JPWO2020188805A1 - 熱交換器群の設計方法及び処理プラント - Google Patents
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Abstract
Description
例えばLNGプラントには、100台近くものACHEが設置される場合があり、ACHEの設置台数や、設置領域の面積を決定することは、LNGプラント全体のプロットプランを決定する際にまず着手すべき重要な検討項目の1つである。
このような事情から、処理プラントにおけるACHE群の設計は、多大な労力を投じつつ、トライアルアンドエラーを繰り返さなければならない場合もあった。
前記ACHEに設けられる管束に係る設計変数、前記管束に含まれる伝熱管に係る設計変数、前記ACHEに設けられるファンに係る設計変数を含む設計変数群から選択された少なくとも1つの設計変数と、前記熱交換器群に設けられるACHEの設置台数とを可変パラメータとし、前記可変パラメータの可変範囲を設定する第1工程と、
前記設計変数群に含まれ、前記可変パラメータとして選択されなかった設計変数の値を含む、前記ACHEの設計値を設定する第2工程と、
前記設計値の設定後、コンピュータにより、前記可変パラメータを変化させて、前記複数台のACHEを1列に並べて配置したときの前記熱交換器群の設置長さ、前記熱交換器群に含まれる伝熱管の総伝熱面積、前記熱交換器群に含まれるファンの総消費電力からなる目的関数群から選択された少なくとも2つの目的関数についてのパレート解を求める第3工程と、含むことを特徴とする。
(a)前記第3工程では、多目的遺伝的アルゴリズムまたは多目的粒子群最適化法を用いて前記パレート解を求めること。
(b)前記処理プラントに対し、複数の前記熱交換器群が設けられるとき、
前記複数の熱交換器群の各々について前記第1工程〜第3工程を実施し、前記設置長さと前記総伝熱面積とを目的関数とするパレート解である第1のパレート解を求める第4工程と、前記複数の熱交換器群の各々についての前記第1のパレート解から前記設置長さ及び前記総伝熱面積の組み合わせを選択し、これらの組み合わせの選択結果に基づき、前記複数の熱交換器群のACHEを1列に並べて配置したときの総設置長さ、前記複数の熱交換器群の機器コストの少なくとも一方を求める第5工程と、を含むこと。ここで、前記第5工程にて、前記総設置長及び前記機器コストの双方を目的関数とする第2のパレート解を求めること。このとき前記第5工程は、動的計画法を用いて求めること。
(c)前記管束に係る設計変数は、1台のACHEに設けられる管束数、前記管束に含まれる伝熱管本数、前記管束に含まれる伝熱管のパス数、前記管束における伝熱管の段数、前記管束内の伝熱管の配置間隔のタイプ、前記管束の一端から他端までの伝熱管の管長から選択された設計変数を含み、前記伝熱管に係る設計変数は、前記伝熱管の外径、前記伝熱管の肉厚、前記伝熱管の配列ピッチから選択された設計変数を含み、前記ファンに係る設計変数は、1台のACHEに設けられるファンの設置数、前記ファンの直径、前記ファンのファン効率、前記ファンにより前記ACHEに供給される冷却用空気の前面風速から選択された設計変数を含むこと。
(d)前記処理プラントは、液化天然ガスプラント、石油精製プラントまたはガス処理プラントであること。
NGの液化・過冷却に使用されたMRは、気体の状態でMCHE33から流出し、ガスタービン(G/T)などにより駆動される複数のMR圧縮機36にて順次、圧縮され、各MR圧縮機36の出口側に設けられたMRクーラー204(ACHE2により構成される)にて冷却される。圧縮・冷却後のMRは、MR冷却器37にてさらに冷却されてからMCHE33へと再供給される。
液体C3冷媒は、不図示の膨張弁を介して降圧され、断熱膨張により温度低下した状態でC3冷却器31、37に供給されて各被冷却流体(NGやMR)を冷却する。
図1に示すように、多数のACHE2が設けられるパイプラック12は、LNGプラント1内での占有面積が最も大きく、その設置面積を決定することは、LNGプラント1全体のプロットプランを決定するうえでの重要な要素となる。
図3に示すように、ACHE2は、被冷却流体(LNGプラント1にて取り扱われる被処理流体:液化用冷媒や予冷用冷媒、その他、前処理部のプロセスにて取り扱われる流体など)が流れる多数本のチューブ(伝熱管)23を束ねたチューブバンドル(管束)230と、チューブバンドル230に冷却用空気を供給するためのファン22とを備える。
例えば回転駆動部221は、回転軸222の下端部に設けられた不図示のプーリー機構と回転モーター223とを備え、回転モーター223により回転軸222を回転させる構成としてもよい。また、回転軸222を回転モーターに直接、連結した構成としてもよい。
図1や後述の図3などに示すように、本例においては、上述のファン22、回転駆動部221、及びダクト21の組がパイプラック12の短辺方向に沿って例えば3組配置され、1台のACHE2(ベイ)を構成している。
チューブバンドル230に係る設計変数の具体例としては、チューブバンドル230の数、チューブバンドル230に含まれるチューブ23の本数、チューブ23がチューブバンドル230内を複数回通過するように設けられている場合、その通過回数であるパス数、チューブバンドル230内に上下方向にチューブ23を並べて配置する場合のチューブ23の段数(図3に示す例では3段)、チューブ23を複数段設ける場合の段の配置間隔のタイプ(等間隔/非等間隔)、チューブバンドル230の一端から他端までのチューブ23の管長などを例示できる。
以上に例示した設計変数は本例の設計変数群に相当し、これらの設計変数群から選択した設計変数を可変パラメータとして、その可変範囲や変化単位を設定することができる。
これらの設計値は、予め検討の上、固定された値やタイプが選択される。
図4は、各アイテムにおけるACHE群の設計の考え方を示す説明図である。例えば1つのアイテムに設けられるベイ数(図4に示す例では3ベイ)が同じであっても、可変パラメータの値に応じてその設置面積(図4中、各ACHE2のY方向の長さが共通の場合、アイテム内のACHE2の並び方向の長さ:バンク長さ)は大きく変化することが分かる。
従って、ACHE群の設計にあたっては、設置面積の減少/増大と、チューブ23の総伝熱面積やファン22の総消費電力の増大/減少との関係を把握しなければ、好適な可変パラメータを特定することができない。
このとき、各アイテムにて選択可能なチューブ23の材料が異なる場合には、あるアイテムではチューブ23の材料単価が高く、設置面積を小さく抑えるよりも、総伝熱面積の低減が優先される場合がある。一方、他のアイテムでは材料単価が相対的に廉価であり、総伝熱面積の低減よりも設置面積を小さく抑えることを優先した方がよい場合もある。
そこで本例のACHE群の設計方法は、図4を用いて説明した各アイテムのACHE群の設計にあたって、ACHE群の設置面積に大きな影響を及ぼすACHE2の設置台数(ベイ数)を必須の可変パラメータとし、ベイ数を変化させることが可能とする。
ここで本例における「パレート解」は、多目的最適化問題における一般的意味と同様の意味で用いている。即ち、目的関数を最大化、または最小化する際に、ある目的関数をそれ以上改善しようとすると、他の目的関数が悪化してしまう限界に位置する実行可能な解の組み合わせである。本例では、バンク長さ、チューブ23の総伝熱面積、ファン22の総消費電力を最小化する条件の探索を行う。
ここで、汎用的な最適化ソフトウェアを用いてパレート解の探索を実行することは必須の要件ではなく、専用に開発した探索ツールを用いてパレート解の探索を行ってもよい。
本例では、総バンク長さ、複数アイテムのACHE群についての機器コストを最小化する組み合わせを求める。
このような整数計画問題は、公知の動的計画法によって解くことができる。
始めに可変パラメータの選択やその可変範囲の設定(第1工程)を行い、さらにその他の設計値(固定値の入力やタイプの選択、第2工程)を行う(図9の処理P1)。これら第1、2工程の実施の順番に限定はなく、どちらを先に実施してもよい。
具体的には、既述の最小値、最大値の範囲内で最初に検討する可変パラメータの選択、即ち可変パラメータの初期化を行い(ステップS102)、当該可変パラメータの選択結果及び既に設定されているその他設計値の条件下でACHE群の評価を行う(ステップS103)。この評価においては、可変パラメータの値及びその他設計値を熱交換器シミュレータへ出力し、当該熱交換器シミュレータにてチューブ23の総伝熱面積を算出する伝熱計算などを行う。
そして、上記バンク長さ、及び熱交換器シミュレータから取得した総伝熱面積から複数の目的関数(ここではバンク長さ及び総伝熱面積)を得て、その解析、評価を行う(ステップS104)。
具体的には図12に示すように、データベースから処理P2にて求めた第1のパレート解に係る各可変パラメータや目的関数の値の組み合わせを読み込む(ステップS301)。
例えば総バンク長さは選択された各アイテムのバンク長さの和から求められ、機器コストは選択された各アイテムの総伝熱面積に単位伝熱面積当たりのチューブ23のコストを乗じた結果に基づいて求められる。
ステップS303を実行した結果、評価結果が終了条件を満たしている場合には(ステップS304;YES)、得られたパレート解の各目的関数の値の組み合わせ、及びこれに対応する各アイテムについての第2のパレート解の組み合わせや評価結果をデータベースに保管し(ステップS306)、一連の動作を終了する。
また、決定された第1のパレート解を探索する際に用いられた可変パラメータに基づき、ACHE群に含まれる個別のACHE2の詳細な設計を行う。
この例に限定されず、バンク長さとチューブ23の総伝熱面積とファン22の総消費電力の3つを目的関数とする第1のパレート解を探索し、その結果に基づいて第2のパレート解を求めてもよい。
例えば被処理流体であるNGから、コンデンセートを含むエタンよりも重質の液体を回収し、メタンより軽質の気体については、液化を行わずにガスの状態で需要先に出荷したり、工場内で燃料ガスとして消費したりするガス処理プラント、原油や原油から得られた各留分を被処理流体として、これらの蒸留、脱硫、分解、改質などの処理を行う各種の石油精製プラントに設けられているACHE群に対しても本技術は適用することができる。
12 パイプラック
2 ACHE
22 ファン
23 チューブ
230 チューブバンドル
Claims (8)
- 被処理流体の処理を行う処理プラントに設けられ、複数台のACHE(空冷式熱交換器)を含む熱交換器群の設計方法であって、
前記ACHEに設けられる管束に係る設計変数、前記管束に含まれる伝熱管に係る設計変数、前記ACHEに設けられるファンに係る設計変数を含む設計変数群から選択された少なくとも1つの設計変数と、前記熱交換器群に設けられるACHEの設置台数とを可変パラメータとし、前記可変パラメータの可変範囲を設定する第1工程と、
前記設計変数群に含まれ、前記可変パラメータとして選択されなかった設計変数の値を含む、前記ACHEの設計値を設定する第2工程と、
前記設計値の設定後、コンピュータにより、前記可変パラメータを変化させて、前記複数台のACHEを1列に並べて配置したときの前記熱交換器群の設置長さ、前記熱交換器群に含まれる伝熱管の総伝熱面積、前記熱交換器群に含まれるファンの総消費電力からなる目的関数群から選択された少なくとも2つの目的関数についてのパレート解を求める第3工程と、含むことを特徴とする熱交換器群の設計方法。 - 前記第3工程では、多目的遺伝的アルゴリズムまたは多目的粒子群最適化法を用いて前記パレート解を求めることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器群の設計方法。
- 前記処理プラントに対し、複数の前記熱交換器群が設けられるとき、
前記複数の熱交換器群の各々について前記第1工程〜第3工程を実施し、前記設置長さと前記総伝熱面積とを目的関数とするパレート解である第1のパレート解を求める第4工程と、
前記複数の熱交換器群の各々についての前記第1のパレート解から前記設置長さ及び前記総伝熱面積の組み合わせを選択し、これらの組み合わせの選択結果に基づき、前記複数の熱交換器群のACHEを1列に並べて配置したときの総設置長さ、前記複数の熱交換器群の機器コストの少なくとも一方を求める第5工程と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器群の設計方法。 - 前記第5工程にて、前記総設置長及び前記機器コストの双方を目的関数とする第2のパレート解を求めることを特徴とする請求項3に記載の熱交換器群の設計方法。
- 前記第5工程は、動的計画法を用いて求めることを特徴とする請求項4に記載の熱交換器群の設計方法。
- 前記管束に係る設計変数は、1台のACHEに設けられる管束数、前記管束に含まれる伝熱管本数、前記管束に含まれる伝熱管のパス数、前記管束における伝熱管の段数、前記管束内の伝熱管の配置間隔のタイプ、前記管束の一端から他端までの伝熱管の管長から選択された設計変数を含み、
前記伝熱管に係る設計変数は、前記伝熱管の外径、前記伝熱管の肉厚、前記伝熱管の配列ピッチから選択された設計変数を含み、
前記ファンに係る設計変数は、1台のACHEに設けられるファンの設置数、前記ファンの直径、前記ファンのファン効率、前記ファンにより前記ACHEに供給される冷却用空気の前面風速から選択された設計変数を含むことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器群の設計方法。 - 前記処理プラントは、液化天然ガスプラント、石油精製プラントまたはガス処理プラントであることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器群の設計方法。
- 被処理流体の処理を行う処理プラントにおいて、
請求項1に記載の熱交換器群の設計方法により設計された、前記複数台のACHEを備えることを特徴とする処理プラント。
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