大的那个温度差，℃；

Δt_min——换热器1原边介质进口处或出口处两边温度差中小的那个温度差，℃。

当温差比较小时，可用原、次边平均温之差来计算：

单位面积平板换热器1换热量q由公式(13)计算：

式中：

q——换热器1单位面积换热量，W/m²。

单位面积换热器1热阻由公式(14)计算：

式中：

r——换热器1单位面积热阻，(℃.m²)/W。

假如，换热清洗后或新安装后首次投入运行时结垢为零，换热器1初始单位面积热阻为r₀；换热器1运行到T₁时刻，假定换热器1单位面积热阻为r₁，经推导变换得出T₁时刻换热器1结垢当量厚度δ_s1的计算公式(15)：

式中：

δ_s1——T₁时刻换热器1结垢当量厚度，m；

λ_se——换热器1结垢当量导热系数，取最常见的碳酸盐垢的平均值0.64W /(m.℃)，是钢的1/70，铜的1/625。

可以清楚的看到公式(15)里有两个未知数：δ_s1和F。要计算出T₁时刻换热器1结垢当量厚度必须确定换热器1计算面积F，这里有几种方法：

1).根据换热器1名牌参数给出的传热面积F作为换热器1计算面积F，这是最简单的方法；

2).根据换热器1结构图纸计算出换热器1面积作为换热器1计算面积F；

3).实际测量换热器1计算面积F；

4).在换热器1出口处(温度最高处)管内放试片实际测出结垢厚度，反算出换热器1计算面积F。

三、换热器1热阻的增加引起的热源有效能损失计算

换热器1结垢使得其热阻增加的值由公式(16)计算：

在传热量不变的条件下，换热器1结垢使得原、次边之间增加的温度差由公式(17)计算：

式中：

Δ(Δt_e)——在传热量不变的条件下，换热器1原、次边因结垢增加的传热温差，℃；

根据热量的分析，换热器1热阻增加引起的热源损失由公式(18)计算：

式中：

ΔE_x——因结垢引起的换热器1有效能损失，W；

T₀——环境绝对温度，K，一般取环境温度为20℃时，T0＝293K；

T₁——换热器1原边平均绝对温度，K，T₁＝273+(t₁₁+t₁₂)/2；

T₂——换热器1次边平均绝对温度，K，T₂＝273+(t₂₁+t₂₂)/2。

锅炉或热源引起的总能量损失由公式(19)计算：

ΔQ_b.t＝ΔE_x/η_b.t (19)

式中：

ΔQ_b.t——因结垢引起的锅炉或热源引起的总能量损失，W；

η_b.t——锅炉或热源的总的热效率，％。

四、换热器1水阻力、消耗水泵输送动力的计算

换热器1压降、水阻和流量的关系用公式(20)表示：

ΔP＝S·L² (20)

式中：

ΔP——换热器1原边或次边水压降，Pa；

S——换热器1综合原边或次边阻力系数，(Pa.s²)/m⁶；

L——换热器1原边或次边介质流量，m³/s。

变换公式(17)得计算换热器1综合原边或次边阻力系数的公式(21)：

S＝ΔP/L² (22)

换热器1消耗的水泵动力由公式(23)计算：

式中：

W_p.t——换热器1原边或次边消耗的水泵总的输送动力，W；

η_p.t——换热器1原边或次边消耗的水泵总的效率。

η_p.t＝η_i·η_m·η_p.s (24)

式中：

η_i——原边或次边水泵(15或16)变频器的效率；

η_m——原边或次边水泵(15或16)电机效率；

η_p.s——原边或次边水泵(15或16)的轴效率。

随着换热器1运行时间的加长，结垢的厚度不断增加，由于结垢的换热器1 表面粗糙同时结垢的厚度会阻塞流动通道，使流动有效面积减小，这样双重作用的结果就势必增加换热器1流动阻力，因此可以在换热器1性能、结垢智能在线监测仪运行过程中来研究换热器1综合阻力系数与结垢厚度、时间的关联关系，作为换热器1运行维护的依据：

δ_s＝f(S,T) (25)

为了花费最小的代价完成对换热器1负荷变化的实时跟踪，换热器1原边出水管上安装有第一电动调节阀14，第二温度传感器、第一电动调节阀14和控制器2构成闭环控制回路。闭环控制系统名义上跟踪的是循环水冷却系统其中一末端换热器1的负荷变化，事实上本末端的闭环控制系统和循环水冷却系统中的变频水泵及其他末端闭环控制系统的协调运行控制下，使整个循环水冷却系统各个末端保持动态水力平衡(各个末端按需供水不多也不少，恰到好处)，使整个管网时时保持最小阻力状态(在保持各个末端动态水力平衡的前提条件下，管网的综合阻力系数最小)从而使系统的水泵输送动力最小。在整个循环水冷却系统中运行过程中，其本质是让整个循环水冷却系统始终处在最节能的“全相似”工作状态，即在循环水冷却系统运行过程当中，各个组成元件的几何参数不能改变，包括几何参数可以改变的调节阀，因此在循环水冷却系统运行过程中，各末端的电动调节阀共同协调作用自动达到系统动态水力平衡之后，各电动调节阀的开度便保持不变。所以系统中各电动调节阀实质上是当做平衡阀在使用，只选可靠价廉、流通能力比较大与管道尺寸相配的蝶阀就可以了，用不着选择控制精度高但阻力大价格非常高的对数特性调节阀。

控制器2为PLC或DDC。控制器2中安装有现场总线MODBUS接口或 PROFIBUS通讯接口。以便和上位机组网，在主机整体协调控制下，使整个循环水冷却系统按照最小耗能原理运行，达到“配置合理，运行协调、整体优化”境界而具有内在的健康结构，系统整体便有能力涌现出一系列优良的外在健康属性。

显示屏3可采用触摸屏，通过触摸屏查询换热器1运行内泄漏情况、运行特性、当量结垢厚度、预后结果和换热器1水阻力等实时参数。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种换热器运行状况智能在线监控装置，包括换热器、控制器和显示屏，所述控制器和所述显示屏连接，其特征在于：所述换热器的原边出水管上设有集气罐，所述集气罐上设有特殊气体传感器，用于检测是否存在高压燃气或燃油内泄漏。

2.根据权利要求1所述的换热器运行状况智能在线监控装置，其特征在于：所述换热器的原、次边分别设置若干传感器，所述原边传感器用于采集换热器原边的进出水管的水温、进出水管间的水压差和水流量，所述次边传感器用于采集换热器次边的进出介质管的介质温、进出介质管间的介质介质压差和出介质流量，并发送至所述控制器，所述控制器计算出换热器的结垢当量厚度、在线性能、预后结果和换热器水阻力，发送至所述显示屏显示。

3.根据权利要求2所述的换热器运行状况智能在线监控装置，其特征在于：所述换热器原边设有第一温度传感器、第二温度传感器、第一流量传感器和第一压差传感器；所述换热器次边设有第三温度传感器、第四温度传感器、第二流量传感器和第二压差传感器，上述传感器分别将采集到的数据发送给控制器。

4.根据权利要求3所述的换热器运行状况智能在线监控装置，其特征在于：所述换热器原边出水管上安装有第一电动调节阀，所述第二温度传感器、第一电动调节阀和所述控制器构成闭环控制回路，完成跟踪换热器负荷变化的控制。

5.根据权利要求1-4任一项所述的换热器运行状况智能在线监控装置，其特征在于：所述控制器为PLC或DDC。

6.根据权利要求5所述的换热器运行状况智能在线监控装置，其特征在于：所述控制器中安装有现场总线MODBUS接口或PROFIBUS通讯接口。