一种热管换热状态的在线分析方法及电子设备与流程

1.本发明涉及换热检测技术领域，尤其涉及一种热管换热状态的在线分析方法及电子设备。


背景技术：

2.在各类燃煤机组、冶金化工设备中，普遍会产生大量尾部高温高焓值的烟气，在进行余热回收利用时，常利用一种高负压轴向传热导体的换热器，也称热管，来进行换热。
3.热管是一种独立运行的高真空度传热管，其分为吸热侧和放热侧，吸热侧插入烟气侧中，放热侧插入冷却水箱中，冷却水箱与烟气侧相隔离，利用热管内部传热介质的相变传热，完成将烟气侧的热量传递至冷却水箱，冷却水箱的底部作为烟气侧和水侧的隔断。
4.但是由于尾部烟气的成分非常复杂，往往带有粉尘和腐蚀性气体，粉尘会粘附在烟侧热管表面，影响换热效率，腐蚀性气体会腐蚀热管和水箱底部，引起泄漏，而往往在泄漏初期，由于热管数量较多，当少数热量发生较小流量的泄漏时，对于整体换热效果影响较小，工作人员不容易发现，等工作人员发觉换热效果变差后，可能已经造成大面积腐蚀泄漏，导致维修成本高，无法实时在线分析热管的换热状态。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提供一种热管换热状态的在线分析方法及电子设备，以解决现有技术中在利用热管进行余热回收时，无法在线分析热管换热状态等问题。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.第一方面，本技术实施例提供一种热管换热状态的在线分析方法，包括：
8.根据热管烟气侧吸热量q
烟
、热管水侧换热量q
水
，计算热管的实际传热效率η
实
＝q
水
/q
烟
；
9.当实际传热效率η
实
小于设定换热效率η
设
时，进行以下分析：
10.设定积灰影响因子k1、换热影响因子k2，利用线性函数进行拟合，得到实际传热效率η
实
＝k1*x1+k2*x2，其中x1为积灰程度评价值，x2为换热衰减评价值；
11.建立观测状态方程η`＝a*x+e，其中，a为观测矩阵，x为状态变量，x＝[x
1 x2]
t
，e为误差矩阵；
[0012]
通过卡尔曼滤波对状态变量x进行滤波，获得x1和x2的最优估计值。
[0013]
在一些实施例中，设定烟气在经过所述热管的前后压差为δp，烟气阻力影响因子k3，根据线性函数拟合，积灰程度评价值x1＝k3*δp，观测矩阵a＝[k1*k
3 k2]。
[0014]
在一些实施例中，在烟气侧，检测烟气进口状态的进口温度t
烟进
、进口流量g
烟进
，检测烟气出口状态的出口温度t
烟出
、出口流量g
烟出
；
[0015]
根据q
烟
＝c
烟
*g
烟进
*t
烟进-c
烟
*g
烟出
*t
烟出
，计算出热管在烟气侧所吸收的热量q
烟
。
[0016]
在一些实施例中，在水侧，检测循环水进口状态的进口温度t
水进
、进口流量g
水进
，检
测循环水出口状态的出口温度t
水出
、出口流量g
水出
；
[0017]
根据q
水
＝c
水
*g
水出
*t
水出-c
水
*g
水进
*t
水进
，计算出热管在水侧所放出的热量 q
水
。
[0018]
在一些实施例中，在烟气侧，检测烟气进口状态的压力p
烟进
，检测烟气出口状态的压力p
烟出
，计算得到δp＝p
烟进-p
烟出
；
[0019]
结合进口温度t
烟进
、进口流量g
烟进
、出口温度t
烟出
、出口流量g
烟出
，计算出烟侧热管的折算阻力δp
折
，与烟侧热管的理论阻力进行对比，得到积灰影响因子k1。
[0020]
在一些实施例中，判断g
水出
是否小于g
水进
；
[0021]
若是，证明热管所处水箱发生泄漏，则根据水侧进出口的水流量差计算得到泄漏量g
水泄
＝g
水进-g
水出
；
[0022]
计算泄漏水在烟气侧的吸热量q
水泄
；
[0023]
则q
烟
＝q
水
+q
水泄
，热管的实际传热效率η
实
＝(q
水+q水泄
)/q
烟
。
[0024]
在一些实施例中，判断g
烟出
是否大于g
烟进
；
[0025]
若是，证明热管所处水箱发生泄漏，则根据烟侧进出口的烟气流量差计算得到泄漏量g
烟泄
＝g
烟出-g
烟进
；
[0026]
计算泄漏水在烟气侧的吸热量q
烟泄
；
[0027]
则q
烟
＝q
水
+q
烟泄
，热管的实际传热效率η
实
＝(q
水+q烟泄
)/q
烟
。
[0028]
在一些实施例中，当同时满足g
水出
小于g
水进
与g
烟出
大于g
烟进
时；
[0029]
计算q
均泄
＝(q
水泄
+q
烟泄
)/2；
[0030]
则q
烟
＝q
水
+q
均泄
，热管的实际传热效率η
实
＝(q
水+q均泄
)/q
烟
。
[0031]
在一些实施例中，检测每根热管的冷凝段端部温度，针对每根热管拟出温度变化曲线，并检测每根热管的管壁温度；
[0032]
结合t
烟进
、t
烟出
、t
水进
、t
水出
、q
水
、q
烟
，分析每根热管的换热衰减状态。
[0033]
第二方面，本技术实施例提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现如上述的在线分析方法。
[0034]
相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：
[0035]
本技术实施例提供的热管换热状态的在线分析方法及电子设备，分别检测烟气侧和水侧中介质的状态，计算出q
烟
和q
水
，得到当前时刻的实际传热效率η
实，
将实际传热效率η
实
与设定换热效率相对比，得知热管的换热状态是否降低，利用实际传热效率的两种计算形式，通过设定积灰影响因子k1、换热影响因子 k2的值，可算出当前时刻的积灰程度评价值x1、换热衰减评价值x2，然后将各个数据代入观测状态方程中，可计算出下一时刻的传热效率η`，再反推x1和x2的最优估计值，利用卡尔曼滤波对状态变量进行滤波，得知积灰程度评价值和换热衰减评价值的最优估计值，实现在线分析热管的换热状态。
[0036]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
[0037]
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
[0038]
图1为本发明提供的一种热管换热状态的在线分析方法所应用的余热回收系统的结构示意图。
具体实施方式
[0039]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0041]
在本发明的描述中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
[0042]
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
[0043]
第一方面，参照图1，本实施例提供一种热管换热状态的在线分析方法，本在线分析方法应用在具有多根热管的余热回收系统中，更具体地，每根热管的蒸发段伸入烟道中，烟道中流动有高温高焓值的烟气，烟气经过多根热管的蒸发段，烟气的温度下降了，热管在烟气侧吸收热量；每根热管的冷凝段伸入冷却水箱中，水箱中流动有冷却介质，一般为水，冷却水经过多根热管的冷凝段，水的温度上升了，热管在水侧放出热量。在烟气侧和水侧之间，通过绝热隔板进行隔断，一般绝热隔板设在水箱底部；在一定的换热状态下，每根热管都具有其相对应的较为稳定的换热效率。
[0044]
在本实施例中，热管换热状态的在线分析方法包括：
[0045]
根据热管烟气侧吸热量q
烟
、热管水侧换热量q
水
，计算热管的实际传热效率η
实
＝q
水
/q
烟
；热管烟气侧吸热量q
烟
、热管水侧换热量q
水
都是从热管以外的介质来计算得到的；
[0046]
其中在烟气侧，分别在烟气的进口端和出口端设置温度传感器和流量传感器，检测烟气进口状态的进口温度t
烟进
、进口流量g
烟进
，检测烟气出口状态的出口温度t
烟出
、出口流量g
烟出
；
[0047]
根据q
烟
＝c
烟
*g
烟进
*t
烟进-c
烟
*g
烟出
*t
烟出
，计算出热管在烟气侧所吸收的热量q
烟
，c
烟
是在烟气侧中烟气的比热，根据烟气在烟道进出口两端的状态，可计算得到烟气放出的热量，也即热管在烟气侧的吸热量q
烟
。
[0048]
在水侧，分别在循环水的进口端和出口端设置温度传感器和流量传感器，检测循环水进口状态的进口温度t
水进
、进口流量g
水进
，检测循环水出口状态的出口温度t
水出
、出口流量g
水出
；
[0049]
根据q
水
＝c
水
*g
水出
*t
水出-c
水
*g
水进
*t
水进
，计算出热管在水侧所放出的热量 q
水
，c
水
是在水侧中冷却水的比热，根据冷却水在水箱进出口两端的状态，可计算得到冷却水吸收的热
量，也即热管在水侧的换热量q
水
。
[0050]
由于无法测量出热管内部传热介质的具体吸热量和放热量，为了评价其换热效率，需要从热管外部的烟气侧和水侧进行测量，转移至更容易测量计算的一侧。
[0051]
当实际传热效率η
实
小于设定换热效率η
设
时，说明热管表面积灰或者热管失效或者换热效率降低等情况，然后进行以下分析：
[0052]
设定积灰影响因子k1、换热影响因子k2，由于传热效率是积灰程度、换热能力的函数，利用线性函数进行拟合，得到实际传热效率η
实
＝k1*x1+k2*x2，其中x1为积灰程度评价值，x2为换热衰减评价值；
[0053]
建立本换热系统的观测状态方程η`＝a*x+e，其中，a为观测矩阵，观测矩阵与k1、k2相关，x为状态变量，x＝[x
1 x2]
t
，e为误差矩阵；
[0054]
通过卡尔曼滤波对状态变量x进行滤波，获得x1和x2的最优估计值。
[0055]
需要说明的是，卡尔曼滤波是让得到数据不停逼近实际数据的算法，将状态变量与观测矩阵进行数据融合得到接近真实传热效率的值，然后作为下一过程的状态变量，再与下一过程的观测矩阵进行融合，如此往复，最后的数据值就会非常接近下一时刻真实的传热效率。
[0056]
所以当通过计算得出热管烟气侧吸热量q
烟
、热管水侧换热量q
水
后，即可计算出当前时刻的实际传热效率η
实
，通过设定积灰影响因子k1、换热影响因子 k2的值，可算出当前时刻的积灰程度评价值x1、换热衰减评价值x2，然后将各个数据代入观测状态方程中，可计算出下一时刻的传热效率η`，再反推x1和x2的最优估计值，通过不停的迭代预测更新状态变量x，可在换热系统不停歇的情况下，在线分析出下一时刻的积灰程度评价值x1、换热衰减评价值x2，预测换热系统中热管的换热状态，能做到在线分析和提前预测，避免发生大的安全事故。
[0057]
在本实施例中，在烟气侧，分别在烟气的进口端和出口端设置压力传感器，检测烟气进口状态的压力p
烟进
，检测烟气出口状态的压力p
烟出
，计算得到δp＝p 烟进-p
烟出
，δp为烟气在经过所述热管的前后压差，由于热管的积灰程度会形成不同的烟气阻力，进而影响烟气经过的前后压差，设定烟气阻力影响因子k3，根据线性函数拟合，积灰程度评价值x1＝k3*δp，观测矩阵a＝[k1*k
3 k2]，在观测矩阵中加入k3，即多加入了烟气阻力这一因素，提高预测的准确性。
[0058]
另外地，根据烟气的前后压差δp，结合进口温度t
烟进
、进口流量g
烟进
、出口温度t
烟出
、出口流量g
烟出
，计算出烟侧热管的折算阻力δp
折
，与烟侧热管的理论阻力进行对比，可以得出热管烟侧的积灰情况，折算得到积灰影响因子 k1。
[0059]
作为一种实施方式，如果水箱底部发生泄漏，由水箱底部漏入烟气侧，则出口流量g
水出
会小于进口流量g
水进
，因此判断g
水出
是否小于g
水进
；
[0060]
若是，证明热管所处水箱发生泄漏，则根据水侧进出口的水流量差计算得到泄漏量g
水泄
＝g
水进-g
水出
；
[0061]
由于烟气侧烟气温度高，泄漏进烟气侧的水会吸热汽化，根据冷却水的汽化热和泄漏量，计算泄漏水在烟气侧的吸热量q
水泄
；
[0062]
由于泄漏进烟气侧的冷却水会吸收一部分烟气的热量，但是这部分吸热量q 水泄
不会在q
水
中体现，相当于q
水
变小了，此时q
烟
＝q
水
+q
水泄
，热管的实际传热效率η
实
＝(q
水+q水泄
)/q
烟
。
[0063]
在最开始泄漏的初期，水箱的漏洞不大，泄漏量不多，而且少量的水分在烟气侧很快就会被汽化，不容易观察判断出来。如果按常规的方式计算热管的传热效率η
实
＝q
水
/q
烟
，假设q
烟
不变的情况下，q
水
数值变小，η
实
也下降了，但是实际上泄漏水也在吸热，所以应该更正为热管的实际传热效率η
实
＝(q
水+
q 水泄
)/q
烟
，通过计算水流量的变化值，可更准确计算出在泄漏情况下的传热效率，避免出现误判。
[0064]
作为一种实施方式，同理地，当水箱底部发生泄漏时，泄漏进烟气侧的水在汽化后形成水蒸汽，则出口流量g
烟出
会大于进口流量g
烟进
，因此判断g
烟出
是否大于g
烟进
；
[0065]
若是，证明热管所处水箱发生泄漏，则根据烟侧进出口的烟气流量差计算得到泄漏量g
烟泄
＝g
烟出-g
烟进
；
[0066]
由于烟气侧烟气温度高，泄漏进烟气侧的水会吸热汽化，根据冷却水的汽化热和泄漏量，计算泄漏水在烟气侧的吸热量q
烟泄
；
[0067]
则q
烟
＝q
水
+q
烟泄
，热管的实际传热效率η
实
＝(q
水+q烟泄
)/q
烟
。
[0068]
与上一实施方式相比，本实施方式是从烟气侧进行检测与计算。
[0069]
优选地，当同时满足g
水出
小于g
水进
与g
烟出
大于g
烟进
时；
[0070]
计算q
均泄
＝(q
水泄
+q
烟泄
)/2；
[0071]
则q
烟
＝q
水
+q
均泄
，热管的实际传热效率η
实
＝(q
水+q均泄
)/q
烟
。
[0072]
结合上两种实施方式的有点，分别从水侧和烟气侧进行检测与技术，将得到的q
水泄
和q
烟泄
求平均，最后得出的传热效率η
实
更贴近实际。
[0073]
作为一种实施方式，当热管出现积灰，导致换热能力衰减时，检测每根热管的冷凝段端部温度，针对每根热管拟出温度变化曲线，并检测每根热管的管壁温度；
[0074]
结合t
烟进
、t
烟出
、t
水进
、t
水出
、q
水
、q
烟
，分析每根热管的换热衰减状态。
[0075]
由于在换热系统中会同时存在多根热管，每根热管都是独立存在的，从烟气侧和水侧的换热计算结果只能反映所有热管总体的换热状态，如需精准到具体哪一根出现了衰减，则需要利用红外温度传感器去检测每根热管的冷凝段端部温度，当在线分析得出热管换热状态出现衰减后，特别是积灰程度评价值x1低于设定的评价值后，开启红外温度传感器进行检测，并测绘出温度变化曲线，精准定位出现异常的热管，并进行点对点的维修更换。
[0076]
需要注意的是，热管端部温度较低，并不代表热管就出现衰减，在正常情况下也有可能出现温度较低的情况。只有当通过上述实施例的在线分析方法测得积灰程度较大时，已经影响整体的换热效果后，才进行红外温度传感器检测。更进一步地，为了方便温度检测，热管的冷凝段大部分浸泡在水箱中，但是其端部则伸出于水箱，红外温度传感器能直接测得端部的温度，避免冷却水的存在对测温环境造成影响。
[0077]
第二方面，本技术实施例提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现如上述的在线分析方法。
[0078]
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机，计算机的具体形式可以是个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件收发设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的
任意几种设备的组合。
[0079]
在一个典型的配置中，计算机包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
[0080]
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram) 和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
[0081]
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘 (dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带、磁盘存储、量子存储器、基于石墨烯的存储介质或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体 (transitory media)，如调制的数据信号和载波。
[0082]
相对于现有技术，上述实施例提供一种热管换热状态的在线分析方法及电子设备，分别检测烟气侧和水侧中介质的状态，计算出q
烟
和q
水
，得到当前时刻的实际传热效率η
实，
将实际传热效率η
实
与设定换热效率相对比，得知热管的换热状态是否降低，利用实际传热效率的两种计算形式，通过设定积灰影响因子k1、换热影响因子k2的值，可算出当前时刻的积灰程度评价值x1、换热衰减评价值x2，然后将各个数据代入观测状态方程中，可计算出下一时刻的传热效率η`，再反推x1和x2的最优估计值，利用卡尔曼滤波对状态变量进行滤波，得知积灰程度评价值和换热衰减评价值的最优估计值，实现在线分析热管的换热状态。
[0083]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0084]
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。