一种全预混冷凝热交换器换热管结垢状态的在线监测方法及装置与流程

本发明涉及热交换器结垢监测，具体是一种全预混冷凝热交换器换热管结垢状态的在线监测方法及装置。

背景技术：

1、全预混冷凝式热交换器是燃气采暖热水炉、商用冷凝锅炉等高效热利用设备的核心部件，其通过将燃气与空气按最佳空燃比预先混合后燃烧，配合大面积冷凝换热表面回收烟气中水蒸气的潜热。然而在实际使用中，换热管内壁结垢问题严重制约设备性能。以我国北方集中供暖区域为例，多台全预混冷凝锅炉并联运行，补水硬度普遍为200~400 mg/l（以caco3计），经过一个采暖季（约4~5个月）连续运行后，换热管内壁碳酸钙垢层厚度可达0.5~2.0 mm，排烟温度显著升高、热效率下降5%~15%，而运维人员往往直至停机检修才通过拆检发现结垢，带垢运行期间的能源浪费已成事实。南方分户供暖场景下，壁挂炉间歇运行导致换热管频繁冷热交替，垢层剥落与再沉积交替发生，结垢行为极为不稳定。上述场景表明，亟需一种能够在设备全运行周期内对换热管结垢状态实施在线检测与准确诊断的方法，以及时掌握垢层真实沉积状况。

2、针对上述检测需求，现有技术主要分为以下几类。第一类是离线拆检法，通过停机解体后目视观察或工具测量垢层厚度，该方法数据严重滞后，无法反映运行中的实时结垢状态，且拆检本身费时费力；第二类是基于热阻变化的在线检测方法，通过温度、流量传感器计算总热阻或传热系数的变化间接推断结垢程度，但全预混冷凝换热器运行工况复杂多变（如负荷频繁波动、冷凝水量变化、烟气温度偏移等），热阻的变化受多种因素耦合影响，难以将垢层热阻的增加与其他非垢因素引起的变化有效剥离，检测精度低、误判率高；第三类是市售污垢热阻在线监测仪表，虽能实时读数，但其传感器在高温高湿酸性冷凝环境中易发生漂移，需频繁校准，且仪表输出仅为单一污垢热阻值，无法提供垢层分布特征、结垢趋势等多维度信息。尤其需要指出的是，全预混冷凝换热器运行过程中会产生大量酸性冷凝水（ph值通常在3.0~5.0之间），该酸性冷凝水流经换热管表面时会对碳酸钙、碳酸镁等碱性垢层产生化学溶解作用，在北方供暖季连续运行场景下，这种酸性自溶效应会使实际垢层厚度与热阻法测得的表观值之间存在显著偏差；南方间歇运行场景下，酸性冷凝水的产生时断时续，自溶效应的作用时长和强度更为离散，进一步加大了检测难度。然而，现有检测技术均未将这一特有的化学环境因素纳入测量模型的补偿考量，导致检测结果偏离垢层的真实沉积状态。因此，如何消除酸性冷凝水化学自溶效应对结垢检测的干扰，实现换热管结垢状态的准确测量，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种全预混冷凝热交换器换热管结垢状态的在线监测方法及装置，通过多源参数融合和酸性自溶效应修正，能够准确评估换热管内壁结垢状态，结合趋势预测实现分级预警，有效指导清洗维护。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、本技术提供了一种全预混冷凝热交换器换热管结垢状态的在线监测方法，包括如下步骤：

4、s1、多源状态参数实时采集：在热交换器运行过程中，实时采集换热管进水端与出水端的温度信号获得温差值，采集进出水端之间的差压信号获得压差值，并采集冷凝水出口处冷凝水的酸碱度值；

5、s2、清洁基准建立与偏移计算：在热交换器处于清洁状态时，记录进出水温差值作为温差基准值，记录进出水压差值作为压差基准值；在后续运行过程中，将实时采集的进出水温差值与所述温差基准值比较得到温差偏移量，将实时采集的进出水压差值与所述压差基准值比较得到压差偏移量；

6、s3、加权融合与酸性自溶效应修正：将所述温差偏移量乘以温差权重系数得到第一加权值，将所述压差偏移量乘以压差权重系数得到第二加权值，将所述第一加权值与第二加权值之和作为初始结垢特征值；再通过预设的修正系数，根据冷凝水的酸碱度值对初始结垢特征值进行修正，得到最终结垢特征值；

7、s4、结垢状态分级判定：将所述最终结垢特征值与预设的第一阈值和第二阈值进行比较，其中第一阈值低于第二阈值：当最终结垢特征值不超过第一阈值时判定为正常或轻微结垢状态，超过第一阈值但不超过第二阈值时判定为中度结垢状态，超过第二阈值时判定为重度结垢状态；

8、s5、结垢趋势预测与诊断结果输出：基于所述最终结垢特征值的历史时间序列数据，利用趋势预测算法计算变化速率，根据所述变化速率预测达到下一结垢等级所需的剩余时间；根据当前结垢等级和所述剩余时间生成并输出诊断结果。

9、本技术还提供一种全预混冷凝热交换器换热管结垢状态的在线监测装置，应用于所述的一种全预混冷凝热交换器换热管结垢状态的在线监测方法，包括：温度传感单元，用于实时采集换热管进水端与出水端的温度信号，以获得进出水温差值；

10、差压传感单元，用于采集进出水端之间的差压信号，以获得压差值；

11、ph传感单元，用于采集冷凝水出口处冷凝水的酸碱度值；

12、数据采集模块，与所述温度传感单元、差压传感单元及ph传感单元连接，用于对采集到的原始模拟信号进行硬件滤波、模数转换及算术平均滤波处理，并将滤波后的有效采样值转换为对应的物理量数值；

13、控制器单元，与所述数据采集模块连接，用于接收所述数据采集模块输出的物理量数值，并执行步骤s2至s5的算法运算，生成诊断结果；

14、人机交互界面，与所述控制器单元连接，用于将所述诊断结果以可视化形式呈现；

15、远程通信模块，与所述控制器单元连接，用于将所述诊断结果上传至远程监控平台。

16、本发明的有益效果为：

17、针对现有技术中基于单一热阻或单一压差检测易受负荷波动、冷凝水量变化等多因素耦合干扰导致精度低的问题，本发明同步采集进出水温差和进出水压差，分别计算相对偏移量后进行加权融合，有效剥离非垢因素影响，在此基础上，根据运行负荷率动态调节温差权重与压差权重，高负荷侧重温差、低负荷侧重压差，中间负荷线性插值平滑过渡，使结垢特征值在全工况范围内真实反映垢层沉积状态，显著降低误判率；

18、针对现有技术未考虑酸性冷凝水对碱性垢层的化学溶解作用导致检测值偏离真实厚度的问题，本发明构建包含ph偏差因子、冷凝水流量因子和负荷率因子的动态修正系数，当冷凝水呈酸性时自动补偿修正初始结垢特征值，还原垢层真实覆盖程度，解决北方连续运行与南方间歇运行不同酸性作用强度下的准确检测问题；

19、针对进水温度随季节变化导致温差被动波动、干扰检测基准一致性的问题，本发明按照清洁状态下的温差-进水温度特性曲线，将实测温差折算至基准进水温度下的等效温差值，使温差偏移量仅反映垢层热阻增加导致的传热恶化，确保全年不同进水温度条件下监测基准的一致性；

20、针对北方连续运行垢层平稳增长与南方间歇运行垢层剥落再生交替的差异、单一固定阈值无法兼顾的问题，本发明通过统计累计运行时长和启停次数自动识别运行模式，分别设定不同阈值组合，并引入滞回比较区使上升沿与下降沿采用不同基准，既避免南方模式频繁误报，又确保北方模式敏感捕捉垢层累积，提升分级判定稳定性；

21、针对现有技术仅能告知当前状态、无法预判未来趋势导致运维决策滞后的技术问题，本发明根据历史数据量动态切换线性回归或holt-winters指数平滑模型进行趋势预测，定量计算达到下一结垢等级的剩余时间，并结合拟合优度进行可信度判定，在中度结垢且剩余时间不足72小时则输出清洗预警、重度结垢时输出紧急告警，实现了从被动告知到主动预测的跨越，为合理安排清洗维护提供了科学依据。