(57)【要約】  冷却塔での冷却水処理を制御する方法は、冷却塔から冷却水を受容する１つ以上の下流熱交換器の動作データを測定することに関与し得る。例えば、下流熱交換器の暖かい流れおよび冷たい流れの両方の入口および出口の温度を、任意選択で熱交換器を通過する冷却水流の流速と共に測定することができる。熱交換器を通過する流れからのデータを使用して、熱交換器の熱伝達効率を決定することができる。熱伝達効率を、ある期間にわたって傾向付け、傾向の変化を検出して、冷却水の汚損問題を特定することができる。冷却水の汚損を低減、除去、または別様に制御するために選択された化学添加剤を、下流熱交換器で検出された熱伝達効率の変化に基づいて、制御することができる。【選択図】図１
2020534505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水処理を制御する方法であって、
少なくとも、熱交換器に入る冷却水流の温度、前記熱交換器を出る前記冷却水流の温度、前記熱交換器に入るプロセス流の温度、および前記熱交換器を出る前記プロセス流の温度を示す複数のセンサからデータを受信することと、
前記複数のセンサからの前記受信したデータに基づいて、前記熱交換器の熱伝達効率を決定することと、
ある期間にわたって前記熱交換器の熱伝達効率傾向を確立することと、
前記熱伝達効率傾向の変化を検出することと、
前記熱交換器の前記熱伝達効率傾向の前記検出された変化に応答して、前記冷却水流への化学添加剤の添加を制御することと、を含む、方法。
【請求項２】
前記熱伝達効率傾向を確立することが、前記期間にわたって前記熱交換器に対して決定された前記熱伝達効率に一次元曲線を適合することを含み、前記一次元曲線が、勾配を有し、
前記熱伝達効率傾向の変化を検出することが、閾値量以上の前記勾配の変化を決定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記閾値量が、１パーセント〜２５パーセントの範囲である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記閾値量が、５パーセント〜２０パーセントの範囲である、請求項２または３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記期間にわたって前記熱交換器の前記熱伝達効率傾向を確立することが、前記期間にわたって少なくとも１日に１回、前記熱交換器の前記熱伝達効率を決定することを含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記熱交換器の前記熱伝達効率を決定することが、以下の式に従って、前記熱伝達効率を決定することを含み、
【数１】
2020534505.tif 000007
式中、Ｕ値が、前記熱伝達効率であり、
【数２】
2020534505.tif 000008
が、単位時間あたりの前記冷却水流の質量であり、Ｃｐが、前記冷却水流の比熱であり、△Ｔｗａｔｅｒが、前記熱交換器を出る前記冷却水流の前記温度と、熱交換器に入る前記冷却水流の前記温度との差であり、Ｈｅａｔ  Ｔｒ．Ａｒｅａが、前記熱交換器の表面積量であって、それにわたって熱エネルギーが前記プロセス流と前記冷却水流との間で伝達される、表面積量であり、Ｆｔが、前記熱交換の幾何学形状に対応する補正因子であり、
【数３】
2020534505.tif 000009
が、前記冷却水流および前記プロセス流が向流方向に流れる場合には、次の式を使用して計算されるか、
【数４】
2020534505.tif 000010
または、前記冷却水流および前記プロセス流が並流方向に流れる場合には、次の式を使用して計算される、対数平均温度差であり、
【数５】
2020534505.tif 000011
式中、ＴＰｒｏｃｅｓｓ，ｉｎが、前記熱交換器に入る前記プロセス水流の前記温度であり、ＴＰｒｏｃｅｓｓ，ｏｕｔが、前記熱交換器を出る前記プロセス流の前記温度であり、ｔｗａｔｅｒ，ｉｎが、前記熱交換器に入る前記冷却水流の前記温度であり、ｔｗａｔｅｒ，ｏｕｔが、前記熱交換器を出る前記冷却水流の前記温度である、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記期間が、５日〜１００日の範囲である、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記期間が、１０日〜４５日の範囲である、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記熱交換器が清浄化後に供用状態に留置されると、前記期間が開始する、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記化学添加剤が、前記熱交換器に入る前記冷却水流を受容する、前記熱交換器の入口の冷却塔上流で注入される、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記化学添加剤の添加を制御することが、前記化学添加剤が前記冷却水流に導入される流速を増加させることを含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記化学添加剤の添加を制御することが、少なくとも前記熱伝達効率傾向が下向き傾向から上向き傾向への変曲を示すまで、前記冷却水中の前記化学添加剤の濃度を増加させることを含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記熱伝達効率傾向の前記変化を検出することに応答して、前記冷却水の流速を増加させることをさらに含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記冷却水中に存在する汚損のタイプを決定することと、前記決定された汚損のタイプに基づいて、前記化学添加剤を選択することと、をさらに含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記熱交換器に入る前記冷却水流の前記温度、前記熱交換器を出る前記冷却水流の前記温度、前記熱交換器に入る前記プロセス流の前記温度、および前記熱交換器を出る前記プロセス流の前記温度に対応するデータを平滑化することをさらに含み、
前記熱伝達効率を決定することが、平滑化された温度値を使用して前記熱伝達効率を決定することを含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記化学添加剤が、スケール抑制剤、腐食抑制剤、殺生物剤、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のセンサからデータを受信することが、前記冷却水流を受容する多数の熱交換器の各々について前記複数のセンサからデータを受信することを含み、
前記熱伝達効率を決定することが、前記多数の熱交換器の各々について前記熱伝達効率を決定することを含み、
前記熱伝達効率傾向を確立することが、前記多数の熱交換器の各々について前記熱伝達効率傾向を確立することを含み、
前記熱伝達効率傾向の前記変化を検出することが、前記多数の熱交換器のうちの少なくとも１つについて前記熱伝達効率傾向の前記変化を検出することを含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記熱伝達効率傾向の前記変化を検出することが、前記多数の熱交換器の各々について前記熱伝達効率傾向の前記変化を検出することを含み、
前記冷却水流への前記化学添加剤の添加を制御することが、前記多数の熱交換器の各々について前記熱伝達効率傾向で検出された前記変化に応答して、前記冷却水流への前記化学添加剤の添加を制御することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記プロセス蒸気が、原油またはその誘導体を含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記熱交換器が、アンモニア製造プロセスに組み込まれる、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記熱交換器が、シェルアンドチューブ式熱交換器およびプレート式熱交換器からなる群から選択される、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記プロセス流が、前記期間にわたって前記熱伝達効率を低下させる、前記熱交換器内に堆積する汚損材料を含み、前記冷却水流が、前記期間にわたって前記熱伝達効率を低下させる、前記熱交換器内に堆積する汚損材料を含み、前記プロセス流によって堆積した前記汚損材料が、前記期間にわたって前記熱伝達効率を少なくとも７５％低下させる、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
システムであって、
蒸発冷却により冷却水流の温度を低減する冷却塔と、
冷却水入口、冷却水出口、プロセス流入口、およびプロセス流出口を有する、熱交換器と、
前記冷却水入口を通って前記熱交換器に入る冷却水流の温度、前記冷却水出口を通って前記熱交換器を出る前記冷却水流の温度、前記プロセス流入口を通って前記熱交換器に入るプロセス流の温度、および前記プロセス流出口を通って前記熱交換器を出る前記プロセス流の温度を測定するように位置決めされた複数のセンサと、
前記冷却水流に化学添加剤を注入するように位置決めされたポンプと、
前記複数のセンサおよび前記ポンプに通信可能に連結され、前記複数のセンサからデータを受信すること、前記複数のセンサからの前記受信したデータに基づいて、前記熱交換器の熱伝達効率を決定すること、ある期間にわたって前記熱交換器の熱伝達効率傾向を確立すること、前記熱伝達効率傾向の変化を検出すること、および前記熱交換器の前記熱伝達効率傾向の前記検出された前記変化に応答して、前記ポンプを制御すること、を行うように構成された、コントローラと、を備える、システム。
【請求項２４】
前記コントローラが、
少なくとも、前記期間にわたって前記熱交換器について決定された前記熱伝達効率に一次元曲線を適合することによって、前記熱伝達効率傾向を確立することであって、前記一次元曲線が、勾配を有する、確立することと、
少なくとも、閾値量以上の前記勾配の変化を決定することによって、前記熱伝達効率傾向の前記変化を検出することと、を行うように構成されている、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記コントローラが、少なくとも、前記期間にわたって少なくとも１日に１回、前記熱交換器の前記熱伝達効率を決定することによって、前記期間にわたって前記熱交換器の前記熱伝達効率傾向を確立するように構成されている、請求項２３または２４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２６】
前記期間が、５日から１００日の範囲であり、前記熱交換器が清浄化後に供用状態に留置されると開始する、請求項２３〜２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記コントローラが、少なくとも、以下の式に従って、前記熱伝達効率を決定することによって、前記熱交換器の前記熱伝達効率を決定するように構成され、
【数６】
2020534505.tif 000012
式中、Ｕ値が、前記熱伝達効率であり、
【数７】
2020534505.tif 000013
が、単位時間あたりの前記冷却水流の質量であり、Ｃｐが、前記冷却水流の比熱であり、△Ｔｗａｔｅｒが、前記熱交換器を出る前記冷却水流の前記温度と、熱交換器に入る前記冷却水流の前記温度との差であり、Ｈｅａｔ  Ｔｒ．Ａｒｅａが、前記熱交換器の表面積量であって、それにわたって熱エネルギーが前記プロセス流と前記冷却水流との間で伝達される、表面積量であり、Ｆｔが、前記熱交換の幾何学形状に対応する補正因子であり、
【数８】
2020534505.tif 000014
が、前記冷却水流および前記プロセス流が向流方向に流れる場合には、次の式を使用して計算されるか、
【数９】
2020534505.tif 000015
または、前記冷却水流および前記プロセス流が並流方向に流れる場合には、次の式を使用して計算される、対数平均温度差であり、
【数１０】
2020534505.tif 000016
式中、ＴＰｒｏｃｅｓｓ，ｉｎが、前記熱交換器に入る前記プロセス水流の前記温度であり、ＴＰｒｏｃｅｓｓ，ｏｕｔが、前記熱交換器を出る前記プロセス流の前記温度であり、ｔｗａｔｅｒ，ｉｎが、前記熱交換器に入る前記冷却水流の前記温度であり、ｔｗａｔｅｒ，ｏｕｔが、前記熱交換器を出る前記冷却水流の前記温度である、請求項２３〜２６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２８】
前記コントローラが、少なくとも、前記化学添加剤が前記冷却水流に導入される流速を増加させることによって、前記熱交換器の前記熱伝達効率傾向の検出された前記変化に応答して、前記ポンプを制御するように構成されている、請求項２３〜２７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２９】
前記コントローラが、少なくとも前記熱伝達効率傾向が下向き傾向から上向き傾向への変曲を示すまで、少なくとも、前記冷却水中の前記化学添加剤の濃度を増加させることによって、前記化学添加剤の添加を制御するように構成されている、請求項２３〜２８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３０】
前記コントローラがさらに、前記熱交換器に入る前記冷却水流の前記温度、前記熱交換器を出る前記冷却水流の前記温度、前記熱交換器に入る前記プロセス流の前記温度、および前記熱交換器を出る前記プロセス流の前記温度に対応する前記データを平滑化するように構成され、
前記コントローラが、少なくとも、平滑化された温度値を使用して前記熱伝達効率を決定することによって、前記熱伝達効率を決定するように構成されている、請求項２３〜２９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３１】
前記熱交換器が、シェルアンドチューブ式熱交換器である、請求項２３〜３０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３２】
冷却水を監視および制御するための、請求項２３〜３１のいずれか一項に記載のシステムの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年９月１９日出願の米国仮特許出願第６２／５６０，５９５号の優先権を主張し、その全体の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、冷却水システムに関し、より具体的には、冷却水制御システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
水冷却塔は、製油所および化学製品製造プラントに見られるような大容量の熱交換システムで使用される。冷却塔は、冷却塔内の冷却剤の一部を蒸発させることによって、吸収された熱を、循環する水冷却剤から除去するために使用される。残りの冷却材を、ポンプによって塔の基部にあるリザーバまたは汚水槽から抽出し、熱負荷を通じて継続的に供給することができる。かかるシステムでは大量の水が蒸発するため、スケール、スラッジ、またはその他の水汚染物質が時間の経過と共に再循環水中に蓄積することがある。
【０００４】
再循環する冷却水が接触する表面に汚損が発生する程度を防止または制限するのを助けるために、冷却水に様々な化学物質を添加することができる。化学物質は、水からのミネラルの沈殿を抑制することができ、これは別様に、水と接触する表面にスケーリングを形成し得る。追加的または代替的に、化学物質は、生物汚損源および／または水と接触した表面への腐食生成物の堆積を抑制し得る。
【０００５】
典型的な動作環境では、技術者は冷却水システムから冷却水のサンプルを採取し、サンプルの化学分析を実施し得る。技術者は、分析に基づいて、冷却水に添加される化学物質のタイプを調整し得る。多くの場合、技術者は、月に１回または四半期に１回など、限定された基準で冷却水の分析を実施するためだけに施設の現場にいる場合がある。その結果、施設のプロセス条件の変更は、プロセス条件が改変されてからしばらく時間が経過するまで検出されない場合がある。さらに、変更されたプロセス条件に対応するために冷却水の化学的性質が変更された場合でも、かかる変更は、概して、望ましくない冷却水の条件を防止するための予測的な変更ではなく、反動的な変更である。
【発明の概要】
【０００６】
概して、本開示は、冷却水を監視および制御するための技術およびシステムを対象とする。いくつかの例では、冷却水回路内の冷却水の条件は、内部を通って冷却水が運搬される１つ以上の下流熱伝達ユニットの熱性能を評価することによって間接的に監視および／または制御される。例えば、熱交換ネットワークは、多数の熱交換器に流体的に接続され、多数の熱交換器に冷却水を供給する、１つ以上の冷却塔を含み得る。冷却水は各熱交換器の片側を通過し、冷却されるプロセス流体は並流または向流方向のいずれかで熱交換器の反対側を通過する。
【０００７】
いくつかの例では、熱交換ネットワーク内の熱交換器のうちの１つ以上の熱性能は、熱交換器を通過するプロセス流および冷却水流の両方の入口および出口の温度を監視することによって監視される。冷却水流および／またはプロセス流の流速など、他のプロセスパラメータを監視することもできる。いずれの場合でも、熱交換器の熱伝達効率に対応するパラメータは、温度データに少なくとも部分的に基づいて決定され得る。熱交換器の熱伝達効率の傾向を確立して、傾向からの将来の逸脱を決定することができる参照を提供することができる。続いて、熱交換器の熱伝達効率を監視し、熱伝達効率の変化を検出することができる。冷却水流に導入される化学添加剤を、熱交換器の熱伝達効率傾向の検出された変化に基づいて、制御することができる。その結果、冷却水の条件によって引き起こされる熱交換器の熱伝達効率の予期しない変化を、早期に検出することができ、熱交換器の性能が大いに制限される時点まで条件が完全に悪化するまで待機するのではなく、化学添加剤の制御を通じて軽減することができる。
【０００８】
実際には、熱交換器の熱伝達効率は、熱エネルギーが比較的暖かいプロセス流から比較的冷たい冷却水流へと伝達され得る効率に影響を与える様々な因子に基づいて変化し得る。例えば、プロセス蒸気が接触する熱交換器の表面に堆積した汚損は、冷却水流への熱伝達を低減し得る。同様に、冷却水流が接触する熱交換器の表面に堆積した汚損もまた、冷却水流への熱伝達を低減し得る。
【０００９】
多くのプロセス環境では、プロセス蒸気は、冷却水流よりも汚損しやすい。その結果、熱交換器のプロセス流側への汚損の蓄積は、熱交換器の冷却水流側よりも著しく大きくなる可能性がある。例えば、動作条件によっては、熱交換器のプロセス側への汚損の蓄積により、熱交換器が清浄である（例えば、プロセス側および／または冷却水側への汚損がない）場合と比較して、熱交換器の熱効率性能を７５％以上劣化させる場合がある。例えば、熱交換器のプロセス側への汚損の蓄積により、熱交換器の熱効率性能を９５％以上劣化させる場合がある。
【００１０】
プロセス側の汚損が熱交換器の熱効率に及ぼし得る主要な影響にもかかわらず、いくつかの用途では、熱交換器の熱効率が依然として、冷却水側の汚損条件に関する実行可能な洞察を提供し得ることが見出されている。例えば、熱交換器の熱効率傾向の変化（例えば、熱交換器を通過するプロセス流の組成、温度、および／または流速に著しい変化がなかった場合）は、熱交換器の冷却水側への汚損条件に帰属する場合がある。熱交換器の冷却水上流に導入される化学添加剤は、下流で検出される熱交換器の熱効率の変化に基づいて制御され得る。いくつかの用途では、リアルタイムの監視および制御を提供して、熱交換器の熱効率条件の予想外の悪化に対する迅速な応答を促進する。この迅速な介入により、熱交換器が汚損された条件を検出する前に完全に汚損されると達成することができない方法で、次の物理的な清浄まで熱交換器の耐用年数を延ばすことができる。
【００１１】
一例では、冷却水処理を制御する方法が記載されている。本方法は、少なくとも、熱交換器に入る冷却水流の温度、熱交換器を出る冷却水流の温度、熱交換器に入るプロセス流の温度、および熱交換器を出るプロセス流の温度を示す複数のセンサからデータを受信することを含む。本方法はまた、複数のセンサからの受信したデータに基づいて、熱交換器の熱伝達効率を決定することと、ある期間にわたって熱交換器の熱伝達効率傾向を確立すること、に関与する。本方法はさらに、熱伝達効率傾向の変化を検出することと、熱交換器の熱伝達効率傾向の検出された変化に応答して、冷却水流への化学添加剤の添加を制御すること、に関与する。
【００１２】
別の例では、冷却塔、熱交換器、複数のセンサ、ポンプ、およびコントローラを含むシステムが記載されている。冷却塔は、蒸発冷却により冷却水流の温度を低減する。熱交換器は、冷却水入口、冷却水出口、プロセス流入口、およびプロセス流出口を有する。複数のセンサは、冷却水入口を通って熱交換器に入る冷却水流の温度、冷却水出口を通って熱交換器を出る冷却水流の温度、プロセス流入口を通って熱交換器に入るプロセス流の温度、およびプロセス流出口を通って熱交換器を出るプロセス流の温度を測定するように位置決めされている。ポンプは、熱交換器の上流に位置決めされ、冷却水流に化学添加物を注入するように構成されている。コントローラは、複数のセンサおよびポンプに通信可能に連結され、複数のセンサからデータを受信すること、複数のセンサからの受信したデータに基づいて、熱交換器の熱伝達効率を決定すること、ある期間にわたって熱交換器の熱伝達効率傾向を確立すること、熱伝達効率傾向の変化を検出すること、および熱交換器の熱伝達効率傾向の検出された変化に応答して、ポンプを制御すること、を行うように構成されている。
【００１３】
１つまたは複数の例の詳細が、添付の図面および以下の説明に記載される。他の特徴、目的、および利点は、説明および図面から、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】冷却水監視制御システムの一例の概念図である。
【００１５】
【図２】図１による冷却水監視制御システムを実装することができる多数の熱交換器を含有する熱交換器ネットワークの一例を例示するフロー図である。
【００１６】
【図３】図１による冷却水監視制御システムを実装することができるアンモニア製造プロセスの一例を例示するフロー図である。
【００１７】
【図４】熱交換器のフロー流に関する生および平滑化された温度データの例を示す。
【図５】熱交換器のフロー流に関する生および平滑化された温度データの例を示す。
【図６】熱交換器のフロー流に関する生および平滑化された温度データの例を示す。
【図７】熱交換器のフロー流に関する生および平滑化された温度データの例を示す。
【００１８】
【図８】図４〜７に例示される温度データを提供する熱交換器の冷却水流速データの例を示す。
【００１９】
【図９】図４〜８の平滑化された温度データと流速データとを使用して計算された熱伝達係数の例を示すグラフである。
【００２０】
【図１０】周期性マーカーを重ねた、図４〜８の平滑化された温度データと流速データとを使用して計算された熱伝達係数の例を示すグラフである。
【００２１】
【図１１】図８の流速データに対応する冷却水流の酸化還元電位（ＯＲＰ）値の例を示す。
【００２２】
【図１２】別の例示的な熱交換器のフロー流の生および平滑化された温度データの例を示す。
【図１３】別の例示的な熱交換器のフロー流の生および平滑化された温度データの例を示す。
【図１４】別の例示的な熱交換器のフロー流の生および平滑化された温度データの例を示す。
【図１５】別の例示的な熱交換器のフロー流の生および平滑化された温度データの例を示す。
【００２３】
【図１６】図１２〜１５に例示される温度データを提供する熱交換器の冷却水流速データの例を示す。
【００２４】
【図１７】図１２〜１６の平滑化された温度データと流速データとを使用して計算された熱伝達係数の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本開示は、概して、１つ以上の比較的暖かい流れとの熱交換に使用される冷却水源への１つ以上の化学剤の添加を制御するためのシステムおよび技術を含む、冷却水監視制御システムを対象とする。冷却水に添加される１つ以上の化学剤は、冷却水と流体接触する熱交換面に汚損が堆積するのを防止するか、またはその程度を最小限に抑えることができる。これにより、制御された冷却水化学物質添加による熱交換ネットワークが実装されている施設の効率を改善することができる。
【００２６】
図１は、冷却水監視制御システム１００の一例の概念図である。システム１００は、冷却塔１０２と、１つ以上の熱交換器１０４と、熱交換ネットワークを通じて再循環される冷却水流に１つ以上の化学剤を導入し得るポンプ１０６と、を含む。動作中、比較的暖かいプロセス流と比較的冷たい冷却水流とを熱交換器１０４に通過させることができる。流体を、熱交換器内の固体壁面によって分離して、流体の混合を防止することができる。熱エネルギーは、比較的暖かいプロセス流から比較的冷たい冷却水流へと伝達され得、その結果、プロセス流の温度の低減、および冷却水流の温度の増加をもたらす。図１の例示的なシステムは、例示の目的で単一の熱交換器１０４のみを含むが、本開示の概念を利用する熱交換ネットワークは、冷却水流が直列または並列に通って流れる多数の熱交換器（例えば、各々が熱交換器１０４として構成されていることが記載されている）を含み得る。
【００２７】
図１の例の熱交換器１０４は、冷却水入口１０８と、冷却水出口１１０と、を含む。熱交換器はまた、プロセス流入口１１２と、プロセス流出口１１４と、を含む。冷却水流１１６は、冷却水入口１０８を通って熱交換器１０４に入り、熱交換器内部の１つ以上の分割された経路を通って流れ、冷却水出口１１０を通って熱交換器から出ることができる。同様に、プロセス流１１８は、プロセス流入口１１２を通って熱交換器１０４に入り、冷却水流から分離された熱交換器内部の１つ以上の分割された経路を通って流れ、プロセス流出口１１４を通って熱交換器を出ることができる。いくつかの構成では、冷却水流およびプロセス流は、熱交換器を通って並流方向に流れる。他の構成では、プロセス流中の冷却水流は、熱交換器を通って向流方向に流れる。概して、熱交換器１０４は、シェルアンドチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器、または他のタイプの熱伝達デバイスなど、任意の所望のタイプの熱交換器設計を使用して実装され得る。
【００２８】
例示される構成では、冷却水流１１６は、上流冷却塔１０２から熱交換器１０４に送達され、熱交換器を通過した後に冷却塔に再度リサイクルされる。上に示されるように、冷却水流１１６は、熱交換器１０４に入る前に１つ以上の熱交換器を通過し、かつ／または冷却塔１０２に戻る前に熱交換器１０４を通過した後に１つ以上の熱交換器を通過し得る。冷却塔１０２では、熱伝達回路を通って流れる冷却水流に伝達された熱エネルギーを除去し、大気に吐出することができる。例えば、冷却塔１０２は、冷却水流を空気と直接接触させ、その結果、蒸発冷却により冷却水流の温度の低減をもたらすことができる。冷却水は、熱交換ネットワークから引き出され、熱交換ネットワークを通過する前に、汚水槽またはリザーバに送達され得る。
【００２９】
冷却水は、蒸発による水の損失に加えて、熱交換システムから周期的に除去され得る。吐出線１２０を使用して、システムが動作している間に汚水槽またはリザーバの水の一部を「ブリードオフ」することができるか、または、典型的には、汚水槽の完全な排水である「ブローダウン」を実施することができる。いずれの場合でも、「補給」水線１２２は、冷却システムに新鮮な水を供給して、蒸発または意図的な投棄による水の損失を補うことができる。
【００３０】
実際には、様々な問題が熱交換器の冷却水側からの熱交換器１０４の熱性能に影響を与え得る。例えば、冷却水が高レベルの固形物（例えば、シルト、破片）を含有する場合、固形物は、熱交換器１０４を通る冷却水流体経路を部分的にまたは完全に閉塞し得る。一例として、冷却水は、冷却水と接触する熱交換器１０４の内面に堆積物を形成させ得る。
【００３１】
例えば、冷却水の蒸発は、システムを介してリサイクルされる冷却水流中の塩（例えば、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム）の濃度につながることがある。これらの塩は、冷却水と接触する熱交換器１０４の表面にスケーリング堆積物を形成し得る。別の例として、冷却水が有機材料および微生物を含有する場合、バイオフィルムが冷却水と接触する熱交換器１０４の表面に堆積し得る。さらに別の例として、例えば、金属成分（例えば、鉄、アルミニウム、および／または亜鉛）の酸化により、冷却水流内で腐食生成物が発生し得る。これらの腐食生成物はまた、冷却水と接触する熱交換器１０４の表面に堆積し得る。汚損のメカニズムまたは原因とは無関係に、冷却水と接触する熱交換器１０４の表面にバリア層が蓄積すると、熱交換器を通る熱伝達の効率が低減し得る。
【００３２】
熱伝達ネットワークを通過する冷却水流の潜在的な汚損条件を低減または排除するのを助けるために、１つ以上の化学物質を冷却水に添加して、汚損の形成および／または堆積を抑制することができる。図１の構成では、システム１００は、化学添加剤リザーバ１２４に流体接続されたポンプ１０６を含む。ポンプ１０６は、冷却水と接触する表面上の汚損の形成および／または堆積を抑制するように選択された１つ以上の化学物質を冷却水に添加するように動作し得る。冷却水に注入され得る化学添加剤の例としては、ポリマー（スケール抑制剤）、ポリリン酸亜鉛、オルトリン酸亜鉛、および／または有機リン酸亜鉛化合物（スケール抑制剤および腐食抑制剤）などの有機リン化合物、ならびに殺生物剤を挙げることができるが、これらに限定されない。追加的または代替的に、１つ以上の化学添加剤を冷却水に注入して、冷却水のｐＨを調整することができる。ｐＨ調整化合物の例としては、鉱酸、有機酸、および無機塩基が挙げられる。
【００３３】
図１の例示される構成では、ポンプ１０６は、冷却塔１０２と熱交換器１０４との間の冷却水に化学添加剤を添加するものとして例示されている。実際には、化学添加剤は、冷却塔に関連付けられた汚水槽などの任意の好適な場所で冷却水流に導入され得る。さらに、図１のシステム１００は、単一の化学添加剤リザーバ１２４に流体連結された単一のポンプ１０６を例示しているが、ポンプ１０６は、異なる化学物質を含有する多数のリザーバと選択的に流体連通し得、かつ／またはシステム１００は、各々が冷却水に異なる化学物質を導入するように構成された多数のポンプを含み得る。上に論じられるもののうちのいくつかまたはすべてを含む多数の異なる化学添加剤を提供することによって、冷却水に導入される化学物質のタイプを、冷却水の条件の変化に基づいて、変更することができる。
【００３４】
システム１００の冷却水への化学添加剤の添加を制御するために、熱交換器１０４の熱性能を監視することができる。熱交換器１０４の熱性能を監視して、熱エネルギーが比較的暖かいプロセス流から比較的冷たい冷却水流へと伝達される効率を評価することができる。熱交換器１０４の熱伝達効率は、熱交換器が最初に清浄化されるときに最大になる場合がある。例えば、熱交換器１０４を、化学的および／または機械的清浄化の実装例を使用して周期的に清浄化して、熱交換器のプロセス側および／または冷却側の汚損を除去し、熱交換器の熱交換表面が清浄であり、実質的にまたは完全に汚損されていないことをもたらすことができる。供用状態で時間がたつと、熱交換器の熱伝達面のプロセス流側および／または冷却水流側に汚損が蓄積する場合がある。結果として、熱交換器１０４の熱伝達効率は、ある清浄化から次の清浄化までの供用の過程で悪化することがある。
【００３５】
熱交換器１０４の熱伝達効率を監視するのを助けるために、多数のセンサを配備して、熱交換器の異なる動作態様を監視することができる。図１の例では、システム１００は、冷却水流１１６および３つの熱交換器１０４の温度を測定する温度センサ１２６と、熱交換器を出る冷却水流の温度を測定する温度センサ１２８と、を含む。システムはまた、熱交換器１０４に入るプロセス流１１８の温度を測定する温度センサ１３０と、熱交換器を出るプロセス流の温度を測定する温度センサ１３２と、を含む。温度センサは熱交換器１０４にすぐ隣接して位置決めされているように模式的に例示されているが、温度センサを、熱交換器から上流または下流の場所に位置決めして、温度センサが、熱交換器に出入りするそれぞれの流れの温度の好適で正確な測定を提供することができる。
【００３６】
システム１００は、熱交換器１０４の異なる動作パラメータを測定するための追加のおよび／または異なるセンサを含み得る。例えば、システムは、冷却水流１１６および／またはプロセス流１１８の流速を測定するための１つ以上のフローセンサを含み得る。例示される例では、システム１００は、熱交換器１０４を出る冷却水流の流速を測定するように位置決めされたフローセンサ１３４を示す。他の例では、冷却水流１１６および／またはプロセス流１１８の流速は、熱交換器を通って運搬される流体の量を示す動作環境内のポンプ速度または他の情報に基づいて決定され得る。システム１００で有用に用いられ得る他のセンサとしては、（例えば、熱交換器を横切る冷却水流および／またはプロセス流の差圧を測定するための）圧力センサ、冷却水の酸化還元電位（ＯＲＰ）を測定するためのＯＲＰセンサ、冷却水のｐＨを測定するためのｐＨセンサ、および／または冷却水の導電率を測定する導電性センサが挙げられる。
【００３７】
図１の例のシステム１００はまた、コントローラ１３６を含む。コントローラ１３６は、システムの全体的な動作を管理するために、システム１００のセンサ構成要素および制御可能な構成要素に通信可能に接続され得る。例えば、コントローラ１３６は、ポンプ１０６、冷却水入口温度センサ１２６、冷却水出口温度センサ１２８、プロセス流入口温度センサ１３０、プロセス流出口温度センサ１３２、およびフローセンサ１３４に通信可能に接続され得る。
【００３８】
コントローラ１３６は、プロセッサ１３８と、メモリ１４０と、を含む。コントローラ１３６は、図１の例では有線接続として例示されている、有線または無線接続を介して通信可能に接続された構成要素と通信する。コントローラ１３６から送信され、コントローラによって受信される制御信号は、接続上を進むことができる。メモリ１４０は、コントローラ１３６を作動させるためのソフトウェアを記憶し、かつ例えば、温度センサ１２６、１２８、１３０、１３２、およびフローセンサ１３４からプロセッサ１３８によって生成または受信されたデータを記憶することもできる。プロセッサ１３８は、メモリ１４０に記憶されたソフトウェアを作動させて、システム１００の動作を管理する。
【００３９】
コントローラ１３６は、熱交換器１０４を含有する施設サイトに位置し得る１つ以上のコントローラを使用して実装され得る。コントローラ１３６は、ネットワーク１４４を介して１つ以上のリモートコンピューティングデバイス１４２と通信し得る。例えば、コントローラ１３６は、地理的に分散したクラウドコンピューティングネットワークと通信することができ、クラウドコンピューティングネットワークは、本開示のコントローラ１３６に帰属する機能のうちのいずれかまたはすべてを実施し得る。
【００４０】
ネットワーク１４４は、１つのコンピューティングデバイスを別のコンピューティングデバイスに連結して、デバイスが一緒に通信することを可能にするように構成され得る。ネットワーク１４４を使用可能にして、１つの電子デバイスから別の電子デバイスに情報を通信するために、任意の形態のコンピュータ可読媒体を用いることができる。また、ネットワーク１４４は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）に加えて、インターネットなどの無線インターフェースおよび／または有線インターフェース、ならびにユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポート、他の形態のコンピュータ可読媒体、またはそれらの任意の組み合わせなどを介した直接接続を含み得る。異なるアーキテクチャおよびプロトコルに基づくものを含む相互接続されたＬＡＮのセットでは、ルーターがＬＡＮ間のリンクとして作用し、メッセージが相互に送信されることを可能にすることができる。ＬＡＮ内の通信リンクとしては、ツイストワイヤペアまたは同軸ケーブルを挙げることができるが、ネットワーク間の通信リンクは、アナログ電話線、フルもしくはフラクショナル専用デジタル線、統合サービスデジタルネットワーク（ＩＳＤＮ）、デジタル加入者線（ＤＳＬ）、携帯電話リンクおよび衛星リンクを含む無線リンク、または他の通信リンクを利用し得る。さらに、リモートコンピュータおよび他の関連電子デバイスは、モデムおよび一時的な電話リンクを介してＬＡＮまたはＷＡＮのいずれかにリモートで接続され得る。
【００４１】
動作中、温度センサ１２６、１２８、１３０、および１３２は、熱交換器１０４に出入りするそれぞれの流体流の温度を示すデータを生成することができる。同様に、フローセンサ１３４は、熱交換器１０４を出る冷却水の流速を示すデータを生成することができる。コントローラ１３６は、システム１００全体に配備されたセンサからデータを受信し、センサによって生成されたデータを使用して、熱交換器１０４の熱伝達効率を決定することができる。受信した温度情報および／または流速情報を熱伝達効率値に関連付ける、メモリに格納された情報を参照して、コントローラ１３６は熱交換器の熱伝達効率値を決定することができる。
【００４２】
いくつかの例では、コントローラ１３６は、以下の式（１）を使用して熱交換器１０４の熱伝達効率を決定することができる。
【数１】
2020534505.tif 000003
【００４３】
上の式（１）では、Ｕ値は、熱伝達効率であり、
【数２】
2020534505.tif 000004
は、単位時間あたりの冷却水流の質量であり、Ｃｐは、冷却水流の比熱であり、△Ｔｗａｔｅｒは、熱交換器を出る冷却水流の温度と、熱交換器に入る冷却水流の温度との差であり、Ｈｅａｔ  Ｔｒ．Ａｒｅａは、熱交換器の表面積量であって、それにわたって熱エネルギーがプロセス流と冷却水流との間で伝達される、表面積量であり、Ｆｔは、熱交換の幾何学形状に対応する補正因子であり、
【数３】
2020534505.tif 000005
は、対数平均温度差である。冷却水流の比熱、熱交換器１０４の熱伝達面積、および補正因子などのパラメータは、メモリに記憶されてもよいし、かつ／またはメモリに記憶された情報に基づいて計算可能であってもよい。例えば、ユーザは、ユーザ入力デバイスを使用して、冷却水流の比熱（例えば、水の比熱）に対応する情報、および熱交換器１０４の幾何学形状に対応する特性をコントローラ１３６のメモリ１４０に記憶することができる。
【００４４】
上の式（１）の対数平均温度差は、下の式（２）または（３）を使用して計算することができる。
【数４】
2020534505.tif 000006
【００４５】
式（２）は、冷却水流とプロセス流とが向流方向に流れる状況で使用され得る。式（３）は、冷却水流とプロセス流とが並流方向に流れる状況で使用され得る。式（２）および（３）の両方において、ＴＰｒｏｃｅｓｓ，ｉｎは、温度センサ１３０によって測定される、熱交換器に入るプロセス水流の温度であり、ＴＰｒｏｃｅｓｓ，ｏｕｔは、温度センサ１３２によって測定される、熱交換器を出るプロセス流の温度であり、ｔｗａｔｅｒ，ｉｎは、温度センサ１２６によって測定される、熱交換器に入る冷却水流の温度であり、ｔｗａｔｅｒ，ｏｕｔは、温度センサ１２８によって測定される、熱交換器を出る冷却水流の温度である。
【００４６】
コントローラ１３６は、システム１００内のセンサからデータを受信し、熱交換器１０４の熱伝達効率を連続的にまたは周期的に決定することができる。例えば、コントローラ１３６は、熱交換器１０４の熱伝達効率を、少なくとも１時間に１回、少なくとも１分に１回、または少なくとも１秒に１回など、少なくとも１日に１回決定し得る。コントローラ１３６が熱交換器１０４の熱伝達効率を計算する頻度は、システム１００内のセンサのサンプリングレート、コントローラ１３６の処理能力、および／または熱伝達効率が計算されるべき頻度を選択するオペレータ入力に応じて変化し得る。
【００４７】
実際には、それは、熱交換器１０４が熱交換器の供用間隔中に高いままである（例えば、実質的に一定である）高い熱伝達効率を示す場合、望ましい。しかしながら、実際には、熱交換器１０４の熱伝達効率は、熱交換器のプロセス流側および／または熱交換器の冷却水側に汚損が蓄積するにつれて、時間と共に低下し得る。熱交換器に汚損が蓄積する速度と、熱交換器の熱効率が変化する対応する速度とを監視することによって、熱効率の変化の検出に応答して、冷却水流への１つ以上の化学添加剤の添加を制御するようにポンプ１０６を制御することによって、冷却水側で介入措置をとることができる。
【００４８】
いくつかの例では、コントローラ１３６は、ある期間にわたって熱交換器１０４の熱伝達効率傾向を確立する。熱伝達効率傾向が確立される期間は、熱交換器が最初に供用状態に留置されたとき（例えば、新しいか、または清浄化後）に開始し得る。これは、熱交換器１０４が汚損される可能性が最も低いときである。代替的に、熱伝達効率傾向が確立される期間は、熱交換器がある期間にわたって供用状態に留置されていた後に開始し得る。例えば、熱伝達効率傾向は、（例えば、ブローダウン後に）冷却水流への変更が行われたとき、および／または熱交換器１０４を通って流れるプロセス流への変更（例えば、温度、圧力、組成の変更）が行われたときに始まることがある。
【００４９】
熱交換器１０４の熱伝達効率傾向を測定する期間がいつ開始するかに関係なく、コントローラ１３６は、熱伝達効率挙動の統計的に合理的な傾向を提供するのに有効な期間にわたって熱伝達効率を測定し得る。例えば、コントローラ１３６は、少なくとも１０日、少なくとも２０日、または少なくとも３０日など、少なくとも５日にわたって、熱交換器１０４の熱伝達効率を測定し得る。いくつかの例では、コントローラ１３６は、１０日〜４５日など、５日〜１００日の範囲の期間にわたって、熱交換器１０４の熱伝達効率を測定する。いくつかの例では、コントローラ１３６は、５日〜５０日の範囲の進行期間など、ある特定の先行日数にわたる移動平均として熱伝達効率を測定する。
【００５０】
コントローラ１３６は、測定期間中に受信したセンサ情報に基づいて熱伝達効率値を生成することができる。コントローラ１３６はさらに、測定期間中に決定された熱伝達効率値について統計的傾向分析を実施して、熱交換器１０４の熱伝達効率の傾向を特定することができる。
【００５１】
いくつかの例では、コントローラ１３６は、曲線を、グラフのｙ軸にプロットされた熱伝達効率値に適合することができ、対応する測定時間はグラフのｘ軸にプロットされる。一例では、曲線は、ｙ＝ｍ＊ｘ＋ｂの形式を有する単一次元の式（一次元式とも呼ばれる）であり、式中、ｙは、熱伝達効率であり、ｘは、時間であり、ｍは、曲線の勾配であり、ｂは、曲線の切片である。曲線の勾配「ｍ」は、熱交換器１０４の熱伝達効率に対応する傾向として、コントローラ１３６に関連付けられたメモリに記憶され得る。他の例では、より高い次元の多項式曲線がデータに適合し得る。
【００５２】
いくつかの例では、コントローラ１３６は、熱伝達効率を計算する前に、センサ１２６、１２８、１３０、および１３２から受信した温度データおよび／またはセンサ１３４から受信した流速データを処理する。例えば、コントローラ１３６は、統計的平滑化アルゴリズムを使用してデータを平滑化して、データからノイズおよび外れ値を除去することができる。次いで、コントローラ１３６は、平滑化された温度値を使用して熱伝達効率を決定することができる。代替的に、コントローラ１３６は、生データの熱伝達効率値を計算し、計算された熱伝達効率値に平滑化アルゴリズムを適用することができる。平滑化されたデータを使用して、後続の傾向分析および変更検出を実施することができる。
【００５３】
コントローラ１３６は、システム１００内のセンサから測定値を受信し続け、熱伝達効率傾向を確立した後、受信したセンサデータに基づいて熱伝達効率値を生成することができる。コントローラ１３６は、熱交換器１０４の熱伝達効率情報を、熱交換器について決定された熱伝達効率傾向と比較し、熱伝達効率傾向に変化があるかどうかを検出することができる。例えば、コントローラ１３６は、ある測定期間にわたって熱伝達効率傾向を決定し、その傾向を以前に確立された傾向と比較することができる。測定期間は、比較的短く（例えば、１日以下）ても、より長く（例えば、１日以上、１週間以上など）てもよい。コントローラ１３６が、熱交換器１０４から受信したデータに基づいて計算された熱伝達効率データに単一次元の式を適合させる用途では、コントローラは、測定期間中の熱伝達効率の勾配を決定することができる。コントローラ１３６は、測定期間中の熱交換器１０４の熱伝達効率傾向の勾配を、以前に確立された熱伝達効率傾向の勾配と比較することができる。
【００５４】
コントローラ１３６は、測定期間中の熱伝達効率傾向が、以前に確立された熱伝達効率傾向と閾値量を超えて異なるかどうかを決定することができる。閾値量は、以前に確立された熱伝達効率値の５％以上、以前に確立された熱伝達効率値の１０％以上、以前に確立された熱伝達効率値の２５％以上、または以前に確立された熱伝達効率値の５０％以上など、以前に確立された熱伝達効率値（例えば、勾配）の１％以上であり得る。例えば、閾値量は、５パーセント〜２０パーセントなど、以前に確立された熱伝達効率値の１パーセント〜２５パーセントの範囲であり得る。
【００５５】
熱伝達効率傾向が以前に確立された熱伝達効率傾向から逸脱している場合、測定期間中の熱交換器が以前の動作中よりも早く汚損していることを示し得る。処理せずに放置すると、より急速な破損により熱交換器１０４の動作効率が低減することがあり、次の予定された清浄化の前に交換器を清浄化するために、費用がかかり計画外のシャットダウンが必要になる可能性がある。
【００５６】
熱伝達効率傾向の検出された変化への積極的な応答を助けるために、コントローラ１３６は、熱伝達効率傾向の検出された変化に応答して、冷却水への化学添加剤の添加を制御するようにポンプ１０６を制御することができる。コントローラ１３６のプロセッサ１３８は、熱伝達効率傾向の変化を、異なる効率傾向の変化を異なる添加剤制御スキームに関係付ける、メモリ１４０に記憶された１つ以上の閾値と比較することができる。いくつかの例では、コントローラ１３６は、ポンプ１０６を起動および／もしくは停止するか、またはポンプ１０６の速度を増加および／もしくは低下させて、冷却水中の化学添加剤の濃度を調整する。ポンプ１０６を起動するか、またはポンプ１０６の動作速度を増加させると、冷却水中の化学添加剤の濃度を増加させることができる。これは、検出された変化が、熱伝達効率傾向が負に逸脱したことを示す場合、つまり、熱交換器１０４が以前に検出されたものよりも早く汚損されている場合に有用であり得る。ポンプ１０６を停止するか、またはポンプ１０６の動作速度を低下させると、冷却水中の化学添加剤の濃度を低下させることができる。これは、検出された変化が、熱伝達効率傾向が正に逸脱したことを示す場合、つまり、熱交換器１０４が以前に検出されたものよりも緩徐に汚損され、その結果、より少ない添加剤が使用され得る場合に有用であり得る。
【００５７】
冷却水に導入するのに利用可能な多数の異なる化学添加剤がある用途では、コントローラ１３６は、熱伝達効率傾向の検出された変化に基づいて、冷却水に導入されるべき異なる化学添加剤のうちの１つ以上を選択し得る。コントローラ１３６は、１つ以上の異なる化学添加剤を冷却水流に流体的に連結するバルブ（複数可）および／またはポンプ（複数可）を制御することによって、１つ以上の異なる化学添加剤を選択し得る。例えば、コントローラ１３６は、熱伝達効率傾向の検出された変化に基づいて、ならびに任意選択で、冷却水のＯＲＰ、ｐＨ、および／または導電率など、その他のセンサデータにも基づいて、冷却水に導入される化学添加剤のタイプおよび／または化学添加剤が冷却水に導入される速度を変化させ得る。
【００５８】
いくつかの例では、コントローラ１３６は、熱交換器１０４の熱伝達効率傾向が以前に確立された熱伝達効率傾向と比較して閾値量を超えて低下したことを示す変化を検出することに応答して、ポンプ１０６を起動するか、またはポンプ１０６の動作速度を増加させる。コントローラ１３６は、システム１００内のセンサからデータを受信し続け、冷却水に導入される化学添加剤を調整した後、熱交換器１０４の熱伝達効率を計算することができる。コントローラ１３６は、熱伝達効率傾向の変化を検出することに応答して化学添加剤に対して行われた変化（例えば、タイプおよび／または速度）に続いて、熱交換器１０４の熱伝達効率傾向を監視することができる。コントローラ１３６は、熱伝達効率傾向が安定する（例えば、実質的に一定のままである）か、以前に確立された傾向に向かって戻るか、または以前に確立された傾向からさらに逸脱するかを決定することができる。コントローラ１３６は、熱伝達効率を監視し続けることに基づいて、冷却水に導入される化学添加剤のタイプおよび／または速度をさらに修正するようにシステム１００を制御することができる。例えば、コントローラ１３６は、少なくとも熱交換器１０４の熱伝達効率傾向が変曲点を示すまで、（例えば、ポンプ１０６を起動するか、またはその速度を増加させることによって）冷却水中の化学添加剤の量を増加させることができる。変曲点は、熱伝達効率の下向き傾向（例えば、汚損の割合が増加していることを示す）から、上向き傾向（例えば、汚損の割合が低下していることを示す）への変化に対応し得る。
【００５９】
コントローラ１３６は、冷却水中の化学添加剤のタイプまたは濃度を変更するためにポンプ１０６を制御することに加えて、またはその代わりに、システム１００内で様々な異なる制御措置を行うことができる。一例として、コントローラ１３６は、熱交換器の熱伝達効率傾向の変化を検出することに応答して、冷却水が熱交換器１０４を通って流れる速度を増加させることができる。例えば、コントローラ１３６が、熱交換器１０４の熱伝達効率の絶対等級の突然の変化および／または熱伝達効率傾向の著しい低下（例えば、急速な汚損を示す）を検出する場合、それは、シルト、破片、またはその他の大きな粒子状物質により熱交換器が詰まっていることを示す場合がある。したがって、交換器を通過する冷却水の流速を増加させることは、熱交換器内に留まっている粒子状物質を洗い流すのを助ける場合がある。コントローラ１３６は、冷却塔１０２に関連付けられた汚水槽から熱交換器１０４に冷却水を供給するポンプ（例示せず）を制御して、熱交換器への冷却水の供給の流速を制御することができる。
【００６０】
本開示による冷却水監視制御システムは、熱交換流体を使用して、熱交換器を介して１つ以上のプロセス流で熱エネルギーを伝達する任意のプロセスで実装され得る。熱交換器１０４の暖かい側を通って流れ得るプロセス流の例としては、原油、原油の誘導体（例えば、精製または部分精製原油製品）、およびアンモニア製造プロセスの中間または最終製品が挙げられるが、これらに限定されない。熱交換器１０４の暖かい側を通って流れるプロセス流は、概して、液相であり得るが、蒸気相および／または気液多相流であり得る。
【００６１】
上記で簡単に述べたように、図１は単一の熱交換器のみを含有する例示的な監視制御システムを例示しているが、例示的な用途は、直列および／または並列の多数の熱交換器を含み得る。図２は、本開示による冷却水監視制御システムを実装することができる多数の熱交換器を含有する熱交換器ネットワークの一例を例示するフロー図である。この例に示されるように、多数の熱交換器１０４Ａ〜１０４Ｄは、冷却塔１０２によって供給される冷却水流に流体的に接続されている。冷却水は、熱交換器１０４Ａおよび１０４Ｂを通って並列に流れ、続いて、冷却塔に戻る前に熱交換器１０４Ｃ〜１０４Ｅを通って直列に流れる。
【００６２】
ネットワーク内に多数の熱交換器がある用途では、熱交換器のうちの１つまたは多数（および任意選択で、すべての熱交換器）は、図１の熱交換器１０４に関連して記載されるセンサを含むことができる。コントローラ１３６は、センサからデータを受信し、接続された熱交換器の各々について熱伝達効率傾向を決定することができる。コントローラ１３６は、監視されている熱交換器のうちの少なくとも１つ、および任意選択で多数の熱伝達効率傾向の変化を検出し、検出された傾向に基づいて冷却水流への化学添加剤の添加を制御することができる。例えば、コントローラ１３６は、ポンプ１０６を制御して、単一の熱交換器の熱伝達効率傾向の変化（例えば、閾値量を超える）を検出すると、冷却水流に導入される化学添加剤のタイプおよび／または量を変更することができる。代替的に、コントローラ１３６は、ポンプ１０６を制御して、複数の熱交換器の熱伝達効率傾向の変化（例えば、閾値量を超える）を検出すると、冷却水流に導入される化学添加剤のタイプおよび／または量を変更することができる。この後者の例では、多数の熱交換器の変更された熱伝達効率傾向の検出は、１つの特定の熱交換器から誤ったセンサデータを受信するのではなく、汚損条件が実際に変化していることを示すことができる。
【００６３】
図３は、アンモニア製造プロセスの一例を例示するフロー図である。例示される例に示されるように、例示的なプロセスは、内部を通って冷却水が運搬され得る複数の冷却熱交換器を含む。これらの例示的な熱交換器のうちの１つ以上（例えば、すべて）は、本明細書に記載される技術およびシステム、ならびに熱交換器効率傾向に基づいて制御される冷却水流への化学添加剤を使用して監視され得る。
【００６４】
本開示に記載される技術は、少なくとも部分的にハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの任意の組み合わせで実装されてもよい。例えば、記載される技術の様々な態様は、１つ以上のマイクロプロセッサを含む１つ以上のプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰｓ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）、または任意の他の同等の集積もしくは個別論理回路、ならびにそのような構成要素の任意の組み合わせ内で実装されてもよい。「プロセッサ」という用語は、一般に、上記の論理回路のうちのいずれかを単独で、もしくは他の論理回路と組み合わせて、または任意の他の同等の回路を指し得る。ハードウェアを備える制御ユニットもまた、本開示の技術のうちの１つ以上を実施し得る。
【００６５】
そのようなハードウェア、ソフトウェア、およびファームウェアは、本開示に記載される様々な動作および機能を支持するために、同じデバイス内または別々のデバイス内で実装されてもよい。加えて、記載されるユニット、モジュール、または構成要素のいずれも、一緒に、または別個であるが相互運用可能な論理デバイスとして別々に実装されてもよい。モジュールまたはユニットとして異なる特徴を描写することは、異なる機能的態様を強調することを意図し、そのようなモジュールまたはユニットが別個のハードウェアまたはソフトウェア構成要素によって実現されなければならないことを必ずしも暗示するわけではない。むしろ、１つ以上のモジュールまたはユニットと関連する機能は、別個のハードウェアもしくはソフトウェア構成要素によって実施されてもよく、または共通もしくは別個のハードウェアもしくはソフトウェア構成要素内に統合されてもよい。
【００６６】
本開示に記載される技術はまた、命令を含有する非一時的コンピュータ可読媒体などのコンピュータ可読媒体で具現化されても、コード化されてもよい。コンピュータ可読記憶媒体内に埋め込まれた、またはコード化された命令は、プログラム可能なプロセッサまたは他のプロセッサに、例えば、命令が実行されるときに方法を実施させてもよい。非一時的コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラマブル読み取り専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電子的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、フロッピーディスク、カセット、磁気媒体、光媒体、または他のコンピュータ可読媒体を含む、揮発性および／または不揮発性メモリの形態を含んでもよい。
【００６７】
以下の例は、本開示による冷却水監視制御システムおよび技術に関する追加の詳細を提供し得る。
【実施例】
【００６８】
実施例１−アンモニアプラント
アンモニアプラントの熱交換器に温度センサを設置して、熱交換器へのフロー流の入口および出口の温度、ならびに熱交換器の入口を通る冷却水の流速を測定した。熱交換器は、合成ガスを熱交換器の暖かい側またはプロセス側に通過させ、冷却水を熱交換器の冷たい側に通して流した合成ガス冷却器であった。熱交換器は、向流のシェルアンドチューブ式熱交換器であった。合成ガスを、約９９，０００ｌｂ／ｈｒの標的流速で熱交換器のシェル側に供給し、冷却水を、約１，０００，０００ｌｂ／ｈｒの標的流速で供給した。
【００６９】
冷却水を、約８０，０００ガロン／分の再循環率を有する冷却塔から供給した。冷却塔は、約５００，０００ガロンの容量を有し、華氏１２度の温度差を示した。冷却水は、Ｃｌ２として０．５ｐｐｍのＦＲＣを示した。冷却水を最初に、３５ｐｐｍの濃度で提供された腐食抑制剤（Ｎａｌｃｏ（登録商標）３ＤＴ１２９）、７５ｐｐｍの濃度で提供されたスケール抑制剤（Ｎａｌｃｏ（登録商標）３ＤＴ１９１）、および１０ｐｐｍの濃度で提供された黄色の金属抑制剤（Ｎａｌｃｏ（登録商標）３ＤＴ１９９）の３つの化学添加剤の組み合わせで制御した。
【００７０】
熱交換器からの温度データを、０．１のスパンの局所回帰を使用して平滑化した。図４は、冷却水入口温度（華氏度）対時間のグラフであり、生の測定データ２００を、平滑化されたデータ２０２と共に重ねて示している。図５は、冷却水出口温度（華氏度）対時間のグラフであり、生の測定データ２０４を、平滑化されたデータ２０６と共に重ねて示している。図６は、プロセス流入口温度（華氏度）対時間のグラフであり、生の測定データ２０８を、平滑化されたデータ２１０と共に重ねて示している。図７は、プロセス流出口温度（華氏度）対時間のグラフであり、生の測定データ２１２を、平滑化されたデータ２１４と共に重ねて示している。図８は、例示的な期間にわたる冷却水の流速（毎分ガロン）を示すグラフである。
【００７１】
熱伝達効率の値および傾向を、熱交換器上に設置された温度センサから生成された平滑化された温度データを使用して計算した。熱伝達効率傾向を使用して、冷却水に導入された化学添加剤を含む冷却水システムを制御した。図９は、例示的な期間にわたる平滑化された温度データを使用して計算された熱伝達係数を示すグラフである。これらのデータの鋭角な谷部は、水の流速が低下したときに対応する。
【００７２】
図１０は、日付の例示的な範囲にわたる受信した温度および流速データに基づいて熱交換器について計算された熱伝達係数を示す。図１１は、同じ日付の例示的な範囲にわたる冷却水流の酸化還元電位（ＯＲＰ）を示し、これは、冷却水中の化学添加剤の濃度を示す。図１０および１１のデータは、実験的な分析の５つの期間に区分されている。第１の期間では、熱伝達効率傾向を確立するデータを確立した。データは、熱伝達効率の下向き傾向を示した。第２の期間では、冷却水の流速が増加し、その結果、流速の変化に比例して熱交換器の熱伝達係数が増加した。第３の期間では、熱伝達効率の傾向を監視し、低下することを観察した。
【００７３】
熱伝達係数の変化する傾向は、特に第３の期間の終わりに向かって、汚損条件の加速を示した。したがって、介入措置を開始した。冷却水を評価し、微生物の生物汚損が汚損の原因として示唆された。フェーズ４では、殺生物剤の投与量を冷却水に対して増加させ、その結果、熱伝達係数の増加をもたらした。この熱伝達の改善が、熱伝達係数または一部のその他の因子の変化する傾向を検出すると開始される殺生物剤の投与量の増加に応答したかどうかを理解するために、殺生物剤の投与量をフェーズ５で低下させた。データは、熱伝達係数が再び低下したことを示している。
実施例２−ビニルプラント
【００７４】
ビニルプラントの熱交換器に温度センサを設置して、熱交換器へのフロー流の入口および出口の温度、ならびに熱交換器の入口を通る冷却水の流速を測定した。熱交換器は、プロピレン流を熱交換器の暖かい側またはプロセス側に通過させ、冷却水を熱交換器の冷たい側に通して流した。熱交換器は、向流のシェルアンドチューブ式熱交換器であった。プロピレンを、約２７０，０００ｌｂ／ｈｒの標的流速で熱交換器のシェル側に供給し、冷却水を、約４，６００，０００ｌｂ／ｈｒの標的流速で供給した。
【００７５】
冷却水を、約８５，０００ガロン／分の再循環率を有する冷却塔から供給した。冷却塔は、約１，０００，０００ガロンの容量を有し、華氏１０度の温度差を示した。冷却水は、Ｃｌ２として０．５ｐｐｍのＦＲＣを示した。冷却水を最初に、３７ｐｐｍの濃度で提供された腐食抑制剤（Ｎａｌｃｏ（登録商標）３ＤＴ１７７）、２８ｐｐｍの濃度で提供されたスケール抑制剤（Ｎａｌｃｏ（登録商標）３ＤＴ３９０）、および１０ｐｐｍの濃度で提供された黄色の金属抑制剤（Ｎａｌｃｏ（登録商標）３ＤＴ１９７）の３つの化学添加剤の組み合わせで制御した。
【００７６】
熱交換器からの温度データを、０．０５のスパンの局所回帰を使用して平滑化した。図１２は、冷却水入口温度（華氏度）対時間のグラフであり、生の測定データ２２０を、平滑化されたデータ２２２と共に重ねて示している。図１３は、冷却水出口温度（華氏度）対時間のグラフであり、生の測定データ２２４を、平滑化されたデータ２２６と共に重ねて示している。図１４は、プロセス流入口温度（華氏度）対時間のグラフであり、生の測定データ２２８を、平滑化されたデータ２３０と共に重ねて示している。図１５は、プロセス流出口温度（華氏度）対時間のグラフであり、生の測定データ２３２を、平滑化されたデータ２３４と共に重ねて示している。図１６は、例示的な期間にわたる冷却水の流速（毎分ガロン）を示すグラフである。水の流速の段階的な変化を、水の流れの意図的な低下によって引き起こした。
【００７７】
熱伝達効率の値および傾向を、熱交換器上に設置された温度センサから生成された平滑化された温度データを使用して計算した。熱伝達効率傾向を使用して、冷却水に導入された化学添加剤を含む冷却水システムを制御した。図１７は、例示的な期間にわたる平滑化された温度データを使用して計算された熱伝達係数を示すグラフである。
【００７８】
この例では、測定期間中の熱伝達係数は、実質的に平坦であった。しかしながら、冷却水の流速を観察して、監視期間中に漸進的に低下させた。この挙動の組み合わせは、化学物質の添加だけでは効果的に対処されない、熱交換器内の破片／シルティングを示唆した。むしろ、累積した破片／シルティングを除去するために、熱交換器を洗い流し、かつ／または交換器を清浄化する必要があり得る。データによるこの結論を、プラントの停電中に、熱交換器を開け、視覚的に検査したときに確認した。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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