换热器在石化装置中的智能化应用

于子千

(中石油云南石化有限公司,云南 昆明 650000)

换热器类设备广泛应用在化工、炼油、食品、轻工、能源、制药、机械及其他许多行业中,是目前石化行业中应用最广泛的典型工艺设备之一。在炼油、化工生产中,绝大多数的工艺过程都有加热、冷却、汽化和冷凝等,这些过程均涉及热量的传递过程。而热量的传递过程就需要通过换热设备来完成,这些使传热过程得以实现的设备称为换热设备。本文主要阐述适用于石化装置的换热设备的应用与分类,重点分析生产装置中管壳式换热器的类型、结构、特点及相关标准,并简单介绍三种应用于换热器运行和维护的智能系统,有效提升工业生产的智能化水平,满足石化装置长周期运行需要[1]。

1 石化装置常用换热器的应用及分类

1.1 换热器的应用

在石化装置的生产中,一般都包含化学反应过程,为了使化学反应顺利进行,适宜的反应温度是非常重要的外部条件。即使在一些采用物理方法处理的生产过程中,提高或降低物料的温度,也有利于获得更好的处理效果(如传质过程等)。因此,在工艺流程中,常需要将低温流体加热或将高温流体冷却,将液体汽化成气体或将气体冷凝成液体,这些过程都与热量传递密切相关,都可通过换热设备来实现。在化工厂中,换热设备的投资约占总投资的10%～20%;在石油加工装置的建设中,约占设备总投资的35%～40%。近年来,随着节能技术的发展,换热设备在工业余热回收和热能综合利用方面带来了显著的经济效益,某石化装置换热器参数见表1所列。

表1 某石化装置换热器参数

1.2 换热器的分类

换热器的种类较多,按不同的功能分为以下几种:

1)预热器。用于流体的预热,以提高整套工艺装置的效率,常用在塔进料或反应器进料上。常与加热器共同使用。

2)加热器。用于把流体加热到所需温度,被加热流体在加热过程中不发生相变,常与预热器共同使用。

3)过热器。用于加热饱和蒸汽,使温度达到过热状态,常用于公用工程或者余热锅炉。如中压锅炉水经过加热炉加热成中压饱和蒸汽,之后再次加热至中压过热蒸汽。

4)蒸发器。用于加热液体,使液体蒸发汽化。

5)再沸器。为蒸馏过程的专用设备,用于加热已被冷凝的液体,使液体再受热汽化,常设置于塔底。如塔底两端的再沸器。

6)冷却器。用于冷却流体,使流体达到所需要的温度,常见于塔顶,也就是常提到的“空冷”和“水冷”。

2 智能化换热器设备常用数据采集技术

2.1 OPC采集技术

OPC采集技术是通过建立OPC服务器,从DCS中采集数据,再转发至PHD实时数据库中。这种方式需要用1台工控机作为数据采集工作站,通过OPC协议与DCS进行数据通信,并且仅从DCS中读取需要的数据而不进行任何的写入操作。其中,OPC协议是一种通用的数据通信协议,可以实现设备数据的读取和写入,支持OPC DA(data access)和OPC UA(unified architecture)两种通信标准。

安装和配置OPC服务器和客户端的具体步骤可能因不同的软件和设备而有所差异,但一般可以参考以下的流程:

1)在OPC服务器和客户端的计算机上,分别安装相应的OPC软件,如Kepware,MatrikonOPC等。确保2台计算机可以通过网络或本地连接通信,并且有相同的账户名和密码。

2)在OPC服务器的计算机上,配置与PLC设备的通信,如串口,以太网,板卡等。根据设备的协议,添加相应的设备和通道,创建标签(Tag)来绑定设备的数据点,并设置采集频率和数据类型等参数。

3)在OPC服务器和客户端的计算机上,配置分布式组件对象模型(DCOM)的安全性设置,如身份验证级别、访问权限、启动和激活权限等,确保OPC服务器和客户端之间可以通过DCOM进行数据交换。

4)在OPC客户端的计算机上,连接OPC服务器,并浏览其公开的标签,根据需要,读取或写入设备数据,并进行相应的处理或存储。

2.2 工业物联网数据采集技术

工业互联网数据采集技术是指在工业生产过程中,利用各种传感器、控制器、通信网络等技术,从工业设备和环境中获取数据的技术。根据不同的通信网络,工业物联网数据采集技术可以分为有线和无线两种。有线的数据采集技术主要有工业现场总线、工业以太网、工业光纤网络等,无线的数据采集技术主要有TSN,NB-IoT,4G/5G等。

其中,一种比较新颖的数据采集技术是基于MQTT协议的数据采集技术。MQTT是一种物联网标准消息传递协议,具有轻巧高效、双向通信、可靠的消息传递、支持不可靠网络、安全等特点。一些主流的PLC厂商已经在PLC中集成了MQTT协议,可以实现设备数据的实时上报和下发,无需额外的边缘网关设备。基于MQTT协议的数据采集技术可以实现精简资源配置、毫秒级时间戳、数据点灵活配置等优势,并且可以与云端的数据分析和建模相结合,实现决策优化和智能调度等应用场景。

2.3 MQTT协议和OPC协议的区别

MQTT协议和OPC协议的区别主要在于它们的使用场景和通信模式。MQTT是一种物联网标准消息传递协议,适合于低带宽、不可靠网络、低资源设备之间的数据传输,采用发布/订阅的模式。OPC是一种工业通信标准,适合于工业设备之间的数据交换,采用请求/响应或订阅/发布的模式。

MQTT和OPC协议比较的优缺点主要有以下几点:

1)MQTT协议的优点是轻量级,占用带宽少,适用于低资源设备和低延迟网络,支持发布/订阅模式和三种服务质量等级,具有很高的灵活性和可扩展性。缺点是不支持文件和音视频传输,不支持与第三方HTTP集成,不支持负载均衡和用户管理界面,不支持脱机消息补偿和点对点通信,不支持群组通信或群组管理,不包含安全或认证相关的措施。

2)OPC协议的优点是独立于平台和语言,支持客户端/服务器模式和发布/订阅模式,提供了一致且集成的地址空间和服务模型,支持数据,警报和事件的集成访问,提供了安全性机制和数据类型定义,寻求统一不同制造商的设备之间的操作方式。缺点是协议头部较大,占用带宽多,适用于高资源设备和高可靠网络,实现较为复杂,需要专业的开发人员和工具。

两者的关系并不是对立或替代,而是可以相互补充和结合,实现设备数据的采集和控制。一种常见的方式是使用OPC UA作为设备层和服务层的通信协议,将不同类型的设备数据统一到一个地址空间和服务模型中,然后使用MQTT作为数据层和应用层的通信协议,将设备数据发布到云端或其他订阅者。另一种方式是使用MQTT作为设备层和服务层的通信协议,将设备数据直接发布到MQTT服务器,然后使用OPC UA作为服务层和应用层的通信协议,通过客户端/服务器模式或发布/订阅模式访问MQTT服务器上的数据。这两种方式都可以实现Web端通过MQTT与OPC协议实现设备交互控制。

3 换热器运行数据分析技术

换热器运行过程中需要对换热器中冷流和热流的流量、温度和压力等数据进行分析。通过结合换热器的几何尺寸和冷热流的物性数据,应用换热器分析工具和算法模型,实现换热器冷流和热流的流速计算、换热器传热系数和换热效率计算、换热器的污垢热阻计算及趋势预测和换热器内部流量分布模拟等功能,实现全方位掌握换热器运行情况的目标。

3.1 数据分析的工具

可用于换热器运行数据分析的工具有很多,根据不同的数据类型、分析目的和应用场景,可以选择合适的工具。常用的数据分析工具介绍如下:

1)MATLAB软件。该软件是一套集成的数学计算、可视化和编程环境,可以处理各种类型的数据,如传感器数据、视频数据、图像数据等。MATLAB可以实现数据预处理、统计分析、机器学习、信号处理、图像处理、控制系统设计等功能,适用于石油化工领域的过程控制、预测性维护、智能控制等场景。MATLAB的优点是功能强大、易于使用、支持多种数据类型和分析方法,缺点是收费较高、不太适合处理大规模数据和分布式计算。

2)Python软件。该软件是一种通用的编程语言,可以实现各种类型的数据分析任务。Python有丰富的数据分析相关的库和框架,如NumPy,Pandas,SciPy,Scikit-learn,TensorFlow等,可以实现数据处理、数值计算、机器学习、深度学习等功能,适用于石油化工领域的各种复杂和高级的数据分析场景。Python的优点是通用性强、开源免费、有丰富的数据分析相关的库和框架、适用于各种复杂和高级的数据分析场景,缺点是学习曲线较陡峭、需要一定的编程基础和逻辑思维能力。

3.2 数据分析的算法

换热器运行数据分析的算法有很多,需要通过算法对现场仪表采集的换热器中冷流和热流的流量、温度和压力等数据进行分析,并需要根据不同的应用场景和目的选择不同的算法。常用算法如下:

1)主成分分析(PCA)。该方法是一种基于数据驱动的方法,可以利用现有的检测变量来预测和监控换热器的健康状态。PCA可以降低数据的维度,提取主要的特征变量,建立换热器的预测模型。

2)有效度—传热单元数法。该方法是一种基于热力学第二定律的方法,可以用流体间实际换热量与最大可能换热量之比来定义换热器的有效度。有效度反映了换热器性能,可以用来分析和比较不同类型和流动方式的换热器。

3)对数平均温差法。该方法是一种基于传热系数和传热面积的方法,可以用两流体间的对数平均温差来计算换热器的热量传递方程。对数平均温差法适用于单流程的顺流或逆流换热器,对于叉流和多流程换热器,需要乘上一个修正因子。

4 换热器相关智能化运维系统

在实际生产过程中,换热器的平稳运行会面临许多挑战,如结垢、腐蚀、泄漏、振动等问题,这些都会导致换热器的性能下降,甚至影响整个生产装置的效率、安全和可靠性。因此,在换热器运行和运维的过程中应用智能化运维系统,实现换热器状态的实时监测、故障诊断和性能优化等功能,为石化装置实现长周期平稳运行的目标提供保障。目前,换热器相关智能化运维系统主要有以下三种。

4.1 换热器远程监控系统

换热器远程监控系统是一个基于实时数据库和换热器计算模型,实现换热器数据收集、传输、存储和分析的系统。远程监控系统主要依托于OPC接口技术、实时数据库技术、换热器机理建模技术,能够实现数据自动获取、换热器基本数据展示、传热计算、数据分析、预估清洗周期和故障报警等功能[3]。该系统主要作用如下:

1)实时在线监测换热器的各项关键运行参数,如温度、压力、流速等,并通过换热器机理模型,计算换热器的传热系数、热效率和污垢热阻等参数;当任何参数偏离正常范围时,系统能够通过短信等方式及时提醒操作人员或管理人员。

2)记录换热器运行的历史数据并与智能诊断系统集成实现数据挖掘和统计分析;通过找到数据的变化趋势和数据之间的相关性,发现识别换热器运行过程中的潜在问题或风险[4]。

3)降低人工检查和监测的劳动成本,避免人为的原因造成数据记录错误;避免操作和维护人员直接接触高温或高压换热器,提高了人员的安全性和便利性。

4.2 换热器智能诊断系统

换热器智能诊断系统是一个能够根据远程监控系统或其他相关系统的数据,应用人工智能技术,如机器学习、深度学习、神经网络、模糊逻辑、专家系统和遗传算法[5],实现换热器故障自动诊断的系统[6]。该系统主要作用如下:

1)依托自身的算法和大数据库,准确、快速地识别换热器的故障类型,判断故障发生位置、原因和严重程度,为故障恢复或预防提供及时有效的解决方案或建议,有效减少维修成本和停机时间。

2)该系统可以从以往的故障诊断案例或经验中学习,并随着时间的推移提高其准确性和可靠性。该系统还能适应不同类型或型号的换热器和不同的运行条件或环境。

4.3 三维数字化工厂系统

三维数字化工厂系统是一个生产技术资料及信息资源的集成平台,运用三维建模技术及系统集成技术,建立石油化工工厂的数字孪生模型,将抽象的二维工程图纸立体化、实体化、结构化,以设备、管线、阀门等模型实体为载体,实现了生产运行管理、安全管理、设备管理等多种功能[7]。该系统能够实现换热器模型与设计资料(包括: 技术条件、装配图、零部件图、管束图等)、采购资料(包括: 压力容器制造许可证、压力容器监察证书、热处理报告、铭牌复印件等)、施工资料(包括: 安装检验记录、换热设备耐压和严密性试验记录等)和过往的运维资料(包括: 维修工单、现场照片和处理方案)的一一关联,同时与设备检修系统集成[8],实现换热器设备的设计、制造、安装和运维的全生命周期的数字化管理。该系统在换热器的运行和维护过程中的主要作用如下:

1)高精度的三维数字化工厂模型能够以逼真和互动的方式展示实际换热器的尺寸和结构,可以帮助用户在实际安装或在安装之前实现对换热器设计的验证或优化。

2)该系统可以将远程监控系统的数据整合到换热器的虚拟模型中,结合设计资料、采购资料、施工资料和过往的运维资料等静态数据,更直观和全面地展示换热器的当前状态;与换热器智能诊断系统功能集成实现智能故障预警和诊断,并提供相应的解决方案。

3)该系统可以为操作和维护人员或管理人员提供一个培训平台,以虚拟的方式拆卸换热器,帮助员工了解换热器内部构造和运行原理,提高操作人员的专业技术水平。

5 结 论

本文主要阐述了适用于石化装置的换热设备的智能化方法与系统,详细说明了基于MQTT和OPC协议的两种数据采集方法以及PCA分析、有效度-传热单元数法、对数平均温差法等三种用于换热器运行状态分析的算法,介绍了三种基于信息技术的换热器智能化运维系统,并得出以下结论:

1)MQTT和OPC是数据采集常用的两种协议,它们的关系并不是对立或替代,而是可以相互补充和结合,实现设备数据的采集和控制。

2)换热器数据分析的常用算法是PCA分析、有效度-传热单元数法、对数平均温差法,通过应用MATLAB或Python软件实现换热器运行状态的实时分析。

3)换热器智能化运维系统可以实现对换热器的全面、实时、准确、可视化的监测、控制、诊断和优化,能够有效提高换热器的运维水平和效果,降低换热器的运维成本和风险,提高换热器的运行效率和安全性。这些系统对于提升工业生产的智能化水平和竞争力具有重要的意义和价值。