EP2128551A1 - Überwachung von Wärmetauschern in Prozessleitsystemen - Google Patents

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EP2128551A1
EP2128551A1 EP08009815A EP08009815A EP2128551A1 EP 2128551 A1 EP2128551 A1 EP 2128551A1 EP 08009815 A EP08009815 A EP 08009815A EP 08009815 A EP08009815 A EP 08009815A EP 2128551 A1 EP2128551 A1 EP 2128551A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat flow
heat exchanger
heat
flow
reference heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08009815A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Friedrich
Herbert Grieb
Thomas Dr. Müller-Heinzerling
Bernd-Markus Dr. Pfeiffer
Michael Schüler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP08009815A priority Critical patent/EP2128551A1/de
Priority to US12/474,310 priority patent/US8069003B2/en
Publication of EP2128551A1 publication Critical patent/EP2128551A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G15/00—Details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G15/00—Details
    • F28G15/003—Control arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2200/00—Prediction; Simulation; Testing

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1, for monitoring the effectiveness of a heat exchanger in which heat flows from a first medium into a second medium. Furthermore, the invention relates to a device for controlling a system with at least one heat exchanger.
  • Heat exchangers are technical apparatus in which, for example, fluids of a first temperature deliver part of their heat to, for example, fluids of a second temperature below the first temperature.
  • a first medium product medium
  • service medium can be, for example, cooling water or heating steam.
  • the service medium typically either flows through a piping arrangement which is disposed within the product medium or flows around the piping arrangement through which the product medium flows.
  • a particular disadvantage is that the pads are often not visible from the outside. Therefore, it is not clear when a cleaning is required. A cleaning is often only then made when problems caused by the poor performance of the heat exchanger occur. To avoid this, the heat exchanger must be cleaned preventively at regular intervals. This is also disadvantageous because the heat exchanger is cleaned in such a case, even if the deposits are not very strong.
  • simulation programs are known, which are used for the process engineering design and dimensioning of heat exchangers in the planning phase of a plant, which are based on a physico-thermodynamic modeling of the heat exchanger, which is mathematically divided into numerous segments, but it is not known, these simulation programs to use for on-line monitoring of heat exchangers during operation. Therefore, there is not yet a satisfactory solution to realize the monitoring of heat exchangers within a process control system, especially when the heat exchangers are driven in the operating phase at different operating points, for example, because flow or temperature of the product are not constant.
  • a method for monitoring the effectiveness of a heat exchanger in which heat flows from a first medium to a second medium characterized in that an actual heat flow is detected and with at least one each predetermined degree of contamination the heat exchanger corresponding reference heat flow is compared.
  • a device for controlling a system with at least one heat exchanger is characterized in that a memory is present in which at least one reference heat flow of the heat exchanger is stored.
  • Characterized in that a current heat flow is detected and compared with at least one respective predetermined degree of contamination of the heat exchanger corresponding reference heat flow, can be on the effectiveness of the heat exchanger make a very reliable statement; because by the inventive idea, to use the heat flow itself as a measure of the performance of the heat exchanger, a size is used as a measure of the effectiveness of the heat exchanger, which represents the most essential function of the heat exchanger. This eliminates problems associated with an indirect determination of the performance of the heat exchanger, d. H. when using another size characterizing the heat exchanger for determining the performance of the heat exchanger, may occur.
  • the determination of the current heat flow ( Q act ) can be done by the flow (F P ) of the product medium through the heat exchanger, the flow (F S ) of the service medium through the heat exchanger, the temperature (T P, A ) of the product medium at the inlet of the product medium in the heat exchanger, the Temperature (T P, Out ) of the product medium at the outlet of the product medium from the heat exchanger, the temperature (T S, Ein ) of the service medium at the entrance of the service medium into the heat exchanger and the temperature (T S, Out ) of the service medium at the output of the service medium be detected the heat exchanger.
  • the calculation of the reference heat flow is carried out by means of the simulation program.
  • To increase the accuracy measurements are made to fine-tune parameters of the simulation program at a few operating points in the clean state of the heat exchanger.
  • the current heat flow can be compared with the reference heat flow of the dirty heat exchanger.
  • the difference between the current heat flow and the reference heat flow then forms a reciprocal measure of the deposits, ie, the smaller the difference, the larger the deposits.
  • the current heat flow is advantageously compared with a reference heat flow corresponding to a contamination level of zero and with a reference heat flow corresponding to a maximum permissible degree of contamination. This allows a characteristic value to be determined which corresponds to the degree of soiling of the heat exchanger from 0 to 100%.
  • the characteristic value is 100% in the clean state of the heat exchanger and 0% in the maximum soiled state of the heat exchanger.
  • the characteristic value can be continuously calculated and displayed in the process control system in which the heat exchanger is integrated as a trend over longer periods of time. As soon as the characteristic value falls below a specified limit, a maintenance message can be generated.
  • the reference heat flow is exactly the same operating point, the z. B. as a combination of the two flows product medium F P and service medium F S and the two input temperatures product medium T P, A and service medium T S, Ein is defined, as the basis of the current heat flow.
  • This has a very advantageous effect on the accuracy of the method according to the invention.
  • Other sizes can be used for the definition of the operating point, if z. B. phase transitions (evaporation or condensation) occur within the heat exchanger.
  • the theoretically transferable amount of heat for a large number of possible operating points is first calculated with the aid of the process engineering simulation program with which the heat exchanger was designed or could be designed. Such simulation calculations are carried out both for the reference state "freshly cleaned” and for a reference state "maximally contaminated” in which a cleaning of the heat exchanger is absolutely necessary.
  • the calculated simulation values are used as interpolation points for two multidimensional maps each having a plurality of input variables (eg four input variables in each case) and one output variable.
  • the reference heat flow for the current operating point can be taken from the relevant characteristic field. If the operating point lies between several interpolation points, the reference heat flow for the current operating point can optionally be determined by a map interpolation.
  • the time-consuming simulation calculation can advantageously be carried out offline in advance of the operation of the process plant or of the heat exchanger. During operation of the process plant or the heat exchanger, only the map interpolation may be necessary.
  • hyperbolic cube in the high-dimensional lattice network of the input variables is the current operating point.
  • This hyperbolic cube with the simulation values of all vertices is transformed into the coordinate origin and normalized.
  • the searched starting point is then calculated by evaluating a multilinear polynomial.
  • the computation is preferably temporarily frozen because the underlying model describes only the steady state thermal balance.
  • the method according to the invention it is advantageously possible to carry out a monitoring of heat exchangers with a variable operating point in process control systems.
  • direct consideration of the heat flow can be hard to interpret auxiliary quantities to determine the effectiveness are dispensed with the heat exchanger, whereby the associated problems are avoided.
  • the process engineering simulation program the operating point dependence of the transmittable heat quantity can be predicted, for example, at several hundred interpolation points without having to carry out correspondingly time-consuming measurements on the real system.
  • the model of the heat exchanger is used several times: first in the planning phase for dimensioning the heat exchanger and then at the beginning of the operating phase for parameterizing the monitoring.
  • the online monitoring function is based on a linear map interpolation and can be implemented seamlessly within a process control system.
  • the actual wear stock of the heat exchanger can be calculated. If it is observed during operation that the wear reserve is slowly approaching the value zero, appropriate maintenance measures can be reasonably planned, for example between two batches of a batch plant or as part of another planned plant shutdown for a continuously operating plant.
  • a process plant 1 As Fig. 1 can be removed, a process plant 1, a heat exchanger 2.
  • the heat exchanger 2 has a container 2a, in which a pipe assembly 2b is arranged.
  • the container 2a has a first input 2 EP and a first output 2 AP .
  • Via the first input 2 EP a product medium flows into the container 2 a, which leaves the container 2 a again at the first outlet 2 AP .
  • the pipeline assembly 2 b is led out of the container 2 a of the heat exchanger 2 via a second input 2 ES and via a second output 2 AS . Via the second input 2 ES , a service medium can be conducted into the pipeline arrangement 2 b, which leaves the pipeline arrangement 2 b again at the second outlet 2 AS .
  • the amount of the product medium supplied to the container 2a can be detected.
  • the amount of the service medium supplied to the piping arrangement 2b can be detected.
  • a first temperature sensor 5 the temperature of the product medium supplied to the container 2a can be detected at the first inlet 2 EP of the container 2a.
  • a second temperature sensor 6 the temperature of the pipe assembly 2b supplied service medium be detected at the second input 2 ES of the pipe assembly 2b.
  • a third temperature sensor 7 the temperature of the product medium at the first output 2 AP of the container 2a can be detected.
  • a fourth temperature sensor 8 the temperature of the service medium at the second output 2 AS of the pipe assembly 2b can be detected.
  • the output signals 3a, 4a of the flow meter 3, 4 and the output signals 5a, 6a of the temperature sensors 5, 6 are fed to a first map module 9 and a second map module 10.
  • the map modules 9, 10 each have a high-dimensional map is stored, which was calculated by means of a procedural simulation program, with which the heat exchanger 2 has been designed or can be designed.
  • a three-dimensional section through a five-dimensional characteristic field 16 stored in the map module 9 is shown in FIG Fig. 2 shown.
  • the map 16 relates to a predetermined temperature of the product medium at the first input 2 EP of the heat exchanger 2 and a predetermined temperature of the service medium at the second input 2 ES of the pipe assembly 2b.
  • first map module 9 operating point-dependent maps 16 are deposited, which relate to the heat exchanger 2 in the clean state.
  • maps are stored, which relate to the heat exchanger 2 in the maximum polluted state.
  • the maps of the first map module 9 give in response to the output signals 3a, 4a of the flow meter 3, 4 and the output signals 5a, 6a of the temperature sensors 5, 6 a heat flow again, which can be used as a reference heat flow of the non-polluted heat exchanger 2.
  • the maps of the second map module 10 are in response to the output signals 3a, 4a of the flow meter 3, 4 and the output signals 5a, 6a of the temperature sensors 5, 6 a heat flow again, which can be used as a reference heat flow of the maximum contaminated heat exchanger 2.
  • the reproduced heat flows are each as an output signal 9a, 10a of the relevant map module 9, 10 a monitoring module 11 is supplied.
  • variables other than those given above may also be used as input variables in the characteristic diagrams.
  • the map building blocks 9, 10 have a computer, by means of the intermediate values, for which no interpolation point is stored, are calculated by interpolation.
  • the monitoring module 11 is also supplied with the heat flows 9a, 10a determined by interpolation.
  • the monitoring module 11 is supplied with the output signals 3a, 4a of the flowmeters 3, 4 as well as the output signals 5a, 6a of the temperature sensors 5, 6, which indicate the current operating point of the heat exchanger 2.
  • the monitoring module 11 nor the output signals 7a, 8a of the third temperature sensor 7 and the fourth temperature sensor 8 are supplied. In special cases, such as, for example, during phase transitions within the heat exchanger (evaporation, condensation), variables other than those indicated above may also be supplied to the monitoring module.
  • a current heat flow can thus be calculated.
  • the current heat flow is then linked to the characteristic block building blocks 9, 10 extracted operating point-dependent reference heat flows.
  • output signal 11a can then be given a value between 0 and 100%, indicating the degree of contamination of the heat exchanger 2.
  • signals 12 P , 13 P , 14 P of the process plant 1 to control modules 12, 13, 14 which are dependent on corresponding process parameters are output, which transmit the signals 12 P , 13 P , 14 P evaluate whether the process plant 1 is in a stationary state. If the process installation 1 is in a stationary state, a signal 12a, 13a, 14a is applied to the outputs of the control modules 12, 13, 14, which signals are logically linked together in an AND gate 15. The output signal 15a of the AND gate 15 is applied to the monitoring module 11 as an enable signal.

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Abstract

Ein Verfahren zur Überwachung der Wirksamkeit eines Wärmetauschers, bei dem Wärme von einem ersten Medium in ein zweites Medium strömt, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Wärmestrom erfasst wird und mit wenigstens eine einem jeweils vorbestimmten Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers entsprechenden Referenz-Wärmestrom verglichen wird. Des Weiteren ist eine Einrichtung zur Steuerung einer Anlage (1) mit wenigstens einem Wärmetauscher (2) dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher (9, 10) vorhanden ist, in dem wenigstens ein Referenz-Wärmestrom des Wärmetauschers (2) abgespeichert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zur Überwachung der Wirksamkeit eines Wärmetauschers, bei dem Wärme von einem ersten Medium in ein zweites Medium strömt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Steuerung einer Anlage mit wenigstens einem Wärmetauscher.
  • Wärmetauscher sind technische Apparate, in denen beispielsweise Fluide einer ersten Temperatur einen Teil ihrer Wärme an beispielsweise Fluide einer unterhalb der ersten Temperatur liegenden zweiten Temperatur abgeben. So kann beispielsweise ein erstes Medium (Produktmedium) mittels eines zweiten Mediums (Servicemedium) gekühlt oder erwärmt werden. Das Servicemedium kann beispielsweise Kühlwasser oder Heizdampf sein. Das Servicemedium fließt üblicherweise entweder durch eine Rohrleitungsanordnung, welche innerhalb des Produktmediums angeordnet ist, oder umströmt die Rohrleitungsanordnung, die vom Produktmedium durchströmt wird.
  • In Abhängigkeit der Beschaffenheit des Produktmediums beziehungsweise Servicemediums können sich innerhalb oder außerhalb an der Rohrleitungsanordnung Beläge bilden (so genanntes Fouling). Durch die Ablagerungen reduziert sich die Wirksamkeit des wärmetauschers. Wenn die Stärke der Beläge ein bestimmtes Maß überschritten hat, ist es daher erforderlich, eine Reinigung der Rohrleitungsanordnung vorzunehmen. Hierzu muss der betreffende Wärmetauscher in der Regel außer Betrieb genommen werden. Dies ist zum einen sehr aufwendig und verursacht zum anderen erhebliche Kosten.
  • Nachteilig ist insbesondere, dass die Beläge häufig von außen nicht sichtbar sind. Daher ist nicht erkennbar, wann eine Reinigung erforderlich ist. Eine Reinigung wird häufig erst dann vorgenommen, wenn durch die schlechte Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers verursachte Probleme auftreten. Um dies zu vermeiden, muss der Wärmetauscher vorbeugend in regelmäßigen Abständen gereinigt werden. Dies ist ebenfalls nachteilig, da der Wärmetauscher in einem solchen Fall auch dann gereinigt wird, wenn die Ablagerungen noch nicht sehr stark sind.
  • Es sind zwar Simulationsprogramme bekannt, welche zur verfahrenstechnischen Auslegung und Dimensionierung von Wärmetauschern in der Planungsphase einer Anlage verwendet werden, welche auf einer physikalisch-thermodynamischen Modellbildung des Wärmetauschers beruhen, der dafür rechnerisch in zahlreiche Segmente aufgeteilt ist, jedoch ist es nicht bekannt, diese Simulationsprogramme für eine Online-Überwachung von Wärmetauschern im laufenden Betrieb zu verwenden. Daher gibt es bisher keine zufrieden stellende Lösung, um die Überwachung von Wärmetauschern innerhalb eines Prozessleitsystems zu realisieren, insbesondere wenn die Wärmetauscher in der Betriebsphase an verschiedenen Arbeitspunkten gefahren werden, weil beispielsweise Durchfluss oder Temperatur des Produkts nicht konstant sind.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein eingangs genanntes Verfahren beziehungsweise eine eingangs genannte Steuerung derart auszubilden, dass eine Aussage über die Wirksamkeit eines Wärmetauschers vorgenommen werden kann.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Überwachung der Wirksamkeit eines Wärmetauschers, bei dem Wärme von einem ersten Medium in ein zweites Medium strömt, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Wärmestrom erfasst wird und mit wenigstens einem einem jeweils vorbestimmten Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers entsprechenden Referenz-Wärmestrom verglichen wird.
  • Des Weiteren ist gemäß der Erfindung eine Einrichtung zur Steuerung einer Anlage mit wenigstens einem Wärmetauscher dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher vorhanden ist, in dem wenigstens ein Referenz-Wärmestrom des Wärmetauschers abgespeichert ist.
  • Dadurch, dass ein aktueller Wärmestrom erfasst wird und mit wenigstens einem einem jeweils vorbestimmten Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers entsprechenden Referenz-Wärmestrom verglichen wird, lässt sich über die Wirksamkeit des Wärmetauschers eine sehr zuverlässige Aussage machen; denn durch den erfindungsgemäßen Gedanken, den Wärmestrom selbst als Maß für die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers heranzuziehen, wird eine Größe als Maß für die Wirksamkeit des Wärmetauschers verwendet, die die wesentlichste Funktion des Wärmetauschers repräsentiert. Hierdurch entfallen Probleme, welche bei einer mittelbaren Bestimmung der Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers, d. h. bei einer Verwendung einer sonstigen den Wärmetauscher charakterisierenden Größe zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers, auftreten können.
  • Die Ermittlung des aktuellen Wärmestroms ( Q̇ act) kann dadurch geschehen, dass der Durchfluss (FP) des Produktmediums durch den Wärmetauscher, der Durchfluss (FS) des Servicemediums durch den Wärmetauscher, die Temperatur (TP,Ein) des Produktmediums am Eingang des Produktmediums in den Wärmetauscher, die Temperatur (TP,Aus) des Produktmediums am Ausgang des Produktmediums aus dem Wärmetauscher, die Temperatur (TS,Ein) des Servicemediums am Eingang des Servicemediums in den Wärmetauscher und die Temperatur (TS,Aus) des Servicemediums am Ausgang des Servicemediums aus dem Wärmetauscher erfasst werden. Anhand der Messwerte der Durchflüsse und der Temperaturen sowie der Stoffdaten cP,P, cP,S, ρP und ρS lässt sich aus den stationären Energiebilanzen für Produkt- und Servicemedium innerhalb des Wärmetauschers der aktuelle Wärmestrom für einen flüssig-flüssig Wärmetauscher zuverlässig und aufwandsarm gemäß den folgenden Formeln berechnen: Q ˙ P = C P , P ⋅ ρ P ⋅ F P ⋅ T P , Aus - T P , Ein
    Figure imgb0001
     Q ˙ S = C P , S ⋅ ρ S ⋅ F S ⋅ T S , Aus - T S , Ein
    Figure imgb0002
  • Wegen des Energieerhaltungssatzes gilt theoretisch: Q ˙ p = - Q ˙ s
    Figure imgb0003
  • Wegen Messungenauigkeiten wird für den aktuellen Wärmestrom ein Mittelwert der Absolutbeträge gebildet: Q ˙ act = 1 2 ⋅ Q ˙ P + Q ˙ S
    Figure imgb0004
    wobei
    • Q̇ P der Wärmestrom des Produktmediums,
    • Q̇ S der Wärmestrom des Servicemediums,
    • Q̇ act der aktuelle Wärmestrom,
    • cP,P die Wärmekapazität des Produktmediums,
    • cP,S die Wärmekapazität des Servicemediums,
    • ρP die Dichte des Produktmediums und
    • ρS die Dichte des Servicemediums ist.
  • In Fällen von Verdampfung oder Kondensation von Produkt- oder Servicemedium im Wärmetauscher müssen diese Formeln entsprechend angepasst werden.
  • Mittels des verfahrenstechnischen Simulationsprogramms, mit dem der Wärmetauscher ausgelegt wurde beziehungsweise ausgelegt werden kann beziehungsweise dimensionierbar ist, lässt sich für unterschiedliche Verschmutzungsgrade des Wärmetauschers jeweils ein theoretischer Wärmestrom berechnen, der als Referenz-Wärmestrom verwendet werden kann.
  • In vorteilhafter Weise wird die Berechnung des Referenz-Wärmestroms mittels des Simulationsprogramms vorgenommen. Hierdurch erhält man auf einfache Weise Referenz-Wärmeströme, welche den tatsächlichen Wärmeströmen des betreffenden Wärmetauschers bei denselben Randbedingungen sehr nahe kommen. Zur Erhöhung der Genauigkeit werden zur Feinabstimmung von Parametern des Simulationsprogramms an einigen wenigen Arbeitspunkten im sauberen Zustand des Wärmetauschers Messungen vorgenommen.
  • Durch einen Vergleich des aktuellen Wärmestroms mit dem mit dem Simulationsprogramm ermittelten Referenz-Wärmefluss beispielsweise im nicht verschmutzten Zustand des Wärmetauschers lässt sich eine zuverlässige Aussage über die aktuelle Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers vornehmen. Entspricht der aktuelle Wärmestrom dem Referenz-Wärmestrom, ist die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers durch Beläge nicht beeinträchtigt. Mit zunehmender Differenz zwischen dem aktuellen Wärmestrom und dem Referenz-Wärmestrom verringert sich die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers, d. h. haben die Ablagerungen zugenommen. Die Differenz zwischen dem aktuellen Wärmestrom und dem Referenz-Wärmestrom bildet somit ein Maß für die Ablagerungen, d. h. die Verschmutzung des Wärmetauschers. Je größer die Differenz ist, desto größer sind die Ablagerungen.
  • Statt den aktuellen Wärmestrom mit dem Referenz-Wärmestrom des nicht verschmutzten Wärmetauschers zu vergleichen, kann der aktuelle Wärmestrom mit dem Referenz-Wärmestrom des verschmutzten Wärmetauschers verglichen werden. Die Differenz zwischen dem aktuellen Wärmestrom und dem Referenz-Wärmestrom bildet dann ein reziprokes Maß für die Ablagerungen, d. h., je kleiner die Differenz ist, desto größer sind die Ablagerungen.
  • In vorteilhafter Weise wird der aktuelle Wärmestrom mit einem einem Verschmutzungsgrad Null entsprechenden Referenz-Wärmestrom und mit einem einem maximal zulässigen Verschmutzungsgrad entsprechenden Referenz-Wärmestrom verglichen. Hierdurch lässt sich ein Kennwert bestimmen, der dem Grad der Verschmutzung des Wärmetauschers von 0 bis 100 % entspricht.
  • In vorteilhafter Weise wird der Kennwert dadurch bestimmt, dass der Quotient aus der Differenz zwischen dem aktuellen Wärmestrom und dem dem maximal zulässigen Verschmutzungsgrad entsprechenden Referenz-Wärmestrom zu der Differenz zwischen dem dem Verschmutzungsgrad Null entsprechenden Referenz-Wärmestrom und dem dem maximal zulässigen Verschmutzungsgrad entsprechenden Referenz-Wärmestrom gebildet wird. Wird der Kennwert, der als Abnutzungsvorrat bezeichnet werden kann, gemäß der Formel HeatPerf = Q ˙ act - Q ˙ dirty Q ˙ clean - Q ˙ dirty ⋅ 100 %
    Figure imgb0005
    bestimmt, wobei
    • HeatPerf
    der Kennwert (Abnutzungsvorrat),
    Q̇ act
    der aktuelle Wärmestrom,
    Q̇ dirty
    der Referenz-Wärmestrom im verschmutzten Zustand des Wärmetauschers und
    Q̇ clean
    der Wärmestrom im sauberen Zustand des Wärmetauschers ist,
  • beträgt der Kennwert im sauberen Zustand des Wärmetauschers 100 % und im maximal verschmutzten Zustand des Wärmetauschers 0 %. Der Kennwert kann fortlaufend berechnet werden und in dem Prozessleitsystem, in dem der Wärmetauscher eingebunden ist, als Trend über längere Zeiträume angezeigt werden. Sobald der Kennwert eine spezifizierte Grenze unterschreitet, kann eine Instandhaltungsmeldung erzeugt werden.
  • In vorteilhafter Weise liegt dem Referenz-Wärmestrom exakt derselbe Arbeitspunkt, der z. B. als Kombination der beiden Durchflüsse Produktmedium FP und Servicemedium FS und der beiden Eingangstemperaturen Produktmedium TP,Ein und Servicemedium TS,Ein definiert ist, zugrunde wie dem aktuellen Wärmestrom. Dies wirkt sich sehr vorteilhaft auf die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens aus. Es können auch andere Größen für die Definition des Arbeitspunktes herangezogen werden, wenn z. B. Phasenübergänge (Verdampfung oder Kondensation) innerhalb des Wärmetauschers auftreten.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Vielzahl von Referenz-Wärmeströmen bei unterschiedlichen Arbeitspunkten ermittelt wird und der dem Arbeitspunkt des aktuellen Wärmestromes entsprechende Arbeitspunkt des Referenz-Wärmestroms mittels Interpolation ermittelt wird.
  • Hierbei wird zunächst mit Hilfe des verfahrenstechnischen Simulationsprogramms, mit dem der Wärmetauscher ausgelegt wurde beziehungsweise ausgelegt werden könnte, die theoretisch übertragbare Wärmemenge für eine große Zahl von möglichen Arbeitspunkten berechnet. Solche Simulationsrechnungen werden sowohl für den Referenzzustand "frisch gereinigt" als auch für einen Referenzzustand "maximal verschmutzt", bei dem eine Reinigung des Wärmetauschers zwingend erforderlich ist, durchgeführt. Die berechneten Simulationswerte werden als Stützpunkte für jeweils zwei mehrdimensionale Kennfelder mit jeweils mehreren Eingangsgrößen (z. B. jeweils vier Eingangsgrößen) und einer Ausgangsgröße verwendet.
  • Nachdem eine Vielzahl von Stützpunkten berechnet wurde, kann dem betreffenden Kennfeld der Referenz-Wärmestrom für den aktuellen Arbeitspunkt entnommen werden. Liegt der Arbeitspunkt zwischen mehreren Stützpunkten, kann der Referenz-Wärmestrom für den aktuellen Arbeitspunkt gegebenenfalls durch eine Kennfeldinterpolation ermittelt werden.
  • Die zeitaufwendige Simulationsrechnung kann in vorteilhafter Weise offline im Vorfeld des Betriebs der Prozessanlage beziehungsweise des Wärmetauschers durchgeführt werden. Während des Betriebs der Prozessanlage beziehungsweise des Wärmetauschers ist gegebenenfalls nur noch die Kennfeldinterpolation erforderlich.
  • Zur Interpolation wird ein aus der Mathematik bekannter Ansatz verwendet: Es wird zunächst geprüft, in welchem Hyperbelwürfel im hochdimensionalen Gitternetz der Eingangsgrößen sich der aktuelle Arbeitspunkt befindet. Dieser Hyperbelwürfel mit den Simulationswerten aller Eckpunkte wird in den Koordinatenursprung transformiert und normiert. Der gesuchte Ausgangspunkt wird dann durch Auswertung eines multilinearen Polynoms berechnet. Ein solches Verfahren lässt sich problemlos in eine Steuerung implementieren.
  • Bei einem instationären Übergangsvorgang zwischen verschiedenenArbeitspunkten wird die Berechnung vorzugsweise vorübergehend eingefroren, da das zugrunde liegende Modell nur die stationäre Wärmebilanz beschreibt. Zur Erkennung, ob ein stationärer Zustand vorliegt, wird vorzugsweise ein in der Patentanmeldung PCT/EP2007/004745 beschriebenes Verfahren verwendet.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine Überwachung von Wärmetauschern mit variablem Arbeitspunkt in Prozessleitsystemen vorzunehmen. Durch die direkte Betrachtung des Wärmestroms kann auf schwer interpretierbare Hilfsgrößen zur Bestimmung der Wirksamkeit des Wärmetauschers verzichtet werden, wodurch die damit verbundenen Probleme vermieden werden. Durch den Einsatz des verfahrenstechnischen Simulationsprogramms kann die Arbeitspunktabhängigkeit der übertragbaren Wärmemenge beispielsweise an mehreren hundert Stützstellen vorherberechnet werden, ohne entsprechend zeitaufwendige Messungen an der realen Anlage durchführen zu müssen. Im Idealfall wird das Modell des Wärmetauschers mehrfach verwendet: zunächst in der Planungsphase zur Dimensionierung des Wärmetauschers und dann zu Beginn der Betriebsphase zur Parametrierung der Überwachung.
  • Durch die Speicherung der simulierten Werte in einem Kennfeld kann auf die rechenzeitaufwendige Simulation des verfahrenstechnischen Modells im Prozessleitsystem komplett verzichtet werden. Die Funktion zur Online-Überwachung basiert auf einer linearen Kennfeld-Interpolation und lässt sich nahtlos innerhalb eines Prozessleitsystems realisieren.
  • Durch die Berechnung von Kennwerten für den frisch gereinigten und den maximal verschmutzten Wärmetauscher kann der tatsächliche Abnutzungsvorrat des Wärmetauschers berechnet werden. Wenn man im laufenden Betrieb beobachtet, dass sich der Abnutzungsvorrat langsam auf den Wert Null zu bewegt, können entsprechende Instandhaltungsmaßnahmen sinnvoll geplant werden, beispielsweise zwischen zwei Chargen einer Batch-Anlage oder im Rahmen eines anderweitigen geplanten Anlagenstillstands bei einer kontinuierlich arbeitenden Anlage.
  • Durch das Einfrieren der Berechnung bei instationären Übergangsvorgängen werden Fehlalarme vermieden.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer einen Wärmetauscher aufweisenden Prozessanlage mit einem die Überwachung des Wärmetauschers betreffenden Teil einer Steuerung und
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines dreidimensionalen Schnitts durch ein mit einem verfahrenstechnischen Simulationsprogramm erzeugtes fünfdimensionales Kennfeld der Größen FS, Fp und Q̇ Rer bei vorbestimmten Temperaturen TS,Ein und TP,Ein.
  • Wie Fig. 1 entnommen werden kann, weist eine Prozessanlage 1 einen Wärmetauscher 2 auf. Der Wärmetauscher 2 weist einen Behälter 2a auf, in dem eine Rohrleitungsanordnung 2b angeordnet ist. Der Behälter 2a weist einen ersten Eingang 2EP sowie einen ersten Ausgang 2AP auf. Über den ersten Eingang 2EP fließt ein Produktmedium in den Behälter 2a, welches am ersten Ausgang 2AP den Behälter 2a wieder verlässt.
  • Die Rohrleitungsanordnung 2b ist über einen zweiten Eingang 2ES sowie über einen zweiten Ausgang 2AS aus dem Behälter 2a des Wärmetauschers 2 herausgeführt. Über den zweiten Eingang 2ES kann ein Servicemedium in die Rohrleitungsanordnung 2b geleitet werden, welches am zweiten Ausgang 2AS die Rohrleitungsanordnung 2b wieder verlässt.
  • Mittels eines ersten Durchflussmessers 3 kann die Menge des dem Behälter 2a zugeführten Produktmediums erfasst werden. Mittels eines zweiten Durchflussmessers 4 kann die Menge des der Rohrleitungsanordnung 2b zugeführten Servicemediums erfasst werden. Mittels eines ersten Temperatursensors 5 kann die Temperatur des dem Behälter 2a zugeführten Produktmediums am ersten Eingang 2EP des Behälters 2a erfasst werden. Mittels eines zweiten Temperatursensors 6 kann die Temperatur des der Rohrleitungsanordnung 2b zugeführten Servicemediums am zweiten Eingang 2ES der Rohrleitungsanordnung 2b erfasst werden. Mittels eines dritten Temperatursensors 7 kann die Temperatur des Produktmediums am ersten Ausgang 2AP des Behälters 2a erfasst werden. Mittels eines vierten Temperatursensors 8 kann die Temperatur des Servicemediums am zweiten Ausgang 2AS der Rohrleitungsanordnung 2b erfasst werden.
  • Die Ausgangssignale 3a, 4a der Durchflussmesser 3, 4 sowie die Ausgangssignale 5a, 6a der Temperatursensoren 5, 6 werden einem ersten Kennfeldbaustein 9 sowie einem zweiten Kennfeldbaustein 10 zugeführt. In den Kennfeldbausteinen 9, 10 ist jeweils ein hochdimensionales Kennfeld hinterlegt, welches mittels eines verfahrenstechnischen Simulationsprogramms, mit dem der Wärmetauscher 2 ausgelegt wurde beziehungsweise ausgelegt werden kann, berechnet wurde. Ein dreidimensionaler Schnitt durch ein fünfdimensionales im Kennfeldbaustein 9 hinterlegtes Kennfeld 16 ist in Fig. 2 dargestellt. Das Kennfeld 16 betrifft eine vorbestimmte Temperatur des Produktmediums am ersten Eingang 2EP des Wärmetauschers 2 sowie eine vorbestimmte Temperatur des Servicemediums am zweiten Eingang 2ES der Rohrleitungsanordnung 2b.
  • Im ersten Kennfeldbaustein 9 sind arbeitspunktabhängige Kennfelder 16 hinterlegt, welche den Wärmetauscher 2 im sauberen Zustand betreffen. Im zweiten Kennfeldbaustein 10 sind Kennfelder hinterlegt, welche den Wärmetauscher 2 im maximal verschmutzten Zustand betreffen. Die Kennfelder des ersten Kennfeldbausteins 9 geben in Abhängigkeit der Ausgangssignale 3a, 4a der Durchflussmesser 3, 4 sowie der Ausgangssignale 5a, 6a der Temperatursensoren 5, 6 einen Wärmestrom wieder, der als Referenz-Wärmestrom des nicht verschmutzten Wärmetauschers 2 verwendet werden kann. Die Kennfelder des zweiten Kennfeldbausteins 10 geben in Abhängigkeit der Ausgangssignale 3a, 4a der Durchflussmesser 3, 4 sowie der Ausgangssignale 5a, 6a der Temperatursensoren 5, 6 einen Wärmestrom wieder, der als Referenz-Wärmestrom des maximal verschmutzten Wärmetauschers 2 verwendet werden kann. Die wiedergegebenen Wärmeströme werden jeweils als Ausgangssignal 9a, 10a des betreffenden Kennfeldbausteins 9, 10 einem Überwachungsbaustein 11 zugeführt. In speziellen Fällen wie beispielsweise bei Phasenübergängen innerhalb des Wärmetauschers (Verdampfung, Kondensation) können auch andere als die oben angegebenen Größen als Eingangsgrößen in den Kennfeldern verwendet werden.
  • Die Kennfeldbausteine 9, 10 weisen einen Rechner auf, mittels dem Zwischenwerte, für welche kein Stützpunkt hinterlegt ist, durch Interpolation berechnet werden. Neben den den Kennfeldern direkt entnommenen Wärmeströmen werden dem Überwachungsbaustein 11 auch die durch Interpolation ermittelten Wärmeströme 9a, 10a zugeführt. Dem Überwachungsbaustein 11 werden des Weiteren die Ausgangssignale 3a, 4a der Durchflussmesser 3, 4 sowie die Ausgangssignale 5a, 6a der Temperatursensoren 5, 6, die den aktuellen Arbeitspunkt des Wärmetauschers 2 angeben, zugeführt. Darüber hinaus werden dem Überwachungsbaustein 11 noch die Ausgangssignale 7a, 8a des dritten Temperatursensors 7 und des vierten Temperatursensors 8 zugeführt. In speziellen Fällen wie beispielsweise bei Phasenübergängen innerhalb des Wärmetauschers (Verdampfung, Kondensation) können auch andere als die oben angegebenen Größen dem Überwachungsbaustein zugeführt werden.
  • Im Überwachungsbaustein 11 kann somit ein aktueller Wärmestrom berechnet werden. Der aktuelle Wärmestrom wird dann mit den den Kennfeldbausteinen 9, 10 entnommenen arbeitspunktabhängigen Referenz-Wärmeströmen verknüpft. Als Ausgangssignal 11a kann dann ein Wert zwischen 0 und 100 % angegeben werden, der den Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers 2 angibt.
  • Um zu vermeiden, dass im Überwachungsbaustein 11 instationäre Zustände berücksichtigt werden, werden von entsprechenden Prozessparametern abhängige Signale 12P, 13P, 14P der Prozessanlage 1 an Kontrollbausteine 12, 13, 14 gegeben, die die Signale 12P, 13P, 14P dahingehend auswerten, ob sich die Prozessanlage 1 in einem stationären Zustand befindet. Befindet sich die Prozessanlage 1 in einem stationären Zustand, liegt an den Ausgängen der Kontrollbausteine 12, 13, 14 jeweils ein Signal 12a, 13a, 14a an, welche in einem Und-Glied 15 logisch miteinander verknüpft werden. Das Ausgangssignal 15a des Und-Glieds 15 liegt als Freigabesignal am Überwachungsbaustein 11 an.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Überwachung der Wirksamkeit eines Wärmetauschers, bei dem Wärme von einem ersten Medium in ein zweites Medium strömt, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Wärmestrom erfasst wird und mit wenigstens einem einem jeweils vorbestimmten Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers entsprechenden Referenz-Wärmestrom verglichen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des wenigstens einen Referenz-Wärmestromes mittels eines Simulationsprogramms, mittels welchem der Wärmetauscher dimensionierbar ist, vorgenommen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Wärmestrom mit einem einem Verschmutzungsgrad Null entsprechenden Referenz-Wärmestrom und mit einem einem maximal zulässigen Verschmutzungsgrad entsprechenden Referenz-Wärmestrom verglichen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Qualitätswert bestimmt wird, der dem Quotienten aus der Differenz zwischen dem aktuellen Wärmestrom und dem dem maximal zulässigen Verschmutzungsgrad entsprechenden Referenz-Wärmestrom zu der Differenz zwischen dem dem Verschmutzungsgrad Null entsprechenden Referenz-Wärmestrom und dem dem maximal zulässigen Verschmutzungsgrad entsprechenden Referenz-Wärmestrom entspricht.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem wenigstens einen Referenz-Wärmestrom derselbe Arbeitspunkt zugrunde liegt wie dem aktuellen Wärmestrom.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Referenz-Wärmeströmen bei unterschiedlichen Arbeitspunkten ermittelt wird und der dem Arbeitspunkt des aktuellen Wärmestromes entsprechende Arbeitspunkt des Referenz-Wärmestromes mittels Interpolation ermittelt wird.
  7. Einrichtung zur Steuerung einer Anlage (1) mit wenigstens einem Wärmetauscher (2), dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher (9, 10) vorhanden ist, in dem wenigstens ein Kennfeld (16) für einen Referenz-Wärmestrom des Wärmetauschers (2) abgespeichert ist.
  8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Speicher (9, 10) mehr als zehn unterschiedlichen Arbeitspunkten entsprechende und/oder wenigstens zwei unterschiedlichen Verschmutzungsgraden des Wärmespeichers entsprechende Kennfelder (16) für Referenz-Wärmeströme gespeichert sind.
  9. Computerprogrammprodukt, dadurch gekennzeichnet, dass es Programmcode-Sequenzen aufweist, bei deren Ausführung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchgeführt wird.
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