Root-cause analyse

en ontwerpverbetering
industrieel gestookte warmtewisselaar

Casus

Een industriële klant heeft problemen gekregen met een direct gestookte warmtewisselaar, die na inbedrijfstelling schade vertoonde. De bedrijven Kaisec en Mateq Process werden gevraagd om te assisteren in het achterhalen van de schade-oorzaak, en om een verbetervoorstel te geven voor het ontwerp van deze warmtewisselaar.

Mateq Process heeft zich in dit traject gefocust op de stroming-, verbranding- en warmte-overdracht processen, waar Kaisec een integrale analyse van het volledige systeem op zich nam. De expertises van Kaisec en Mateq Process sloten zo goed bij elkaar aan en door de overlap in kennis was snel, adequaat en goed schakelen tussen alle partijen mogelijk.

Route-cause analyse

Het betrof een pijpenbundel-mantel warmtewisselaar met als doel het verwarmen van recirculerende lucht die door een oven werd geleid om pijpen te verwarmen. De wisselaar was zo ontworpen dat hete rookgassen van het verbrandingsproces door de pijpen stroomden, en de te verwarmen lucht om de pijpen in de mantel. De hete rookgassen werden gegenereerd door een standaard industriële brander, werden in een mengruimte voor de pijpenplaat tot de juiste temperatuur teruggekoeld door menging met koude secundaire lucht.

Een schematische voorstelling is hieronder te zien. De warmtewisselaar is ongeveer 8 meter lang, 2 meter breed en 1 meter hoog. De brander heeft een vermogen van ongeveer 1MW.

De pijpenbundel en pijpenplaat was lokaal beschadigd ter hoogte van de inlaat van de hete verbrandingsgassen. Uit de integrale analyse bleek dat de oorzaak moest worden gezocht in een suboptimale menging van verbrandingsgassen en secundaire lucht. In theorie zou de mengtemperatuur van die twee stromen ver onder de toegestane temperatuur van de gebruikte materialen voor de warmtewisselaar moeten zijn. Echter bij incomplete menging – zo bleek uit een thermodynamische analyse – kon die temperatuur al snel oplopen tot boven de 1.000 ˚C.

Om dit te toetsen en nader te bepalen is een studie opgezet middels Computational Fluid Dynamics (CFD).

CFD analyse

Voor het doel van de CFD studie is een reversed-engineering uitgevoerd van de brander, waar de detailgegevens niet van beschikbaar waren. Aangezien de focus van de studie lag op de verbrandings / mengkamer, de pijpenplaat en de aanzet van de pijpenbundel, is dat deel geïsoleerd voor analyse.

Figuur 1: Deel van de constructie gebruikt voor de CFD analyse (boven)
met detail van revers-engineered brander (onder).

De analyse bevestigde het beeld van een onvoldoende menging van koude secundaire lucht met de hete rookgassen van de brander. Hierdoor ontstonden lokale hot spots op de pijpenplaat, met temperaturen boven het smeltpunt van de toegepaste materialen. De locatie van de schade uit de berekeningen bleek overeen te komen met de locatie van de schade. Daarnaast bleek ook dat de locatie van de temperatuurmeting in de mengkamer zich inderdaad buiten deze hoge-temperatuurzone bevond, waardoor de hoge temperaturen niet waargenomen zijn op de meetsystemen. Deze, en andere observaties uit de RCA analyse, bevestigden het beeld van de schade-oorzaak door lokale oververhitting.

Figuur 2: Temperatuurveld mengkamer (boven) en resulterende temperatuurverdeling aanzet pijpenbundel (onder).

Herontwerp

In een vervolgstudie is vervolgens een herontwerp gemaakt van de installatie om dit probleem te verhelpen, rekening houdend met diverse limiteringen in ontwerp, gewicht en afmetingen op site, en zorgdragend voor een kosteneffectieve oplossing. In het uiteindelijke ontwerp is gekozen voor zoveel mogelijk behoud van bestaande equipment, zoals de brander en de warmtewisselaar. Een verlengde mengkamer is ontworpen om de piektemperaturen van de rookgassen voldoende te verlagen, waar ook de inspuiting van de koude lucht opnieuw is ontworpen.

Vanwege de lokale beperkingen in ruimte is gekozen voor een opstelling in een U-vorm. Deze opstelling is wederom gevalideerd door middel van CFD-analyse. Om de totale hoeveelheid rekenkracht te optimaliseren zonder verlies van cruciale details, is de pijpenbundel versimpeld gemodelleerd, zie Figuur 3 hieronder. Wel zijn de belangrijke details volledig gemodelleerd, zoals het stralings-scherm in de U-bocht, de brander en de secundaire luchtinjectie.

Figuur 3: geometrie CFD analyse herontwerp.

De CFD resultaten valideren het gekozen herontwerp, zoals te zien is in Figuur 4. De luchtinjectie in het herontwerp is dusdanig dat het functioneren van de brander niet negatief wordt beïnvloed, terwijl er toch een goede menging ontstaat met de rookgassen van de brander.

De temperatuurverdeling is sterk verbeterd en voldoet aan de gestelde eisen. De wandtemperaturen zijn dusdanig dat slechts deels een keramische isolatie nodig is, en verder gewerkt kan worden met standaard warmtebestendige staalsoorten.

Figuur 4: Temperatuurveld verbrandingsgassen (links) en resulterende wandtemperaturen (rechts).

Conclusie

De totale Root-cause analyse en het ontwerp van het verbetervoorstel zijn in een zeer korte doorlooptijd doorgevoerd, waarbij de eerste resultaten van een herontwerp vaak binnen enkele dagen werden verwacht. Dit kon gebeuren dankzij een zeer goede onderlinge samenwerking en beschikbare multidisciplinaire kennis en kunde.

Belangrijk was dus ook het maken van de juiste keuzes ten aanzien van versimpelen en verkleinen van de te berekenen geometrie in de CFD berekeningen, terwijl toch de juiste resultaten met voldoende nauwkeurigheid verkregen kunnen worden.

Het resultaat is tot volle tevredenheid van de klant opgeleverd, geïmplementeerd en inbedrijfgesteld.

Signature cases

Overview of ongoing projects

Case 01

Heat exchanger root-cause analysis and design improvement

Coming soon

Case 02

Redesign analysis gas turbine bypass stack

Coming soon

Case 03

Analysis of gas turbine burners and combustion chamber

Coming soon

Case 04

Development of a high-temperature test rig

Coming soon

Contact us

Stay informed of our developments in the area of combustion and heat transfer know-how.

Consultancy

Mateq Process heeft een integrale kennis van energiesystemen, van ‘grijze’ tot groene energie.

Haar focus ligt op het procesontwerp; met uitgebreide kennis en know-how van stroming, verbranding en warmteoverdracht in industriële heat transfer equipment. Dit zijn bijvoorbeeld stoom- of warmwaterketels, fornuizen, gestookte warmtewisselaars, maar ook afgassenkanalen, ducting, mengers etc.

Lees Meer

Een uitgebreide praktijkervaring wordt gecombineerd met jarenlange expertise in
Computational Fluid Dynamics, en een gedegen kennis van de onderliggende processen, die over de afgelopen 20 jaar verzameld is. Dit wordt versterkt met ons uitgebreide netwerk van universiteiten, kennisinstituten en gespecialiseerde bedrijven.

Kennis en kunde is één ding; Mateq Process erkent en herkent als geen ander dat de werkelijke toegevoegde waarde ligt in het juist vertalen van die kennis. We kennen ons publiek, en zijn goed in staat onze know-how te delen op elk niveau in uw organisatie.

Voorbeelden waarmee we u van dienst kunnen zijn:

  • Impact en optimalisatie van ontwerpwijzigingen
  • Procesontwerp en process (reverse) engineering
  • Root Cause Analyse (RCA) – inclusief uitwerken en toetsen van ontwerpverbeteringen
  • Veranderingen van brandstofsamenstelling op uw (verbrandings)processen
    – bijvoorbeeld overgaan op groene(re) brandstoffen
  • Schaaleffecten in combustion & heat transfer process equipment
    – bijvoorbeeld overgaan naar grotere of juist kleinere ontwerpen
  • Ontwikkeling en procesontwerp van nieuwe of gebruikerspecifieke toepassingen

Technology Management

Optimaliseren van teams en processen in technologie-gedreven bedrijven

Mateq Process heeft ervaring in velerlei bedrijfsprocessen, van MKB bedrijf tot internationaal conglomeraat, van technologie tot sales en general management. Analytisch en gedreven, is Mateq Process in staat om snel en goed een overzicht te hebben van uw veelal complexe technische- en menselijke processen. Een teamspeler zonder verlies van focus op de ultieme doelen van uw bedrijf, en een sterke communicator in alle geledingen, stelt ons in staat om snel, gedegen en effectief uw processen naar uw wensen te optimaliseren.

Lees Meer

Ervaringsvoorbeelden waar we waarde kunnen toevoegen zijn:

  • Opzetten en optimaliseren van waardeketens
  • Optimaliseren van engineering en R&D processen
  • Opzetten, verkrijgen en beheren van overheids-gesubsidieerde ontwikkeltrajecten, zowel nationaal als internationaal
  • Uitwerken van Engineered-to-Order en Configure-to-Order waardeketens
  • Enthousiasmeren en smeden van goede teams

Documentation

Stay informed of our developments in the area of combustion and heat transfer know-how.

~|file-pdf-o~|font-awesome~|outline

Ultra-low NOx combustion

Contact data
+31(0)6 20 66 26 75
info@mateqprocess.com

terms of delivery
privacy (in Dutch)
cookiebeleid
©Mateq Process