用于在次级回路中提供冷却介质的方法
【专利摘要】一种用于在次级回路(20)中提供具有可控的供给温度的冷却介质的方法，其中次级回路(20)中的冷却介质吸收来自一个或多个过程冷却器(22)的热量，然后在流回到过程冷却器(22)之前将热量释放到主回路(10)中的主水，其特征在于设有至少两个主换热器(12，14)用于冷却所述冷却介质，还设有旁通管路(26)，该旁通管路在所述过程冷却器(22)出口的下游从次级回路(20)中分支出来，以绕过主换热器(12，14)，并且次级回路(20)中的流向过程冷却器(22)的流路中的冷却介质的温度通过旁通流的调节来控制。
【专利说明】用于在次级回路中提供冷却介质的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在次级回路中提供具有受控的供给温度的冷却介质的方法，其中，次级回路中的冷却介质吸收来自一个或多个过程冷却器/工艺冷却器(Prozesskuhlern)的热量，然后在流回到过程冷却器之前将热量释放到主回路中的主水中。此外，本发明涉及用于实施根据本发明的所述方法的设备，其中该设备包括在次级回路中的一个或多个过程冷却器以及流向过程冷却器的流路中的至少一个温度传感器。
【背景技术】
[0002]在许多工程工艺中，需要从装置或设备的部件去除热量。为此，经常使用主水，特别是在大规模工艺过程的情况下，主水可利用回流冷却水、河水或海水。从过程控制的角度考虑，需要装置或设备的部件在尽可能恒定的温度下冷却。从安全和环境保护的角度考虑，例如在泄漏事件中，必须避免可能有害的物质进入天然水体。这些要求可通过主水不与待冷却的装置直接接触来满足，但是在封闭的中间回路、也称为次级回路中使用冷却介质。冷却介质根据相应的要求来选择。常见的冷却介质是水，冷却介质的其它例子包括乙二醇-水混合物或甲醇。
[0003]次级回路中的冷却介质在限定的供给温度下流入一个或多个工艺冷却器并在那里吸收来自工艺过程的热量，其中，所述冷却介质被加热。为了使冷却介质回到所需的供给温度，冷却介质被供给至一个或多个换热器，冷却介质在所述换热器中由主水冷却。主水例如回流冷却水、河水或海水的回路被指定为主回路。相应地，在其中通过主水冷却所述冷却介质的换热器被称为主换热器。
[0004]将冷却系统分成主水流动通过的主回路与冷却介质流动通过的次级回路是一种成熟的技术，并提供了许多优点。在装置或过程冷却器发生泄漏的情况下，虽然有害的物质可能进入冷却介质，但主回路中的主水保持被保护而不受污染。此外，由于次级回路是闭合的，设备中的过程冷却器与直接通过河水冷却的情况相比结垢较少。
[0005]这种方法还使得能将流向过程冷却器的供给温度不依赖于主水中由于白天的时间和季节发生的变化而设定在所需的值。通常，主换热器在数量和尺寸方面设计成使得它们可以在高负荷情况下从冷却介质提取足够的热量。对于高负荷情况的定义，假定的状态是进入换热器的冷却介质与引入的主水之间的温度差具有所限定的最小容许值。在引入的冷却介质具有给定的值时，这为引入的主水给出最大容许值。在中欧，高负荷情况因此通常发生在夏季的月份中，其中河水可以达到例如28°C或更高的温度。
[0006]与此相反，低负荷情况指的是当进入主换热器的冷却介质与引入的主水之间的温度差的值很高。在中欧，这种情况通常出现在冬季的月份中，其中河水的温度下降，例如下降到4°C或更低。此外，低负荷情况被认为是当仅有非常少的热量需要从次级回路中的冷却介质转移到主水时，例如当设备不以最大能力运行，或完全停机时，这样，在主冷却器中，从冷却介质转移到主水的热量较少。在这些情况下，为了使流向过程冷却器的流路中的冷却介质的供给温度保持在与高负荷情况下相同的值，通常使流向主换热器的主水的流速降低。
[0007]这种方法的缺点在于，在低负荷情况下，由于低的流速，在主水侧的主换热器容易结垢。此外，借助于流向主换热器的主水供给流对通向过程冷却器的供给温度的控制是迟缓的。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供用于所讨论的冷却类型的方法，其中，所述主换热器的结垢能够减少，向过程冷却器的供给温度可以快速且稳固地控制。
[0009]该目的通过根据本发明在权利要求1中所述的方法以及通过根据本发明在权利要求7中所述的设备来实现。本发明的优选实施例分别在从属权利要求2至6和8中限定。
[0010]在根据本发明的用于在次级回路中提供具有可控的供给温度的冷却介质的方法中，次级回路中的冷却介质吸收来自一个或多个过程冷却器的热量，然后在流回到过程冷却器之前将热量释放入向主回路中的主水。设有至少两个主换热器用于冷却所述冷却介质。在过程冷却器的出口下游和主换热器的入口上游，在次级回路中分支出旁通管路，用于绕过主换热器。旁通管路连通到从主换热器到过程冷却器的次级回路的管路中。根据本发明，在次级回路中流向过程冷却器的供给温度经由旁路流的调节来控制。“供给温度”在这里和下文中指的是在次级回路中的流向过程冷却器的流路中冷却介质的温度。“流向过程冷却器的流路”指的是次级回路的位于旁通管路到次级回路的入口与第一过程换热器之间的部段。“回流段”指的是次级回路的位于从至少一个过程换热器的出口与旁通管路的分支之间的部段。在多个过程换热器的情况下，“回流段”指的是次级回路的位于从过程换热器的出口管路接头与旁通管路的分支之间的部段。
[0011]在本发明的优选实施例中，温度传感器设置在流向过程冷却器的流路中，旁通管路设置有致动器，利用该致动器，在次级回路中流向过程冷却器的供给温度是可以控制的。可替代地，在流向过程冷却器的流路中提供多个温度传感器，例如用于实现冗余测量。合适的温度传感器例如热电偶用于确定流动的冷却介质的温度，并提供用于传输到控制装置的值。
[0012]在根据本发明的另一实施例中，温度传感器或多个温度传感器位于次级回路的回流段中，并且旁通管路设置有致动器，利用该致动器，次级回路中流向过程冷却器的供给温度是可控的。
[0013]合适的致动器允许通过旁通管路的流量被设定在最小值和最大值之间。优选地，最小值等于零，这意味着完全闭合的旁通管路。最大值优选对应于完全打开的旁通管路。在极值之间，可以为流量设定任何所需的值，优选地连续设定而不分步。合适的致动器对本领域技术人员是已知的，例如膜片(阀)、球阀或三通阀。
[0014]在优选实施例中，设有一个控制装置，该控制装置具有为供给温度预设的值。从预设的值与由温度传感器所确定的供给温度的比较中，控制装置产生一个输出信号以传输到致动器。流经旁通管路的冷却介质的温度比从主换热器向过程冷却器流动的冷却介质的温度高。因此在供给温度与预设值相比较过高的情况下，控制器可以降低通过旁通管路的流量，并且相应地，在供给温度与预设值相比过低的情况下，可以增加通过旁通管路的流量。
[0015]在根据本发明的另一实施例中，设有具有用于回流温度的预设值的控制装置。从预设值与由温度传感器所确定的回流温度的比较中，控制装置产生输出信号以输送到所述致动器。在本实施例中，控制器还使得在回流温度与预设值相比较过高的情况下能够减少通过所述旁通管路的流量，并相应地在回流温度与预设值相比较过低的情况下增加通过旁通管路的流量。
[0016]通过旁通管路的冷却介质的流量也可以受到影响，因为致动器存在于通向主换热器或来自主换热器的冷却介质管路中，并且可以适当地调节它们的开度。但是，通过影响旁通管路中的致动器控制旁通流更容易实现，并因此是优选的。
[0017]所述控制装置可以是独立的仪器，例如由信息技术连接到温度传感器和致动器的小型控制器。控制装置也可以与例如控制阀形式的致动器组合实施。可替代地，所述控制装置也可以被集成在用于过程控制的更高级别的系统、例如过程控制系统中。
[0018]在根据本发明的方法的优选实施例中，主换热器的数量和尺寸设计成用于高负荷情况。在低负荷情况下，主回路的冷却能力通过关闭一个或多个主换热器来调整，其中，至少一个主换热器保持运行。用语“高负荷”和“低负荷”指的是上面限定的运行状态。
[0019]在更优选的变型中，主换热器设计成在低负荷情况下，利用主水入口与出口之间的最大容许温度差，一个换热器足够用于将冷却介质冷却到所需的供给温度下。对于高负荷情况，相应地提供更多换热器，优选地分别同样设计成适用于主水入口和出口之间的最大容许温度差，并且大体上适合高负荷情况下的最小温度差。主水的入口和出口之间的最大容许温度差被频繁地正式调节，例如调节到15K的值。通过这种措施，主水能够在整个季节变化的负荷范围内有效地利用，所需要的主水最小量可以显著降低。
[0020]旁通管路优选地对其能力如此设计，使得旁通管路的控制范围足够用于在主换热器关断和接通时平稳地控制次级回路中的供给温度。
[0021]此外，在旁通管路的设计中，优选考虑每天主水温度的波动可以通过单独控制经过旁通管路的流量来补偿。在该情况下不提供主换热器的接通或关断。
[0022]特别优选地，通过一个或多个主换热器主水的流量保持基本恒定。在这种情况下，流量不是主动控制的，而是由主水侧的主换热器的入口与出口之间的压力差造成的。在该压力差波动的情况下，也造成流速的波动。如果主水的温度下降，或如果待从冷却介质去除的热量的量减少，例如由于通过主换热器的冷却介质的流速降低或由于离开过程冷却器的冷却介质的温度降低，冷却介质温度在离开主换热器的出口处下降。相应地，在主水的温度上升和/或待从冷却介质提取的热量的量增加的情况下，冷却介质的出口温度增加。
[0023]在本发明的更优选实施例中，冷却能力通过接通或关断主换热器调整成使得流过运行中的主换热器的主水的压降在任何情况下至少为300毫巴，特别优选为至少800毫巴。这显著减少了在主水侧形成沉积物的可能性。
[0024]在所述至少两个主换热器可以不同的方式连接。优选的是，主换热器在主回路部分以及也在次级回路部分都并联连接。
[0025]可以使用的主换热器全部是本领域技术人员已知的用于此目的的热交换器，优选地，使用板式换热器或管束换热器，特别优选地密封或焊接板式换热器。特别优选的板式换热器通常设计成用于高的压降。在旁路无需附加的输送装置如泵来实施的情况下是有利的。
[0026]在根据本发明的方法的优选实施例中，主水是回流冷却水、河水、海水或微咸水。“回流冷却水”指的是已通过设施如冷却塔被冷却或在工艺工程设备中再冷却的水。
[0027]与从现有技术中已知的方法相比，本发明提供了多个优点。在高负荷情况下共同提供所需冷却能力，但在低负荷情况下可以部分关断的至少两个主换热器的供给使得可以通过在主水侧的实际上恒定的流量来运行单独的主换热器，以防止过早结垢。此外，这提供了在低负荷情况下可替代地开通和关断主换热器的可能性，使得可以简单检查和选择性地维护或清洁。此外，用于提供冷却能力而需要的主水的最小量显著减少。另一优点被认为是利用旁通流控制供给温度比如现有领域中的借助于主水的流速来控制明显更简单、更快和更稳固地实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]下面将参照附图更详细地描述本发明，其中附图应理解为示意性的。它们并不代表对本发明的例如关于换热器的数量、类型和连接构成任何限制。在附图中:
[0029]图1不出了根据现有技术的冷却系统的概略图；
[0030]图2不出了根据本发明的冷却系统的概略图；
[0031]图3示出了根据本发明的冷却系统的概略图，该冷却系统具有在次级(回路)侧串联连接的主换热器；
[0032]图4示出了根据本发明的冷却系统的概略图，该冷却系统具有在主(回路)侧柔性连接的主换热器；
[0033]图5示出了主水温度和运行中的主换热器的数量与时间的关系。
【具体实施方式】
[0034]图1示出了根据现有技术的冷却系统，其中，次级回路20中的冷却介质流向过程冷却器22，吸收过程冷却器那里的热量并在流回过程冷却器22之前在主换热器12中将热量释放到主回路10中的主水中。过程冷却器可以为不同类型，例如板式、管束式、螺旋式换热器或管的夹套或用于其冷却的容器。过程冷却器22的上游的冷却介质的供给温度通过使用温度传感器来确定并且由控制装置24控制在特定的预设值。主回路10中的主水的量用作用于控制的控制变量。
[0035]在图2中，示出了根据本发明的方法的第一个优选实施例。离开过程冷却器22的冷却介质流过两个主换热器12、14，在这里将热量释放入主回路10中的主水中。在所示的优选情况下，主换热器在主回路的两侧以及次级回路的两侧都并联连接。在冷却介质从离开过程冷却器22的出口和进入主换热器12、14的入口之间分出旁通管路26，该旁通管路也通向冷却介质离开主换热器的出口下游的次级回路20。流向过程冷却器22的冷却介质的供给温度借助于旁通管路中的设定的流速来控制。在高负荷情况下，主换热器12和14两者都在运行，而在低负荷情况下，一个主换热器的能力足以充分冷却次级回路20中的冷却介质。在这种情况下，通过关闭次级回路中相应的阀而关断主换热器中的一个。
[0036]在图3中，示出了根据本发明的方法的另一个优选实施例。在该示例中，主换热器12和14在主回路的一侧并联连接和在次级回路的一侧串联连接。为了能够在低负荷情况下关断主换热器12或14，在次级回路中，提供可以通过阀接通和关断的旁路。
[0037]图4示出了根据本发明的方法的又一优选实施例，其中主换热器12、14在次级(回路)侧并联连接。在主回路的两侧，连接保持柔性。通过相应地打开和关闭以举例示出的阀，可以在主回路侧实现串联连接或并联连接。此外，主换热器12、14可以替代地通过关闭次级回路中相应的阀而关断。
[0038]附图仅用于说明。与示出的有偏差的配置和连接当然同样落入本发明的范围，只要控制次级回路中的供给温度通过调节旁通流来执行。
[0039]特别地，图中所示的换热器的数量仅仅是示例性的，并不局限于此。设有两个以上的主换热器是有利的。可用的主换热器越多，各个独立的主换热器就可以越灵活地连通和关断，以便与当前发生的负荷状态进行最佳匹配。然而，这也增加了资金成本。优选地，提供两到三个主换热器。
[0040]对于主换热器的数量的选择标准可以从主水的温度梯度得出。优选地，主换热器的最佳数量通过最大容许温度差和高负荷情况下的典型温度差的商来估算。例如对于德国莱茵河上的路德维希港的位置，当河水用作主水时，通过主水入口和出口之间的最大容许温度差规定为15K。此外，回流到河里的水必须不超过33°C。因此，在河水的温度可达28°C的夏季月份中的高负荷情况下，主水的入口和出口之间的温度差为5K是常见的。这给出了15K/5K = 3的商。因此，有利地，设置三个主换热器，它们设计成当最大容许温度差15K被充分利用时，所述三个换热器的每一个都可以单独从次级回路中的冷却介质提取所需量的热量。
[0041 ] 在图5中，主水的温度T (虚线)和运行中的主换热器的数量N (实线，右手刻度)与时间的关系在12个月的时间段上示意性地示出。在这个示例性的图示中，假定待从次级回路去除的热量的量在所考虑的时间段上保持恒定。所使用的主水是河水，该河水在十二月和一月的冬季月份具有最低温度例如4°C。可以充分利用最大容许温度差，因此一个主换热器足够用于充分冷却次级回路中的冷却介质。一旦河水温度上升到高于一个值，考虑到在一定范围内的波动，不能再保证最大容许温度差，另一主换热器开始运行。假定3K的波动范围和向河流排放的水的最大值33°C，给定15°C的值，第二主换热器开始运行。在根据图5的示例中，这是4月中旬的情况。从6月初开始，河水的温度上升到一个值，需要第三主换热器以首先可靠地去除所需量的热量，其次，不超过最大值33°C。在六月、七月和八月的夏季月份，三个主换热器都在运行，直到河水温度再次下降到两个主换热器已足够的程度，在该示例中处于9月初。在十月底，河水的温度进一步下降到例如15°C以下，再次使得一个主换热器就足够。
[0042]根据本发明的方法具有可以适应当前需要而灵活地提供冷却能力的效果。在图5所示的示例中，在五个半月的时间段内，一个主换热器在运行，在三个半月的时间段内，两个主换热器在运行，在三个月的时间段内，三个主换热器在运行。与用于高负荷情况的纯粹设计相比，通过根据本发明的方法所需的主水的量可以大幅度减少。
[0043]在主水侧，基本上恒定量的水流过各主换热器，这防止结垢。除了在夏季，未运行的换热器可以保持和清洗没有问题，不会对次级回路中设备的运行产生不利影响。假设在根据现有技术的设备情况下，其中仅存在一个设计用于高负荷情况的主换热器，其中，在低负荷情况下主水的量减少，一年一次的与结垢相关的设备停机需要大约3天，而使用根据本发明的方法，设备的能力可以增加约1%。在更频繁或更长的停机时间的情况下，经济上的优势相应增加。
【权利要求】
1.一种用于在次级回路(20)中提供具有可控的供给温度的冷却介质的方法，其中，所述次级回路(20)中的所述冷却介质吸收来自一个或多个过程冷却器(22)的热量，然后在其流回到所述过程冷却器(22)之前将热量释放到主回路(10)中的主水，其中，设有至少两个主换热器(12，14)用于冷却所述冷却介质，还设有旁通管路(26)，所述旁通管路(26)在所述过程冷却器(22)出口的下游从所述次级回路(20)中分支出来，以绕过所述主换热器(12，14)，并且在所述次级回路(20)中的流向所述过程冷却器(22)的流路中的冷却介质的温度借助于旁通流的调节来控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主换热器(12，14)的数量和尺寸设计成适用于高负荷情况，并且在低负荷情况下，所述主回路(10)的冷却能力通过关闭所述主换热器(12，14)中的一个或多个来调整，其中至少一个所述主换热器保持运行。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述冷却能力调整成使得流过运行中的主换热器(12，14)的主水的压降在任何情况下为至少300毫巴，优选至少800毫巴。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述主换热器(12，14)设计成适用于主水入口和主水出口之间的最大容许温度差。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述主换热器(12，14)在所述主回路(10)部分以及在所述次级回路(20)部分都并联连接。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述主换热器(12，14)是板式换热器或管束换热器，特别是密封或焊接板式换热器。
7.一种用于执行根据权利要求1至6中至少一项所述方法的设备，所述设备包括在次级回路(20)中的一个或多个过程冷却器(22)以及在流向过程冷却器(22)的流路中的至少一个温度传感器，其中，设有至少两个主换热器(12，14)，所述次级回路(20)的冷却介质在所述至少两个主换热器中将热量释放到主回路(10)中的主水，还设有旁通管路(26)，该旁通管路在所述过程冷却器(22)出口的下游从所述次级回路(20)中分支出来，以绕过所述主换热器(12，14)，并且设置有致动器，在所述次级回路(20)中的流向所述过程冷却器(22)的流路中的冷却介质的温度能够利用该致动器进行控制。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述主换热器(12，14)不仅在该主回路(10)侧而且在该次级回路(20)侧并联连接。
【文档编号】F28D15/00GK104246418SQ201380022036
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年4月23日 优先权日:2012年4月25日
【发明者】R·科姆帕, M·弗尔斯特, A·沃尔特 申请人:巴斯夫欧洲公司