Способ автоматической диагностики наличия отложений на стенках рекуперативного теплообменного аппарата Российский патент 2023 года по МПК F28F19/00 F17D5/00 

Изобретение относится к области добычи, подготовки к транспортированию, переработки нефти и газа, в частности, к автоматической диагностике состояния теплообменного оборудования, а именно к диагностике наличия отложений на стенках рекуперативных теплообменных аппаратов.

Большинство процессов, протекающих при добыче, подготовке к транспортированию, переработке нефти и газа, протекают при высоких температурах и с использованием топливно-энергетических ресурсов. Для повышения эффективности работы цикла, снижения затрат на топливо, горячие теплоносители и хладагенты используют теплообменное оборудование (далее ТО), доля которого в зависимости от отрасли варьируется от 30 до 60%. Наиболее часто эксплуатируемыми ТО являются рекуперативные теплообменные аппараты пластинчатого и кожухотрубного типа.

Автоматическая диагностика состояния рекуперативных теплообменных аппаратов позволяет в режиме реального времени наблюдать за состоянием их трубного пространства, что дает возможность снизить эксплуатационные затраты за счет отслеживания появления на стенках аппаратов коррозионных отложений, гидратообразований, рост которых в перспективе приведет к серьезному ухудшению качества работы теплообменных аппаратов. Своевременное определение наличия отложений позволит провести техническое обслуживание в виде промывки теплообменного аппарата, проведения испытаний на прочность и плотность трубного пространства. Отсутствие своевременного выявления наличия отложений может сказаться на повышении гидравлического сопротивления и, как вследствие, увеличения потребляемой мощности насосов и расхода электроэнергии на собственные нужды, а также снижении теплопередачи, которое приведет к росту топливных затрат и потребляемых горячих утилит.Кроме того, в местах интенсивных коррозионных отложений и/или гидратообразований возможно разрушение конструкции теплообменного аппарата, что будет выражено в затратах, связанных с его выводом в ремонт, временем простоя оборудования, приобретением и заменой деталей или основных частей теплообменного аппарата.

Известен способ диагностики ТО [Демин A.M., Науменко А.П. Диагностирование теплообменного оборудования на основе режимных параметров установки гидроочистки дизельных топлив / Омский научный вестник, №4, 2019. - с. 85] при котором производят сравнение текущего коэффициента теплопередачи с расчетным коэффициентом теплопередачи при их расхождении более 30-35% проводят чистку ТО. Причем текущий коэффициент теплопередачи рассчитывают следующим образом: при помощи штатных термопар определяют температуры входа и выхода греющего и нагреваемого контура, рассчитывают тепловую нагрузку по формуле: где G₁, G₂ - расход потока по межтрубному и трубному пространству теплообменного аппарата, кг/с; С_р - теплоемкость продукта, кДж/кг⋅°С; также рассчитывают средний логарифмический температурный напор по формуле: где - большее и меньшее значения разности температур; а затем рассчитывают коэффициент теплопередачи по формуле , где F - площадь поверхности нагрева, м².

Недостатком данного способа является необходимость длительного ручного расчета, отсутствие автоматизации процесса диагностики и учет только тепловых характеристик, который не позволяет с достаточной точностью диагностировать именно наличие коррозионных отложений и/или гидратообразований на стенках ТО.

Наиболее близким заявленному техническому решению является способ автоматической диагностики состояния рекуперативных теплообменников на установках низкотемпературной сепарации газа, эксплуатируемых на севере РФ, заключающийся в контролировании автоматической системой управления технологическими процессами (АСУ ТП) с момента запуска установки в эксплуатацию с заданной дискретностью по времени температуры на входе и выходе из теплообменника путем измерения температуры греющего теплоносителя на входе и выходе из теплообменника и температуры нагреваемого теплоносителя на входе и выходе теплообменника и вычислении температурного напора по следующей формуле:

при этом первые вычисленные значения температурного напора принимают за эталонное значение и далее сравнивают с ним все последующие вычисленные значения температурного напора причем при сравнении текущих значений температурного напора с эталонным значением контролируют соблюдение неравенства - критическое значение допустимых отклонений текущего температурного напора от его эталона, которое задается регламентом эксплуатации установки низкотемпературной сепарации газа, в составе которой эксплуатируется теплообменник, и при невыполнении этого неравенства формируется оповещение о наличии на стенках рекуперативного теплообменника отложений для принятия решения по управлению технологическим процессом, например, для проведения профилактического ремонта теплообменника. [Патент РФ 2771269, опубл.29.04.2022 г].

Основным недостатком данного способа является проведение диагностики ТО на наличие отложений только на основе учета тепловых характеристик. Вместе с тем, превышение температурного напора связано не только с появлением отложений на поверхности теплообмена, но и с не плотностью запорной арматуры на обводе ТО, колебанием тепловой нагрузки, уменьшением рабочей поверхности подогревателя из-за наличия заглушенных поверхностей теплообмена или затопления части поверхности при повышении уровня теплоносителя, нарушением теплоизоляции ТО.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышения точности диагностики технического состояния рекуперативного теплообменного аппарата для подготовки заключения о наличии отложений на стенках его трубного пространства, за счет проведения совместного анализа его тепловых и гидравлических характеристик.

Технический результат достигается тем, что в способе автоматической диагностики отложений на стенках рекуперативного теплообменного аппарата, заключающимся в измерении с заданной дискретностью по времени с момента начала эксплуатации теплообменного аппарата температуры и греющего теплоносителя, соответственно, на входе и выходе из теплообменного аппарата, температуры нагреваемой среды, соответственно, на входе и выходе из теплообменного аппарата, и вычислении температурного напора по формуле:

при этом первые вычисленные значения температурного напора принимают за эталонное значение и далее сравнивают с ним все последующие вычисленные значения температурного напора причем при сравнении текущих значений температурного напора с его эталонным значением контролируют соблюдение неравенства где - δ - значение отклонения текущего температурного напора от его эталона, которое задается регламентом работы установки, в составе которой эксплуатируется теплообменный аппарат, согласно предлагаемого изобретения, одновременно с контролем температуры греющего теплоносителя и нагреваемой среды с заданной дискретностью по времени измеряют также давление нагреваемой среды, соответственно, на входе и выходе из теплообменного аппарата, вычисляют гидравлическое сопротивление по формуле:

причем первые вычисленные значения гидравлического сопротивления принимаются за эталонное значение с которым сравнивают все последующие вычисленные значения гидравлического сопротивления причем при сравнении текущих значений гидравлического сопротивления с эталонным значением контролируют соблюдение неравенства где ξ - значения отклонения текущего гидравлического сопротивления от его эталона, которое задается регламентом работы установки, в составе которой эксплуатируется теплообменный аппарат, при этом, в случае одновременного нарушения неравенств и , формируют оповещение оператору о наличии отложений на стенках теплообменного аппарата.

Одновременная оценка АСУ ТП температурного напора и гидравлического сопротивления теплообменного аппарата, повышает точность диагностики состояния его трубного пространства и обеспечивает своевременное оповещение оператору установки о наличии отложений для принятия решения о необходимости проведения требуемых мероприятий.

На фиг.1 представлена принципиальная схема рекуперативного теплообменного аппарата с системой измерения его параметров.

В данном рекуперативном теплообменном аппарате нагреваемая среда находится в трубном пространстве, а греющая среда находится в межтрубном пространстве.

Позициями на фиг.1 обозначены следующие элементы:

1 - рекуперативный теплообменный аппарат;

2 - автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) установки, в составе которой работает рекуперативный теплообменный аппарат;

3 - вход греющего теплоносителя в теплообменный аппарат;

4 - выход греющего теплоносителя из теплообменного аппарата;

5 - вход нагреваемой среды в теплообменный аппарат;

6 - выход нагреваемой среды из теплообменного аппарата;

7 - датчик температуры греющего теплоносителя на входе в теплообменный аппарат;

8 - датчик температуры греющего теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата;

9 - датчик температуры нагреваемой среды на входе в теплообменный аппарат;

10 - датчик температуры нагреваемой среды на выходе из теплообменного аппарата;

11 - датчик давления нагреваемой среды на входе в теплообменный аппарат;

12 - датчик давления нагреваемой среды на выходе из теплообменного аппарата.

При запуске в работу теплообменного аппарата 1 АСУ ТП 2 с помощью датчиков температуры 7 и 8 измеряет параметры греющего теплоносителя, соответственно, на входе 3 и выходе 4, а также при помощи датчиков температуры 9 и 10 измеряет параметры нагреваемой среды, соответственно на входе 5 и выходе 6 из теплообменного аппарата 1, рассчитывает температурный напор по формуле:

и принимает его значение за эталонное значение

Одновременно с измерением температуры АСУ ТП 2 с помощью датчиков давления 11 и 12 измеряет параметры давления нагреваемой среды, находящейся в трубном пространстве теплообменного аппарата 1 на входе 5 и выходе 6, рассчитывает гидравлическое сопротивление по формуле: и принимает его за эталонное значение

Далее АСУ ТП 2 в ходе эксплуатации теплообменного аппарата 1 с заданной дискретностью по времени осуществляет замер температур и давления и осуществляет расчет по вышеуказанным формулам температурного напора и гидравлического сопротивления для заданного момента времени, занося значения всех измеряемых параметров и вычисляемые значения для каждого дискретного момента измерений во времени в свою базу данных. Сравнивая измеренные параметры температуры с ее эталонным значением, АСУ ТП 2 следит за соблюдением неравенства где δ - значение отклонения температурного напора от эталона, которое задается регламентом работы установки, в составе которой эксплуатируется теплообменный аппарат 1.

Одновременно с этим, АСУ ТП 2, сравнивая измеренные параметры давления с его эталонным значением, следит за соблюдением неравенства где ξ - значение отклонения гидравлического сопротивления от эталона, которое задается регламентом работы установки.

Таким образом в ходе технологического процесса АСУ ТП 2 осуществляет контроль за одновременным соблюдением неравенств: . В случае одновременного нарушения этих неравенств АСУ ТП 2 формирует сообщение оператору о проблемах внутри трубного пространства теплообменного аппарата 1, связанных с наличием отложений на внутренней поверхности теплообмена.

При нарушении только неравенства АСУ ТП 2 формирует сообщение оператору о возможных проблемах связанных с не плотностью запорной арматуры на обводе теплообменного аппарата, колебанием тепловой нагрузки, уменьшением рабочей поверхности подогревателя из-за наличия заглушенных поверхностей теплообмена или затопления части поверхности при повышении уровня теплоносителя, нарушением теплоизоляции теплообменного аппарата.

Выполнение неравенств означает удовлетворительный режим эксплуатации в заданных условиях.

Изобретение относится к области добычи, подготовки к транспортированию, переработки нефти и газа, в частности, к диагностике наличия отложений в рекуперативных теплообменных аппаратах. Способ автоматической диагностики наличия отложений на стенках рекуперативного теплообменного аппарата заключается в измерении с заданной дискретностью по времени с момента начала эксплуатации теплообменного аппарата температуры греющего теплоносителя и температуры нагреваемой среды на входе и выходе из теплообменного аппарата, а также измерения давления нагреваемой среды на входе и выходе из теплообменного аппарата, дальнейшем вычислении температурного напора и гидравлического сопротивления , сравнении текущих значений температурного напора с его эталонным значением а также в сравнении текущих значений гидравлического сопротивления с его эталонным значением и контроле соблюдения неравенств и где δ и ξ - значения допустимого отклонения текущего температурного напора от его эталона и допустимого отклонения текущего гидравлического сопротивления от его эталона, соответственно, которые задаются регламентом работы установки, в составе которой эксплуатируется теплообменный аппарат. В случае одновременного нарушения данных неравенств формируется оповещение оператору о наличии отложений на стенках теплообменного аппарата. Технический результат изобретения - повышение точности диагностики технического состояния рекуперативного теплообменного аппарата для подготовки заключения о наличии отложений на стенках его трубного пространства, за счет проведения совместного анализа тепловых и гидравлических характеристик ТО. 1 ил.

Способ автоматической диагностики наличия отложений на стенках рекуперативного теплообменного аппарата, заключающийся в измерении с заданной дискретностью по времени с момента начала эксплуатации теплообменного аппарата температуры греющего теплоносителя на входе и выходе из теплообменного аппарата, температуры нагреваемой среды на входе и выходе из теплообменного аппарата, и вычислении температурного напора по формуле:

,

при этом первые вычисленные значения температурного напора принимают за эталонное значение и далее сравнивают с ним все последующие вычисленные значения температурного напора причем при сравнении текущих значений температурного напора с его эталонным значением контролируют соблюдение неравенства где - δ - значение допустимого отклонения текущего температурного напора от его эталона, которое задается регламентом работы установки, в составе которой эксплуатируется теплообменный аппарат, отличающийся тем, что одновременно с контролем температуры греющего теплоносителя и нагреваемой среды с заданной дискретностью по времени измеряют также давление нагреваемой среды на входе и выходе из теплообменного аппарата, вычисляют гидравлическое сопротивление по формуле:

при этом первые вычисленные значения гидравлического сопротивления принимают за эталонное значение с которым сравнивают все последующие вычисленные значения гидравлического сопротивления причем при сравнении текущих значений гидравлического сопротивления с эталонным значением контролируют соблюдение неравенства где ξ - значение допустимого отклонения текущего гидравлического сопротивления от его эталона, которое задается регламентом работы установки, в составе которой эксплуатируется теплообменный аппарат, при этом в случае одновременного нарушения неравенств формируют оповещение оператору установки о наличии отложений на стенках теплообменного аппарата.