在化工生產(chǎn)過程中，冷凝器是一種重要的換熱設(shè)備，廣泛應(yīng)用于熱交換過程中。 然而，由于工藝介質(zhì)中的雜質(zhì)、 沉淀物及冷凝結(jié)晶等影響，冷凝器管板和換熱管容易形成污垢累積，導(dǎo)致傳熱效率降低、能耗增加、設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)提升。 因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測冷凝器的性能，并預(yù)測污垢的形成和積累程度，對于化工企業(yè)提高生產(chǎn)效率、延長設(shè)備壽命、降低維護(hù)成本具有重要意義。

傳統(tǒng)的定期維修策略雖然在一定程度上可以提高生產(chǎn)設(shè)備的安全性，但也增加了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用和時(shí)間。 隨著信息化水平的提高、多學(xué)科融合的智能化技術(shù)的發(fā)展， 基于復(fù)雜系統(tǒng)可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的考慮，以預(yù)測技術(shù)為核心的故障預(yù)測和健康管理 （ Prognostics and Health Man-agement ， PHM ） [1] 策略得到越來越多的重視和應(yīng)用，

可幫助企業(yè)從事后維護(hù)、 定期維護(hù)轉(zhuǎn)向基于狀態(tài)監(jiān)測的預(yù)知性維修策略管理模式，進(jìn)而向改善維修、視情維修發(fā)展升級 [2] 。

系統(tǒng)級的 PHM 發(fā)展起源于 20 世紀(jì) 80 年代的英國，應(yīng)用于 AH-64 阿帕奇、 UH-60 直升機(jī)的健康管理。 在化工過程的生產(chǎn)運(yùn)行中，生產(chǎn)現(xiàn)場主要的設(shè)備診斷方法集中在現(xiàn)場直接監(jiān)測、 振動檢測、噪聲檢測、無損檢測技術(shù)、油液分析、應(yīng)力應(yīng)變測量 [3] 等。 上述方法主要應(yīng)用于化工生產(chǎn)過程中動設(shè)備的監(jiān)測與維護(hù)，對于靜設(shè)備管理的重點(diǎn)主要放在設(shè)備的腐蝕檢測、開裂、形變、斷裂等結(jié)構(gòu)損傷類故障 [4] 。為此，對設(shè)備故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)與使用，提高現(xiàn)場靜設(shè)備的性能指標(biāo)是很有必要的。

對于換熱器結(jié)垢的影響， TRAFCZYNSKI M等學(xué)者將污垢熱阻、傳熱系統(tǒng)等機(jī)理模型，應(yīng)用在原油換熱網(wǎng)絡(luò)的換熱器清垢周期優(yōu)化上 [5] 。 對于聚合物納米級垢層的污垢熱阻對換熱性能的影響， SHARMA N 等學(xué)者證實(shí)了聚合物污垢層與換熱溫差有強(qiáng)相關(guān)關(guān)系 [6] 。 SUNDAT S 等學(xué)者對多種介質(zhì)工況的工業(yè)場景下管殼式換熱器污垢熱阻影響，應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法進(jìn)行了建模分析，并為結(jié)垢預(yù)測提供了一類可遷移的深度學(xué)習(xí)模型 [7] 。

TRAFCZYNSKI M 等對換熱器結(jié)垢過程的動態(tài)響應(yīng)，隨換熱器的 PID 換熱控制進(jìn)行了研究，結(jié)果證明污垢熱阻的變化會對控制參數(shù)的優(yōu)化整定結(jié)果有所影響 [8] 。 可見，在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器結(jié)垢對換熱生產(chǎn)過程的影響是多方面的。

筆者以生產(chǎn)設(shè)備性能監(jiān)測為目標(biāo)，設(shè)計(jì)開發(fā)了以聚合反應(yīng)冷凝器為代表的易結(jié)垢類換熱器的性能在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用化工過程機(jī)理建模的方法，對反應(yīng)和換熱系統(tǒng)進(jìn)行建模，預(yù)測冷凝器的 結(jié) 垢 剩 余 使 用 壽 命 （ Remaining Useful Life ，RUL ）。 當(dāng)結(jié)垢 RUL 指標(biāo)達(dá)到一定閾值時(shí)，可以根據(jù)預(yù)測結(jié)果采取側(cè)線沖洗或維修等措施，以維持冷凝器的性能和效率。 通過現(xiàn)場部署應(yīng)用，驗(yàn)證了性能監(jiān)測系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性，可顯著提高化工企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低運(yùn)營成本，并延長冷凝器的使用壽命。

1、 設(shè)備性能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

為建立統(tǒng)一的企業(yè)級設(shè)備性能監(jiān)測及預(yù)測性維修系統(tǒng)（以下簡稱“系統(tǒng)”），平臺的構(gòu)建嚴(yán)格遵循 ISA — 95 企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成國際標(biāo)準(zhǔn) [9~11] ，將系統(tǒng)部署配置在企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的L3 層（ L3 層為設(shè)備性能檢測服務(wù)所在的層級），如圖 1 所示。

現(xiàn)場設(shè)備所采集的儀表數(shù)據(jù)通過 DCS ， 由系統(tǒng)所包含的數(shù)據(jù)采集模塊基于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)。 系統(tǒng)的功能包含了數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲、模型的運(yùn)算以及 Web服務(wù)，功能展示上包含設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備性能監(jiān)測、人機(jī)監(jiān)測組態(tài)畫面（ HMI ）、數(shù)據(jù)可視化、故障樹診斷分析及故障處置業(yè)務(wù)等。

系統(tǒng)對運(yùn)行中的聚合反應(yīng)釜、冷凝器進(jìn)行實(shí)時(shí)性能監(jiān)測，當(dāng)性能指標(biāo)出現(xiàn)異常或有明顯的低劣化趨勢時(shí)，及時(shí)提醒生產(chǎn)和設(shè)備管理人員進(jìn)行處置。

2 、設(shè)備性能監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)與模型

2.1 設(shè)備性能監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)與計(jì)算邏輯

系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下對設(shè)備性能的監(jiān)測采用定時(shí)觸發(fā)的調(diào)用方式，每一次運(yùn)算的執(zhí)行邏輯如圖 2 所示。

對于實(shí)時(shí)監(jiān)測的換熱器運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在定時(shí)進(jìn)行的每一個(gè)運(yùn)行周期進(jìn)行如下邏輯流程：

a. 從 DCS 中采集控制回路的主要運(yùn)行參數(shù)，如溫度、壓力、流量及采樣組分分析結(jié)果；

b. 對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理， 對時(shí)序數(shù)據(jù)的缺失、噪聲信號等數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

c. 對反應(yīng)進(jìn)行模型計(jì)算，得到實(shí)時(shí)工況下的物性數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合設(shè)備設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、物性和實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，在預(yù)測性維護(hù)模型中計(jì)算設(shè)備重要指標(biāo)的實(shí)時(shí)值；

d. 設(shè)定閾值，對比指標(biāo)與閾值的偏差；

e. 當(dāng)參數(shù)超過設(shè)定閾值時(shí)， 代表著性能下降，即可實(shí)現(xiàn)基于機(jī)理模型的預(yù)警；

f. 觸發(fā)側(cè)線沖洗等操作業(yè)務(wù)流程；

g. 再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理、計(jì)算設(shè)備指標(biāo)

進(jìn)行對比，確認(rèn)性能恢復(fù)，即可結(jié)束流程。

2.2 設(shè)備性能監(jiān)測系統(tǒng)模型計(jì)算

系統(tǒng)所應(yīng)用的流程、反應(yīng)氣相產(chǎn)物的量與組成直接影響到換熱負(fù)荷的高低。 對于聚合體系的反應(yīng)產(chǎn)物模擬衡算可以采用鏈節(jié)分析法 [12] ，從而得到氣相產(chǎn)物的流量與組分。 采用該方法使得聚合過程的反應(yīng)符合機(jī)理，又得以有效簡化，滿足在線運(yùn)行的實(shí)時(shí)性要求。

熱負(fù)荷 Q 可由冷凝器進(jìn)出口組分的焓值計(jì)算：

其中， M 為反應(yīng)釜?dú)庀喈a(chǎn)物質(zhì)量流量； H ₁ 、 H ₂分別為冷凝前后的物料焓值，與組分和物料相態(tài)有關(guān)。

與傳熱基本方程聯(lián)立，可求得總傳熱系數(shù) K ：

其中， A 為總換熱面積； ΔT _LM 為對數(shù)平均溫差，由換熱器兩側(cè)進(jìn)出口溫度求得。

總傳熱系數(shù)與污垢熱阻的關(guān)系為：

其中， h _i 、 h ₀為換熱管內(nèi)外兩側(cè)的對流傳熱系數(shù)， D _i 、 D ₀為換熱管內(nèi)外徑， ri、 r ₀為換熱管內(nèi)外的污垢熱阻， r _w 為換熱管管壁的熱阻。

當(dāng)前實(shí)例中采用污垢熱阻為健康指標(biāo)，并將檢修清洗前的數(shù)值設(shè)置為失效閾值，對其擬合剩余使用壽命估計(jì)，采用指數(shù)退化模型：

其中， h （ t ）為健康指標(biāo)，是時(shí)間的函數(shù)； φ 為截距項(xiàng)， 是常數(shù)； θ 和 β 為決定模型斜率的隨機(jī)參數(shù)， θ 符合對數(shù)正態(tài)分布， β 符合高斯分布； ε 為隨機(jī)誤差項(xiàng)，服從正態(tài)分布，即 ε~N （ 0 ， σ ² ）； σ 是一個(gè)常數(shù)，用來表征退化過程的不確定性。

通過以上計(jì)算，即可實(shí)現(xiàn)從反應(yīng)氣相物料量的估計(jì)到冷凝器污垢熱阻的計(jì)算，并估計(jì)其使用壽命變化的過程，用以指導(dǎo)現(xiàn)場進(jìn)行清洗等相關(guān)業(yè)務(wù)。

3 、設(shè)備性能監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)所應(yīng)用的工業(yè)生產(chǎn)場景如圖 3 所示，為一個(gè)聚合反應(yīng)氣相產(chǎn)物冷凝過程，原料通過管線進(jìn)入到聚合反應(yīng)釜中，因聚合過程的物料體系復(fù)雜，常有共聚物產(chǎn)生，在經(jīng)過氣相管線后，與單體混合進(jìn)入到冷凝器中，造成換熱冷凝器的管側(cè)堵塞。 冷凝后進(jìn)入氣相產(chǎn)品罐，氣相冷凝產(chǎn)品經(jīng)產(chǎn)品泵由管線和閥門送出，氣相不凝氣經(jīng)管線和閥門去真空系統(tǒng)，用以控制體系壓力。 沖洗線由產(chǎn)品泵送至冷凝器管程入口，由閥門控制沖洗過程的啟停。

以該聚合反應(yīng)的冷凝器性能監(jiān)測為例，將該 過程應(yīng)用到現(xiàn)場生產(chǎn)，使用效果如圖 4 所示。

圖 5 為聚合反應(yīng)釜?dú)庀嗬淠鳑_洗前后公用工程側(cè)的溫度變化。 隨著反應(yīng)過程中聚合副產(chǎn)物在換熱器中的累積，用作降溫的公用工程側(cè)溫度逐步降低， 這一現(xiàn)象意味著換熱器性能的下降。當(dāng)溫度降低到一定程度， 打開側(cè)線沖洗流程，公用工程出口溫度會有所回升。 沖洗結(jié)束后，溫度再次降低，并穩(wěn)定到所監(jiān)測時(shí)段初始程度，可見仍有部分換熱效率提升的空間。 隨著進(jìn)一步的沖洗，公用工程側(cè)溫度再次回升，并逐步穩(wěn)定。 因此，從這一生產(chǎn)現(xiàn)象可以說明該換熱器側(cè)線沖洗過程可以在一定程度上減輕管側(cè)結(jié)垢所致的換熱性能下降，同時(shí)說明現(xiàn)場在未進(jìn)行性能指標(biāo)定量化監(jiān)測時(shí)，僅能憑借這一現(xiàn)象所累積的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行業(yè)務(wù)指導(dǎo)。

從表 1 的結(jié)果可以看出， 模型的計(jì)算結(jié)果在設(shè)計(jì)工況下與設(shè)計(jì)值匹配良好，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對比可知，現(xiàn)場的結(jié)垢情況相比設(shè)計(jì)工況對換熱有較大的影響，而清洗操作可以一定程度上減小污垢熱阻， 傳熱系數(shù)也從清洗前的193.5 W/ （ m ² · K ）提升到 252.9 W/ （ m ² · K ）。 該指標(biāo)更利于現(xiàn)場技術(shù)人員對沖洗效果的定量化判斷。

圖 6 為冷凝換熱器結(jié)垢累積到一定程度，無法滿足換熱需求后，大修拆解的現(xiàn)場照片，可以看到在管程的工藝側(cè)有明顯的結(jié)垢與堵塞。 同時(shí)，以此階段的生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)，作為冷凝器清堵的閾值指標(biāo)，從而對該冷凝器的剩余使用壽命加以定量預(yù)估。

圖 7 為以污垢熱阻 r 作為健康指標(biāo)進(jìn)行剩余使用壽命的估計(jì)，對其過去 60 d 的污垢熱阻實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行自動計(jì)算，分別得到污垢熱阻的平滑數(shù)據(jù) r Smooth 、指數(shù)退化模型數(shù)據(jù) r Predict 和置信區(qū)間，以當(dāng)前數(shù)據(jù)估計(jì)， 將在 27 d 后進(jìn)行冷凝器側(cè)線沖洗業(yè)務(wù)流程。

4、 結(jié)束語

綜上所述，為了更好地掌握化工生產(chǎn)過程設(shè)備的健康狀態(tài)，監(jiān)測設(shè)備性能變化的趨勢，定量把握設(shè)備性能的低劣化程度，基于性能監(jiān)測的設(shè)備管理系統(tǒng)可以在傳統(tǒng)的靜設(shè)備腐蝕與結(jié)構(gòu)損傷的管理手段之外，補(bǔ)充設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和管理的手段和工具。 對于文中所應(yīng)用的聚合物反應(yīng)過程氣相冷凝器的應(yīng)用場景，由于聚合產(chǎn)物中存在易結(jié)垢組分，因污垢熱阻的變化導(dǎo)致?lián)Q熱性能下降。 應(yīng)用性能監(jiān)測的在線化系統(tǒng)，可以使現(xiàn)場對于傳熱性能指標(biāo)有定量化判斷，相較于公用工程側(cè)溫度的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，性能指標(biāo)更利于現(xiàn)場對沖洗效果的判斷，同時(shí)驗(yàn)證了側(cè)線沖洗流程對換熱效果提升有所幫助，最終基于大修前后的歷史數(shù)據(jù)分析，建立了基于性能指標(biāo)的結(jié)垢剩余使用壽命預(yù)測模型，幫助指導(dǎo)現(xiàn)場對清堵拆卸周期的管理。

利用現(xiàn)代信息化的軟件工程技術(shù)，結(jié)合化工聚合反應(yīng)、換熱過程計(jì)算的模型求解以及剩余壽命預(yù)測的方法，幫助現(xiàn)場對清洗業(yè)務(wù)的時(shí)間進(jìn)行定量化估計(jì)， 在現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)中得到了有效應(yīng)用。 該系統(tǒng)的思路和方法，有利于現(xiàn)場的運(yùn)行和管理，并值得推廣應(yīng)用到化工連續(xù)生產(chǎn)的設(shè)備管理和生產(chǎn)運(yùn)行中。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陳雪峰，訾艷陽 . 智能運(yùn)維與健康管理[M] . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2008.

[2] 沈慶銀，鄭水英 . 設(shè)備故障診斷[M] . 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2006.

[3] 蔣立剛，張成祥 . 現(xiàn)代設(shè)備管理、故障診斷及維修技術(shù)[M] . 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社， 2010.

[4] 項(xiàng)漢銀 . 石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置設(shè)備動力事故及故障案例分析[M] . 北京：中國石化出版社， 2012.

[5] TRAFCZYNSKI M ， MARKOWSKI M ， URBANIEC K ，et al.Estimation of thermal effects of fouling growth for application in the scheduling of heat  exchangers cleaning [J] .Applied Thermal Engineering ： Design ，Processes ， Equipment ， Economics ， 2021 ， 182 （ 1 ） .DOI:10.1016/ j.applthermaleng.2020.116103.

[6] SHARMAN ， KUMARR ， SHARMAB ， etal.Thermalperf -or mance of fouling - resistant polymer nanocom posite coatings in heat exchangers [J] .International Journal of Heat and Mass Transfer ， 2023 ， 215.DOI:10.1016/J.IJH EATMASSTRANSFER.2023.124512.

[7] SUNDAT S ， RAJAGOPAL M C ， ZHAO A Y ， et al.Foul-ing modeling and prediction approach for heat ex-changers using deep learning [J] .International Journal of Heat and Mass Transfer ， 2020 ， 159.DOI:10.1016/j.i-jheatmasstransfer.2020.120112.

[8] TRAFCZYNSKI M ， MARKOWSKI M ， ALABRUDZIN-SKI S ， et al.The influence of fouling on the dynamic be-havior of PID-controlled heat exchangers [J] .Applied Thermal Engineering ， 2016 ， 109 ： 727-738.

[9] ISA.Enterprise-Control System Integration Part 1 ： Mod-els and Terminology ： ANSI/ISA — 95.00.01 — 2000 [S] .North Carolina ， USA ： ISA ， 2000.

[10] ISA. Enterprise-Control System Integration Part 2 ： Ob-ject Model Attributes ： ANSI/ISA — 95.00.02 — 2001[S] .North Carolina ， USA ： ISA ， 2001.

[11] ISA.Enterprise-ControlSystemIntegrationPart3 ： Activity Models of Manufacturing ： ANSI/ISA — 95.00.03 — 2005 [S] .North Carolina ， USA ： ISA ， 2005.

[12] 王健紅，施寶昌，魏杰，等 . 自由基聚合反應(yīng)過程的超實(shí)時(shí)動態(tài)模擬[J] . 化工進(jìn)展， 1997 ， 16 （ 6 ）： 36-38.

（收稿日期： 2023-12-01 ，修回日期： 2024-08-05 ）

相關(guān)鏈接