熱交換器的監視裝置及熱交換器的監視方法與流程

2023-10-21 03:02:07

本發明涉及一種熱交換器的監視裝置及熱交換器的監視方法。

背景技術：

燃氣渦輪發電成套設備、核發電成套設備、化學成套設備及煤氣化複合發電(IGCC)成套設備之類的各種成套設備中，為了監視成套設備是否正常運行而獲取溫度及壓力之類的成套設備狀態量。

例如，在IGCC成套設備設有對生成的含碳燃料進行處理的熱交換器。並且，該熱交換器，在含碳燃料(例如燃料氣體)和流過傳熱管的熱交換介質(例如水)之間進行熱交換，但是由於含碳燃料附著於傳熱面，從而有可能發生傳熱面被封閉之類的異常。因此，處理含碳燃料的熱交換器的狀態也被包括於監視成套設備是否正常運行的監視對象中。

其中，專利文獻1中公開了使用基於成套設備的狀態量的馬哈拉諾比斯距離監視成套設備的運行狀態的成套設備狀態監視方法。

即，專利文獻1中公開的成套設備狀態監視方法執行第一單位空間製作工序和第二單位空間製作工序，所述第一單位空間製作工序為，根據成套設備的啟動運行期間中的狀態量製作在判定成套設備的啟動運行期間的運行狀態是否正常時成為基準的數據集合體即第一單位空間的工序；所述第二單位空間製作工序為，根據成套設備的負載運行期間中的狀態量製作在判定成套設備的負載運行期間的運行狀態是否正常時成為基準的數據集合體即第二單位空間的工序。

在上述第一單位空間製作工序中，根據在從評價成套設備的啟動運行中的成套設備的狀態的時刻起追溯到過去第一期間的時刻開始，至從同一時刻起進一步追溯到過去第二期間的時刻為止的期間中的成套設備的狀態量，製作第一單位空間。並且，在上述第二單位空間製作工序中，根據在從評價成套設備的負載運行中的成套設備的狀態的時刻起追溯到過去第三期間的時刻開始，至從同一時刻起進一步追溯到過去第四期間的時刻為止的期間中的成套設備的狀態量，製作第二單位空間。

以往技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利第5031088號公報

技術實現要素：

發明要解決的技術課題

專利文獻1的圖4作為表示馬哈拉諾比斯距離的概念的示意圖，示出將橫軸設為吸入空氣溫度，將縱軸設為燃氣渦輪的輸出的單位空間。圖4所示的特性具有強正相關，且為線性。

然而，在燃氣渦輪中，即便統一處理單位空間，其特性也並非為線性時，若使用專利文獻1中記載的方法，則成套設備狀態為異常時有可能發生漏檢。尤其是，以部分負載運行的成套設備中，有時在不同的負載區間，成套設備的狀態變化並非成為線性。

並且，即便對處理含碳燃料的熱交換器的異常進行監視時，在成套設備的狀態變化並非為線性的情況下，若使用專利文獻1中記載的方法，則有可能發生漏檢。

本發明是鑑於這種情況而完成的，其目的在於提供一種能夠更加可靠地檢測熱交換器的異常的熱交換器的監視裝置及熱交換器的監視方法。

用於解決技術課題的手段

為了解決上述課題，本發明的熱交換器的監視裝置及熱交換器的監視方法採用以下方法。

本發明的第一方式所涉及的熱交換器的監視裝置中，所述熱交換器設置於負載變化的成套設備，並在含碳燃料與流過傳熱管的熱交換介質之間進行熱交換，所述熱交換器的監視裝置具備：運算機構，按所述成套設備的每一負載計算所述熱交換器的狀態量的平均值及標準偏差，並根據該平均值及該標準偏差計算馬哈拉諾比斯距離；及異常判定機構，根據通過所述運算機構計算的馬哈拉諾比斯距離，判定所述傳熱管的傳熱面有無異常。

本發明所涉及的監視裝置監視設置於負載變化的成套設備的熱交換器。該熱交換器在含碳燃料與流過傳熱管的熱交換介質之間進行熱交換。

含碳燃料流過的熱交換器中，由於碳(煤)附著於傳熱面，從而有時會發生傳熱面被封閉而無法充分進行熱交換等異常。因此，本發明使用馬哈拉諾比斯距離來判定熱交換器有無異常。

其中，用於計算馬哈拉諾比斯距離的單位空間中的參數分布的特性為強正相關(線性)時，即便統一處理該單位空間，也能夠無遺漏地檢測熱交換器的異常。然而，上述特性並非為線性時，若統一處理單位空間，則有可能發生漏檢熱交換器的異常。

因此，通過運算機構按成套設備的每一負載計算熱交換器的狀態量的平均值及標準偏差，並根據平均值及標準偏差計算馬哈拉諾比斯距離。並且，由異常判定機構根據已計算的馬哈拉諾比斯距離判定傳熱管的傳熱面有無異常。即，單位空間被設為成套設備的每一負載。

由此，本發明可抑制熱交換器的異常的漏檢，因此能夠更加可靠地檢測熱交換器的異常。

在上述第一方式中，所述狀態量可以是所述含碳燃料的流動方向上的多個溫度、差壓及流量、以及所述熱交換介質的流動方向上的多個溫度、差壓及流量中的至少任一個。

根據本結構，能夠更適當地判定熱交換器的異常。

在上述第一方式中，可以在所述熱交換器上具備去除附著於所述傳熱管的煤的除煤裝置，通過所述異常判定機構判定為發生異常時，變更所述除煤裝置的運用條件。

根據本結構，變更除煤裝置的運用條件，以能夠進一步去除附著於所述傳熱管的煤，從而能夠消除熱交換器的異常。

本發明的第二方式所涉及的熱交換器的監視方法中，所述熱交換器設置於負載變化的成套設備，並在含碳燃料與流過傳熱管的熱交換介質之間進行熱交換，所述熱交換器的監視方法包括：第1工序，按所述成套設備的每一負載計算所述熱交換器的狀態量的平均值及標準偏差，並根據該平均值及該標準偏差計算馬哈拉諾比斯距離；及第2工序，根據已計算的馬哈拉諾比斯距離判定所述傳熱管的傳熱面有無異常。

發明效果

根據本發明，具有能夠更可靠地檢測熱交換器的異常等優異的效果。

附圖說明

圖1為表示本發明的實施方式所涉及的異常監視裝置的結構的示意圖。

圖2為表示本發明的實施方式所涉及的具備熱交換器的IGCC成套設備整體的概略結構的圖。

圖3為表示本發明的實施方式所涉及的處理部功能的功能框圖。

圖4為表示IGCC成套設備的部分負載的示意圖。

圖5為表示將橫軸設為負載，將縱軸設為狀態量的情況下的單位空間範圍的模式圖。

圖6為表示本發明的實施方式所涉及的IGCC成套設備的每一負載下的規定狀態量的平均值m的圖表。

圖7為表示本發明的實施方式所涉及的IGCC成套設備的每一負載下的規定狀態量的標準偏差σ的圖表。

圖8為表示本發明的實施方式所涉及的熱交換器監視處理的流程的流程圖。

具體實施方式

以下，關於本發明所涉及的熱交換器的監視裝置及熱交換器的監視方法的一實施方式，參考附圖進行說明。

圖1為表示本實施方式所涉及的異常監視裝置10的結構的模式圖。異常監視裝置10監視熱交換器20運行中的狀態，並判定熱交換器20是否正常運行。

本實施方式所涉及的熱交換器20在含碳燃料與熱交換介質(例如水)之間進行熱交換，且具備燃料流路22、傳熱管24及除煤裝置26。

含碳燃料經由燃料流路22供給到熱交換器20。作為含碳燃料的例，例如可舉出燃料氣體或粉體燃料等。在熱交換器20的內部，通有傳熱管24，並由該傳熱管24構成傳熱面28。並且，在傳熱面28中，在從燃料流路22向熱交換器20流動的含碳燃料與流過傳熱管24的熱交換介質之間進行熱交換。

除煤裝置26去除附著於傳熱面28的煤。該煤為包含於含碳燃料中的碳等。作為除煤裝置26使用向傳熱面6噴射壓縮氣體(氮氣和蒸汽等)的噴射式除煤裝置(例如，吹灰器)等，但是並不限於此，也可以使用對傳熱面28賦予振動的振動式除煤裝置和使硬球下落於傳熱面28的硬球下落式除煤裝置等。

通過異常監視裝置10被監視的熱交換器20的狀態量為，例如，熱交換器20的初級側流動方向G上的多個位置的溫度(例如，熱交換器20的入口溫度、中間溫度、出口溫度等)、初級側流動方向G上的出入口的差壓、初級側的流量、次級側流動方向W上的多個位置的溫度(例如，傳熱管24的入口溫度、中間溫度、出口溫度等)、次級側流動方向W上的出入口的差壓、次級側的流量等。這些狀態量通過狀態量檢測機構(溫度傳感器、壓力傳感器及流量傳感器，以下統稱為「傳感器」。)被檢測。這些狀態量為用於更加適當地判定熱交換器20的異常的監視對象，在以下說明中，將表示通過傳感器被檢測出的狀態量的數據稱為監視對象數據。

另外，熱交換器20的初級側是指高溫側。即，本實施方式中，熱交換器20的初級側是指含碳燃料流過的一側。另一方面，熱交換器20的次級側是指低溫側。即，本實施方式中，熱交換器20的次級側是指熱交換介質流過的一側。

其中，本實施方式所涉及的熱交換器20作為一例設置於圖2所示的煤氣化複合發電成套設備(以下稱為「IGCC成套設備」。)。

如圖2所示，本第1實施方式所涉及的IGCC成套設備30主要具備：煤氣化爐32、燃氣渦輪設備34、蒸汽渦輪設備36及廢熱回收鍋爐(以下稱為「HRSG」。)38。

在煤氣化爐32的上遊側設有將粉煤供給至煤氣化爐32的煤供給設備40。該煤供給設備40具備可將焦煤粉碎成幾μm～幾百μm的粉煤的粉碎機(未圖示)，並且通過該粉碎機粉碎的粉煤被儲存於多個料鬥42。

儲存於各料鬥42的粉煤與按一定的流量從空氣分離設備44供給的氮氣一同被輸送到煤氣化爐32。空氣分離設備44為從空氣分離氮氣及氧氣並將它們供給到煤氣化爐32的裝置。

煤氣化爐32具備：煤化部32a，形成為氣體從下方流至上方；及氣體冷卻器(SGC：Syn Gas Cooler)32b，連接於煤化部32a的下遊側並形成為氣體從上方流至下方。

在煤化部32a從下方設有燃燒器及減壓器。燃燒器燃燒粉煤及煤焦的一部分，剩餘的部分通過熱分解作為揮發成分(CO、H2、低級烴)被排出。

在燃燒器及減壓器中分別設有燃燒器燃燒爐(Combusta burner)及減壓器燃燒爐(Recuctor burner)，對燃燒器燃燒爐及減壓器燃燒爐從煤供給設備40供給粉煤。從燃氣渦輪設備34的空氣壓縮機34c抽出的空氣經由空氣升壓機46及氧化劑供給路48與在空氣分離設備44中被分離的氧氣一同作為氧化劑被供給到燃燒器燃燒爐。在減壓器中，粉煤通過來自燃燒器的高溫燃燒氣體被氣化。由此，從煤生成CO和H2等成為氣體燃料的可燃性氣體(以下稱為「燃料氣體」。)

在氣體冷卻器32b中設置有多個上述的熱交換器20，從自減壓器引導的燃料氣體得到顯熱而產生蒸汽，並冷卻在煤氣化爐3內產生的燃料氣體。在熱交換器20中產生的蒸汽主要用作蒸汽渦輪36b的驅動用蒸汽。通過氣體冷卻器32b的燃料氣體被引導至除塵設備50。該除塵設備50具備多孔過濾器，使燃料氣體通過多孔過濾器，從而捕捉並回收包括混在於燃料氣體中的未燃部分的煤焦。

如此回收的煤焦被返送到煤氣化爐32的煤焦燃燒爐(Char burner)而被再利用。

通過除塵設備50的燃料氣體通過氣體淨化設備22被淨化並送到燃氣渦輪設備34的燃燒器34a。

燃氣渦輪設備34具備：燃燒器34a，燃燒燃料氣體；燃氣渦輪34b，通過燃燒氣體被驅動；空氣壓縮機34c，向燃燒器34a送出高壓空氣。燃氣渦輪34b和空氣壓縮機34c通過相同的旋轉軸34d被連接。在空氣壓縮機34c中壓縮的空氣被抽出後，除了燃燒器34a以外，還引導到空氣升壓機46。

通過燃氣渦輪34b的燃燒排氣被引導至HRSG38，從煤氣化爐32及HRSG38向蒸汽渦輪36b供給高壓蒸汽。作為一例，在旋轉軸34d，與燃氣渦輪34b一同連接有蒸汽渦輪36b，夾著蒸汽渦輪設備36在燃氣渦輪設備34的相反側設有輸出電的發電機52。

另外，HRSG38通過來自燃氣渦輪34b的燃燒排氣產生蒸汽的同時，將燃燒排氣從煙囪54向大氣排放。

如此本實施方式所涉及的熱交換器20作為一例具備於IGCC成套設備30的煤氣化爐32中的氣體冷卻器32b。並且，熱交換器20在作為含碳燃料的燃料氣體與熱交換介質之間進行熱交換。

含碳燃料流過的熱交換器20中，有時發生如下異常，即在傳熱面28附著有碳，且利用除煤裝置26也無法去除碳時，傳熱面28被封閉而無法充分地進行熱交換。因此，異常監視裝置10利用馬哈拉諾比斯距離判定熱交換器20有無異常。

如圖1所示，異常監視裝置10具備輸入輸出部(I/O)12、存儲部14及處理部16。

輸入輸出部12從安裝於熱交換器20的各種傳感器輸入表示熱交換器20的狀態量的監視對象數據。各種傳感器從IGCC成套設備30啟動開始，以規定的時間間隔定期檢測狀態量，並輸出到輸入輸出部12。輸入輸出部12將監視對象數據輸出到存儲部14。

並且，輸入輸出部12將基於處理部16的處理結果輸出到控制面板18。控制面板18可顯示用於控制IGCC成套設備30的各種信息。

在存儲部14中，按時間序列以及IGCC成套設備30的每一負載來存儲被輸入的監視對象數據。另外，以下說明中，將按每一時間序列存儲的多個監視對象數據稱為監視對象數據組。

處理部16進行計算監視對象數據組的馬哈拉諾比斯距離的運算處理(詳細內容將後述)，並將已計算的馬哈拉諾比斯距離存儲於存儲部14。

另外，處理部16例如由CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)及計算機可讀存儲介質等構成。並且，關於用於實現各種功能的一系列處理，作為一例，以程序的形式存儲於存儲介質等，該程序由CPU讀取到RAM等，並通過執行信息的加工/運算處理而實現各種功能。另外，關於程序，可以應用如下方式，即預先安裝於ROM或其他存儲介質的方式、以存儲於計算機可讀存儲介質的狀態提供的方式、及經由基於有線或無線的通信機構傳送的方式等。計算機可讀存儲介質是指磁碟、光磁碟、CD-ROM、DVD-ROM及半導體存儲器等。

圖3為表示處理部16的功能的功能框圖。

處理部16具備馬哈拉諾比斯距離運算部60、異常判定部62及運用條件變更部64。

馬哈拉諾比斯距離運算部60按IGCC成套設備30的每一負載計算監視對象數據組的平均值及標準偏差，並根據該平均值及該標準偏差計算馬哈拉諾比斯距離。

另外，用於計算平均值及標準偏差的監視對象數據組為過去被判斷為正常的值。

其中，用於計算馬哈拉諾比斯距離的單位空間中的監視對象數據組的分布特性為強正相關(線性)時，即便統一處理該單位空間，也能夠無遺漏地檢測熱交換器20的異常。然而，上述特性並非為線性時，若統一處理單位空間，則有可能產生漏檢熱交換器20的異常。

例如，如圖4所示，IGCC成套設備30中，有時以部分負載(作為一例為全負載(100％)的85％、70％、60％)運行，按這些部分的每一負載檢測出多個表示熱交換器20的狀態量的監視對象數據。即，在IGCC成套設備30中，若負載區域不同，則不同負載區域中的狀態量彼此為非線性。在圖4的例中，各負載下的監視對象數據的數量(樣本數量)被設為相同。

圖5為表示將橫軸設為負載，將縱軸設為狀態量時被視為正常的單位空間範圍的模式圖的一例。

將所有的負載區域作為一個單位空間來統一處理時被視為正常的單位空間的範圍在圖5所示的虛線內。另一方面，將每一負載區域作為一個單位空間來處理時，被視為正常的單位空間的範圍在圖5所示的實線內。

如圖5所示，與將所有負載區域作為一個單位空間來處理的情況相比，在將各負載區域作為一個單位空間來處理的情況下，被視為正常的單位空間的範圍更狹窄。

即，在將各負載區域作為一個單位空間來處理的情況下，圖5的A點的狀態量被判定為異常。另一方面，在將所有的負載區域作為一個單位空間來處理的情況下，A點的狀態量被判定為正常並非為異常，從而發生異常的漏檢。

因此，本實施方式中，為了保持單位空間的線性，按IGCC成套設備30的每一負載分割單位空間。並且通過馬哈拉諾比斯距離運算部60，作為IGCC成套設備30的每一負載的函數(平均值m＝F1(負載)、標準偏差σ＝F2(負載))計算監視對象數據組的平均值及標準偏差。

圖6為表示IGCC成套設備30的每一負載下的規定狀態量(監視對象數據組，例如熱交換器20的初級側的流動方向G上的多個位置的溫度差)的平均值m的圖表。圖7為表示IGCC成套設備30的每一負載下的規定狀態量的標準偏差σ的圖表。

如圖6、7所示，根據IGCC成套設備30的負載，流過熱交換器20的燃料氣體的流量發生變化，由此狀態量的平均值m及標準偏差σ變得不同。

並且，作為一例，通過下述式(1)，根據已計算的平均值m及已計算的標準偏差σ來計算馬哈拉諾比斯距離MD。

[數式1]

式(1)中，x為當前的狀態量。如式(1)所示，當前的狀態量和平均值m之間的差越大，馬哈拉諾比斯距離越變大。

另外，用於計算馬哈拉諾比斯距離的狀態量的種類可以使用一種，也可以使用兩種以上。

異常判定部62通過由馬哈拉諾比斯距離運算部60計算的馬哈拉諾比斯距離(以下稱為「計算的馬哈拉諾比斯距離」。)來判定傳熱管24的傳熱面28有無異常。具體而言，計算的馬哈拉諾比斯距離為規定的判定閾值以上時，異常判定部62判定為在傳熱面28發生有異常。

關於判定閾值，根據過去正常時的馬哈拉諾比斯距離來確定，並按IGCC成套設備30的每一負載預先存儲於存儲部14。例如，正常時的馬哈拉諾比斯距離可以設為判定閾值其本身，也可以將正常時的馬哈拉諾比斯距離相加公差的值設為判定閾值。

由異常判定部62判定為異常時，運用條件變更部64變更除煤裝置26的運用條件，以使能夠進一步去除附著於熱交換器20的傳熱管24的煤。作為除煤裝置26的運用條件的變更方法，例如為提高除煤裝置26的使用頻率的方法、除煤裝置26為吹灰器時使噴射的壓縮氣體的壓力上升的方法等。由此，異常監視裝置10能夠消除熱交換器20的異常。

圖8為表示基於本實施方式所涉及的異常監視裝置10的熱交換器20的監視處理(以下稱為「熱交換器監視處理」。)的流程的流程圖。

首先，在步驟100中，以預定的時間間隔從設於熱交換器20的各種傳感器，獲取表示熱交換器20的狀態量的監視對象數據。被獲取的監視對象數據按時間序列且按IGCC成套設備30的每一負載存儲於存儲部14。

在下一步驟102中，根據存儲於存儲部14的監視對象數據組，處理部16計算當前監視對象數據中的馬哈拉諾比斯距離。

在下一步驟104中，處理部16從存儲部14讀取與在步驟102中計算的馬哈拉諾比斯距離的負載對應的判定閾值，並比較算出的馬哈拉諾比斯距離和判定閾值而判定傳熱面28有無異常。即，計算的馬哈拉諾比斯距離為判定閾值以上時，判定為發生異常，並過渡到步驟106。另一方面，計算的馬哈拉諾比斯距離小於判定閾值時，判定為未發生異常，返回至步驟100，重複監視對象數據的獲取、馬哈拉諾比斯距離的計算及異常的判定。

另外，馬哈拉諾比斯距離的計算無需每次獲取監視對象數據時進行，也可以按預定的規定期間進行。

並且，步驟104中，計算的馬哈拉諾比斯距離為判定閾值以上的情況連續規定期間以上(例如為1個小時以上)時、或計算的馬哈拉諾比斯距離為判定閾值以上的情況在規定期間內為預定的次數以上時，也可以判定為發生有異常。由此，抑制異常的錯誤檢測。

在步驟106中，向控制面板18報警熱交換器20中發生異常，並且變更熱交換器20的運用條件，並返回至步驟100。

如上說明，本實施方式所涉及的異常監視裝置10監視熱交換器20，所述熱交換器20設置於負載變化的IGCC成套設備30，並在含碳燃料與流過傳熱管24的熱交換介質之間進行熱交換。並且，異常監視裝置10按IGCC成套設備30的每一負載計算熱交換器20的狀態量的平均值及標準偏差，並根據該平均值及該標準偏差計算馬哈拉諾比斯距離，通過已計算的馬哈拉諾比斯距離判定傳熱管24的傳熱面28有無異常。

由此，異常監視裝置10可抑制熱交換器20的異常的漏檢，因此能夠更加可靠地檢測熱交換器20的異常。

以上，利用上述實施方式對本發明進行了說明，但是本發明的技術範圍並不限定於上述實施方式中所記載的範圍。在不脫離發明的主旨的範圍內，能夠對上述實施方式加以多種變更或改良，加以該變更或改良的方式也包含於本發明的技術範圍。並且，也可以適當組合上述實施方式。

例如，上述實施方式中，對熱交換器20具備於IGCC成套設備30的方式進行了說明，但是本發明並不限定於此，只要是在含碳燃料與熱交換介質之間進行熱交換的熱交換器20，則具備該熱交換器20的成套設備的種類不受限定，例如也可以具備於鍋爐等。

並且，上述實施方式中，如同成套設備的負載變大，則流過熱交換器20的含碳燃料量也會變大，成套設備的負載與流過熱交換器20的含碳燃料量具有相關關係。因此，代替成套設備的每一負載的監視對象數據組的平均值及標準偏差，也可以根據流過熱交換器20的每一含碳燃料量的監視對象數據組的平均值及標準偏差來計算馬哈拉諾比斯距離。

並且，上述實施方式中說明的熱交換器監視處理的流程也作為一例，在不脫離本發明的主旨的範圍內，也可以刪除不必要的步驟或者追加新的步驟或者替換處理順序。

符號說明

10-異常監視裝置，16-處理部，20-熱交換器，24-傳熱管，28-傳熱面，30-IGCC成套設備，60-馬哈拉諾比斯距離運算部，62-異常判定部。