ES2928141T3 - Método para monitorear y controlar el agua de enfriamiento - Google Patents

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Abstract

Un método para controlar el tratamiento del agua de refrigeración en una torre de refrigeración puede implicar medir los datos operativos de uno o más intercambiadores de calor aguas abajo que reciben agua de refrigeración de la torre de refrigeración. Por ejemplo, se pueden medir las temperaturas de entrada y salida de las corrientes caliente y fría de un intercambiador de calor aguas abajo, opcionalmente junto con el caudal de la corriente de agua de refrigeración que pasa a través del intercambiador de calor. Los datos de las corrientes que pasan a través del intercambiador de calor pueden usarse para determinar una eficiencia de transferencia de calor para el intercambiador de calor. Se puede determinar la tendencia de la eficiencia de transferencia de calor durante un período de tiempo y se pueden detectar cambios en la tendencia para identificar problemas de contaminación del agua de refrigeración. Un aditivo químico seleccionado para reducir, eliminar o controlar de otro modo el ensuciamiento del agua de refrigeración puede controlarse en función de los cambios en la eficiencia de transferencia de calor detectados en el intercambiador de calor aguas abajo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método para monitorear y controlar el agua de enfriamiento
Referencia cruzada
Esta solicitud reclama prioridad para Solicitud de patente provisional de Estados Unidos n.° 62/560,595, presentada el 19 de septiembre de 2017.
Campo técnico
Esta invención se refiere a sistemas de agua de enfriamiento y, más particularmente, a sistemas de control de agua de enfriamiento.
Antecedentes
Las torres de enfriamiento por agua se utilizan en sistemas de intercambio de calor de gran capacidad, como los que se encuentran en refinerías de petróleo y plantas de producción química. Las torres de enfriamiento se utilizan para eliminar el calor absorbido de un refrigerante de agua en circulación al evaporar una parte del refrigerante en la torre de enfriamiento. El refrigerante restante se puede extraer de un depósito o sumidero en la base de la torre mediante una bomba y suministrarse a través de la carga de calor de manera continua. Debido a que una gran cantidad de agua se evapora en un sistema de este tipo, se pueden acumular incrustaciones, sedimentos u otros contaminantes del agua en el agua de recirculación con el tiempo.
Para ayudar a prevenir o limitar el grado en que se producen incrustaciones en las superficies en contacto con el agua de enfriamiento recirculante, se pueden añadir varios productos químicos al agua de enfriamiento. Los productos químicos pueden inhibir la precipitación de minerales fuera del agua, que de lo contrario pueden formar incrustaciones en las superficies en contacto con el agua. Además, o alternativamente, los productos químicos pueden inhibir las fuentes de bioincrustaciones y/o la deposición de productos de corrosión en las superficies en contacto con el agua.
En un entorno operativo típico, un técnico puede tomar muestras de agua de enfriamiento del sistema de agua de enfriamiento y realizar un análisis químico de las muestras. El técnico puede ajustar el tipo de químico agregado al agua de enfriamiento según el análisis. A menudo, el técnico solo puede estar en las instalaciones para realizar análisis de agua de enfriamiento de forma limitada, como una vez al mes o una vez al trimestre. Como resultado, es posible que los cambios en las condiciones del proceso de la instalación no se detecten hasta algún tiempo después de que se hayan modificado las condiciones del proceso. Además, incluso cuando se cambia la química del agua de enfriamiento para tener en cuenta las condiciones de proceso modificadas, dichas cargas son generalmente cambios reactivos en lugar de predictivos para evitar condiciones indeseables del agua de enfriamiento. Un método para controlar el tratamiento del agua de enfriamiento de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 se conoce a partir del documento WO 2011/106712 A2.
Resumen
En general, esta invención está dirigida a técnicas y sistemas para monitorear y controlar el agua de enfriamiento. En algunos ejemplos, las condiciones del agua de enfriamiento en el circuito de agua de enfriamiento se monitorean y/o controlan indirectamente mediante la evaluación del rendimiento térmico de una o más unidades de transferencia de calor aguas abajo a través de las cuales se transporta el agua de enfriamiento. Por ejemplo, una red de intercambiadores de calor puede incluir una o más torres de enfriamiento que están conectadas de forma fluida y suministran agua de enfriamiento a múltiples intercambios de calor. El agua de enfriamiento puede pasar a través de un lado de cada intercambiador de calor mientras que un fluido de proceso a enfriar pasa a través de un lado opuesto del intercambiador de calor, ya sea en una dirección de corriente paralela o contracorriente.
En algunos ejemplos, el desempeño térmico de uno o más de los intercambiadores de calor en la red de intercambiadores de calor se monitorea al monitorear las temperaturas de entrada y salida tanto de la corriente de proceso como de la corriente de agua de enfriamiento que pasa a través del intercambiador de calor. También pueden controlarse otros parámetros del proceso, como el caudal de la corriente de agua de enfriamiento y/o la corriente del proceso. En cualquier caso, se puede determinar un parámetro correspondiente a la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor basándose, al menos en parte, en los datos de temperatura. Se puede establecer una tendencia de la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor para proporcionar una referencia a partir de la cual se puedan determinar futuras desviaciones de la tendencia. La eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor se puede monitorear posteriormente y se pueden detectar cambios en la eficacia de transferencia de calor. Los aditivos químicos introducidos en la corriente de agua de enfriamiento se pueden controlar en función de los cambios detectados en la tendencia de eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor. Como resultado, los cambios inesperados en la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor causados por las condiciones del agua de enfriamiento pueden detectarse temprano y pueden mitigarse mediante el control de aditivos químicos en lugar de esperar hasta que las condiciones se deterioren por completo hasta el punto de que el rendimiento del intercambiador de calor sea materialmente limitado.
En la práctica, la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor puede variar en función de una variedad de factores que afectan la eficiencia con la que la energía térmica puede transferirse desde la corriente de proceso comparativamente caliente a la corriente de agua de enfriamiento comparativamente fría. Por ejemplo, el ensuciamiento depositado en las superficies del intercambiador de calor en contacto con el vapor del proceso puede reducir la transferencia térmica a la corriente de agua de enfriamiento. Asimismo, el ensuciamiento depositado en las superficies del intercambiador de calor en contacto con la corriente de agua de enfriamiento también puede reducir la transferencia térmica a la corriente de agua de enfriamiento.
En muchos entornos de proceso, el vapor de proceso es una corriente más propensa a ensuciarse que la corriente de agua de enfriamiento. Como resultado, la acumulación de suciedad en el lado de la corriente de proceso del intercambiador de calor puede ser significativamente mayor que en el lado de la corriente de agua de enfriamiento del intercambiador de calor. Por ejemplo, según las condiciones de funcionamiento, la acumulación de incrustaciones en el lado del proceso del intercambiador de calor puede provocar una degradación del 75 % o más del rendimiento de la eficiencia térmica del intercambiador de calor en comparación con cuando el intercambiador de calor está limpio (por ejemplo, el lado del proceso y/o el lado del agua de enfriamiento). Por ejemplo, la acumulación de suciedad en el lado del proceso del intercambiador de calor puede provocar una degradación del 95 % o más del rendimiento de la eficiencia térmica del intercambiador de calor.
A pesar del impacto dominante que el ensuciamiento del lado del proceso puede tener en la eficiencia térmica del intercambiador de calor, se ha descubierto que, en algunas aplicaciones, la eficiencia térmica del intercambiador de calor aún puede proporcionar información procesable sobre las condiciones de ensuciamiento del lado del agua de enfriamiento. Por ejemplo, los cambios en las tendencias de eficiencia térmica del intercambiador de calor (por ejemplo, cuando no ha habido cambios significativos en la composición, la temperatura y/o los caudales de la corriente del proceso que pasa por el intercambiador de calor) pueden atribuirse a condiciones de ensuciamiento en el lado del agua de enfriamiento del intercambiador de calor. El aditivo químico introducido en el agua de enfriamiento aguas arriba del intercambiador de calor se puede controlar en función de un cambio en la eficiencia térmica del intercambiador de calor detectado aguas abajo. En algunas aplicaciones, se proporciona monitoreo y control en tiempo real para facilitar una respuesta rápida a condiciones de eficiencia térmica del intercambiador de calor que se deterioran inesperadamente. Esta intervención rápida puede extender la vida útil del intercambiador de calor hasta la próxima limpieza física de una manera que no se puede lograr si el intercambiador de calor se ensucia por completo antes de detectar las condiciones de ensuciamiento.
Según la invención, se describe un método para controlar el tratamiento del agua de enfriamiento según la reivindicación 1. El método incluye recibir datos de una pluralidad de sensores indicativos de al menos una temperatura de una corriente de agua de enfriamiento que ingresa a un intercambiador de calor, una temperatura de la corriente de agua de enfriamiento que sale del intercambiador de calor, una temperatura de una corriente de proceso que ingresa al intercambiador de calor y una temperatura de la corriente de proceso que sale del intercambiador de calor. El método también implica determinar una eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor en base a los datos recibidos de la pluralidad de sensores y establecer una tendencia de eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor durante un período de tiempo. El método implica además detectar un cambio en la tendencia de eficacia de transferencia de calor y controlar la adición de un aditivo químico en la corriente de agua de enfriamiento en respuesta al cambio detectado en la tendencia de eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor.
En otro ejemplo que no está dentro del alcance de la invención, se describe un sistema que incluye una torre de enfriamiento, un intercambiador de calor, una pluralidad de sensores, una bomba y un controlador. La torre de enfriamiento reduce la temperatura de una corriente de agua de enfriamiento a través del enfriamiento por evaporación. El intercambiador de calor tiene una entrada de agua de enfriamiento, una salida de agua de enfriamiento, una entrada de corriente de proceso y una salida de corriente de proceso. La pluralidad de sensores están posicionados para medir la temperatura de una corriente de agua de enfriamiento que ingresa al intercambiador de calor a través de la entrada de agua de enfriamiento, la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento que sale del intercambiador de calor a través de la salida de agua de enfriamiento, la temperatura de una corriente de proceso que ingresa al intercambiador de calor a través de la entrada de la corriente del proceso, y una temperatura de la corriente del proceso que sale del intercambiador de calor a través de la salida de la corriente del proceso. La bomba se coloca aguas arriba del intercambiador de calor y se configura para inyectar un aditivo químico en la corriente de agua de enfriamiento. El controlador está acoplado comunicativamente a la pluralidad de sensores y la bomba y configurado para: recibir datos de la pluralidad de sensores, determinar una eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor en base a los datos recibidos de la pluralidad de sensores, establecer una eficacia de transferencia de calor tendencia para el intercambiador de calor durante un período de tiempo, detectar un cambio en la tendencia de eficacia de transferencia de calor y controlar la bomba en respuesta al cambio detectado en la tendencia de eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor.
Los detalles de uno o más ejemplos se exponen en los dibujos adjuntos y en la descripción más abajo. Otras características, objetos y ventajas serán evidentes a partir de la descripción y los dibujos y de las reivindicaciones.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es un diagrama conceptual de un sistema de monitoreo y control de agua de enfriamiento de ejemplo. La Figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de red de intercambiadores de calor que contiene múltiples intercambiadores de calor en los que un sistema de supervisión y control del agua de enfriamiento según la Figura 1 puede implementarse.
La Figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de proceso de producción de amoníaco en donde un sistema de control y seguimiento del agua de enfriamiento según la Figura 1 puede implementarse.
Las Figuras 4-7 muestra un ejemplo de datos de temperatura sin procesar y suavizados para corrientes de flujo en un intercambiador de calor.
La Figura 8 muestra datos de caudal de agua de enfriamiento de ejemplo para el intercambiador de calor que proporciona datos de temperatura ilustrados en las Figuras 4-7.
La Figura 9 es un gráfico que muestra ejemplos de coeficientes de transferencia de calor calculados utilizando los datos de temperatura suavizados y los datos de caudal de las Figuras 4-8.
La Figura 10 es un gráfico que muestra ejemplos de coeficientes de transferencia de calor calculados utilizando los datos de temperatura suavizados y los datos de caudal de las Figuras 4-8 superpuestos con marcadores de periodicidad.
La Figura 11 muestra valores de potencial de oxidación-reducción (ORP) de ejemplo para la corriente de agua de enfriamiento correspondientes a los datos de caudal de la Figura 8.
Las Figuras 12-15 muestran datos de temperatura sin procesar y suavizados de ejemplo para corrientes de flujo en otro intercambiador de calor de ejemplo.
La Figura 16 muestra datos de caudal de agua de enfriamiento de ejemplo para el intercambiador de calor que proporciona datos de temperatura ilustrados en las Figuras 12-15.
La Figura 17 es un gráfico que muestra ejemplos de coeficientes de transferencia de calor calculados utilizando los datos de temperatura suavizados y los datos de caudal de las Figuras 12-16.
Descripción detallada
Esta invención está generalmente dirigida a sistemas de monitoreo y control de agua de enfriamiento, incluyendo sistemas y técnicas para controlar la adición de uno o más agentes químicos a una fuente de agua de enfriamiento utilizada para el intercambio térmico con una o más corrientes comparativamente calientes. El uno o más agentes químicos añadidos al agua de enfriamiento pueden prevenir o minimizar el grado en que se depositan incrustaciones en las superficies de intercambio de calor en contacto fluido con el agua de enfriamiento. Esto puede mejorar la eficiencia de la instalación en la que se implementa la red de intercambiadores de calor con adición química controlada de agua de enfriamiento.
La Figura 1 es un diagrama conceptual de un sistema de control y monitoreo de agua de enfriamiento de ejemplo 100. El sistema 100 incluye una torre de enfriamiento 102, uno o más intercambiadores de calor 104 y una bomba 106 que puede introducir uno o más agentes químicos en una corriente de agua de enfriamiento que se recircula a través de la red de intercambiadores de calor. En funcionamiento, una corriente de proceso comparativamente caliente y una corriente de agua de enfriamiento comparativamente fría pueden pasar a través del intercambiador de calor 104. Los fluidos pueden estar separados por una superficie de pared sólida dentro del intercambiador de calor para evitar la mezcla de los fluidos. La energía térmica puede transferirse desde la corriente de proceso comparativamente caliente a la corriente de agua de enfriamiento comparativamente fría, lo que da como resultado una reducción de la temperatura de la corriente de proceso y un aumento de la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento. Mientras que el sistema de ejemplo de la Figura 1 incluye solo un único intercambiador de calor 104 con fines de ilustración, una red de intercambiadores de calor que utiliza los conceptos de la presente divulgación puede incluir múltiples intercambiadores de calor (por ejemplo, cada uno configurado como intercambiador de calor 104 se describe) a través de los cuales fluye una corriente de agua de enfriamiento en serie o en paralelo.
El intercambiador de calor 104 en el ejemplo de la Figura 1 incluye una entrada de agua de enfriamiento 108 y una salida de agua de enfriamiento 110. El intercambiador de calor también incluye una entrada de corriente de proceso 112 y una salida de corriente de proceso 114. Una corriente de agua de enfriamiento 116 puede ingresar al intercambiador de calor 104 a través de la entrada de agua de enfriamiento 108, fluir a través de una o más vías divididas dentro del intercambiador de calor y salir del intercambiador de calor a través de la salida de agua de enfriamiento 110. Asimismo, una corriente de proceso 118 puede ingresar al intercambiador de calor 104 a través de la entrada de corriente de proceso 112, fluir a través de una o más vías divididas dentro del intercambiador de calor que están separadas de la corriente de agua de enfriamiento y salir del intercambiador de calor a través de la salida de corriente de proceso 114. En algunas configuraciones, la corriente de agua de enfriamiento y la corriente de proceso fluyen en direcciones paralelas a través del intercambiador de calor. En otras configuraciones, la corriente de agua de enfriamiento en la corriente de proceso fluye en direcciones contracorriente a través del intercambiador de calor. En general, el intercambiador de calor 104 se puede implementar utilizando cualquier tipo deseado de diseño de intercambiador de calor, como un intercambiador de calor de carcasa y tubos, un intercambiador de calor de placas u otro tipo de dispositivo de transferencia térmica.
En la configuración ilustrada, la corriente de agua de enfriamiento 116 se envía al intercambiador de calor 104 desde una torre de enfriamiento aguas arriba 102 y se recicla de nuevo a la torre de enfriamiento después de pasar por el intercambiador de calor. Como se indicó anteriormente, la corriente de agua de enfriamiento 116 puede pasar a través de uno o más intercambiadores de calor antes de ingresar al intercambiador de calor 104 y/o a través de uno o más intercambiadores de calor después de pasar por el intercambiador de calor 104 antes de regresar a la torre de enfriamiento 102. En la torre de enfriamiento 102, la energía térmica transferida a la corriente de agua de enfriamiento que fluye a través del circuito de transferencia de calor puede eliminarse y descargarse a la atmósfera. Por ejemplo, la torre de enfriamiento 102 puede poner la corriente de agua de enfriamiento en contacto directo con el aire, dando como resultado una reducción de la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento a través del enfriamiento por evaporación. El agua de enfriamiento puede entregarse a un sumidero o depósito antes de extraerse y pasar a través de la red de intercambiadores de calor.
Además de la pérdida de agua por evaporación, el agua de enfriamiento puede eliminarse periódicamente del sistema de intercambio de calor. Se puede usar una línea de descarga 120 para "purgar una parte del sumidero o del agua del depósito mientras el sistema está funcionando, o se puede realizar una "purga", que normalmente es un drenaje completo del sumidero. En cualquier caso, una línea de agua de "reposición" 122 puede suministrar agua dulce al sistema de enfriamiento para compensar las pérdidas de agua por evaporación o vertido deliberado.
En la práctica, una variedad de problemas puede afectar el rendimiento térmico del intercambiador de calor 104 desde el lado del agua de enfriamiento del intercambiador de calor. Por ejemplo, si el agua de enfriamiento contiene un alto nivel de sólidos (por ejemplo, limo, escombros), los sólidos pueden obstruir parcial o totalmente la vía del fluido del agua de enfriamiento a través del intercambiador de calor 104. Como ejemplo, el agua de enfriamiento puede hacer que se formen depósitos en las superficies internas del intercambiador de calor 104 en contacto con el agua de enfriamiento.
Por ejemplo, la evaporación del agua de enfriamiento puede conducir a la concentración de sales (por ejemplo, calcio, sodio, magnesio) en la corriente de agua de enfriamiento reciclada a través del sistema. Estas sales pueden formar depósitos de incrustaciones en las superficies del intercambiador de calor 104 en contacto con el agua de enfriamiento. Como otro ejemplo, si el agua de enfriamiento contiene materiales orgánicos y microbios, las biopelículas pueden depositarse en las superficies del intercambiador de calor 104 en contacto con el agua de enfriamiento. Como otro ejemplo adicional, pueden desarrollarse productos de corrosión dentro de la corriente de agua de enfriamiento, por ejemplo, debido a la oxidación del componente metálico (por ejemplo, hierro, aluminio y/o zinc). Estos productos de corrosión también pueden depositarse en las superficies del intercambiador de calor 104 en contacto con el agua de enfriamiento. Independientemente del mecanismo o causa del ensuciamiento, la acumulación de una capa de barrera en las superficies del intercambiador de calor 104 en contacto con el agua de enfriamiento puede reducir la eficacia de la transferencia térmica a través del intercambiador de calor.
Para ayudar a reducir o eliminar las posibles condiciones de ensuciamiento en la corriente de agua de enfriamiento que pasa a través de la red de transferencia de calor, se pueden agregar uno o más productos químicos al agua de enfriamiento para inhibir la formación y/o el depósito de ensuciamiento. En la configuración de la Figura 1, el sistema 100 incluye una bomba 106 conectada de forma fluida a un depósito de aditivo químico 124. La bomba 106 puede operar para agregar uno o más productos químicos al agua de enfriamiento que se seleccionan para inhibir la formación y/o la deposición de incrustaciones en las superficies en contacto con el agua de enfriamiento. Ejemplos de aditivos químicos que se pueden inyectar en el agua de enfriamiento incluyen, entre otros, un polímero (inhibidor de incrustaciones), un compuesto organofosforado como polifosfato de zinc, ortofosfato de zinc y/o compuesto organofosforado de zinc (inhibidores de incrustaciones y corrosión), y un biocida. Adicional o alternativamente, se pueden inyectar uno o más aditivos químicos en el agua de enfriamiento para ajustar el pH del agua de enfriamiento. Los ejemplos de compuestos para ajustar el pH incluyen ácidos minerales, ácidos orgánicos y bases inorgánicas.
En la configuración ilustrada de la Figura 1, la bomba 106 se ilustra añadiendo un aditivo químico al agua de enfriamiento entre la torre de enfriamiento 102 y el intercambiador de calor 104. En la práctica, el aditivo químico puede introducirse en la corriente de agua de enfriamiento en cualquier lugar adecuado, como un sumidero asociado con la torre de enfriamiento. Además, mientras que el sistema 100 en la Figura 1 ilustra una sola bomba 106 acoplada de forma fluida a un solo depósito de aditivo químico 124, la bomba 106 puede estar en comunicación de fluidos selectiva con múltiples depósitos que contienen diferentes productos químicos y/o el sistema 100 puede incluir múltiples bombas, cada una configurada para introducir un producto químico diferente en el agua de enfriamiento. Al proporcionar múltiples aditivos químicos diferentes, incluidos algunos o todos los discutidos anteriormente, el tipo de químico introducido en el agua de enfriamiento se puede cambiar en función de las condiciones cambiantes del agua de enfriamiento.
Para controlar la adición de aditivo químico al agua de enfriamiento en el sistema 100, se puede controlar el rendimiento térmico del intercambiador de calor 104. Los rendimientos térmicos del intercambiador de calor 104 pueden controlarse para evaluar la eficacia con la que la energía térmica se transfiere desde la corriente de proceso comparativamente caliente a la corriente de agua de enfriamiento comparativamente fría. La eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104 puede ser mayor cuando el intercambiador de calor se limpia inicialmente. Por ejemplo, el intercambiador de calor 104 puede limpiarse periódicamente usando implementos de limpieza químicos y/o mecánicos para eliminar las incrustaciones en el proceso y/o el lado de enfriamiento del intercambiador, siempre que las superficies de intercambio de calor del intercambiador de calor estén limpias y sustancial o completamente sin suciedad. Con el tiempo en servicio, los depósitos de incrustaciones pueden acumularse en el lado de la corriente de proceso y/o en el lado de la corriente de agua de enfriamiento de las superficies de transferencia de calor del intercambiador de calor. Como resultado, la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104 puede deteriorarse durante el transcurso del servicio de una limpieza a la siguiente.
Para ayudar a monitorear la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104, se pueden implementar múltiples sensores para monitorear diferentes aspectos operativos del intercambiador de calor. En el ejemplo de la Figura 1, el sistema 100 incluye un sensor de temperatura 126 que mide la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento 116 y 3 del intercambiador de calor 104 y un sensor de temperatura 128 que mide la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento que sale del intercambiador de calor. El sistema también incluye un sensor de temperatura 130 que mide la temperatura de la corriente de proceso 118 que ingresa al intercambiador de calor 104, y un sensor de temperatura 132 que mide la temperatura de la corriente de proceso que sale del intercambiador de calor. Si bien los sensores de temperatura se ilustran esquemáticamente colocados inmediatamente adyacentes al intercambiador de calor 104, los sensores de temperatura pueden ubicarse aguas arriba o aguas abajo del intercambiador de calor, siempre que los sensores de temperatura proporcionen una medida adecuadamente precisa de la temperatura de la corriente respectiva que ingresa o saliendo del intercambiador de calor.
El sistema 100 puede incluir sensores adicionales y/o diferentes para medir diferentes parámetros operativos del intercambiador de calor 104. Por ejemplo, el sistema puede incluir uno o más sensores de flujo para medir el caudal de la corriente de agua de enfriamiento 116 y/o la corriente de proceso 118. En el ejemplo ilustrado, el sistema 100 muestra un sensor de flujo 134 colocado para medir el caudal de la corriente de agua de enfriamiento que sale del intercambiador de calor 104. En otros ejemplos, los caudales de la corriente de agua de enfriamiento 116 y/o la corriente de proceso 118 pueden determinarse en función de las velocidades de la bomba u otra información dentro del entorno operativo que indique la cantidad de fluido transportado a través del intercambiador de calor. Otros sensores que pueden emplearse de manera útil en el sistema 100 incluyen sensores de presión (por ejemplo, para medir una presión diferencial de la corriente de agua de enfriamiento y/o la corriente de proceso a través del intercambiador de calor), un sensor de potencial de oxidación-reducción (ORP) para medir el ORP del agua de enfriamiento, un sensor de pH para medir el pH del agua de enfriamiento y/o un sensor conductivo para medir la conductividad del agua de enfriamiento.
El sistema 100 en el ejemplo de la Figura 1 también incluye el controlador 136. El controlador 136 se puede conectar de forma comunicativa a los componentes del sensor y los componentes controlables del sistema 100 para gestionar el funcionamiento general del sistema. Por ejemplo, el controlador 136 se puede conectar de forma comunicativa a la bomba 106, el sensor de temperatura de entrada del agua de enfriamiento 126, el sensor de temperatura de salida del agua de enfriamiento 128, el sensor de temperatura de entrada de la corriente de proceso 130, el sensor de temperatura de salida de la corriente de proceso 132 y el sensor de flujo 134.
El controlador 136 incluye el procesador 138 y la memoria 140. El controlador 136 se comunica con componentes conectados comunicativamente a través de una conexión por cable o inalámbrica, que en el ejemplo de la Figura 1 se ilustra como una conexión por cable. Las señales de control enviadas desde el controlador 136 y recibidas por el controlador pueden viajar a través de la conexión. La memoria 140 almacena software para ejecutar el controlador 136 y también puede almacenar datos generados o recibidos por el procesador 138, por ejemplo, de sensores de temperatura 126, 128, 130, 132 y sensor de flujo 134. El procesador 138 ejecuta el software almacenado en la memoria 140 para gestionar el funcionamiento del sistema 100.
El controlador 136 puede implementarse usando uno o más controladores, que pueden estar ubicados en el sitio de la instalación que contiene el intercambiador de calor 104. El controlador 136 puede comunicarse con uno o más dispositivos informáticos remotos 142 a través de una red 144. Por ejemplo, el controlador 136 puede comunicarse con una red informática en la nube distribuida geográficamente, que puede realizar cualquiera o todas las funciones atribuidas al controlador 136 en esta invención.
La red 144 se puede configurar para acoplar un dispositivo informático a otro dispositivo informático para permitir que los dispositivos se comuniquen entre sí. La red 144 puede estar habilitada para emplear cualquier forma de medio legible por ordenador para comunicar información de un dispositivo electrónico a otro. Además, la red 144 puede incluir una interfaz inalámbrica y/o una interfaz cableada, como Internet, además de redes de área local (LAN), redes de área amplia (WAN), conexiones directas, como a través de un bus serie universal (USB), otras formas de medios legibles por ordenador, o cualquier combinación de los mismos. En un conjunto interconectado de LAN, incluidas aquellas basadas en diferentes arquitecturas y protocolos, un enrutador puede actuar como enlace entre las LAN, permitiendo que los mensajes se envíen de una a otra. Los enlaces de comunicación dentro de las LAN pueden incluir par trenzado o cable coaxial, mientras que los enlaces de comunicación entre redes pueden utilizar líneas telefónicas analógicas, líneas digitales dedicadas completas o fraccionadas, Redes Digitales de Servicios Integrados (ISDN), Líneas de Suscriptor Digital (DSL), enlaces inalámbricos que incluyen celulares y enlaces satelitales u otros enlaces de comunicaciones. Además, los ordenadores remotos y otros dispositivos electrónicos relacionados pueden conectarse de forma remota a LAN o WAN a través de un módem y un enlace telefónico temporal.
En funcionamiento, los sensores de temperatura 126, 128, 130 y 132 pueden generar datos indicativos de la temperatura de una corriente de fluido respectiva que entra o sale del intercambiador de calor 104. Asimismo, el sensor de flujo 134 puede generar datos indicativos de un caudal de agua de enfriamiento que sale del intercambiador de calor 104. El controlador 136 puede recibir datos de los sensores implementados en todo el sistema 100 y usar los datos generados por los sensores para determinar la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104. Con referencia a la información almacenada en la memoria que relaciona la información de temperatura recibida y/o la información de caudal con los valores de eficacia de transferencia de calor, el controlador 136 puede determinar los valores de eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor.
En algunos ejemplos, el controlador 136 puede determinar la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104 usando la Ecuación (1) a continuación:
rhCv ATagua
Ecuación 1: Valor de U: AT¿m t d x Área de Tr.De CalorxFt
En la ecuación (1) anterior, el valor U es la eficacia de transferencia de calor, m es la masa de la corriente de agua de enfriamiento por unidad de tiempo, Cp es el calor específico de la corriente de agua de enfriamiento, ATagua es una diferencia entre la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento que sale del intercambiador de calor y la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento que entra en un intercambiador de calor, Área de Tr de calor es una cantidad de área superficial del intercambiador de calor sobre la cual se transfiere energía térmica entre la corriente de proceso y la corriente de agua de enfriamiento, Ft es un factor de corrección correspondiente a la geometría del intercambio de calor y ATlmtd es una temperatura media logarítmica diferencia. Parámetros tales como el calor específico de la corriente de agua de enfriamiento, el área de transferencia de calor del intercambiador de calor 104 y un factor de corrección pueden almacenarse en una memoria y/o calcularse en base a la información almacenada en la memoria. Por ejemplo, un usuario puede usar un dispositivo de entrada de usuario para almacenar información en la memoria 140 del controlador 136 correspondiente al calor específico de la corriente de agua de enfriamiento (por ejemplo, el calor específico del agua) y las características correspondientes a la geometría del intercambiador de calor 104.
La diferencia de temperatura media logarítmica en la Ecuación (1) anterior se puede calcular usando la Ecuación (2) o (3) a continuación.
Ecuación 2: A __ (T proceso ,en trada tagu a ,sa lid a ) ( ^proceso ,sa lida ta g u a ,en )
T,
íog, ^p ro c e so ,e n tra d a t agua,sa lida)
) Tproceso ,sa lida~ t a g ua ,en trada )
Ecuación 3: A (^ p ro ce so ,e n tra d a * -agua.entrada ) (^p ro ceso ,sa lid a ¿agua ,sa lida )
T, LMTD
loge^ p r o c e s o ,e n tr a d a t a g u a ,en tra d a )
Cr p ro ceso ,sa lid a ~ t a g u a ,sa lid a )
La ecuación (2) se puede utilizar en circunstancias en las que la corriente de agua de enfriamiento y la corriente de proceso fluyen en dirección contraria a la corriente. La ecuación (3) se puede utilizar en circunstancias en las que la corriente de agua de enfriamiento y la corriente de proceso fluyen en una dirección paralela. En ambas Ecuaciones (2) y (3), Tproceso,entrada es la temperatura de la corriente de agua de proceso que ingresa al intercambiador de calor medida por el sensor de temperatura 130, TPr0ceso,sai¡da es la temperatura de la corriente de proceso que sale del intercambiador de calor como medida por el sensor de temperatura 132, tagua, encada es la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento que entra en el intercambiador de calor medida por el sensor de temperatura 126, y tagua, salida es la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento que sale del intercambiador de calor, medida por sensor de temperatura 128.
El controlador 136 puede recibir datos de los sensores en el sistema 100 y determinar la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104 de forma continua o periódica. Por ejemplo, el controlador 136 puede determinar la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104 al menos una vez al día, como al menos una vez por hora, al menos una vez por minuto o al menos una vez por segundo. La frecuencia con la que el controlador 136 calcula la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104 puede variar dependiendo del caudal de muestreo de los sensores en el sistema 100, la capacidad de procesamiento del controlador 136 y/o una entrada del operador que selecciona la frecuencia con la que la transferencia de calor debe calcularse la eficiencia.
En la práctica, es deseable que el intercambiador de calor 104 muestre una alta eficacia de transferencia de calor que permanezca alta (por ejemplo, sustancialmente constante) durante el intervalo de servicio del intercambiador de calor. En la práctica, sin embargo, la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104 puede disminuir con el tiempo a medida que se acumula el ensuciamiento en el lado de la corriente de proceso del intercambiador de calor y/o en el lado del agua de enfriamiento del intercambiador de calor. Monitoreando el caudal a la que se acumulan las incrustaciones en el intercambiador de calor y la velocidad correspondiente a la que cambia la eficiencia térmica del intercambiador de calor, se pueden tomar medidas de intervención en el lado del agua de enfriamiento controlando la bomba 106 para controlar la adición de uno o más aditivos químicos a la corriente de agua de enfriamiento en respuesta a la detección de cambios en la eficiencia térmica.
En algunos ejemplos, el controlador 136 establece una tendencia de eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor 104 durante un período de tiempo. El período de tiempo durante el cual se establece la tendencia de la eficiencia de la transferencia de calor puede comenzar cuando el intercambiador de calor se pone en servicio por primera vez (por ejemplo, si es nuevo o después de limpiarlo). Esto es cuando es menos probable que se ensucie el intercambiador de calor 104. Alternativamente, el período de tiempo durante el cual se establece la tendencia de la eficiencia de la transferencia de calor puede comenzar después de que el intercambiador de calor se haya puesto en servicio durante un tiempo. Por ejemplo, la tendencia de la eficiencia de la transferencia de calor puede comenzar cuando se realizan cambios en la corriente de agua de enfriamiento (por ejemplo, después de la purga) y/o se realizan cambios en la corriente del proceso (por ejemplo, cambio de temperatura, presión, composición) que fluye a través de intercambiador de calor 104.
Independientemente de cuándo comience el período de tiempo para medir la tendencia de la eficiencia de la transferencia de calor para el intercambiador de calor 104, el controlador 136 puede medir la eficiencia de la transferencia de calor durante un período de tiempo efectivo para proporcionar una tendencia estadísticamente razonable del comportamiento de la eficiencia de la transferencia de calor. Por ejemplo, el controlador 136 puede medir la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104 durante al menos 5 días, como al menos 10 días, al menos 20 días o al menos 30 días. En algunos ejemplos, el controlador 136 mide la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104 durante un período de tiempo que oscila entre 5 y 100 días, como entre 10 y 45 días. En algunos ejemplos, el controlador 136 mide la eficiencia de la transferencia de calor como un promedio móvil durante un cierto número de días anteriores, como un período anterior que oscila entre 5 y 50 días.
El controlador 136 puede generar valores de eficacia de transferencia de calor en base a la información del sensor recibida durante el período de medición. El controlador 136 puede realizar además un análisis de tendencia estadística sobre los valores de eficacia de transferencia de calor determinados durante el período de medición para identificar una tendencia para la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104.
En algunos ejemplos, el controlador 136 puede ajustar una curva a los valores de eficacia de transferencia de calor representados en el eje y de un gráfico con el tiempo de medición correspondiente representado en el eje x del gráfico. En un ejemplo, la curva es una ecuación de un solo orden (también denominada ecuación de primer orden) que tiene la forma y=m*x+b, donde y es la eficacia de transferencia de calor, x es el tiempo, m es la pendiente de la curva y b es la intersección de la curva. La pendiente de la curva "m" se puede almacenar en una memoria asociada con el controlador 136 como una tendencia correspondiente a la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104. En otros ejemplos, se puede ajustar una curva polinomial de orden superior a los datos.
En algunos ejemplos, el controlador 136 procesa los datos de temperatura recibidos de los sensores 126, 128, 130 y 132 y/o los datos de flujo recibidos del sensor 134 antes de calcular la eficacia de transferencia de calor. Por ejemplo, el controlador 136 puede suavizar los datos utilizando un algoritmo de suavizado estadístico para eliminar el ruido y los valores atípicos de los datos. El controlador 136 puede entonces determinar la eficacia de transferencia de calor utilizando valores de temperatura suavizados. Alternativamente, el controlador 136 puede calcular valores de eficacia de transferencia de calor para los datos brutos y aplicar el algoritmo de suavizado a los valores de eficacia de transferencia de calor calculados. El análisis de tendencias posterior y la detección de cambios se pueden realizar usando los datos suavizados.
El controlador 136 puede continuar recibiendo mediciones de los sensores en el sistema 100 y generando valores de eficacia de transferencia de calor basados en los datos recibidos del sensor después de establecer una tendencia de eficacia de transferencia de calor. El controlador 136 puede comparar la información de eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor 104 con la tendencia de eficacia de transferencia de calor determinada para el intercambiador de calor y detectar si hay un cambio en la tendencia de eficacia de transferencia de calor. Por ejemplo, el controlador 136 puede determinar una tendencia de eficacia de transferencia de calor para un período de medición y comparar esa tendencia con la tendencia establecida anteriormente. El período de medición puede ser comparativamente corto (por ejemplo, un día o menos) o más largo (por ejemplo, un día o más, como una semana o más). En aplicaciones donde el controlador 136 ajusta una ecuación de orden único a los datos de eficacia de transferencia de calor calculados en base a los datos recibidos del intercambiador de calor 104, el controlador puede determinar una pendiente de la eficacia de transferencia de calor durante el período de medición. El controlador 136 puede comparar la pendiente de la tendencia de eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104 durante el período de medición con la pendiente de la tendencia de eficacia de transferencia de calor establecida anteriormente.
El controlador 136 puede determinar si la tendencia de eficacia de transferencia de calor durante el período de medición difiere de la tendencia de eficacia de transferencia de calor establecida anteriormente en más de una cantidad umbral. La cantidad umbral puede ser superior o igual al 1 % del valor de eficacia de transferencia de calor establecido anteriormente (por ejemplo, pendiente), como superior o igual al 5 % del valor de eficacia de transferencia de calor establecido anteriormente, superior o igual al 10 % del valor de eficacia de transferencia de calor establecido anteriormente, mayor o igual al 25 % del valor de eficacia de transferencia de calor establecido anteriormente, o mayor o igual al 50% del valor de eficacia de transferencia de calor establecido anteriormente. Por ejemplo, la cantidad umbral puede oscilar entre el 1 y el 25 por ciento del valor de eficacia de transferencia de calor establecido anteriormente, como entre el 5 y el 20 por ciento.
Si la tendencia de eficacia de transferencia de calor se desvía de la tendencia de eficacia de transferencia de calor establecida anteriormente, puede ser indicativo de que el intercambiador de calor se ensucia más rápido durante el período de medición que durante la operación anterior. Si no se trata, el ensuciamiento más rápido puede reducir la eficacia operativa del intercambiador de calor 104, lo que puede requerir una parada costosa y no planificada para limpiar el intercambiador antes de la siguiente limpieza programada.
Para ayudar a responder proactivamente al cambio detectado en la tendencia de eficacia de transferencia de calor, el controlador 136 puede controlar la bomba 106 para controlar la adición de aditivo químico al agua de enfriamiento en respuesta al cambio detectado en la tendencia de eficacia de transferencia de calor. El procesador 138 del controlador 136 puede comparar el cambio en la tendencia de eficacia de transferencia de calor con uno o más umbrales almacenados en la memoria 140 que relacionan diferentes cambios de tendencia de eficiencia con diferentes esquemas de control aditivo. En algunos ejemplos, el controlador 136 arranca y/o detiene la bomba 106 o aumenta y/o disminuye el caudal de la bomba 106 para ajustar la concentración de un aditivo químico en el agua de enfriamiento. Poner en marcha la bomba 106 o aumentar el caudal de funcionamiento de la bomba 106 puede aumentar la concentración del aditivo químico en el agua de enfriamiento. Esto puede ser útil si el cambio detectado indica que la tendencia de la eficiencia de la transferencia de calor se ha desviado negativamente, lo que significa que el intercambiador de calor 104 se está ensuciando más rápido que lo detectado anteriormente. Detener la bomba 106 o disminuir el caudal de funcionamiento de la bomba 106 puede disminuir la concentración de aditivo químico en el agua de enfriamiento. Esto puede ser útil si el cambio detectado indica que la tendencia de la eficiencia de la transferencia de calor se ha desviado positivamente, lo que significa que el intercambiador de calor 104 se está ensuciando más lentamente que lo detectado anteriormente, de modo que se puede usar menos aditivo.
En aplicaciones donde hay múltiples aditivos químicos diferentes disponibles para introducirlos en el agua de enfriamiento, el controlador 136 puede seleccionar uno o más de los diferentes aditivos químicos para introducirlos en el agua de enfriamiento basándose en el cambio detectado en la tendencia de eficacia de transferencia de calor. El controlador 136 puede seleccionar uno o más aditivos químicos diferentes controlando la(s) válvula(s) y/o bomba(s) que acopla(n) de forma fluida uno o más aditivos químicos diferentes a la corriente de agua de enfriamiento. Por ejemplo, el controlador 136 puede variar el tipo de aditivo químico introducido en el agua de enfriamiento y/o la velocidad a la que se introduce el aditivo químico en el agua de enfriamiento en función del cambio detectado en la tendencia de la eficacia de transferencia de calor y, opcionalmente, también en función de otros datos del sensor, como ORP, pH y/o conductividad del agua de enfriamiento.
En algunos ejemplos, el controlador 136 enciende la bomba 106 o aumenta el caudal de funcionamiento de la bomba 106 en respuesta a la detección de un cambio que indica que la tendencia de eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor 104 ha disminuido en más de un umbral en comparación con la transferencia de calor establecida anteriormente. tendencia de la eficiencia. El controlador 136 puede continuar recibiendo datos de los sensores en el sistema 100 y calculando una eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor 104 después de ajustar el aditivo químico introducido en el agua de enfriamiento. El controlador 136 puede monitorear la tendencia de eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor 104 siguiendo los cambios realizados en el aditivo químico (por ejemplo, tipo y/o tasa) en respuesta a la detección de un cambio en la tendencia de eficacia de transferencia de calor. El controlador 136 puede determinar si la tendencia de eficacia de transferencia de calor se estabiliza (por ejemplo, permanece sustancialmente constante), vuelve hacia la tendencia previamente establecida o se desvía más de la tendencia previamente establecida. El controlador 136 puede controlar el sistema 100 para modificar aún más el tipo y/o el caudal de aditivo químico introducido en el agua de enfriamiento basándose en el monitoreo continuo de la eficacia de transferencia de calor. Por ejemplo, el controlador 136 puede aumentar la cantidad de aditivo químico en el agua de enfriamiento (por ejemplo, arrancando o aumentando la velocidad de la bomba 106), al menos hasta que la tendencia de eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor 104 muestre un punto de inflexión. El punto de inflexión puede corresponder a un cambio de una tendencia descendente para la eficacia de transferencia de calor (por ejemplo, que indica que el caudal de ensuciamiento está aumentando) a una tendencia ascendente (por ejemplo, que indica que el caudal de ensuciamiento está disminuyendo).
El controlador 136 puede tomar una variedad de acciones de control diferentes dentro del sistema 100 además o en lugar de controlar la bomba 106 para cambiar un tipo o concentración de aditivo químico en el agua de enfriamiento. Como ejemplo, el controlador 136 puede aumentar la velocidad a la que fluye el agua de enfriamiento a través del intercambiador de calor 104 en respuesta a la detección de un cambio en la tendencia de eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor. Por ejemplo, si el controlador 136 detecta un cambio repentino en la magnitud absoluta de la eficacia de transferencia de calor del intercambiador de calor 104 y/o una disminución significativa en la tendencia de la eficacia de transferencia de calor (por ejemplo, lo que indica un ensuciamiento rápido), eso puede ser indicativo de que el intercambiador de calor taponamiento debido a sedimentos, escombros u otras partículas grandes. En consecuencia, aumentar el caudal de agua de enfriamiento que pasa a través del intercambiador puede ayudar a eliminar las partículas alojadas en el interior del intercambiador de calor. El controlador 136 puede controlar una bomba (no ilustrada) que suministra agua de enfriamiento desde un sumidero asociado con la torre de enfriamiento 102 al intercambiador de calor 104 para controlar el caudal del suministro de agua de enfriamiento al intercambiador de calor.
Un sistema de monitoreo y control de agua de enfriamiento según la invención puede implementarse en cualquier proceso en donde se utilice un fluido de intercambio térmico para transferir energía térmica con una o más corrientes de proceso a través de un intercambiador de calor. Las corrientes de proceso de ejemplo que pueden fluir a través del lado caliente del intercambiador de calor 104 incluyen, entre otros, petróleo crudo, derivados del petróleo crudo (por ejemplo, productos de petróleo crudo refinado o parcialmente refinado) y productos intermedios o finales en el procese de producción de amoníaco. Las corrientes de proceso que fluyen a través del lado caliente del intercambiador de calor 104 pueden ser generalmente de fase líquida, aunque pueden ser de fase de vapor y/o una corriente multifásica de líquido-vapor.
Como se mencionó con brevedad anteriormente, aunque la Figura 1 ilustra un sistema de monitoreo y control de ejemplo que contiene solo un único intercambiador de calor, las aplicaciones de ejemplo pueden incluir múltiples intercambiadores de calor en serie y/o en paralelo. La Figura La Figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de red de intercambiadores de calor que contiene múltiples intercambiadores de calor en los que se puede implementar un sistema de supervisión y control del agua de enfriamiento según la invención. Como se muestra en este ejemplo, varios intercambiadores de calor 104A-104D están conectados de forma fluida a una corriente de agua de enfriamiento suministrada por la torre de enfriamiento 102. El agua de enfriamiento fluye en paralelo a través de los intercambiadores de calor 104a y 104B seguido, en serie, a través de los intercambiadores de calor 104C-104E antes de regresar a la torre de enfriamiento.
En aplicaciones donde hay múltiples intercambiadores de calor en una red, uno o varios de los intercambiadores de calor (y, opcionalmente, todos los intercambiadores de calor) pueden incluir sensores como se describe en relación con el intercambiador de calor 104 en la Figura 1. El controlador 136 puede recibir datos de los sensores y determinar una tendencia de eficacia de transferencia de calor para cada uno de los intercambiadores de calor conectados. El controlador 136 puede detectar un cambio en la tendencia de eficacia de transferencia de calor de al menos uno, y opcionalmente múltiples, de los intercambiadores de calor que se están monitoreando y controlar la adición del aditivo químico a la corriente de agua de enfriamiento en base a la tendencia detectada. Por ejemplo, el controlador 136 puede controlar la bomba 106 para cambiar el tipo y/o la cantidad de aditivo químico introducido en la corriente de agua de enfriamiento al detectar un cambio en la tendencia de eficacia de transferencia de calor (por ejemplo, superando una cantidad umbral) de un solo intercambiador de calor. Alternativamente, el controlador 136 puede controlar la bomba 106 para cambiar el tipo y/o la cantidad de aditivo químico introducido en la corriente de agua de enfriamiento al detectar un cambio en la tendencia de eficacia de transferencia de calor (por ejemplo, superando una cantidad umbral) de múltiples intercambiadores de calor. En este último ejemplo, la detección de tendencias de eficacia de transferencia de calor modificadas para múltiples intercambiadores de calor puede indicar que las condiciones de ensuciamiento realmente están cambiando en lugar de recibir datos de sensor erróneos de un intercambiador de calor en particular.
La Figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra un proceso de producción de amoníaco de ejemplo. Como se muestra en el ejemplo ilustrado, el proceso de ejemplo incluye múltiples intercambiadores de calor de enfriamiento a través de los cuales se puede transportar agua de enfriamiento. Uno o más (por ejemplo, todos) de estos ejemplos de intercambiadores de calor pueden monitorearse usando las técnicas y sistemas descritos aquí, y el aditivo químico a la corriente de agua de enfriamiento puede controlarse en base a las tendencias de eficiencia del intercambiador de calor.
Las técnicas descritas en esta invención pueden implementarse, al menos en parte, en hardware, software, microprograma o cualquier combinación de los mismos. Por ejemplo, diversos aspectos de las técnicas descritas pueden implementarse dentro de uno o más procesadores, que incluyen uno o más microprocesadores, procesadores de señales digitales (DSP), circuitos integrados de aplicación específica (ASIC), matrices de compuertas programables en campo (FPGA) o cualquier otro circuito lógico integrado o discreto equivalente, así como también cualquier combinación de tales componentes. El término "procesador" puede referirse generalmente a cualquiera de los circuitos lógicos anteriores, solo o en combinación con otros circuitos lógicos, o cualquier otro circuito equivalente. Una unidad de control que comprende hardware también puede realizar una o más de las técnicas de esta invención.
Tal hardware, software y microprograma pueden implementarse dentro del mismo dispositivo o dentro de dispositivos separados para soportar las diversas operaciones y funciones descritas en esta invención. Además, cualesquiera de las unidades, módulos o componentes descritos pueden implementarse juntos o por separados como dispositivos lógicos discretos pero interoperables. La descripción de diferentes características como módulos o unidades pretende resaltar diferentes aspectos funcionales y no implica necesariamente que tales módulos o unidades deban realizarse mediante componentes de hardware o software separados. Más bien, la funcionalidad asociada con uno o más módulos o unidades puede realizarse mediante componentes de hardware o software separados o integrarse dentro de componentes de hardware o software comunes o separados.
Las técnicas descritas en esta invención también pueden incorporarse o codificarse en un medio legible por ordenador, tal como un medio de almacenamiento no transitorio legible por ordenador, que contiene instrucciones. Las instrucciones incorporadas o codificadas en un medio de almacenamiento legible por ordenador pueden provocar que un procesador programable, u otro procesador, realice el método, por ejemplo, cuando se ejecutan las instrucciones. Los medios de almacenamiento no transitorios legibles por ordenador pueden incluir formas de memoria volátiles y/o no volátiles que incluyen, por ejemplo, memoria de acceso aleatorio (RAM), memoria de solo lectura (ROM), memoria de solo lectura programable (PROM), memoria de solo lectura programable borrable (EPROM), memoria de sólo lectura programable y borrable electrónicamente (EEPROM), memoria flash, un disco duro, un CD-ROM, un disquete, un casete, medio magnético, medio óptico u otro medio legible por ordenador.
Los siguientes ejemplos pueden proporcionar detalles adicionales sobre los sistemas y técnicas de monitoreo y control del agua de enfriamiento según la divulgación.
Las unidades proporcionadas en los ejemplos se pueden convertir a unidades SI de la siguiente manera:
1 libra es igual a 0,45359237 kg.
1 galón es igual a 4,54609 L.
La temperatura en grados Fahrenheit se puede convertir a una temperatura en Kelvin (K) sumando un valor de 459,67 al valor dado y multiplicando el resultado por 5/9.
Ejemplos
Ejemplo 1 - Planta de amoníaco
Se instalaron sensores de temperatura en un intercambiador de calor en una planta de amoníaco para medir las temperaturas de entrada y salida de las corrientes de flujo al intercambiador de calor, así como el caudal de agua de enfriamiento a través de la entrada del intercambiador de calor. El intercambiador de calor era un enfriador de gas de síntesis que pasaba el gas de síntesis por el lado caliente o de proceso del intercambiador de calor mientras el agua de enfriamiento fluía por el lado frío del intercambiador de calor. El intercambiador de calor era un intercambiador de carcasa y tubos en contracorriente. El gas de síntesis se suministró al lado de la carcasa del intercambiador de calor a un caudal objetivo de aproximadamente 99000 lb/h, mientras que el agua de enfriamiento se suministró a un caudal objetivo de aproximadamente 1000000 lb/h.
El agua de enfriamiento se suministró desde una torre de enfriamiento que tenía una tasa de recirculación de aproximadamente 80 000 galones por minuto. La torre de enfriamiento tenía una capacidad de aproximadamente 500 000 galones y exhibió un diferencial de temperatura de 12 grados Fahrenheit. El agua de enfriamiento exhibió un FRC de 0,5 ppm como Ch. El agua de enfriamiento se controló inicialmente con una combinación de tres aditivos químicos: un inhibidor de corrosión (Nalco® 3DT129) proporcionado a una concentración de 35 ppm, un inhibidor de incrustaciones (Nalco® 3DT191) proporcionado a una concentración de 75 ppm y un metal amarillo inhibidor (Nalco® 3DT199) proporcionado a una concentración de 10 ppm.
Los datos de temperatura del intercambiador de calor se suavizaron mediante una regresión local con un intervalo de 0,1. La Figura 4 es un gráfico de la temperatura de entrada del agua de enfriamiento (grados Fahrenheit) frente al tiempo que muestra los datos brutos de medición 200 junto con los datos suavizados 202 superpuestos. La Figura 5 es un gráfico de la temperatura de salida del agua de enfriamiento (grados Fahrenheit) frente al tiempo que muestra los datos de medición en bruto 204 junto con los datos suavizados 206 superpuestos. La Figura 6 es un gráfico de la temperatura de entrada de la corriente de proceso (grados Fahrenheit) frente al tiempo que muestra los datos de medición en bruto 208 junto con los datos suavizados 210 superpuestos. La Figura 7 es un gráfico de la temperatura de salida de la corriente del proceso (grados Fahrenheit) frente al tiempo que muestra los datos de medición sin procesar 212 junto con los datos suavizados 214 superpuestos. La Figura 8 es un gráfico que muestra caudales de agua de enfriamiento (galones por minuto) para un período de tiempo de ejemplo.
Los valores y las tendencias de la eficiencia de la transferencia de calor se calcularon utilizando los datos de temperatura suavizados producidos por los sensores de temperatura instalados en el intercambiador de calor. Las tendencias de eficacia de transferencia de calor se utilizaron para controlar el sistema de agua de enfriamiento, incluidos los aditivos químicos introducidos en el agua de enfriamiento. La Figura 9 es un gráfico que muestra los coeficientes de transferencia de calor calculados utilizando los datos de temperatura suavizados durante el período de tiempo del ejemplo. Los valles pronunciados en estos datos corresponden a cuando se redujo el caudal de agua.
La Figura 10 muestra los coeficientes de transferencia de calor calculados para el intercambiador de calor en base a los datos recibidos de temperatura y caudal durante un rango de fechas de ejemplo. La Figura 11 muestra el potencial de oxidación-reducción (ORP) para la corriente de agua de enfriamiento en el mismo intervalo de fechas de ejemplo, que es indicativo de la concentración de aditivo químico en el agua de enfriamiento. Los datos en las Figuras 10 y 11 se dividen en cinco períodos de análisis experimental. En el primer período, se establecieron datos que establecen una tendencia de eficacia de transferencia de calor. Los datos mostraron una tendencia a la baja en la eficacia de transferencia de calor. En el segundo período, se incrementó el caudal de agua de enfriamiento, lo que resultó en un aumento en el coeficiente de transferencia de calor para el intercambiador de calor proporcional al cambio en el caudal. En el tercer período, se controló la tendencia de la eficacia de transferencia de calor y se observó que disminuía.
Una tendencia cambiante en el coeficiente de transferencia de calor, particularmente hacia el final del tercer período, indicó condiciones de ensuciamiento aceleradas. En consecuencia, se inició la acción intervencionista. Se evaluó el agua de enfriamiento y se sugirieron bioincrustantes microbianos como la causa del ensuciamiento. En la fase 4, se aumentó la dosis de biocida al agua de enfriamiento, lo que resultó en un aumento del coeficiente de transferencia de calor. Para entender si esta mejora en la transferencia de calor fue en respuesta al aumento de la dosis de biocida iniciado al detectar la tendencia cambiante en el coeficiente de transferencia de calor o algún otro factor, la dosis de biocida se redujo en la fase 5. Los datos muestran que el coeficiente de transferencia de calor volvió a disminuir.
Ejemplo 2 - Planta de vinilo
Se instalaron sensores de temperatura en un intercambiador de calor en una planta de vinilo para medir las temperaturas de entrada y salida de las corrientes de flujo al intercambiador de calor, así como el caudal de agua de enfriamiento a través de la entrada del intercambiador de calor. El intercambiador de calor tenía una corriente de propileno que pasaba por el lado caliente o de proceso del intercambiador de calor mientras que el agua de enfriamiento fluía por el lado frío del intercambiador de calor. El intercambiador de calor era un intercambiador de carcasa y tubos en contracorriente. El propileno se suministró al lado de la carcasa del intercambiador de calor a un caudal objetivo de aproximadamente 270 000 lb/h, mientras que el agua de enfriamiento se suministró a un caudal objetivo de aproximadamente 4600000 lb/h.
El agua de enfriamiento se suministró desde una torre de enfriamiento que tenía una tasa de recirculación de aproximadamente 85 000 galones por minuto. La torre de enfriamiento tenía una capacidad de aproximadamente 1 000000 de galones y exhibía un diferencial de temperatura de 10 grados Fahrenheit. El agua de enfriamiento exhibió un FRC de 0,5 ppm como Ch. El agua de enfriamiento se controló inicialmente con una combinación de tres aditivos químicos: un inhibidor de corrosión (Nalco® 3DT177) proporcionado a una concentración de 37 ppm, un inhibidor de incrustaciones (Nalco® 3DT390) proporcionado a una concentración de 28 ppm y un metal amarillo inhibidor (Nalco® 3DT197) proporcionado a una concentración de 10 ppm.
Los datos de temperatura del intercambiador de calor se suavizaron mediante una regresión local con un intervalo de 0,05. La Figura 12 es un gráfico de la temperatura de entrada del agua de enfriamiento (grados Fahrenheit) frente al tiempo que muestra los datos de medición sin procesar 220 junto con los datos suavizados 222 superpuestos. La Figura 13 es un gráfico de la temperatura de salida del agua de enfriamiento (grados Fahrenheit) frente al tiempo que muestra los datos de medición sin procesar 224 junto con los datos suavizados 226 superpuestos. La Figura 14 es un gráfico de la temperatura de entrada de la corriente de proceso (grados Fahrenheit) frente al tiempo que muestra los datos de medición sin procesar 228 junto con los datos suavizados 230 superpuestos. La Figura 15 es un gráfico de la temperatura de salida de la corriente del proceso (grados Fahrenheit) frente al tiempo que muestra los datos de medición en bruto 232 junto con los datos suavizados 234 superpuestos. La Figura 16 es un gráfico que muestra caudales de agua de enfriamiento (galones por minuto) para un período de tiempo de ejemplo. El cambio de paso en la caudal de agua fue causado por una disminución intencional en el flujo de agua.
Los valores y las tendencias de la eficiencia de la transferencia de calor se calcularon utilizando los datos de temperatura suavizados producidos por los sensores de temperatura instalados en el intercambiador de calor. Las tendencias de eficacia de transferencia de calor se utilizaron para controlar el sistema de agua de enfriamiento, incluidos los aditivos químicos introducidos en el agua de enfriamiento. La Figura 17 es un gráfico que muestra los coeficientes de transferencia de calor calculados utilizando los datos de temperatura suavizados durante el período de tiempo del ejemplo.
En este ejemplo, la tendencia del coeficiente de transferencia de calor durante el período de medición fue sustancialmente plana. Sin embargo, se observó que las caudales de agua de enfriamiento disminuyeron progresivamente durante el período de monitoreo. Esta combinación de comportamiento sugirió desechos/sedimentación en el intercambiador de calor que no se abordaría de manera efectiva solo con la adición de productos químicos. Más bien, puede ser necesario enjuagar el intercambiador de calor y/o limpiar el intercambiador para eliminar los desechos/sedimentación acumulados. Esta conclusión de los datos se confirmó durante una interrupción de la planta cuando se abrió el intercambiador de calor y se inspeccionó visualmente.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un método para controlar el tratamiento del agua de enfriamiento que comprende:
recibir datos de una pluralidad de sensores (126, 128, 130, 132) indicativos de al menos una temperatura de una corriente de agua de enfriamiento (116) que ingresa a un intercambiador de calor (104), una temperatura de la corriente de agua de enfriamiento (116) que sale del intercambiador de calor (104), una temperatura de una corriente de proceso (118) que ingresa al intercambiador de calor (104) y una temperatura de la corriente de proceso (118) que sale del intercambiador de calor (104);
determinar una eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor (104) en base a los datos recibidos de la pluralidad de sensores (126, 128, 130, 132); caracterizado porque el método comprende además establecer una tendencia de eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor (104) durante un período de tiempo:
detectar un cambio en la tendencia de eficacia de transferencia de calor; y
controlar la adición de un aditivo químico en la corriente de agua de enfriamiento (116) en respuesta al cambio detectado en la tendencia de eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor (104).
2. El método de la reivindicación 1, en donde
establecer la tendencia de la eficacia de transferencia de calor comprende ajustar una curva de orden único a la eficacia de transferencia de calor determinada para el intercambiador de calor (104) durante el período de tiempo, la curva de orden único que tiene una pendiente, y
detectar un cambio en la tendencia de la eficacia de transferencia de calor comprende determinar un cambio en la pendiente igual o mayor que una cantidad umbral.
3. El método de la reivindicación 2, en donde la cantidad umbral oscila entre el 1 por ciento y el 25 por ciento, preferiblemente entre el 5 por ciento y el 20 por ciento.
4. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde determinar la eficacia de transferencia de calor para el intercambiador de calor (104) comprende determinar la eficacia de transferencia de calor de acuerdo con una ecuación (1):
mCr,A
Valor de U: p ^T 'a, g u a
ATl m t d x Área de Tr.De Calor xFt
en donde Valor de U es la eficacia de transferencia de calor, m es la masa de la corriente de agua de enfriamiento (116) por unidad de tiempo, Cp es el calor específico de la corriente de agua de enfriamiento (116), ATagua es una diferencia entre la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento (116) que sale del intercambiador de calor (104) y la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento (116) que entra en un intercambiador de calor (104), Área de Tr. De Calor Es una cantidad de área superficial del intercambiador de calor (104) sobre la cual se transfiere energía térmica entre la corriente de proceso (118) y la corriente de agua de enfriamiento (116), Ft es un factor de corrección correspondiente a una geometría del intercambio de calor y ATlmtd es una diferencia de temperatura media logarítmica calculada utilizando la siguiente ecuación (1) si la corriente de agua de enfriamiento (116) y la corriente de proceso (118) fluyen en dirección contraria a la corriente:
Figure imgf000013_0001
o se calcula utilizando la siguiente la ecuación (1) si la corriente de agua de enfriamiento (116) y la corriente de proceso (118) fluyen en una dirección paralela:
Figure imgf000013_0002
en donde Tproceso,entrada es la temperatura de la corriente de agua de proceso que ingresa al intercambiador de calor (104), Tprocesosalida es la temperatura de la corriente de proceso (118) que sale del intercambiador de calor (104), rada es la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento (116) que entra en el intercambiador de calor (104), y tagua,salida, es la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento (116) que sale del intercambiador de calor (104).
5. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el período de tiempo varía de 5 días a 100 días, preferiblemente de 10 días a 45 días.
6. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el período de tiempo comienza cuando el intercambiador de calor (104) se pone en servicio después de la limpieza.
7. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el aditivo químico se inyecta en una torre de enfriamiento (102) aguas arriba de una entrada del intercambiador de calor (104) que recibe la corriente de agua de enfriamiento (116) que ingresa al intercambiador de calor (104).
8. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde controlar la adición del aditivo químico comprende aumentar el caudal al que se introduce el aditivo químico en la corriente de agua de enfriamiento (116).
9. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde controlar la adición del aditivo químico comprende aumentar la concentración del aditivo químico en el agua de enfriamiento al menos hasta que la tendencia de la eficacia de transferencia de calor muestre una inflexión de una tendencia descendente a una tendencia ascendente.
10. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además aumentar el caudal del agua de enfriamiento en respuesta a la detección del cambio en la tendencia de la eficiencia de la transferencia de calor.
11. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además suavizar los datos correspondientes a la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento (116) que ingresa al intercambiador de calor (104), la temperatura de la corriente de agua de enfriamiento (116) que sale del intercambiador de calor (104), la temperatura de la corriente de proceso (118) que ingresa al intercambiador de calor (104), y la temperatura de la corriente de proceso (118) que sale del intercambiador de calor (104),
en donde determinar la eficiencia de la transferencia de calor comprende determinar la eficiencia de la transferencia de calor utilizando valores de temperatura suavizados.
12. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el aditivo químico se selecciona del grupo que consiste en un inhibidor de incrustaciones, un inhibidor de corrosión, un biocida y combinaciones de los mismos.
13. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde:
recibir datos de la pluralidad de sensores (126) comprende recibir datos de la pluralidad de sensores (126) para cada uno de los múltiples intercambiadores de calor (104A-D) que reciben la corriente de agua de enfriamiento (116),
determinar la eficacia de transferencia de calor comprende determinar la eficacia de transferencia de calor para cada uno de los múltiples intercambiadores de calor (104A-D);
establecer la tendencia de eficacia de transferencia de calor comprende establecer la tendencia de eficacia de transferencia de calor para cada uno de los múltiples intercambiadores de calor (104A-D); y
detectar el cambio en la tendencia de la eficiencia de la transferencia de calor comprende detectar el cambio en la tendencia de la eficiencia de la transferencia de calor para al menos uno de los múltiples intercambiadores de calor (104A-D), y
en donde:
detectar el cambio en la tendencia de la eficiencia de la transferencia de calor comprende detectar el cambio en la tendencia de la eficiencia de la transferencia de calor para cada uno de los múltiples intercambios de calor (104A-D), y
controlar la adición del aditivo químico a la corriente de agua de enfriamiento (116) comprende controlar la adición del aditivo químico a la corriente de agua de enfriamiento (116) en respuesta al cambio detectado en la tendencia de eficacia de transferencia de calor para cada uno de los múltiples intercambiadores de calor (104A-D).
14. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la corriente de proceso (118) comprende material de ensuciamiento que se deposita en el intercambiador de calor (104) causando que la eficacia de transferencia de calor disminuya durante el período de tiempo, la corriente de agua de enfriamiento (116) comprende material incrustante que se deposita en el intercambiador de calor (104) causando que la eficacia de transferencia de calor disminuya durante el período de tiempo, y el material incrustante depositado por la corriente del proceso (118) provoca al menos el 75 % de la disminución en la eficacia de transferencia de calor durante el periodo de tiempo.
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