换热器漏流异常工况在线诊断与选择性控制方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种换热器漏流异常工况在线诊断与选择性控制方法及装置，其中换热器漏流异常工况的在线诊断方法包括：建立换热器漏流异常工况的动态数学模型；采用最小二乘递推算法在线辨识所述动态数学模型的模型增益；根据所述模型增益的符号变化，进行换热器漏流异常工况的在线诊断。换热器漏流异常工况的选择性控制方法包括：根据上述动态数学模型分别建立换热器正常工况时工作的正常控制器，以及换热器漏流异常工况时工作的异常控制器；在所述正常控制器和所述异常控制器之间设置选择器，所述选择器根据上述在线诊断方法的诊断结果，在所述正常控制器与所述异常控制器之间进行切换。本发明计算实时性强，时间滞后小，方法便于实施，总费用低。
【专利说明】换热器漏流异常工况在线诊断与选择性控制方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油化工之系统工程领域，尤其涉及换热器漏流异常工况在线诊断与选择性控制方法及装置。
【背景技术】
[0002]换热器是石油化工过程中十分重要的能量回收系统，对换热器的操作和控制将直接影响系统的总费用、产品质量乃至生产安全。在石油化工过程中，换热器常载有强腐蚀、高温、高压等性质的流体，由于其各部件热胀冷缩程度不一致以及流体诱导震动等因素，常使换热器受到破坏而时有漏流异常工况发生。另一方面，换热器漏流异常工况常具有较大的隐蔽性，难以监测和控制。若漏流流股的流量为换热器控制变量，一旦发生漏流，由于流量减小将导致其输出温度偏离设计值，此时采用常规控制方案将进一步增大漏流流股的流量，由于漏流的存在将导致不能实现温度控制要求，甚至由于不断增大漏流流股的流量而使得漏流情况更加严重危及生产安全。
[0003]通过在各换热器进口和出口设置流量计实时监测冷、热流体的进出口流量，可以判断漏流是否发生，但由于石油化工装置中包括几十乃至几百个换热器，在每一个换热器的进出口均设置流量计会增大设备投资费用，并且鉴于空间分布以及管件要求等约束在各换热器之间的管段开孔设置流量计很难进行工程实施。有研究者提出通过采集换热器运行过程中的历史数据并对数据进行处理和分析，实现对其漏流异常工况的诊断，虽然在一定程度上提高了漏流诊断的实时性，但这种方法需要收集历史数据并对其进行分析，难以直接用于对换热器漏流异常工况的控制。目前，在实际生产中对换热器及其组成的换热网络的温度控制往往采用简单PID (Proportion Integral Derivative,比例、积分、微分)控制，在换热网络中不存在换热器漏流的正常工况下，该控制方案可以满足控制要求。一旦换热网络中存在一个或多个换热器漏流时，采用简单PID控制存在着很多弊端:(一)若漏流流股的流量为操纵变量，当发生漏流时由于采用简单PID控制将进一步增大漏流流股的流量，导致漏流流量增加而被控温度依然偏离给定值；(二)由于控制偏差的存在根据PID控制算法，将不断增大漏流流股流量，造成能量和质量损耗甚至对环境和物料产生污染，造成生产危险。
【发明内容】
[0004]本发明实施例提供一种换热器漏流异常工况的在线诊断方法，用以实现对换热器漏流异常工况的有效在线诊断，该方法包括:
[0005]建立换热器漏流异常工况的动态数学模型；
[0006]采用最小二乘递推算法在线辨识所述动态数学模型的模型增益；
[0007]根据所述模型增益的符号变化，进行换热器漏流异常工况的在线诊断。
[0008]一个实施例中，所述建立换热器漏流异常工况的动态数学模型，包括:
[0009]以换热器漏流位置为边界将换热器分为两段，根据能量平衡和质量守恒分别得出两段的换热器壳程流体、管程流体以及管内壁和管外壁的温度与流体流量动态数学关系，然后通过分段集总化处理建立换热器漏流异常工况的动态数学模型。
[0010]一个实施例中，所述以换热器漏流位置为边界将换热器分为两段，包括:
[0011]在换热器壳程长度方向上将换热器分为漏流前及漏流后两段，以及在换热器管程长度方向上将换热器分为漏流前和漏流后两段。
[0012]一个实施例中，所述分段集总化处理包括:
[0013]沿换热器轴线方向，将换热器分为N段，各段端点用x(i)表示，i=0，l，2...N，其中x(0)=0, x(N)=L, L为换热器有效长度；第i段长度Δχ(?)=χ(?)-χ(?-1);将换热器偏微分方程转化为常微分方程:[0014]
【权利要求】
1.一种换热器漏流异常工况的在线诊断方法，其特征在于，包括: 建立换热器漏流异常工况的动态数学模型； 采用最小二乘递推算法在线辨识所述动态数学模型的模型增益； 根据所述模型增益的符号变化，进行换热器漏流异常工况的在线诊断。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立换热器漏流异常工况的动态数学模型，包括: 以换热器漏流位置为边界将换热器分为两段，根据能量平衡和质量守恒分别得出两段的换热器壳程流体、管程流体以及管内壁和管外壁的温度与流体流量动态数学关系，然后通过分段集总化处理建立换热器漏流异常工况的动态数学模型。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述以换热器漏流位置为边界将换热器分为两段，包括: 在换热器壳程长度方向上将换热器分为漏流前及漏流后两段，以及在换热器管程长度方向上将换热器分为漏流前和漏流后两段。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述分段集总化处理包括: 沿换热器轴线方向，将换热器分为N段，各段端点用x(i)表示，i=0，1，2...N，其中x(0)=0, x(N)=L, L为换热器有效长度；第i段长度Δχ(?)=χ(?)-χ(?-1);将换热器偏微分方程转化为常微分方程:
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用最小二乘递推算法在线辨识所述动态数学模型的模型增益，包括: 将所述动态数学模型等价表示为差分方程形式，然后采用最小二乘递推算法在线辨识差分方程中的模型增益。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述动态数学模型等价表示为差分方程形式，包括: 在能量平衡和质量守恒的基础上，将换热器管程和壳程流体温度与流量的动态关系表示为:
y (k)=ay (k-l)+bu(k_l)； 其中，y(k)为k时刻的输出变量即管程和/或壳程流股在k时刻出各换热器的温度，u(k-l)为k-Ι时刻的输入变量即管程和/或壳程流股在k-Ι时刻的输入流量，a和b为模型参数，其中表征时间常数的大小，
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述采用最小二乘递推算法在线辨识差分方程中的模型增益，包括: 利用最小二乘递推算法，根据前I时刻的模型参数即k-Ι时刻a和b的估计值，采用:新估计值Θ ((k) =老的估计值Θ ((k-Ι) +修正值 的方法计算a和b。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述模型增益的符号变化，进行换热器漏流异常工况的在线诊断，包括: 当b的符号为正时，确定换热器工作在正常工况，当b的符号为负时，确定换热器工作在漏流异常工况。
9.一种换热器漏流异常工况的选择性控制方法，其特征在于，包括: 根据权利要求1至8任一项所述动态数学模型分别建立换热器正常工况时工作的正常控制器，以及换热器漏流异常工况时工作的异常控制器； 在所述正常控制器和所述异常控制器之间设置选择器，所述选择器根据权利要求1至8任一项所述在线诊断方法的诊断结果，在所述正常控制器与所述异常控制器之间进行切换。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述正常控制器与所述异常控制器之间进行切换包括: 当换热器工作在正常工况时b由大于ξ变为小于_ξ，则切换到所述异常控制器；当换热器工作在异常工况时b由小于-ξ变为大于ξ，则切换到所述正常控制器；当b介于-ξ和I之间时选择 的控制器与上一步选择的控制器一致；其中6 表征所述动态数学模型的模型增益的大小，T为时间常数，K为模型增益；ξ根据换热器模型增益辨识结果选定，小于一阈值。
11.一种换热器漏流异常工况的在线诊断装置，其特征在于，包括: 模型建立模块，用于建立换热器漏流异常工况的动态数学模型； 增益确定模块，用于采用最小二乘递推算法在线辨识所述动态数学模型的模型增益；在线诊断模块，用于根据所述模型增益的符号变化，进行换热器漏流异常工况的在线诊断。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述模型建立模块包括: 分段处理单元，用于以换热器漏流位置为边界将换热器分为两段； 关系获得单元，用于根据能量平衡和质量守恒分别得出两段的换热器壳程流体、管程流体以及管内壁和管外壁的温度与流体流量动态数学关系； 模型处理单元，用于通过分段集总化处理建立换热器漏流异常工况的动态数学模型。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述分段处理单元具体用于: 在换热器壳程长度方向上将换热器分为漏流前及漏流后两段，以及在换热器管程长度方向上将换热器分为漏流前和漏流后两段。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述模型处理单元具体用于: 沿换热器轴线方向，将换热器分为N段，各段端点用x(i)表示，i=0，l，2...N，其中x(0)=0, x(N)=L, L为换热器有效长度；第i段长度Δχ(?)=χ(?)-χ(?-1);将换热器偏微分方程转化为常微分方程:
15.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述增益确定模块包括: 等价处理单元，用于将所述动态数学模型等价表示为差分方程形式； 增益辨识单元，用于采用最小二乘递推算法在线辨识差分方程中的模型增益。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述等价处理单元具体用于: 在能量平衡和质量守恒的基础上，将换热器管程和壳程流体温度与流量的动态关系表示为:
y (k)=ay (k-l)+bu(k_l)； 其中，y (k)为k时刻的输出变量即管程和/或壳程流股在k时刻出各换热器的温度，u(k-l)为k-Ι时刻的输入变量即管程和/或壳程流股在k-Ι时刻的输入流量，a和b为模型参数，其中 f表征时间常数的大小，6 表征模型增益的大小，TS为稳定时间，T为
a - c 1I时间常数，K为模型增益。
17.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述增益辨识单元具体用于: 利用最小二乘递推算法，根`据前I时刻的模型参数即k-Ι时刻a和b的估计值，采用: 新估计值Θ ((k) =老的估计值Θ ((k-Ι) +修正值 的方法计算a和b。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述在线诊断模块具体用于: 当b的符号为正时，确定换热器工作在正常工况，当b的符号为负时，确定换热器工作在漏流异常工况。
19.一种换热器漏流异常工况的选择性控制装置，其特征在于，包括: 控制器建立模块，用于根据权利要求11至18任一项所述动态数学模型分别建立换热器正常工况时工作的正常控制器，以及换热器漏流异常工况时工作的异常控制器； 选择器设置模块，用于在所述正常控制器和所述异常控制器之间设置选择器，根据权利要求11至18任一项所述在线诊断装置的诊断结果，在所述正常控制器与所述异常控制器之间进行切换。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述选择器单元具体用于: 当换热器工作在正常工况时b由大于ξ变为小于-ξ，选择切换到所述异常控制器；当换热器工作在异常工况时b由小于-ξ变为大于ξ，选择切换到所述正常控制器；当b介于-ξ和ξ之间时选择的控制器与上一步选择的控制器一致；其中6 二|人征所述动态数学模型的模型增益的大小，T为时间常数，K为模型增益；ξ根据换热器模型增益辨识结果选定，小于一阈值。
【文档编号】F28F27/00GK103822758SQ201410080578
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月6日 优先权日:2014年3月6日
【发明者】罗雄麟, 赵晓鹰, 孙琳 申请人:中国石油大学(北京)