CN111279145A - 冷却水监测和控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种在冷却塔控制冷却水处理的方法可以包括测量接收来自冷却塔的冷却水的一个或多个下游换热器的运行数据。例如，可以测量下游换热器的热流和冷流的入口和出口温度，可选地连同穿过换热器的冷却水流的流速一起测量。来自穿过所述换热器的所述液流的数据可以用于测定所述换热器的传热效率。所述传热效率可以在一段时间内保持趋势，并且可以检测所述趋势的变化以鉴定冷却水结垢问题。可以基于在下游换热器处检测到的传热效率的变化来控制选择以减少、消除或控制冷却水结垢的化学添加剂。

Description

冷却水监测和控制系统
交叉引用
本申请要求2017年9月19日提交的美国临时专利申请号62/560,595的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及冷却水系统，并且更具体地涉及冷却水控制系统。
背景技术
水冷却塔用于大容量换热系统，例如在炼油厂和化工厂中使用的那些系统。冷却塔用于通过蒸发冷却塔中的一部分冷却剂来从循环水冷却剂中去除吸收的热量。剩余的冷却剂可通过泵从塔底的储罐或贮槽中抽出，并通过热负荷连续提供。由于在此类系统中会蒸发大量的水，因此随着时间的推移，水垢、污泥或其他水污染物可能会在循环水中积聚。
为了帮助防止与循环冷却水接触的表面上结垢或限制结垢程度，可以在冷却水中添加各种化学药品。化学物质可抑制矿物质从水中沉淀出来，它们否则可能会在与水接触的表面形成水垢。另外地或替代地，化学物质可抑制生物结垢源和/或腐蚀产物在与水接触的表面上的沉积。
在典型的运行环境中，技术人员可以从冷却水系统中获取冷却水样品，并对样品进行化学分析。技术人员可以基于分析调整添加到冷却水中的化学药品的类型。通常，技术人员只能在设备现场进行有限的冷却水分析，例如每月一次或每季度一次。结果，直到工艺条件改变后的一段时间，才可能检测到设备工艺条件的变化。而且，即使改变了冷却水的化学成分以说明变化的工艺条件，这种电荷通常也是反作用的而不是预测性的变化，以防止不良的冷却水条件。
发明内容
一般而言，本公开涉及用于监测和控制冷却水的技术和系统。在一些实例中，通过评估通过其输送冷却水的一个或多个下游传热单元的热性能来直接监测和/或控制冷却水回路中的冷却水条件。例如，换热网络可包括一个或多个冷却塔，这些冷却塔流体地连接至多个换热并向多个换热供给冷却水。冷却水可以沿每个换热器的一侧通过，而要冷却的工艺流体沿顺流或逆流方向通过换热器的另一侧。
在某些实例中，热交换网络中一个或多个换热器的热性能通过监控流经换热器的工艺流和冷却水流的入口和出口温度来监控。也可以监测其他工艺参数，例如冷却水流和/或工艺流的流速。在任一情况下，可以至少部分基于温度数据来确定与换热器的传热效率相对应的参数。可以确立换热器的传热效率趋势以提供参考，可以从该参考确定未来与该趋势的偏差。换可以随后监测热器的传热效率并检测传热效率的变化。引入冷却水流的化学添加剂可以基于在换热器的传热效率趋势中检测到的改变控制。因此，可以及早检测到由冷却水状况引起的换热器传热效率的意外变化，并且可以通过控制化学添加剂来缓解这种变化，而不必等到状况完全恶化到换热器的性能被实质性受限。
在实践中，换热器的传热效率可基于多种因素而变化，这些因素影响热能可从相对较热的工艺流传递至相对较冷的冷却水流的效率。例如，沉积在与工艺蒸汽接触的换热器表面上的污垢可以减少热传递到冷却水流。同样地，沉积在与冷却水流接触的换热器的表面上的污垢也可以减少向冷却水流的热传递。
在许多工艺环境中，工艺蒸汽比冷却水流更容易积垢。结果，在换热器的工艺流侧上的积垢可能明显大于在换热器的冷却水流侧上的积垢。例如，取决于运行条件，与换热器清洁时相比(例如工艺侧和/或冷却水侧不积垢)，在换热器的工艺侧积垢可导致换热器的热效率下降75％或更多。例如，在换热器的工艺侧积垢可导致换热器的热效率性能下降95％或更多。
尽管工艺侧结垢可能对换热器的热效率产生显著影响，但已经发现，在某些应用中，换热器热效率仍可以提供有关冷却水侧结垢情况的可行见解。例如，换热器热效率趋势的变化(例如，当通过换热器的工艺流的成分、温度和/或流量没有明显变化时)可归因于换热器的冷却水侧的结垢情况。可以基于在下游检测到的换热器热效率的变化来控制引入换热器上游的冷却水中的化学添加剂。在某些应用中，提供了实时监测和控制以促进对意外恶化的换热器热效率条件的快速响应。这种快速干预可以延长换热器使用寿命，直到下一次物理清洗为止，这中方式是如果换热器在检测到结垢状况之前就已完全结垢所无法实现的。
在一个实例中，描述了控制冷却水处理的方法。该方法包括从多个传感器接收至少指示进入换热器的冷却水流的温度，离开该换热器的冷却水流的温度，进入该换热器的工艺流的温度，以及离开该换热器的工艺流的温度的数据。该方法还包括基于从多个传感器接收到的数据确定换热器的传热效率，并确定一段时间内换热器的传热效率趋势。该方法还涉及检测传热效率趋势的变化并响应于所检测到的换热器的传热效率趋势的变化来控制向冷却水流中添加化学添加剂。
在另一个实例中，描述了一种系统，其包括冷却塔、换热器、多个传感器、泵和控制器。冷却塔通过蒸发冷却来降低冷却水流的温度。换热器具有冷却水入口、冷却水出口、工艺流入口和工艺流出口。所述多个传感器定位成测量通过冷却水入口进入换热器的冷却水流的温度，通过冷却水出口离开换热器的冷却水流的温度，通过工艺流入口进入换热器的工艺流的温度，以及通过工艺流出口离开换热器的工艺流的温度。泵位于换热器的上游，并且配置为将化学添加剂注入冷却水流中。所述控制器与所述多个传感器和所述泵通信耦合，并且配置为：从所述多个传感器接收数据，基于从所述多个传感器接收到的数据来确定所述换热器的传热效率，确立所述换热器在一段时间内的传热效率趋势，检测传热效率趋势的变化，并响应于所检测到的所述换热器的传热效率趋势的变化来控制所述泵。
附图和以下描述中阐述了一个或多个实例的细节。其它特征、目标及优点将从所述描述和所述图式以及从权利要求书显而易见。
附图说明
图1是示例性冷却水监测和控制系统的概念图。
图2是示出了含有多个换热器的示例性换热器网络的流程图，其中可以实现根据图1的冷却水监测和控制系统。
图3是示出示例性氨生产工艺的流程图，其中可以实现根据图1的冷却水监测和控制系统。
图4-7显示了换热器上的流动流的示例性原始温度数据和平滑温度数据。
图8显示了换热器的示例性冷却水流量数据，提供了图4-7中所示的温度数据。
图9是显示使用来自图4-8的平滑温度数据和流量数据计算的示例性传热系数的图表。
图10是显示使用来自图4–8的平滑温度数据和流量数据计算的，覆盖有周期性标记的示例性传热系数的图表。
图11显示了与图8中的流量数据相对应的冷却水流的示例性氧化还原电位(ORP)值。
图12-15显示了另一示例性换热器上的流动流的示例性原始温度数据和平滑温度数据。
图16显示了换热器的示例性冷却水流量数据，提供了图12-15中所示的温度数据。
图17是显示使用来自图12-16的平滑温度数据和流量数据计算的示例性传热系数的图表。
具体实施方式
本公开总体上涉及冷却水监测和控制系统，包括用于控制向用于与一种或多种比较热的液流进行换热的冷却水源中添加一种或多种化学试剂的系统和技术。添加到冷却水中的所述一种或多种化学试剂可以防止或最小化与冷却水流体接触的换热表面上结垢沉积的程度。这可以提高其中实现控制冷却水化学药品添加的换热网络的设备的效率。
图1是示例性冷却水监测和控制系统100的概念图。系统100包括冷却塔102、一个或多个换热器104和泵106，泵106可以将一种或多种化学试剂引入到通过换热网络再循环的冷却水流中。在操作中，较热的工艺流和较冷的冷却水流可以通过换热器104。流体可以被换热器内的固体壁表面隔开，以防止流体混合。热能可以从比较热的工艺流转移到比较冷的冷却水流，从而导致工艺流的温度降低而冷却水流的温度升高。虽然为了说明的目的，图1的示例性系统仅包括单个换热器104，但是利用本公开的概念的换热网络可以包括冷却水流串联或并行流过的多个换热器(例如，描述了与换热器104一样配置的换热器)。
在图1的实例中，换热器104包括冷却水入口108和冷却水出口110。换热器还包括工艺流入口112和工艺流出口114。冷却水流116可以通过冷却水入口108进入换热器104，流过换热器内部一条或多条分开的通路，并通过冷却水出口110离开换热器。同样，工艺流118可以通过工艺流入口112进入换热器104，流过换热器内部与冷却水流隔开的一条或多条分开的通路，并通过工艺流出口114离开换热器。在一些配置中，冷却水流和工艺流沿顺流方向流过换热器。在其他配置中，工艺流中的冷却水流沿逆流方向流过换热器。一般而言，换热器104可以使用任何期望类型的换热器设计来实现，例如管壳式换热器、板式换热器或其他类型的热传递装置。
在示出的配置中，冷却水流116从上游冷却塔102输送到换热器104，并且在通过换热器之后循环回到冷却塔。如上所述，冷却水流116可在进入换热器104之前通过一个或多个换热器，和/或可在返回冷却塔102之前通过换热器104之后通过一个或多个换热器。在冷却塔102处，传递到流过传热回路的冷却水流的热能可以被去除并排放到大气中。例如，冷却塔102可以使冷却水流与空气直接接触，从而导致冷却水流的温度通过蒸发冷却而降低。冷却水可以在被抽出并通过换热网络之前输送到贮槽或储罐。
除了通过蒸发失水以外，还可以定期地从换热系统中去除冷却水。排放管线120可用于在系统运行时“放空”贮槽或储罐的一部分水，或者可进行“排放”，这通常是对贮槽进行完全排空。在任何情况下，“补给”水管线122均可向冷却系统供给新鲜水，以补充通过蒸发或故意倾倒而失去的水分。
实际上，各种各样的问题都可以从换热器的冷却水侧影响换热器104的热性能。例如，如果冷却水含有高水平的固体(例如淤泥、碎屑)，则这些固体可以部分或完全堵塞通过换热器104的冷却水流体通路。例如，冷却水可导致在与冷却水接触的换热器104的内表面上形成沉积物。
例如，冷却水的蒸发可导致循环通过系统的冷却水流中的盐(例如钙、钠、镁)浓缩。这些盐可以在与冷却水接触的换热器104的表面上形成水垢沉积物。再如，如果冷却水包含有机材料和微生物，则生物膜可沉积在与冷却水接触的换热器104的表面上。再如，例如由于金属部(例如铁、铝和/或锌)的氧化，可在冷却水流中产生腐蚀产物。这些腐蚀产物也可沉积在与冷却水接触的换热器104的表面上。与结垢的机制或原因无关，阻挡层在与冷却水接触的换热器104的表面上的积聚可降低通过换热器的传热效率。
为了帮助减少或消除通过传热网络的冷却水流中的潜在结垢情况，可以将一种或多种化学药品添加到冷却水中以抑制污垢的形成和/或沉积。在图1的配置中，系统100包括流体连接至化学添加剂储罐124的泵106。泵106可以运行以将一种或多种化学药品添加到冷却水中，所述化学药品是选择用于抑制污垢在与冷却水接触的表面上形成和/或沉积的。可以注入冷却水中的示例化学添加剂包括但不限于聚合物(阻垢剂)、有机磷化合物如聚磷酸锌、正磷酸锌和/或有机磷化锌化合物)(阻垢剂和阻蚀剂)和杀菌剂。另外或可替代地，可以将一种或多种化学添加剂注入冷却水中以调节冷却水的pH。pH调节化合物的实例包括无机酸、有机酸和无机碱。
在图1的所示配置中，将泵106示出为向冷却塔102和换热器104之间的冷却水中添加化学添加剂。实际中，化学添加剂可以在任何合适的位置(例如与冷却塔相关联的贮槽)处引入冷却水流中。而且，虽然图1中的系统100示出了与单个化学添加剂储罐124流体耦合的单个泵106，但是泵106可以与含有不同化学药品的多个储罐选择性地流体连通，和/或系统100可以包括多个泵，每个泵都配置成将不同化学药品引入冷却水中。通过提供多种不同的化学添加剂，包括以上讨论的那些中的一些或全部，可以基于冷却水变化的条件而改变引入冷却水中的化学药品的类型。
为了控制向系统100中的冷却水中添加化学添加剂，可以监测换热器104的热性能。可以监测换热器104的热性能，以评估热能从比较热的工艺流转移至比较冷的冷却水流的效率。当换热器最初被清洁时，换热器104的热传递效率可以最大。例如，可以定期使用化学和/或机械清洁工具清洁换热器104，以去除交换器的工艺侧和/或冷却侧上的结垢，只要换热器的换热表面是清洁的并且基本上或完全不结垢即可。随着使用时间的推移，结垢沉积物可积聚在换热器传热表面的工艺流侧和/或冷却水流侧。因此，在从一次清洁到下一次清洁的使用过程中，换热器104的传热效率可恶化。
为了帮助监测换热器104的传热效率，可以部署多个传感器以监测换热器的不同运行方面。在图1的实例中，系统100包括测量冷却水流116和3换热器104的温度的温度传感器126和测量离开换热器的冷却水流的温度的温度传感器128。该系统还包括测量进入换热器104的工艺流118的温度的温度传感器130和测量离开换热器的工艺流的温度的温度传感器132。虽然将温度传感器示意性地示出为靠近换热器104定位，但是温度传感器可以定位在换热器的上游或下游位置，只要温度传感器提供进入或离开换热器的相应液流的温度的适当准确的测量值即可。
系统100可以包括附加的和/或不同的传感器以测量换热器104的不同运行参数。例如，该系统可以包括一个或多个流量传感器，以测量冷却水流116和/或工艺流118的流量。在所示实例中，系统100显示了流量传感器134，该流量传感器134定位成测量离开换热器104的冷却水流的流量。在其他实例中，冷却水流116和/或工艺流118的流量可以基于泵速或运行环境内指示通过换热器输送的流体量的其他信息来确定。可以在系统100中有用地使用的其他传感器包括压力传感器(例如，以测量穿过换热器的冷却水流和/或工艺流的压差)、氧化还原电势(ORP)传感器以测量冷却水的ORP、pH传感器以测量冷却水的pH和/或导电传感器以测量冷却水的电导率。
图1的实例中的系统100还包括控制器136。控制器136可以与系统100的传感器组件和可控组件通信连接，以管理系统的整体运行。例如，控制器136可以与泵106、冷却水入口温度传感器126、冷却水出口温度传感器128、工艺流入口温度传感器130、工艺流出口温度传感器132和流量传感器134通信连接。
控制器136包括处理器138和存储器140。控制器136通过有线或无线连接与通信连接的组件通信，在图1的实例中，示为有线连接。从控制器136发送并由控制器接收的控制信号可以经连接传播。存储器140存储用于运行控制器136的软件，并且还可以存储由处理器138生成或接收的，例如从温度传感器126、128、130、132和流量传感器134接收的数据。处理器138运行存储在存储器140中的软件以管理系统100的操作。
控制器136可以使用一个或多个控制器来实现，所述控制器可以位于包含换热器104的设备现场。控制器136可以经由网络144与一个或多个远程计算设备142通信。例如，控制器136可以与地理分布的云计算网络通信，云计算网络可以进行本公开中归因于控制器136的任何或所有功能。
网络144可以配置成将一个计算设备耦合至另一计算设备，以使所述装置能够一起通信。可以使网络144能够采用任何形式的计算机可读介质将信息从一个电子装备与另一电子设备通信。此外，网络144除了局域网(LAN)、广域网(WAN)、直接连接(例如通过通用串行总线(USB)端口)、其他形式的计算机可读介质或其任意组合之外，还可以包括无线接口和/或有线接口(例如Internet)。在一组互连的LAN(包括基于不同体系结构和协议的LAN)上，路由器可以充当LAN之间的链路，使消息能够彼此发送。LAN内的通信链路可以包括绞合线对或同轴电缆，而网络之间的通信链路可以利用模拟电话线、全或部分专用数字线、综合业务数字网(ISDN)、数字用户线(DSL)，无线链路(包括蜂窝的和卫星链接)或其他通信链路。此外，远程计算机和其他相关电子设备可以经由调制解调器和临时电话链路远程连接到LAN或WAN。
在操作中，温度传感器126、128、130和132可以生成指示进入或离开换热器104的相应流体流的温度的数据。同样，流量传感器134可以生成指示离开换热器104的冷却水流量的数据。控制器136可以从整个系统100中部署的传感器接收数据，并使用由传感器生成的数据来确定换热器104的传热效率。参考存储器中存储的，将接收到的温度信息和/或流量信息与传热效率值联系起来的信息，控制器136可以确定换热器的传热效率值。
在一些实例中，控制器136可以使用以下方程式(1)来确定换热器104的传热效率：
方程式1：
Figure BDA0002407237700000081
在上面的方程式(1)中，U值是传热效率，
Figure BDA0002407237700000084
是单位时间冷却水流的质量，Cp是冷却水流的比热，ΔT水是离开所述换热器的冷却水流的温度与进入换热器的冷却水流的温度之差，传热面积是工艺流与冷却水流之间传输热能的换热器的表面积的量，Ft是与换热的几何形状相对应的校正因子并且ΔTLMTD是对数平均温差。诸如冷却水流的比热、换热器104的传热面积和校正因子之类的参数可以存储在存储器中和/或可基于存储器中存储的信息来计算。例如，用户可以使用用户输入设备将与冷却水流的比热(例如，水的比热)以及对应于换热器104的几何形状的特征相对应的信息存储在控制器136的存储器140中。
可以使用下面的方程式(2)或(3)来计算以上方程式(1)中的对数平均温差。
方程式2：
Figure BDA0002407237700000082
方程式3：
Figure BDA0002407237700000083
方程式(2)可用于冷却水流和工艺流沿逆流方向流动的情况。方程式(3)可用于冷却水流和工艺流沿顺流方向流动的情况。在方程式(2)和(3)中，T进入的工艺流是由温度传感器130测量的进入所述换热器的工艺水流的温度，T离开的工艺流是由温度传感器132测量的离开所述换热器的工艺流的温度，t进入的水流是由温度传感器126测量的进入所述换热器的冷却水流的温度，并且t离开的水流是由温度传感器128测量的离开所述换热器的冷却水流的温度。
控制器136可以从系统100中的传感器接收数据，并连续地或定期地确定换热器104的传热效率。例如，控制器136可以确定换热器104的传热效率每天至少一次，例如每小时至少一次，每分钟至少一次或每秒至少一次。控制器136计算换热器104的传热效率的频率可以根据系统100中传感器的采样率，控制器136的处理能力和/或来选择应计算传热效率的频率的操作人员输入而变化。
实际上，理想的是，换热器104表现出在换热器的服务间隔期间仍然较高(例如，基本恒定)的高传热效率。然而，实际上，换热器104的传热效率可能随时间而降低，因为在换热器的工艺流侧和/或在换热器的冷却水侧污垢积聚。通过监测换热器上污垢积聚的速率和换热器的热效率变化的相应速率，可以通过控制泵106采取干预措施以控制响应于检测到热效率的变化而向冷却水流中添加一种或多种化学添加剂。
在一些实例中，控制器136确立换热器104在一段时间内的传热效率趋势。确立传热效率趋势的时间段可以始于换热器首次投入使用(例如，是新的或在清洁之后)时。这是在换热器104最不可能结垢的时候。可替代地，确立传热效率趋势的时间段可以始于换热器投入使用一段时间之后。例如，传热效率趋势可以始于冷却水流发生变化(例如，放空之后)和/或流过换热器104的工艺流发生变化(例如温度、压力、组成变化)时。
与用于测量换热器104的传热效率趋势的时间段何时开始无关，控制器136可以在有效地提供传热效率行为的统计上合理的趋势的时间段内测量传热效率。例如，控制器136可以测量换热器104的传热效率至少5天，例如至少10天、至少20天或至少30天。在一些实例中，控制器136在范围从5天至100天的时间段内，例如从10天至45天的时间段内，测量换热器104的传热效率。在一些实例中，控制器136将传热效率测量为在先前一定天数内，例如5天至50天的持续期内的滚动平均值。
控制器136可以基于在测量期内接收到的传感器信息来生成传热效率值。控制器136还可以对在测量期内确定的传热效率值进行统计趋势分析，以鉴定换热器104的传热效率的趋势。
在一些实例中，控制器136可将曲线与在图的y轴上绘制的传热效率值拟合，而在图的x轴上绘制相应的测量时间。在一个实例中，曲线具有形式y＝m*x+b的单阶方程(也称为一阶方程)，其中y是传热效率，x是时间，m是曲线的斜率，b是曲线的截距。曲线的斜率“m”可以作为与换热器104的传热效率相对应的趋势存储在与控制器136相关联的存储器中。在其他实例中，高阶多项式曲线可以与数据拟合。
在一些实例中，在计算传热效率之前，控制器136处理从传感器126、128、130和132接收的温度数据和/或从传感器134接收的流量数据。例如，控制器136可以使用统计平滑算法使数据平滑以从数据中去除噪声和离群值。然后控制器136可以使用平滑温度值来确定传热效率。可替代地，控制器136可以计算原始数据的传热效率值，并对计算出的传热效率值应用平滑算法。可以使用平滑数据进行后续趋势分析和变化检测。
在确立传热效率趋势之后，控制器136可以继续从系统100中的传感器接收测量值并基于所接收的传感器数据生成传热效率值。控制器136可以将换热器104的传热效率信息与为换热器确定的传热效率趋势进行比较，并检测传热效率趋势是否存在变化。例如，控制器136可以确定测量期的传热效率趋势，并将该趋势与早期确立的趋势进行比较。测量期可以比较短(例如，一天或更少)或更长(例如，一天或更多，例如一周或更多)。在控制器136将一阶方程式与基于从换热器104接收的数据计算的传热效率数据拟合的应用中，控制器可以确定在测量期内的传热效率的斜率。控制器136可以将换热器104在测量期内的传热效率趋势的斜率与早期确立的传热效率趋势的斜率进行比较。
控制器136可以确定在测量期的传热效率趋势是否与早期确立的传热效率趋势相差超过阈值量。阈值量可以大于或等于早期确立的传热效率值(例如，斜率)的1％，例如大于或等于早期确立的传热效率值的5％，大于或等于早期确立的传热效率值的10％，大于或等于早期确立的传热效率值的25％，或大于或等于早期确立的传热效率值的50％。例如，阈值量的范围可以是早期确立的传热效率值的1％至25％，例如5％至20％。
如果传热效率趋势偏离早期确立的传热效率趋势，则可能表明换热器在测量期结垢的速度比在早期运行期间更快。如果不进行处理，较快的结垢可能会降低换热器104的运行效率，潜在地需要在下一次计划清洁之前进行昂贵且计划外的关闭以清洁换热器。
为了帮助主动地响应于所检测到的热传递效率趋势的变化，控制器136可以响应于所检测到的热传递效率趋势的变化来控制泵106以控制向冷却水中添加化学添加剂。控制器136的处理器138可以将传热效率趋势的变化与存储器140中存储的一个或多个阈值进行比较，该阈值将不同的效率趋势变化与不同的添加剂控制方案相关联。在一些实例中，控制器136启动和/或停止泵106，或者增加和/或降低泵106的速率，以调节冷却水中的化学添加剂的浓度。启动泵106或增加泵106的工作速度可以增加冷却水中化学添加剂的浓度。如果检测到的变化指示传热效率趋势已经向负偏斜，这意味着换热器104的结垢速度比早期检测到的快，则这可能是有用的。停止泵106或降低泵106的运行速度可以降低冷却水中化学添加剂的浓度。如果检测到的变化表明传热效率趋势已经向正偏斜，这意味着换热器104的结垢速度比早期检测到的慢，从而可以使用更少的添加剂，则这可能是有用的。
在存在可用于引入冷却水中的多种不同化学添加剂的应用中，控制器136可基于检测到的热传递效率趋势的变化来选择一种或多种不同的化学添加剂以引入冷却水中。控制器136可通过控制将所述一种或多种不同的化学添加剂流体耦合至冷却水流的阀和/或泵来选择一种或多种不同化学添加剂。例如，控制器136可以基于检测到的传热效率趋势的变化和和可选地也基于其他传感器数据例如冷却水的ORP、pH和/或电导率来改变引入冷却水中的化学添加剂的类型和/或将化学添加剂引入冷却水中的速率。
在一些实例中，控制器136响应于检测到指示换热器104的传热效率趋势与早期确立的传热效率趋势相比已经减少超过阈值量的变化而启动泵106或增加泵106的运行速率。在调节引入冷却水中的化学添加剂之后，控制器136可以继续从系统100中的传感器接收数据并计算换热器104的传热效率。响应于检测到热传递效率趋势的改变，控制器136可以在对化学添加剂进行改变(例如，类型和/或速率)之后监视换热器104的热传递效率趋势。控制器136可以确定传热效率趋势是稳定(例如，保持基本恒定)，恢复到早期确立的趋势，还是进一步偏离早期确立的趋势。控制器136可以控制系统100以基于对传热效率的持续监控来进一步修改引入冷却水中的化学添加剂的类型和/或速率。例如，控制器136可以增加冷却水中的化学添加剂的量(例如，通过启动或增加泵106的速度)，至少直到换热器104的传热效率趋势呈现拐点为止。拐点可以对应于从传热效率的下降趋势(例如，表明结垢率正在增加)到上升趋势(例如，表明结垢率正在减少)的变化。
除了控制泵106之外或代替控制泵106，控制器136可在系统100内采取多种不同的控制措施以改变冷却水中化学添加剂的类型或浓度。例如，控制器136可以响应于检测到换热器的传热效率趋势的变化而增加冷却水流过换热器104的速率。例如，如果控制器136检测到换热器104的传热效率的绝对量突然变化和/或传热效率趋势显著降低(例如，指示快速结垢)，则这可能指示换热器由于淤泥、碎屑或其他大颗粒物而堵塞。因此，增加冷却水通过交换器的流量可以帮助冲洗留在换热器内的微粒物。控制器136可以控制将冷却水从与冷却塔102相关联的贮槽供至换热器104的泵(未示出)，以控制向换热器供给的冷却水的流量。
根据本公开的冷却水监测和控制系统可以在使用换热流体通过换热器与一种或多种工艺流传递热能的任何工艺中实现。可以流过换热器104的热侧的示例性工艺流包括但不限于原油、原油衍生物(例如，精制或部分精制的原油产物)以及氨生产工艺中的中间或最终产物。流过换热器104的热侧的工艺流通常可以是液相，但是也可以是气相，和/或液-气多相流。
如以上简要提到的，图1示出了仅包含单个换热器的示例性监视和控制系统，示例性应用可以包括串联和/或并联的多个换热器。图2是示出了含有多个换热器的示例性换热器网络的流程图，其中可以实现根据本公开的冷却水监测和控制系统。如该实例所示，多个换热器104A-104D与冷却塔102供给的冷却水流流体连接。冷却水并联流过换热器104A和104B，然后串联流过换热器104C-104E，然后返回冷却塔。
在网络中存在多个换热器的应用中，一个或多个换热器(以及任选地，所有换热器)可包括如连同图1中的换热器104一起描述的传感器。控制器136可以从传感器接收数据，并确定每个连接的换热器的传热效率。控制器136可以检测至少一个以及任选多个正在监测的换热器的传热效率趋势的变化，并且基于检测到的趋势来控制向冷却水流中添加化学添加剂。例如，控制器136可以在检测到单个换热器的传热效率趋势的变化(例如，超过阈值量)时控制泵106以改变引入冷却水流中的化学添加剂的类型和/或量。可选地，控制器136可以在检测到多个换热器的传热效率趋势的变化(例如，超过阈值量)时控制泵106以改变引入冷却水流中的化学添加剂的类型和/或量。在后一个实例中，与从一个特定换热器接收错误的传感器数据相反，检测到多个换热器变化的传热效率趋势可能指示实际上正在发生变化的结垢状况。
图3是示出示例性氨生产工艺的流程图。如所示的实例中，该示例性工艺包括多个冷却换热器，冷却水可通过这些换热器进行输送。可以使用本文所述的技术和系统来监测这些示例性换热器中的一个或多个(例如，全部)，并基于换热器效率趋势来控制加入冷却水流中的化学添加剂。
本公开中描述的技术可以至少部分地在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。例如，所述技术的各个方面可以在一个或多个处理器内实现，包括一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或任何其他等效的集成或离散逻辑电路，以及此类组件的任何组合。术语“处理器”通常可以指单独的或与其他逻辑电路或任何其他等效电路组合的任何前述逻辑电路。包括硬件的控制单元也可以进行本公开的一种或多种技术。
此类硬件、软件和固件可以在同一装置内或在单独的装置内实现，以支持本公开中描述的各种操作和功能。另外，所述单元、模块或组件中的任一种都可以一起实现或单独作为离散但可互操作的逻辑装置实现。将不同特征描绘为模块或单元旨在突出不同的功能方面，不一定暗示必须通过单独的硬件或软件组件来实现此类模块或单元。相反，可以通过单独的硬件或软件组件来进行与一个或多个模块或单元相关联的功能，或者可以将其整合在共同或单独的硬件或软件组件内。
本公开中所描述的技术还可在计算机可读介质中实施或编码，例如含有指令的非暂时性计算机可读存储介质。嵌入或编码在计算机可读存储介质中的指令可以使可编程处理器或其它处理器进行所述方法，例如，当执行指令时。非易失性计算机可读存储介质可以包括易失性和/或非易失性存储器形式，包括例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、电子可擦可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、硬盘、CD-ROM、软盘、盒带、磁性介质、光学介质或其他计算机可读介质。
以下实例可以提供关于根据本公开的冷却水监测系统和技术的其他细节。
实例
实例1–氨设备
温度传感器安装在氨设备的换热器上，以测量流向换热器的流动流的入口和出口温度以及通过换热器入口的冷却水的流量。换热器是合成气冷却器，使合成气通过换热器的热侧或工艺侧，而冷却水流过换热器的冷侧。换热器是逆流壳管式换热器。合成气以大约99,000lb/小时的目标流量供至换热器的壳侧，而冷却水以大约1,000,000lb/小时的目标流量供给。
冷却水从冷却塔供给，该冷却塔的再循环速率为大约80,000加仑/分钟。冷却塔的容量为大约500,000加仑并且显示出的温差为12华氏度。冷却水显示出0.5ppm为Cl2的FRC。首先用三种化学添加剂的组合控制冷却水：以35ppm的浓度提供的阻蚀剂(
Figure BDA0002407237700000131
3DT129)，以75ppm的浓度提供的阻垢剂(
Figure BDA0002407237700000132
3DT191)和以10ppm的浓度提供的黄色金属抑制剂(
Figure BDA0002407237700000133
3DT199)。
使用范围为0.1的局部回归对来自换热器的温度数据进行平滑处理。图4是冷却水入口温度(华氏度)相对于时间的图表，显示了原始测量数据200以及覆盖的平滑数据202。图5是冷却水出口温度(华氏度)相对于时间的图表，显示了原始测量数据204以及覆盖的平滑数据206。图6是工艺流入口温度(华氏度)相对于时间的图表，显示了原始测量数据208以及覆盖的平滑数据210。图7是工艺流出口温度(华氏度)相对于时间的图表，显示了原始测量数据212以及覆盖的平滑数据214。图8是显示示例性时间段内的冷却水流量(加仑/分钟)的图表。
使用安装在换热器上的温度传感器产生的平滑温度数据计算出传热效率值和趋势。传热效率趋势用于控制冷却水系统，包括引入冷却水中的化学添加剂。图9是显示使用示例性时间段内的平滑温度数据计算的传热系数的图表。这些数据中的尖峰谷对应于水流量降低时。
图10显示了基于示例日期范围内接收到的温度和流量数据为换热器计算的传热系数。图11显示了在相同的示例日期范围内冷却水流的氧化还原电位(ORP)，其指示冷却水中的杀生物化学添加剂的浓度。图10和11中的数据分为五个周期的实验分析。在第一周期，确立了确立传热效率趋势的数据。数据显示了传热效率的下降趋势。在第二周期中，冷却水流量增加，导致换热器的传热系数与流量变化成比例地增加。在第三周期，监测传热效率的趋势并观察到降低。
传热系数的变化趋势，尤其是在第三周期结束时，表明结垢状况正在加速。因此，开始采取干预措施。对冷却水进行评估，并提出微生物生物污垢是结垢的原因。在阶段4中，冷却水中杀生物剂的剂量增加，导致传热系数增加。为了了解这种传热改善是否响应于在检测到传热系数或其他一些因素的变化趋势后开始的杀生物剂剂量增加，在阶段5中降低了杀生物剂的剂量。数据表明，传热系数再次降低。
实例2–乙烯设备
温度传感器安装在乙烯设备的换热器上，以测量流向换热器的流动流的入口和出口温度以及通过换热器入口的冷却水的流量。换热器使丙烯流通过换热器的热侧或工艺侧，而冷却水则流过换热器的冷侧。换热器是逆流壳管式换热器。丙烯以大约270,000lb/小时的目标流量供至换热器的壳侧，而冷却水以大约4,600,000lb/小时的目标流量供给。
冷却水从冷却塔供给，该冷却塔的再循环速率为大约85,000加仑/分钟。冷却塔的容量为大约1,000,000加仑并且显示出的温差为10华氏度。冷却水显示出0.5ppm为Cl2的FRC。首先用三种化学添加剂的组合控制冷却水：以37ppm的浓度提供的阻蚀剂(
Figure BDA0002407237700000151
3DT177)，以28ppm的浓度提供的阻垢剂(
Figure BDA0002407237700000152
3DT390)和以10ppm的浓度提供的黄色金属抑制剂(
Figure BDA0002407237700000153
3DT197)。
使用范围为0.05的局部回归对来自换热器的温度数据进行平滑处理。图12是冷却水入口温度(华氏度)相对于时间的图表，显示了原始测量数据220以及覆盖的平滑数据222。图13是冷却水出口温度(华氏度)相对于时间的图表，显示了原始测量数据224以及覆盖的平滑数据226。图14是工艺流入口温度(华氏度)相对于时间的图表，显示了原始测量数据228以及覆盖的平滑数据230。图15是工艺流出口温度(华氏度)相对于时间的图表，显示了原始测量数据232以及覆盖的平滑数据234。图16是显示示例性时间段内的冷却水流量(加仑/分钟)的图表。水流量的阶跃变化是由于有意降低水流量引起的。
使用安装在换热器上的温度传感器产生的平滑温度数据计算出传热效率值和趋势。传热效率趋势用于控制冷却水系统，包括引入冷却水中的化学添加剂。图17是显示使用示例性时间段内的平滑温度数据计算的传热系数的图表。
在该实例中，测量期间的传热系数趋势基本平坦。但是，在监测期间，观察到冷却水流速逐渐降低。这种行为的组合暗示了换热器中的碎屑/淤积，仅通过添加化学物质就无法有效解决。而是，可能需要冲洗换热器和/或清除换热器，以去除累积的碎屑/淤积。从数据中得出的结论在工厂停运期间打开了换热器并进行了目视检查时得到了证实。

Claims (32)

1.一种控制冷却水处理的方法，其包括：
从多个传感器接收至少指示进入换热器的冷却水流的温度、离开所述换热器的冷却水流的温度、进入所述换热器的工艺流的温度、以及离开所述换热器的工艺流的温度的数据；
基于从所述多个传感器接收到的数据确定所述换热器的传热效率；
确立所述换热器在一时间段内的传热效率趋势；
检测所述传热效率趋势的变化；和
响应于所检测到的所述换热器的所述传热效率趋势的变化来控制向所述冷却水流中添加化学添加剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
确立所述传热效率趋势包括将一阶曲线与在所述时间段内确定的所述换热器的传热效率拟合，所述一阶曲线具有斜率，并且
检测所述传热效率趋势的变化包括确定所述斜率的变化等于还是大于阈值量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述阈值量的范围从1％到25％。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的方法，其中所述阈值量的范围从5％到20％。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确立所述换热器在所述时间段内的传热效率趋势包括在所述时间段内至少每天一次测定所述换热器的传热效率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述换热器的传热效率包括根据以下方程式确定所述传热效率：
U值：
Figure FDA0002407237690000011
其中U值是传热效率，
Figure FDA0002407237690000012
是单位时间冷却水流的质量，Cp是冷却水流的比热，ΔT水是离开所述换热器的冷却水流的温度与进入换热器的冷却水流的温度之差，传热面积是工艺流与冷却水流之间传输热能的换热器的表面积的量，Ft是与换热的几何形状相对应的校正因子，ΔTLMTD是在所述冷却水流和所述工艺流沿逆流方向流动时，使用以下方程式计算的对数平均温差：
Figure FDA0002407237690000021
或在冷却水流和工艺流沿顺流方向流动时使用以下方程式计算的对数平均温差：
Figure FDA0002407237690000022
其中T进入的工艺流是进入所述换热器的工艺水流的温度，T离开的工艺流是离开所述换热器的工艺流的温度，t进入的水流是进入所述换热器的冷却水流的温度，t离开的水流是离开所述换热器的冷却水流的温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述时间段的范围是5天至100天。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述时间段的范围是10天至45天。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述时间段开始于所述换热器在清洁后投入使用时。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在接收进入所述换热器的冷却水流的换热器入口上游的冷却塔处注入所述化学添加剂。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中控制加入所述化学添加剂包括增加所述化学添加剂被引入到所述冷却水流中的流速。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中控制加入所述化学添加剂包括增加所述冷却水中化学添加剂的浓度，至少直到所述传热效率趋势表现出从下降趋势到上升趋势的拐点。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括响应于检测到所述传热效率趋势的变化而增加所述冷却水的流量。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括确定所述冷却水中存在的污垢的类型，并基于所确定的污垢的类型选择所述化学添加剂。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括使对应于进入所述换热器的冷却水流的温度、离开所述换热器的冷却水流的温度、进入所述换热器的工艺流的温度以及离开所述换热器的工艺流的温度的数据平滑，
其中确定所述传热效率包括使用平滑温度值确定所述传热效率。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述化学添加剂选自水垢抑制剂、腐蚀抑制剂、杀生物剂及其组合。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
从所述多个传感器接收数据包括从接收所述冷却水流的多个换热器中每个的所述多个传感器接收数据，
确定所述传热效率包括确定所述多个换热器中每个的传热效率；
确立所述传热效率趋势包括确立所述多个换热器中每个的传热效率趋势；和
检测所述传热效率趋势的变化包括检测所述多个换热器中至少一个的传热效率趋势的变化。
18.根据权利要求17所述的方法，其中
检测所述传热效率趋势的变化包括检测所述多个换热器中每个的传热效率趋势的变化，和
控制向所述冷却水流中添加化学添加剂的步骤包括响应于所检测到的所述多个换热器中每个的所述传热效率趋势的变化控制向所述冷却水流中添加化学添加剂。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述工艺流包括原油或其衍生物。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述换热器整合到氨生产工艺中。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述换热器选自壳管式换热器和板式换热器。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述工艺流包括结垢材料，其沉积在所述换热器中，造成传热效率在所述时间段降低，所述冷却水流包括结垢材料，其沉积在所述换热器中，造成传热效率在所述时间段降低，并且所述工艺流中沉积的所述结垢材料导致所述传热效率在所述时间段内至少下降75％。
23.一种系统，其包括：
冷却塔，其通过蒸发冷却降低冷却水流温度；
换热器，其具有冷却水入口、冷却水出口、工艺流入口和工艺流出口；
多个传感器，其定位成测量通过所述冷却水入口进入所述换热器的冷却水流的温度、通过所述冷却水出口离开所述换热器的冷却水流的温度、通过所述工艺流入口进入所述换热器的工艺流的温度、以及通过所述工艺流出口离开所述换热器的工艺流的温度；
泵，其定位成将化学添加剂注入所述冷却水流中；和
控制器，其与所述多个传感器和所述泵通信耦合，并且配置为：从所述多个传感器接收数据，基于从所述多个传感器接收到的数据确定所述换热器的传热效率，确立所述换热器在一时间段内的传热效率趋势，检测传热效率趋势的变化，并响应于检测到的所述换热器的传热效率趋势的变化控制所述泵。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述控制器被配置成：
确立所述传热效率趋势至少通过将一阶曲线与在所述时间段内确定的所述换热器的传热效率拟合，所述一阶曲线具有斜率，并且
检测所述传热效率趋势的变化至少通过确定所述斜率的变化等于还是大于阈值量。
25.根据权利要求23或24中任一项所述的系统，其中所述控制器被配置为至少通过在所述时间段内至少每天一次测定所述换热器的传热效率确立所述换热器在所述时间段内的传热效率趋势。
26.根据权利要求23-25中任一项所述的系统，其中所述时间段的范围为5天至100天并且开始于所述换热器在清洁后投入使用时。
27.根据权利要求23-26中任一项所述的系统，其中所述控制器被配置为至少通过根据以下方程式确定所述传热效率确定所述换热器的传热效率：
U值：
Figure FDA0002407237690000051
其中U值是传热效率，
Figure FDA0002407237690000054
是单位时间冷却水流的质量，Cp是冷却水流的比热，ΔT水是离开所述换热器的冷却水流的温度与进入换热器的冷却水流的温度之差，传热面积是工艺流与冷却水流之间传输热能的换热器的表面积的量，Ft是与换热的几何形状相对应的校正因子，ΔTLMTD是在所述冷却水流和所述工艺流沿逆流方向流动时，使用以下方程式计算的对数平均温差：
Figure FDA0002407237690000052
或在冷却水流和工艺流沿顺流方向流动时使用以下方程式计算的对数平均温差：
Figure FDA0002407237690000053
其中T进入的工艺流是进入所述换热器的工艺水流的温度，T离开的工艺流是离开所述换热器的工艺流的温度，t进入的水流是进入所述换热器的冷却水流的温度，t离开的水流是离开所述换热器的冷却水流的温度。
28.根据权利要求23-27中任一项所述的系统，其中所述控制器被配置成响应于检测到的所述换热器的传热效率趋势的变化通过至少增加将所述化学添加剂引入所述冷却水流中的流速控制所述泵。
29.根据权利要求23-28中任一项所述的系统，其中所述控制器被配置为通过至少增加所述冷却水中所述化学添加剂的浓度控制所述化学添加剂的加入，至少直到所述传热效率趋势表现出从下降趋势到上升趋势的拐点。
30.根据权利要求23-29中任一项所述的系统，其中所述控制器还被配置为使对应于进入所述换热器的冷却水流的温度、离开所述换热器的冷却水流的温度、进入所述换热器的工艺流的温度以及离开所述换热器的工艺流的温度的数据平滑，和
其中所述控制器被配置为通过至少使用平滑的温度值确定传热效率来确定传热效率。
31.根据权利要求23-30中任一项所述的系统，其中所述换热器是壳管式换热器。
32.权利要求23-31中任一项所述的系统用于监测和控制冷却水的用途。
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