大型石油化工装置的空冷器能效评价在线监测系统及方法与流程

本发明涉及一种在线监测系统。特别是涉及一种应用于大型石油化工装置的空冷器能效评价在线监测系统及方法。

背景技术：

石油化工行业是国民经济的支柱产业，但同时也是高能耗产业，目前全行业的节能减排工作正面临着严峻挑战。一般来说，工业上低于120℃的介质的热量没有回收价值，多用水冷器或空冷器取走。与水冷相比较，空冷有如下优点：节省大量的工业用水；经济性高；减少工业地区的水污染，改善环境质量。

空冷系统是大型石油化工装置的重要特种设备系统，其管束中输送的介质成分复杂，且具有腐蚀性，随着运行时间的增加，管束泄漏、爆炸、火灾及中毒事故时有发生，对企业生产、周边环境和群众生命财产造成严重的影响。由于介质中S，N和Cl等元素的存在，在反应过程中生成的H2S，HCl，NH3等腐蚀介质在空冷器内部形成铵盐结晶堵塞及垢下腐蚀、湿H2S腐蚀等，使二次加工装置（加氢裂化、柴油加氢、航煤加氢等）受到较大影响。这样会对空冷器的安全、高效运行构成威胁，直接影响到正常生产。

现阶段只有部分空冷器对管内介质有流量监测，基本没有温度监测，空气侧更是没有任何监测装置。因此，不具备实时监测空冷器能效的条件。如果增加监测点，还需要铺设电缆，才能将信号传送到控制室，工程量较大。因此需要建立一种检测便捷准确、施工方便的监测大型石油化工装置空冷器能效的在线监测系统。考虑到四季气温不同，同一台空冷器在不同工况条件下的运行效率也不同，所以同时有必要提供一个大型石油化工装置空冷器能效评价的方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可实现空冷器能效的在线监测的大型石油化工装置的空冷器能效评价在线监测系统及方法。

本发明所采用的技术方案是：一种应用于大型石油化工装置空冷器能效评价的在线监测系统，是由数据采集发射部分和数据接收处理部分构成，所述的数据采集发射部分包括用于向数据接收处理部分发射数据的无线数据发射器，分别与所述无线数据发射器信号输入端相连的：设置在被测空冷器的管程介质进口或出口上的第一间接式壁温传感器、设置在被测空冷器的管程介质出口或进口上的第二间接式壁温传感器、设置在被测空冷器的管程介质进口或出口上的压力/流量传感器、设置在被测空冷器进风口或出风口上的第一直接式空气速度/温度传感器、设置在被测空冷器出风口或进风口上的第二直接式空气速度/温度传感器以及设置在被测电动机的接线端子上的电功率测量仪器；所述数据接收处理部分包括：用于接收数据采集发射部分所发射的数据的无线数据接收器，分别与所述的无线数据接收器相连的用于存储和查询空冷器各类运行数据的工厂实时数据库系统和控制系统。

所述的第一间接式壁温传感器和第二间接式壁温传感器结构相同，均包括有：内部流动流体介质的管道，通过连接固定件上下对称的包裹在所述管道外壁上的上半圆形导热紫铜圆弧片和下半圆形导热紫铜圆弧片，通过连接固定件上下对称的包裹在所述上半圆形导热紫铜圆弧片和下半圆形导热紫铜圆弧片外壁上的上半圆形柔性绝热材料圆弧片和下半圆形柔性绝热材料圆弧片，通过连接固定件上下对称的包裹在所述上半圆形柔性绝热材料圆弧片和下半圆形柔性绝热材料圆弧片外壁上的上紧固套件和下紧固套件，其中，由所述的上半圆形导热紫铜圆弧片和下半圆形导热紫铜圆弧片构成的导热紫铜圆片上等间隔的四个铠装T型热电偶，所述四个铠装T型热电偶通过导线连接所述无线数据发射器的信号输入端。

所述的第一直接式空气速度/温度传感器和第二直接式空气速度/温度传感器结构相同，均是由若干个X型热线探头根据被测空冷器出风口或进风口的截面形状和大小布，每个X型热线探头是由分别用于测量空气的速度和温度的两个单丝热线探头组成，其中一个单丝热线探头连接恒温式热线风速仪风速接口；另一个单丝热线探头与恒温式热线风速仪测温接口相连，当所述的被测空冷器出风口或进风口的截面形状为矩形时，所述的若干个X型热线探头以矩阵的排布结构焊接在被测空冷器矩形出风口或进风口的支架上。当所述的被测空冷器出风口或进风口的截面形状为圆形时，所述的若干个X型热线探头焊接在以圆形出风口或进风口的中心为相交点的十字支架上。

所述的无线数据发射器具有40个采集器通道，所述的无线数据接收器能无线够连接多个无线数据发射器，实现多台空冷器测试。

一种用于应用于大型石油化工装置空冷器能效评价的在线监测系统的评价方法，包括如下步骤：

1）建立实时数据库；

所述建立实时数据库包括：存储由无线传输装置传输至控制系统的实时温度检测数据、实时风速/温度检测数据和实时功率检测数据，从分布式控制系统提取的有关管程介质流量、加工负荷等参数、介质物性、介质在各温度下的焓、空冷器的结构参数及换热面积；

2）在线空冷器的性能计算，即空冷器的总传热系数以及能效比的计算，包括：

空冷器风量计算、空冷器总换热量计算、空冷器平均换热温差计算、空冷器总传热系数计算和空冷器能效比计算。

步骤2）所述的空冷器风量计算是采用如下公式：

Wo=3600·AF·UF·ρ

式中：AF为空气通道截面积，单位：m²；UF为空气流速，单位：m/s；ρ为空气密度，单位：kg/m³。

步骤2）所述的空冷器总换热量计算是采用如下公式：

Q=m（h’-h”）=Wo·Cp（t2-t1）

式中：Q为空冷器的换热量，单位：W；m为空冷器管程的流量，单位：kg/s；h’和h”为管程的进出口焓值，由管侧进出口温度T’和T”从实时数据库查得，单位：J/(kg·℃)；Wo为空气侧的质量流量，单位：kg/s；Cp为空气比热容，单位：J/(kg·℃)；t1和t2为空气的进出口温度，单位：℃。

步骤2）所述的空冷器平均换热温差计算是采用如下公式：

若△T1/△T2>1.7时，△Tm=（△T1-△T2）/ln（△T1/△T2）；

若△T1/△T2≤1.7时，△Tm=（△T1+△T2）/2

其中△T1=T’-t2，△T2=t2-t1，t1和t2为空气的进出口温度，

式中△Tm为空冷器换热温差；T’为管侧进口温度℃；T”为管侧出口温度℃；t1为空气进口温度℃；t2为空气出口温度℃；ln为自然对数。

步骤2）所述的空冷器总传热系数计算是采用如下公式：

K=Q/A·△Tm

式中：K为空冷器的总传热系数，单位：W/m²·℃；A为空冷器的换热面积，单位：m²。

步骤2）所述的空冷器能效比计算，是考虑到四季气温不同，同一台空冷器在不同工况条件下的运行效率也不同，将不同工况下的运行能效换算成标准工况下的能效，即额定换热量与被测电动机的电力输入值的比值；所述标准工况是指：密度ρ0=1.05kg/m3；压力P0=101325Pa；t0=20℃；

空气冷却器的能效测试通常在非标准状况下进行，在进行空气冷却器能效比计算时需将电机功率消耗换算成同等热负荷空气标准进气工况下的电机功率消耗；

第一种情况：若空冷器风量不能自动调节，电动机消耗功率与空气进气绝对温度成反比，电动机消耗功率N随着气温降低而增大公式如下：

第二种情况：若空冷器风机的操作，能按照气温的变化自动调节风量，其中：

式中：N实测为电功率测量仪器测量得到的空冷器电动机功率消耗，单位：W；N标准为同等热负荷空气标准进气工况下的电动机功率消耗，单位：W，x为风机的相对功率，单位：%，

所述的能效比EER公式如下：

EER=Q/N标准。

本发明的大型石油化工装置的空冷器能效评价在线监测系统及方法，具有以下优点：

1、不需要停车安装测温设备，测温设备结构简单、安装便捷，不影响装置运行。

2、测试系统制造成本低，并且能够多台空冷器一起测试，工作效率高。

3、实时监测空冷器的热工性能，得到传热系数随时间的变化规律。

4、实时监测空冷器的运行能效，可将不同工况的空冷器能效换算成标准状况的能效，实现评价标准化。

5、可实现空冷器能效的在线监测，直接显示空冷器热负荷、传热系数、电机功耗及能效比的实时动态波形图，便于直观判定空冷器的运行能效，实现空冷器高效节能与长周期运行的目的。

附图说明

图1是本发明在线监测系统整体结构示意图；

图2是本发明中间接式壁温传感器的结构示意图；

图3是本发明中直接式空气速度/温度传感器在矩形风口设置示意图；

图4是本发明中直接式空气速度/温度传感器在圆形风口设置示意图。

图中

1：被测空冷器 2：被测电动机

3：第一间接式壁温传感器 4：第二间接式壁温传感器

5：压力/流量传感器 6：第一直接式空气速度/温度传感器

7：第二直接式空气速度/温度传感器 8：电功率测量仪器

9：无线数据发射器 10：无线数据接收器

11：控制系统 12：工厂实时数据库系统

13：内部流动流体介质 14：管道

15：上半圆形导热紫铜圆弧片 16：下半圆形导热紫铜圆弧片

17：上半圆形柔性绝热材料圆弧片 18：下半圆形柔性绝热材料圆弧片

19：上紧固套件 20：下紧固套件

21：铠装T型热电偶 22：连接固定件

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的大型石油化工装置的空冷器能效评价在线监测系统及方法做出详细说明。

如图1所示，应用于大型石油化工装置空冷器能效评价的在线监测系统，是由数据采集发射部分和数据接收处理部分构成，其特征在于，所述的数据采集发射部分包括用于向数据接收处理部分发射数据的无线数据发射器9，分别与所述无线数据发射器9信号输入端相连的：设置在被测空冷器1的管程介质进口或出口上的第一间接式壁温传感器3、设置在被测空冷器1的管程介质出口或进口上的第二间接式壁温传感器4、设置在被测空冷器1的管程介质进口或出口上的压力/流量传感器5、设置在被测空冷器1进风口或出风口上的第一直接式空气速度/温度传感器6、设置在被测空冷器1出风口或进风口上的第二直接式空气速度/温度传感器7以及设置在被测电动机2的接线端子上的电功率测量仪器8；所述数据接收处理部分包括：用于接收数据采集发射部分所发射的数据的无线数据接收器10，分别与所述的无线数据接收器10相连的用于存储和查询空冷器各类运行数据的工厂实时数据库系统12和控制系统11，所述控制系统11采用计算机。

如图2所示，所述的第一间接式壁温传感器3和第二间接式壁温传感器4结构相同，均包括有：内部流动流体介质13的管道14，通过连接固定件22上下对称的包裹在所述管道14外壁上的上半圆形导热紫铜圆弧片15和下半圆形导热紫铜圆弧片16，通过连接固定件22上下对称的包裹在所述上半圆形导热紫铜圆弧片15和下半圆形导热紫铜圆弧片16外壁上的上半圆形柔性绝热材料圆弧片17和下半圆形柔性绝热材料圆弧片18，通过连接固定件22上下对称的包裹在所述上半圆形柔性绝热材料圆弧片17和下半圆形柔性绝热材料圆弧片18外壁上的上紧固套件19和下紧固套件20，其中，由所述的上半圆形导热紫铜圆弧片15和下半圆形导热紫铜圆弧片16构成的导热紫铜圆片上等间隔的四个铠装T型热电偶21，所述四个铠装T型热电偶21的针头与小孔间填入高导热系数胶水，确保温度测量准确性与安装牢靠性。所述四个铠装T型热电偶21通过导线连接所述无线数据发射器9的信号输入端。

如图3、图4所示，所述的第一直接式空气速度/温度传感器6和第二直接式空气速度/温度传感器7结构相同，均是由若干个X型热线探头61根据被测空冷器1出风口或进风口的截面形状和大小布，每个X型热线探头61是由分别用于测量空气的速度和温度的两个单丝热线探头组成，其中一个单丝热线探头连接恒温式热线风速仪TSI-1050的风速接口，接通此风速仪的温度开关，调整流过热线的电流，使之保持在较小范围，即可进行温度的测量；另一个单丝热线探头与恒温式热线风速仪测温接口相连，可测量流速。

当所述的被测空冷器1出风口或进风口的截面形状为矩形时，所述的若干个X型热线探头61以矩阵的排布结构焊接在被测空冷器1矩形出风口或进风口的支架上。矩形风口截面采用小矩形中心点测量法，将风口截面划分为若干矩形，X型热线探头布置在小矩形中心测量其中心点风速和温度，然后计算其代数平均值。小矩形法测量的精度与小矩形划分的大小有关，矩形的边长300～500mm，管束宽度越小，小矩形的边长也应划分越小。

当所述的被测空冷器1出风口或进风口的截面形状为圆形时，所述的若干个X型热线探头61焊接在以圆形出风口或进风口的中心为相交点的十字支架上。圆形风口截面采用等面积法，将风口截面划分为5个圆环，取每个圆环等分成两个面积相等圆环的中环线，与截面坐标轴线共有20个交点，既是测点。5组测点的半径ri用下式计算：

式中Di——风筒内径，m；

i——中环线或测试点圆环的序号，i=1～5；

ri——测试点的圆环半径，m。

所述的无线数据发射器9具有40个采集器通道，所述的无线数据接收器10使用电源为锂电池，能无线够连接多个无线数据发射器9，实现多台空冷器测试。

所述电功率测量仪器8，为高精度功率测量仪表LMG95，用于测量电机的瞬时功率，基本精度可达0.03%，电压范围6～600V，电流范围150mA～20A。所述电功率测量仪器，也可采用电流表、电度表和瓦特表进行电机功率的测量。

所述工厂实时数据库系统12中记录了空冷器各类运行数据，从中查询对应空冷器测试时间的各项数据，输出空冷器的热负荷、传热系数、电机功耗及能效比的实时动态波形图。

应用于大型石油化工装置空冷器能效评价的在线监测系统的搭建过程如下：

1、选取测点，安装间接式壁温传感器、压力/流量传感器、直接式空气速度/温度传感器以及电功率测量仪器。

2、搭建无线数据发射器，用于将壁温、压力/流量、空气速度/温度传感器测量值和电功率测量值传输至无线数据接收器端。

3、搭建无线数据接收器，负责接收储存温度、压力、流量、速度和功率数据并与移动PC通信，可连接多个无线数据发射器，实现多台空冷器一起测试的功能。

4、搭建在线监测系统平台，包括建立的实时数据库、数据分析与性能计算、数据查询及显示等功能，将实测能效比换算得到标准状况下能效比，并输出空冷器的热负荷、传热系数、电机功耗及能效比的实时动态波形图。

本发明的用于应用于大型石油化工装置空冷器能效评价的在线监测系统的评价方法，包括如下步骤：

1）建立实时数据库；

所述建立实时数据库包括：存储由无线传输装置传输至控制系统（计算机）的实时温度检测数据、实时风速/温度检测数据和实时功率检测数据，从分布式控制系统（DCS）提取的有关管程介质流量、加工负荷等参数、介质物性、介质在各温度下的焓、空冷器的结构参数及换热面积；

2）在线空冷器的性能计算，即空冷器的总传热系数以及能效比的计算，包括：

空冷器风量计算、空冷器总换热量计算、空冷器平均换热温差计算、空冷器总传热系数计算和空冷器能效比（EER）计算。

所述的空冷器风量计算是采用如下公式：

Wo=3600·AF·UF·ρ

式中：AF为空气通道截面积，单位：m²；UF为空气流速，单位：m/s；ρ为空气密度，单位：kg/m³。

步骤2）所述的空冷器总换热量计算是采用如下公式：

Q=m（h’-h”）=Wo·Cp（t2-t1）

式中：Q为空冷器的换热量，单位：W；m为空冷器管程的流量，单位：kg/s；h’和h”为管程的进出口焓值，由管侧进出口温度T’和T”从实时数据库查得，单位：J/(kg·℃)；Wo为空气侧的质量流量，单位：kg/s；Cp为空气比热容，单位：J/(kg·℃)；t1和t2为空气的进出口温度，单位：℃。

步骤2）所述的空冷器平均换热温差计算是采用如下公式：

若△T1/△T2>1.7时，△Tm=（△T1-△T2）/ln（△T1/△T2）；

若△T1/△T2≤1.7时，△Tm=（△T1+△T2）/2

其中△T1=T’-t2，△T2=t2-t1，t1和t2为空气的进出口温度，

式中△Tm为空冷器换热温差；T’为管侧进口温度℃；T”为管侧出口温度℃；t1为空气进口温度℃；t2为空气出口温度℃；ln为自然对数。

步骤2）所述的空冷器总传热系数计算是采用如下公式：

K=Q/A·△Tm

式中：K为空冷器的总传热系数，单位：W/m²·℃；A为空冷器的换热面积，单位：m²。

步骤2）所述的空冷器能效比（EER）计算，是考虑到四季气温不同，同一台空冷器在不同工况条件下的运行效率也不同，将不同工况下的运行能效换算成标准工况下的能效，即额定换热量（即热负荷）与被测电动机（标准空气状况下）的电力输入值的比值；所述标准工况是指：密度ρ0=1.05kg/m3；压力P0=101325Pa；t0=20℃；

空气冷却器的能效测试通常在非标准状况下进行，在进行空气冷却器能效比计算时需将电机功率消耗换算成同等热负荷空气标准进气工况下的电机功率消耗；

第一种情况：若空冷器风量不能自动调节，电动机消耗功率与空气进气绝对温度成反比，电动机消耗功率N随着气温降低而增大公式如下：

第二种情况：若空冷器风机的操作，能按照气温的变化自动调节风量，电机功率的相对变化量可由表1查。

表1风量可随气温变化自动调节的相对功率

其中：

式中：N实测为电功率测量仪器测量得到的空冷器电动机功率消耗，单位：W；N标准为同等热负荷空气标准进气工况下的电动机功率消耗，单位：W，x为风机的相对功率，单位：%。

对调速风机也可使用数值模拟软件（HTRI），以现场测试管程工艺条件（相同管程进出口条件、热负荷）及标准状况空气为输入条件，进行在役空冷设备等效工况的校核型计算，得到满足相同冷却工艺条件下空气侧标准状况空气的风量，出口温度及所需要的全风压。根据电机消耗功率与风压与风量乘积成正比的关系，得到标准状况下的电机功率。

所述的能效比EER公式如下：

EER=Q/N标准。