基于动态包络线法的管道保温状况监测和分级控制方法与流程

本发明涉及一种管道保温状况监测和分级控制方法。特别是涉及一种基于动态包络线法的管道保温状况监测和分级控制方法。

背景技术：

在工业企业的各生产装置之间和生产装置内部有大量的工艺管道，管道的散热损失在装置能耗中占有较大的比例，例如，在动力蒸汽管网系统，蒸汽从汽源产出，经管网输送至用户的过程中损失掉5％～20％的热量，特别在雨雪天气热损更高，影响正常生产。最新的某石化企业管道保温调研测试结果表明，约40％工艺管道散热量超过标准。工艺管道保温涉及安全、节能、投资经济性等诸多方面，由于数量种类、技术方法、检测手段、制度规范等方面原因，致使目前工艺管道保温管理存在较多问题，随着国家节能降耗工作的深入，急需提高工艺管道保温管理的技术水平。

现阶段，国内各企业对保温管线管理比较粗放，管道改造筛选大多是依靠经验进行，常常造成急需改造的管线搁置，无法高效利用有限的改造资金；在改造技术方面，从保温检测到确定改造方案，直至最终改造和改造后评价，并没有形成完善的技术体系和一体化设计管理，结果由于保温材料的选用不当、没有规范设计，最终导致了改造成本高、改造后保温结构散热损失大；在运行监控上主要靠人工巡视，对保温出现问题难以及时发现。到目前为止，对于管道保温运行状况监测和分级管理还没有一套完整的系统和方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以更直观简单的判断管道保温的运行状态，并进行维修预警的基于动态包络线法的管道保温状况监测和分级控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于动态包络线法的管道保温状况监测和分级控制方法，包括如下步骤：

1)建立在役管道保温状况评价方法，对在役管道保温状况进行评价，依据评价结果，判断该管道是否需要改造；

2)对保温效果级别为c级以下的在役管道进行温度监测，是在保温效果级别为c级以下的在役管道上选择测温光纤起始点位置，并在被监测管道的保温层外壁上安装由温度控制器和测温光纤构成的光纤测温系统进行监测；

3)在在役管道保温层外壁上设置具有4g功能的无线路由器，并通过232接口连接温度控制器，所述温度控制器采集的温度信号通过所述的无线路由器传送到上位pc机，实现数据的实时传输与数据监测；

4)在上位pc机中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，并通过显示器显示管道保温的单位面积散热损失、保温层破损处位置及整条管道散热损失的实时动态波形图；

5)分别绘制管道保温单位面积散热损失及管道总散热损失的趋势值点图，在趋势值点图基础上，采用移动均值--标准差法，绘制管道保温效果动态包络线图；

6)根据管道保温效果动态包络线图进行管道保温效果控制。

本发明的基于动态包络线法的管道保温状况监测和分级控制方法，通过编制在役管道保温状况评价程序，对在役管道保温状况进行评价，依据评价结果，判断该管道是否需要改造，并纳入管道保温运行状态监测和分级控制系统；通过搭建的管道保温运行状况无线监测系统网络，对管道保温的运行状况进行监测，结合基于动态包络线的节能预警控制，在管道保温材料故障早期，就能诊断出故障的发生，提醒工作人员及时采取相应的措施。具体具有以下优点：

1、通过对大型企业工艺管道保温状况进行统计分析，形成了管道保温效果分级评价控制方法，该方法的使用提高了管道保温改造项目改造资金利用率和管道保温管理水平，减少管道散热损失，降低生产成本，指导企业工艺管道保温技术升级。

2、搭建的管道保温运行状况无线监测系统网络，不需要停车安装测温设备，不影响装置运行，监测系统组态灵活，数据传输稳定，并且可以随时扩充管道保温管理物理范围，使用稳定，工作效率高。

3、采用移动均值--标准差法，动态绘制管道保温效果运行包络线图，可以更直观简单的判断管道保温的运行状态，通过对管道保温的运行状况进行监测，结合基于基于动态包络线的维修预警管理，可进行管道保温失效早期诊断，提醒工作人员及时采取相应的措施，指导生产装置节能高效运行，降低安全运行维护成本。

附图说明

图1是本发明基于动态包络线法的管道保温状况监测和分级控制方法的流程框图；

图2是在役管道保温运行状态无线监测系统示意图；

图3是在役管道保温一体化光纤测温系统安装示意图；

图4是单段管道单位面积散热损失变化的趋势值点图。

图5是管道保温效果动态包络线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于动态包络线法的管道保温状况监测和分级控制方法做出详细说明。

本发明的基于动态包络线法的管道保温状况监测和分级控制方法，是运用如图1和图2所示的管道保温效果分级和运行状态实时监测系统的方法。管道保温的运行状况监测结果主要受二方面因素的影响，系统因素和随机因素的影响，在管道保温的运行过程中，本发明重点关注运行状态的稳定性及正常与否，如果运行过程中存在较大的变值性系统影响因素或随机影响因素很大，那么都会对测量结果的平均值及标准差都会产生异常的波动，则可以认为管道保温的运行状态是不稳定的。如果管道保温散热损失测试结果数据的总体分布参数(平均值及标准差)基本保持不变或在允许的范围内，则认为管道保温的运行过程是稳定的。如分布参数超出允许的范围则应分析偏离的原因，及时采取措施调整管道保温的运行状态。

图1中给出的基于动态包络线法的管道保温状况监测和分级控制方法的流程图，通过调取管道保温实时数据库中的管道保温的结构参数及性能参数，以及管道保温的散热损失检测值，可对管道保温效果进行分级评价控制方法。

如图1所示，本发明的基于动态包络线法的管道保温状况监测和分级控制方法，包括，如下步骤：

1)建立在役管道保温状况评价方法，对在役管道保温状况进行评价，依据评价结果，判断该管道是否需要改造；所述的在役管道保温状况评价方法，是通过计算关键性指数，来确定在役管道是否需要改造，具体包括：

(1)通过对比分析不同管道保温材料特性，以及对管道保温层红外热成像检测结果、管道保温破损点的历史信息进行统计分析，确定出管道保温效果关键性指数的六个影响因素，分别为：管道单位面积散热损失、管道保温材料性能、管道内运行介质温度、管道保温层厚度、管道保温层运行年限、整条管道保温层破损点数量；

(2)应用层次分析法确定出管道保温效果关键性指数的六个影响因素的权重，分别为：

管道单位面积散热损失等级权重b1为0.35；

管道保温材料性能等级权重b2为0.17；

管道内运行介质温度等级权重b3为0.13；

管道保温层厚度等级权重b4为0.16；

管道保温层运行年限等级权重b5为0.1；

整条管道保温层破损点数量等级权重b6为0.09；

(3)确定管道保温效果关键因素的评分标准

(3.1)管道单位面积散热损失的打分标准是通过计算管道保温层单位面积散热损失q1与工业设备和管道绝热工程设计规范中规定的管道最大允许热损失量q的差值qe来确定的，qe＝q1-q,qe值越大，等级越低，打分标准为：

qe小于5，为5分；

qe大于5且小于等于20，为4分；

qe大于20且小于等于50，为3分；

qe大于50且小于等于100，为2分；

qe大于100，为1分；

(3.2)管道保温材料性能评分标准：

管道保温材料为新型纳米气凝胶产品，为5分；

管道保温材料为硅酸铝制品，为4分；

管道保温材料为微孔硅酸钙制品，为3分；

管道保温材料为岩棉制品，为2分；

管道保温材料为新型纳米气凝胶产品、硅酸铝制品、微孔硅酸钙制品和岩棉制品以外的其他材料，为1分；

(3.3)管道内运行介质温度评分标准：

管道内运行介质温度小于100℃，为5分；

管道内运行介质温度大于等于100℃，且小于200℃，为4分；

管道内运行介质温度大于等于200℃，且小于300℃，为3分；

管道内介质温度大于等于300℃，且小于450℃，为2分；

管道内介质温度大于等于450℃，为1分；

(3.4)管道保温层厚度评分标准，是通过计算管道保温层经济厚度d1与保温层实际厚度d2的差值de来确定的，管道保温层经济厚度d1是按照工业设备和管道绝热工程设计规范中的计算公式计算获得，de值越大，等级越低，评分标准为：

de值大于0mm且小于等于5，为5分；

de值大于5mm且小于等于10mm，为4分；

de值大于10mm且小于等于20mm，为3分；

de值大于20mm且小于等于30mm，为2分；

de值大于30mm，为1分；

(3.5)管道保温层运行年限评分标准：

管道保温层使用年限小于等于3年，为5分；

管道保温层使用年限大于3年且小于等于5年，为4分；

管道保温层使用年限大于5年且小于等于8年，为3分；

管道保温层使用年限大于8年且小于等于15年，为2分；

管道保温层使用年限大于15年，为1分；

(3.6)整条管道保温层破损点数量评分标准，即保温层出现破损，经检测破损部位温度超过50℃的部位，以及管道的阀门、管道支撑件、管道异形件出现温度超过50℃的部位，破损点数量值越大，等级越低，评分标准为：

管道保温层使用过程至今，无破损点，为5分；

管道保温层使用过程至今，破损点数量小于等于10个，为4分；

管道保温层使用过程至今，破损点数量大于10个且小于等于30个，为3分；

管道保温层使用过程至今，破损点数量大于30个且小于等于50个，为2分；

管道保温层使用过程至今，破损点数量大于50个，为1分；

(4)管道保温性能关键性指标计算，以及判断是否需要改造

管道保温性能关键度指数k综合计算公式如下：

k＝b1×管道单位面积散热损失的评分分值+b2×管道保温材料性能的评分分值+b3×管道内运行介质温度的评分分值+b4×管道保温层厚度的评分分值+b5×管道保温层运行年限的评分分值+b6×整条管道保温层破损点数量评分分值；

将企业中的在役管道保温依据上面评分准则对各因素进行打分，各因素分值代入管道保温性能关键度指数k综合计算公式，得到每条管道保温状况的关键性指数k，并按照下面准则被评价管道是否需要改造；

关键性指数k为4.0～5时，管道保温效果优，保温效果级别为a级，该管道的保温设计、施工及运行维护方案作为外径及内部介质温度相同的管道的设计目标值；

关键性指数k为2.8～4.0时，管道保温效果良，保温效果级别为b级，需每两年对该管道保温进行抽检，分析计算该管道保温的散热损失状况；

关键性指数k为1.9～2.8时，管道保温效果一般，保温效果级别为c级，建议改造；如不改造，每年对该管道保温进行抽检，分析计算该管道保温的散热损失状况；

关键性指数k为1.0～1.9时，管道保温效果差，保温效果级别为d级，急需改造，改造的设计、施工参照a级保温效果的管道进行设计、施工。

2)对保温效果级别为c级以下的在役管道进行温度监测，是在保温效果级别为c级以下的在役管道上选择测温光纤起始点位置，并在被监测管道的保温层外壁上安装由横河电机生产的dtsx200温度控制器和测温光纤构成的光纤测温系统进行监测；

图2中显示的是管线保温监测系统的系统架构，包括有用于处理光信号的温度控制器1，安装测温光纤的被测管道2，安装带有4g功能的无线路由器10，用于连接温度控制器和无线路由器的rs232控制器9，用于接收温度控制器上传的数据的云服务器11，以及上位pc机12。

图3中，显示测温光纤的安装结构，包括温度控制器1，分别为沿待监测管道末端的保温层表面的圆周方向选取0度、60度和300度方向铺设的测温光纤3、测温光纤4和测温光纤5，测温光纤贴紧最外层保温7，外面包裹铝皮8。

具体安装如图3所示，包括：

(1)沿待监测管道末端的保温层表面的圆周方向选取0度、60度和300度3个点分别作为测温光纤安装起始点；

(2)在待监测管道保温层表面沿管道走向安装测温光纤，具体是分别从所选取的0度、60度和300度3个点至待监测管道首端平行铺设3根测温光纤，并用钢带固定，贴紧最外层保温表面，测温光纤最大弯曲半径38mm；

(3)在待监测管道的首端设置温度控制器并与所述的测温光纤连接，用于产生射入测温光纤中的激光，接收由测温光纤传送上来的一组光纤温度和与该组中各光纤温度的温度点位置信号，所述的温度控制器定义测温光纤每间隔设定长度为一个测温信号采集点。

3)如图2所示，在在役管道保温层外壁上设置具有4g功能的无线路由器，并通过232接口连接温度控制器，所述温度控制器采集的温度信号通过所述的无线路由器传送到上位pc机，实现数据的实时传输与数据监测；

4)在上位pc机中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，并通过显示器显示管道保温的单位面积散热损失、保温层破损处位置及整条管道散热损失的实时动态波形图；包括：

(1)建立实时数据库

建立实时数据库，用于存储管道保温的结构参数及性能参数，管道保温在管内介质的各温度下的最大允许允许散热损失值，管道附件的环境温度和风速，由光纤测温系统传输至上位主机系统的管道保温温度数据和相应位置数据，从dcs提取的有关管内介质的温度、压力、流量数据；

(2)建立被监测管道的空间位置模型，根据测温光纤铺设的位置，以测温点为采样点，建立管道保温位置坐标数据结构，并将位置数据存入实时数据库；

(3)计算在线管道保温性能，即管道保温单位面积散热损失的计算和管道总散热损失计算，其中，

(3.1)管道保温单位面积散热损失的计算

管道保温单位面积散热损失,是根据管道的表面温度、环境温度及表面换热系数，按下式计算得到的管道保温单位面积散热损失q：

q＝α×(tw-tf)(1)

式中：q为热流密度，单位为w/m2；α为表面换热系数，单位为w/(m2·k)；tw为管道保温层外表面温度，单位为k；tf为环境温度，单位为k；

其中：表面换热系数α由下式得到：

式中：ω为风速，单位为m/s，

管道保温层外表面温度tw按求算术平均值的方法处理：

式中：

为第i段管道的保温层外表面平均温度，单位为℃；n为管段个数；

t(xi1,yi1,zi1),t(xi2,yi2,zi2),t(xi3,yi3,zi3)为管道的保温层外表面铺设的三根光纤，延管道走向，在每一个测温信号采集点取一个垂直管道走向的采样切面，共为n段，第i个采样切面的光纤测温点的温度值分别记为t(xi1,yi1,zi1)、t(xi2,yi2,zi2)、t(xi3,yi3,zi3)，单位为℃；

(3.2)管道总散热损失计算

管道总散热损失,按下式计算得到：

式中：

q为管道总的散热损失，单位为w；qi为第i段管道的散热损失，单位为w；qi为第i段管道的单位面积散热损失，单位为w/m2；d1i为第i段管道的外半径，单位为m；d2i为第i段管道的保温层厚度，单位为m；li为第i段管道的长度，单位为m。

5)分别绘制管道保温单位面积散热损失及管道总散热损失的趋势值点图，在趋势值点图基础上，采用移动均值--标准差法，绘制管道保温效果动态包络线图，如图5所示；包括：

(1)计算总散热损失q的平均值和标准差σqk

选取被监测管道稳定运行第十天零点时刻的数据做为采样起始点数据，按每30分钟为一个采样周期，采集每段管道保温外壁温度数据、环境温度数据、当前风速数据，管内介质温度数据以及每段管道的位置数据，计算出每个采样周期j的每段管道i的单位面积散热损失qij和管道总的散热损失qj，求管道当前采样周期的总散热损失的均值，记为

整条管道当前采样周期总的散热损失标准差σqk，通过下式得到：

式中：

qij——第i段管道第j个采样周期的管道保温单位面积散热损失；

qj——整条管道每个采样周期的总散热损失；

——整条管道当前采样周期已取得k个采样周期总散热损失计算值的均值；

σqk——整条管道当前已取得k个采样周期总散热损失计算值的标准差；

k——采样周期个数；

(2)正常运行的上包络值的确定

对于管道保温总散热损失，其正常运行的上包络值quel通过下式得到：

(3)异常运行的异常包络值的确定

整条管道保温效果异常运行的异常包络值qyel通过下式得到：

整条管道保温检修包络值qrel通过下式得到：

(4)每段管道保温单位面积散热损失的极限值

根据工业设备和管道绝热工程设计规范确定管内介质温度下的最大允许单位面积散热损失，做为每段管道保温单位面积散热损失的极限值qlel，即每段管道保温维修预警线；

(5)在管道正常运行工况下每个采样周期进行数据测量，包括每段管道保温外壁温度数据、环境温度数据、当前风速数据、每段管道的外表面积、管道内介质温度数据，计算每个采样周期每段管道保温的单位面积散热损失qij，计算每个采样周期管道总的散热损失qj；以采样周期个数为横坐标，每个采样周期每段管道保温的单位面积散热损失qij为纵坐标，每个采样周期每段管道保温单位面积散热损失值分别点在本采样周期的坐标点上，并将这段管道当前采样周期对应的管道保温单位面积散热损失的极限值qlel点在本采样周期的坐标点上，作为保温维修预警线qkir，从而得到反映单段管道单位面积散热损失变化的趋势值点图(如图4所示)；以采样周期个数为横坐标，管道保温的总散热损失q为纵坐标，每个采样周期管道总散热损失的正常运行的上包络值quel、异常运行的异常包络值qyel和保温检修包络值qrel分别点在当前采样周期的坐标点上，确定管道正常运行的上包络线quel、异常运行的异常包络线qyel及保温检修包络线qrel的位置，绘制出管道保温效果动态包络线图，将该图分为a区、b区、c区、d区，其中，a区为正常运行的上包络线quel下方区域，为正常运行区域；b区为正常运行的上包络线quel与异常运行的异常包络线qyel之间的区域，为重点关注区域；c区为异常运行的异常包络线qyel以上至保温检修包络线qrel的区域，为运行异常区域，d区为保温检修包络线qrel以上区域，为管道整体检维修区；在单段管道单位面积散热损失变化的趋势值点图中，管道保温单位面积散热损失的保温维修预警线qkir以下的区域为单段管道维修预警区；将管道保温效果动态包络线图作为管道保温效果日常实际运行趋势分析和保温维修时间确定的依据。

6)根据管道保温效果动态包络线图进行管道保温效果控制。

是通过对管道保温的运行数据进行实时监测，根据监测数据计算出的每个采样周期j的每段管道i的单位面积散热损失qij和每个采样周期j总的散热损失qj，将两个计算值分别对照管道单段管道单位面积散热损失变化的趋势值点图和管道保温效果动态包络线图则可进行保温效果分析和保温维修预警，具体分析标准为：

(1)每个采样周期j总的散热损失qj位于a区，且每个采样周期j的每段管道i的单位面积散热损失qij在保温维修预警线qkir以上，说明该段管道保温运行状况正常；

(2)每个采样周期j总的散热损失qj位于b区，每个采样周期j的每段管道i的单位面积散热损失qij在保温维修预警线qkir以上，说明该段管道保温运行状况正常；

(3)每个采样周期j总的散热损失qj位于c区，每个采样周期j的每段管道i的单位面积散热损失qij在保温维修预警线qkir以上，则在满足工艺要求的前提下，对工艺参数进行调整；

(4)每个采样周期j总的散热损失qj位于d区，或超过四分之一的每个采样周期j的每段管道i的单位面积散热损失qij在保温维修预警线qkir以上，则进行管道保温整体维修预警；如果出现每段管道单位面积散热损失超出每段管道保温单位面积散热损失的极限值qlel30％以上，则对该段保温进行维修。