Variable-speed-drive-based detection methods for problems in fluid handling systems

Fluid handling systems account for a significant share of the global consumption of electrical energy. They also suffer from problems, which reduce their energy efficiency and increase life-cycle costs. Detecting or predicting these problems in time can make fluid handling systems more environmentally and economically sustainable to operate. In this Master’s Thesis, significant problems in fluid systems were studied and possibilities to develop variable-speed-drive-based detection methods for them was discussed. A literature review was conducted to find significant problems occurring in fluid handling systems containing pumps, fans and compressors. To find case examples for evaluating the feasibility of variable-speed-drive-based methods, queries were sent to industrial companies. As a result of this, the possibility to detect heat exchanger fouling with a variable-speed drive was analysed with data from three industrial cases. It was found that a mass flow rate estimate, which can be generated with a variable speed drive, can be used together with temperature measurements to monitor a heat exchanger’s thermal performance. Secondly, it was found that the fouling-related increase in the pressure drop of a heat exchanger can be monitored with a variable speed drive. Lastly, for systems where the flow device is speed controlled with by a pressure measurement, it was concluded that increasing rotational speed can be interpreted as progressing fouling in the heat exchanger.

Pumppu-, puhallin- ja kompressorijärjestelmät kattavat merkittävän osan maailman sähköenergian kulutuksesta. Niiden toiminnassa voi esiintyä ongelmia, jotka vähentävät energiatehokkuutta ja kasvattavat elinkaarikustannuksia. Virtausjärjestelmien ongelmien havaitseminen ja ennustaminen voivat tehdä niiden käytöstä kestävämpää sekä ympäristön että talouden kannalta. Tämän diplomityön tavoitteena oli etsiä virtausjärjestelmien ongelmia, joita varten on mahdollista kehittää taajuusmuuttajapohjaisia havaitsemismenetelmiä. Työssä suoritettiin kirjallisuusselvitys, jossa perehdyttiin virtausjärjestelmiin ja niiden komponentteihin yleisesti sekä kartoitettiin niissä esiintyviä ongelmia. Taajuusmuuttajapohjaisten havaitsemismenetelmien soveltuvuuden arvioimiseksi työssä otettiin yhteyttä teollisuuden yrityksiin. Yhteydenotot paljastivat kolme likaantuvaa lämmönsiirrintä kolmesta eri kohteesta, joista saadun datan avulla taajuusmuuttajapohjaisen havaitsemismenetelmän soveltuvuutta analysoitiin. Työn tuloksena selvisi, että taajuusmuuttajan tuottamaa massavirtaestimaattia voidaan käyttää yhdessä lämpötilamittausten kanssa lämmönsiirtimen lämmönsiirron tehokkuuden tarkkailussa. Työssä selvisi myös, että likaantumisesta aiheutuvaa lämmönsiirtimen virtausvastuksen kasvua voidaan seurata taajuusmuuttajan avulla. Lisäksi työssä todettiin, että virtauslaitteelle, jonka pyörimisnopeutta säädetään painemittauksen perusteella, etenevä lämmönsiirtimen likaantuminen voidaan nähdä kasvavana pyörimisnopeutena.