@论文TE过程及故障诊断方法研究

I 摘 要 化工生产过程是复杂的动态系统 该生产过程一般是在高温高压 低温真空 有毒 或腐蚀性等极端条件下进行的 生产系统和设备一旦发生故障 将会造成经济损失 甚 至造成人员伤亡和环境污染 利用故障诊断技术提高系统的可靠性和安全性 已经引 起了企业和学术界的高度重视 并在该研究领域取得了丰富的研究成果 本文主要对田纳西 伊斯曼过程 Tennessee Eastman Process TEP 进行了模拟与仿 真研究 首先在查阅文献基础上对故障诊断方法进行了概述 并对 TE 过程中的五大操 作单元进行了研究 其中包括反应器 冷凝器 汽 液分离器 压缩机及汽提塔五大操 作单元 在此基础上 对主元分析的故障诊断法的原理和算法进行了研究 并以 TE 过 程为背景 调用其化工过程数据 编写 MATLAB 程序实现 T2图 Q 图以及贡献图 采 用主元分析法对 TE 过程进行了仿真实验研究 证明主元分析方法的有效性 关键词 TE 过程 故障诊断 模拟 T2统计 Q 统计 II Abstract The chemical production process is a complex dynamic system The process is generally carried out under the extreme environment which may have high temperature high pressure low temperature vacuum poison or corrosiveness etc When the industrial production devices result in fault it will bring economical loss or even cause human injuries and environmental problems Improving the dependability and security depending on fault diagnosis technology is paid attention by companies and researchers lots of achievements have been obtained in fault diagnosis field This thesis mainly imitate and studied the Tennessee Eastman process Tennessee Eastman Process TEP Then described that five big operation elements in TE process In which including reactor condenser steam fluid separator compressor and stripper five big operation unit Method has carried out classification on TE process and the malfunction diagnose In this foundation studied the principal component analysis method Taking the TE process as an application background we programmed the MATLAB algorithm of PCA drawed the T2 statistic Q statistic and contribution map proved the validity of the method Keywords TE pross Fault diagnosis imitate T2statistic Qstatistic III 目录 1 绪论 1 1 1 课题的意义和研究现状 1 1 2 计算机模拟方法及故障诊断方法 3 1 2 1 计算机模拟方法 3 1 2 2 故障诊断方法 4 1 3 本文的主要研究工作 5 2 TE 过程 6 2 1 TE 过程简介 6 2 2 反应器 6 2 2 1 工业反应器的类型 7 2 2 2 釜式反应器的结构 9 2 2 3 反应釜的操作方式 10 2 2 4 连续釜式反应器数学模型及最佳操作 11 2 3 冷凝器 12 2 3 1 冷凝器的分类 13 2 3 2 水冷式冷凝器主要数学模型 15 2 4 分离器 15 2 4 1 气 液分离器 16 2 4 2 气 液旋流分离器 16 2 5 压缩机 18 2 5 1 压缩机的种类 18 2 5 2 离心式压缩机 18 2 6 汽提塔 21 2 6 1 汽提塔的主要部件 21 2 6 2 管式汽提塔 22 3 TE 过程的模拟与仿真实验研究 24 3 1 TE 过程模拟 24 3 2 TE 过程仿真研究 29 3 2 1 TE 过程模拟图 29 3 2 2 仿真实验 30 3 3 本章小结 33 4 TE 过程的故障诊断方法研究 34 4 1 主元分析的故障诊断法原理 34 4 2 主元分析的故障诊断算法 36 4 2 1 正常过程主元模型的获得 36 4 2 2 Q 统计量 36 4 2 3 T2统计量 37 IV 4 2 4 贡献图 37 4 3 仿真结果分析 38 4 3 1 故障 0 的研究 38 4 3 2 故障 7 的分析 39 4 4 本章小结 41 5 结论 42 致谢 43 参考文献 44 附录 A 英文原文 45 附录 B 汉语翻译 50 附录 C 程序代码 55 1 1 绪论绪论 1 1 课题的意义和研究现状 过程控制工程以过程工业生产的 安 稳 长 满 优 为研究任务 所研究的对 象是工业生产过程 如炼油 化工 造纸等 这类生产过程一般具有多样性 复杂性和 危险性的特点 如何将设计的控制策略 优化算法等放在一个具有普遍性的实验对象 进行研究和测试是研究人员必须考虑的一个问题 因为在实验室研究和测试之前 将这 些算法直接安装在工业实际装置或流程上运行是不可能的 所以计算机过程模拟仿真 就成了主要的研究和测试手段 Tennessee Eastman 简称 TE 过程是一个用来开发 研究和评价过程控制技术的 化工过程模型 TE 过程第一次出现于 1990 年在芝加哥举行的美国化工学会 AICHE 上 它是由美国 Eastman 化学公司的过程控制小组的 Downs 和 Vogel 提出 的 这个案例很适合于研究过程控制技术 尽管这个案例提出时已经修改了其中的构 成 过程和操作条件以保护这个过程的所有权 但这并不影响到它的性能和价值 因 而在他们提出这个模拟案例后 引起了过程控制学术界的广泛关注 此后许多学者 研究员等对这个案例的过程控制进行了深入广泛的研究并给出了相应的控制策略 T J Mcavoy 等人给出的 Base Control 控制策略在仿真研究等领域被广泛采用 而 Manabu Kano 等人研究了 TE 过程故障诊断的多元统计分析方法 可以说 TE 过程具备了复杂工业生产过程所具备的特点 因此使用 TE 过程对提出 算法的有效性进行验证是具有代表性的 石油炼制 化工 电力 水泥 炼钢 冶金 热能等行业的生产过程中 它们的 生产过程往往处于高温 高压等极端条件下 生产过程产生异常 从而导致生产中断 甚至爆炸 泄漏毒气等危险情况发生 一旦出现生产故障不仅会给工厂带来不小的经 济损失 甚至严重威胁着人身安全 化工过程故障诊断是解决化工生产过程系统可靠 性 安全性 科学决策问题的关键技术之一 我们目前所说的故障诊断技术一般都是指以软件冗余 或解析冗余 为主的故障诊 断技术 是本世纪 70 年代初期以来首先从美国发展起来的 这项技术诞生以后逐渐引 2 起了学术界的关注 并且在近十年来得到了迅速的发展 已取得了许多应用成果 促进 故障诊断技术迅猛发展的一个主要动力是市场的迫切需求 70 年代初以来 随着计算机 科学的发展 人们所建造的自动化装置的规模越来越大 投资也越来越高 如 现在一套 大型乙烯装置上就有成百上千的控制回路 整套装置的投资一般都在数十亿人民币以上 某些微小故障若不能及时排除 就有可能造成巨大的灾难 原苏联切尔诺贝利核电站的 泄漏事故 中国运载火箭的连续数次失事就说明了这一点 因此 在这种情况下 系统的 安全性就显得极其重要 提高系统可靠性和安全性的方法有多种 其中一个重要的方法 就是采用故障诊断技术 国内现有监控软件主要采用单变量过程监控技术 多变量监控技术在理论和工程 应用方面都处于研究中 国内的清华大学 浙江大学 华东理工大学 华南理工大学 等在过程监控方面都作了大量的研究 浙江大学在研究传统的统计监控方法如主元分 析 PCA 法 偏最小二乘分析 PLS 法等基础上 目前重点研究独立成分分析 ICA 盲 源信号分析 BSA 等高阶统计量的信号统计方法在化工过程监控中的应用 所谓故障诊断 就是确定哪一种故障发生了 换句话说 就是确定所看到的故障 状态原因 即确定故障的类型 位置 量级和时间 1 化工过程故障诊断的任务 可 分为以下四个方面的内容 1 故障检测 确定故障是否发生 故障分离 在故障检测之后确定故障的种类 故障发生的部位 故障评价 将故障对系统性能指标 功能的影响等做出判断和估计 给出故障等 级 故障决策 根据故障检测的信息和故障评价的等级做出故障诊断决策 针对不同的 工况 对系统做出报警 修改操作或控制 甚至停机进行维修等决定 避免故障扩大 这部分主要方法有数学分析 控制理论 系统辨识 人工智能和模式识别等 评价一个故障诊断系统的性能指标主要有 故障检测的及时性 早期故障检测的灵 敏度 故障的误报率和漏报率 故障定位和故障评价的准确性 故障检测和诊断系统 的鲁棒性 下图为一个完整的故障诊断系统示意图 2 3 故障 检测 改操作 或控制 停止 运行 故障 报警 继续 运行 故障 评价 故障 决策 排除 故障 动态 系统 y t 无故障 故障 信息 原因 部位 大小 故障 等级 u t 故障 分离 图 1 1 故障诊断过程示意图 1 2 计算机模拟方法及故障诊断方法 1 2 1 计算机模拟方法 计算机模拟方法分机理分析法和系统辨识等多种方法 下面对机理分析法和系统 辨识法进行介绍 1 机理分析法 机理分析法需要分析过程的运动规律 运用一些已知的规律 定理和原理 如牛 顿三定律 生物学定律 能量平衡方程 物料平衡方程 化学动力学原理等 才能建 立起过程的数学模型的方法 2 系统辨识法 系统辨识是根据系统的输入输出时间函数来确定描述系统行为的数学模型 通过 辨识建立数学模型的目的是估计表征系统行为的重要参数 建立一个能模仿真实系统 行为的模型 用当前可测量的系统的输入和输出预测系统输出的未来演变 通常 预 先给定一个模型类 M 一类输入信号 u 和等价准则 J L y yM 然后选择使 4 误差函数 J 达到最小的模型 作为辨识所要求的结果 系统辨识法包括 结构辨识和 参数估计法 在实际的辨识过程中 随着使用的方法不同 结构辨识和参数估计这两 个方面并不是截然分开的 而是可以交织在一起进行的 1 2 2 故障诊断方法 按照国际故障诊断权威 P M Frank 教授 1990 的观点 所有的故障诊断方法可以划 分成基于解析模型的方法 基于知识的方法和基于信号处理的方法三种 但随着近些 年故障检测与诊断技术的发展 并且与很多学科的交叉 如统计学 上述的分类方法 已不是很合适 因此 本文分为基于解析模型的方法 基于知识的方法 基于信号处 理的方法和基于统计数据的方法 下面详细介绍 1 基于解析模型的方法 基于解析模型的故障诊断方法要求被控对象有精确的数学模型 以残差为特征的 方法 残差是设备观测值与数学模型之间一致性检验的结果 它会由于故障 干扰 噪声和模型误差而不为零 基于解析模型方法的关键工作是把故障引起的残差和其它 变化所引起的残差区分开来 它主要有三种方法 即参数估计法 3 状态估计法和等 价空间法 该方法的优点是易于分析和诊断 缺点是计算量大 被检测过程的数学模 型必须可利用 并且足够准确 2 基于知识的方法 基于知识的方法不需要对象的精确数学模型 主要是利用人工智能的方法构造某 些系统功能 以模仿和实现人类 熟练操作人员 技术人员 专家 在监测控制过程中的 某些思维和行为 自动完成整个监测和诊断过程 基于知识的方法常见的有专家系统 方法 人工神经网络方法 模糊推理方法 模式识别方法以及定性仿真等方法 基于 知识的方法适合于有大量生产经验和工艺知识可以利用的场合 所以通用性比较差 3 基于信号处理的方法 基于信号处理的方法通过利用信号模型 如相关函数 频谱 自回归滑动平均等 直接分析可测信号 提取诸如方差 幅值 频率等特征值 从而检测故障的发生 常 用的方法有 谱分析法 相关分析法 以及近年来出现的小波分析方法 4 4 基于统计数据的方法 当今的工业过程控制中 过程控制计算机和现场总线等技术的广泛运用 使我们 5 能较为容易得到丰富的观测变量数据 并被动的被采集 储存起来 甚至造成过程数 据的大量 堆积 所以 研究者们越来越意识到如何将这样的大量数据变为有用信息 的重要性 恰好统计方法是一类单纯的数据方法 除了数据 它不在依赖其他任何知 识 所以也称该方法为数据驱动的方法 该方法不仅满足了过程控制者对于 浅层知 识 的要求 而且还与当前的实际工程背景 大量 堆积 的过程采集数据急于处 理相适应 这些都是其他的方法所不能比拟的 而且统计方法具有很强的柔性 它可 以方便的与现代计算技术和现代工程技术结合在一起 使之很好的服务于生产安全和 产品质量控制 可以降低成本 提高企业的竞争力 常见的方法有X控制图 累计和图 和指数加权平均等单变量统计方法 随着现代工业技术的发展 单变量统计方法逐渐 被主元分主元分析 Principal Components Analysis PCA 5 偏最小二乘 Partial Least Square PLS 因子分析 Factor Analysis FA 正则分析又称典型相关分析 Canonical Variate Analysis CVA 等多变量统计监控方法所取代 无论是从目前的理论水平 还 是从解决问题的角度来看 采用基于统计数据的方法更具有实际意义 研究者多采用 PCA方法 这是因为与其它方法相比 PCA具有算法简单和收敛性好等优点 1 3 本文的主要研究工作 第 1 章 首先综述了 TE 过程及故障诊断方法的意义和国外内研究现状 然后对 计算机模拟和故障诊断方法进行了概述 第 2 章 研究了 TE 过程工作基本原理 同时研究了 TE 过程的五大操作单元 第 3 章 根据数据 用 S 函数对 TE 过程进行了模拟 并进行了仿真实验研究 第 4 章 概述了主元分析故障诊断法的原理及算法 引出 Hotelling T2统计量 SPE 统计量以及贡献图的意义和作用 文中以 TE 过程为例 阐述了基于 PCA 的故障 诊断方法的基本思想 并对结果进行了详细分析 验证了该方法的有效性 6 2 TE 过程 2 1 TE 过程简介 TE过程是从四种反应物中生成两种产品 其中A C D E为反应物 G和H是两 种产物 另外 还包含惰性成分B及副产物F 共有八种成分 A B C D E F G和H 系统中存在的化学反应如下 2 1 2 2 liqHgEgCgA 2 3 liqFgEgA 2 4 2 3liqFgD 其中 g 表示气体 liq 表示液体 所有的反应都是不可逆的放热反应 反应速率是 温度的函数 生产产品 G 的反应的活化能较高 因此对温度更加敏感 另外 这些反 应对反应浓度来说 可以近似成一阶系统 整个过程由 5 个主要操作单元组成 反应 器 冷凝器 压缩机 分离器和汽提塔 过程流程图如图 2 1 所示 气态反应物进入反应器 在催化剂的作用下 反应生成产物 反应放出的热量通 过反应器内的热交换器与冷却水交换而被带走 产物和未反应的反应物以气相离开反 应器 并在冷凝器中冷却 生成气液两相混合流 它们在气液分离器中进行分离 气 体通过压缩机又进入反应器中进行反应 液相主要包括产物 G H 及 D E F 它们 进入汽提塔进行分离 气提塔上部的气体返回反应器继续进行反应 而产物 G 和 H 则 从汽提塔底部流出 进入下一道工序 惰性物质和副产品主要在汽液分离器中以气体 的形式从系统中排出 2 2 反应器 A gC gD gG liq 7 反应器是化学品生产的关键设备 各类化学品的品种品质及其生产能力的发展过 程 也是各种反应器研究的发展过程 因此反应器的种类如同化学品的种类一样繁多 划分 图 2 1 TE 过程工艺流程图 的方法也不计其数 有按压力划分的 按温度划分的 按型式划分的 按材质划分的 按自动化程度划分的 按生产方式划分的 连续的 间歇的 等 随着化学工业的发展和 反应器研究的深入 化工反应器多数是向专用化发展 因此反应器通常以化学品的名 称和生产能力来命名 比如 12 104t 尿素合成塔 8m 加氢反应器 各类反应器主要 研究如何满足反应过程中传热传质等相关反应条件的特殊性 极端性和安全性 从而 达到提高化学品的品质和生产能力的目的 并能安全的 长周期的运行 2 2 1 工业反应器的类型 常见的工业反应器可分为釜式 管式 塔式 筒式等反应器 如图 2 2 所示 它 们最显著的区别是高径比的差异 釜式反应器又叫槽形反应器 它的高径比通常接近 8 于 1 管式反应器的长径比相差很大 呈细长形结构 有单根直管 盘管 列管等型式 塔式反应器的高径比在上述两者之间 一般来说 高径比还是较大的 这种分类常见 于工业生产中 6 图 2 2 常见反应器结构示意图 a 反应釜 b 管式反应器 c 鼓泡塔反应器 d 列管式固定床反应器 e 固定床多段绝热反应器 f 流化床反应器 1 釜式反应器 釜式反应器又称反应釜和搅拌反应器 其高度一般与直径相等或稍高 如图 2 2 a 反 9 应釜 器内常设有搅拌 机械搅拌 气流搅拌等 装置 在高径比较大时 可用多层 搅拌桨叶 在反应过程中物料需加热或冷却时 可在反应器壁处设置夹套 或在器内 设置换热面 也可通过外循环进行换热 釜式反应器由于在技术上有适用性强 操作 弹性大 共同性强等特点 而被广泛用于市场变化较大的精细化工产品的生产上 7 2 管式反应器 管式反应器的特征是长度远大于其直径 10 以上 内部中空 不设任何构件 如 图 2 2 b 所示 工业上广泛使用的气固相催化反应的固定床反应器 也可看作是管 式反应器 3 塔式反应器 塔式反应器的高度一般为直径的数百倍乃至十余倍 有些塔式反应器内部为了增 加两相接触而设计了填料 塔板等构件 塔式反应器主要用于两种流体反应的过程 如气液反应和液液反应 鼓泡塔也是塔式反应器的一种 如图2 2 c 用于气液反应 常常是气体自上而下流动 液体由塔上部进入后 喷成雾滴状分散于气体中 无论哪一种型式的塔式反应器 参与反应的两种流体可以成逆流 而 TE 过程的反 应是不可逆的 所以不能选用塔式反应器 4 固定床反应器 固定床反应器 又称填充床反应器 装填有固体催化剂或固体反应物 用以实现 多相反应过程的一种反应器 在化工生产中被广泛采用的是固定床催化反应器 床内 的固体颗粒是催化剂 图2 2 d 为列管式固定床反应器 采用不同载热体和载热方式 图2 2 e 为固定床多段绝热反应器 催化剂床层的温度波动小 结构较复杂 而且催化 剂装卸较困难 适用于放热反应 固定床反应器还可用于气固及液固非催化反应 此类反应器内的固体是反应物而 非固体催化剂 5 流化床反应器 流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运 动状态 并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器 在用于气固系统时 又 称沸腾床反应器 流化床反应器也是一种器内有固体颗粒的反应器 与固定床反应器 不同 这些固体颗粒处于运动状态 图 2 2 f 为流化床反应器 流化床反应器可用于气 固 液固以及气液固催化或非催化反应 是工业生产中较广泛使用的反应器 10 2 2 2 釜式反应器的结构 1 釜式反应器的壳体结构 釜式反应器的壳体结构包括筒体 底 盖 或封头 手孔或人孔 视镜及各种工 艺接管口等 釜式反应器的筒体皆制成圆筒形 釜底和釜盖常用的形状有平面形 碟形 椭圆 形和球形 釜底也有锥形 2 搅拌器 反应釜内物料相态有液 液相反应 气 液相反应 气 固相反应 液 固相反应 气 固 液相反应 以及伴有形态转换的反应 为保证各种反应物料充分混合接触 满足传质要求 应选择相应的搅拌器 釜式反应器安设搅拌器的作用是加强物料的均 匀混合 强化釜内的传热和传质过程 常用的搅拌器有桨式 框式 锚式 旋浆式 涡轮式和螺带式等 3 密封装置 静止的搅拌釜封头和转动的搅拌轴之间设有搅拌轴密封装置 简称轴封 以防止 釜内物料泄漏 轴封装置主要有填料密封和机械密封两种 填料密封结构简单 难免 微量泄漏 机械密封结构较复杂 但密封效果甚佳 4 换热装置 换热装置是用来加热或冷却反应物料 使之符合工艺要求的温度条件的设备 其 结构型式主要有夹套式 蛇管式 列管式 外部循环式等 2 2 3 反应釜的操作方式 釜式反应器有间歇式 半连续式 连续式三种操作方式 1 间歇式 小型化工生产中常采用间歇釜式反应器 适宜于批量少而品种多的生产 其操作 特点是 反应原料一次性投入反应器内 化学反应完成后 反应产物从反应器中全部卸 出 经清洗反应器 开始新一轮生产 间歇反应器是分批操作 其操作时间由两部分组 成 由反应时间 和辅助时间 即装料 缷料 检查及清洗设备等所需时间 组成 釜内各点物料的浓度 温度 反应速度相同 随时间而变 其结构简单 操作方 11 便 灵活性大 应用广泛 但是设备生产效率低 不易保持每批质量稳定 高转化率 下体积较大 一般用于液 液相 气 液相等系统 如染料 医药 农药等小批量多 品种的行业 2 半连续式 半连续釜式反应器适用于一种反应物浓度高 另一种反应物浓度低的反应其操作 特点是 一种反应物料间歇装料 另一种物料在反应过程中连续加入反应器 有时反应 物料间歇地装入 而产物不断地卸出 强放热反应采用半连续操作可调节加料速度以 控制反应温度 8 3 连续式 连续操作釜式反应器 CSTR 的结构和间歇操作釜式反应器相同 但进出物料的 操作是连续的 即一边连续恒定地向反应器内加入反应物 同时连续不断地把反应产 物引出反应器 这样的流动状况很接近理想混合流动模型或全混流模型 图 2 3 理想混合连续搅拌釜式反应器示意图 连续操作具有生产能力大 劳动强度低 易于自动控制等优点 反应器于定态操 作 即反应器中任何位置物料的物性参数不随时间变化 2 2 4 连续釜式反应器数学模型及最佳操作 1 CSTR数学模型 CSTR 的数学模型如下 2 7 1 exp 1 1 1 exp 1 1 1 x 2 2 12 2 2 11 2 1 2 1 kk ku kx kx kxDHkx kx kx kxDkx kx kx kx k a a 12 式 2 7 中为采样间隔 状态和输入分别经过下式变换成无量纲形式 kx ku 1 kx Af AAf C kCC f f T TkT kx 2 f fc T TkT ku 是反应浓度 是反应器温度 是加热器的温度 是反应物的初始浓度 A CT C T Af C 是反应物初始温度 和分别是 Damkhler 数 活化能 反应热和传热系 f THDa 数 是零均值的相互独立的高斯白噪声 其协方差分别为 Q k 和 22 k k RR R k 2 连续操作反应器及其最佳操作 在实际工业生产中 随着主反应进行的同时常常伴有副反应的发生 因此如何提高 目的产物的收率而抑制副反应进行的速率是提高生产经济效益的关键 在连续操作反 应器内一般为定态操作 即在生产过程中 反应器所有参数诸如温度 压力 组成 流 量等均不随时间而变 设某液相反应系统同时存在两个反应 即 主反应 ABP 11 1 nm pAB rk c c 2 8 副反应 ABS 22 2 nm sAB rk c c 2 9 由于副反应的存在 提高主反应的反应速率的同时必须考虑选择性问题 根据选择性 的定义得 1212 12 nnmm ppsAB srrkk cc 2 10 由式 2 10 可知 选择性的大小与反应级数 1 2 1 2的大小有关 因此 可根据式 2 10 中 1 2 1 2的值来选择反应器类型和最佳进料方式 此外 如果 1 2 1 2 反应物 和 均应在较高浓度下进行反应 应选择 平推流管式反应器 若 1 2 1 2 反应物 和 均应在较低浓度下进行反应 则应选择连续操作的完全混合流釜式反应器 因为平推流管式反应器中各分浓度是随 物流方向逐渐降低的 而连续操作的完全混合流釜式反应器中各组分均处于较低浓度状 态 9 通过以上分析可知 要想有较高的产物收率 不仅与反应本身的性质 以及反应温度 压力等因素有关 而且与反应器的类型 加料方式同样有着十分密切的关系 13 2 3 冷凝器 冷凝器是一种利用相变凝结换热现象的换热器 采用潜热热交换 具有很高的换 热能力 又称热交换器 冷凝器广泛应用于化工 石油 动力和原子能等工业部门 它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度 同时也是提高能源利用率的 主要设备之一 冷凝器既可是一种单独的设备 也可是某一工艺设备的组成部分 由 于制造工艺和科学水平的限制 早期的冷凝器 换热器 只能采用简单的结构 而且传 热面积小 体积大和笨重 如蛇管式换热器等 随着制造工艺的发展 逐步形成一种 管壳式换热器 它不仅单位体积具有较大的传热面积 而且传热效果也较好 长期以 来在工业生产中成为一种典型的换热器 2 3 1 冷凝器的分类 冷凝器是制冷系统主要的热交换设备之一 根据冷却介质和冷却方式的不同 常 用的冷凝器一般可分为水冷式 空气冷却式 或称风冷式 水 空气冷却式及蒸发式 1 水冷却式 在这类冷凝器中 制冷剂放出的热量被冷却水带走 冷却水可以是一次性使用 也可以循环使用 水冷却式冷凝器按其不同的结构型式又可分为立式壳管式 卧式壳 管式和套管式等多种 1 立式壳管式 冷却水靠重力沿管内流下的开式壳管式冷凝器 由于冷却流量大 流速高 故传 热系数一般较高 耗水量较大 且由于设备置于空气中 管子易被腐蚀 泄漏时易被 发现 立壳式冷凝器的最大特点是处理能力大 对水质要求低 立壳式的水垢虽然比下 述的卧壳式较易清除 但长期使用后会产生水垢堵塞管道的情况 严重影响换热 因 此 目前在缺水地区 用蒸发式代替立壳式 2 卧式壳管式 14 冷却水在压力下流过水平管束的闭式壳管式冷凝器 卧壳式冷凝器普遍应用于中 小型氨制冷系统和氟利昂制冷系统 由于它的空间高度低而有利空间的立体利用 因 此在空间有限的船舶中 及近期发展迅速的冷水机组中应用更广泛 卧壳式冷凝器的优点在于 传热系数高 占空间高度小 有利于空间的立体利用 特别适用于机组化和船用装置 结构紧凑 运行可靠 操作简便 它的缺点是 不易发现制冷剂的泄漏 清洗不方便且需要停止制冷机的运行 为 此对水质的要求亦高 3 套管式 制冷剂的蒸气从冷凝器上方进入内外管之间的空腔 在内管外表面上冷凝 液体 在外管底部依次下流 从冷凝器下端流入贮液器中 冷却水从冷凝器的下方进入 依 次经过各排内管从上部流出 与制冷剂呈逆流方式 这种冷凝器的优点是结构简单 便于制造 且因单管冷凝 介质流动方向相反 故传热效果好 套管式冷凝器缺点是 金属消耗量大 而且当纵向管数较多时 下部的管子充有较多的液体 使传热面积不 能充分利用 另外紧凑性差 清洗困难 并需大量连接弯头 因此 这种冷凝器在氨 制冷装置中已很少应用 2 空气冷却式 风冷式 在这类冷凝器中 制冷剂放出的热量被空气带走 空气可以是自然对流 也可以 利用风机作强制流动 由于冷却效果较差 冷凝温度较高 空气冷却式冷凝器主要用 于缺乏冷却水源场所 分散式及小型制冷系统 3 水 空气冷却式 在这类冷凝器中 制冷剂同时受到水和空气的冷却 但主要是依靠冷却水在传热 管表面上的蒸发 从制冷剂一侧吸取大量的热量作为水的汽化潜热 空气的作用主要 是为加快水的蒸发而带走水蒸气 所以这类冷凝器的耗水量很少 对于空气干燥 水 质 水温低而水量不充裕的地区乃是冷凝器的优选型式 4 蒸发冷凝式 在这类冷凝器中依靠另一个制冷系统中制冷剂的蒸发所产生的冷效应去冷却传热 间壁另一侧的制冷剂蒸汽 促使后者凝结液化 蒸发式冷凝器主要是利用流经换热盘 管的水膜中部分水的汽化潜热 这与风冷式和水冷式冷凝器利用显热来吸收制冷剂蒸 气的热量是完全不同的 近年来 蒸发式冷凝器在制冷行业及其它行业得到了大力推广 具有投资费用低 15 流程简单 结构紧凑 占地面积小等优点 但其缺点也很多 最重要的是风机在空冷 上布置 致使风机的轴承经常在水蒸气环境下运行 风冷式冷凝器和水冷式冷凝器相比较 初次投资和运行费均高于水冷式 在夏季 室外气温比较高 30 35 时 冷凝温度将高达 50 因此风冷式冷凝器只能应用 于氟利昂制冷系统 而且通常是应用于小型装置 用于供水不便或根本无法供水的场 合 水冷式冷凝器用水作冷却介质 有许多优点 一是水比较容易取得 江河湖海的 水 井水 自来水等均可作为水源 二是作为冷却介质 水温通常低于空气温度 所 以采用水冷却可以获得较低的冷凝温度 这对于提高制冷机的能力和减少能耗均有利 因此 TE 系统采用水冷却式冷凝器 2 3 2 水冷式冷凝器主要数学模型 冷却介质流经冷凝器后带走的热量 1100 1 wwpwwp K tctcQ 2 11 由传热方程确定的冷凝器热负荷 QK2 K F tm 2 12 冷凝器热负荷 QK QK1 QK2 2 13 以上各式中K为传热系数 W m2 K F为冷凝器传热面积 m2 tm为对数平 均温差 为冷却介质出口定压比热 为冷却介质进口定压比热 10 0pw c 1pw c 制冷剂的质量流量 mv由下式确定 QK mv h1 h2 2 14 量热器的加热量 Ne 由下式确定 Ne mv h4 h3 2 15 压缩机电机转速 n 由此式确定 16 n Vh 1 v 2 16 式中 为压缩机的输气系数 Vh为压缩机理论输气量 m3 v为压缩机吸气点比容 m3 kg 和h为系统各状态点比焓值 kJ kg 由式 2 11 2 12 和 2 13 联立求解出冷却介质出口温度及冷凝器热负 0w t 荷QK 进而由式 2 14 2 15 及 2 16 求解出制冷剂质量流量mv 量热器加热功 率Ne以及压缩机电机转速n 冷凝器是重要的单元设备 传热过程不是单一的过程 它与流体物性 流体流动和 物质传递等诸多因素密切相关 目前尚缺少精度较高的传热计算关联式 另外 工作者 对工程概念的认识和对生产操作工况熟悉程度都要求不断积累经验 根据系统的要求采 取有针对性的措施 真正达到系统优化和节能的目的 2 4 分离器 分离器是把混合的物质分离成两种或两种以上不同的物质的机器 目前分离器的种类繁多 分类方法也很多 主要按分离介质不同可分为固液分离 器 气液分离器和液液分离器 按分离原理可分为重力式分离器 管式分离器和旋流 式分离器 2 4 1 气 液分离器 气 液分离器是立式圆柱形容器 里边有一个圆柱形隔间 同轴地装在这个容器的 顶部 气 液混合物沿容器内壁的切线方向进入 隔间顶部的圆柱形挡板接收的液体 撞击在隔间或圆柱挡板的上表面 水平打孔板的边缘与隔间内壁之间形成了一个通道 通过这个通道 从圆柱挡板上落下来的液体被一部分分离气体所携带 在平板的下方 两种流体相脱离 气体向上流 通过打孔平板与分离后的气体汇成一体 然后从容器 的通道排除 气 液分离器的主要目的是引导一部份分离后的气体 脱离挡板上的液位被携带到 容器的液体出口 它应与分离后的主气 液隔离 气体流到容器的气体出口 另一目 的是使载体分离的气体与液体脱离 再把这部分气体引导到气体出口 11 17 2 4 2 气 液旋流分离器 目前分离器的理论和实践研究已比较深入 经过不断的研究 在常规式分离器的 基础上 又出现了很多适用于各种场合的新型分离器 旋流分离器 简称旋流器 的发明 应用已有约一个半世纪了 开始 只用于选矿过 程中的固液分离和固固分离 后来发展到固气分离 液气分离等 到20世纪80年代末 这种旋流分离器被用于石油工业中的产出水除油 取得了满意的效果 虽然旋流分离技 术在气液分离方面的应用要晚得多 但已显示出了其体积小 快速 高效 连续操作等 方面的优越性 1 旋流式分离器的结构及工作原理 旋流分离器 是一种利用离心沉降原理将混合物中具有不同密度的相分离的机械 分离设备 旋流分离器的基本构造为一个分离腔 一到两个入口和两个出口 分离腔 主要有圆柱形 圆锥形 柱 锥形三种基本形式 入口有单入口和多入口几种 但在实 践中 一般只有单入口和双入口两种 就入口与分离腔的连接形式来分 入口又有切 向入口和渐开线入口两种 出口一般为两个 而且多为轴向出口 分布在旋流分离器 的两端 靠近进料端的为溢流口 远离进料端的为底流口 在具有密度差的混合物以 一定的方式及速度从入口进入旋流分离器后 在离心力场的作用下 密度大的相被甩向 四周 并顺着壁面向下运动 作为底流排出 密度小的相向中间迁移 并向上运动 最 后作为溢流排出 分离器示意图如图2 5 这样就达到了分离的目的 旋流分离技术可 用于液液分离 气液分离 固液分离 气固分离等 液体 气体 气液 混合体 18 图2 5 旋流分离器示意图 2 旋流式分离器的优缺点 在石油化工中装置中 有各种各样的分离器 其中以立式重力气液分离器最为常 见 这种气液分离器具有结构简单 操作可靠等持点 立式重力式分离器的主体为一 立式圆筒体 多相流一般从该筒体中段进入 顶部为气流出口 底部为液体出口 其 结构简图见图2 6 图2 6 立式重力式分离器结构简图 虽然旋流式气液分离技术在石油化工方面的应用要晚得多 但与常规的重力式分 离相比较 它具有很多优点 1 分离效率高 由于分离原理的不同使得旋流式分离器具有很高的分离效率 2 成本低 占用空间较小 维护费用少 能耗低 不需要任何帮助分离的介质 3 安装灵活方便 旋流器可以任何角度安装 4 工作连续 可靠 操作维护方便 一旦设计 调试好 就可自动 稳定地工作 旋流式气液分离器有以上优点 但也有如下缺点 1 由于旋流器内流体的流动产生一定的剪切作用 如果参数设计不当 容易将液滴 油滴或水滴 打碎乳化而恶化分离过程 2 通用性较差 不同的分离要求 不同的处理物料的性质往往需要不同结构尺寸或 操作条件的旋流器 因此旋流器往往不能互换使用 在欠平衡钻井中 使用旋流式气 液分离器分离钻井液中的气体 能充分发挥该离器优点 同时又能有效的避免它的缺 点 2 5 压缩机 19 2 5 1 压缩机的种类 压缩机根据其工作原理可以分为容积型和速度型两大类 1 容积型压缩机 用机械的方法使密闭容器的容积变小 使汽体压缩而增加其压力的机器 称为容 积型压缩机 它有两种结构型式 往复活塞式 简称活塞式 和回转式 2 速度型压缩机 用机械的方法使流动的汽体获得很高的流速 然后在扩张的通道内使汽体流速减 小 使汽体的动能转化为压力能 从而达到提高汽体压力的目的 这种机器称为速度 型压缩机 属于这一类的有离心式压缩机 2 5 2 离心式压缩机 离心式压缩机在石油化工 纺织 冶金等行业中应用广泛 13 例如石油化学工业 中 合成氨化肥生产中的氮 氢气体的离心压缩机 炼油和石化工业中普遍使用各种 压缩机 天然气输送和制冷等场合的各种压缩机 在动力工程中 离心式压缩机主要 用于小功率的燃气轮机 内燃机增压以及动力风源等 离心式压缩机是气体在压缩机中受离心力的作用 沿着垂直压缩机轴的径向方向 流动 它是一种叶轮旋转式的机械 它是靠高速旋转的叶轮对气体做功 以提高气体 的压力 气体的流动是连续的 其流量比容积型制冷压缩机要大得多 1 工作原理 离心式压缩机具有叶片的工作轮在压缩机的轴上旋转 进入工作轮的气体被叶片 带着旋转 增加了动能 速度 和静压头 压力 然后出工作轮进入扩压器内 在扩压器中 气体的速度转变为压力 进一步提高了压力 经过压缩的气体再经弯道和回流器进入下 一级叶轮进一步压缩至所需的压力 打个比方说 一般是由一台原动机 电机 带动 一根轴 轴上装有有 4 个叶轮 就好象一根轴带了 4 个电扇 一个电扇的风传给了第 二个电扇 又传给了另一个电扇 最后你感觉到风的力量很大一样 离心压缩机就是 这样通过叶轮把气体的压力提高的 气体在叶轮中提高压力的原因有两个 一是气体在叶轮叶片的作用下 跟着叶轮作 20 高速的旋转 而气体由于受旋转所产生的离心力的作用使气体的压力升高 其次叶轮是 从里到外逐渐扩大的 气体在叶轮里扩压流动 使气体通过叶轮后压力得到提高 2 压缩机气动热力学数值模拟 离心式压缩机总是由一个或几个级所组成的 级 是离心压缩机的基本单元 因 此对于离心压缩机工作过程的数值模拟是建立在对级的分析和计算基础上的 根据离 心压缩机的气动热力学基本理论 对于一个级所需要的能头及状态参数的变化可由以 下各式计算 2 19 2 12222 1 1cot sin dfrAA Htotug 式中 Htot 级的总能头 J kg l df 分别为漏气损失系数和轮阻损失系数 2r 流量系数 2A 叶片离角 Z 叶片数 u2 叶轮出口圆周速度 m s 2 19 式中流量系数可按下式计算 2 20 222222 1 rsV QD bu 式中 Qs 压缩机进口流量 吸入状态 m3 min D2 叶轮出口直径 m b2 叶轮出口宽度 m 2 叶轮出口阻塞系数 Kv2 叶轮出口比容比 比容比kv2应按下式计算 2 21 1 22 1 Vs 式中 T2 叶轮出口与级的入口温差 K Ts 级的入口温度 K 指数系数 对于 T2又可按下式计算 21 2 22 22 2 2 1 2 s tot cc H R 式中 k R 气体绝热指数和气体常数 取决于压缩气体的性质 c2 cs 分别为气体在叶轮出口和级入口的气体流速 m s c2 2 23 22 22ru 出口气体流速c2可根据叶轮出口处速度三角形几何关系求出 上述5个方程中 共 有5个求解参数 可求得唯一解 但一般得不到简单的解析式可利用计算机用迭代法求得 数值解 当上述参数确定后 可进一步求解出级的压力比 和总功率Ntot 2 24 1000 tottot NmH 2 25 式 2 25 中 m是叶轮的有效流量 kg s 当每级的能量参数和状态参数确定后 就可进而求解段及整机的参数 14 2 6 汽提塔 我国目前引进装置在用的汽提塔 根据工艺流程的不同 主要有二氧化碳汽提塔 和氨汽提塔 分别用于二氧化碳和氨作汽提介质 尽管汽提介质不同 但设备主要结 构基本一致 都是一台立式固定管板降膜式列管换热器 汽提塔高压部分由管箱短节 球形封头 入孔盖 液体分布器 汽提管 升气管 管板等部分组成 低压部分由低 压壳体 膨胀节 防爆板等组成 不同之处是氨汽提工艺的汽提塔管箱内装有使气 液充分接触的鲍尔环填料层 其次是氨汽提工艺的汽提塔上下结构对称 可以倒头使 用 二氧化碳工艺的汽提塔不能倒头使用 同时为了减少热量损失和防止设备或管道 内可能发生的局部结晶或局部冷凝而引起的腐蚀 整个设备及进出口管道须用保温棉 保温 汽提塔的全部重量由焊接在膨胀节上方壳体上的支座承受 汽提塔原理 通过与水蒸气的直接接触 使废水中的挥发性物质按一定比例扩散 到气相中去 从而达到从废水中分离污染物的目的 1 1 tot s H Rt 22 2 6 1 汽提塔的主要部件 1 密封结构 我国汽提塔的密封结构主要有 不锈钢齿形垫 纯钛透镜垫 这种结构具有耐腐 蚀 密封性能好 结构简单 制造方便 能重复使用等优点 在引进的大型生产装置 中 包括汽提塔在内的几台高压设备密封结构 均采用螺栓拉伸器按要求预紧 螺栓 拉伸器有液压和风动两种方式 无论是何种方式 在预紧 热紧的过程中都必须按顺 序分几次对称均匀地预紧 热紧 以便使密封垫达到较为理想的密封效果 2 衬里 汽提塔有高压管板 管箱和球形封头上才有衬里 衬里主要形式有松衬里 爆炸 复合衬里 堆焊衬里 衬里的材质主要有 316L 不锈钢及工业纯钛 就目前应用而言 汽提塔多采用爆炸形式衬离 机械松衬里虽便于检漏 但制造工艺复杂 贴紧度差 不能承受较大温度 压力的波动 堆焊衬里虽能承受较大温度压力的波动 但制造需 要专用焊接设备及消耗大量昂贵的焊材 成本较高 并且衬里也不能检漏 因此应用 较少 虽然爆炸复合衬里制造质量不易控制 不易检漏 但贴紧度好 制造成本较低 所以应用较多 衬里检漏管一般设在焊缝的上 下两侧 其作用是在制造 维修过程 中来进行渗漏检查 生产过程中用来监测设备有无泄漏 3 液体分布系统 液体分布系统是汽提塔的重要组成部分 其作用是确保介质均匀进入汽提管中形 成连续均匀的液膜 以确保汽提效果 若出现偏流 导致液体分布不均匀 就会降低 汽提塔的汽提效率 从而影响生产 并造成对设备的腐蚀 为此后期引进的氨汽提尿 素装置在汽提管上部又增加了十字分布器 溢流槽及填料层 以提高汽提效果 4 汽提管 目前汽提法 CO2汽提法 NH3 汽提法 尿素汽提塔换热管长一般为 6m 其尿素装 置生产能力的大小一般由气体管数量多少而定 汽提管用材较早是 316L 不锈钢 后来 采用 X2Cr25Ni22Mo2 型不锈钢及工业纯钛 最近又出现了锆材复合管 5 安全附件 汽提塔的安全附件是为了一旦汽提管破裂时 能释放低压侧内过高压力 以确保 设备的安全 就采用形式而言有爆破板和安全阀两种形式 早期引进的 CO2 汽提法工 艺中的汽提塔都采用爆破板 后来引进的 NH3 汽提工艺中的汽提塔一般采用安全阀 23 爆破板有倒拱型和预拱型爆破板 引进的 CO2 汽提塔爆破板采用倒拱型 其后国产尿 素装置衬钛 CO2 汽提塔采用的是预拱型爆破板 引进的 CO2 汽提塔要求爆破板的直径 大于 100mm 准 150mm 爆破压力为 290N cm2 国产衬钛汽提塔爆破压力为 310N cm2 引进的 NH3 汽提塔安全阀的起跳压力为 280N cm2 2 6 2 管式汽提塔 图2 9是管式汽提塔的结构示意图 其结构主要有塔体4 塔座6 蒸汽喷射管7 分 离器2 液位罐9和支架8等组成 其中塔体由两根直径不同的无缝钢管所套合 两端再 以法兰焊制而成 上部有间接蒸汽进口管13 下部有冷凝水排出管5 分离器类似于一般 的旋风分离器 其顶部为溶剂蒸汽出口管1 底部是浸出毛油出口管3 而液位罐上尚有 液面指示器10 以供操作时观察使用 11是混合油进口管 12为自由气体管 来自第二长管蒸发器的浓混合油从进口管进入液位罐 以控制混合油的液面 一般 保持在300mm左右 混合油进入塔座后 就受到蒸汽喷射管喷出的直接蒸汽的汽提 一 起沿着内