于子千

(中石油云南石化有限公司,云南 昆明 650000)

換熱器類設(shè)備廣泛應(yīng)用在化工、煉油、食品、輕工、能源、制藥、機(jī)械及其他許多行業(yè)中,是目前石化行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的典型工藝設(shè)備之一。在煉油、化工生產(chǎn)中,絕大多數(shù)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(shè)備來完成,這些使傳熱過程得以實(shí)現(xiàn)的設(shè)備稱為換熱設(shè)備。本文主要闡述適用于石化裝置的換熱設(shè)備的應(yīng)用與分類,重點(diǎn)分析生產(chǎn)裝置中管殼式換熱器的類型、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并簡單介紹三種應(yīng)用于換熱器運(yùn)行和維護(hù)的智能系統(tǒng),有效提升工業(yè)生產(chǎn)的智能化水平,滿足石化裝置長周期運(yùn)行需要[1]。

1 石化裝置常用換熱器的應(yīng)用及分類

1.1 換熱器的應(yīng)用

在石化裝置的生產(chǎn)中,一般都包含化學(xué)反應(yīng)過程,為了使化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行,適宜的反應(yīng)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(chǎn)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(zhì)過程等)。因此,在工藝流程中,常需要將低溫流體加熱或?qū)⒏邷亓黧w冷卻,將液體汽化成氣體或?qū)怏w冷凝成液體,這些過程都與熱量傳遞密切相關(guān),都可通過換熱設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。在化工廠中,換熱設(shè)備的投資約占總投資的10%～20%;在石油加工裝置的建設(shè)中,約占設(shè)備總投資的35%～40%。近年來,隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展,換熱設(shè)備在工業(yè)余熱回收和熱能綜合利用方面帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益,某石化裝置換熱器參數(shù)見表1所列。

表1 某石化裝置換熱器參數(shù)

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(yù)熱器。用于流體的預(yù)熱,以提高整套工藝裝置的效率,常用在塔進(jìn)料或反應(yīng)器進(jìn)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(fā)生相變,常與預(yù)熱器共同使用。

3)過熱器。用于加熱飽和蒸汽,使溫度達(dá)到過熱狀態(tài),常用于公用工程或者余熱鍋爐。如中壓鍋爐水經(jīng)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(fā)器。用于加熱液體,使液體蒸發(fā)汽化。

5)再沸器。為蒸餾過程的專用設(shè)備,用于加熱已被冷凝的液體,使液體再受熱汽化,常設(shè)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(dá)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(shè)備常用數(shù)據(jù)采集技術(shù)

2.1 OPC采集技術(shù)

OPC采集技術(shù)是通過建立OPC服務(wù)器,從DCS中采集數(shù)據(jù),再轉(zhuǎn)發(fā)至PHD實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。這種方式需要用1臺工控機(jī)作為數(shù)據(jù)采集工作站,通過OPC協(xié)議與DCS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,并且僅從DCS中讀取需要的數(shù)據(jù)而不進(jìn)行任何的寫入操作。其中,OPC協(xié)議是一種通用的數(shù)據(jù)通信協(xié)議,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的讀取和寫入,支持OPC DA(data access)和OPC UA(unified architecture)兩種通信標(biāo)準(zhǔn)。

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

1)在OPC服務(wù)器和客戶端的計(jì)算機(jī)上,分別安裝相應(yīng)的OPC軟件,如Kepware,MatrikonOPC等。確保2臺計(jì)算機(jī)可以通過網(wǎng)絡(luò)或本地連接通信,并且有相同的賬戶名和密碼。

2)在OPC服務(wù)器的計(jì)算機(jī)上,配置與PLC設(shè)備的通信,如串口,以太網(wǎng),板卡等。根據(jù)設(shè)備的協(xié)議,添加相應(yīng)的設(shè)備和通道,創(chuàng)建標(biāo)簽(Tag)來綁定設(shè)備的數(shù)據(jù)點(diǎn),并設(shè)置采集頻率和數(shù)據(jù)類型等參數(shù)。

3)在OPC服務(wù)器和客戶端的計(jì)算機(jī)上,配置分布式組件對象模型(DCOM)的安全性設(shè)置,如身份驗(yàn)證級別、訪問權(quán)限、啟動和激活權(quán)限等,確保OPC服務(wù)器和客戶端之間可以通過DCOM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

4)在OPC客戶端的計(jì)算機(jī)上,連接OPC服務(wù)器,并瀏覽其公開的標(biāo)簽,根據(jù)需要,讀取或?qū)懭朐O(shè)備數(shù)據(jù),并進(jìn)行相應(yīng)的處理或存儲。

2.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)是指在工業(yè)生產(chǎn)過程中,利用各種傳感器、控制器、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),從工業(yè)設(shè)備和環(huán)境中獲取數(shù)據(jù)的技術(shù)。根據(jù)不同的通信網(wǎng)絡(luò),工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)可以分為有線和無線兩種。有線的數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要有工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)光纖網(wǎng)絡(luò)等,無線的數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要有TSN,NB-IoT,4G/5G等。

其中,一種比較新穎的數(shù)據(jù)采集技術(shù)是基于MQTT協(xié)議的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。MQTT是一種物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)消息傳遞協(xié)議,具有輕巧高效、雙向通信、可靠的消息傳遞、支持不可靠網(wǎng)絡(luò)、安全等特點(diǎn)。一些主流的PLC廠商已經(jīng)在PLC中集成了MQTT協(xié)議,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上報(bào)和下發(fā),無需額外的邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備?；贛QTT協(xié)議的數(shù)據(jù)采集技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)精簡資源配置、毫秒級時(shí)間戳、數(shù)據(jù)點(diǎn)靈活配置等優(yōu)勢,并且可以與云端的數(shù)據(jù)分析和建模相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)決策優(yōu)化和智能調(diào)度等應(yīng)用場景。

2.3 MQTT協(xié)議和OPC協(xié)議的區(qū)別

MQTT協(xié)議和OPC協(xié)議的區(qū)別主要在于它們的使用場景和通信模式。MQTT是一種物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)消息傳遞協(xié)議,適合于低帶寬、不可靠網(wǎng)絡(luò)、低資源設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸,采用發(fā)布/訂閱的模式。OPC是一種工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn),適合于工業(yè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換,采用請求/響應(yīng)或訂閱/發(fā)布的模式。

MQTT和OPC協(xié)議比較的優(yōu)缺點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn):

1)MQTT協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是輕量級,占用帶寬少,適用于低資源設(shè)備和低延遲網(wǎng)絡(luò),支持發(fā)布/訂閱模式和三種服務(wù)質(zhì)量等級,具有很高的靈活性和可擴(kuò)展性。缺點(diǎn)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(fù)載均衡和用戶管理界面,不支持脫機(jī)消息補(bǔ)償和點(diǎn)對點(diǎn)通信,不支持群組通信或群組管理,不包含安全或認(rèn)證相關(guān)的措施。

2)OPC協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立于平臺和語言,支持客戶端/服務(wù)器模式和發(fā)布/訂閱模式,提供了一致且集成的地址空間和服務(wù)模型,支持?jǐn)?shù)據(jù),警報(bào)和事件的集成訪問,提供了安全性機(jī)制和數(shù)據(jù)類型定義,尋求統(tǒng)一不同制造商的設(shè)備之間的操作方式。缺點(diǎn)是協(xié)議頭部較大,占用帶寬多,適用于高資源設(shè)備和高可靠網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜,需要專業(yè)的開發(fā)人員和工具。

兩者的關(guān)系并不是對立或替代,而是可以相互補(bǔ)充和結(jié)合,實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和控制。一種常見的方式是使用OPC UA作為設(shè)備層和服務(wù)層的通信協(xié)議,將不同類型的設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)地址空間和服務(wù)模型中,然后使用MQTT作為數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層的通信協(xié)議,將設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)布到云端或其他訂閱者。另一種方式是使用MQTT作為設(shè)備層和服務(wù)層的通信協(xié)議,將設(shè)備數(shù)據(jù)直接發(fā)布到MQTT服務(wù)器,然后使用OPC UA作為服務(wù)層和應(yīng)用層的通信協(xié)議,通過客戶端/服務(wù)器模式或發(fā)布/訂閱模式訪問MQTT服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。這兩種方式都可以實(shí)現(xiàn)Web端通過MQTT與OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)備交互控制。

3 換熱器運(yùn)行數(shù)據(jù)分析技術(shù)

換熱器運(yùn)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過結(jié)合換熱器的幾何尺寸和冷熱流的物性數(shù)據(jù),應(yīng)用換熱器分析工具和算法模型,實(shí)現(xiàn)換熱器冷流和熱流的流速計(jì)算、換熱器傳熱系數(shù)和換熱效率計(jì)算、換熱器的污垢熱阻計(jì)算及趨勢預(yù)測和換熱器內(nèi)部流量分布模擬等功能,實(shí)現(xiàn)全方位掌握換熱器運(yùn)行情況的目標(biāo)。

3.1 數(shù)據(jù)分析的工具

可用于換熱器運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的工具有很多,根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型、分析目的和應(yīng)用場景,可以選擇合適的工具。常用的數(shù)據(jù)分析工具介紹如下:

1)MATLAB軟件。該軟件是一套集成的數(shù)學(xué)計(jì)算、可視化和編程環(huán)境,可以處理各種類型的數(shù)據(jù),如傳感器數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等。MATLAB可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理、統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、信號處理、圖像處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等功能,適用于石油化工領(lǐng)域的過程控制、預(yù)測性維護(hù)、智能控制等場景。MATLAB的優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大、易于使用、支持多種數(shù)據(jù)類型和分析方法,缺點(diǎn)是收費(fèi)較高、不太適合處理大規(guī)模數(shù)據(jù)和分布式計(jì)算。

2)Python軟件。該軟件是一種通用的編程語言,可以實(shí)現(xiàn)各種類型的數(shù)據(jù)分析任務(wù)。Python有豐富的數(shù)據(jù)分析相關(guān)的庫和框架,如NumPy,Pandas,SciPy,Scikit-learn,TensorFlow等,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)值計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等功能,適用于石油化工領(lǐng)域的各種復(fù)雜和高級的數(shù)據(jù)分析場景。Python的優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)、開源免費(fèi)、有豐富的數(shù)據(jù)分析相關(guān)的庫和框架、適用于各種復(fù)雜和高級的數(shù)據(jù)分析場景,缺點(diǎn)是學(xué)習(xí)曲線較陡峭、需要一定的編程基礎(chǔ)和邏輯思維能力。

3.2 數(shù)據(jù)分析的算法

換熱器運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的算法有很多,需要通過算法對現(xiàn)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并需要根據(jù)不同的應(yīng)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(shù)據(jù)驅(qū)動的方法,可以利用現(xiàn)有的檢測變量來預(yù)測和監(jiān)控?fù)Q熱器的健康狀態(tài)。PCA可以降低數(shù)據(jù)的維度,提取主要的特征變量,建立換熱器的預(yù)測模型。

2)有效度—傳熱單元數(shù)法。該方法是一種基于熱力學(xué)第二定律的方法,可以用流體間實(shí)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(shù)平均溫差法。該方法是一種基于傳熱系數(shù)和傳熱面積的方法,可以用兩流體間的對數(shù)平均溫差來計(jì)算換熱器的熱量傳遞方程。對數(shù)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(gè)修正因子。

4 換熱器相關(guān)智能化運(yùn)維系統(tǒng)

在實(shí)際生產(chǎn)過程中,換熱器的平穩(wěn)運(yùn)行會面臨許多挑戰(zhàn),如結(jié)垢、腐蝕、泄漏、振動等問題,這些都會導(dǎo)致?lián)Q熱器的性能下降,甚至影響整個(gè)生產(chǎn)裝置的效率、安全和可靠性。因此,在換熱器運(yùn)行和運(yùn)維的過程中應(yīng)用智能化運(yùn)維系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)換熱器狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障診斷和性能優(yōu)化等功能,為石化裝置實(shí)現(xiàn)長周期平穩(wěn)運(yùn)行的目標(biāo)提供保障。目前,換熱器相關(guān)智能化運(yùn)維系統(tǒng)主要有以下三種。

4.1 換熱器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

換熱器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和換熱器計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)換熱器數(shù)據(jù)收集、傳輸、存儲和分析的系統(tǒng)。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要依托于OPC接口技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)、換熱器機(jī)理建模技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動獲取、換熱器基本數(shù)據(jù)展示、傳熱計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、預(yù)估清洗周期和故障報(bào)警等功能[3]。該系統(tǒng)主要作用如下:

1)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測換熱器的各項(xiàng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù),如溫度、壓力、流速等,并通過換熱器機(jī)理模型,計(jì)算換熱器的傳熱系數(shù)、熱效率和污垢熱阻等參數(shù);當(dāng)任何參數(shù)偏離正常范圍時(shí),系統(tǒng)能夠通過短信等方式及時(shí)提醒操作人員或管理人員。

2)記錄換熱器運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)并與智能診斷系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計(jì)分析;通過找到數(shù)據(jù)的變化趨勢和數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)識別換熱器運(yùn)行過程中的潛在問題或風(fēng)險(xiǎn)[4]。

3)降低人工檢查和監(jiān)測的勞動成本,避免人為的原因造成數(shù)據(jù)記錄錯誤;避免操作和維護(hù)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(tǒng)

換熱器智能診斷系統(tǒng)是一個(gè)能夠根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)或其他相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù),應(yīng)用人工智能技術(shù),如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家系統(tǒng)和遺傳算法[5],實(shí)現(xiàn)換熱器故障自動診斷的系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)主要作用如下:

1)依托自身的算法和大數(shù)據(jù)庫,準(zhǔn)確、快速地識別換熱器的故障類型,判斷故障發(fā)生位置、原因和嚴(yán)重程度,為故障恢復(fù)或預(yù)防提供及時(shí)有效的解決方案或建議,有效減少維修成本和停機(jī)時(shí)間。

2)該系統(tǒng)可以從以往的故障診斷案例或經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí),并隨著時(shí)間的推移提高其準(zhǔn)確性和可靠性。該系統(tǒng)還能適應(yīng)不同類型或型號的換熱器和不同的運(yùn)行條件或環(huán)境。

4.3 三維數(shù)字化工廠系統(tǒng)

三維數(shù)字化工廠系統(tǒng)是一個(gè)生產(chǎn)技術(shù)資料及信息資源的集成平臺,運(yùn)用三維建模技術(shù)及系統(tǒng)集成技術(shù),建立石油化工工廠的數(shù)字孿生模型,將抽象的二維工程圖紙立體化、實(shí)體化、結(jié)構(gòu)化,以設(shè)備、管線、閥門等模型實(shí)體為載體,實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)運(yùn)行管理、安全管理、設(shè)備管理等多種功能[7]。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)換熱器模型與設(shè)計(jì)資料(包括: 技術(shù)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(jiān)察證書、熱處理報(bào)告、銘牌復(fù)印件等)、施工資料(包括: 安裝檢驗(yàn)記錄、換熱設(shè)備耐壓和嚴(yán)密性試驗(yàn)記錄等)和過往的運(yùn)維資料(包括: 維修工單、現(xiàn)場照片和處理方案)的一一關(guān)聯(lián),同時(shí)與設(shè)備檢修系統(tǒng)集成[8],實(shí)現(xiàn)換熱器設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)維的全生命周期的數(shù)字化管理。該系統(tǒng)在換熱器的運(yùn)行和維護(hù)過程中的主要作用如下:

1)高精度的三維數(shù)字化工廠模型能夠以逼真和互動的方式展示實(shí)際換熱器的尺寸和結(jié)構(gòu),可以幫助用戶在實(shí)際安裝或在安裝之前實(shí)現(xiàn)對換熱器設(shè)計(jì)的驗(yàn)證或優(yōu)化。

2)該系統(tǒng)可以將遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合到換熱器的虛擬模型中,結(jié)合設(shè)計(jì)資料、采購資料、施工資料和過往的運(yùn)維資料等靜態(tài)數(shù)據(jù),更直觀和全面地展示換熱器的當(dāng)前狀態(tài);與換熱器智能診斷系統(tǒng)功能集成實(shí)現(xiàn)智能故障預(yù)警和診斷,并提供相應(yīng)的解決方案。

3)該系統(tǒng)可以為操作和維護(hù)人員或管理人員提供一個(gè)培訓(xùn)平臺,以虛擬的方式拆卸換熱器,幫助員工了解換熱器內(nèi)部構(gòu)造和運(yùn)行原理,提高操作人員的專業(yè)技術(shù)水平。

5 結(jié) 論

本文主要闡述了適用于石化裝置的換熱設(shè)備的智能化方法與系統(tǒng),詳細(xì)說明了基于MQTT和OPC協(xié)議的兩種數(shù)據(jù)采集方法以及PCA分析、有效度-傳熱單元數(shù)法、對數(shù)平均溫差法等三種用于換熱器運(yùn)行狀態(tài)分析的算法,介紹了三種基于信息技術(shù)的換熱器智能化運(yùn)維系統(tǒng),并得出以下結(jié)論:

1)MQTT和OPC是數(shù)據(jù)采集常用的兩種協(xié)議,它們的關(guān)系并不是對立或替代,而是可以相互補(bǔ)充和結(jié)合,實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和控制。

2)換熱器數(shù)據(jù)分析的常用算法是PCA分析、有效度-傳熱單元數(shù)法、對數(shù)平均溫差法,通過應(yīng)用MATLAB或Python軟件實(shí)現(xiàn)換熱器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析。

3)換熱器智能化運(yùn)維系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對換熱器的全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可視化的監(jiān)測、控制、診斷和優(yōu)化,能夠有效提高換熱器的運(yùn)維水平和效果,降低換熱器的運(yùn)維成本和風(fēng)險(xiǎn),提高換熱器的運(yùn)行效率和安全性。這些系統(tǒng)對于提升工業(yè)生產(chǎn)的智能化水平和競爭力具有重要的意義和價(jià)值。