KR102628779B1 - 열교환기 그룹의 설계 방법 및 처리 플랜트 - Google Patents

Abstract

(과제) 피처리유체의 처리를 행하는 처리 플랜트에 설치되는 열교환기 그룹을 효율적으로 설계하는 기술을 제공한다. (해결수단) 피처리유체의 처리를 행하는 처리 플랜트(1)에 설치되고, 복수대의 ACHE(2)를 포함하는 열교환기 그룹의 설계 방법으로서, 제1 공정에서는 ACHE 설계와 관련한 적어도 1개의 설계변수와 상기 ACHE의 설치 대수를 가변 파라미터로 하여, 상기 가변 파라미터의 가변 범위 및 변화 단위를 설정하고, 제2 공정에서는 가변 파라미터로서 선택되지 않았던 설계변수의 값을 포함하는 상기 ACHE의 설계값을 설정한다. 제3 공정에서는 컴퓨터에 의해 가변 파라미터를 변화시켜, 상기 복수대의 ACHE를 1열로 늘어놓아 배치했을 때의 상기 열교환기 그룹의 설치 길이, 상기 열교환기 그룹에 포함되는 전열관의 총 전열 면적, 상기 열교환기 그룹에 포함되는 팬의 총 소비 전력으로 이루어지는 목적함수 군으로부터 선택된 적어도 2개의 목적함수에 대한 파레토 해를 구한다.

Description

열교환기 그룹의 설계 방법 및 처리 플랜트

본 발명은 열교환기 그룹, 예컨대 공랭식의 열교환기 그룹을 설계하는 기술 및 그 열교환기 그룹을 구비하는 처리 플랜트에 관한 것이다.

액화천연가스(LNG: Liquefied Natural Gas) 플랜트나 석유 정제 플랜트 등의 처리 플랜트에는, 여러 가지의 피냉각유체를 냉각하는 프로세스가 있다. 예를 들어 공랭식 열교환기(ACHE: Air Cooled Heat Exchanger)는, 다수개의 튜브(전열관)를 향하여 냉각용 공기를 공급하여, 이러한 튜브 내를 흐르는 피냉각유체의 냉각을 행하는 열교환기의 일종이다. ACHE는 냉각수 등의 액체 냉매를 이용하지 않고 피냉각유체를 냉각할 수 있기 때문에, 각종 처리 플랜트에 널리 채용되고 있다.

예를 들어 LNG 플랜트에는, 100대 가깝게 ACHE가 설치되는 경우가 있어, ACHE의 설치 대수나 설치 영역의 면적을 결정하는 것은 LNG 플랜트 전체의 플롯 플랜을 결정할 때에 우선 착수해야 할 중요한 검토 항목 중 하나이다.

한편, ACHE에는 냉각용 공기의 공급을 행하기 위한 팬이나 그 구동 기구를 설치할 필요가 있어, 그 구조가 복잡해지기 쉽다. 이 때문에, ACHE의 설계에 있어서는, 다수의 설계변수를 결정할 필요가 있고, 필요로 하는 냉각 능력을 발휘할 수 있는 설계값의 조합도 한 가지가 아니다.

이와 같은 사정으로, 처리 플랜트에 있어서의 ACHE 그룹의 설계는 큰 노력을 기울이면서 시행착오를 반복해야 하는 경우도 있었다.

특허문헌 1, 2에는, 컴퓨터나 연산 수단을 이용하여, 헬리콥터의 로터 블레이드의 익형이나 골프 클럽 샤프트와 관련한 복수의 목적함수를 최적화하는 기술이 기재되어 있지만, ACHE 그룹의 설계를 실행할 때 필요한 기술은 전혀 개시되어 있지 않다.

일본 특허 제4825099호 공보 일본 특허 제5476025호 공보

본 발명은 이러한 배경 하에서 이루어진 것으로, 피처리유체의 처리를 행하는 처리 플랜트에 설치되는 열교환기 그룹을 효율적으로 설계하는 기술 및 그 열교환기 그룹을 구비하는 처리 플랜트를 제공한다.

본 발명의 열교환기 그룹의 설계 방법은, 피처리유체의 처리를 행하는 처리 플랜트에 설치되고, 복수대의 ACHE(공랭식 열교환기)를 포함하는 열교환기 그룹의 설계 방법으로서,

상기 ACHE에 설치되는 관속(管束)과 관련한 설계변수, 상기 관속에 포함되는 전열관과 관련한 설계변수, 상기 ACHE에 설치되는 팬과 관련한 설계변수를 포함하는 설계변수 군으로부터 선택된 적어도 하나의 설계변수와, 상기 열교환기 그룹에 설치되는 ACHE의 설치 대수를 가변 파라미터로 하고, 상기 가변 파라미터의 가변 범위를 설정하는 제1 공정과,

상기 설계변수 군에 포함되고, 상기 가변 파라미터로서 선택되지 않았던 설계변수의 값을 포함하는 상기 ACHE의 설계값을 설정하는 제2 공정과,

상기 설계값의 설정 후, 컴퓨터에 의해 상기 가변 파라미터를 변화시켜, 상기 복수대의 ACHE를 1열로 늘어놓아 배치했을 때의 상기 열교환기 그룹의 설치 길이, 상기 열교환기 그룹에 포함되는 전열관의 총 전열 면적, 상기 열교환기 그룹에 포함되는 팬의 총 소비 전력으로 이루어지는 목적함수 군으로부터 선택된 적어도 2개의 목적함수에 대한 파레토 해를 구하는 제3 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 열교환기 그룹의 설계 방법은 이하의 특징을 구비할 수도 있다.

(a) 상기 제3 공정에서는, 다목적 유전적 알고리즘 또는 다목적 입자군 최적화법을 이용하여 상기 파레토 해를 구하는 것.

(b) 상기 처리 플랜트에 대해, 복수의 상기 열교환기 그룹이 설치될 때, 상기 복수의 열교환기 그룹의 각각에 대해 상기 제1 공정 내지 제3 공정을 실시하고, 상기 설치 길이와 상기 총 전열 면적을 목적함수로 하는 파레토 해인 제1 파레토 해를 구하는 제4 공정과, 상기 복수의 열교환기 그룹의 각각에 대한 상기 제1 파레토 해로부터 상기 설치 길이 및 상기 총 전열 면적의 조합을 선택하고, 이들 조합의 선택 결과에 근거하여, 상기 복수의 열교환기 그룹의 ACHE를 1열로 늘어놓아 배치했을 때의 총 설치 길이, 상기 복수의 열교환기 그룹의 기기 코스트 중 적어도 하나를 구하는 제5 공정을 포함하는 것. 여기서, 상기 제5 공정에서, 상기 총 설치 길이 및 상기 기기 코스트의 쌍방을 목적함수로 하는 제2 파레토 해를 구하는 것. 이 때 상기 제5 공정은 동적 계획법을 이용하여 구하는 것.

(c) 상기 관속과 관련한 설계변수는, 1대의 ACHE에 설치되는 관속수, 상기 관속에 포함되는 전열관의 개수, 상기 관속에 포함되는 전열관의 패스수, 상기 관속에 있어서의 전열관의 단수, 상기 관속 내의 전열관의 배치 간격의 타입, 상기 관속의 일단으로부터 타단까지의 전열관의 관 길이로부터 선택된 설계변수를 포함하며, 상기 전열관과 관련한 설계변수는, 상기 전열관의 외경, 상기 전열관의 두께, 상기 전열관의 배열 피치로부터 선택된 설계변수를 포함하며, 상기 팬과 관련한 설계변수는, 1대의 ACHE에 설치되는 팬의 설치수, 상기 팬의 직경, 상기 팬의 팬 효율, 상기 팬에 의해 상기 ACHE에 공급되는 냉각용 공기의 전면(前面) 풍속으로부터 선택된 설계변수를 포함하는 것.

(d) 상기 처리 플랜트는, 액화천연가스 플랜트, 석유 정제 플랜트 또는 가스 처리 플랜트인 것.

또, 피처리유체의 처리를 행하는 처리 플랜트에 있어서, 전술한 열교환기 그룹의 설계 방법에 의해 설계된, 상기 복수대의 ACHE를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 예의 ACHE 그룹의 설계 방법에 의하면 이하의 효과가 있다. 복수대의 공랭식 열교환기(ACHE 그룹)의 설치 길이, 전열관의 총 전열 면적, 팬의 총 소비 전력으로부터 선택한 복수의 목적함수에 대해, 컴퓨터를 이용하여 파레토 해를 구하므로, 처리 플랜트의 요청에 응한 최적의 설계값을 얻을 수 있다.

도 1은 LNG 플랜트의 개략 플롯도이다.
도 2는 상기 LNG 플랜트의 구성예를 나타내는 설명도이다.
도 3은 상기 LNG 플랜트에 설치되어 있는 ACHE의 구성예를 나타내는 종단 측면도이다.
도 4는 ACHE 그룹의 설계변수의 변화의 영향을 나타내는 설명도이다.
도 5는 복수의 아이템에 있어서의 ACHE 그룹의 설계변수의 변화의 영향을 나타내는 설명도이다.
도 6은 각 아이템의 ACHE 그룹에 대한 제1 파레토 해의 개요를 나타내는 설명도이다.
도 7은 컴퓨터를 이용하여 실현 가능한 해의 조합을 탐색한 결과이다.
도 8은 복수 아이템의 ACHE 그룹을 조합했을 경우의 제2 파레토 해의 개요를 나타내는 설명도이다.
도 9는 실시형태에 따른 ACHE 그룹의 설계 방법의 실시 순서를 나타내는 설명도이다.
도 10은 상기 설계 방법의 제1, 제2, 제3 공정과 관련한 흐름도이다.
도 11은 도 10의 S101(평가 모델의 설정)의 흐름도이다.
도 12는 상기 설계 방법의 제4, 제5 공정과 관련한 흐름도이다.

도 1은, 본 예의 ACHE 그룹의 설계 방법이 적용되는 처리 플랜트인 LNG 플랜트(1)의 개략 플롯을 나타내고 있다. 해당 LNG 플랜트(1)는, 파이프 랙(12)의 주위에, LNG 플랜트(1)를 구성하는 기기의 배치영역(기기 배치영역(11))을 늘어놓은 구성으로 되어 있다.

도 2를 참조하면서 LNG 플랜트(1)의 구성예에 대해 설명한다. 예를 들어 LNG 플랜트(1)는, 전처리에 의해 불순물이 제거된 피처리유체인 NG(천연가스)를 예냉 열교환기(31)에서 예냉각하고, 스크럽 칼럼(32)에서 기액분리한 후, 극저온 주 열교환기(MCHE: Main Cryogenic Heat Exchanger)(33)에서 액화, 과냉각하여 LNG를 얻는다. 스크럽 칼럼(32)에서 기액분리된 액체는, 정류부(34)에서 정류되고, 정류 시에 분리된 경질성분은 MCHE(33)로 보내져 LNG가 된다.

NG의 액화, 과냉각을 행하는 액화용 냉매로서는, 예를 들어 질소, 메탄, 에탄, 프로판 등의 복수 종류의 냉매원료를 혼합한 혼합냉매(MR: Mixed Refrigerant)가 이용된다.

NG의 액화, 과냉각에 사용된 MR는, 기체 상태로 MCHE(33)로부터 유출되고, 가스터빈(G/T) 등에 의해 구동되는 복수의 MR 압축기(36)에서 순차적으로 압축되고, 각 MR 압축기(36)의 출구 측에 설치된 MR 쿨러(204)(ACHE(2)에 의해 구성됨)에서 냉각된다. 압축, 냉각 후의 MR는, MR 냉각기(37)에서 더 냉각된 후 MCHE(33)로 재공급된다.

본 예의 LNG 플랜트(1)는, 예냉 열교환기(31)에서 NG의 예냉을 행하는 냉매나, MR 냉각기(37)에서 MR의 냉각을 행하는 냉매로서, 프로판 또는 프로필렌의 단일 성분으로 이루어지는 C3 냉매를 이용하고 있다. NG의 예냉이나 MR의 냉각에 사용된 C3 냉매에 대해서도, 압축, 냉각된 후, 예냉 열교환기(31)나 MR 냉각기(37)로 재공급된다.

액체 C3 냉매는, 도시하지 않은 팽창 밸브를 통하여 감압되고, 단열팽창에 의해 온도가 저하된 상태로 예냉 열교환기(31), MR 냉각기(37)에 공급되어 각 피냉각유체(NG나 MR)를 냉각한다.

C3 냉매 압축기(35)의 후단에는, 압축 과정에서 온도가 상승한 기체 C3 냉매를 기체 상태에서 냉각하기 위한 디슈퍼히터(201)와, 디슈퍼히터(201)에서 냉각된 기체 C3 냉매를 더 냉각하여 응축시키는 콘덴서(202)와, 콘덴서(202)로부터 유출된 액체 C3 냉매를 모으는 리시버(수조)(353)와, 액체 C3 냉매를 더 냉각하여 과냉각 상태로 하는 서브 쿨러(203)가, 상류측으로부터 이 순서대로 설치되어 있다. 서브 쿨러(203)에서 과냉각된 액체 C3 냉매는, 이미 설명한 팽창 밸브를 통하여 다시 예냉 열교환기(31), MR 냉각기(37)로 보내진다. 이들 디슈퍼히터(201), 콘덴서(202) 및 서브 쿨러(203)에 대해서도 ACHE(2)에 의해 구성된다.

전술한 구성예에 따른 LNG 플랜트(1)에 있어서, 예냉용의 C3 냉매와 관련한 ACHE(2)(디슈퍼히터(201), 콘덴서(202) 및 서브 쿨러(203))는 설치 대수도 많아, 대규모 LNG 플랜트(1)에 있어서는 100대 가까이 되는 경우도 있다. MR 쿨러(204) 등도 포함해서, 이들 ACHE(2)는 파이프 랙(12)의 정상부에 정렬 배치된다(도 1). 이하의 설명에서는, ACHE(2)의 설치 단위를 "베이(bay)"라고 한다. 베이의 수는, 본 예의 "설치 대수"에 상당한다. 또, 디슈퍼히터(201), 콘덴서(202) 등의 목적에 따라, 각각, 설치되는 복수의 베이(열교환기 그룹: ACHE 그룹)를 "아이템"이라고도 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 ACHE(2)가 설치되는 파이프 랙(12)은 LNG 플랜트(1) 내에서의 점유 면적이 가장 크고, 그 설치 면적을 결정하는 것은 LNG 플랜트(1) 전체의 플롯 플랜을 결정하는 것에서의 중요한 요소가 된다.

본 예의 ACHE 그룹의 설계 방법의 구체적인 내용의 설명에 들어가기 전에, ACHE(2)의 기본적인 구조의 예를 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, ACHE(2)는, 피냉각유체(LNG 플랜트(1)에서 취급되는 피처리유체: 액화용 냉매나 예냉용 냉매, 그 외, 전처리부의 프로세스에서 취급되는 유체 등)가 흐르는 다수개의 튜브(전열관)(23)를 묶은 튜브 번들(관속)(230)과, 튜브 번들(230)에 냉각용 공기를 공급하기 위한 팬(22)을 구비한다.

튜브 번들(230)은, 상하 양면이 개방되고, 서로 이웃하는 튜브(23)의 간극을 통하여, 아래에서 위로 향해 냉각용 공기를 유동시킬 수 있다. 또 튜브 번들(230)의 주변 부분을 구성하는 프레임은, 파이프 랙(12)을 구성하는 골조의 상면에 고정되어 있다.

팬(22)은, 회전중심으로부터 방사상으로 연장되도록 설치된 복수매의 회전날개(220)를 구비한다. 각 회전날개(220)의 기단부는, 상기 회전중심에서 회전축(222)의 상단부에 접속되고, 해당 회전축(222)은 상하 방향으로 연장되도록 배치되어 있다. 회전축(222)의 하부측은 튜브 번들(230)을 관통하고, 그 하단부는 해당 튜브 번들(230)의 아래쪽에 배치된 회전 구동부(221)와 접속되어 있다.

예를 들어 회전 구동부(221)는, 회전축(222)의 하단부에 설치된 미도시의 풀리 기구와 회전 모터(223)를 구비하여, 회전 모터(223)에 의해 회전축(222)을 회전시키는 구성일 수 있다. 또, 회전축(222)을 회전 모터에 직접 연결한 구성일 수도 있다.

튜브 번들(230)의 프레임의 상면으로부터 팬(22)의 측방향 위치를 통과해 그 위쪽에 이르는 영역에는, 튜브 번들(230)을 통과한 공기를 유동시키는 배기 경로를 이루는 덕트(21)가 설치되어 있다. 덕트(21)는, 팬(22)의 위쪽 위치에서, 상면측을 향하여 개구되어 있다.

도 1 또는 후술하는 도 3 등에 도시된 바와 같이, 본 예에 있어서는, 전술한 팬(22), 회전 구동부(221), 및 덕트(21)의 세트가 파이프 랙(12)의 단변 방향을 따라 예를 들어 3세트 배치되어, 1대의 ACHE(2)(베이)를 구성하고 있다.

전술한 구성을 구비한 ACHE(2)에서, 팬(22)을 회전시키면, 튜브 번들(230)을 아래쪽에서 위쪽으로 통과하는 냉각용 공기의 흐름이 형성된다. 그리고 각 튜브(23)의 표면에 공급된 냉각용 공기와의 열교환에 의해, 튜브(23) 내를 흐르는 피냉각유체가 냉각된다.

전술한 ACHE(2)의 구성예에 입각하여, 복수의 ACHE(2)가 설치된 ACHE 그룹의 설계와 관련한 설계변수로서, 베이의 수, 튜브 번들(230)과 관련한 설계변수, 튜브(23)와 관련한 설계변수, 팬(22)과 관련한 설계변수 등을 예시할 수 있다.

튜브 번들(230)과 관련한 설계변수의 구체적인 예로서는, 튜브 번들(230)의 수, 튜브 번들(230)에 포함되는 튜브(23)의 개수, 튜브(23)가 튜브 번들(230) 내를 복수회 통과하도록 설치되어 있는 경우에, 그 통과 회수인 패스수, 튜브 번들(230) 내에 상하 방향으로 튜브(23)를 늘어놓아 배치한 경우에 튜브(23)의 단수(도 3에 도시된 예에서는 3단), 튜브(23)를 복수단 설치한 경우에 전열관의 배치 간격의 타입(등간격/비등간격), 튜브 번들(230)의 일단으로부터 타단까지의 튜브(23)의 관 길이 등을 예시할 수 있다.

또 튜브(23)와 관련한 설계변수의 구체적인 예로서는, 튜브(23)의 외경, 두께, 배열 피치 등을 예시할 수 있다. 그리고, 팬(22)과 관련한 설계변수의 구체적인 예로서는, 각 베이의 팬(22)의 설치수, 팬(22)의 직경, 팬 효율, 팬(22)에 의해 공급되는 냉각용 공기의 전면 풍속 등을 예시할 수 있다.

이상에 예시한 설계변수는 본 예의 설계변수 군에 상당하고, 이러한 설계변수 군으로부터 선택한 설계변수를 가변 파라미터로서, 그 가변 범위나 변화 단위를 설정할 수 있다.

또, 전술한 각 설계변수에 더하여, ACHE 그룹의 설계를 행할 때 필요한 설계값으로서, ACHE(2)의 통풍유형(팬(22)의 회전날개(220)가 튜브 번들(230)의 아래쪽에 배치된 압입통풍형/회전날개(220)가 튜브 번들(230)의 위쪽에 배치된 흡입통풍형, 도 3의 예는 흡입통풍형), 피냉각유체의 성상, 유량, 열교환량, 입구/출구의 온도 조건, 냉각용 공기의 흡기 온도, 튜브(23)의 재료 사양(사용 재료, 그레이드 등), 튜브(23)에 핀이 형성되어 있는 경우에는 핀의 재료 사양, 튜브(23) 내외의 오염 계수, 튜브 번들(230)의 허용 압력손실, ACHE 그룹의 설치 장소의 해발, 핀이 설치되는 경우에는 핀의 높이, 두께, 1인치당 설치 매수, 팬(22)의 주위에 덕트(21)나 팬 링을 설치하는지 여부, 팬 링을 설치한 경우에는 팬 링의 형상, 덕트(21)를 설치한 경우에는 덕트(21)의 높이 등을 예시할 수 있다.

이러한 설계값은, 미리 검토한 후, 고정된 값이나 타입이 선택된다.

또한, 전술한 설계변수로서 예시한 항목과, 설계값으로서 예시한 항목과의 구분은, 서로 고정된 것은 아니다. 설계변수로서 든 항목을 설계값에 대해 고정한 값이나 타입을 설정할 수도 있고, 설계값으로서 든 항목을 설계변수에 대해 그 값이나 대응을 변화시키는 것이 가능한 가변 파라미터로 할 수도 있다.

ACHE 그룹에 대해서는, 전술한 각 설계값을 설정한 후에, 각 가변 파라미터를 변화시키면서, 이들 가변 파라미터에 대해 바람직한 값을 선택하는 설계가 행해진다.

도 4는, 각 아이템에 있어서의 ACHE 그룹의 설계의 고안방식을 나타내는 설명도이다. 예를 들어 하나의 아이템에 설치되는 베이수(도 4에 도시된 예에서는 3 베이)가 같더라도, 가변 파라미터의 값에 따라 그 설치 면적(도 4 중에서, 각 ACHE(2)의 Y방향의 길이가 공통인 경우, 아이템 내의 ACHE(2)의 늘어선 방향의 길이: 뱅크 길이)은 크게 변화한다는 것을 알 수 있다.

특히, 튜브 번들(230)에 있어서의, 상하 방향의 튜브(23)의 단수는, ACHE 그룹의 뱅크 길이에 영향을 주는 가변 파라미터 중 하나이다. 다른 가변 파라미터를 고려하지 않는 경우, 튜브(23)의 단수를 많게 하면 뱅크 길이를 짧게 할(ACHE 그룹의 설치 면적을 작게 할) 수 있고, 단수를 적게 하는 만큼 뱅크 길이는 길어지는( 동 설치 면적이 커지는) 경향이 있다.

한편, 상단 측에 배치된 튜브(23)일수록, 냉각용 공기의 공급 온도가 높아지므로 냉각 효율이 저하한다. 이 결과, 단수가 많아질수록, 해당 ACHE 그룹 전체에서 필요한 튜브(23)의 총 전열 면적이 증가하는 경향이 있다. 총 전열 면적의 증가는, ACHE 그룹에 있어서의 튜브(23)용 재료의 사용량 증대에 직결되고, ACHE 그룹의 코스트가 상승하는 요인 중 하나가 된다.

또, 튜브(23)의 단수가 많아지면, 튜브 번들(230)의 압력 손실이 커지므로, 팬(22)에 있어서의 회전 구동부(221)의 소비 전력이 증가하는 경향도 있다.

따라서, ACHE 그룹의 설계에 있어서는, 설치 면적의 감소/증대와 튜브(23)의 총 전열 면적이나 팬(22)의 총 소비전력의 증대/감소와의 관계를 파악하지 않으면, 적절한 가변 파라미터를 특정할 수 없다.

게다가, 디슈퍼히터(201), 콘덴서(202), 서브 쿨러(203)와 같은 복수의 아이템을 공통의 파이프 랙(12)에 배치하는 경우에는, 적절한 가변 파라미터를 특정할 때의 선택지는 더 증가한다(예를 들어 도 5의 (A) 내지 (C)).

이 때, 각 아이템에서 선택 가능한 튜브(23)의 재료가 상이한 경우에는, 어느 아이템에서는 튜브(23)의 재료 단가가 비싸고, 설치 면적을 작게 억제하는 것보다도, 총 전열 면적의 저감이 우선되는 경우가 있다. 한편, 다른 아이템에서는 재료 단가가 상대적으로 염가이며, 총 전열 면적의 저감보다 설치 면적을 작게 억제하는 것을 우선하는 쪽이 좋은 경우도 있다.

이와 같은 아이템에 따른 설계변수의 선택 기준의 변화는, 파이프 랙(12)에 배치되는 ACHE 그룹 전체의 설계를 행할 때, 가변 파라미터의 값의 조합을 복잡하게 하여, 시행착오를 반복해야 하는 경우도 많았다.

따라서 본 예의 ACHE 그룹의 설계 방법은, 도 4를 이용하여 설명한 각 아이템의 ACHE 그룹의 설계에 있어, ACHE 그룹의 설치 면적에 큰 영향을 미치는 ACHE(2)의 설치 대수(베이수)를 필수의 가변 파라미터로 하여, 베이수를 변화시키는 것이 가능하게 한다.

그 다음에, 이미 설명한 설계변수 군 중의 다른 설계변수를 가변 파라미터로 하여 그 가변 범위나 변화 단위를 설정한다. 그리고 이들 가변 파라미터를 변화시켜, 복수대의 ACHE(2)를 1열로 늘어놓아 배치했을 때의 ACHE 그룹의 뱅크 길이(설치 길이), ACHE 그룹에 포함되는 튜브(23)의 총 전열 면적, ACHE 그룹에게 포함되는 팬(22)의 총 소비 전력으로부터 적어도 2개의 목적함수를 선택하고, 컴퓨터를 이용하여 파레토 해(트레이드오프 곡선)의 탐색을 행한다. 상기 뱅크 길이, 튜브(23)의 총 전열 면적, 팬(22)의 총 소비 전력은, 본 예의 목적함수 군에 상당한다.

탐색할 목적함수의 조합은, ACHE 그룹의 뱅크 길이와 튜브(23)의 총 전열 면적일 수도 있고, 뱅크 길이와 팬(22)의 총 소비 전력일 수도 있다. 또, 3개의 목적함수 모두에 대한 제1 파레토 해(트레이드오프 곡면)를 구할 수도 있다.

여기서 본 예에 있어서의 "파레토 해"는, 다목적 최적화 문제에 있어서의 일반적 의미와 동일한 의미로 이용하고 있다. 즉, 목적함수를 최대화, 또는 최소화할 때에, 어느 목적함수를 그 이상 개선하려고 하면, 다른 목적함수가 악화되어 버리는 한계에 위치하는 실행 가능한 해의 조합이다. 본 예에서는, 뱅크 길이, 튜브(23)의 총 전열 면적, 팬(22)의 총 소비 전력을 최소화하는 조건의 탐색을 행한다.

전술한 파레토 해의 탐색은, 시판되고 있는 범용의 최적화 소프트웨어를 이용하여 컴퓨터에 의해 실행할 수 있다. 이러한 소프트웨어의 예로서는, ESTECO사의 modeFRONTIER, Altair사의 HyperStudy, Noesis Solutions사의 Optimus, Red Cedar Technology사의 HEED 등을 예시할 수 있다.

여기서, 범용의 최적화 소프트웨어를 이용하여 파레토 해의 탐색을 실행하는 것은 필수의 요건은 아니고, 전용으로 개발한 탐색 툴을 이용하여 파레토 해의 탐색을 행할 수도 있다.

상기 파레토 해의 탐색은, 이와 같은 최적화 소프트웨어나 탐색 툴을 이용하여, 다목적 유전적 알고리즘이나 다목적 입자군 최적화법에 따라 탐색할 수 있다. 이들 다목적 최적화법을 실행하는 구체적인 알고리즘의 예로서는, NCGA (Neighborhood Cultivation Genetic Algorithm), NBI (Normal Boundary Intersection), IOSO (Indirect Optimization on the basis of Self-Organization) 등을 예시할 수 있다. 단, 해당 파레토 해의 탐색은, 이들 예시한 방법을 이용하는 경우로 한정되지 않고, 이미 설명한 목적함수에 관한 파레토 해를 탐색할 수 있는 임의의 방법을 이용할 수 있다.

전술한 방법을 예를 들어 디슈퍼히터(201), 콘덴서(202) 및 서브 쿨러(203)의 각 아이템과 관련한 ACHE 그룹에 대해 실행하는 것에 의해, 예를 들어 도 6의 (a) 내지 (c)에 실선으로 나타내는 파레토 해를 얻을 수 있다. 도 6의 (a) 내지 (c)에는, ACHE 그룹의 뱅크 길이, 및 튜브(23)의 총 전열 면적을 목적함수로 한 파레토 해(제1 파레토 해)를 모식적으로 나타내고 있다.

도 7은, 임의의 아이템에 대해, 소정의 가변 파라미터를 변화시키면서, 뱅크 길이와 총 전열 면적의 해의 세트를 라운드 로빈 방식(總當)으로 구한 결과를 나타내고 있다. 도 7에 의하면, 다른 해에 비해 우월하지 않은 해의 세트인 파레토 해를 구하는 것이 가능한 것을 확인할 수 있다. 해당 해의 탐색에 전술한 다목적 최적화 방법을 적용하는 것에 의해, 도 6의 (a) 내지 (c)에 모식적으로 나타내는 제1 파레토 해를 구하는 것이 가능한 것을 확인하고 있다.

게다가 도 5를 이용하여 설명한 복수 아이템의 ACHE 그룹의 조합에 대해서는, 이들 각 아이템의 ACHE 그룹에 대해 제1 파레토 해를 구한 결과를 이용한다. 예를 들어 3개의 아이템의 총 뱅크 길이(총 설치 길이), 및 기기 코스트(각 아이템의 총 전열 면적 x 튜브(23)의 구성부재의 단위면적 당 단가)를 목적함수로 하여, 이들 목적함수에 관한 제2 파레토 해(트레이드오프 곡선)를 구한다.

본 예에서는, 총 뱅크 길이, 복수 아이템의 ACHE 그룹에 대한 기기 코스트를 최소화하는 조합을 구한다.

제2 파레토 해를 구하는 구체적인 방법으로서는, 총 뱅크 길이의 상한을 설정했을 때, 해당 제한 내에 도 6에 나타내는 각 아이템의 제1 파레토 해의 조합을 어떻게 선택하면, ACHE 그룹의 기기 코스트가 가장 적게 되는가 하는 정수 계획 문제인, 이른바 냅색(knapsack) 문제를 푼다. 그리고, 해당 총 뱅크 길이의 상한이 점차 커지도록(또는 작아지도록) 변화시키면서, 해당 문제를 풀어 가는 것에 의해, 도 8에 나타내는 제2 파레토 곡선을 얻을 수 있다. 예를 들어 도 5에 나타내는 (A) 내지 (C)의 각 아이템의 조합이 제2 파레토 해에 포함되는 경우, 이들 (A) 내지 (C)의 조합이 도 8의 제2 파레토 곡선의 일부를 구성하게 된다.

이와 같은 정수 계획 문제는, 공지의 동적 계획법에 따라 풀 수 있다.

또한, 총 뱅크 길이가 이미 정해져 있는 경우나, ACHE 그룹의 기기 코스트의 최소화를 목적함수로 하는 것이 정해져 있는 경우 등에는, 제2 파레토 해를 구하는 것은 필수는 아니고, 이들 조건 하에서의 최적해를 1개만 구할 수도 있다.

또 도 1에 도시된 바와 같이, LNG 플랜트(1) 중에 복수의 파이프 랙(12)이 배치되는 경우에는, 각각의 파이프 랙(12)에 대해 전술한 제1, 제2 파레토 해를 탐색할 수도 있다. 또는, 이들 파이프 랙(12) 전체에 대해 제1, 제2 파레토 해를 구하고, 실제로 플롯 플랜을 결정할 때에, 이들 파레토 해로부터 얻을 수 있는 ACHE 그룹을 복수로 분할하여 각 파이프 랙(12)에 배치할 수도 있다.

이하, 도 9 내지 도 12를 참조하면서, 상기한 각 파레토 해를 얻는 구체적인 순서에 대해 설명한다. 도 9는 해당 순서의 개요를 나타내고, 도 10 내지 도 12는 보다 상세한 동작 흐름을 나타내고 있다.

처음에 가변 파라미터의 선택이나 그 가변 범위의 설정(제1 공정)을 행하고, 더욱이 기타 설계값의 설정(고정값의 입력이나 타입의 선택, 제2 공정)을 행한다(도 9의 처리 P1). 이들 제1, 2 공정의 실시 순서로 한정되는 것은 아니고, 어느 쪽을 먼저 실시해도 좋다.

구체적으로는, 컴퓨터로 이미 설명한 최적화 소프트웨어나 전용의 탐색 툴을 가동시켜, 상세 모델의 설정을 행한다(도 10의 스텝 S101). 예를 들어 도 11에 기재된 바와 같이, 먼저 기타 설계값(튜브 번들(230)의 레이아웃 정보나 튜브(23)의 각종 설계값 등)의 입력을 행한다(스텝 S201). 그 다음에, 가변 파라미터(가변 범위인 최대값, 최소값의 설정이나 변화 단위)의 세팅을 행하고(스텝 S202), 더욱이 제약 조건(제원 데이터 평가 결과의 하한값, 상한값)의 세팅을 행한다(스텝 S203). 또한, 제원 데이터의 예로서 관속의 압력 손실, 노이즈값, 소비 전력량 등이 있다. 그리고, 목적함수의 설정과 각 가변 파라미터에 대한 가중 계수의 세팅을 행한다(스텝 S204).

그 다음에 각 아이템에 대해, 차례로, 제1 파레토 해의 탐색(제3, 제4 공정)을 실행한다(도 9의 처리 P2).

구체적으로는, 이미 설명한 최소값, 최대값의 범위 내에서 최초로 검토하는 가변 파라미터의 선택, 즉 가변 파라미터의 초기화를 행하고(스텝 S102), 해당 가변 파라미터의 선택 결과 및 이미 설정되어 있는 기타 설계값의 조건 하에서 ACHE 그룹의 평가를 행한다(스텝 S103). 이 평가에 있어서는, 가변 파라미터의 값 및 기타 설계값을 열교환기 시뮬레이터에 출력하고, 해당 열교환기 시뮬레이터에서 튜브(23)의 총 전열 면적을 산출하는 전열 계산 등을 행한다.

또, 도 4 중에서 X방향을 따라 본 ACHE(2)의 폭에, ACHE 그룹 중의 ACHE(2)의 설치수(베이수)를 곱하는 것에 의해, 뱅크 길이를 구한다.

그리고, 상기 뱅크 길이, 및 열교환기 시뮬레이터로부터 취득한 총 전열 면적으로부터 복수의 목적함수(여기에서는 뱅크 길이 및 총 전열 면적)를 얻어, 그 해석, 평가를 행한다(스텝 S104).

평가 결과가 종료 조건(예를 들어 소정의 반복 계산 기간 중에, 이미 설명한 제약 조건의 범위에서 다른 것보다 우월한 해를 더 이상 탐색할 수 없었던 경우 등)을 만족하지 않은 경우에는(스텝 S105; NO), 차세대의 평가 파라미터를 설정하고(스텝 S106), 스텝 S103 내지 S104를 반복하여 실행한다.

스텝 S104를 실행한 결과, 평가 결과가 종료 조건을 만족하고 있는 경우에는(스텝 S105; YES), 얻어진 파레토 해의 각 목적함수의 값의 조합에 대응하는 가변 파라미터의 값이나 평가 결과를 데이터베이스에 보관하고(스텝 S107), 일련의 동작을 종료한다.

그 다음에, 복수 아이템의 해를 조합하여, 총 뱅크 길이와 기기 코스트와 관련한 제2 파레토 해를 탐색한다(도 9의 처리 P3).

구체적으로는 도 12에 도시된 바와 같이, 데이터베이스로부터 처리 P2에서 구해진 제1 파레토 해와 관련한 각 가변 파라미터나 목적함수의 값의 조합을 읽어들인다(스텝 S301).

그런 다음, 상기 제1 파레토 해로부터, 각 아이템에 대한 뱅크 길이나 총 전열 면적을 선택하는 초기 파라미터의 설정을 행한다(스텝 S302). 그리고 동적 계획법을 이용하여, 복수 아이템의 ACHE 그룹에 대해, 총 뱅크 길이와 ACHE 그룹의 코스트를 구하는 최적화 계산, 및 평가를 행한다(스텝 S303).

예를 들어 총 뱅크 길이는 선택된 각 아이템의 뱅크 길이의 합으로부터 구해지고, 기기 코스트는 선택된 각 아이템의 총 전열 면적에 단위 전열 면적당 튜브(23)의 코스트를 곱한 결과에 기초하여 구할 수 있다.

얻어진 평가 결과가 종료 조건(예를 들어 총 뱅크 길이에 대해 설정한 소정의 변화 범위에 대해, 최적화 계산을 완료했을 경우 등)을 만족하지 않는 경우에는(스텝 S304; NO), 차(次)후보의 파라미터를 설정하고(스텝 S305), 스텝 S303을 반복하여 실행한다.

스텝 S303을 실행한 결과, 평가 결과가 종료 조건을 만족하고 있는 경우에는(스텝 S304; YES), 얻어진 파레토 해의 각 목적함수의 값의 조합, 및 이것에 대응하는 각 아이템에 대한 제2 파레토 해의 조합이나 평가 결과를 데이터베이스에 보관하고(스텝 S306), 일련의 동작을 종료한다.

전술한 각 공정에 의해 제1, 제2 파레토 해의 조합, 평가 결과가 얻어졌다면, 이들 정보에 근거하여, 실제로 건설하는 LNG 플랜트(1)에서 채용하는 ACHE 그룹의 뱅크 길이, 및 튜브(23)의 총 전열 면적(제1 파레토 해)이나 총 뱅크 길이, 기기 코스트(제2 파레토 해)를 결정한다.

LNG 플랜트(1) 전체의 플롯 플랜과 관련한 각 ACHE 그룹의 뱅크 길이, 총 뱅크 길이 등이 결정되면, 기기 배치영역(11)에 배치되는 각 기기의 설계를 행한다.

또, 결정된 제1 파레토 해를 탐색할 때에 이용된 가변 파라미터에 근거하여, ACHE 그룹에게 포함되는 개별의 ACHE(2)의 상세한 설계를 행한다.

ACHE(2)의 상세 설계를 행함에 있어, 기기간의 간섭 회피나 조작성의 향상 등의 관점을 근거로 하여, 선택된 제1 파레토 해에 대응하는 가변 파라미터의 값이나 설계값을 변경하는 것이 금지되는 것은 아니다. 예를 들어, 선택한 각 파레토 해(ACHE 그룹의 뱅크 길이, 튜브(23)의 총 전열 면적, 총 뱅크 길이, 기기 코스트)에 허용되는 증감 범위를 설정해 두고, 해당 증감 범위 내에서 각 가변 파라미터의 조정을 행할 수도 있다.

이상에 예시한 방법에 의해, LNG 플랜트(1)의 설계가 진행되고, 이 설계 결과에 근거하여, 본 예의 열교환기 그룹의 설계 방법을 이용하여 설계된, ACHE 그룹을 구비하는 LNG 플랜트(1)가 건설(제조)된다.

본 발명은, ACHE 그룹의 뱅크 길이, 튜브(23)의 총 전열 면적, 팬(22)의 총 소비 전력으로부터 선택한 복수의 목적함수에 대해, 컴퓨터를 이용하여 파레토 해를 구하므로, LNG 플랜트(1)의 요청에 따른 최적의 설계값을 얻을 수 있다.

여기서, 도 4 내지 도 12를 이용하여 설명한 예에서는, 각 아이템의 ACHE 그룹의 뱅크 길이와 총 전열 면적을 목적함수로 하는 제1 파레토 해를 탐색하고, 그 결과를 이용하여 복수 아이템과 관련한 제2 파레토 해를 구하는 방법에 대해 설명하였다.

이 예로 한정되지 않고, 뱅크 길이와 튜브(23)의 총 전열 면적과 팬(22)의 총 소비 전력, 이들 3개를 목적함수로 하는 제1 파레토 해를 탐색하고, 그 결과에 근거하여 제2 파레토 해를 구할 수도 있다.

이상, 처리 플랜트인 LNG 플랜트(1)에 설치되는 ACHE 그룹에 대해, 본 예의 설계 방법을 적용한 결과에 대해 설명했지만, 이 설계 방법을 적용할 수 있는 처리 플랜트는 LNG 플랜트(1)에 한정되지 않는다.

예를 들어 피처리유체인 NG로부터, 콘덴세이트를 포함하는 에탄보다 중질의 액체를 회수하고, 메탄보다 경질의 기체에 대해서는 액화를 행하지 않고 가스 상태로 수요처에 출하하거나, 공장 내에서 연료 가스로서 소비하거나 하는 가스 처리 플랜트, 원유나 원유로부터 얻어진 각 유분을 피처리유체로 하여, 이들의 증류, 탈황, 분해, 개질 등의 처리를 행하는 각종의 석유 정제 플랜트에 설치되어 있는 ACHE 그룹에 대해서도 본 기술을 적용할 수 있다.

1: LNG 플랜트, 12: 파이프 랙, 2: ACHE, 22: 팬, 23: 튜브, 230: 튜브 번들

Claims (8)

1. 설계된 열교환기 그룹을 얻기 위해 컴퓨터에 의해 열교환기 그룹을 설계하는 방법으로서, 상기 설계된 열교환기 그룹은 처리 플랜트에 설치되는 상기 열교환기 그룹의 배치를 나타내고, 상기 처리 플랜트는 피처리유체를 처리하도록 구성되고 복수대의 ACHE(공랭식 열교환기)를 포함하며, 상기 복수대의 ACHE들은 상기 설계된 열교환기 그룹에 따라 파이프 랙에 설치되는, 열교환기 그룹의 설계 방법에 있어서,
   가변 파라미터들로서 각각의 상기 ACHE에 설치되는 관속과 관련한 설계변수, 상기 관속에 포함되는 각각의 전열관과 관련한 설계변수, 및 각각의 상기 ACHE에 설치되는 팬과 관련한 설계변수를 포함하는 설계변수 군으로부터 적어도 하나의 설계변수를 선택하고, 가변 파라미터들로서 상기 열교환기 그룹에 설치되는 ACHE의 설치 대수를 선택하고, 선택된 상기 가변 파라미터들의 각각의 가변 범위를 설정하는 제1 공정과,
   상기 제1 공정에서 상기 가변 파라미터들로서 선택되지 않은 설계변수들을 포함하는, 상기 ACHE들의 각각의 설계값들을 설정하는 제2 공정과,
   상기 설계값들의 설정 후, 상기 제1 공정에서 설정된 가변 범위 내에서 상기 가변 파라미터를 변화시켜, 상기 복수대의 ACHE들을 1열로 늘어놓아 배치했을 때의 상기 열교환기 그룹의 설치 길이, 상기 열교환기 그룹에 포함되는 전열관들의 총 전열 면적, 및 상기 열교환기 그룹에 포함되는 팬들의 총 소비 전력으로 이루어지는 목적함수 군으로부터 선택된 적어도 2개의 목적함수들에 대한 파레토 해를 구하는 제3 공정과,
   상기 열교환기 그룹의 설치 길이, 상기 전열관들의 총 전열 면적, 및 상기 팬들의 총 소비 전력으로부터 선택된 적어도 2개의 목적함수들에 대해 컴퓨터에 의해 계산된 파레토 해에 따라 상기 파이프 랙에 설치되는 복수대의 ACHE들을 처리 플랜트 상에 배치하는 공정
   을 포함하며,
   상기 적어도 2개의 목적함수들에는 상기 열교환기 그룹의 설치 길이가 적어도 포함되는 것을 특징으로 하는 열교환기 그룹의 설계 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제3 공정에서는, 다목적 유전적 알고리즘 또는 다목적 입자군 최적화법을 이용하여 상기 파레토 해를 구하는 것을 특징으로 하는 열교환기 그룹의 설계 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 처리 플랜트에 대해 복수의 상기 열교환기 그룹이 설치될 때,
   상기 복수의 열교환기 그룹의 각각에 대해 상기 제1 공정 내지 제3 공정을 실시하여, 상기 설치 길이와 상기 총 전열 면적을 목적함수로 하는 파레토 해인 제1 파레토 해를 구하는 제4 공정과,
   상기 복수의 열교환기 그룹의 각각에 대한 상기 제1 파레토 해로부터 상기 설치 길이 및 상기 총 전열 면적의 조합을 선택하고, 이들 조합의 선택 결과에 근거하여, 상기 복수의 열교환기 그룹의 ACHE를 1열로 늘어놓아 배치했을 때의 총 설치 길이, 상기 복수의 열교환기 그룹의 기기 코스트 중 적어도 하나를 구하는 제5 공정
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 그룹의 설계 방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제5 공정에서, 상기 총 설치 길이 및 상기 기기 코스트 쌍방을 목적함수로 하는 제2 파레토 해를 구하는 것을 특징으로 하는 열교환기 그룹의 설계 방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제5 공정은, 동적 계획법을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 열교환기 그룹의 설계 방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 관속과 관련한 설계변수는, 1대의 ACHE에 설치되는 관속수, 상기 관속에 포함되는 전열관 개수, 상기 관속에 포함되는 전열관의 패스수, 상기 관속에 있어서의 전열관의 단수, 상기 관속 내의 전열관의 배치 간격의 타입, 상기 관속의 일단으로부터 타단까지의 전열관의 관 길이로부터 선택된 설계변수를 포함하며,
   상기 전열관과 관련한 설계변수는, 상기 전열관의 외경, 상기 전열관의 두께, 상기 전열관의 배열 피치로부터 선택된 설계변수를 포함하며,
   상기 팬과 관련한 설계변수는, 1대의 ACHE에 설치되는 팬의 설치수, 상기 팬의 직경, 상기 팬의 팬 효율, 상기 팬에 의해 상기 ACHE에 공급되는 냉각용 공기의 전면 풍속으로부터 선택된 설계변수를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 그룹의 설계 방법.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 처리 플랜트는, 액화천연가스 플랜트, 석유 정제 플랜트 또는 가스 처리 플랜트인 것을 특징으로 하는 열교환기 그룹의 설계 방법.
8. 피처리유체의 처리를 행하는 처리 플랜트에 있어서,
   청구항 1에 기재된 열교환기 그룹의 설계 방법에 의해 설계된, 상기 복수대의 ACHE를 포함하는 것을 특징으로 하는 처리 플랜트.

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