基于ＤＣＳ的换热器性能实时在线监测预报系统

摘要：企业的生存与发展离不开先进控制技术和信息技术的集成。以某化学工业生产企业聚丙烯生产过程中的核心设备—— 丙烯－水换热器上的基于ＤＣＳ的实时在线监测预报系统为研究对象，探索一种实时设备性能在线监测预报系统的数学和搭建方法的具体应用，提高各个装置的生产效率，降低生产和检修成本，提高安全生产水平，促进生产组织水平的提高。

关键词： 实时， 在线， 监测预报， ＤＣＳ， 换热器

随着生产装置自动化和信息化程度的提高， ＰＬＣ、ＤＣＳ 系统的数据已经实现了网络共享， 这使得各种设备状态的监测成为可能。由于装置运行工况的频繁变化， 采用人工观测方法难以确定设备的工作状态。状态监测（ 检修） 的方法在过去难以实现。

丙烯－水换热器是聚丙烯生产装置中的重要换热设备，该设备换热性能在很大程度上影响到装置运行的稳定性、可靠性和生产过程的经济性。由于在生产过程中， 换热器水侧（壳程） 或物料侧（丙烯，走管程）的结垢或污染都可能造成换热热阻的增加，导致工艺参数达不到技术要求及循环水动力的消耗大量增加。为了避免此类问题的出现，通常在定期检修时对换热设备进行清洗，但是这需要装置停车才能进行，从而减少了装置的有效工作时间，造成大量的浪费。如果能够在设备运行过程中判断出换热器的工作状态，并据此制订检修计划，就可以充分延长设备的检修周期，降低检修成本，更重要的是可以减少装置的停运时间，提高生产过程的经济性。可以依据聚丙烯生产实时数据，对丙烯－ 水换热器的运行状态进行状态监测分析和性能预报，随时提供换热器的工作性能指标，对其中长期的变化趋势进行预报，并制订相应的检修计划。

１ 在线监测预报系统架构

换热器性能在线监测和预报系统定义的功能如下：

数据获取功能：软件具备从实时系统中获取换热器相关数据的机制；

计算功能：基于获取的数据和换热器的基本理论模型，软件具备换热器技术指标的计算功能；

预报功能：软件具有依据经典统计理论和历史数据对换热器性能指标进行预报的功能；软件具有依据灰色统计理论对换热器指标进行短期预报的功能；

网络功能：软件能够在被授权的厂内站点上执行，用户可以调阅换热器性能指标的实时数据和历史数据，并可以对上述指标进行预报；

报警功能：当性能指标超越设定的技术界限后，应及时发出报警信息。

１．１ 系统测点

丙烯－ 水换热器的工艺目的是将高温丙烯冷却并实现初步的气液分离，然后进入下一工艺。如图 １。技术指标：

１） 换热器物料数据采集周期一般不大于 ３０ｓ，物料热性质和换热器性能计算周期不大于 ２５ｓ；

２）历史数据记录周期为 １ｍｉｎ，保留 ５ 年；

３）报表和重要状态变动记录长期保存；

４）软件系统本地网络环境下操作响应时间不大于１０ｓ；

５）数据采集和分析结果可重复性不小于９５％；

６）支持授权的多用户查询。

１．２ 系统构成方式

从ＤＣＳ取出的换热器的状态数据、物料成分及流量数据进入本系统中的服务器，各工作站从服务器上获得数据并下载相应的计算组件，在本地 进行计算分析。系统硬件结构如图 ２。

系统软件构成方式如图 ３。

１．３ 数据采集、接口与数据库

现场仪表层采集的基本电信号或者数字信号通过各种现场总线传入控制系统， 如 ＤＣＳ、ＰＬＣ、ＲＴＵ、ＥＳＤ， 再通过这些控制系统与数据库的接口（ 如 ＯＰＣ 服务器） 由数据库一一记录。这样就可以通过网络对设备的数据进行实时在线分析。

２ 设备关键特征的建模与监测预报方法

关键特征是指影响设备性能的主要指标，不同设备有着不同的关键特征，如在换热器的建模中就是依据采集得来的水侧和物料侧的温度变化建立传热系数或者热阻的模型。

由于采用的是经验数据进行分析，需要在实际的运行中找到装置停车的时机，所以需要提出多种数据趋势的预报方法。换热器性能在线监测预报系统的支撑平台是：

１）换热器在线运行的实时、历史数据库系统；

２）局域网络支撑环境。

２．１ 系统关键特征的建模

作为换热器运行特性监测分析工具， 本系统建模的主要理论依据分别是：

１）热力学理论。包括能量平衡和多元相平衡；

２）传热理论。包括热平衡和换热器性能的计算方法；

３）经典统计理论。包括统计关联和回归分析；

４）灰色统计理论。包括灰色系统模型、灰色关联和灰色回归；

５）统计相似理论。主要包括 Ｒ／Ｓ（极差）分析和发展趋势预报；在系统中主要关注的是换热器的热负荷、平均温差、传热系数及热阻。

２．２ 系统关键特征的监测预报方法

对于趋势分析和预报， 主要涉及以下的数据分析算法：

１）基于经典统计理论的趋势预报模型—— —采用统计回归方法研究传热系数（ 热阻） 中长期变化趋势及速率， 并建立模型；

２）基于 Ｒ／Ｓ 分析的趋势预报模型———采用重标度极差分析方法确定传热系数变化的 Ｈｕｒｓｔ 指数， 并依据该指数确定传热系数的中长期变化趋势；

３）基于灰色系统理论的趋势预报模型———采用灰色系统方法研究传热系 数（热阻）中长期变化趋势及速率， 并建立模型（如图 ４）。

对于换热器管侧压差对传热系数的影响分析， 采用如下算法：统计相关性分析及灰色关联分析——通过滑动区间的相关系数变化趋势研究传热系数与物料侧压差的变化关系， 以期获得换热器物料侧是否堵塞或泄漏的信息。

３ 实时在线监测预报系统的效益

实时设备性能在线监测预报系统的关键在于实时性的实现，由于现在 ＤＣＳ等控制器的普及和数据库网络技术的成熟使得实时技术的实现成为可能。在监测阶段可以实时地在实时数据库中获得 ＤＣＳ 的数据， 可以采用多线程程序， 让一个线程定时地去采集实时数据库中的最新数据， 然后挂起一段时间后重复采集过程， 把采集到的数据直接在实时监测预报软件中显示。对于预报阶段主要注意的是采集数据量的大小对于软件系统性能的影响。在线监测和预报软件的网络运行平台提供运行上述软件的网络硬件和网络环境， 包括用户工作站， 网络路由设备和数据服务器等。

项目实施后， 将带来以下几个方面直接或间接的效益：

１） 调度人员、工艺、设备管理人员、厂领导和公司领导能及时了解换热器的工作状态， 以便于制订科学合理的运行和检修方案；

２）提高整个聚丙烯装置的生产效率， 降低生产和检修成本；

３）促进生产组织水平的提高， 向管理现代化迈进重要的一步；

４）对提高安全生产水平、降低生产成本、增强生产和管理人员素质发挥重要作用。

参考文献

［１］ 温继圆，等．设备监测与诊断技术［Ｍ］．华南理工大学出版社， １９９０

［２］ 王常力，罗安．分布式控制系统（ＤＣＳ）设计与应用实例［Ｍ］．电子工业出版社，２００４

［３］ 施国洪．灰色预测法在设备状态趋势预报中的应用［Ｊ］．中国安全科学学报， ２０００（５）

［４］ 罗益民， 薄翠梅．换热器在线监测仪的研制［Ｊ］．南京工业大学学报（自然科学版），２００４（６）