(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空冷式の熱交換器群を設計する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
液化天然ガス（ＬＮＧ：Liquefied Natural Gas）プラントや石油精製プラントなどの処理プラントには、種々の被冷却流体を冷却するプロセスがある。例えば空冷式熱交換器（ＡＣＨＥ：Air Cooled Heat Exchanger）は、多数本のチューブ（伝熱管）へ向けて冷却用空気を供給し、これらのチューブ内を流れる被冷却流体の冷却を行う熱交換器の一種である。ＡＣＨＥは、冷却水などの液体冷媒を用いずに被冷却流体を冷却することができるため、各種の処理プラントに広く採用されている。  
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。【０００３】
一方で、ＡＣＨＥには冷却用空気の供給を行うためのファンやその駆動機構を設ける必要があり、その構造が複雑化しやすい。このため、ＡＣＨＥの設計にあたっては、多数の設計変数を決定する必要があり、必要とされる冷却能力を発揮可能な設計値の組み合わせも１つではない。  
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。【０００４】
特許文献１、２には、コンピュータや演算手段を用いて、ヘリコプタのロータブレードの翼型やゴルフクラブシャフトに係る複数の目的関数を最適化する技術が記載されているが、ＡＣＨＥ群の設計を実行する上で必要な技術は何ら開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４８２５０９９号公報
【特許文献２】特許第５４７６０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような背景の下になされたものであり、被処理流体の処理を行う処理プラントに設けられる熱交換器群を効率的に設計する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の熱交換器群の設計方法は、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。【０００８】
前記熱交換器群の設計方法は以下の特徴を備えてもよい。  
（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。【０００９】
また、被処理流体の処理を行う処理プラントにおいて、上述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。
【発明の効果】
【００１０】
本例のＡＣＨＥ群の設計方法によれば以下の効果がある。複数台の空冷式熱交換器（ＡＣＨＥ群）の設置長さ、伝熱管の総伝熱面積、ファンの総消費電力から選択した複数の目的関数について、コンピュータを用いてパレート解を求めるので、処理プラントの要請に応じた最適な設計値を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ＬＮＧプラントの概略プロット図である。
【図２】前記ＬＮＧプラントの構成例を示す説明図である。
【図３】前記ＬＮＧプラントに設けられているＡＣＨＥの構成例を示す縦断側面図である。
【図４】ＡＣＨＥ群の設計変数の変化の影響を示す説明図である。
【図５】複数のアイテムにおけるＡＣＨＥ群の設計変数の変化の影響を示す説明図である。
【図６】各アイテムのＡＣＨＥ群についての第１のパレート解の概要を示す説明図である。
【図７】コンピュータを用いて実現可能な解の組み合わせを探索した結果である。
【図８】複数アイテムのＡＣＨＥ群を組み合わせた場合の第２のパレート解の概要を示す説明図である。
【図９】実施の形態に係るＡＣＨＥ群の設計方法の実施手順を示す説明図である。
【図１０】前記設計方法の第１、第２、第３工程に係るフロー図である。
【図１１】図１０のＳ１０１（評価モデルの設定）のフロー図である。
【図１２】前記設計方法の第４、第５工程に係るフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本例のＡＣＨＥ群の設計方法が適用される処理プラントであるＬＮＧプラント１の概略プロットを示している。当該ＬＮＧプラント１は、パイプラック１２の周囲に、ＬＮＧプラント１を構成する機器の配置領域（機器配置領域１１）を並べた構成となっている。
【００１３】
図２を参照しながらＬＮＧプラント１の構成例について説明しておく。例えばＬＮＧプラント１は、前処理により不純物が除去された被処理流体であるＮＧ（天然ガス）を予冷熱交換器３１にて予冷却し、スクラブカラム３２にて気液分離した後、極低温主熱交換器（ＭＣＨＥ：Main Cryogenic Heat Exchanger）３３にて液化、過冷却してＬＮＧを得る。スクラブカラム３２にて気液分離された液体は、精留部３４にて精留され、精留の際に分離された軽質成分はＭＣＨＥ３３へと送られてＬＮＧとなる。
【００１４】
ＮＧの液化・過冷却を行う液化用冷媒としては、例えば窒素、メタン、エタン、プロパンなどの複数種類の冷媒原料を混合した混合冷媒（ＭＲ：Mixed Refrigerant）が用いられる。  
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。
【００１５】
本例のＬＮＧプラント１は、予冷熱交換器３１にてＮＧの予冷を行う冷媒や、ＭＲ冷却器３７にてＭＲの冷却を行う冷媒として、プロパンまたはプロピレンの単一成分からなるＣ３冷媒を用いている。ＮＧの予冷やＭＲの冷却に使用されたＣ３冷媒についても、圧縮・冷却された後、予冷熱交換器３１やＭＲ冷却器３７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。
【００１６】
Ｃ３冷媒圧縮機３５の後段には、圧縮の過程で温度上昇した気体Ｃ３冷媒を気体の状態で冷却するためのデスーパーヒーター２０１と、デスーパーヒーター２０１にて冷却された気体Ｃ３冷媒をさらに冷却して凝縮させるコンデンサー２０２と、コンデンサー２０２から流出した液体Ｃ３冷媒を溜めるレシーバー（受槽）３５３と、液体Ｃ３冷媒をさらに冷却して過冷却状態とするサブクーラー２０３とが、上流側からこの順に設けられている。サブクーラー２０３にて過冷却された液体Ｃ３冷媒は、既述の膨張弁を介して再びＣ３冷却器３１、３７に送られる。これらデスーパーヒーター２０１、コンデンサー２０２及びサブクーラー２０３についてもＡＣＨＥ２により構成される。
【００１７】
上述の構成例に係るＬＮＧプラント１において、予冷用のＣ３冷媒に係るＡＣＨＥ２（デスーパーヒーター２０１、コンデンサー２０２及びサブクーラー２０３）は設置台数も多く、大規模なＬＮＧプラント１においては１００台近くになる場合もある。ＭＲクーラー２０４なども含め、これらのＡＣＨＥ２は、パイプラック１２の頂部に整列配置される（図１）。以下の説明では、ＡＣＨＥ２の設置単位を「ベイ（bay）」ともいう。ベイの数は、本例の「設置台数」に相当する。また、デスーパーヒーター２０１、コンデンサー２０２などの目的に応じて、各々、設けられる複数のベイ（熱交換器群：ＡＣＨＥ群）を「アイテム」とも呼ぶ。  
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。
【００１８】
本例のＡＣＨＥ群の設計方法の具体的な内容の説明に入る前に、ＡＣＨＥ２の基本的な構造の例を説明しておく。  
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。
【００１９】
チューブバンドル２３０は、上下両面が開放され、隣り合うチューブ２３の隙間を介して、下から上へ向かって冷却用空気を通流させることができる。またチューブバンドル２３０の側周部分を構成する枠体は、パイプラック１２を構成する架構の上面に固定されている。
【００２０】
ファン２２は、回転中心から放射状に伸びるように設けられた複数枚の動翼２２０を備える。各動翼２２０の基端部は、前記回転中心にて回転軸２２２の上端部に接続され、当該回転軸２２２は上下方向へ伸びるように配置されている。回転軸２２２の下部側はチューブバンドル２３０を貫通し、その下端部は、当該チューブバンドル２３０の下方に配置された回転駆動部２２１と接続されている。  
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。
【００２１】
チューブバンドル２３０の枠体の上面から、ファン２２の側方位置を通ってその上方側に至る領域には、チューブバンドル２３０を通過した空気を通流させる排気経路を成すダクト２１が設けられている。ダクト２１は、ファン２２の上方側の位置にて、上面側へ向けて開口している。  
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。
【００２２】
上述の構成を備えたＡＣＨＥ２にて、ファン２２を回転させると、チューブバンドル２３０を下方側から上方側へ通過する冷却用空気の流れが形成される。そして各チューブ２３の表面に供給された冷却用空気との熱交換により、チューブ２３内を流れる被冷却流体の冷却が行われる。
【００２３】
上述のＡＣＨＥ２の構成例を踏まえ、複数のＡＣＨＥ２が設けられたＡＣＨＥ群の設計に係る設計変数として、ベイの数、チューブバンドル２３０に係る設計変数、チューブ２３に係る設計変数、ファン２２に係る設計変数などを例示できる。
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。
【００２４】
またチューブ２３に係る設計変数の具体例としては、チューブ２３の外径、肉厚、配列ピッチなどを例示できる。そして、ファン２２に係る設計変数の具体例としては、各ベイへのファン２２の設置数、ファン２２の直径、ファン効率、ファン２２により供給される冷却用空気の前面風速などを例示できる。  
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。
【００２５】
さらには、上述の各設計変数に加え、ＡＣＨＥ群の設計を行う上で必要な設計値として、ＡＣＨＥ２の通風型（ファン２２の動翼２２０がチューブバンドル２３０の下方側に配置された押込通風型／動翼２２０がチューブバンドル２３０の上方側に配置された吸込通風型、図３の例は吸込通風型）、被冷却流体の性状、流量、熱交換量、入口／出口の温度条件、冷却用空気の吸気温度、チューブ２３の材料仕様（使用材料、グレードなど）、チューブ２３にフィンが形成されている場合はフィンの材料仕様、チューブ２３内外の汚れ係数、チューブバンドル２３０の許容圧力損失、ＡＣＨＥ群の据え付け場所の海抜、フィンが設けられる場合は、フィンの高さ・厚み・１インチ当たりの設置枚数、ファン２２の周囲にダクト２１やファンリングを設けるか否か、ファンリングを設ける場合はファンリングの形状、ダクト２１を設ける場合はダクト２１の高さなどを例示することができる。  
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。
【００２６】
なお、上述の設計変数として例示した項目と、設計値として例示した項目との区分けは、互いに固定されたものではない。設計変数として挙げた項目を設計値について、固定した値やタイプを設定してもよいし、設計値として挙げた項目を設計変数について、その値や対応を変化させることが可能な可変パラメータとしてもよい。
【００２７】
ＡＣＨＥ群については、上述の各設計値を設定したうえで、各可変パラメータを変化させながら、これらの可変パラメータについて好適な値を選択する設計が行われる。  
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。
【００２８】
特に、チューブバンドル２３０における、上下方向のチューブ２３の段数は、ＡＣＨＥ群のバンク長さに影響する可変パラメータの１つである。他の可変パラメータを考慮しない場合、チューブ２３の段数を多くするとバンク長さを短くする（ＡＣＨＥ群の設置面積を小さくする）ことができ、段数を少なくするほどバンク長さは長くなる（同設置面積が大きくなる）傾向がある。
【００２９】
一方で、上段側に配置されたチューブ２３ほど、冷却用空気の供給温度が高くなるので冷却効率が低下する。この結果、段数が多くなる程、当該ＡＣＨＥ群全体で必要なチューブ２３の総伝熱面積が増加する傾向がある。総伝熱面積の増加は、ＡＣＨＥ群におけるチューブ２３用の材料の使用量の増大に直結し、ＡＣＨＥ群のコストが上昇する要因の一つとなる。
【００３０】
また、チューブ２３の段数が多くなると、チューブバンドル２３０の圧力損失が大きくなるので、ファン２２における回転駆動部２２１の消費電力も増加する傾向もある。
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。
【００３１】
さらに、デスーパーヒーター２０１、コンデンサー２０２、サブクーラー２０３のような複数のアイテムを共通のパイプラック１２に配置する場合には、好適な可変パラメータを特定する上での選択肢はさらに増加する（例えば図５（Ａ）〜（Ｃ））。  
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。
【００３２】
このようなアイテムに応じた設計変数の選択基準の変化は、パイプラック１２に配置されるＡＣＨＥ群全体の設計を行ううえで、可変パラメータの値の組み合わせを複雑化し、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多かった。  
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。
【００３３】
そのうえで、既述の他の設計変数群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。そしてこれらの可変パラメータを変化させて、複数台のＡＣＨＥ２を１列に並べて配置したときのＡＣＨＥ群のバンク長さ（設置長）さ、ＡＣＨＥ群に含まれるチューブ２３の総伝熱面積、ＡＣＨＥ群に含まれるファン２２の総消費電力から少なくとも２つの目的関数を選び、コンピュータを用いてパレート解（トレードオフ曲線）の探索を行う。前記バンク長さ、チューブ２３の総伝熱面積、ファン２２の総消費電力は、本例の目的関数群に相当する。
【００３４】
探索する目的関数の組み合わせは、ＡＣＨＥ群のバンク長さとチューブ２３の総伝熱面積とであってもよいし、バンク長さとファン２２の総消費電力とであってもよい。また、３つの目的関数全てについての第１のパレート解（トレードオフ曲面）を求めてもよい。  
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。
【００３５】
上述のパレート解の探索は、市販されている汎用的な最適化ソフトウェアを用いてコンピュータにより実行することができる。このようなソフトウェアの例としては、ESTECO社のmodeFRONTIER、Altair社のHyperStudy、Noesis Solutions社のOptimas、Red Cedar Technology社のHEEDなどを例示することができる。
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。
【００３６】
前記パレート解の探索は、このような最適化ソフトウェアや探索ツールを用い、多目的遺伝的アルゴリズムや多目的粒子群最適化法によって探索することができる。これらの多目的最適化法を実行する具体的なアルゴリズムの例としては、ＮＣＧＡ(Neighborhood Cultivation Genetic Algorithm)、ＮＢＩ（Normal Boundary Intersection)、ＩＯＳＯ（Indirect Optimization on the basis of Self‐Organization）などを例示することができる。但し、当該パレート解の探索は、これら例示した手法を用いる場合に限定されず、既述の目的関数に関するパレート解を探索可能な任意の手法を用いることができる。
【００３７】
上述の手法を例えばデスーパーヒーター２０１、コンデンサー２０２及びサブクーラー２０３の各アイテムに係るＡＣＨＥ群について実行することにより、例えば図６（ａ）〜（ｃ）中に実線で示すパレート解を得ることができる。図６（ａ）〜（ｃ）には、ＡＣＨＥ群のバンク長さ、及びチューブ２３の総伝熱面積を目的関数としたパレート解（第１のパレート解）を模式的に示している。
【００３８】
図７は、あるアイテムにつき、所定の可変パラメータを変化させながら、バンク長さと総伝熱面積の解の組を総当たりで求めた結果を示している。図７によれば、他の解に優越されない解の組であるパレート解を求めることが可能であることを確認できる。当該解の探索に上述の多目的最適化手法を適用することにより、図６（ａ）〜（ｃ）に模式的に示す第１のパレート解を求めることが可能であることを確認している。
【００３９】
さらに、図５を用いて説明した複数アイテムのＡＣＨＥ群の組み合わせについては、これら各アイテムのＡＣＨＥ群について第１のパレート解を求めた結果を利用する。例えば３つのアイテムの総バンク長さ（総設置長さ）、及び機器コスト（各アイテムの総伝熱面積×チューブ２３の構成部材の単位面積当たりの単価）を目的関数として、これらの目的関数に関する第２のパレート解（トレードオフ曲線）を求める。  
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。
【００４０】
第２のパレート解を求める具体的な手法としては、総バンク長さの上限を設定したとき、当該制限内に図６に示す各アイテムの第１のパレート解の組み合わせをどのように選択すれば、ＡＣＨＥ群の機器コストが最も少なくなるかという整数計画問題である、いわゆるナップサック問題を解く。そして、当該総バンク長さの上限が次第に大きくなる（または小さくなるように）変化させながら、当該問題を解いていくことにより、図８に示す第２のパレート曲線を得ることができる。例えば図５に示す（Ａ）〜（Ｃ）の各アイテムの組み合わせが第２のパレート解に含まれる場合、これら（Ａ）〜（Ｃ）の組み合わせが図８の第２のパレート曲線の一部を構成することになる。
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。
【００４１】
なお、総バンク長さが既に決まっている場合や、ＡＣＨＥ群の機器コストの最小化を目的関数とすることが決まっている場合などは、第２のパレート解を求めることは必須ではなく、これらの条件下での最適解を１つだけ求めてもよい。
【００４２】
また図１に示すように、ＬＮＧプラント１中に複数のパイプラック１２が配置される場合には、各々のパイプラック１２について上述の第１、第２のパレート解を探索してもよい。または、これらパイプラック１２の全体について第１、第２のパレート解を求め、実際のプロットプランを決定する際に、これらのパレート解から得られるＡＣＨＥ群を複数に分割して各パイプラック１２に配置してもよい。
【００４３】
以下、図９〜図１２を参照しながら、上記の各パレート解を得る具体的な手順について説明する。図９は、当該手順の概要を示し、図１０〜図１２はより詳細な動作フローを示している。
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。
【００４４】
具体的には、コンピュータにて既述の最適化ソフトウェアや専用の探索ツールを稼働させ、詳細モデルの設定を行う（図１０のステップＳ１０１）。例えば図１１に記載のように、先ずその他設計値（チューブバンドル２３０のレイアウト情報やチューブ２３の各種設計値など）の入力を行う（ステップＳ２０１）。次いで、可変パラメータ（可変範囲である最大値、最小値の設定や変化単位）のセットを行い（ステップＳ２０２）、さらに制約条件（諸元データ評価結果の下限値、上限値）のセットを行う（ステップＳ２０３）。なお、諸元データの例として管束の圧力損失、ノイズ値、消費電力量などがある。そして、目的関数の設定と各可変パラメータについての重み係数のセットを行う（ステップＳ２０４）。
【００４５】
次いで各アイテムにつき、順次、第１のパレート解の探索（第３、第４工程）を実行する（図９の処理Ｐ２）。  
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。
【００４６】
また、図４中のＸ方向に沿って見たＡＣＨＥ２の幅に、ＡＣＨＥ群中のＡＣＨＥ２の設置数（バンク数）を乗じることにより、バンク長さを求める。
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）。
【００４７】
評価結果が終了条件（例えば所定の繰り返し計算期間中に、既述の制約条件の範囲で他に優越する解がこれ以上、探索できなかった場合など）を満たしていない場合には（ステップＳ１０５；ＮＯ）、次世代の評価パラメータを設定し（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０３〜Ｓ１０４を繰り返し実行する。
【００４８】
ステップＳ１０４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Ｓ１０５；ＹＥＳ）、得られたパレート解の各目的関数の値の組み合わせに対応する可変パラメータの値や評価結果をデータベースに保管し（ステップＳ１０７）、一連の動作を終了する。
【００４９】
次いで、複数アイテムの解を組み合わせて、総バンク長さと機器コストに係る第１のパレート解を探索する（図９の処理Ｐ３）。  
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）。
【００５０】
しかる後、上記第１のパレート解から、各アイテムについてのバンク長さや総伝熱面積選択する初期パラメータの設定を行う（ステップＳ３０２）。そして動的計画法を用い、複数アイテムのＡＣＨＥ群について、総バンク長さとＡＣＨＥ群のコストを求める最適化計算、及び評価を行う（ステップＳ３０３）。  
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。
【００５１】
得られた評価結果が終了条件（例えば総バンク長さについて設定した所定の変化範囲について、最適化計算を完了した場合など）を満たしていない場合には（ステップＳ３０４；ＮＯ）、次候補のパラメータを設定し（ステップＳ３０５）、ステップＳ３０３を繰り返し実行する。  
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。
【００５２】
上述の各工程により第１、第２のパレート解の組み合わせ、評価結果が得られたら、これらの情報に基づき、実際に建設するＬＮＧプラント１にて採用するＡＣＨＥ群のバンク長さ、及びチューブ２３の総伝熱面積（第１のパレート解）や総バンク長さ、機器コスト（第２のパレート解）を決定する。
【００５３】
ＬＮＧプラント１全体のプロットプランに係る各ＡＣＨＥ群のバンク長さ、総バンク長さなどが決定されたら、機器配置領域１１に配置される各機器の設計を行う。  
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。
【００５４】
ＡＣＨＥ２の詳細設計を行うにあたって、機器間の干渉回避や操作性の向上などの観点を踏まえ、選択された第１のパレート解に対応する可変パラメータの値や設計値を変更することを禁止されるものではない。例えば、選択した各パレート解（ＡＣＨＥ群のバンク長さ、チューブ２３の総伝熱面積、総バンク長さ、機器コスト）に許容される増減範囲を設定しておき、当該増減範囲内で各可変パラメータの調整を行ってもよい。
【００５５】
以上に例示した手法により、ＬＮＧプラント１の設計が進められ、この設計結果に基づき、本例の熱交換器群の設計方法を用いて設計された、ＡＣＨＥ群を備える処理プラント１が建設（製造）される。
【００５６】
本発明は、ＡＣＨＥ群のバンク長さ、チューブ２３の総伝熱面積、ファン２２の総消費電力から選択した複数の目的関数について、コンピュータを用いてパレート解を求めるので、ＬＮＧプラント１の要請に応じた最適な設計値を得ることができる。
【００５７】
ここで、図４〜図１２を用いて説明した例では、各アイテムのＡＣＨＥ群のバンク長さと総伝熱面積とを目的関数とする第１のパレート解を探索し、その結果を用いて複数アイテムに係る第２のパレート解を求める手法について説明した。  
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。
【００５８】
以上、処理プラントであるＬＮＧプラント１に設けられるＡＣＨＥ群について、本例の設計方法を適用した結果について説明したが、この設計方法を適用可能な処理プラントはＬＮＧプラント１に限られない。  
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。
【符号の説明】
【００５９】
１          ＬＮＧプラント
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
【要約】
【課題】被処理流体の処理を行う処理プラントに設けられる熱交換器群を効率的に設計する技術を提供する。
【解決手段】被処理流体の処理を行う処理プラント１に設けられ、複数台のＡＣＨＥ２を含む熱交換器群の設計方法であって、第１工程ではＡＣＨＥ設計に係る少なくとも１つの設計変数と、前記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、及び変化単位を設定し、第２工程では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３工程ではコンピュータにより、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。
【選択図】図４【図１】
0006799726.tif 000002
【図２】
0006799726.tif 000003
【図３】
0006799726.tif 000004
【図４】
0006799726.tif 000005
【図５】
0006799726.tif 000006
【図６】
0006799726.tif 000007
【図７】
0006799726.tif 000008
【図８】
0006799726.tif 000009
【図９】
0006799726.tif 000010
【図１０】
0006799726.tif 000011
【図１１】
0006799726.tif 000012
【図１２】
0006799726.tif 000013