Το μηδενικό-Επιτακτικό χρόνου διακοπής λειτουργίας
Ένα σύστημα θέρμανσης φαρμακευτικού αντιδραστήρα για μια συνεχή-διαδικασία σύνθεσης ενεργών φαρμακευτικών συστατικών δεν μπορεί να ανεχθεί μια διακοπή παραγωγής. Η διαδικασία εκτελείται 330 ημέρες το χρόνο. Μια απρογραμμάτιστη διακοπή λειτουργίας κοστίζει 180.000 $ την ημέρα σε χαμένη παραγωγή και απαιτεί 3 ημέρες για να ανακτηθεί η σταθερή-ποιότητα του προϊόντος. Ο εναλλάκτης θερμότητας είναι ένας-κίνδυνος αστοχίας ενός μόνο σημείου: εάν διαρρεύσει ένας σωλήνας, ολόκληρος ο εναλλάκτης πρέπει να απομονωθεί και η παραγωγή σταματά μέχρι να ολοκληρωθεί η επισκευή.
Ο περιττός σχεδιασμός-που ενσωματώνει επιπλέον χωρητικότητα έτσι ώστε η αστοχία οποιουδήποτε μεμονωμένου στοιχείου να μην μειώνει την απόδοση του συστήματος κάτω από το απαιτούμενο ελάχιστο-είναι συνήθης πρακτική για αντλίες, συμπιεστές και ηλεκτρικά συστήματα. Είναι λιγότερο συνηθισμένο για εναλλάκτες θερμότητας, όπου το κόστος της πρόσθετης επιφάνειας έχει ιστορικά θεωρηθεί απαγορευτικό.
Ένας εναλλάκτης θερμότητας PTFE με πλεονάζοντα περάσματα σωλήνων αλλάζει αυτόν τον υπολογισμό. Το χαμηλότερο κόστος υλικού του PTFE σε σύγκριση με τα μέταλλα υψηλού-κράματος, σε συνδυασμό με την ικανότητα απομόνωσης μεμονωμένων περασμάτων σωλήνων, καθιστά τον πλεονασμό N+1 οικονομικά εφικτό για κρίσιμες εφαρμογές θέρμανσης.
Η έννοια του πλεονασμού πάσου N+1
Ο εναλλάκτης θερμότητας διαιρείται σε N+1 ανεξάρτητα περάσματα σωλήνων, όπου N είναι ο αριθμός των διελεύσεων που απαιτούνται για την παροχή του πλήρους σχεδιαστικού καθήκοντος θερμότητας. Κάθε πέρασμα έχει τη δική του βαλβίδα απομόνωσης παροχής ατμού, βαλβίδα απομόνωσης εξόδου συμπυκνώματος και παγίδα ατμού. Τα περάσματα μοιράζονται μια κοινή κεφαλίδα παροχής ατμού και κεφαλίδα επιστροφής συμπυκνώματος, αλλά κάθε πέρασμα μπορεί να απομονωθεί ξεχωριστά.
Κατά την κανονική λειτουργία, όλα τα N{0}} πάσο είναι σε υπηρεσία. Κάθε πέρασμα λειτουργεί σε ένα κλάσμα της μέγιστης χωρητικότητάς του, με χαμηλότερη ταχύτητα ατμού και χαμηλότερη φόρτιση συμπυκνώματος. Η μειωμένη φόρτιση επεκτείνει τη διάρκεια ζωής του σωλήνα μειώνοντας τον ρυθμό ερπυσμού και ελαχιστοποιώντας τη διάβρωση.
Εάν ένα πέρασμα εμφανίσει διαρροή, απομονώνεται κλείνοντας τις βαλβίδες τροφοδοσίας και επιστροφής. Τα υπόλοιπα N περάσματα εξακολουθούν να είναι ικανά να παρέχουν το πλήρες σχεδιαστικό καθήκον θερμότητας-που είχαν μέγεθος για αυτό το απρόβλεπτο. Το πάσο διαρροής αποστραγγίζεται και αφήνεται απομονωμένο μέχρι το επόμενο παράθυρο προγραμματισμένης συντήρησης, οπότε μπορεί να επισκευαστεί ή να αντικατασταθεί. Η παραγωγή συνεχίζεται αδιάκοπα.
| Παράμετρος πλεονασμού | Τυπική σχεδίαση (Χωρίς πλεονασμό) | N+1 Περιττός σχεδιασμός |
|---|---|---|
| Αριθμός ανεξάρτητων περασμάτων σωλήνα | 1 | N+1 (π.χ. 4 πάσες για N=3) |
| Φόρος θερμότητας ανά πάσα (κλάσμα του συνόλου) | 1.0 (100%) | 1/N (33% για N=3) |
| Χωρητικότητα με ένα πέρασμα απομονωμένο | 0% (πλήρης τερματισμός λειτουργίας) | 100% (Ν πάσο εξακολουθούν να είναι διαθέσιμα) |
| Διαμόρφωση παροχής ατμού | Μονή βαλβίδα, μονή κεφαλή | Μεμονωμένη βαλβίδα απομόνωσης ανά πέρασμα. κοινή κεφαλίδα |
| Διαμόρφωση συμπυκνώματος | Μονή παγίδα | Μεμονωμένη παγίδα και βαλβίδα απομόνωσης ανά πέρασμα |
| Περάστε χρόνο απομόνωσης μετά την ανίχνευση διαρροής | N/A (όλος ο εναλλάκτης είναι απομονωμένος) | < 5 minutes (close two valves) |
| Επίπτωση στην παραγωγή της αστοχίας ενός σωλήνα | Τελεία; Διακοπή λειτουργίας 1-3 ημερών | Κανένας; συνέχισε τη λειτουργία σε πλήρη δυναμικότητα |
| Πρόσθετη επιφάνεια έναντι μη-περιττής | N/A | +33% (για N=3 με 4 περάσματα) |
| Πρόσθετο κόστος έναντι μη-περιττού PTFE | N/A | +25-30% (πρόσθετοι σωλήνες, βαλβίδες, παγίδες) |
Η Λογική Ανίχνευσης Διαρροής και Απομόνωσης
Κάθε πλεονάζον πέρασμα απαιτεί ανεξάρτητη ανίχνευση διαρροών για να προσδιοριστεί ποιο πέρασμα απέτυχε. Οι ανιχνευτές αγωγιμότητας σε κάθε έξοδο συμπυκνώματος διέλευσης (όπως περιγράφεται σε προηγούμενη ανάλυση) παρέχουν ανίχνευση σε πραγματικό-χρόνο. Όταν ανιχνεύεται απόκλιση αγωγιμότητας σε ένα πέρασμα, το σύστημα ελέγχου ενεργοποιεί συναγερμό και προσδιορίζει το επηρεαζόμενο πέρασμα.
Η απομόνωση είναι χειροκίνητη ή αυτοματοποιημένη ανάλογα με την κρισιμότητα της διαδικασίας. Η αυτοματοποιημένη απομόνωση χρησιμοποιεί πνευματικά ενεργοποιούμενες σφαιρικές βαλβίδες στην παροχή ατμού και στην επιστροφή συμπυκνώματος κάθε πάσας. Με την ανίχνευση διαρροής, οι βαλβίδες στο προσβεβλημένο πέρασμα κλείνουν αυτόματα μέσα σε δευτερόλεπτα. Ο χειριστής ειδοποιείται και μπορεί να επαληθεύσει την απομόνωση ενώ τα υπόλοιπα περάσματα συνεχίζουν τη θέρμανση.
Για τις πιο κρίσιμες εφαρμογές, καθορίζεται η αυτόματη απομόνωση με μη αυτόματη επαναφορά. Το σύστημα απομονώνει αυτόματα το πάσο διαρροής, αλλά απαιτεί την παρέμβαση του χειριστή για να επαναφέρει αυτό το πάσο στην υπηρεσία-αποτρέποντας την αυτόματη ανακύκλωση εάν το σήμα ανίχνευσης διαρροής παρουσιάζει διακυμάνσεις.
Η αιτιολόγηση κόστους-οφέλους
Το πρόσθετο κόστος του N+1 πλεονασμού είναι περίπου 25-30% του βασικού κόστους του εναλλάκτη θερμότητας PTFE. Για το φαρμακευτικό παράδειγμα με 180.000 $ ανά ημέρα κόστος διακοπής λειτουργίας, η επένδυση πλεονασμού ανακτάται εάν αποτρέψει μια μέρα απώλειας παραγωγής κατά τη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού 15 ετών. Η πιθανότητα μιας τουλάχιστον αστοχίας σωλήνα κατά τη διάρκεια 15 ετών συνεχούς λειτουργίας είναι σημαντική - ακόμη και για το PTFE, το οποίο έχει εξαιρετική αξιοπιστία αλλά δεν είναι απρόσβλητο σε ενδεχόμενη αστοχία ερπυσμού ή τυχαία μηχανική βλάβη.
Η επένδυση απόλυσης είναι ασφάλιση έναντι ενός γεγονότος που είναι στατιστικά πιθανό κατά τη διάρκεια της μεγάλης ζωής του εξοπλισμού. Όταν το κόστος ενός μεμονωμένου γεγονότος διακοπής λειτουργίας υπερβαίνει το κόστος πρόσθετης απόλυσης κατά συντελεστή 10-100, η οικονομική περίπτωση είναι επιτακτική.
Περίληψη
Ένας εναλλάκτης θερμότητας PTFE με N+1 πλεονάζοντα περάσματα σωλήνων επιτρέπει τη συνεχιζόμενη-λειτουργία πλήρους χωρητικότητας μετά από μία αστοχία ενός σωλήνα. Κάθε πέρασμα μπορεί να απομονωθεί ανεξάρτητα με αποκλειστικές βαλβίδες παροχής ατμού και επιστροφής συμπυκνώματος. Η ανίχνευση διαρροής σε κάθε έξοδο συμπυκνώματος προσδιορίζει το αποτυχημένο πέρασμα, το οποίο απομονώνεται ενώ τα υπόλοιπα N περάσματα συνεχίζουν να θερμαίνονται.
Το 25-30% πρόσθετο κόστος απόλυσης δικαιολογείται όταν το κόστος μιας μεμονωμένης διακοπής παραγωγής υπερβαίνει την επένδυση πλεονασμού - μια προϋπόθεση που πληρούται στις περισσότερες φαρμακευτικές, αεροδιαστημικές και συνεχείς χημικές διεργασίες.
Η μηχανική υποστήριξη για τις πλεονάζουσες προδιαγραφές εναλλάκτη θερμότητας PTFE είναι διαθέσιμη με την υποβολή του κόστους θερμότητας σχεδιασμού, του κόστους διακοπής λειτουργίας, του αποδεκτού αριθμού διέλευσης σωλήνων και των προτιμήσεων αυτοματισμού για την ενεργοποίηση της βαλβίδας απομόνωσης.
