WO2019001683A1 - Verfahren und einrichtung zur überwachung eines wärmetauschers - Google Patents

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WO2019001683A1
WO2019001683A1 PCT/EP2017/065722 EP2017065722W WO2019001683A1 WO 2019001683 A1 WO2019001683 A1 WO 2019001683A1 EP 2017065722 W EP2017065722 W EP 2017065722W WO 2019001683 A1 WO2019001683 A1 WO 2019001683A1
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WO
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heat exchanger
medium
flow
variable
service
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PCT/EP2017/065722
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Labisch
Bernd-Markus Pfeiffer
Douglas Weber
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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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
    • F28G15/003—Control arrangements
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02—Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0218—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults
    • G05B23/0224—Process history based detection method, e.g. whereby history implies the availability of large amounts of data
    • G05B23/024—Quantitative history assessment, e.g. mathematical relationships between available data; Functions therefor; Principal component analysis [PCA]; Partial least square [PLS]; Statistical classifiers, e.g. Bayesian networks, linear regression or correlation analysis; Neural networks
    • 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 for monitoring a heat exchanger.
  • Heat exchangers are used to heat or cool a product medium.
  • the product medium together with a heating or cooling medium, the so-called service medium, passed through the heat exchanger, wherein the two media flowed through a wall separately past each other while the heat of the warmer medium is given to the colder medium from ⁇ .
  • a central problem with heat exchangers is fouling, in which deposits or deposits form on the inner walls of the heat exchanger.
  • the reasons for the formation of such deposits may be physical, chemical, or biological. They can be many cases, z. B. due to the given product-side conditions, not prevent.
  • the coverings inhibit the heat transfer between the service and product medium and thereby reduce the efficiency of the heat exchanger. They can also cause the flow resistance of the heat exchanger to increase. If a certain degree of contamination is reached, a chemical or mechanical cleaning or possibly so ⁇ even the replacement of the heat exchanger is necessary. From the outside it is very difficult to determine how strong the pollution inside the heat exchanger, so that it is not possible to clean or replace the heat exchanger as needed.
  • heat exchangers affected by pollution are cleaned or replaced at regular intervals, ie without knowledge of the actual state of soiling.
  • the maintenance intervals can not be adjusted depending on different degrees of contamination. the.
  • the cleaning or replacement of the heat exchanger for example, take place too early, although until then only minor deposits are present.
  • p P is the density of the product medium
  • T PiEiri the temperature of the product medium when entering the
  • T is the temperature of the service medium when entering the
  • Heat exchangers are.
  • the respective reference heat flow) ⁇ ⁇ is determined as a function of the current operating point of the heat exchanger from a previously prepared for different operating points and from ⁇ stored map, the operating point of the heat exchanger through the flow rates F P , F s both media and their temperatures T PiEin , T SiEin is determined when entering the heat exchanger.
  • the map is therefore 5-dimensional (Q
  • R ef f (F P , F s , T PfEin , T SfIn )).
  • the maps can be precalculated using a procedural simulation program at several hundred nodes, where necessary, to increase the accuracy for Feinab ⁇ tuning parameters of the simulation program at some few working points in the clean state of the heat exchanger measurements can be made.
  • the maps could only be calculated if a configuration of the heat exchanger was present in a corresponding simulation software. At This is often not the case with standing heat exchangers, or the design of the heat exchanger has been carried out elsewhere, and the simulation software is no longer available. In addition, appropriate know-how for the operation of the specific simulation program is necessary for the simulation.
  • the invention thus relates to a method for monitoring a heat exchanger, which is flowed through by a product medium and a service medium which heats or cools it, wherein
  • inlet temperature Tempe ⁇ represent his into the heat exchanger and its outlet temperature from the heat exchanger process variables of the product medium, of which at least one is variable
  • the flow rate of the service medium inlet temperature Tempe ⁇ represent his into the heat exchanger and its outlet temperature from the heat exchanger process variables of the service medium, of which the inlet temperature is fixed and the other process variables are variable,
  • the at least one variable process variable of the product medium and the flow of the service medium are measured
  • a map for the interdependence of the at least one variable process variable of the product medium and the flow of the service medium is determined from the measured values obtained in a reference state of the heat exchanger and stored in a memory;
  • a distance of the measured value tuple formed by them from the characteristic field is determined as a measure of a deviation of the current state of the heat exchanger from the reference state.
  • the invention further relates to a device which is designed to monitor a heat exchanger, which is traversed by egg ⁇ nem product medium and a heating or cooling this service medium, wherein
  • the flow rate of the service medium inlet temperature Tempe ⁇ represent his into the heat exchanger and its outlet temperature from the heat exchanger process variables of the service medium, of which the inlet temperature is fixed and the other process variables are variable,
  • a distance of the measured value tuple formed by them from the characteristic field is determined as a measure of a deviation of the current state of the heat exchanger from the reference state.
  • a decisive advantage of the method according to the invention is that no measurement of the inlet or outlet temperature of the service medium is required. This is advantageously taken into account the fact that in most cases a necessary instrumentation in heat exchangers is not available.
  • the fact is further exploited that in heat exchangers in industrial use, the temperature of the service medium is set when entering the heat exchanger and is largely constant.
  • a heating medium often steam from centralized and regulated Schutampfmakerssungen ver used, which is typically saturated steam whose temperature is determined by the pressure prevailing in the boiler (eg 212 ° C at 20 bar). The same applies to cooling water from a central re-cooling plant in a plant.
  • the map may be in the reference state (OK status) of the heat exchanger ⁇ from measurements of the variable process parameters of the product medium, its flow and its inlet and outlet temperature and the flow of the medium Ser- vice be learned in the general case.
  • Process variables which are defined on the basis of given product-side boundary conditions and can therefore be assumed as unchangeable do not need to be measured and taken into account for the characteristic curve, which reduces the number of input dimensions of the characteristic field.
  • the product-side heat flow can be determined from the process variables of the product medium and used as the only input dimension for the characteristic map, which is then reduced to a simple characteristic curve. This represents at ⁇ play, a significant advantage over the known from EP 2128551 AI methods used high-dimensional maps represent, especially require no simulation is sary and the characteristic curve using normal histori ⁇ rule operating data from the real system learns can be .
  • FIG. 1 is a schematic representation of a heat exchanger with a monitoring him part of a process control
  • Fig. 2 shows two F s -F P characteristics at two different
  • Fig. 3 shows two F s - g p characteristics at two different
  • Pollution levels of the heat exchanger. 1 shows a small section of a process plant 1 with a product line 2, through which a product medium P flows and in the course of which a heat exchanger 3 is arranged.
  • the flow F P of the product medium P and its temperature T PiEin are measured before entry into the heat exchanger 3 by means of a flow meter 4 and a temperature meter 5 .
  • a arranged behind the heat exchanger 3 further temperature meter 6 measures the temperature T PiAus emerging from the heat exchanger 3 product medium P.
  • the product medium P is heated by means of a service medium S or cooled which is supplied to the heat ⁇ exchanger 3 of a heating or cooling medium supply 7 and has a largely constant temperature. So z. B.
  • the flow of the service medium S is controlled by means of a cascade control having a temperature controller 8 as a master controller and a flow controller 9 as a slave controller.
  • the temperature controller 8 receives, from a portion 10 of the process control a target value T * p Ioff for the temperature of the product medium P at the outlet from the heat exchanger 3 and as a control variable from the measured inlet temperature Tp ⁇ IAUs.
  • the flow controller 9 controls the flow of the service medium S via a controllable valve 11 and receives from the temperature controller 8 the corresponding flow rate setpoint and from a flow meter 12 the flow rate actual value F s .
  • the flow measurement value F P and the temperature measuring values T PiEin, T PiAus of Pro ⁇ duktmediums P and the measured flow value F s of the transmitted service Medi ⁇ killed S to the process control part 10th If individual ⁇ ne process variables of the product medium P, for example, its inlet temperature T PiEin , are determined on the basis of given product-side framework conditions and therefore can be assumed to be immutable, they need not be measured.
  • the flow rate F s of the service medium S is increased by the cascade control and is thus an indicator of the increased pollution.
  • the heat exchanger 3 in a reference state preferably to the new state of the heat exchanger 3, or according to whether ⁇ ner cleaning, is located, is calculated from the measured values of the variable process parameters of the product medium P and the flow rate F s of the service medium S, a map 13 for the interdependence of these variable process variables of the product medium P and the flow rate F s of the service medium S determined and stored in a memory 14.
  • the variable process variables of the product medium P are their flow Fp, the inlet temperature and the exit temperature T Piout .
  • the acquired measurements then each form 4-tuples or quads (F P , T pfin , T Piout , F s ), and the map 13 is four-dimensional. As indicated in Fig. 1, the map 13 z. B. in the form of several characteristic curves 15 are stored.
  • Tpi fine, T PliAus, F sl is an element of the characteristic diagram 13 and designated ⁇ net's current operating point of the heat exchanger 3.
  • the flow rate F must s of the service medium S to a value F advertising increased s2 the if the values F P1 , T PliEin , T PliOff the process variables F P , P fE in, T PiAus the product medium P should remain unchanged. This can be z. B. done by the cascade control shown in Fig. 1.
  • the resulting 4-tuple (F P1 , T PliEin , T PliAus , F s2 ) denotes a new operating point, which is no longer an element of the characteristic map 13.
  • the distance of the new operating point (F P1 , T PliEin , T PliAus , F s2 ) or (F P1 , ⁇ , ⁇ / Tp2, Off / F sl ) of the map 13 is a measure of the deviation ⁇ chung the current polluted state of the heat exchanger 3 from the reference state.
  • This deviation 16 is determined by an evaluation device 17 and output as information about the degree of contamination of the heat exchanger 3 to z. B. to allow an individual and demand-based planning of maintenance ⁇ tasks.
  • the heat exchanger 3 can now nigt gerei- or replaced when a certain degree of pollution is ⁇ achieved.
  • a threshold, early maintenance of the juicetau ⁇ shear 3 can be scheduled. By combining several maintenance tasks, for example, the downtime of the system 1 can be reduced. In addition, the efficient and correct operation of the heat exchanger 3 is ensured at gleichzeiti ⁇ ger avoiding unnecessary costs through a premature maintenance.
  • Fig. 2 shows by way of example and in schematic representation, a section through the detected in the reference state of the heat exchanger 3 characteristic field 13 for set temperature values T PliEin and T PliAus of the product medium, so that a characteristic curve 15 it is' ⁇ , the mutual dependence of the flow rates F s and F P on the service and product page.
  • Flow values F P1 and F sl designate a specific operating point (Fpi, F S i) of the clean heat exchanger 3.
  • Fpi, F S i a specific operating point of the clean heat exchanger 3.
  • Ver ⁇ contamination of the heat exchanger 3 and the natural flow Fpi of the product medium P is due to the cascade control, a higher flow rate F s2 for the service medium S.
  • a characteristic 18 ' is given, which would be obtained at this degree of soiling of the heat exchanger 3.
  • the inlet temperature T PiEin or the flow rate F P of the product medium P set, these non-variable process variable need be measured and not be taken into ⁇ in the map. 13
  • the acquired measured values then each form a respective measured value pair (F P , F s ) or (T PfEin , F s )
  • From the single variable process variable F P or Tp E ⁇ n of the product medium P and the flow rate F s of the service medium S and the map 13 is then reduced to a two-dimensional ⁇ len characteristic curve 18, such as z. B. in Fig. 2 is shown.
  • a characteristic curve 15 "for the gegensei ⁇ term dependence of the heat flow Q P or to propor- tional value and the flow rate F s is now the service medium S determined in the reference state of the heat exchanger.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of an example of the F s -. ".
  • the heat flow Q v is defined as un ⁇ dependent variable the stated heating ordeaufga ⁇ be the characteristic curve 15"
  • gp-characteristic curve 15 shows that flow rate of the service mediums S is required for a particular heat exchanger. In order to apply a specific (for cooling tasks negative) heat flow, a certain flow rate F s of the service medium S is required.
  • the coefficients a, b, c of the polynomial of the curve 14 las ⁇ sen be estimated by learning data (measured values) by minimizing the sum of squared errors.
  • An alternative to the polynomial is an interpolation between reference points from measured values.

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Abstract

Ein Wärmetauscher (3), wird von einem Produktmedium (P) und einem Servicemedium (S) durchströmt. Die Durchflüsse (FP,FS), Eintrittstemperaturen (TP,Ein, TS,Ein) und Austrittstemperaturen (TP,Aus, TS,Aus) beider Medien (P, S) stellen Prozessgrößen dar, von denen produktseitig mindestens eine Prozessgröße variabel ist und serviceseitig die Eintrittstemperatur (TS,Ein) festgelegt ist und die übrigen Prozessgrößen (FS ,TS,Aus) variabel sind. Zur Überwachung des Wärmetauschers ohne Temperaturmessung auf der Serviceseite ist vorgesehen, * die variable(n) Prozessgröße(n) des Produktmediums und den Durchfluss (FS) des Servicemediums zu messen, * aus den dabei in einem Referenzzustand des Wärmetauschers erhaltenen Messwerten ein Kennfeld (13) für die gegenseitige Abhängigkeit der variablen Prozessgröße(n) des Produktmediums und des Durchflusses (FS) des Servicemediums zu ermitteln und abzuspeichern und * für die in einem aktuellen unbekannten Zustand des Wärmetauschers erhaltenen Messwerte einen Abstand des von ihnen gebildeten Messwert-Tupels von dem Kennfeld (13) als Maß (16) für eine Abweichung des aktuellen Zustands des Wärmetauschers von dem Referenzzustand zu ermitteln.

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 Qs des Servicemediums erfasst und mit mindestens einem Referenz-Wärmestrom Q ef 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 ßp PP * Fp · (TpiAus TpiEin) oder Qs = Cp,s-Ps-FS- (TS,AUS - TS,EIN) , wobei cPip die Wärmekapazität des Produktmediums,
cP,s die Wärmekapazität des Servicemediums,
pP die Dichte des Produktmediums,
ps die Dichte des Servicemediums,
FP der Durchfluss des Produktmediums durch den Wärmetau¬ scher,
Fs der Durchfluss des Servicemediums durch den Wärmetau¬ scher,
TPiEiri die Temperatur des Produktmediums bei Eintritt in den
Wärmetauscher,
TpiAus die Temperatur des Produktmediums bei Austritt aus dem
Wärmetauscher,
TSiEin 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 )κβΐ 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 FP, Fs beider Medien und ihre Temperaturen TPiEin, TSiEin bei Eingang in den Wärmetauscher bestimmt ist. Das Kennfeld ist daher 5-dimensional (Q
Ref = f (FP, Fs, TPfEin, TSfEin) ) . 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 ΔΤΜ 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 FP, Fs des Produkt- und Servicemediums und ihren Temperaturen TPiEin, TSiEin 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 Fs-FP-Kennlinien bei zwei unterschiedlichen
Verschmutzungsgraden des Wärmetauschers und
Fig. 3 zwei Fs- 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 FP des Produktmediums P und seine Temperatur TPiEin vor Eintritt in den Wärmetauscher 3 gemessen. Ein hinter dem Wärmetauscher 3 angeordneter weiterer Temperaturmesser 6 misst die Temperatur TPiAus 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*piAus für die Temperatur des Produktmediums P bei Austritt aus dem Wärmetauscher 3 und als Regelgröße die gemessene Aus¬ trittstemperatur TpiAus. 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 Fs .
Zur Überwachung des Wärmetauschers 3 werden der Durchfluss- Messwert FP und die Temperatur-Messwerte TPiEin, TPiAus des Pro¬ duktmediums P und der Durchfluss-Messwert Fs des Servicemedi¬ ums S an den Prozessteuerungsteil 10 übertragen. Wenn einzel¬ ne Prozessgrößen des Produktmediums P, beispielsweise seine Eintrittstemperatur TPiEin, 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 Qv und Qs: P ~~
Figure imgf000012_0001
(TpiAus TPiEin) und s = Cp,s-Ps-Fs- (Ts,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 (QP = Qs = 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 TPiEiri bzw. TSiEin 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(FP, TpiEin, TpiAus, Fs, TSiEin, TSiAus, T) .
Auf der Serviceseite ist nur der Durchfluss Fs des Serviceme¬ diums S aufgrund der Durchflussmessung für die Kaskadenrege¬ lung bekannt. Für die Ein- und Austrittstemperaturen TSiEin und TSiAus des Servicemediums S sind dagegen keine Messwerte verfügbar, weil entsprechende Sensoren nicht vorhanden sind. Die Eintrittstemperatur TSiEin 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 TSiAus 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 TSiEin. Um den gleichen Wärmestrom Q beizubehalten, wird der Durchfluss Fs 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 Fs des Servicemediums S ein Kennfeld 13 für die gegenseitige Abhängigkeit dieser variablen Prozessgrößen des Produktmediums P und des Durchflusses Fs 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
Figure imgf000013_0001
und die Austrittstemperatur TPiAus. Die erfassten Messwerte bilden dann jeweils 4-Tupel oder Quadrupel (FP, TPfEin, TPiAus, Fs) , 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 FP, TPfEin, TPiAus des Pro¬ duktmediums P und der Durchflusses Fs des Servicemediums S die Werte FP1, TPliEin, TPliAus, Fsl haben. Das 4-Tupel (FP1,
TpifEin, TPliAus, Fsl) ist Element des Kennfeldes 13 und bezeich¬ net den momentanen Arbeitspunkt des Wärmetauschers 3. Bei zu¬ nehmender Verschmutzung des Wärmetauschers 3 muss der Durchfluss Fs des Servicemediums S auf einen Wert Fs2 erhöht wer- den, wenn die Werte FP1, TPliEin, TPliAus der Prozessgrößen FP, PfEin, TPiAus des Produktmediums P unverändert bleiben sollen. Dies kann z. B. durch die in Fig. 1 gezeigte Kaskadenregelung erfolgen. Das dabei erhaltene 4-Tupel (FP1, TPliEin, TPliAus, Fs2) bezeichnet einen neuen Arbeitspunkt, der aber nicht mehr Ele- ment des Kennfeldes 13 ist.
Bei nichtvorhandener Regelung und bleibt dagegen der Durchfluss Fs des Servicemediums S unverändert auf dem Wert Fsl, so dass sich bei unverändertem Durchfluss FP1 und unveränderter Eintrittstemperatur TPliEin des Produktmediums P dessen Austrittstemperatur von dem Wert TPliAus auf TP2,Aus ändert. Das da¬ bei erhaltene 4-Tupel (FP1, TPliEin, ΤΡ2,Αι18, Fsl) bezeichnet ebenfalls einen neuen Arbeitspunkt, der nicht Element des Kennfeldes 13 ist. In beiden exemplarisch beschriebenen Fällen ist der Abstand des neuen Arbeitspunkts (FP1, TPliEin, TPliAus, Fs2) bzw. (FP1, Τρι,Είη/ Tp2,Aus/ Fsl ) 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 TPliEin und TPliAus des Produktmediums, so dass sich eine Kennlinie 15' er¬ gibt, die die gegenseitige Abhängigkeit der Durchflüsse Fs und FP auf der Service- und Produktseite wiedergibt. Die
Durchflusswerte FP1 und Fsl bezeichnen einen bestimmten Arbeitspunkt ( Fpi , FSi ) 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 Fs2 für das Servicemedium S. Der neue Arbeitspunkt (FP1, Fs2) 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(FP, TPfEin, TpiAus, Fs, TSfEin, TSiAus, für das Kennfeld 13 bekannt ist, kann z. B. in einem ersten Schritt ein Polynom dritter Ordnung in der Abhängigkeit von FP sowie eine quadratische Abhängigkeit von TPiEin und TPiAus 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 TPiAus 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 (FP, TPiEin, Fs) und das Kennfeld 13 eine dreidimensionale (nicht ebene) Fläche. Wenn zwei oder eine höhere Anzahl unterschiedlicher Sollwerte T*PliAus, T*p2,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 TPiEin oder der Durchfluss FP 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 (FP, Fs) bzw. (TPfEin, Fs) aus der einzigen variablen Prozessgröße FP bzw. Tp E^n des Pro— duktmediums P und dem Durchfluss Fs 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 TPiAus des Produktmediums P mittels Kaskadenregelung über den Durchfluss Fs des Servicemediums S auf einen festgelegten Sollwert T*PiAus geregelt wird und die Eintrittstemperatur TPiEin 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 FP und den beiden Temperaturen TPiEin und TPiAus den aktuellen
Wärmestrom Qv des Produktmediums P oder einen dazu proporti¬ onalen Wert berechnet:
Qv =
Figure imgf000016_0001
(TpiAus - piEin)
Wenn die Eintrittstemperatur TPiEin und/oder der Durchfluss FP des Produktmediums P beispielsweise aufgrund der gegebenen produktseitigen Rahmenbedingungen konstant sind, brauchen sie nicht gemessen zu werden. Falls die Wärmekapazität cPiP und Dichte pP des Produktmediums P nicht bekannt sind, kann er¬ satzweise eine zu dem Wärmestrom QP proportionale Größe QP berechnet werden:
Qp = C * Fp * (TpiAus - piEin) , wobei c eine beliebige Konstante ist.
Als Kennfeld 13 wird nun eine Kennlinie 15" für die gegensei¬ tige Abhängigkeit des Wärmestroms QP oder des dazu proporti- onalen Werts und des Durchflusses Fs des Servicemediums S in dem Referenzzustand des Wärmetauschers 3 ermittelt. Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für die Fs- gp-Kennlinie 15". Der Wärmestrom Qv 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 Fs 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 Fs- gp-Kennlinie 15" lässt sich wegen der unbekannten Ar¬ beitspunktabhängigkeit von der Austrittstemperatur TSiAus 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 <=> Fs = 0), sowie dass ein linearer Term enthalten ist, bei dem der Durchfluss Fs des Servicemediums S proportional zu dem Wärmestrom Qv ist :
Fs = f ( ß p ) = a - ß p + b- ß 2 P + ο·ρ3 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 Fsl des Servicemediums S fließt ein Wärmestrom Qvi, wobei das Wertepaar (Qpir Fsl) den Arbeitspunkt des Wärmetauschers 3 bezeichnet. Bei zunehmender Verschmutzung des Wärmetauschers 3 und unveränderter Eintrittstemperatur TPiEin des Produktmediums P bewirkt die in Fig. 1 gezeigte Regelung durch Erhöh- ung des Durchflusses Fs des Servicemediums S auf einen Wert Fs2, dass die Austrittstemperatur TSiAus des Produktmediums P und damit der Wärmestrom QP1 konstant bleiben. Daraus resul¬ tiert ein neuer Arbeitspunkt mit dem Wertepaar (Qpir Fs2) 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 TPiEiri und TpiAus nur wenig variieren. Bei einer deutlichen Änderung der Produkttemperaturen TPiEin 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.

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.
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