Кручинин Д.С., д.т.н. Цыганков М.П.

Ярославский государственный технический университет, Россия

Возможности функционального диагностирования высокотемпературных теплообменников

В условиях интенсификации технологических процессов используемая в них теплообменная аппаратура зачастую работает в условиях предельных тепловых нагрузок. Примером могут служить рекуперативные теплообменники крупнотоннажного производства технического углерода, предназначенные для охлаждения высокотемпературного аэрозоля получаемого в реакторах и подогрева воздуха необходимого для осуществления реакторного процесса.

Температура аэрозоля, (являющегося химически агрессивной средой), после его предварительного охлаждения закалочной водой на отечественных предприятиях колеблется в пределах 750 - 900 ˚С при расходах теплоносителей порядка 80000 м³/ч. В таких жестких условиях эксплуатации необходим контроль технического состояния, как оборудования, так и средств измерения параметров технологического режима с целью предотвращения аварийных ситуаций.

В крупнотоннажном непрерывном производстве целесообразно применение методов функциональной диагностики [1], позволяющих выявлять неблагоприятные тенденции в состоянии оборудования в процессе его рабочего функционирования. В [2] рассматриваются приемы диагностирования на основе математического моделирования теплообменных аппаратов работающих по прямоточной или противоточной схемам движения теплоносителей. Авторы предлагают использовать средства автоматизации, обычные для промышленной эксплуатации технологических аппаратов.

Однако условия осуществления процессов в описанных выше условиях требуют более сложной организации тепловых потоков (см. рисунок 1). Воздух предварительно подается в высокотемпературную зону теплообменника, чем обеспечивается тепловая защита трубного пучка и трубной плиты в этой зоне. Лишь затем он направляется встречно движению аэрозоля, причем с применением поперечной схемы перемещения в пределах одной ячейки в целом «ячеечного» движения в межтрубном пространстве.

Для составления диагностической модели принимаются допущения об идеальном перемешивании в пределах ячейки и пренебрежимой малости потерь тепла в окружающую среду.

Уравнения теплового баланса воздуха и аэрозоли для первой ячейки соответственно имеют вид (1) и (2):

G_В·С_В·T+К·S·(T–T) = G_В·С_В·T (1); G_А·С_А·T–К·S·(T–T ) = G_А·С_А·T (2)

где T, Т- температуры поступающего в теплообменник и выводимого из него воздушного потока; Т, T- температуры аэрозоля входящего и покидающего трубное пространство теплообменника; G_А, G_В - массовые расходы аэрозоля и воздуха; С_А, С_В - удельные теплоемкости потоков аэрозоля и воздуха; К и S - коэффициент и поверхность теплопередачи.

Преобразуя выражения (1) и (2) получаем уравнения для расчета температур на выходе ячейки. Для i-ой ячейки выражения примут вид (3) и (4).

T = (4)

T = T + (5)

где i= ; T, T, – температуры воздушного потока на входе и выходе из i-ой ячейки; T, T – температуры потока аэрозоля на входе и выходе из i-ой ячейки. Для i=N в выражении (5) в соответствии с характером ввода аэрозоля в N-ю ячейку из первой должно быть T= T.

Система уравнений модели решается итеративно и позволяет после идентификации коэффициента К рассчитывать температуры T, T по заданным T, T. Для выполнения первого (j=1) шага итераций в выражениях (5), (6) при i = 2 следует задать начальное приближение T= T₁. Последовательно увеличивая i (на первом шаге итерации (j=1)), находим из (5) при i= N значение T, которое, вообще говоря, не совпадает со значением, найденным из (3) T≠T. На последующих шагах итерации выбирается последовательность значений T_j, минимизирующая функцию F(d) невязки (разности) d= T – T до требуемого значения точности ½d½.

Возможностью сопоставления результатов расчета и измерений значений температур потоков на выходе из теплообменника T, T (аналитической избыточностью) определяются диагностические свойства модели. При несовпадении (с точностью до ошибки моделирования и класса точности измерительного прибора расчетного и измеренного значений T, или T) делается заключение о неисправности соответствующего тракта контроля. При несовпадении обоих (T, и T) измеренных значений с расчетными уточняется источник неисправности последовательным подбором значений T, T, К. Если расчетные и измеренные значения T, и T совпадут при некотором значении одной из трех подбираемых переменных соответствующий источник неисправности считается обнаруженным.

Ниже приведена таблица расчета промышленных режимов эксплуатации теплообменника с результатами имитации неисправностей по каждому из указанных выше возможных источников дефектов. Имитация выполняется смещением параметра относительно его значения в исправном состоянии.

Таблица 1 – значения температур на выходе теплообменника

Неисправность	Теплоноситель	Расчетное зн.	Эксперим. зн.	Невязка
Норм. сост.	Воздух	728	727	1
	УГС	691	708	17
Датчик T (-50˚С)	Воздух	728	727	1
	УГС	691	650	41
Изменение К (-10 )	Воздух	668	727	59
	УГС	724	708	16

Таким образом, при выборе системы автоматического контроля температур потоков на входе и выходе из теплообменника все перечисленные возможные источники неисправности могут диагностироваться с использованием описанного алгоритма.

Литература:

1. Мироновский, Л.А. Приборы и системы: управление, контроль, диагностика - 2002, №5. - стр. 52-57.

2. Бойков С.Ю. Структурная организация функционального диагностирования автоматизированных тепловых объектов и систем – 2008, - 186 стр.