Zustandsabhängige Reinigung von Plattenwärmeübertragern an kritischen Punkten industrieller Prozesse mit einer einzigartigen Monitoringmethode

(IINews) - Glinde / Hamburg, 27. März 2013 - In vielen Petrochemischen Werken, Raffinerien und anderen Industrien werden Plattenwärmeübertrager an den kritischen Stellen der Prozesse eingesetzt. Die gesamte Produktionsmenge eines solchen Werkes kann von der optimalen Funktion und Leistung der Plattenwärmeübertrager abhängen. Deshalb ist es außerordentlich wichtig, korrekte und vorausschauende Entscheidungen zur Reinigung und Instandhaltung zu treffen, und die Aktionen so zu planen, dass Produktionsverluste und hohe Kosten für ungeplante Stillstände vermieden werden können.

Aus diesem Grund wurde das zustandsabhängige Reinigungskonzept für Plattenwärmeübertrager von Alfa Laval ( http://www.alfalaval.de ) schon vor Jahren entwickelt und weltweit erfolgreich eingeführt. Es basiert auf einer mobilen Messeinrichtung für Temperaturen und Volumenströme im Zusammenspiel mit einer individuell auf Plattenwärmeübertrager zugeschnittenen Auswertungs-Software.


Ziel und Nutzen des Systems

Plattenwärmeübertrager ( http://local.alfalaval.com/de-de/products-and-solutions/heat-transfer/plate-heat-exchangers/Pages/default.aspx ) sind hoch effizient, kompakt und wettbewerbsfähig im Vergleich mit den meisten anderen Bauarten von Wärmeübertragern. Ihre Anzahl in industriellen Prozessen wächst kontinuierlich. Plattenwärmeübertrager werden heutzutage in fast allen Industriezweigen erfolgreich eingesetzt, nicht zuletzt, weil sich ihr Design und auch die verwendeten Materialien ständig verbessern.

Die erfolgreiche Anwendung von Plattenwärmeübertragern in Prozessen, in denen die Verschmutzung (Fouling) der Wärmeübertragerflächen eine wesentliche Rolle spielt, hat sich ebenso etabliert. Der Grund hierfür ist denkbar einfach: Die hochturbulente Strömungscharakteristik in den Plattenkanälen beugt Sedimentation weitestgehend vor und kann auch andere Foulingarten verlangsamen. Trotzdem müssen auch Plattenwärmeübertrager von Zeit zu Zeit gereinigt oder instand gehalten werden, um sie wieder zuverlässig auf dem ursprünglichen Leistungsniveau betreiben zu können.

Gedichtete Plattenwärmeübertrager bestehen aus kaltumgeformten Metallplatten (beispielsweise Edelstahl, Titan, Nickelbasislegierungen, Tantal) und können leicht geöffnet werden, da die Metallplatten intern und extern mit Elastomerdichtungen versehen sind - sowohl untereinander als auch nach außen. Um Zugang zu den Wärmeübertragungsflächen zu bekommen und die Platten einzeln mit Wasserhochdruckstrahlern oder anderen geeigneten Mitteln zu reinigen, muss daher das Gestell, das die Platten zusammenhält, aufgeschraubt werden.

Dies wirft jedoch die Frage auf, ob das ständige Öffnen und Schließen der Plattenwärmeübertrager als optimale Reinigungsmethode angesehen werden kann. Die Antwort hierauf fällt alles andere als positiv aus, da ständiges Öffnen und Schließen kostspieligen Verschleiß - bei unsachgemäßem Vorgehen sogar direkte Schäden - hervorrufen kann.
Die Vermeidung vom unnötigen und ständigen Öffnen und Schließen erhöht die Lebensdauer der Apparate sogar signifikant und sorgt damit dafür, dass Instandhaltungs- und Investitionskosten gespart werden.

Die deutlich bessere Methode, um Plattenwärmeübertrager direkt vor Ort zu reinigen, ist in den meisten Fällen die chemische Reinigung vor Ort (CIP = Cleaning In Place) mit geeigneten und vom Hersteller des Plattenwärmeübertragers gelieferten oder zugelassenen Chemikalienkompositionen. Dabei werden die Apparate im zusammengebauten Zustand mit unterschiedlichen Gemischen verschiedener Reinigungslösungen gereinigt, neutralisiert und teilweise auch passiviert.

Die Festlegung der Art der Reinigungschemikalien für den individuellen Bedarfsfall basiert entweder auf Erfahrungswerten für die jeweilige Anwendung oder wird durch Versuch ermittelt. Um mit dieser Methode erfolgreich zu sein, muss zunächst der passende Zeitpunkt für die CIP-Reinigung ermittelt werden. Wird die CIP Reinigung zu früh durchgeführt wird, entstehen unnötige Kosten für erhöhten Chemikalien- und Arbeitsaufwand. Wird die chemische CIP-Reinigung jedoch zu spät durchgeführt, dann können einzelne oder alle Kanäle des Plattenwärmeübertragers schon teilweise oder vollständig verstopft oder blockiert sein und sind somit für die Reinigungschemikalien nicht mehr erreichbar. Als Folge wäre der Erfolg der chemischen CIP Reinigung sehr begrenzt und der Plattenwärmeübertrager könnte mit dieser Methode nicht mehr auf das ursprüngliche Leistungsniveau von 100 Prozent gebracht werden.

Die Planung der Termine und der Art der Reinigung sowie die der dazugehörigen Instandhaltungsprozesse, wie etwa für die Rekonditionierung (Erneuerung der Plattendichtungen nach Ablauf ihrer Lebensdauer), beruhten in der Vergangenheit oft auf persönliche Erfahrungen und Annahmen. Deshalb ist diese Methode in den meisten Fällen nicht hundertprozentig zuverlässig, wodurch finanzielle Verluste oder Mehraufwendungen verursacht werden.

Ziel sollte daher sein, die Reinigung von Plattenwärmeübertragern exakt zustandsabhängig durchzuführen, um das unnötigem Öffnen der Apparate zu vermeiden. Möglich ist dies mit Hilfe des vom Alfa Laval Service ( http://local.alfalaval.com/de-de/service-and-support/pages/default.aspx ) speziell entwickelten AlfaCheck® Performance Monitoring.


Wie funktioniert AlfaCheck® und was ist das Besondere an dieser Methode?

Das Konzept von AlfaCheck® ist für die regelmäßige Anwendung ausgelegt, nicht für unregelmäßige Messungen und Auswertungen, die "je nach Lust und Laune" durchgeführt werden. Das zustandsabhängige Reinigungskonzept AlfaCheck® ist daher auch als reine "Feuerwehrmaßnahme" unbrauchbar. Die AlfaCheck® Messungen werden während des Betriebes der Plattenwärmeübertrager von einem dafür speziell ausgebildeten Servicetechniker durchgeführt, die anschließende Messdatenauswertung inklusive einer Plausibilitätsprüfung wird hingegen von einem ausgebildeten Serviceingenieur vorgenommen.

Während des Monitorings, bei dem auch kurze Wartezeiten zur Stabilisierung der Messwerte zu überbrücken sind, wird gleichzeitig eine intensive externe Inspektion der Plattenwärmeübertrager und dazugehöriger Komponenten vorgenommen. Die Ergebnisse dieser Inspektion fließen automatisch in den Monitoring Report mit ein.

Im mittleren Osten, insbesondere in der Golfregion, gibt es fast keine größere industrielle Anlage mit exothermen Prozessen ohne Seewasserkühlung mit Plattenwärmeübertragern.
Auch offene Kühltürme können aus wirtschaftlichen Gründen nur mit Seewasser betrieben werden, was zwangsläufig ebenso wie bei der direkten Kühlung den Einsatz von Plattenwärmeübertragern erfordert. Diese Installationen können in einigen Fällen bis zu 100 große Plattenwärmeübertrager an einem einzigen Standort für ein einziges Petrochemisches Werk enthalten, um das aggressive Seewasser vom geschlossenen Kreislaufkühlwasser mit Hilfe von Titanplatten zu trennen. Einer dieser Plattenwärmeübertrager kann bis zu 800 Titanplatten mit jeweils bis zu 4 Quadratmetern Übertragerfläche enthalten.

Betreiber von Wärmeübertragern vermuten häufig, dass die an eine gemeinsame Verteilerleitung angeschlossen Apparate mit gleichem Tempo verschmutzen. Mit tausenden von AlfaCheck® - Messungen hat Alfa Laval jedoch herausgefunden, dass dies fast nie der Fall ist. Deshalb sollte die Leistung eines jeden Plattenwärmeübertragers regelmäßig und individuell überprüft werden.

Es gibt mehrere Ursachen, warum Plattenwärmübertrager gleicher Bauart und Größe, die an eine gemeinsame Verteilung angeschlossen sind, mit unterschiedlichen Tempo Leistungseinbußen erleiden. Zufallsbedingte Verteilung von verstopfenden Partikeln oder Seegras, nicht vollständig geöffnete Ventile oder Klappen, schlecht gewartete Seewasserfilter, kleine Variationen der Rohrführung, unterschiedliche Temperaturverläufe oder unterschiedlich lange Betriebszyklen einiger Plattenwärmeübertrager kommen als einige der vielen möglichen Ursachen in Frage. All dies kann unterschiedliche Arten und unterschiedliches Tempo von Fouling in den Apparaten hervorrufen. All diese Fakten verlangen nach einem regelmäßigen und so präzise wie möglich funktionierenden Leistungsmonitoring des Wärmeübertragers.

AlfaCheck® ist vorgesehen als Wärmeübertragungs-, Volumenstrom- und Leistungsmonitoringservice, der unabhängig vom Lastzustand vergleichbare Resultate für jeden individuellen Plattenwärmeübertrager liefert. Die wichtigste Information, um den nächst notwendigen und spätesten Zeitpunkt für eine CIP - Reinigung zu erhalten, wird im Performance Diagramm (Bild 1) gezeigt.
Dort wird das Wärmeübertragungsniveau in % angegeben, um die zu unterschiedlichen Zeitpunkten (meist mit einigen Monaten Abstand) gemonitorten Werte vergleichen zu können. Der jeweilige Prozentwert resultiert aus der Division der tatsächlichen Wärmeübertragerleistung durch seine optimale Leistung. Die tatsächliche Leistung wird aus den gemessenen Ein- und Ausgangstemperaturen und der Volumenströme berechnet.

Die optimale Leistung ist ebenfalls das Ergebnis einer sehr komplexen Berechnung durch die AlfaCheck® Software. Sie hat keinerlei Relation zur Auslegungsleistung des jeweiligen Plattenwärmeübertragers. Die optimale Leistung ist diejenige Leistung, die der Plattenwärmeübertrager haben würde, wenn er basierend auf den tatsächlich gemessenen Werten sauber (also ohne Fouling) wäre. Dieser Wert bezieht sich auf die tatsächliche Leistung. Die AlfaCheck® Software benötigt unter anderem folgende Eingabewerte: Plattentyp, Wandstärke, Werkstoff, Anzahl der Platten, Konfiguration der Platten und Anschlüsse, physikalische, thermische und hydraulische Eigenschaften der an der Wärmeübertragung beteiligten Medien.

Normalerweise sind beispielsweise an einem Seewasserkühler zwei bis drei AlfaCheck® Messungen pro Jahr angebracht, um die erwünschte Trendlinie in dem Diagram (Bild 1) zu erhalten, aus der dann der nächste Reinigungstermin errechnet wird. Für andere Anwendungen kann die Periode natürlich unterschiedlich sein.

Aber welche Kriterien werden benutzt, um den optimalen Reinigungszeitpunkt für den jeweiligen Plattenwärmeübertrager zu ermitteln? Die Antwort hierauf ist relativ einfach. Der Plattenwärmeübertrager sollte immer oberhalb eines vorher exakt definierten kritischen Leistungsniveaus betrieben werden. Dieses kritische Leistungsniveau wird für viele Standardanwendungen auf der Basis langjähriger Erfahrung festgelegt. Für einige Sonderanwendungen wurden und werden Tests vorgenommen, um das kritische Leistungsniveau festzulegen. In einigen Fällen kann es notwendig werden, die Temperaturverteilung innerhalb des Plattenpaketes zu studieren. In diesen Fällen hat Alfa Laval gute Erfahrungen mit Infrarot-Imaging gemacht. Die Anwendung von AlfaCheck® setzt 1-Phasen Strömung voraus.


Warum kann AlfaCheck® nicht durch Druckverlustmessungen ersetzt werden?

AlfaCheck® Ergebnisse und Druckverlustmessungen können sich gegenseitig ergänzen. Eine Druckverlustmessung alleine reicht aber nicht aus, weil nur AlfaCheck® eine genaue und sensible Ermittlung von Leistungseinbußen ermöglicht, während Druckverlustmessungen mit Betriebsinstrumenten nicht genau genug sind, um den notwendigen Reinigungszeitpunkt vorab zu bestimmen.

Die Kombination von AlfaCheck® und Druckverlustmonitoring kann jedoch helfen, Verstopfungen innerhalb des Einlasses in das Plattenpaket mit sehr hoher Genauigkeit nachzuweisen, ohne dass der Plattenwärmeübertrager geöffnet werden muss. Alfa Laval hat in der Vergangenheit einige interessante Fälle erlebt, bei denen einer der Eingangskanäle eines Plattenwärmeübertrager durch Partikel oder Folien verstopft war, während sich die Plattenkanäle völlig sauber zeigten. In diesen Fällen konnte eine Chemische Reinigung (CIP) (und damit auch das Öffnen des Plattenwärmeübertragers) vermieden werden, da ein einfaches Rückspulen genügte, um den Apparat wieder auf ursprüngliche Leistung zu bringen.


Wie unterstützt Alfa Laval die Industrie, um die Prozesse zu optimieren?

Das zustandsbezogene Reinigungskonzept für Plattenwärmeübertrager braucht Regelmäßigkeit, um erfolgreich angewendet werden zu können. Deshalb bietet Alfa Laval es denjenigen Kunden, von denen Alfa Laval glaubt, dass die Anwendung des Konzeptes für sie wirtschaftliche Vorteile verspricht. Nach gegenseitiger Übereinkunft über den Nutzen des Konzeptes wird in der Regel ein detailliertes Zustandsaudit der Plattenwärmeübertrager und der damit verbundenen Prozesse durchgeführt.

Dieses Audit beinhaltet natürlich AlfaCheck® Monitoring. Drauf basierend wird dann in vielen Fällen ein Servicevertrag ( http://local.alfalaval.com/de-de/service-and-support/servicevertraege/pages/default.aspx ) abgeschlossen, der allumfassend alle prozesstechnischen, Betriebs- und Instandhaltungsaspekte berücksichtigt. Nach jedem Monitoring erhält der Kunde einen aktualisierten AlfaCheck® Report für jeden einzelnen Plattenwärmeübertrager und eine Zusammenfassung der Ergebnisse und Empfehlungen. Die Serviceverträge sind so flexibel gestaltet, dass die Reinigung nur dann empfohlen und durchgeführt wird, wenn es auch tatsächlich notwendig ist. Die gesamte Philosophie dieser Verträge zielt auf Kosteneinsparung, Produktivitätssteigerung und Vermeidung von Produktionsverlusten für den Anwender ab.

Das zustandsbezogene Reinigungskonzept für Plattenwärmeübertrager wurde im Jahre 2006 im Mittleren Osten eingeführt, nachdem die erfolgreiche Anwendung auf dem europäischen Markt vor mehr als 10 Jahren begann. Seitdem wurden bei mehr als 25 Großkunden in den Branchen Petrochemie, Öl und Gas sowie der Stahlindustrie, zu denen unter anderem Unternehmen aus Saudi Arabian, VAR und Katar zählen, tausende von Monitoringservices an mehr als 400 Plattenwärmeübertragern durchgeführt. Einer der Hauptanwender in Saudi Arabien ist beispielsweise die Firma SABIC mit ihren 19 saudischen Tochtergesellschaften.


JUPC UNITED in Saudi Arabien: Ein Fallbeispiel

Alfa Laval hat 2006 begonnen, bei der SABIC Tochtergesellschaft JUPC UNITED in Saudi Arabien das zustandsbezogene Reinigungskonzept sporadisch anzuwenden, weil die installierten Seewasser-Plattenwärmeübertrager insbesondere während der heißen Sommermonate nicht den Anforderungen entsprechend arbeiteten und relativ oft und unnötig geöffnet wurden. Dies verursachte zusätzliche Kosten und Produktionsverluste. Ende 2007 entschloss sich der Betreiber, das zustandsbezogene Reinigungskonzept von Alfa Laval für seine 39 Plattenwärmeübertrager einzuführen.

Bis heute werden diese Plattenwärmeübertrager regelmäßig und erfolgreich mit AlfaCheck® überwacht. Ursprünglich wurden alle Plattenwärmeübertrager jährlich bis zu drei Mal mit AlfaCheck® überprüft. Nach einer Lernphase von 2-3 Jahren konnte die Monitoring Rate auf bis zu zwei Mal pro Jahr für jeden Plattenwärmeübertrager heruntergefahren werden. Alfa Laval hat inzwischen auch gelernt, dass einhergehend mit einer Verbesserung der Seewasseraufbereitung nach einem Jahr Betrieb alle Plattenwärmeübertrager immer noch im grünen oder gelben Bereich sind. Deshalb hat Alfa Laval gemeinsam mit dem Kunden entschieden, im Regelfall nur noch ein Monitoring pro Apparat pro Jahr durchzuführen. Die Ergebnisse der CIP Reinigung werden dann nach dem Zufallsprinzip an einzelnen Plattenwärmeübertragern überprüft.

In den Jahren vor Einführung des Konzeptes wurden fast alle der 30 Apparate jährlich geöffnet und jede der rund 19.000 Platten dieser Installation individuell mit Wasserstrahl gereinigt. Bereits ein Jahr nach Einführung der zustandsbezogenen Reinigung konnte die Anzahl der zu öffnenden Apparate auf 9 reduziert werden. Nur 14 Apparate mussten chemisch, also ohne Öffnen, gereinigt werden, und die restlichen konnten ohne Reinigung weiter betrieben werden. Wieder ein Jahr später mussten von allen Apparaten nur insgesamt 8 einer CIP-Reinigung unterzogen werden. Die übrigen Apparate konnten ohne Reinigung weiter betrieben werden. Die nachgewiesenen Kosteneinsparungen, die Zuverlässigkeitsverbesserung und die Vermeidung von Produktionsausfällen haben belegt, dass dieses Konzept große Vorteile für den Betreiber bietet.

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Datum: 27.03.2013 - 13:42 Uhr
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