換熱器在石化裝置中的智能化應用

于子千

(中石油云南石化有限公司,云南 昆明 650000)

換熱器類設備廣泛應用在化工、煉油、食品、輕工、能源、制藥、機械及其他許多行業中,是目前石化行業中應用最廣泛的典型工藝設備之一。在煉油、化工生產中,絕大多數的工藝過程都有加熱、冷卻、汽化和冷凝等,這些過程均涉及熱量的傳遞過程。而熱量的傳遞過程就需要通過換熱設備來完成,這些使傳熱過程得以實現的設備稱為換熱設備。本文主要闡述適用于石化裝置的換熱設備的應用與分類,重點分析生產裝置中管殼式換熱器的類型、結構、特點及相關標準,并簡單介紹三種應用于換熱器運行和維護的智能系統,有效提升工業生產的智能化水平,滿足石化裝置長周期運行需要[1]。

1 石化裝置常用換熱器的應用及分類

1.1 換熱器的應用

在石化裝置的生產中,一般都包含化學反應過程,為了使化學反應順利進行,適宜的反應溫度是非常重要的外部條件。即使在一些采用物理方法處理的生產過程中,提高或降低物料的溫度,也有利于獲得更好的處理效果(如傳質過程等)。因此,在工藝流程中,常需要將低溫流體加熱或將高溫流體冷卻,將液體汽化成氣體或將氣體冷凝成液體,這些過程都與熱量傳遞密切相關,都可通過換熱設備來實現。在化工廠中,換熱設備的投資約占總投資的10%～20%;在石油加工裝置的建設中,約占設備總投資的35%～40%。近年來,隨著節能技術的發展,換熱設備在工業余熱回收和熱能綜合利用方面帶來了顯著的經濟效益,某石化裝置換熱器參數見表1所列。

表1 某石化裝置換熱器參數

1.2 換熱器的分類

換熱器的種類較多,按不同的功能分為以下幾種:

1)預熱器。用于流體的預熱,以提高整套工藝裝置的效率,常用在塔進料或反應器進料上。常與加熱器共同使用。

2)加熱器。用于把流體加熱到所需溫度,被加熱流體在加熱過程中不發生相變,常與預熱器共同使用。

3)過熱器。用于加熱飽和蒸汽,使溫度達到過熱狀態,常用于公用工程或者余熱鍋爐。如中壓鍋爐水經過加熱爐加熱成中壓飽和蒸汽,之后再次加熱至中壓過熱蒸汽。

4)蒸發器。用于加熱液體,使液體蒸發汽化。

5)再沸器。為蒸餾過程的專用設備,用于加熱已被冷凝的液體,使液體再受熱汽化,常設置于塔底。如塔底兩端的再沸器。

6)冷卻器。用于冷卻流體,使流體達到所需要的溫度,常見于塔頂,也就是常提到的“空冷”和“水冷”。

2 智能化換熱器設備常用數據采集技術

2.1 OPC采集技術

OPC采集技術是通過建立OPC服務器,從DCS中采集數據,再轉發至PHD實時數據庫中。這種方式需要用1臺工控機作為數據采集工作站,通過OPC協議與DCS進行數據通信,并且僅從DCS中讀取需要的數據而不進行任何的寫入操作。其中,OPC協議是一種通用的數據通信協議,可以實現設備數據的讀取和寫入,支持OPC DA(data access)和OPC UA(unified architecture)兩種通信標準。

安裝和配置OPC服務器和客戶端的具體步驟可能因不同的軟件和設備而有所差異,但一般可以參考以下的流程:

1)在OPC服務器和客戶端的計算機上,分別安裝相應的OPC軟件,如Kepware,MatrikonOPC等。確保2臺計算機可以通過網絡或本地連接通信,并且有相同的賬戶名和密碼。

2)在OPC服務器的計算機上,配置與PLC設備的通信,如串口,以太網,板卡等。根據設備的協議,添加相應的設備和通道,創建標簽(Tag)來綁定設備的數據點,并設置采集頻率和數據類型等參數。

3)在OPC服務器和客戶端的計算機上,配置分布式組件對象模型(DCOM)的安全性設置,如身份驗證級別、訪問權限、啟動和激活權限等,確保OPC服務器和客戶端之間可以通過DCOM進行數據交換。

4)在OPC客戶端的計算機上,連接OPC服務器,并瀏覽其公開的標簽,根據需要,讀取或寫入設備數據,并進行相應的處理或存儲。

2.2 工業物聯網數據采集技術

工業互聯網數據采集技術是指在工業生產過程中,利用各種傳感器、控制器、通信網絡等技術,從工業設備和環境中獲取數據的技術。根據不同的通信網絡,工業物聯網數據采集技術可以分為有線和無線兩種。有線的數據采集技術主要有工業現場總線、工業以太網、工業光纖網絡等,無線的數據采集技術主要有TSN,NB-IoT,4G/5G等。

其中,一種比較新穎的數據采集技術是基于MQTT協議的數據采集技術。MQTT是一種物聯網標準消息傳遞協議,具有輕巧高效、雙向通信、可靠的消息傳遞、支持不可靠網絡、安全等特點。一些主流的PLC廠商已經在PLC中集成了MQTT協議,可以實現設備數據的實時上報和下發,無需額外的邊緣網關設備。基于MQTT協議的數據采集技術可以實現精簡資源配置、毫秒級時間戳、數據點靈活配置等優勢,并且可以與云端的數據分析和建模相結合,實現決策優化和智能調度等應用場景。

2.3 MQTT協議和OPC協議的區別

MQTT協議和OPC協議的區別主要在于它們的使用場景和通信模式。MQTT是一種物聯網標準消息傳遞協議,適合于低帶寬、不可靠網絡、低資源設備之間的數據傳輸,采用發布/訂閱的模式。OPC是一種工業通信標準,適合于工業設備之間的數據交換,采用請求/響應或訂閱/發布的模式。

MQTT和OPC協議比較的優缺點主要有以下幾點:

1)MQTT協議的優點是輕量級,占用帶寬少,適用于低資源設備和低延遲網絡,支持發布/訂閱模式和三種服務質量等級,具有很高的靈活性和可擴展性。缺點是不支持文件和音視頻傳輸,不支持與第三方HTTP集成,不支持負載均衡和用戶管理界面,不支持脫機消息補償和點對點通信,不支持群組通信或群組管理,不包含安全或認證相關的措施。

2)OPC協議的優點是獨立于平臺和語言,支持客戶端/服務器模式和發布/訂閱模式,提供了一致且集成的地址空間和服務模型,支持數據,警報和事件的集成訪問,提供了安全性機制和數據類型定義,尋求統一不同制造商的設備之間的操作方式。缺點是協議頭部較大,占用帶寬多,適用于高資源設備和高可靠網絡,實現較為復雜,需要專業的開發人員和工具。

兩者的關系并不是對立或替代,而是可以相互補充和結合,實現設備數據的采集和控制。一種常見的方式是使用OPC UA作為設備層和服務層的通信協議,將不同類型的設備數據統一到一個地址空間和服務模型中,然后使用MQTT作為數據層和應用層的通信協議,將設備數據發布到云端或其他訂閱者。另一種方式是使用MQTT作為設備層和服務層的通信協議,將設備數據直接發布到MQTT服務器,然后使用OPC UA作為服務層和應用層的通信協議,通過客戶端/服務器模式或發布/訂閱模式訪問MQTT服務器上的數據。這兩種方式都可以實現Web端通過MQTT與OPC協議實現設備交互控制。

3 換熱器運行數據分析技術

換熱器運行過程中需要對換熱器中冷流和熱流的流量、溫度和壓力等數據進行分析。通過結合換熱器的幾何尺寸和冷熱流的物性數據,應用換熱器分析工具和算法模型,實現換熱器冷流和熱流的流速計算、換熱器傳熱系數和換熱效率計算、換熱器的污垢熱阻計算及趨勢預測和換熱器內部流量分布模擬等功能,實現全方位掌握換熱器運行情況的目標。

3.1 數據分析的工具

可用于換熱器運行數據分析的工具有很多,根據不同的數據類型、分析目的和應用場景,可以選擇合適的工具。常用的數據分析工具介紹如下:

1)MATLAB軟件。該軟件是一套集成的數學計算、可視化和編程環境,可以處理各種類型的數據,如傳感器數據、視頻數據、圖像數據等。MATLAB可以實現數據預處理、統計分析、機器學習、信號處理、圖像處理、控制系統設計等功能,適用于石油化工領域的過程控制、預測性維護、智能控制等場景。MATLAB的優點是功能強大、易于使用、支持多種數據類型和分析方法,缺點是收費較高、不太適合處理大規模數據和分布式計算。

2)Python軟件。該軟件是一種通用的編程語言,可以實現各種類型的數據分析任務。Python有豐富的數據分析相關的庫和框架,如NumPy,Pandas,SciPy,Scikit-learn,TensorFlow等,可以實現數據處理、數值計算、機器學習、深度學習等功能,適用于石油化工領域的各種復雜和高級的數據分析場景。Python的優點是通用性強、開源免費、有豐富的數據分析相關的庫和框架、適用于各種復雜和高級的數據分析場景,缺點是學習曲線較陡峭、需要一定的編程基礎和邏輯思維能力。

3.2 數據分析的算法

換熱器運行數據分析的算法有很多,需要通過算法對現場儀表采集的換熱器中冷流和熱流的流量、溫度和壓力等數據進行分析,并需要根據不同的應用場景和目的選擇不同的算法。常用算法如下:

1)主成分分析(PCA)。該方法是一種基于數據驅動的方法,可以利用現有的檢測變量來預測和監控換熱器的健康狀態。PCA可以降低數據的維度,提取主要的特征變量,建立換熱器的預測模型。

2)有效度—傳熱單元數法。該方法是一種基于熱力學第二定律的方法,可以用流體間實際換熱量與最大可能換熱量之比來定義換熱器的有效度。有效度反映了換熱器性能,可以用來分析和比較不同類型和流動方式的換熱器。

3)對數平均溫差法。該方法是一種基于傳熱系數和傳熱面積的方法,可以用兩流體間的對數平均溫差來計算換熱器的熱量傳遞方程。對數平均溫差法適用于單流程的順流或逆流換熱器,對于叉流和多流程換熱器,需要乘上一個修正因子。

4 換熱器相關智能化運維系統

在實際生產過程中,換熱器的平穩運行會面臨許多挑戰,如結垢、腐蝕、泄漏、振動等問題,這些都會導致換熱器的性能下降,甚至影響整個生產裝置的效率、安全和可靠性。因此,在換熱器運行和運維的過程中應用智能化運維系統,實現換熱器狀態的實時監測、故障診斷和性能優化等功能,為石化裝置實現長周期平穩運行的目標提供保障。目前,換熱器相關智能化運維系統主要有以下三種。

4.1 換熱器遠程監控系統

換熱器遠程監控系統是一個基于實時數據庫和換熱器計算模型,實現換熱器數據收集、傳輸、存儲和分析的系統。遠程監控系統主要依托于OPC接口技術、實時數據庫技術、換熱器機理建模技術,能夠實現數據自動獲取、換熱器基本數據展示、傳熱計算、數據分析、預估清洗周期和故障報警等功能[3]。該系統主要作用如下:

1)實時在線監測換熱器的各項關鍵運行參數,如溫度、壓力、流速等,并通過換熱器機理模型,計算換熱器的傳熱系數、熱效率和污垢熱阻等參數;當任何參數偏離正常范圍時,系統能夠通過短信等方式及時提醒操作人員或管理人員。

2)記錄換熱器運行的歷史數據并與智能診斷系統集成實現數據挖掘和統計分析;通過找到數據的變化趨勢和數據之間的相關性,發現識別換熱器運行過程中的潛在問題或風險[4]。

3)降低人工檢查和監測的勞動成本,避免人為的原因造成數據記錄錯誤;避免操作和維護人員直接接觸高溫或高壓換熱器,提高了人員的安全性和便利性。

4.2 換熱器智能診斷系統

換熱器智能診斷系統是一個能夠根據遠程監控系統或其他相關系統的數據,應用人工智能技術,如機器學習、深度學習、神經網絡、模糊邏輯、專家系統和遺傳算法[5],實現換熱器故障自動診斷的系統[6]。該系統主要作用如下:

1)依托自身的算法和大數據庫,準確、快速地識別換熱器的故障類型,判斷故障發生位置、原因和嚴重程度,為故障恢復或預防提供及時有效的解決方案或建議,有效減少維修成本和停機時間。

2)該系統可以從以往的故障診斷案例或經驗中學習,并隨著時間的推移提高其準確性和可靠性。該系統還能適應不同類型或型號的換熱器和不同的運行條件或環境。

4.3 三維數字化工廠系統

三維數字化工廠系統是一個生產技術資料及信息資源的集成平臺,運用三維建模技術及系統集成技術,建立石油化工工廠的數字孿生模型,將抽象的二維工程圖紙立體化、實體化、結構化,以設備、管線、閥門等模型實體為載體,實現了生產運行管理、安全管理、設備管理等多種功能[7]。該系統能夠實現換熱器模型與設計資料(包括: 技術條件、裝配圖、零部件圖、管束圖等)、采購資料(包括: 壓力容器制造許可證、壓力容器監察證書、熱處理報告、銘牌復印件等)、施工資料(包括: 安裝檢驗記錄、換熱設備耐壓和嚴密性試驗記錄等)和過往的運維資料(包括: 維修工單、現場照片和處理方案)的一一關聯,同時與設備檢修系統集成[8],實現換熱器設備的設計、制造、安裝和運維的全生命周期的數字化管理。該系統在換熱器的運行和維護過程中的主要作用如下:

1)高精度的三維數字化工廠模型能夠以逼真和互動的方式展示實際換熱器的尺寸和結構,可以幫助用戶在實際安裝或在安裝之前實現對換熱器設計的驗證或優化。

2)該系統可以將遠程監控系統的數據整合到換熱器的虛擬模型中,結合設計資料、采購資料、施工資料和過往的運維資料等靜態數據,更直觀和全面地展示換熱器的當前狀態;與換熱器智能診斷系統功能集成實現智能故障預警和診斷,并提供相應的解決方案。

3)該系統可以為操作和維護人員或管理人員提供一個培訓平臺,以虛擬的方式拆卸換熱器,幫助員工了解換熱器內部構造和運行原理,提高操作人員的專業技術水平。

5 結 論

本文主要闡述了適用于石化裝置的換熱設備的智能化方法與系統,詳細說明了基于MQTT和OPC協議的兩種數據采集方法以及PCA分析、有效度-傳熱單元數法、對數平均溫差法等三種用于換熱器運行狀態分析的算法,介紹了三種基于信息技術的換熱器智能化運維系統,并得出以下結論:

1)MQTT和OPC是數據采集常用的兩種協議,它們的關系并不是對立或替代,而是可以相互補充和結合,實現設備數據的采集和控制。

2)換熱器數據分析的常用算法是PCA分析、有效度-傳熱單元數法、對數平均溫差法,通過應用MATLAB或Python軟件實現換熱器運行狀態的實時分析。

3)換熱器智能化運維系統可以實現對換熱器的全面、實時、準確、可視化的監測、控制、診斷和優化,能夠有效提高換熱器的運維水平和效果,降低換熱器的運維成本和風險,提高換熱器的運行效率和安全性。這些系統對于提升工業生產的智能化水平和競爭力具有重要的意義和價值。