автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Функциональное диагностирование высокотемпературной автоматизированной теплообменной аппаратуры

На правах рукописи

Кручинин Дмитрий Сергеевич

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ

Специальность 05.13.06 — автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

б ИОН 2013

005060854

г. Ярославль 2013

005060854

Работа выполнена на кафедре «Кибернетика» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Ярославский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ЦЫГАНКОВ Михаил Петрович, профессор кафедры «Кибернетика» ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет» (ЯГТУ), г.Ярославль.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент,

BECEJIOB Олег Вениаминович, заведующий кафедрой «Техносферная безопасность» ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ), г.Владимир;

доктор технических наук, профессор, ЛАБУТИН Александр Николаевич, заведующий кафедрой «Техническая кибернетика и автоматика» ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет», г.Иваново.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный

технический университет», г.Вологда

Защита диссертации состоится «26» июня 2013 г. в 13 часов 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.025.01 при ВлГУ по адресу: г.Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1, ауд. 335-1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ.

Автореферат диссертации разослан «22» мая 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу совета университета: 600000, г.Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.025.01.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., доцент

Давыдов H.H.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и степень разработанности

Высокотемпературные теплообменные аппараты используются в условиях интенсификации тепловых процессов, характеризующихся высокими тепловыми нагрузками и расходами материальных потоков. Как правило, эти объекты входят в состав автоматизированных технологических установок большой мощности, и их дефектность может приводить к значительным издержкам производства промышленной продукции, ухудшению ее качества, аварийным ситуациям.

Своевременное выявление источников нарушений технического состояния объектов позволяет принимать оперативные решения по обслуживанию дефектных элементов и исключать или существенно снижать вероятность аварийности технологических установок. В режимах эксплуатации непрерывных технологических процессов функциональное диагностирование, то есть диагностирование в режиме рабочего функционирования, является одним из эффективных инструментов мониторинга и управления эксплуатационной надежностью автоматизированного технологического оборудования.

Существенный вклад в развитие теории автоматизации и управления технологическими процессами и производствами внесли Коростелев В.Ф., Абрамов И.В., Поздняков А.Д., Лабутин А.Н., Макаров Р.И., Веселов О.В., Монахов М.Ю. и др.

Вопросы технической диагностики как самостоятельной научной дисциплины были сформулированы и широко освещались в работах Пархоменко, Мозгалевского, Гаскарова, Кузьмина. Функциональная диагностика в условиях эксплуатации непрерывных автоматизированных технологических процессов рассматривалась Мироновским, Химмельблау, Муромцевым, Жирабоком и другими авторами. Специфика диагностики автоматизированной теплообменной аппаратуры с учетом возможных неисправностей измерительных каналов автоматического контроля анализировалась в работах Лункина Б.В., Тараненко В.П., Цыганкова М.П. и Бойкова С.Ю. Однако в известных работах не учитывались особенности функциональной диагностики важного класса теплообменных аппаратов, применяемых в условиях интенсификации непрерывных технологических процессов и работающих в условиях предельных тепловых нагрузок.

В силу указанных выше причин, задачи разработки и применения методов функциональной диагностики для этого класса объектов являются актуальными. В работе они решаются с учетом влияющих на вид диагностических моделей высоких тепловых нагрузок, больших температурных напряжений, общей конструктивной специфики таких объектов, - влекущих наиболее характерные виды дефектов.

Объект исследования

Объектом исследования являются методы технического диагностирования автоматизированной теплообменной аппаратуры.

Предмет исследования

Предметом исследования является методологическое и алгоритмическое обеспечение автоматизации системного технического диагностирования теплообменных аппаратов и средств автоматического контроля их технологических режимов в жестких температурных условиях их эксплуатации.

Цель и задачи

Целью диссертационной работы является повышение объективности и оперативности процесса технического диагностирования высокотемпературных автоматизированных теплообменных аппаратов. Указанная цель достигается решением следующих задач:

1) анализ особенностей организации высокотемпературного теплообмена, режимов функционирования, характерных видов дефектов теплообменников,

2) анализ существующих методов диагностирования автоматизированной теп-лообменной аппаратуры,

3) построение математических моделей для диагностирования, учитывающих специфику конструктивных особенностей и режимов эксплуатации высокотемпературных аппаратов,

4) разработка методов и алгоритмов функционального диагностирования высокотемпературной автоматизированной теплообменной аппаратуры,

5) анализ особенностей функционирования высокотемпературных аппаратов в производстве технического углерода, разработки методов диагностирования специфических дефектов теплообменных аппаратов для этого производства.

Научная новизна

Научная новизна заключается в выделении класса автоматизированных высокотемпературных теплообменных аппаратов, как специфических объектов технического диагностирования, имеющих аналогичные принципы организации тепловых потоков и особенности теплообмена; в обосновании включения нелинейных зависимостей параметров теплообмена от температуры в состав контрольных условий процедур диагностирования; в разработке методики расчета температурных профилей ячеечных моделей высокотемпературного теплообмена путем итеративного уточнения значений теплоемкостей и коэффициента теплопередачи для текущих значений температуры с учетом специфики организации движения потоков теплоносителей; в выявлении необходимости применения неявной схемы оценивания величины и места возникновения дефекта, в виду краевого характера задачи итеративного расчета температурных профилей высокотемпературного теплообмена; в предложении метода выявления дефектов, связанных с разрушенем элементов конструкции теплообменников, характерных для аппаратов высокотемпературного теплообмена; в разработке методики диагностирования высокотемпературных теплообменников крупнотоннажного производства технического углерода в которой учитывается рециркуляция тепловых потоков и химическое взаимодействие теплоносителей в условиях их внутренних утечек.

Достоверность

Достоверность результатов обеспечивается корректным использованием методов математического моделирования, функциональной диагностики технических систем, проверкой адекватности контрольно-диагностических уравнений для примеров промышленных условий эксплуатации высокотемпературных теплообменных аппаратов, имитационным моделированием обнаружения отказов автоматизированной тепловой аппаратуры, широкой апробацией предложенных решений на конференциях различного уровня.

Теоретическая и практическая значимость

• Подготовлена теоретическая база для разработки инженерных систем функционального диагностирования класса автоматизированных теплообменных аппаратов, эксплуатирующихся в условиях жестких температурных режимов осуществления процессов теплообмена.

• Созданы алгоритмы и программное обеспечение функционального диагностирования установившихся режимов высокотемпературных теплообменных аппаратов, жесткие условия эксплуатации, которых связаны с высоким риском их аварийности.

• Методы функционального диагностирования высокотемпературных автоматизированных теплообменников, широко используемых в крупнотоннажном производстве технического углерода, приняты к внедрению в ОАО "Ярославский технический углерод".

• Предложена компьютерная система технического диагностирования высокотемпературных воздухоподогревателей, используемая в курсовых и дипломных проектах Ярославского государственного технического университета.

Методы исследования

Теоретическую основу исследований составляет методология функционального диагностирования и ее разделы, базирующиеся на использовании принципов аналитической избыточности. Для исследования проблемы и решения задач технического диагностирования высокотемпературных теплообменных аппаратов в работе используются методы функциональной диагностики, математического моделирования, нелинейного программирования, теории идентификации.

Положения, выносимые на защиту

• Исследование влияния и включение нелинейных зависимостей параметров теплообмена от температуры в состав контрольных уравнений диагностирования.

• Алгоритмы решения краевой задачи расчета температурных профилей теплообмена итеративным уточнением температурного режима ячеек ячеечной модели теплообменника с учетом нелинейности зависимости параметров модели от температуры.

• Методы обнаружения и диагностирования утечек и перетоков в теплообменниках на основании сопоставления расчетных температур на выходе теплообмен-ного аппарата с данными автоматического контроля его температурного режима.

• Методы повышения точности диагностирования учетом взаимосвязи расходов греющего и нагреваемого потоков, а также их химического взаимодействия при перетоках в высокотемпературных теплообменниках производства технического углерода.

Степень достоверности

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами проверки адекватности контрольно-диагностических уравнений для примеров промышленных условий эксплуатации высокотемпературных теплообменных аппаратов, имитационным моделированием обнаружения отказов автоматизированной тепловой аппаратуры, а также внедрением методов функционального

диагностирования высокотемпературных автоматизированных теплообменни-коп в ОАО "Ярославский технический углерод".

Апробация работы

Основные результаты и научные положения диссертации обсуждались и докладывались на Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ-24, Пенза, 2011); на Международной научно-практической конференции «Информационные и управляющие системы пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2009); на Международной научно-практической конференции «Nauka I inowacija - 2011» (Przemysl, 2011); на шестьдесят четвертой региональной научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных зведений с международным участием (Ярославль, 2011); на шестьдесят второй региональной научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных зведений с международным участием «Молодежь. Наука. Инновации - 2009» (Ярославль, 2009).

Публикации

Основные результаты диссертации отражены в девяти печатных работах, в том числе в трудах пяти научных конференций и четырех статьях в изданиях, включенных в перечень рецензируемых научных журналов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературных источников из 127 наименований, 4 приложения. Работа изложена на 139 страницах основного текста, содержит 66 рисунков и 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность, сформулированы цель и задачи, определены научная новизна и практическая значимость данной работы.

В первой главе «Методы мониторинга технического состояния автоматизированной теплообменной аппаратуры» рассматриваются особенности функционирования теплообменных аппаратов в жестких температурных условиях эксплуатации. Такие аппараты отличаются применением сложных схем движения теплоносителей, обеспечивающих как тепловую защиту наиболее те-плонапряженных зон, так и высокие показатели эффективности теплообмена. Характерные примеры представляются воздухоподогревателями, используемыми в крупнотоннажном производстве технического углерода. В аппарате протекают технологические процессы подогрева воздуха, поступающего далее в реактор производства, и охлаждения получаемого в реакторе аэрозоля. Горячий теплоноситель в этих аппаратах может поступать в трубное пространство с температурой 800-900°С. Конструкцией аппаратов предусматривается защита трубной плиты и трубного пучка в зоне ввода высокотемпературного потока. Нагреваемый поток вначале подается в высокотемпературную (первую) зону аппарата для охлаждения трубной плиты, а затем в противоточную (вторую) зону для повышения эффективности технологического процесса подогрева воздуха и охлаждения горячего теплоносителя - аэрозоля.

Выполненный анализ характера протекания процесса теплообмена в условиях высоких температур приводит к выводу об основных факторах, вызы-

вающих дефектность теплообменной аппаратуры, к каковым относятся высокие тепловые напряжения элементов конструкции, определяемые как высокими температурами, так и большими объемными расходами теплопередающих и те-пловоспринимающих потоков; смена режимов работы оборудования, пуски и остановы. Наличие дисперсной фазы в потоке теплоносителя, загрязняющей теплопередающую поверхность, и использование агрессивных, химически активных сред в качестве теплоносителей может еще более осложнять характер эксплуатации процесса. Возможно, например, полное перекрытие загрязняющими отложениями проходного сечения некоторых трубок теплообменника (рис.1). В результате снижается их температура, чем (при высоких температурных перепадах) вызывается деформация трубной решетки теплообменного аппарата за счет линейного сжатия относительно остальных трубок нагретого трубного пучка.

По этой же причине возможен отрыв запрессованных в нее трубок (рис. 2). Подобного рода дефекты отражают эксплуатационную специфику высокотемпературных аппаратов. Они аварийноопасны и должны обязательно подлежать диагностическому выявлению.

Проанализированы существующие методы диагностирования технологических объектов химико-технологических производств. Рассмотрены особенности диагностирования автоматизированных объектов, моделируемых уравнениями материальных, тепловых балансов и выражениями теплопередачи (АМТТ-объектов). Отмечено, что в существующих работах по диагностике таких объектов, установлена целесообразность использования методов функционального диагностирования (технического диагностирования в рабочем режиме функционирования объекта). Отражена эффективность методов балансовой диагностики для контроля технического состояния автоматизированной теплообменной аппаратуры и влияние технологической специфики АМТТ-объектов на структуру контрольно-диагностических балансовых уравнений.

Хотя автоматизированная теплообмен-ная аппаратура для высокотемпературного теплообмена (АВТТ) формально входит в класс подобных объектов, базовые методы ее диагностирования должны быть существенно дополнены и переработаны, так как известными методиками не учитываются наиболее характерные для жестких режимов эксплуатации оборудования АМТТ виды дефектов. Действительно, при диагностировании АМТТ-объектов детально рассматриваются неисправности устройств в каналах автоматического контроля теплового режима, но мало внимания уделяется диагностированию параметрических дефектов. Выявляется

Рис.1 - Пример перекрытия проходного сечения трубки теплообменника

Рис.2 - Пример разрушения трубной решетки высокотемпературного теплообменного аппарата

лишь изменение коэффициента теплопередачи К, нарушающее нормальный режим функционирования объекта. Полагается нулевой вероятность разрушения элементов теплового оборудования.

В условиях же предельных тепловых нагрузок это допущение неправомерно, так как частичное разрушение элементов конструкции аппаратов может иметь следствием не только тепловые потери, но и утечки материальных потоков. Допущения о независимости параметров контрольных уравнений от температуры, принятые для АМТТ объектов, также оказываются неправомерными при высокотемпературном теплообмене. В условиях широкодиапазонного изменения температур следует учитывать изменение теплоемкостей потоков и коэффициентов теплопередачи, связанные с варьированием температуры. Наконец, при диагностировании АМТТ объектов не учитывается специфика организации материальных потоков, обеспечивающая тепловую защиту элементов теплообменной аппаратуры и влияющая на характер методов и алгоритмизации диагностирования.

Поставлена задача совершенствования методов диагностирования, модификации и расширения функциональности контрольно-диагностических моделей с целью учета специфики условий эксплуатации высокотемпературного теплового оборудования и возможности диагностирования характерных для него видов дефектов.

Во второй главе «Особенности моделирования высокотемпературных теплообменных аппаратов для решения задач диагностирования» проанализированы погрешности, вносимые допущениями, принятыми для построения контрольных соотношений АМТТ-объекта, в условиях его "высокотемпературной" эксплуатации. Отмечено, что при постоянстве массовых расходов GA и GB соответственно греющего и нагреваемого потоков, между которыми происходит теплообмен, диагностические модели АМТТ-систем строятся как линейные по переменным технологического режима (температурам потоков).

Сравнительный анализ результатов интегрирования балансовых уравнений противоточного высокотемпературного теплообменника при постоянной теплоемкости потоков с = const, и теплоемкостях с = с(7), выраженных как функции температуры Т, меняющейся в пределах, характерных для высокотемпературного теплообмена, указывает на то, что погрешности, вносимые в результаты моделирования при допущении с = const значительны.

Отмечено что, система дифференциальных уравнений модели теплообменника с противоточной схемой движения теплоносителей не полностью отражает специфику теплообмена, связанную с конструктивными особенностями высокотемпературных аппаратов. Предложено учесть эту специфику применением для диагностирования ячеечной модели аппарата. Такая модель позволяет задавать различные балансовые соотношения для разных зон теплообмена: для высокотемпературной зоны защиты трубной плиты и для ячеек в зоне перекре-стно-противоточного движения теплоносителя. Схема движения тепловых потоков анализируемого типа аппаратов изображена на рис. 3. Характер их движения соответствует варианту аппарата, изображенному на рис 4.

Серыми стрелками указывается направление теплоносителя, белыми -общее направление движения нагреваемого потока, фигурными - огибание нагреваемым потоком перегородок в межтрубном пространстве.

Для составления диагностической модели принимаются допущения об идеальном перемешивании в пределах ячейки и малости потерь тепла в окружающую среду. Размеры ячеек полагаются одинаковыми, хотя это не является принципиальным для решения задач диагностирования. Количество ячеек принимается соответствующим количеству секций теплообменника.

Преобразованием уравнений тепловых балансов и теплопередачи получены выражения для расчета температур на выходе первой ячейки: 1 _ вАсА (впСк+тт! + (}пспКГТп 1 _Свсв (СаСа + КГ)Ту + С,АсАКГт'А А СЛсА (С}нСъ+КГ) + СцСцК Г /в 6цсв (САсА + КГ) + САсАК Г (1)

где Тв, 7в - температуры поступающего в теплообменник и выводимого из его

- гтР Л

первой ячеики нагреваемого потока; ТА, ТА - температуры греющего потока, входящего и покидающего трубное пространство теплообменника в первой ячейке; 6'а, С в - массовые расходы греющего и нагреваемого потоков; сА, св - удельные теплоемкости потоков греющего и нагреваемого; К и Р- коэффициент и поверхность теплопередачи.

Нагргкй 1ШН

шутах

Н2ГргВ2-5 п 1ШК

поток

£-* яченхг

'Щ

ль

«-г гчезжа

I

т:

п

Гргиш

А

Гр®ОЩНН 1КУ7(Ж

И17 р е е се

рдй п от (ж

ГреюГЦМЙПИЕЖ

Рис. 3 - Органнзаджя ячеечного движения Рис .4 - Высокот«мпер1т\{жый теплоносителей воздухоподогреватель ПВО-ЗОО

Для г'-ой ячейки выражения расчетных значений температур имеют отлич ный от (1) вид:

Ов-св-КРСГА- 7*в) / Св-св-?в +К-Г-ТА

<п ~ тг г , г, (2)

т'

Та - 1^ САсА-(Ов-св +КГ)

КР+Ов-св

где I = 2, п\ , Гв, - температуры нагреваемого потока на входе и выходе из /-ои ячеики; ТА, ТА - температуры греющего потока на входе и выходе из /-ой ячейки; п - количество условных ячеек аппарата.

Алгоритм расчета выходных параметров ячеечной модели аппарата стартует с расчета значений ТА и Тв по явной схеме вычисления выражений (1). Далее по расчетному значению Тв и принятому первому приближению из заданного интервала ее значений в соответствии с (2) поячеечно вычисляются

я и+1

значения температур вплоть до Тв и Т А . Последняя должна с точностью 5 сов-

падать с ТА. При несовпадении вычисления продолжаются делением интервала для 7д пополам, пока требуемая точность 8= \Т1-Т"А1\ не будет достигнута. Показано, что итеративная процедура расчета температурного профиля сходится.

В третьей главе «Модели функционального диагностирования в условиях высокотемпературного теплообмена» рассматриваются вопросы идентификации диагностической модели теплообменника. Если в качестве системы контрольных соотношений используется математическая модель диагностируемого объекта, то процедуру идентификации ее коэффициентов можно рассматривать с формальной точки зрения как этап функционального диагностирования, отвечающий за подгонку смещения коэффициента, моделирующего дефект (после возникновения последнего) с целью обеспечения адекватности математического описания новому техническому состоянию объекта.

Идентификация коэффициента теплопередачи К выполняется для индивидуального аппарата по экспериментальным данным за период бездефектного функционирования в установившемся режиме. Предполагается, что в этот период возникновение дефекта маловероятно.

Коэффициент К оценивается методом сканирования, минимизирующим оценку а(К) среднеквадратического отклонения расчетных температур ^^¡{К), (К) на выходе теплообменника от измеренных 7^", а(К) =

1г(/и(К)+МЮ)

I 2л_1 1> ЗДесь 1 - номер эксперимента, п - общее число измерении

= (тГ-га*))2, МЮ = (Т7г?в7(*))2.

Предложенной процедурой можно определить лишь первое приближение оценки К, так как коэффициент теплопередачи сохраняет постоянное значение в пределах лишь одной ячейки и не одинаков для зон высоких и умеренных температур. Поэтому исследован алгоритм идентификации параметров модели теплообменника, разделенного на две зоны. Первая зона - зона охлаждения трубной плиты теплообменника, в которой коэффициент теплопередачи равен Ки вторая зона — участок теплообменника, с перекрестно-противоточной схемой движения теплоносителя с коэффициентом теплопередачи К2. Идентификацией Кх и К2 прямым сканированием на сетке их значений (минимизацией функции а(Ки К2)), выявляется линейная зависимость К2=ц>(К\), отвечающая дну «оврага» с практически равными значениями а(Ки К2) & стт/„, где атш - минимум значения а(Ки К2), соответствующий оптимальному значению критерия качества идентификации. На линии точек локальных минимумов, образующейся в результате сканирования К2, при каждом значении К\=сот1 находится и значение К1 = К2, то есть поиск оказывается неинформативным с точки зрения возможностей оценки различий интенсивности теплопередачи в выделенных зонах теплообменника.

Более точная зависимость распределения значений К по пространственной координате устанавливается при его идентификации как функции К=^Т) температуры Т в текущей ячейке теплообмена.

Общепринятое выражение этой функции имеет вид: ^ +гл + гз2+~,

где а] и а2[Вт/м2-К] коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей, Лст -теплопроводность материала стенки Вт/м-К; - толщина стенки, м; г3] и гг2 -термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки. С учетом

аддитивности термических сопротивлений в работе принимается г= гл + гл.

Коэффициенты а, связаны с параметрами движения и свойствами нагреваемого и охлаждаемого потоков, зависимостью которых от температуры при значительных диапазонах ее варьирования пренебречь нельзя, среди них, прежде всего, параметры, определяющие теплофизические свойства теплоносителей: плотность р = р(7), вязкость (1 = ц(7), теплоемкость с = с(Т), а также объемный расход Q = Q{T), Рисунком 5 иллюстрируется зависимость динамической вязкости воздуха цв от температуры согласно известному выражению Сазерленда, влияющей на теплофизические свойства теплоносителей.

Существенно варьируется в рассматриваемых температурных диапазонах и теплоемкость газов. По данным работ Орлова В.Ю., Ивановского В.И. в производстве технического углерода удельная теплоемкость теплоносителей изменяется на величину от 4 до 8 % для высокотемпературного аэрозоля и от 8 до 15% для нагреваемого воздуха.

В силу изложенного методика расчета температурных профилей с учетом полученных зависимостей К{Т), с(7) скорректирована.

Система уравнений для расчета температур на выходе ячейки в высокотемпературной зоне ввода горячего теплоносителя (1), а также уравнения для поячеечного расчета в противоточной части теплообменника (2) с учетом указанных функциональных зависимостей сА(Т), св(7) и К(Т) принимают вид:

0,0 , ( , i i М М \

Ji _ Gaca (GBcn+KF)TA + GncXFTn A Gaca (Grcr+K]F) + GBcBK]F

<

ji+i—£A 1 A^+T С A

r | iCFGsicnn-CHT*) . A GAc'A{K'F + GBcB)

„I _ GBCB (Gaca +k[f)tn + Gac°\K1fta J3 GBcB (GaCa +K'F) + Gacakx f

<

JCF Ta , TT/T-^r+i (3)

M GBcB 1B b b •

GbCB Cb

Зависимости fC{Ta,TA), cB{TB), cA (7*A ) на каждом шаге вычислений ЗаДа-

^Т,' J+l

ются неявно, так как их аргументы Тв, ТА также должны вычисляться на этом шаге в соответствии с (3). Поэтому на текущем (/-ом) шаге расчета профилей f а , Та для расчета используется схема простой итерации, обобщенный вариант которой проиллюстрирован рисунком 6. Символ на рисунке означает запоминание вычисленного значения выходной переменной для его сравнения со значением, найденным на следующей (&+1-ой) итерации текущего (г'-го) шага расчета профиля температур.

Компонентами вектора у являются искомые значения 7^', Тв при фиксированной величине индекса "/"', а компонентами х - значения к1, cà, c'a. Шаги по к продолжаются до достижения задаваемой точности: 5 < 5ЗД. Близость значений у на текущей и предшествующей итерациях при выполнении этого условия считается удовлетворительной. Пересчет температуры в /'-ой ячейке по индексу к во всех случаях сходится за четыре итерации с точностью до 0.1 С0.

На рис. 7 изображена зависимость разности температурных профилей воздуха по длине теплообменника АТВ = Тв'-Ти, рассчитанных при постоянных и переменных параметрах теплопередающих сред. Здесь верхний индекс "*" со-

ответствует профилю, рассчитанному при переменных значениях параметров теплопередачи.

О, (И 5

0 1 2 3 4 5 6 № секции теплообменника Рис.7 — Разность исходного и скорректированного расчетных температурных профилей воздуха по длине высокотемпературного теплообменника

400 ÍQ0

Ть. 'С

Рис.5-Зависимосп>дннамической Рис. 6 - Процедура вычисления температурных вязкости воздуха //в (Т) от темпе- профилей на текущем шаге расчета температурного ратуры Тв- режима теплообменного аппарата.

Таким образом, уточнение профиля температуры с учетом ее влияния на теплофизические свойства теплопередающих сред повысит достоверность принятия решений об источнике неисправности высокотемпературного теплообменного оборудования по данным расчета температурных профилей и сопоставления расчетных и измеренных температур потоков.

В четвертой главе «Разработка методов и алгоритмов диагностирования высокотемпературной теплообменной аппаратуры» рассмотрены вопросы диагностирования сигнальных и параметрических дефектов автоматизированной высокотемпературной теплообменной аппаратуры. Общая схема диагностирования сигнальных дефектов АВТТ — объектов на базе ячеечной модели объекта существенно отличается от известной процедуры диагностирования АМТТ -систем в работах Бойкова С.Ю. необходимостью итеративных вычислений. Отличие вызвано тем, что зависимости моделей дефектов от измеренных параметров технологического режима представлены в неявной форме.

Ввиду нелинейности контрольно-диагностических уравнений процедура диагностирования сводится к последовательной минимизации единой функции невязок системы контрольных уравнений путем поочередного изменения значений "подозрительных на неисправность" параметров этих уравнений.

Например, оцениванием коэффициента К диагностируется изменение термического сопротивления г, входящего в выражение К, как параметр К=К(Т, г). Для этой цели используется метод прямого сканирования в заданном диапазоне поиска с минимизацией функции о(г) среднеквадратичного отклонения расчетных выходных температур объекта от измеренных.

Функция <т(г)

(7?- К(Т,г)))2 + (ТТ- ГГшт.г))?)

2 )

в детерми-

нированном варианте проверки модели диагностирования оказывается унимодальной, что позволяет найти глобальный минимум ее значения. Минимум тШ(г) функции а(г) достигается при значении г, отвечающем минимальному (с точки зрения выбранного критерия) отклонению выходных расчетных параметров диагностируемого объекта от измеренных. Аналогичным образом диагностируются и дефекты сигнального типа, то есть дефекты, моделируемые смещением показаний автоматического контроля переменных технологического режима.

Рассмотрены вопросы диагностирования дефектов, являющихся следствием частичного разрушения элементов конструкции аппарата. Среди указанных дефектов выделены утечки в окружающую среду и утечки внутрь трубного пространства. Такие неисправности отражают специфику дефектности высокотемпературных аппаратов и требуют модификации контрольно-диагностических уравнений.

Для диагностирования утечек, в балансовые уравнения, генерирующие выражения (3) включается переменная О^, имитирующая утечки (протечки) материальных потоков в окружающую среду или внутрь трубного пространства.

Для идентификации утечки Оу, из к-ой ячейки, используется итеративный метод прямого сканирования на сетке параметров Оу^, /, (где /=о~п - номер ячейки, ]= 1 ,т - номер шага итерации, процедуры перебора значений йу,, т-ограничение диапазона поиска), с минимизацией функции невязки /),

определяющей отклонение расчетных и измеренных выходных температур. Итеративный перебор значений Оу1] с инкрементированием значения / дает картину локальных минимумов функции а(в/), с глобальным минимумом на шаге итерации с номером ¡=к и значением

Оценена степень воздействия утечки на смещение температурных профилей в зависимости от места ее возникновения. Отмечена низкая эффективность диагностирования утечек в окружающую среду малой величины (менее 5% от общего расхода теплоносителя). Диагностирование такого рода дефектов предлагается выполнять, основываясь на системных проявлениях влияния дефекта в технологической цепочке производственного процесса.

Структурная схема системы диагностирования АВТТ интегрированной в АСУ ТП, согласно известным правилам корректирующего управления может иметь вид, изображенный на рис.8. Информация о выявленном дефекте передается обслуживающему персоналу нижнего и среднего звена для принятия решений о коррекции управления и обслуживании аппарата с целью устранения дефекта.

В пятой главе «Функциональное диагностирование высокотемпературных воздухоподогревателей в производстве технического углерода» задачи технического диагностирования АВТТ-объектов решаются применительно к производству техуглерода. Особенностью высокотемпературного теплообмена в таком производстве является взаимосвязь материальных потоков греющего и нагреваемого потоков, выражающаяся функцией 0А=/{0В) в уравнениях (3). Она

1 ».и

К I-

Модель объекта управления

Объект управления

{Обслуживание {(устранение дефекта)

вызвана компонентным возвратом нагреваемого воздуха в греющий его аэрозоль.

Другая особенность, осложняющая диагностирование, состоит в необходимости расчета параметров многокомпонентных потоков по параметрам их химических компонентов. Алгоритм расчета базируется как на лабораторном, так и расчетном методах определения состава многокомпонентной высокотемпературной среды.

Химическое взаимодействие нагреваемого и греющего потоков при их смешении в случае перетока из межтрубного пространства в трубное - ещё одна особенность процесса. Принятое допущение о малости утечки воздуха в момент ее обнаружения относительно потока аэрозоля позволяет полагать, что горение углерода С в смеси аэрозоля и воздуха происходит при недостатке кислорода 02 до образования окиси углерода СО: С + 0.5<Э2 —» СО + (2со- Таким образом,

\ \

Алгоритм

управления

------г Алгоритм коррекции

1 Алгоритм диагностики

Рис. 8 — Структурная схема системы диагностирования АВТТ интегрированной в АСУ ТП

количество теплоты <2со, передаваемое потоку аэрозоля в результате реакции неполного горения углерода будет составлять Qco = Су • 1.58><103, кДж/час. За счет коррекции уравнений теплового баланса включением в них переменной {2со чувствительность диагностирования к возникновению внутренних утечек существенно повышается.

Дополнительно повышает точность диагностирования и снижает влияние шумов измерительных каналов на правильность принятия диагностических, решений включение в систему контрольно-диагностических условий модели диагностирования уравнений Ар = ^-рю2/2 автоматически контролируемых перепадов Ар давлений в трубном и межтрубном пространствах. Здесь Е, -приведенный коэффициент сопротивления св — средняя линейная скорость движения потока в теплообменнике; р - плотность контролируемой среды. Эффект достигается за счет повышения степени аналитической избыточности, так как значения со связаны с массовыми расходами потоков, измеряемыми непосредственно или косвенно.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в рамках диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Основным результатом диссертации явилось создание методологического и алгоритмического обеспечения процесса технического диагностирования высокотемпературных теплообменных аппаратов.

Решены следующие задачи:

1) Выявлены характерные особенности класса высокотемпературных теплооб-менных аппаратов, требующие разработки специфических для этих объектов контрольных условий, методов и алгоритмов функционального диагностирования.

2) Разработаны математические модели высокотемпературного теплообмена, использующиеся в качестве контрольных соотношений функционального диагностирования и базирующиеся на описании параметров этих моделей как нелинейных функций температуры.

3) Предложены метод и алгоритм расчета температурных профилей ячеечной модели путем итеративного уточнения расчетных значений теплоемкостей потоков и коэффициента теплопередачи при температуре текущей ячейки, учитывающий специфический для высокотемпературного теплообмена характер организации движения теплоносителей. Показана сходимость алгоритмов расчета профилей температур.

4) Предложен алгоритм совместного диагностирования сигнальных и параметрических дефектов автоматизированной высокотемпературной теплообменной аппаратуры на базе ячеечной модели, учитывающий неявную зависимость моделей дефектов от измеренных параметров технологического режима.

5) Разработаны методы и алгоритмы диагностики параметрических дефектов, являющихся следствием частичного разрушения элементов конструкции теплооб-менного аппарата.

6) Разработан алгоритм диагностирования дефектов в условиях взаимосвязи материальных потоков и химического взаимодействия теплоносителей на базе анализа специфики функционирования высокотемпературных теплообменников в производстве технического углерода.

Предложенные алгоритмы диагностирования внедрены в ОАО "Ярославский технический углерод" и в учебный процесс в Ярославском государственном техническом университете. В перспективе они могут интегрироваться в программное обеспечение АСУ ТП производств использующих высокотемпературную теплообменную аппаратуру.

Публикации в изданиях из перечня российских рецензируемых научных журналов:

1. Цыганков, М.П. Модель функциональной диагностики высокотемпературных теплообменников / М.П. Цыганков, Д.С. Кручинин // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2010. - Т. 53. Вып. 11.-С.106-108, (лично автором - 75 %).

2. Цыганков, М.П. Особенности функционального диагностирования высокотемпературных теплообменников / М.П. Цыганков, Д.С. Кручинин // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2012. - №8. - с.67-70, (лично автором — 40 %).

3. Кручинин, Д.С. Функциональное диагностирование утечек при высокотемпературном теплообмене / Д.С. Кручинин, М.П. Цыганков // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -2012. -№9. - с.50-52, (лично автором - 70 %).

4. Цыганков, М.П. Особенности математического моделирования высокотемпературных теплообменников / М.П. Цыганков, Д.С. Кручинин / Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2013. - Т. 56. Вып. 3. - с. 95-99, (лично автором -40 %).

Прочие публикации:

5. Кручинин, Д.С. Идентификация коэффициента теплопередачи высокотемпературного теплообменного аппарата / Кручинин Д.С., Цыганков М.П. // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24. Сб. трудов XXIV Международ. науч. конф.: В 10 т. Т. 7. Секция 11 / под общ. ред. B.C. Балакирева. -Пенза: пенз. гос. технол. ак-мия, 2011. - с. 43-44, (лично автором - 55 %).

6. Кручинин, Д.С. Возможности функционального диагностирования высокотемпературных теплообменников / Кручинин Д.С., Цыганков М.П./ Materialy VII Miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji "Nauka I inowacija - 2011" Volume 16. Techniczne nauki.: Przemysl. Nauka i studia. - str. 98-101, (лично автором - 70 %).

7. Кручинин, Д.С. Модель функционального диагностирования высокотемпературных теплообменников / Кручинин Д.С., Цыганков М.П. // Информационные и управляющие системы пищевой и химической промышленности: матер, междунар. науч.-практ. конф. / Воронеж гос. Технол. Акад.-Воронеж: ВГТА, 2009. - с. 119 - 122, (лично автором - 45 %).

8. Кручинин, Д.С. Функциональность диагностических моделей автоматизированной теплообменной аппаратуры / Кручинин Д.С. // Шестьдесят вторая региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием «Молодежь. Наука. Инновации - 2009». 15 апреля 2009 г., Ярославль.: тез. докл. - Ярославль : Изд-во ЯГТУ, 2009. - с. 136, (лично автором - 100 %).

9. Кручинин, Д.С. Модели высокотемпературных теплообменников / Кручинин Д.С., Цыганков М.П. // Шестьдесят четвертая региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 20 апреля 2011 г., Ярославль. Ч. 1 : тез. докл. - Ярославль : Изд-во ЯГТУ, 2011. - с. 240, (лично автором - 50 %).

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в следующем: в [1], [7], [9] автор применил ячеечную математическую модель аппарата, отражающую специфику организации движения теплоносителей, для решения задач диагностирования высокотемпературных теплообменников, в [7], [5] автор описал необходимость применения модели для диагностики, учитывающей распределение интенсивности теплопередачи по длине аппарата, в [1], [2] автор описал процедуру поиска дефектов, учитывающую нелинейность контрольно-диагностических уравнений модели, в [3], [6] автор описал специфику параметрических дефектов высокотемпературных теплообменников, их влияние на модификацию контрольно-диагностических уравнений математической модели диагностики, в работе [4], [2] автор проанализировал погрешности, вносимые допущениями о независимости параметров контрольно-диагностических уравнений модели от её переменных.

Подписано в печать 17.05.2013г. Формат 60x90/16. Гарнитура Times New Roman.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №790

Отпечатано в типографии издательства ООО «Найс», 150003, г. Ярославль, ул. Республиканская, д.З, корп.1, оф.308. Тел./факс: (4852) 58-16-04

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет»

7<„

На правах рукописи

/ /у;"|г

04201360690 ( /'/У

Кручинин Дмитрий Сергеевич

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ

Специальность 05.13.06 - автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Цыганков М.П.

г. Ярославль 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ.....................10

1.1 Теплообменная аппаратура, условия ее эксплуатации и их влияние на техническое состояние теплообменного оборудования........................................10

1.2 Связь надежности и технической диагностики объектов..............................20

1.3 Анализ методов технического диагностирования объектов непрерывных технологий..................................................................................................................25

1.4 Особенности диагностирования АМТТ-систем...............................................39

1.5 Постановка задач диагностирования.................................................................43

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ..............................................................................................46

2.1 Погрешности математического моделирования высокотемпературного теплообмена, вносимые допущениями о постоянстве параметров тепловых потоков........................................................................................................................46

2.2 Влияние нелинейности балансовых соотношений в контрольно-диагностических уравнениях модели......................................................................50

2.3 Задачи моделирование с учетом конструктивной специфики объекта.........54

2.4 Разработка ячеечной модели аппарата..............................................................57

Выводы по второй главе...........................................................................................62

ГЛАВА 3. МОДЕЛИ ДЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕПЛООБМЕНА............................64

3.1 Идентификация диагностической модели теплообменника...........................64

3.2 Расчет коэффициента теплопередачи высокотемпературных теплообменников70

3.3 Расчет переменных технологического режима теплообменного аппарата с учетом функциональной зависимости теплофизических параметров теплоносителей от температуры..............................................................................77

Выводы по третьей главе..........................................................................................82

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ...................83

4.1. Диагностирование сигнальных и параметрических дефектов автоматизированной высокотемпературной теплообменной аппаратуры..........83

4.2 Диагностика утечек нагреваемого теплоносителя в окружающую среду.....87

4.3 Диагностирование параметрических дефектов в условиях смешения теплоносителей..........................................................................................................94

4.4 Структура системы диагностирования АВТТ в АСУ ТП непрерывных

производств..............................................................................................................103

Выводы по четвертой главе....................................................................................104

ГЛАВА 5. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ В ПРОИЗВОДСТВЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА.................................................106

5.1 Роль высокотемпературного теплообмена в процессах рекуперации энергии при получении технического углерода.................................................................106

5.2 Основные проблемы диагностирования теплообменных аппаратов в производстве технического углерода.......................................................................110

5.3 Расчетные параметры контрольно-диагностических уравнений высокотемпературного рекуперативного теплообмена...........................................112

5.4 Определение теплофизических свойств аэрозоля..........................................116

5.5 Анализ невязок контрольных уравнений и техническое диагностирование установившихся режимов функционирования высокотемпературного воздухоподогревателя в производстве технического углерода..........................123

5.6 Методика диагностирования высокотемпературного воздухоподогревателя в производстве технического углерода..........................130

5.7 Описание экспериментальных статистических данных полученных с высокотемпературного теплообменного аппарата ПВО-ЗОО, используемого в

производстве технического углерода....................................................................136

Выводы по пятой главе...........................................................................................138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................139

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ А. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ С ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОБЪЕКТА В ПРОИЗВОДСТВЕ

ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА.................................................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ТЕПЛОЕМКОСТИ КОМПОНЕНТОВ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО АЭРОЗОЛЯ...........................................................156

ПРИЛОЖЕНИЕ В. РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ..............................................................................159

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. КОПИИ ПРОТОКОЛОВ ПРИЕМОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ... 163

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы и степень разработанности

Высокотемпературные теплообменные аппараты используются в условиях интенсификации тепловых процессов, характеризующихся высокими тепловыми нагрузками и расходами материальных потоков. Как правило, эти объекты входят в состав автоматизированных технологических установок большой мощности, и их дефектность может приводить к значительным издержкам производства промышленной продукции, ухудшению ее качества, аварийным ситуациям.

Своевременное выявление источников нарушений технического состояния объектов позволяет принимать оперативные решения по обслуживанию дефектных элементов и исключать или существенно снижать вероятность аварийности технологических установок. В режимах эксплуатации непрерывных технологических процессов функциональное диагностирование, то есть диагностирование в режиме рабочего функционирования, является одним из эффективных инструментов мониторинга и управления эксплуатационной надежностью автоматизированного технологического оборудования.

Существенный вклад в развитие теории автоматизации и управления технологическими процессами и производствами внесли Коростелев В.Ф., Абрамов И.В., Поздняков А.Д., Лабутин А.Н., Макаров Р.И., Веселов О.В., Монахов М.Ю. и др.

Вопросы технической диагностики как самостоятельной научной дисциплины были сформулированы и широко освещались в работах Пархоменко, Моз-галевского, Гаскарова, Кузьмина. Функциональная диагностика в условиях эксплуатации непрерывных автоматизированных технологических процессов рассматривалась Мироновским, Химмельблау, Муромцевым, Жирабоком и другими авторами. Специфика диагностики автоматизированной теплообменной аппаратуры с учетом возможных неисправностей измерительных каналов автоматического контроля анализировалась в работах Лункина Б.В., Тараненко В.П., Цыганкова М.П. и Бойкова С.Ю. Однако в известных работах не учитывались особенности функциональной диагностики важного класса теплообменных аппаратов,

применяемых в условиях интенсификации непрерывных технологических процессов и работающих в условиях предельных тепловых нагрузок.

В силу указанных выше причин, задачи разработки и применения методов функциональной диагностики для этого класса объектов являются актуальными. В работе они решаются с учетом влияющих на вид диагностических моделей высоких тепловых нагрузок, больших температурных напряжений, общей конструктивной специфики таких объектов, - влекущих наиболее характерные виды дефектов.

Объект исследования

Объектом исследования являются методы технического диагностирования автоматизированной теплообменной аппаратуры.

Предмет исследования

Предметом исследования является методологическое и алгоритмическое обеспечение автоматизации системного технического диагностирования теплообменных аппаратов и средств автоматического контроля их технологических режимов в жестких температурных условиях их эксплуатации.

Цель н задачи

Целью диссертационной работы является повышение объективности и оперативности процесса технического диагностирования высокотемпературных автоматизированных теплообменных аппаратов. Указанная цель достигается решением следующих задач:

анализ особенностей организации высокотемпературного теплообмена, режимов функционирования, характерных видов дефектов теплообменников, ^ анализ существующих методов диагностирования автоматизированной тепло-обменной аппаратуры,

^ построение математических моделей для диагностирования, учитывающих специфику конструктивных особенностей и режимов эксплуатации высокотемпературных аппаратов,

^ разработка методов и алгоритмов функционального диагностирования высокотемпературной автоматизированной теплообменной аппаратуры,

анализ особенностей функционирования высокотемпературных аппаратов в производстве технического углерода, разработки методов диагностирования специфических дефектов теплообменных аппаратов для этого производства.

Научная новизна

Научная новизна заключается в выделении класса автоматизированных высокотемпературных теплообменных аппаратов, как специфических объектов технического диагностирования, имеющих аналогичные принципы организации тепловых потоков и особенности теплообмена; в обосновании включения нелинейных зависимостей параметров теплообмена от температуры в состав контрольных условий процедур диагностирования; в разработке методики расчета температурных профилей ячеечных моделей высокотемпературного теплообмена путем итеративного уточнения значений теплоемкостей и коэффициента теплопередачи для текущих значений температуры с учетом специфики организации движения потоков теплоносителей; в выявлении необходимости применения неявной схемы оценивания величины и места возникновения дефекта, в виду краевого характера задачи итеративного расчета температурных профилей высокотемпературного теплообмена; в предложении метода выявления дефектов, связанных с разрушенем элементов конструкции теплообменников, характерных для аппаратов высокотемпературного теплообмена; в разработке методики диагностирования высокотемпературных теплообменников крупнотоннажного производства технического углерода в которой учитывается рециркуляция тепловых потоков и химическое взаимодействие теплоносителей в условиях их внутренних утечек.

Достоверность

Достоверность результатов обеспечивается корректным использованием методов математического моделирования, функциональной диагностики технических систем, проверкой адекватности контрольно-диагностических уравнений для примеров промышленных условий эксплуатации высокотемпературных теплообменных аппаратов, имитационным моделированием обнаружения отказов автоматизированной тепловой аппаратуры, широкой апробацией предложенных решений на конференциях различного уровня.

Теоретическая и практическая значимость ® Подготовлена теоретическая база для разработки инженерных систем функционального диагностирования класса автоматизированных теплообменных аппаратов, эксплуатирующихся в условиях жестких температурных режимов осу-

ществления процессов теплообмена.

® Созданы алгоритмы и программное обеспечение функционального диагностирования установившихся режимов высокотемпературных теплообменных аппаратов, жесткие условия эксплуатации, которых связаны с высоким риском их аварийности.

• Методы функционального диагностирования высокотемпературных автоматизированных теплообменников, широко используемых в крупнотоннажном производстве технического углерода, приняты к внедрению в ОАО "Ярославский технический углерод".

« Предложена компьютерная система технического диагностирования высокотемпературных воздухоподогревателей, используемая в курсовых и дипломных проектах Ярославского государственного технического университета. Методы исследования

Теоретическую основу исследований составляет методология функционального диагностирования и ее разделы, базирующиеся на использовании принципов аналитической избыточности. Для исследования проблемы и решения задач технического диагностирования высокотемпературных теплообменных аппаратов в работе используются методы функциональной диагностики, математического моделирования, нелинейного программирования, теории идентификации. Положения, выносимые на защиту

• Исследование влияния и включение нелинейных зависимостей параметров теплообмена от температуры в состав контрольных уравнений диагностирования.

• Алгоритмы решения краевой задачи расчета температурных профилей теплообмена итеративным уточнением температурного режима ячеек ячеечной модели теплообменника с учетом нелинейности зависимости параметров модели от температуры.

® Методы обнаружения и диагностирования утечек и перетоков в теплообменниках на основании сопоставления расчетных температур на выходе теплообменного аппарата с данными автоматического контроля его температурного режима.

• Методы повышения точности диагностирования учетом взаимосвязи расходов греющего и нагреваемого потоков, а также их химического взаимодействия при пе-

ретоках в высокотемпературных теплообменниках производства технического углерода.

Степень достоверности

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами проверки адекватности контрольно-диагностических уравнений для примеров промышленных условий эксплуатации высокотемпературных теплообменных аппаратов, имитационным моделированием обнаружения отказов автоматизированной тепловой аппаратуры, а также внедрением методов функционального диагностирования высокотемпературных автоматизированных теплообменников в ОАО "Ярославский технический углерод".

Апробация работы

Основные результаты и научные положения диссертации обсуждались и докладывались на Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ-24, Пенза, 2011); на Международной научно-практической конференции «Информационные и управляющие системы пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2009); на Международной научно-практической конференции «Ыаика I то\уасуа - 2011» (Рггетуэ^ 2011); на шестьдесят четвертой региональной научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных зведений с международным участием (Ярославль, 2011); на шестьдесят второй региональной научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных зведений с международным участием «Молодежь. Наука. Инновации -2009» (Ярославль, 2009).

Публикации

Основные результаты диссертации отражены в девяти печатных работах, в том числе в трудах пяти научных конференций и четырех статьях в изданиях, включенных в перечень рецензируемых научных журналов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературных источников из 127 наименований, 4 приложения. Работа изложена на 139 страницах основного текста, содержит 66 рисунков и 2 таблицы.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ

1.1 Теплообменная аппаратура, условия ее эксплуатации и их влияние на техническое состояние теплообменного оборудования

Теплообменные аппараты применяют в химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности для нагрева, охлаждения, конденсации и испарения жидкости, газа, пара и их смесей. В основном в технологических процессах непрерывного типа используют кожухотрубчатые теплообменники.

В литературе [1] кожухотрубчатые теплообменники классифицируют по назначению, выделяя теплообменники (Т), подогреватели (П), холодильники (X), вакуумные конденсаторы (КВ), термосифонные испарители (ИТ) и вакуумные вертикальные конденсаторы (КВВ). Конструктивно теплообменники разделяют на аппараты с плавающей головкой (тип П), с компенсатором на плавающей головке (тип ПК), с неподвижными трубными решетками (тип Н) и с компенсатором на кожухе (тип К).

Компенсационные элементы в конструкции аппаратов предусматриваются для обеспечения их нормального функционирования в жестких температурных условиях эксплуатации. Примеры аппаратов, предназначенных для функционирования в жестких рабочих условиях иллюстрируются рисунками 1.1 - 1.7 [2-6]. Холодильник с плавающей головкой (ХП) (рисунок 1.1) пр