Модель функциональной диагностики высокотемпературных теплообменников Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Керамическая промышленность. Обзорная информ. М.: ВНИИЭСМ. 1988. Вып. 1. С. 1-68. 10. Бровкова Н.Н., Бровкова В.Н. // Стекло и керамика. 1979. № 1. С. 21-22.

1. Шильцина А.Д., Селиванов В.М. Керамические строительные материалы из зернистых отходов промышленности Хакасии // Пр-сть строит. материалов. Сер. 5. Керамическая пр-сть. Экспресс-обзор. М.: ВНИИЭСМ. 2000. Вып. 3-4. С. 3-14.

Кафедра промышленного и гражданского строительства

УДК 621.9

М.П. Цыганков, Д.С. Кручинин

МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ

ТЕПЛООБМЕННИКОВ

(Ярославский государственный технический университет) e-mail: cigg@rambler.ru

Рассматриваются вопросы диагностики тепловой аппаратуры в условиях её нормального функционирования. Приводится модель теплообменника с поперечно-противоточной схемой движения теплоносителей, предназначенная для мониторинга его технического состояния по данным автоматизированного контроля технологического режима.

Ключевые слова: теплообменник, нормальное функционирование, модель, мониторинг технического состояния

В условиях интенсификации технологических процессов используемая в них теплообмен-ная аппаратура зачастую работает в условиях предельных тепловых нагрузок. Примером могут служить рекуперативные теплообменники в крупнотоннажном производстве технического углерода. Они предназначены для охлаждения высокотемпературного аэрозоля, получаемого в реакторах и подогрева воздуха, необходимого для осуществления реакторного процесса.

Температура аэрозоля после его предварительного охлаждения закалочной водой на отечественных предприятиях колеблется в пределах 750 - 900°С при расходах теплоносителей порядка 80000 м3/ч. В литературе [1] приведена информация о теплообменниках фирмы «АМот» («Альстом»), обеспечивающих нагрев воздуха до 900°С при температуре аэрозоля на входе в подогреватель порядка 1300°С. В таких жестких условиях эксплуатации необходим контроль технического состояния, как оборудования, так и средств измерения параметров технологического режима с целью предотвращения аварийных ситуаций.

На рис. 1, 2, заимствованных из [1], изображены схемы высокотемпературных рекуперативных теплообменников, использующихся в промышленности технического углерода.

В крупнотоннажном непрерывном производстве целесообразно применение методов функциональной диагностики [2], позволяющих выявлять неблагоприятные тенденции в состоянии оборудования в процессе его рабочего функционирования. В [3] рассматриваются приемы диагностирования теплообменных аппаратов, работающих по прямоточной или противоточной схемам движения теплоносителей. Диагностирование выполняется на основе математического моделирования этих аппаратов. Авторы предлагают использовать средства автоматизации, обычные для их промышленной эксплуатации.

Однако условия осуществления процессов в описанных выше условиях требуют более сложной организации тепловых потоков. Схема движения тепловых потоков анализируемого типа аппаратов изображена на рис. 3. Характер движения потоков принимается соответствующим варианту аппарата, изображенному на рис 1. Серыми стрелками указывается направление охлаждаемого аэрозоля, белыми - общее направление движения нагреваемого воздуха, фигурными - огибание воздухом перегородок в межтрубном пространстве. В отличие от схем прямоточного и противо-точного движения потоков, рассмотренных в [3], воздух в высокотемпературных аппаратах предварительно подается в "горячую" зону теплообмен-

ника, чем обеспечивается тепловая защита трубного пучка и трубной плиты в этой зоне. Лишь затем он направляется встречно движению аэрозоля. Повышение эффективности теплопередачи в пределах одной ячейки, в целом «ячеечного» движения в межтрубном пространстве, достигается направлением нагреваемого воздуха приблизительно перпендикулярно трубному пучку, что наглядно иллюстрируется рис. 2а и 2б.

JAjLUUf

J ;

t:

КЦфХ

А^лгЛЬ от /Bduqot

б

Рис.1. Конструкция (а) подогревателя ПВ-85 (ПВ-53, ПВ-185) и схема движения (б) воздуха относительно расположения перегородок

Fig. 1. The construction of heater PV-85 (PV-53, PV-185) (a) and movement scheme of air (б) relatively disposition of partitions

ft

Аврсвсеь на

датЬН5ЙШЭ5

ахланфвние

Гортий воздух к реекюру м

о-Е

Аэрсвсуъог рззкгсрз ._

^—с

i

Х<УК>ДНЫИ всвдух

loyjyjr НЯ OiVTBFiy^CtlHC

rpydtictj решетки

Рис. 2. Принципиальная схема (а) воздухоподогревателя фирмы «Алстом» (ALSTOM) и схема (б) движения воздуха относительно расположения перегородок. 1 - охлаждаемая трубная решетка в виде камеры; 2 - трубный пучок; 3 - перегородки, направляющие движение воздуха в межтрубном пространстве

Fig. 2. The scheme in principle of air heater (a) of ALSTOM firm and scheme of air movement relatively disposition of partitions.

1 - cooling tube grating in form of camera; 2 - tube bunch; 3 - partitions directing an air movement into inter tube space

Аэрозоль

Тв

Воздух <—-—

Воздух

Тв

i-я ячейка

ZJL

М

N-1 ячейка

Щ]

N-я ячейка

1 -я ячейка

1

2-я ячейка

Та

Та

Аэрозоль

Рис. 3. Организация ячеечного движения теплоносителей Fig. 3. Organization of cell movement of heat carriers

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

Уравнения теплового баланса воздуха и аэрозоли для первой ячейки соответственно имеют вид:

0 11 1 ОвСв-Тв+К8-(Та-Тв) = Ов-Св-Гв, (1)

ОаСа-Та-К-НТа-Г в) = Оа-Са-Та, (2)

01

где Тв, Тв - температуры поступающего в теплообменник и выводимого из его первой ячейки воз-

01

душного потока; Та, Та - температуры аэрозоля входящего и покидающего трубное пространство теплообменника в первой ячейке; Оа, Ов - массовые расходы аэрозоля и воздуха; СА, СВ - удельные теплоемкости потоков аэрозоля и воздуха; К и 5" -коэффициент и поверхность теплопередачи.

Преобразуя уравнения (1) и (2), получаем выражения для расчета температур на выходе ячейки:

1 _ ОаСа (ОвСв+К8)Та0 + ОвСвК5Тв0 Та —

ОАСА (ОВСВ+КБ) + ОВСВК S ' rJ ОВСВ (ОАСА + КБ)Тв0 + OACAKSTA0 Тв = ОВСВ (ОАСА + КБ) + ОАСАК S

(3)

(4)

С учетом направлений движения потоков для /-ой ячейки уравнения тепловых балансов и выражения для расчетных значений температур

примут вид, соответственно:

/-1 / / / Ов'Св'Тв - К-5-(Та-Тв) = Ов'Св'Тв;

Оа'Са'Т a -KS-(Ta-T в) - Оа'Са'Та,

T а - Та,. +-

ОвСвКБ(Твг-1 - Tai)

Тв -

ОаСа (КБ -ОвСв) ' (КбТа, - ОвСвТвг-0 (КБ - ОвСв) ,

(5)

(6)

,-1

где /= 2, N Т в , Тв, - температуры воздушного

/+1 /

потока на входе и выходе из /-ой ячейки; Т а , Та -температуры потока аэрозоля на входе и выходе из /-ой ячейки. Для /=Л в выражении (5) в соответствии с характером ввода аэрозоля в Л -ю ячей-

n+1 1

ку, из первой должно быть Т а = Та,.

Система уравнений модели решается итеративно и позволяет после идентификации коэф-

n n

фициента К рассчитывать температуры Тв, Та по

00

заданным Тв, Та. Для выполнения первого (/=1)

шага итераций в выражениях (5), (6) при / = 2 сле-

2 2

дует задать начальное приближение Та= ТА1. Последовательно увеличивая / (на первом шаге итерации (/=1)), находим из (5) при /= N значение

n+1

Т а1, которое, вообще говоря, не совпадает со зна-

1 n+1

чением, найденным из (3) ТАфТ а1. На последующих шагах итерации выбирается последователь-

2

ность значений Та/, минимизирующая функцию

1 n+1

F(5) невязки (разности) 5- Та - T А до требуемого значения точности |d| .

Возможностью сопоставления результатов расчета и измерений значений температур потоков

n n

на выходе из теплообменника Тв, Та (аналитической избыточностью) определяются диагностические свойства модели. При несовпадении (с точностью до ошибки моделирования и класса точности измерительного прибора расчетного и измеренного

nn

значений Тв, или Та) делается заключение о неисправности соответствующего тракта контроля. При

n n

несовпадении обоих (Тв, и Та) измеренных значений с расчетными уточняется источник неисправ-

0

ности последовательным подбором значений Тв,

0n

Та, К. Если расчетные и измеренные значения Тв, и

n

Та 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

Значения температур на выходе теплообменника Table. Temperature values at heat exchanger outlet

Неисправность Теплоноситель Расчетное зн. Эксперим. зн. Невязка

Норм. Воздух 728 727 1

сост. Аэрозоль 691 708 17

1 Датчик ТА (-50°С) Воздух 728 727 1

Аэрозоль 691 650 41

Изменение К Воздух 668 727 59

вт (-10 2 ) v м -град' Аэрозоль 724 708 16

0 ДатчикТв (-50°С) Воздух 714 727 13

Аэрозоль 673 708 35

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. Орлов В.Ю., Комаров А.М., Ляпина Л. А. Производство и использование технического углерода для резин. Ярославль: Изд-во Александр Рутман. 2002. 512 с.

2. Мироновский Л.А. // Приборы и системы: управление, контроль, диагностика. 2002. №5. С. 52-57.

3. Бойков С.Ю. Структурная организация функционального диагностирования автоматизированных тепловых объектов и систем. 2008. 186 с.

Кафедра кибернетики