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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR MONITORING A HEAT EXCHANGER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/001683
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a heat exchanger (3) through which a product medium (P) and a service medium (S) flow. The flows (FP,FS), inlet temperatures (TP,in, TS,in), and outlet temperatures (TP,out, TS,out) of both media (P, S) constitute process variables, at least one process variable of which is variable on the product side and the inlet temperature (TS,in) is fixed on the service side, the remaining process variables (FS ,TS,out) being variable. In order to monitor the heat exchanger without measuring the temperature on the service side, * the variable process variable(s) of the product medium and the flow (FS) of the service medium are measured, * a characteristic field (13) for the mutual dependence of the variable process variable(s) of the product medium and the flow (FS) of the service medium is ascertained from the measurement values obtained in a reference state of the heat exchanger, and the characteristic field is stored, and * for the measurement values obtained in a currently unknown state of the heat exchanger, a distance of the measurement value tuple made from the measurement values to the characteristic field (13) is ascertained as a measurement (16) of the deviation of the current state of the heat exchanger from the reference state.

Inventors:
LABISCH, Daniel (Blankenlocher Weg 80, Karlsruhe, 76149, DE)
PFEIFFER, Bernd-Markus (Schulplatz 6, Wörth, 76744, DE)
WEBER, Douglas (Morgenstraße 23, Karlsruhe, 76137, DE)
Application Number:
EP2017/065722
Publication Date:
January 03, 2019
Filing Date:
June 26, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
F28G15/00; G05B23/02
Foreign References:
US20080183427A12008-07-31
US5607008A1997-03-04
DE102014204718A12015-09-17
US6736089B12004-05-18
EP2128551A12009-12-02
EP2128551A12009-12-02
EP2105081A22009-09-30
DE19502096A11996-07-25
US4390058A1983-06-28
EP0470676A21992-02-12
US20050105583A12005-05-19
DE202004021057U12006-09-14
DE10217975A12003-11-13
Other References:
ZOLZER K ET AL.: "Einsatz des Kessel-Diagnose-Systems KEDI im Kraftwerk Staudinger 5", VGB KRAFTWERKSTECHNIK, ESSEN, DE, vol. 75, no. 9, 1 September 1995 (1995-09-01), pages 755 - 762, XP000525900, ISSN: 0372-5715
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Überwachung eines Wärmetauschers (3), der von einem Produktmedium (P) und einem dieses erwärmenden oder kühlenden Servicemedium (S) durchströmt wird, wobei

- der Durchfluss (FP) des Produktmediums (P) , seine Ein¬ trittstemperatur ( PfEin) in den Wärmetauscher (3) und seine Austrittstemperatur (TPiAus) aus dem Wärmetauscher (3) Prozessgrößen des Produktmediums (P) darstellen, von denen mindestens eine variabel ist, und

- der Durchfluss (Fs) des Servicemediums (S) , seine Ein¬ trittstemperatur ( SfEin) in den Wärmetauscher (3) und seine Austrittstemperatur (TSiAus) aus dem Wärmetauscher (3) Prozessgrößen des Servicemediums (P) darstellen, von denen die Eintrittstemperatur (TSiEin) festgelegt ist und die üb¬ rigen Prozessgrößen (Fs, TSiAus) variabel sind,

bei welchem Verfahren,

- die mindestens eine variable Prozessgröße des Produktmedi¬ ums (P) und der Durchfluss (Fs) des Servicemediums (S) ge- messen werden,

- aus den dabei in einem Referenzzustand des Wärmetauschers (3) erhaltenen Messwerten ein Kennfeld (13) für die gegenseitige Abhängigkeit der mindestens einen variablen Pro¬ zessgröße des Produktmediums (P) und des Durchflusses (Fs) des Servicemediums (S) ermittelt und in einem Speicher

(14) abgelegt wird und

- für die in einem aktuellen unbekannten Zustand des Wärmetauschers (3) erhaltenen Messwerte ein Abstand des von ihnen gebildeten Messwert-Tupels von dem Kennfeld (13) als Maß (16) für eine Abweichung des aktuellen Zustands des

Wärmetauschers (3) von dem Referenzzustand ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzzustand einem Verschmutzungsgrad Null des Wärme- tauschers (3) entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als variable Prozessgrößen des Produktmediums (P) sein Durchfluss (FP) , seine Eintrittstemperatur (TPiEin) und seine Austrittstemperatur (TPiAus) gemessen werden, wobei das Kennfeld (13) vierdimensional ist und die Messwert-Tupel jeweils ein Quadrupel (FP, TPfEin, TP,Aus, Fs) bilden. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittstemperatur (TPiAus) des Produktmediums (P) über den Durchfluss (Fs) des Servicemediums (S) mittels Kas¬ kadenregelung auf einen festgelegten Sollwert (T*PiAus) geregelt wird und dass als variable Prozessgrößen des Produktme- diums (P) sein Durchfluss (FP) und seine Eintrittstemperatur ( PfEin) gemessen werden, wobei das Kennfeld (13) dreidimensi¬ onal ist und die Messwert-Tupel jeweils ein Tripel (FP, TPiEin, Fs) bilden. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittstemperatur (TPiAus) des Produktmediums (P) über den Durchfluss (Fs) des Servicemediums (S) mittels Kas¬ kadenregelung auf einen festgelegten Sollwert (T*PiAus) geregelt wird und dass bei entweder festgelegtem Durchfluss (FP) oder bei festgelegter Eintrittstemperatur (TPiEin) des Produktmediums (P) die Eintrittstemperatur (TPiEin) oder der Durchfluss (FP) als einzige variable Prozessgröße des Pro¬ duktmediums (P) gemessen wird, wobei das Kennfeld (13) eine zweidimensionale Kennlinie (15') ist und die Messwert-Tupel jeweils ein Messwertpaar ( (TPfEin, Fs) oder (FP, Fs) ) bilden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- dass die Austrittstemperatur (TPiAus) des Produktmediums (P) über den Durchfluss (Fs) des Servicemediums (S) mit¬ tels Kaskadenregelung auf einen festgelegten Sollwert (T*P,Aus) geregelt wird,

- die Eintrittstemperatur (TPiEin) des Produktmediums (P)

festgelegt ist,

- als variable Prozessgrößen des Produktmediums (P) sein

Durchfluss (FP) , seine Eintrittstemperatur (TPiEin) und seine Austrittstemperatur (TPiAus) gemessen werden und aus ihnen ein aktueller Wärmestrom (Qp) des Produktmediums (P) oder ein dazu proportionaler Wert ermittelt wird, - als Kennfeld (13) eine Kennlinie (15") für die gegensei¬ tige Abhängigkeit des Wärmestroms (Qp) des Produktmediums

(P) oder des dazu proportionalen Werts und des Durchflus¬ ses (Fs) des Servicemediums (S) in einem Referenzzustand des Wärmetauschers (3) ermittelt und in dem Speicher (14) ablegt wird und

- ein Abstand des Wertepaars (Qpir Fs2) aus dem aktuellen Wärmestrom (Qp) des Produktmediums (P) oder dem dazu pro¬ portionalen Wert und dem aktuellen Durchfluss (Fs) des Servicemediums (S) von der Kennlinie (15") als Maß für ei¬ ne Abweichung des aktuellen Zustands des Wärmetauschers (3) von dem Referenzzustand ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (13) aus durch Messung er¬ haltenen und durch Interpolation, insbesondere Polynom-Interpolation, verbundenen Stützpunkten gebildet wird.

8. Einrichtung, die zur Überwachung eines Wärmetauschers (3) ausgebildet ist, der von einem Produktmedium (P) und einem dieses erwärmenden oder kühlenden Servicemedium (S) durchströmt wird, wobei

- der Durchfluss (FP) des Produktmediums (P) , seine Ein¬ trittstemperatur ( PfEin) in den Wärmetauscher (3) und sei- ne Austrittstemperatur (TPiAus) aus dem Wärmetauscher (3)

Prozessgrößen des Produktmediums (P) darstellen, von denen mindestens eine variabel ist, und

- der Durchfluss (Fs) des Servicemediums (S) , seine Ein¬ trittstemperatur ( SfEin) in den Wärmetauscher (3) und sei- ne Austrittstemperatur (TSiAus) aus dem Wärmetauscher (3)

Prozessgrößen des Servicemediums (P) darstellen, von denen die Eintrittstemperatur (TSiEin) festgelegt ist und die übrigen Prozessgrößen (Fs, TSiAus) variabel sind,

welche Einrichtung aufweist:

- Messgeräte (4, 5, 6, 12), die die mindestens eine variable Prozessgröße des Produktmediums (P) und den Durchfluss (Fs) des Servicemediums (S) messen, und

- eine Auswerteeinrichtung (17), die - aus von den Messgeräten (4, 5, 6, 12) in einem Referenzzustand des Wärmetauschers (3) erhaltenen Messwer¬ ten ein Kennfeld (13) für die gegenseitige Abhängigkeit der mindestens einen variablen Prozessgröße des Pro¬ duktmediums (P) und des Durchflusses (Fs) des Service¬ mediums (S) ermittelt und in einem Speicher (14) ablegt und

- für die in einem aktuellen unbekannten Zustand des Wärmetauschers (3) erhaltenen Messwerte einen Abstand des von ihnen gebildeten Messwert-Tupels von dem Kennfeld (13) als Maß (16) für eine Abweichung des aktuellen Zu- stands des Wärmetauschers (3) von dem Referenzzustand ermittelt .

9. Computerprogrammprodukt, dadurch gekennzeichnet, dass es Programmcode-Sequenzen aufweist, bei deren Ausführung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchgeführt wird.

Description:
Beschreibung

Verfahren und Einrichtung zur Überwachung eines Wärmetauschers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Wärmetauschers .

Wärmetauscher werden verwendet, um ein Produktmedium zu heizen oder zu kühlen. Dazu wird das Produktmedium zusammen mit einem Heiz- oder Kühlmedium, dem sogenannte Servicemedium, durch den Wärmetauscher geleitet, wobei die beiden Medien durch eine Wandung getrennt aneinander vorbeifließen und dabei die Wärme des wärmeren Mediums an das kältere Medium ab ¬ gegeben wird.

Ein zentrales Problem bei Wärmetauschern stellt das Fouling dar, bei dem sich an den Innenwänden des Wärmetauschers Ablagerungen oder Beläge bilden. Die Gründe für die Entstehung solcher Ablagerungen können physikalischer, chemischer, oder biologischer Natur sein. Sie lassen sich vielen Fällen, z. B. aufgrund der gegebenen produktseitigen Rahmenbedingungen, nicht verhindern. Die Beläge hemmen den Wärmeübergang zwischen dem Service- und Produktmedium und reduzieren dadurch den Wirkungsgrad des Wärmetauschers. Sie können auch dazu führen, dass sich der Strömungswiderstand des Wärmetauschers erhöht. Ist ein bestimmter Grad der Verschmutzung erreicht, wird eine chemische oder mechanische Reinigung oder ggf. so ¬ gar der Austausch des Wärmetauschers notwendig. Von außen ist es sehr schwer festzustellen, wie stark die Verschmutzung im Inneren des Wärmetauschers ist, so dass es nicht möglich ist, den Wärmetauscher bedarfsabhängig zu reinigen oder zu ersetzen .

Bisher werden von Verschmutzung betroffene Wärmetauscher in regelmäßigen Zeitabständen gereinigt oder ausgetauscht, also ohne Wissen über den tatsächlichen Verschmutzungszustand. Bei diesem Vorgehen können die Wartungsintervalle nicht abhängig von verschieden starken Verschmutzungsgraden angepasst wer- den. Infolgedessen kann die Reinigung oder der Austausch des Wärmetauschers beispielsweise zu früh erfolgen, obwohl bis dahin nur geringfügige Ablagerungen vorhanden sind. Dies würde zwar den effizienten Betrieb des Wärmetauschers gewähr ¬ leisten, wäre jedoch unwirtschaftlich, weil sowohl direkte Kosten für die Wartungsarbeiten entstehen, als auch indirekte Kosten durch die zusätzliche Beeinträchtigung des laufenden Betriebs der Anlage, in der der Wärmetauscher eingesetzt ist. Werden entsprechende Maßnahmen zu spät durchgeführt, so füh ¬ ren übermäßige Ablagerungen im Inneren des Wärmetauschers be ¬ reits zu einem deutlich verringerten Wärmeübergang. Die Folge ist, dass für den gleichen zu übertragenen Wärmestrom ein viel größerer Durchfluss des Servicemediums benötigt wird als im sauberen Zustand des Wärmetauschers der Fall ist. Dies führt zu einem erhöhten Energieaufwand, welcher für die Be ¬ reitstellung des Servicemediums aufgewandt wird, also Heiz- und Pumpleistung, was ebenfalls einen Kostenfaktor darstellt. Weiterhin besteht bei starker Belagbildung auch die Gefahr einer verschlechterten Produktqualität, da beispielsweise Temperaturvorgaben nicht adäquat eingehalten werden.

Aus der EP 2 128 551 AI ist ein Verfahren zur Überwachung eines Wärmetauschers bekannt, bei dem ein aktueller Wärmestrom g P des Produktmediums oder Q s des Servicemediums erfasst und mit mindestens einem Referenz-Wärmestrom Q e f verglichen wird, der einem vorbestimmten Verschmutzungsgrad, z. B. dem Verschmutzungsgrad Null und einem maximal zulässigen Ver ¬ schmutzungsgrad, des Wärmetauschers entspricht. Bei hocheffi ¬ zienten Wärmetauschern im industriellen Umfeld kann der Wirkungsgrad als 1 angenommen werden, so dass gilt:

Der aktuelle Wärmestrom lässt sich wie folgt berechnen ß p P P * Fp · (Tp iAus Tp iE i n ) oder Q s = Cp, s -Ps-F S - (T S ,AUS - T S , EIN ) , wobei c Pi p die Wärmekapazität des Produktmediums,

c P , s die Wärmekapazität des Servicemediums,

p P die Dichte des Produktmediums,

p s die Dichte des Servicemediums,

F P der Durchfluss des Produktmediums durch den Wärmetau ¬ scher,

F s der Durchfluss des Servicemediums durch den Wärmetau ¬ scher,

T PiEiri die Temperatur des Produktmediums bei Eintritt in den

Wärmetauscher,

Tp iAus die Temperatur des Produktmediums bei Austritt aus dem

Wärmetauscher,

T SiEin die Temperatur des Servicemediums bei Eintritt in den

Wärmetauscher und

Ts, AUS die Temperatur des Servicemediums bei Austritt aus dem

Wärmetauscher sind.

Der jeweilige Referenz-Wärmestrom )κ βΐ wird in Abhängigkeit von dem aktuellen Arbeitspunkt des Wärmetauschers aus einem vorher für unterschiedliche Arbeitspunkte erstellten und ab ¬ gespeicherten Kennfeld ermittelt, wobei der Arbeitspunkt des Wärmetauschers durch die Durchflüsse F P , F s beider Medien und ihre Temperaturen T PiEin , T SiEin bei Eingang in den Wärmetauscher bestimmt ist. Das Kennfeld ist daher 5-dimensional (Q

R ef = f (F P , F s , T PfEin , T SfEin ) ) . Um zur Ermittlung der Kennfelder für unterschiedliche Verschmutzungsgrade keine aufwendigen Messungen an der realen Anlage durchführen zu müssen, können die Kennfelder mittels eines verfahrenstechnischen Simulationsprogramms an mehreren hundert Stützstellen vorherberechnet werden, wobei ggf. zur Erhöhung der Genauigkeit zur Feinab ¬ stimmung von Parametern des Simulationsprogramms an einigen wenigen Arbeitspunkten im sauberen Zustand des Wärmetauschers Messungen vorgenommen werden können.

Die Kennfelder könnten in der Praxis jedoch nur dann berech- net werden, wenn eine Projektierung des Wärmetauschers in ei- ner entsprechenden Simulationssoftware vorhanden war. Bei be- stehenden Wärmetauschern ist dies oftmals nicht der Fall, bzw. die Auslegung des Wärmetauschers ist an anderer Stelle durchgeführt worden, und die Simulationssoftware steht jetzt nicht mehr zur Verfügung. Für die Simulation ist zusätzlich entsprechendes Knowhow zur Bedienung des spezifischen Simulationsprogramms notwendig.

Ein weiteres praktisches Problem besteht darin, dass in Wär ¬ metauschern in den meisten Fällen keine Instrumentierung zur Messung der Temperatur des Servicemediums vorhanden ist und eine Nachrüstung allein zum Zweck der Überwachung in der Regel als zu aufwändig betrachtet wird.

Aus der EP 2 105 081 A2 ist es bekannt, bei einem Wärmetau- scher in einer Geschirrspülmaschine anhand der Differenz zwi ¬ schen der Einlass-Temperatur und der Auslass-Temperatur eines der beiden Medien und/oder aus der Differenz zwischen der Einlass-Temperatur des einen und der Auslass-Temperatur des anderen Mediums eine Verschmutzung des Wärmetauschers zu de- tektieren. Steigt die Verschmutzung, so sinkt die Effizienz des Wärmetauschers und damit die Temperaturdifferenz vor und nach dem Durchströmen des Wärmetauschers. Eine solche, ledig ¬ lich auf der Temperaturdifferenz beruhende Aussage kann jedoch nur dann getroffen werden, wenn der Wärmetauscher, so wie im Falle der Geschirrspülmaschine, in einem einzigen Ar ¬ beitspunkt betrieben wird.

Aus Zolzer K et al . "Einsatz des Kessel-Diagnose-Systems KEDI im Kraftwerk Staudinger 5", VGB Kraftwerkstechnik, Es- sen, DE, Bd. 75, Nr. 9, 1. September 1995, Seiten 755-762, ISSN: 0372-5715, der DE 195 02 096 AI, US 4 390 058 A oder EP 0 470 676 A2 ist es bekannt, zur Überwachung von Wärmetau ¬ schern den Wärmedurchgangskoeffizienten oder k-Wert zu betrachten. Der innerhalb des Wärmetauschers übertragene Wärme- ström

Q = k-Α-ΔΤ hängt von diesem k-Wert, von der Austauschfläche A und von der den Wärmeübergang treibenden sog. logarithmischen Temperaturdifferenz ΔΤ Μ ab. Sowohl der k-Wert als auch die logarithmische Temperaturdifferenz sind jeweils von dem Arbeits ¬ punkt des Wärmetauschers und damit, wie oben bereits erwähnt, von den Durchflüssen F P , F s des Produkt- und Servicemediums und ihren Temperaturen T PiEin , T SiEin bei Eintritt in den Wärmetauscher abhängig. Dabei ist aber der jeweilige Anteil des k- Werts und der Temperaturdifferenz an der Arbeitspunktabhängigkeit unbekannt, so dass der k-Wert als solcher nur dann für die Überwachung des Wärmetauschers aussagefähig ist, wenn bekannt ist, auf welche Temperaturdifferenz er bezogen ist.

Aus der US 2005/105583 AI oder DE 20 2004 021057 Ul ist es bekannt, die Wärmeströme auf beiden Seiten des Wärmetauschers mit einem Wärmestrom-Sensor zu messen bzw. aus den dort gemessenen Eintritts- und Austritts-Temperaturen und Volumenströme der beteiligten Medien zu berechnen. Es wird davon ausgegangen, dass bei unverschmutztem Wärmetauscher beide Wärmeströme gleich groß sind, während sie bei Verschmutzung unterschiedlich sein können, wobei der Unterschied ein Maß für die Verschmutzung ist. Dies mag bei kleinen Wärmetau ¬ schern mit nicht zu vernachlässigenden Verlusten zutreffen, nicht aber für hocheffiziente Wärmetauscher im industriellen Umfeld. Dort sollte der Wirkungsgrad immer 1 sein.

Die DE 102 17 975 AI beschreibt ein Verfahren, bei dem ein durch einen Wärmetauscher strömender erster Produktstrom (Luft) anhand der Änderung der Enthalpie des zweiten Medienstroms (Kältemittel) ermittelt wird. Die von der Luft abgege ¬ bene Wärme pro Zeit entspricht der von dem Kältemittel aufge ¬ nommenen Wärme pro Zeit. Dieses Gleichgewicht ist die Grund ¬ lage des Verfahrens zur Entdeckung eines verringerten Luft ¬ stromes, wobei die tatsächliche Luftmenge mit einem Sollwert verglichen und bei einer Soll-Istwert-Abweichung ein Fehler angezeigt wird. ist Aufgabe der Erfindung, eine praxisgerechte Überwachung Wärmetauschern im industriellen Umfeld zu ermöglichen . Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 definierte Verfahren und die in Anspruch 8 angegebene Ein ¬ richtung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Überwachung eines Wärmetauschers, der von einem Produktmedium und einem dieses erwärmenden oder kühlenden Servicemedium durchströmt wird, wobei

- der Durchfluss des Produktmediums, seine Eintrittstempe ¬ ratur in den Wärmetauscher und seine Austrittstemperatur aus dem Wärmetauscher Prozessgrößen des Produktmediums darstellen, von denen mindestens eine variabel ist, und

- der Durchfluss des Servicemediums, seine Eintrittstempe ¬ ratur in den Wärmetauscher und seine Austrittstemperatur aus dem Wärmetauscher Prozessgrößen des Servicemediums darstellen, von denen die Eintrittstemperatur festgelegt ist und die übrigen Prozessgrößen variabel sind,

bei welchem Verfahren,

- die mindestens eine variable Prozessgröße des Produktmedi ¬ ums und der Durchfluss des Servicemediums gemessen werden,

- aus den dabei in einem Referenzzustand des Wärmetauschers erhaltenen Messwerten ein Kennfeld für die gegenseitige Abhängigkeit der mindestens einen variablen Prozessgröße des Produktmediums und des Durchflusses des Servicemediums ermittelt und in einem Speicher abgelegt wird und

- für die in einem aktuellen unbekannten Zustand des Wärmetauschers erhaltenen Messwerte ein Abstand des von ihnen gebildeten Messwert-Tupels von dem Kennfeld als Maß für eine Abweichung des aktuellen Zustands des Wärmetauschers von dem Referenzzustand ermittelt wird.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Einrichtung, die zur Überwachung eines Wärmetauschers ausgebildet ist, der von ei ¬ nem Produktmedium und einem dieses erwärmenden oder kühlenden Servicemedium durchströmt wird, wobei

- der Durchfluss des Produktmediums, seine Eintrittstempe ¬ ratur in den Wärmetauscher und seine Austrittstemperatur aus dem Wärmetauscher Prozessgrößen des Produktmediums darstellen, von denen mindestens eine variabel ist, und

- der Durchfluss des Servicemediums, seine Eintrittstempe ¬ ratur in den Wärmetauscher und seine Austrittstemperatur aus dem Wärmetauscher Prozessgrößen des Servicemediums darstellen, von denen die Eintrittstemperatur festgelegt ist und die übrigen Prozessgrößen variabel sind,

welche Einrichtung aufweist:

- Messgeräte, die die mindestens eine variable Prozessgröße des Produktmediums und den Durchfluss des Servicemediums messen, und

- eine Auswerteeinrichtung, die

- aus von den Messgeräten in einem Referenzzustand des Wärmetauschers erhaltenen Messwerten ein Kennfeld für die gegenseitige Abhängigkeit der mindestens einen va ¬ riablen Prozessgröße des Produktmediums und des Durch ¬ flusses des Servicemediums ermittelt und in einem Spei ¬ cher ablegt und

- für die in einem aktuellen unbekannten Zustand des Wärmetauschers erhaltenen Messwerte einen Abstand des von ihnen gebildeten Messwert-Tupels von dem Kennfeld als Maß für eine Abweichung des aktuellen Zustands des Wärmetauschers von dem Referenzzustand ermittelt.

Ein entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass keine Messung der Ein- oder Austrittstem peratur des Servicemediums erforderlich ist. Damit wird in vorteilhafter Weise dem Umstand Rechnung getragen, dass in den meisten Fällen eine dafür notwendige Instrumentierung in Wärmetauschern nicht vorhanden ist. In diesem Zusammenhang wird ferner die Tatsache ausgenutzt, dass bei Wärmetauschern im industriellen Einsatz die Temperatur des Servicemediums beim Eintritt in den Wärmetauscher festgelegt und weitgehend konstant ist. So wird beispielsweise als Heizmedium häufig Dampf aus zentralen und geregelten HeizdampfVersorgungen ver wendet, wobei es sich typischerweise um Sattdampf, dessen Temperatur durch den im Kessel herrschenden Druck festgelegt ist (z. B. 212 °C bei 20 bar) . Ähnlich verhält es sich mit Kühlwasser aus einem zentralen Rückkühlwerk in einer Anlage. Das Kennfeld kann im Referenzzustand (Gutzustand) des Wärme ¬ tauschers aus Messungen der variablen Prozessgrößen des Produktmediums, im allgemeinen Fall sein Durchfluss sowie seine Ein- und Austrittstemperatur, und des Durchflusses des Ser- vicemediums gelernt werden. Prozessgrößen, die aufgrund von gegebenen produktseitigen Rahmenbedingungen festgelegt sind und daher als unveränderlich angenommen werden können, brauchen nicht gemessen und für die Kennlinie berücksichtigt zu werden, wodurch die Anzahl der Eingangsdimensionen des Kenn- feldes reduziert wird.

Wenn die Ein- und Austrittstemperatur des Produktmediums nur gering variieren, kann aus den Prozessgrößen des Produktmediums der produktseitige Wärmestrom ermittelt und als einzige Eingangsdimension für das Kennfeld verwendet werden, das dann auf eine einfache Kennlinie reduziert ist. Dies stellt bei ¬ spielsweise einen erheblichen Vorteil gegenüber den bei dem aus der EP 2 128 551 AI bekannten Verfahren verwendeten hoch- dimensionalen Kennfeldern dar, zumal keine Simulation erfor- derlich ist und die Kennlinie mithilfe von normalen histori ¬ schen Betriebsdaten aus der realen Anlage erlernt werden kann .

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung .

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers mit einem ihn überwachenden Teil einer Prozesssteuerung,

Fig. 2 zwei F s -F P -Kennlinien bei zwei unterschiedlichen

Verschmutzungsgraden des Wärmetauschers und

Fig. 3 zwei F s - g p-Kennlinien bei zwei unterschiedlichen

Verschmutzungsgraden des Wärmetauschers. Fig. 1 zeigt einen kleinen Ausschnitt aus einer Prozessanlage 1 mit einer Produktleitung 2, durch die ein Produktmedium P fließt und in deren Verlauf ein Wärmetauscher 3 angeordnet ist. In Flussrichtung vor dem Wärmetauscher 3 werden mittels eines Durchflussmessers 4 und eines Temperaturmesser 5 der Durchfluss F P des Produktmediums P und seine Temperatur T PiEin vor Eintritt in den Wärmetauscher 3 gemessen. Ein hinter dem Wärmetauscher 3 angeordneter weiterer Temperaturmesser 6 misst die Temperatur T PiAus des aus dem Wärmetauscher 3 austretenden Produktmediums P. Das Produktmedium P wird mittels eines Servicemediums S erwärmt oder gekühlt, das dem Wärme ¬ tauscher 3 aus einer Heiz- oder Kühlmittelversorgung 7 zugeführt wird und eine weitgehend konstante Temperatur hat. So ist z. B. die Temperatur von Sattdampf durch den Druck in der Dampferzeugung festgelegt. Der Durchfluss des Servicemediums S wird mit mittels einer Kaskadenregelung geregelt, die einen Temperaturregler 8 als Führungsregler und einen Durchflussregler 9 als Folgeregler aufweist. Der Temperaturregler 8 erhält von einem Teil 10 der Prozessteuerung einen Sollwert T*p iAus für die Temperatur des Produktmediums P bei Austritt aus dem Wärmetauscher 3 und als Regelgröße die gemessene Aus ¬ trittstemperatur Tp iAus . Der Durchflussregler 9 regelt über ein steuerbares Ventil 11 den Durchfluss des Servicemediums S und erhält dazu von dem Temperaturregler 8 den entsprechenden Durchfluss-Sollwert und von einem Durchflussmesser 12 den Durchfluss-Istwert F s .

Zur Überwachung des Wärmetauschers 3 werden der Durchfluss- Messwert F P und die Temperatur-Messwerte T PiEin , T PiAus des Pro ¬ duktmediums P und der Durchfluss-Messwert F s des Servicemedi ¬ ums S an den Prozessteuerungsteil 10 übertragen. Wenn einzel ¬ ne Prozessgrößen des Produktmediums P, beispielsweise seine Eintrittstemperatur T PiEin , aufgrund von gegebenen produktsei- tigen Rahmenbedingungen festgelegt sind und daher als unveränderlich angenommen werden können, brauchen sie nicht gemessen zu werden.

Wie eingangs bereits erläutert, gilt für die produkt- und serviceseitigen Wärmeströme Q v und Q s : P ~~ (Tp iAus T PiEin ) und s = Cp, s -Ps-F s - (T s , Aus Ts, Ein) ·

Unter Vernachlässigung von Verlusten geht die gesamte von dem Servicemedium S abgegebene Wärmemenge auf das Produktmedium P über, so dass beide Wärmeströme gleich sind (Q P = Q s = Q) .

Wenn sich auch der Wärmestrom bei z. B. gegebenem Durchfluss unmittelbar aus der Differenz zwischen Ein- und Austrittstemperatur des jeweiligen Mediums ergibt, so ist doch diese Tem ¬ peraturdifferenz wiederum von dem Arbeitspunkt des Wärmetauschers 3 abhängig und stellt sich nur bei einem bestimmten Temperaturniveau, also z. B. bei einer bestimmten Eintritts ¬ temperatur T PiEiri bzw. T SiEin ein. Der Arbeitspunkt wird weiterhin von dem Wärmeübergang zwischen der Produkt- und Serviceseite bestimmt und ist damit von der Bauform des Wärmetau ¬ schers 3 und seiner Verschmutzung (Fouling T) abhängig. Der Wärmestrom ist somit eine Funktion G folgender Variablen:

Q = G(F P , Tp iE i n , Tp iAus , F s , T SiE i n , T SiAus , T) .

Auf der Serviceseite ist nur der Durchfluss F s des Serviceme ¬ diums S aufgrund der Durchflussmessung für die Kaskadenrege ¬ lung bekannt. Für die Ein- und Austrittstemperaturen T SiEin und T SiAus des Servicemediums S sind dagegen keine Messwerte verfügbar, weil entsprechende Sensoren nicht vorhanden sind. Die Eintrittstemperatur T SiEin wird, wie bereits erwähnt, als konstant angenommen. Eine Verschmutzung des Wärmetauschers 3 führt zu einem schlechteren Wärmeübergang zwischen Produkt- und Serviceseite, so dass sich im Vergleich zu dem sauberen Zustand des Wärmetauschers 3 die Austrittstemperatur T SiAus des Servicemediums S bei Erwärmung des Produktmediums P er ¬ höht und bei Kühlung verringert. In beiden Fällen verringert sich die Temperaturdifferenz zu der als konstant angenommenen Eintrittstemperatur T SiEin . Um den gleichen Wärmestrom Q beizubehalten, wird der Durchfluss F s des Servicemediums S durch die Kaskadenregelung erhöht und ist somit ein Indikator für die verstärkte Verschmutzung. Wenn sich der Wärmetauscher 3 in einem Referenzzustand, vorzugsweise dem Neuzustand des Wärmetauschers 3 oder nach sei ¬ ner Reinigung, befindet, wird aus den Messwerten der variablen Prozessgrößen des Produktmediums P und des Durchflusses F s des Servicemediums S ein Kennfeld 13 für die gegenseitige Abhängigkeit dieser variablen Prozessgrößen des Produktmediums P und des Durchflusses F s des Servicemediums S ermittelt und in einem Speicher 14 abgelegt. Im allgemeinen Fall handelt es sich bei den variablen Prozessgrößen des Produktmedi- ums P um seinen Durchfluss Fp, die Eintrittstemperatur und die Austrittstemperatur T PiAus . Die erfassten Messwerte bilden dann jeweils 4-Tupel oder Quadrupel (F P , T PfEin , T PiAus , F s ) , und das Kennfeld 13 ist vierdimensional . Wie in Fig. 1 angedeutet ist, kann das Kennfeld 13 z. B. in Form von mehre- ren Kennlinien 15 abgelegt werden.

Es sei nun angenommen, dass der Wärmetauscher 3 im Referenzzustand ist und die Prozessgrößen F P , T PfEin , T PiAus des Pro ¬ duktmediums P und der Durchflusses F s des Servicemediums S die Werte F P1 , T PliEin , T PliAus , F sl haben. Das 4-Tupel (F P1 ,

Tpi fEin , T PliAus , F sl ) ist Element des Kennfeldes 13 und bezeich ¬ net den momentanen Arbeitspunkt des Wärmetauschers 3. Bei zu ¬ nehmender Verschmutzung des Wärmetauschers 3 muss der Durchfluss F s des Servicemediums S auf einen Wert F s2 erhöht wer- den, wenn die Werte F P1 , T PliEin , T PliAus der Prozessgrößen F P , P fE in, T PiAus des Produktmediums P unverändert bleiben sollen. Dies kann z. B. durch die in Fig. 1 gezeigte Kaskadenregelung erfolgen. Das dabei erhaltene 4-Tupel (F P1 , T PliEin , T PliAus , F s2 ) bezeichnet einen neuen Arbeitspunkt, der aber nicht mehr Ele- ment des Kennfeldes 13 ist.

Bei nichtvorhandener Regelung und bleibt dagegen der Durchfluss F s des Servicemediums S unverändert auf dem Wert F sl , so dass sich bei unverändertem Durchfluss F P1 und unveränderter Eintrittstemperatur T PliEin des Produktmediums P dessen Austrittstemperatur von dem Wert T PliAus auf T P2 , Aus ändert. Das da ¬ bei erhaltene 4-Tupel (F P1 , T PliEin , Τ Ρ2 , Αι18 , F sl ) bezeichnet ebenfalls einen neuen Arbeitspunkt, der nicht Element des Kennfeldes 13 ist. In beiden exemplarisch beschriebenen Fällen ist der Abstand des neuen Arbeitspunkts (F P1 , T PliEin , T PliAus , F s2 ) bzw. (F P1 , Τρι,Είη / Tp2,Aus / F sl ) von dem Kennfeld 13 ein Maß für die Abwei ¬ chung des aktuellen verschmutzten Zustands des Wärmetauschers 3 von dem Referenzzustand. Diese Abweichung 16 wird von einer Auswerteeinrichtung 17 ermittelt und als Information über den Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers 3 ausgegeben, um z. B. eine individuelle und bedarfsabhängige Planung der Wartungs ¬ aufgaben zu ermöglichen. Der Wärmetauscher 3 kann nun gerei- nigt oder ersetzt werden, wenn ein bestimmter Verschmutzungs ¬ grad erreicht wird. Überschreitet der Verschmutzungszustand einen Schwellwert, kann frühzeitig eine Wartung des Wärmetau ¬ schers 3 eingeplant werden. Durch die Zusammenlegung mehrerer Wartungsaufgaben kann so beispielsweise die Stillstandzeit der Anlage 1 verringert werden. Zusätzlich wird der effiziente und korrekte Betrieb des Wärmetauschers 3 bei gleichzeiti ¬ ger Vermeidung unnötiger Kosten durch eine zu frühe Wartung sichergestellt . Fig. 2 zeigt beispielhaft und in schematischer Darstellung einen Schnitt durch das im Referenzzustand des Wärmetauschers 3 ermittelte Kennfeld 13 für feste Temperaturwerte T PliEin und T PliAus des Produktmediums, so dass sich eine Kennlinie 15' er ¬ gibt, die die gegenseitige Abhängigkeit der Durchflüsse F s und F P auf der Service- und Produktseite wiedergibt. Die

Durchflusswerte F P1 und F sl bezeichnen einen bestimmten Arbeitspunkt ( Fpi , F S i ) des sauberen Wärmetauschers 3. Bei Ver ¬ schmutzung des Wärmetauschers 3 und unverändertem Durchfluss Fpi des Produktmediums P ergibt sich aufgrund der Kaskaden- regelung ein höherer Durchflusswert F s2 für das Servicemedium S. Der neue Arbeitspunkt (F P1 , F s2 ) liegt außerhalb der Kenn ¬ linie 15', wobei sein Anstand zu ihr den Verschmutzungsgrad bezeichnet. Zum Vergleich ist eine Kennlinie 18' angegeben, die man bei diesem Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers 3 erhalten würde.

Da keine geschlossene Form der oben genannten physikalischen Gleichung Q - G(F P , T PfEin , Tp iAus , F s , T SfEin , T SiAus , für das Kennfeld 13 bekannt ist, kann z. B. in einem ersten Schritt ein Polynom dritter Ordnung in der Abhängigkeit von F P sowie eine quadratische Abhängigkeit von T PiEin und T PiAus angesetzt werden, welche beide auch durch höhere Polynome oder andere Funktionen ersetzt werden können, sofern genügend Lerndaten (Messwerte) vorhanden sind. Die erforderlichen Koeffizienten des Polynoms des Kennfelds lassen sich mit den Lerndaten durch Minimierung der Fehlerquadratsumme schätzen. Die Alternative zum Polynom stellt eine Interpolation zwischen den von den Lerndaten gebildeten Stützstellen dar. Eine zuverlässige Überwachung des Wärmetauschers ist dann möglich, wenn der Wärmetauscher im Bereich der im Referenzzustand ein- gelernten Arbeitspunkte betrieben wird, weil eine Extrapola ¬ tion des Kennfelds 13 in der Regel ohne physikalisches Modell nicht verlässlich ist.

Wenn eine der Prozessgrößen des Produktmediums P als vorge- geben bzw. konstant angesehen werden kann, braucht diese Größe nicht berücksichtigt zu werden und die Dimension der Mess- wert-Tupel und des Kennfeldes 13 reduziert sich entsprechend. Dies ist z. B. bei der vorliegenden Kaskadenregelung gegeben, wenn die Austrittstemperatur T PiAus des Produktmediums P kon- stant ist, weil der Sollwert T* PiAus über die Betriebsdauer des Wärmetauschers 3 nicht verändert wird. Die erfassten Messwerte bilden dann jeweils 3-Tupel oder Tripel (F P , T PiEin , F s ) und das Kennfeld 13 eine dreidimensionale (nicht ebene) Fläche. Wenn zwei oder eine höhere Anzahl unterschiedlicher Sollwerte T* PliAus , T*p 2 , Aus , ··· vorgesehen werden, muss für je ¬ den dieser Sollwerte ein eigenes dreidimensionales Kennfeld 13 erstellt werden.

Ist aufgrund von gegebenen produktseitigen Rahmenbedingungen auch die Eintrittstemperatur T PiEin oder der Durchfluss F P des Produktmediums P festgelegt, braucht diese nicht-variable Prozessgröße auch nicht gemessen und in dem Kennfeld 13 be ¬ rücksichtigt zu werden. Die erfassten Messwerte bilden dann jeweils ein jeweils ein Messwertpaar (F P , F s ) bzw. (T PfEin , F s ) aus der einzigen variablen Prozessgröße F P bzw. Tp E ^ n des Pro— duktmediums P und dem Durchfluss F s des Servicemediums S und das Kennfeld 13 reduziert sich dann zu einer zweidimensiona ¬ len Kennlinie 18, so wie sie z. B. in Fig. 2 gezeigt ist.

Bei kleinen Variationen der Produkttemperaturen, wenn also die Austrittstemperatur T PiAus des Produktmediums P mittels Kaskadenregelung über den Durchfluss F s des Servicemediums S auf einen festgelegten Sollwert T* PiAus geregelt wird und die Eintrittstemperatur T PiEin weitgehend unveränderlich ist, weil das Produktmedium P beispielsweise aus einem konstant betrie ¬ benen vorgelagerten Prozessschritt kommt, kann die Zahl der Eingangsdimensionen für das Kennfeld 13 auf Eins reduziert werden, indem die Auswerteeinrichtung 17 aus dem Durchfluss F P und den beiden Temperaturen T PiEin und T PiAus den aktuellen

Wärmestrom Q v des Produktmediums P oder einen dazu proporti ¬ onalen Wert berechnet:

Qv = (Tp iAus - p iE i n )

Wenn die Eintrittstemperatur T PiEin und/oder der Durchfluss F P des Produktmediums P beispielsweise aufgrund der gegebenen produktseitigen Rahmenbedingungen konstant sind, brauchen sie nicht gemessen zu werden. Falls die Wärmekapazität c PiP und Dichte p P des Produktmediums P nicht bekannt sind, kann er ¬ satzweise eine zu dem Wärmestrom Q P proportionale Größe Q P berechnet werden:

Qp = C * Fp * (Tp iAus - p iE i n ) , wobei c eine beliebige Konstante ist.

Als Kennfeld 13 wird nun eine Kennlinie 15" für die gegensei ¬ tige Abhängigkeit des Wärmestroms Q P oder des dazu proporti- onalen Werts und des Durchflusses F s des Servicemediums S in dem Referenzzustand des Wärmetauschers 3 ermittelt. Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für die F s - gp-Kennlinie 15". Der Wärmestrom Q v definiert als un ¬ abhängige Variable die gestellte Beheizungs- oder Kühlaufga ¬ be. Die Kennlinie 15" zeigt, welcher Durchfluss des Service- mediums S dafür bei einem bestimmten Wärmetauscher erforderlich ist. Um einen bestimmten (bei Kühlaufgaben negativen) Wärmestrom aufzubringen, wird ein bestimmter Durchfluss F s des Servicemediums S benötigt. Verschlechtert sich der Wärme ¬ übergang im Wärmetauscher 3, wird durch die Kaskadenreglung zur Aufrechterhaltung des Wärmestroms Qp der Durchfluss FQ des Servicemediums S erhöht. Zum Vergleich ist eine Kennlinie 18" gezeigt, die man bei verschmutztem Wärmetauscher 3 erhalten würde . Die F s - gp-Kennlinie 15" lässt sich wegen der unbekannten Ar ¬ beitspunktabhängigkeit von der Austrittstemperatur T SiAus des Servicemediums S nicht in mathematisch geschlossener Form darstellen und muss daher gelernt werden. Auch hier kann in einem ersten Schritt kann ein Polynom dritter Ordnung ange- setzt werden. Es ist lediglich bekannt, dass die Kennlinie 15" durch den Ursprung verläuft iQv = 0 <=> F s = 0), sowie dass ein linearer Term enthalten ist, bei dem der Durchfluss F s des Servicemediums S proportional zu dem Wärmestrom Q v ist :

F s = f ( ß p ) = a - ß p + b- ß 2 P + ο·ρ 3 Ρ .

Die Koeffizienten a, b, c des Polynoms der Kennlinie 14 las ¬ sen sich mit Lerndaten (Messwerten) durch Minimierung der Fehlerquadratsumme schätzen. Eine Alternative zu dem Polynom stellt eine Interpolation zwischen Stützstellen aus Messwerten dar.

Bei sauberem Wärmetauscher 3 und bei einem Durchflusswert F sl des Servicemediums S fließt ein Wärmestrom Qvi, wobei das Wertepaar (Qpi r F sl ) den Arbeitspunkt des Wärmetauschers 3 bezeichnet. Bei zunehmender Verschmutzung des Wärmetauschers 3 und unveränderter Eintrittstemperatur T PiEin des Produktmediums P bewirkt die in Fig. 1 gezeigte Regelung durch Erhöh- ung des Durchflusses F s des Servicemediums S auf einen Wert F s2 , dass die Austrittstemperatur T SiAus des Produktmediums P und damit der Wärmestrom Q P1 konstant bleiben. Daraus resul ¬ tiert ein neuer Arbeitspunkt mit dem Wertepaar (Qpir F s2 ) dessen Abstand zu der Kennlinie 15" ein Maß für die Abwei ¬ chung des aktuellen Zustands des Wärmetauschers 3 von dem Re ¬ ferenzzustand und damit für die Verschmutzung des Wärmetau ¬ schers 3 ist.

Dies gilt, wie bereits erwähnt, für den Fall, dass die Pro ¬ dukttemperaturen T PiEiri und Tp iAus nur wenig variieren. Bei einer deutlichen Änderung der Produkttemperaturen T PiEin und Tp,Aus wird der Wärmetauscher 3 in einem anderen Arbeitspunkt betrieben, der ebenfalls außerhalb der Kennlinie 15" liegen kann, was aber nicht auf einer Verschmutzung des Wärmetauschers 3 beruht und davon nicht unterscheidbar ist.