操作天然氣液化設(shè)施的方法與流程
背景
用于冷卻、液化和任選地過冷(sub-cooling)天然氣的多種液化系統(tǒng)是本領(lǐng)域公知的，諸如單混合制冷劑(smr)循環(huán)、丙烷預(yù)冷混合制冷劑(c3mr)循環(huán)、雙重混合制冷劑(dmr)循環(huán)、c3mr-氮混合(諸如，
制冷劑在包括一個或多個熱交換器和一個或多個制冷劑壓縮系統(tǒng)的制冷劑回路中循環(huán)。制冷劑回路可以是閉環(huán)或開環(huán)的。通過與熱交換器中的制冷劑間接熱交換，天然氣被冷卻、液化和/或過冷。
每個制冷劑壓縮系統(tǒng)包括用于壓縮和冷卻循環(huán)制冷劑的壓縮電路，以及用于提供驅(qū)動壓縮機所需的動力的驅(qū)動器組件。制冷劑被壓縮至高壓并在膨脹之前冷卻，以便產(chǎn)生冷的低壓制冷劑流，其提供冷卻、液化和任選地過冷天然氣所需的熱負荷。
各種熱交換器可用于天然氣冷卻和液化服務(wù)。線圈式熱交換器(cwhe)通常用于天然氣液化。cwhe通常包含容納在鋁或不銹鋼加壓殼體內(nèi)的螺旋纏繞的管束。對于lng服務(wù)，典型的cwhe包括多個管束，每個管束具有多個管電路。
在天然氣液化方法中，通常對天然氣進行預(yù)處理以除去雜質(zhì)，諸如水、汞、酸性氣體、含硫化合物、重?zé)N等。純化的天然氣任選在液化之前預(yù)冷卻以生產(chǎn)lng。
在設(shè)備的正常操作之前，需要調(diào)試設(shè)備中的所有單元操作。這包括啟動天然氣預(yù)處理過程(如果存在)、制冷壓縮機、預(yù)冷卻和液化熱交換器以及其他單元。下文將工廠第一次啟動稱為“初始啟動”。在正常操作期間熱交換器的每個部分操作的溫度被稱為“正常操作溫度”。熱交換器的正常操作溫度通常具有其中熱端具有最高溫度而冷端具有最低溫度的輪廓。根據(jù)所使用的預(yù)冷卻制冷劑的類型，預(yù)冷卻熱交換器在其冷端和液化交換器在其熱端處的正常操作溫度通常在-10℃和-60℃之間。在沒有預(yù)冷卻的情況下，液化熱交換器在其熱端的正常操作溫度接近環(huán)境溫度。液化熱交換器在其冷端的正常操作溫度通常在-100℃和-165℃之間，這取決于所使用的制冷劑。因此，這些類型的交換器的初始啟動包括將冷端從環(huán)境溫度(或預(yù)冷卻溫度)冷卻到正常操作溫度，并為隨后的生產(chǎn)提升和正常操作建立適當(dāng)?shù)目臻g溫度分布。
在啟動預(yù)冷卻和液化熱交換器時的一個重要考慮是它們必須以逐步和受控的方式冷卻，以防止對熱交換器的熱應(yīng)力。期望的是，溫度變化率以及交換器內(nèi)熱流和冷流之間的溫差在可接受的限度內(nèi)。該溫度差可以在特定的熱流和冷流之間測量。不這樣做可能會對熱交換器造成熱應(yīng)力，這會影響熱交換器的機械完整性和整體壽命，這可能最終導(dǎo)致不希望的設(shè)備關(guān)閉，降低設(shè)備可用性和增加成本。因此，必須注意確保以逐漸和受控的方式進行熱交換器冷卻。
啟動熱交換器的需要也可以在設(shè)備的初始啟動之后，例如在臨時設(shè)備關(guān)閉或跳閘之后熱交換器重新啟動期間存在。在這種情況下，熱交換器可以從環(huán)境溫度(下文稱為“暖重啟”)或從正常工作溫度和環(huán)境溫度之間的中間溫度(下文稱為“冷重啟”)預(yù)熱。冷和熱重啟也必須以漸進和受控的方式執(zhí)行。術(shù)語“冷卻”和“啟動”通常是指在初始啟動，冷啟動以及暖啟動期間的熱交換器冷卻。圖9示出在熱重啟之前和之后的熱交換器的示例性溫度曲線。圖10示出在冷重啟之前和之后的熱交換器的示例性溫度曲線。
一種方法是手動控制熱交換器冷卻過程。以逐步的方式手動調(diào)節(jié)制冷劑流量和組成以冷卻熱交換器。該過程需要提高操作者的注意力和技能，這在具有高操作者更新率的新設(shè)施和設(shè)施中可能是難以實現(xiàn)的。操作者方面的任何錯誤可能導(dǎo)致冷卻速率超過允許的限制和對熱交換器的不期望的熱應(yīng)力。另外，在該過程中，溫度的變化率通常是手動計算的，并且可能不準確。此外，手動啟動往往是逐步的過程，并且經(jīng)常涉及校正操作，因此是耗時的。在該啟動期間，來自交換器的原料天然氣通常是燃燒的，因為其不滿足產(chǎn)品要求或者不能進入lng罐。因此，手動冷卻過程將導(dǎo)致有價值的原料天然氣的大量損失。
另一種方法是使用可編程控制器自動化冷卻過程。然而，現(xiàn)有技術(shù)中公開的方法過于復(fù)雜，并且在交換器已經(jīng)冷卻之前不涉及進料閥操作。這可以容易地導(dǎo)致制冷劑在熱交換器中的大的過量供應(yīng)，以及效率低下。在諸如混合制冷劑(mr)的兩相制冷劑的情況下，這可能導(dǎo)致在mr壓縮機的吸入處的液體制冷劑。此外，該方法沒有利用進料流速和制冷劑流速之間的緊密相互作用，其對熱側(cè)和冷側(cè)溫度具有直接影響。最后，該方法是一種交互式(非自動)過程，其中關(guān)鍵決定仍然必須由操作者做出。其自動化水平有限。
一旦lng設(shè)備啟動，諸如美國專利no.5,791,160或美國專利no.4,809,154中所述的各種控制方案可用于控制參數(shù)，諸如lng溫度、流速、熱交換器溫度差和等等。這種控制方案不同于在啟動期間使用的控制方案，并且不能容易地用于啟動目的。首先，溫度分布已經(jīng)建立并且將被保持相對穩(wěn)定，并且進料氣體和制冷劑流速不需要如在啟動的情況下從零增加。這消除了控制方案中的一個關(guān)鍵變量。另外，在正常操作期間，與在啟動期間不同，在整個啟動過程中需要進行較大調(diào)整的情況下，制冷劑組成可能不需要或者不需要調(diào)整。在混合制冷劑工藝的情況下，在啟動期間制冷劑組分庫存可能不可用，這進一步使控制過程復(fù)雜化。此外，制冷壓縮機通常在啟動期間以再循環(huán)模式操作，以防止達到喘振極限。這些再循環(huán)閥可能需要在冷卻過程期間逐漸關(guān)閉，這是要調(diào)節(jié)的附加變量。此外，在啟動和熱交換器冷卻期間，需要監(jiān)測吸入壓力，并且需要補充制冷劑組分(諸如，在基于mr的過程的情況下的甲烷和在n2循環(huán)過程中的n2)，以便維持適當(dāng)?shù)奈雺毫?。這也使啟動操作復(fù)雜化。
使冷卻過程自動化的一種可能方式是增加天然氣進料流速，同時獨立地操縱制冷劑流速以控制在熱交換器的冷端測量的冷卻速率。但發(fā)現(xiàn)該方法是無效的，因為冷卻速率控制器可以根據(jù)制冷劑的溫度和相行為而具有不同甚至反向的響應(yīng)。制冷劑不僅用作冷卻介質(zhì)，而且在jt閥膨脹之前也在熱交換器中產(chǎn)生熱負荷。在該過程開始時，增加制冷劑流量可能導(dǎo)致在冷端測量的冷卻速率實際上在制冷劑在管回路中冷凝之前變慢。隨后在冷卻過程中，當(dāng)進入jt閥的制冷劑冷凝時，增加流量增加了冷卻速率。這種反向響應(yīng)使得這種控制方法的自動化非常困難或不可行。
總體上，需要一種用于在天然氣液化設(shè)施中啟動熱交換器，同時最小化操作者干預(yù)的簡單，有效和自動化的系統(tǒng)和方法。
概述
在提供本
技術(shù)實現(xiàn)要素：
以便以簡化形式介紹將在以下詳細描述中進一步描述的一些概念。本發(fā)明內(nèi)容不旨在標識所要求保護的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保護的主題的范圍。
如下所述并且由所附權(quán)利要求限定的所描述的實施例包括對用作天然氣液化過程的一部分的壓縮系統(tǒng)的改進。所公開的實施例通過提供一種可編程控制系統(tǒng)和方法來滿足本領(lǐng)域的需要，所述可編程控制系統(tǒng)和方法用于在天然氣液化設(shè)施的啟動期間并行且獨立地調(diào)節(jié)進氣流速和制冷劑流速，啟動和有效地冷卻mche(在此定義)，以所需的冷卻速率，并且以最小的操作者干預(yù)。
此外，下面概述本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的幾個具體方面。
方面1：一種用于控制液化天然氣(lng)設(shè)備的啟動的方法，所述lng設(shè)備具有包括熱交換器的熱交換系統(tǒng)，以通過制冷劑的閉合回路制冷實現(xiàn)熱交換器的冷卻，所述熱交換器包括至少一個熱流和至少一個制冷劑流，所述至少一個熱流包括天然氣進料流，并且所述至少一個制冷劑流用于通過間接熱交換來冷卻所述天然氣進料流，所述方法包括以下步驟：
(a)將所述熱交換器從第一時間的第一溫度分布冷卻到第二時間的第二溫度分布，所述第一溫度分布具有大于所述第二溫度分布的第二平均溫度的第一平均溫度；和
(b)在執(zhí)行步驟(a)期間并行執(zhí)行以下步驟：
(i)測量所述熱交換系統(tǒng)內(nèi)的第一位置處的第一溫度；
(ii)計算包括所述第一溫度的變化率的第一值；
(iii)提供表示所述第一溫度的優(yōu)選變化率的第一設(shè)定點；
(iv)基于所述第一值和所述第一設(shè)定點而控制通過所述熱交換器的所述天然氣進料流的流速；和
(v)獨立于步驟(b)(iv)，控制所述至少一個制冷劑流的第一流的流速，使得所述第一制冷劑流的流速在所述第二時間比在所述第一時間更大。
方面2：根據(jù)方面1所述的方法，其中步驟(b)(i)至(b)(iv)包括：
(i)測量(1)所述熱交換系統(tǒng)內(nèi)的第一位置處的第一溫度和(2)所述至少一個熱流在第二位置處的第二溫度和所述至少一個制冷劑流在熱交換系統(tǒng)內(nèi)的第三位置；
(ii)計算包括所述第一溫度的變化率的第一值和包括所述第二溫度和所述第三溫度之間的差的第二值；
(iii)提供表示所述第一溫度的優(yōu)選變化率的第一設(shè)定點和表示所述第二溫度和所述第三溫度之間的優(yōu)選差的第二設(shè)定點；和
(iv)基于在步驟(b)(ii)中計算的第一和第二值以及第一和第二設(shè)定點，控制通過熱交換器的天然氣進料流的流速。
方面3：方面1-2中任一項的方法，其中步驟(a)包括：
(a)將所述熱交換器從第一時間的第一溫度分布冷卻到第二時間的第二溫度分布，所述第一溫度分布具有大于所述第二溫度分布的第二平均溫度的第一平均溫度，在其最冷位置的第二溫度分布小于-20℃。
方面4：根據(jù)方面3所述的方法，其中步驟(a)包括：
(a)將所述熱交換器從第一時間的第一溫度分布冷卻到第二時間的第二溫度分布，所述第一溫度分布在其最冷位置大于-45℃，所述第二溫度分布在其最冷位置比在第一溫度分布上的相同位置處的溫度低至少20℃。
方面5：根據(jù)方面2-4中任一方面的方法，其中步驟(b)(i)進一步包括：
(i)測量(1)所述熱交換系統(tǒng)內(nèi)的第一位置處的第一溫度和(2)所述至少一個熱流在第二位置處的第二溫度和所述至少一個制冷劑流在第第三位置，所述第三位置在所述熱交換器的殼體側(cè)內(nèi)。
方面6：方面1-5中任一項的方法，其中步驟(b)(iii)進一步包括：
(iii)提供表示所述第一溫度的優(yōu)選變化率的第一設(shè)定點，所述第一設(shè)定點是每小時5℃和30℃之間的值或范圍。
方面7：根據(jù)方面2-6中任一項所述的方法，其中步驟(b)(iii)還包括：
(iii)提供表示所述第一溫度的優(yōu)選變化率的第一設(shè)定點和表示所述第二溫度和所述第三溫度之間的優(yōu)選差的第二設(shè)定點，所述第二設(shè)定點包括在零和30℃之間范圍的值。
方面8：方面1-7中任一項的方法，其中步驟(b)(v)還包括：
(v)獨立于步驟(b)(iv)，以流量斜坡速率增加所述至少一個制冷劑流的第一制冷劑的流量。
方面9：根據(jù)方面8所述的方法，其中步驟(b)(v)還包括：
(v)獨立于步驟(b)(iv)，以流量斜坡速率增加所述至少一個制冷劑流的第一制冷劑流的流量，所述流量斜坡率在介于2和在第一次之后8小時，第一制冷劑流的流量為設(shè)備正常操作期間第一制冷劑流的流量的20-30％。
方面10：方面8-9中任一項的方法，其中步驟(b)進一步包括：
(vi)測量所述第二制冷劑流的流量和所述第一制冷劑流的流量；
(vii)計算包括所述第二制冷劑流的流量和所述第一制冷劑流的流量的比率的第二值；
(viii)提供代表第二制冷劑流的流速和第一制冷劑流的流速的優(yōu)選比率的第二設(shè)定點；和
(ix)獨立于步驟(b)(iv)，基于所述第二值和所述第二設(shè)定點控制所述第二制冷劑流的流量。
方面11：方面1-10中任一項的方法，其中步驟(b)進一步包括：
(vi)測量所述第二制冷劑流的流量和所述第一制冷劑流的流量；
(vii)計算包括所述第二制冷劑流的流量和所述第一制冷劑流的流量的比率的第二值；
(viii)提供代表第二制冷劑流的流速和第一制冷劑流的流速的優(yōu)選比率的第二設(shè)定點；
(ix)在所述熱交換系統(tǒng)內(nèi)的第四位置處測量所述至少一股熱流的第四溫度，以及在所述熱交換系統(tǒng)內(nèi)的第五位置處測量所述至少一股制冷劑流的第五溫度；
(x)計算包括所述第四溫度和第五溫度之間的差的第三值；
(xi)提供表示第四和第五溫度之間的優(yōu)選溫度差的第三設(shè)定點；和
(xii)獨立于步驟(b)(iv)，基于(1)第二值和第二設(shè)定點以及(2)第三值和第三設(shè)定點控制第二制冷劑流的流速。
方面12：根據(jù)方面2-11中任一方面的方法，其中步驟(b)進一步包括：
(v)在所述熱交換系統(tǒng)內(nèi)的第四位置處測量所述至少一股熱流的第四溫度，以及在所述熱交換系統(tǒng)內(nèi)的第五位置處測量所述至少一股制冷劑流的第五溫度；和
(vi)獨立于步驟(b)(iv)，基于如下而控制第二制冷劑流的流量：(1)第四溫度和第五溫度之間的差異，和(2)第二制冷劑流的流量和第一制冷劑流的流量比率；
其中所述第二和第三位置位于所述熱交換系統(tǒng)的第一區(qū)域內(nèi)，并且所述第四和第五位置位于所述熱交換系統(tǒng)的第二區(qū)域內(nèi)。
方面13：根據(jù)方面1-12中任一項所述的方法，其中步驟(b)(i)還包括：
(i)測量(1)所述熱交換系統(tǒng)內(nèi)的第一位置處的第一溫度和(2)所述至少一個熱流在第二位置處的第二溫度和所述至少一個制冷劑流在熱交換系統(tǒng)內(nèi)的第三位置，第二和第三位置在熱交換器的熱端。
方面14：方面1-13中任一項的方法，其中步驟(b)(iv)包括：
(iv)使用自動控制系統(tǒng)控制通過熱交換器的天然氣進料流的流速，以將第一值維持在第一設(shè)定點。
方面15：方面10-14中任一項的方法，其中步驟(b)(ix)包括：
(ix)獨立于步驟(b)(iv)，使用自動控制系統(tǒng)控制第二制冷劑流的流速以將第二值維持在第二設(shè)定點。
方面16：根據(jù)方面1-15中任一項所述的方法，其中所述熱交換器具有多個區(qū)，每個區(qū)具有溫度分布，并且步驟(b)(v)還包括：
(v)獨立于步驟(b)(iv)，控制所述至少一個制冷劑流的第一流的流量，使得所述第一制冷劑流的流量在所述第二時間比在所述第一時間更大，所述第一流為所述多個區(qū)中的第一區(qū)提供制冷，所述第一區(qū)具有所述多個區(qū)中的所有溫度分布的最低平均溫度的溫度分布。
方面17：方面1-16中任一項的方法，其中步驟(b)(ii)包括：
(ii)計算由第一溫度的變化率組成的第一值。
方面18：根據(jù)方面2-17中任一項的方法，其中步驟(b)(vii)進一步包括：
(vii)計算由第一溫度的變化率和包括第二溫度和第三溫度之間的差的第二值組成的第一值。
方面19：根據(jù)方面1-18中任一項所述的方法，其中步驟(b)還包括：
(vi)基于測量的制冷劑壓縮機吸入壓力和吸入壓力設(shè)定點來控制制冷劑的至少一個組分的補充率。
方面20：方面14-19中任一方面的方法，其中步驟(b)進一步包括：
(vi)基于測量的吸入壓力和吸入壓力設(shè)定點而控制制冷劑的至少一種組分的補充速率，所述吸入壓力設(shè)定點在100-500kpa的范圍內(nèi)。
方面21：根據(jù)方面14-20中任一項所述的方法，其中步驟(b)還包括：
(vi)基于測量的制冷劑壓縮機吸入壓力和吸入壓力設(shè)定點來控制制冷劑的甲烷組分的補充率。
方面22：方面1-21中任一方面的方法，其中步驟(b)進一步包括：
(vi)基于至少一種工藝條件控制所述制冷劑的氮組分的補充速率，其中如果不滿足所述至少一種工藝條件中的任一條件，所述氮組分的補充速率為零。
方面23：根據(jù)方面22所述的方法，其中步驟(b)還包括：
(vii)基于至少一個工藝條件控制所述制冷劑的氮組分的補充速率，其中如果所述至少一個工藝條件中的任一個不滿足，所述氮組分的補充速率為零，至少一個工藝條件包括選自以下的組中的至少一個：在熱流和所述至少一個制冷劑流之間的熱交換系統(tǒng)的冷端的溫度差小于溫差設(shè)定點，吸入壓力在抽吸滾筒處小于吸入壓力設(shè)定點，在所述熱交換系統(tǒng)的冷端獲得的溫度小于冷端溫度設(shè)定點，并且所述第一值小于溫度變化設(shè)定點。
方面24：方面1-23中任一項的方法，其中步驟(b)進一步包括：
(vi)基于在氣液分離器中測量的液位和液位設(shè)定點來控制制冷劑的至少一種重組分的補充速率。
方面25：方面1-24中任一方面的方法，其中步驟(b)進一步包括：
(vi)基于在氣液分離器中測量的液位和液位設(shè)定點來控制所述制冷劑的至少一種重組分的補充率，所述液位設(shè)定點在20％和50％之間。
方面26：方面1-25中任一方面的方法，其中步驟(b)進一步包括：
(vi)當(dāng)在氣-液分離器中沒有檢測到液體時，以第一補充率添加所述制冷劑的至少一種重組分，并且當(dāng)在氣-液分離器中檢測液體時，基于第二補充速率以第二補充速率添加所述至少一種重組分，第二補充率大于第一補充率。
方面27：根據(jù)方面1-26中任一項所述的方法，其中所述設(shè)備還包括與所述至少一個制冷劑流流體流連通的至少一個壓縮機，其中步驟(b)還包括：
(vi)控制至少一個操縱變量以將所述至少一個壓縮機中的每一個保持在距喘振至少預(yù)定距離的操作條件下，所述至少一個操縱變量包括選自以下的組中的至少一個：壓縮機速度、再循環(huán)值位置和入口葉片位置。
附圖說明
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實施例的c3mr系統(tǒng)的示意性流程圖；
圖1a是示出圖1的c3mr系統(tǒng)的mche部分的部分示意流程圖；
圖2是示出用于圖1的c3mr系統(tǒng)的mche冷卻控制邏輯的第一部分的示意圖；
圖3是圖1的區(qū)域3-3中所示的c3mr系統(tǒng)的一部分的更詳細的示意性流程圖；
圖4是示出用于圖1的c3mr系統(tǒng)的mche冷卻控制邏輯的第二部分的示意性流程圖；
圖5是示出在從暖啟動模擬冷卻期間mche的冷端的溫度，將冷卻與自動和手動控制進行比較的曲線圖；
圖6是示出在從冷重啟模擬冷卻期間mche的冷端的溫度，將冷卻與自動和手動控制進行比較的曲線圖；
圖7是示出與來自圖5-6中模擬的暖啟動和冷啟動的自動冷卻相關(guān)聯(lián)的設(shè)定點的表格；
圖8是比較圖5和圖6所示的自動冷卻至手動冷卻操作的五個度量的結(jié)果的表；
圖9是表示熱重啟前后的熱交換器的溫度分布的曲線圖。和
圖10是表示冷啟動前后的熱交換器的溫度分布的曲線圖。
實施例的詳細說明
實隨后的詳細描述僅提供優(yōu)選的示例性實施例，并且不旨在限制所要求保護的本發(fā)明的范圍，適用性或配置。相反，優(yōu)選示例性實施例的隨后的詳細描述將為本領(lǐng)域技術(shù)人員提供用于實現(xiàn)所要求保護的發(fā)明的優(yōu)選示例性實施例的使能描述。在不脫離所要求保護的發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對元件的功能和布置進行各種改變。
在附圖中引入的參考標號可以在一個或多個后續(xù)附圖中重復(fù)，而在說明書中沒有額外的描述，以便為其他特征提供上下文。
在權(quán)利要求中，字母用于標識所要求保護的步驟(例如(a)，(b)和(c))。這些字母用于幫助參考方法步驟，并且不旨在指示所要求保護的步驟被執(zhí)行的順序，除非并且僅在這樣的順序在權(quán)利要求中具體記載的程度。
方向術(shù)語可以在說明書和權(quán)利要求中用于描述本發(fā)明的部分(例如，上，下，左，右等)。這些方向術(shù)語僅意在幫助描述示例性實施例，并且不旨在限制所要求保護的本發(fā)明的范圍。如本文所使用的，術(shù)語“上游”旨在表示在與參考點處的導(dǎo)管中的流體的流動方向相反的方向上。類似地，術(shù)語“下游”旨在表示與來自參考點的導(dǎo)管中的流體的流動方向相同的方向。
在說明書和權(quán)利要求書中可以使用熱交換器的術(shù)語“溫度”來描述熱交換器內(nèi)部的特定位置的熱溫度。
在說明書，實施例和權(quán)利要求書中可以使用術(shù)語“溫度分布”來描述沿著與熱交換器內(nèi)部的流的流動方向平行的軸向方向的溫度的空間分布。它可以用于描述熱或冷流或熱交換器的金屬材料的空間溫度分布。
除非本文另有說明，在說明書，附圖和權(quán)利要求書中確定的任何和所有百分比應(yīng)當(dāng)理解為基于摩爾百分比。除非本文另有說明，否則在說明書，附圖和權(quán)利要求書中確定的任何和所有壓力應(yīng)當(dāng)理解為絕對壓力。
如在說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“流體流動連通”是指兩個或更多個部件之間的連通性的性質(zhì)，其使得液體，蒸汽和/或兩相混合物能夠在部件之間傳輸直接或間接地受控方式(即，沒有泄漏)。耦合兩個或更多個部件使得它們彼此流體流動連通可涉及本領(lǐng)域中已知的任何合適的方法，例如使用焊接，凸緣導(dǎo)管，墊圈和螺栓。兩個或更多個部件還可以經(jīng)由可以將它們分離的系統(tǒng)的其他部件(例如，閥，閘門或可以選擇性地限制或引導(dǎo)流體流動的其他裝置)聯(lián)接在一起。
如在說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“導(dǎo)管”是指流體可以通過其在系統(tǒng)的兩個或更多個部件之間輸送的一個或多個結(jié)構(gòu)。例如，導(dǎo)管可包括輸送液體、蒸氣和/或氣體的管道、導(dǎo)管、通道及其組合。
在說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“天然氣”是指主要由甲烷組成的烴氣體混合物。
在說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“烴氣體”或“烴流體”是指包含至少一種烴的氣體/流體，并且其中烴包含至少80％，更優(yōu)選至少90％的氣體/流體的總組成。
在說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“混合制冷劑”(縮寫為“mr”)是指包含至少兩種烴的流體，并且其中烴占制冷劑總組成的至少80％。
在說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“重組分”是指作為mr的組分的烴，并且具有高于甲烷的標準沸點。
術(shù)語“束”和“管束”在本申請中可互換使用，并且旨在是同義的。
如在說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“環(huán)境流體”是指在環(huán)境壓力和溫度或接近環(huán)境壓力和溫度下提供給系統(tǒng)的流體。
術(shù)語“壓縮回路”在本文中用于指代彼此流體連通并且串聯(lián)布置的部件和導(dǎo)管(以下稱為“串聯(lián)流體流動連通”)，從第一壓縮機或壓縮級的上游開始并且結(jié)束在最后一個壓縮機或壓縮機的下游。術(shù)語“壓縮序列”旨在表示由包括相關(guān)聯(lián)的壓縮電路的組件和導(dǎo)管執(zhí)行的步驟。
如說明書和權(quán)利要求書中所使用的，術(shù)語“高-高”，“高”，“中”和“低”旨在表示使用這些術(shù)語的元件的特性的相對值。例如，高高壓流旨在表示具有比在本申請中描述或要求保護的相應(yīng)高壓流或中壓流或低壓流更高的壓力的流。類似地，高壓流旨在表示具有比說明書或權(quán)利要求中描述的相應(yīng)的中壓流或低壓流更高的壓力但低于本申請中描述或要求保護的相應(yīng)的高-高壓流的流。類似地，中壓流旨在表示具有比說明書或權(quán)利要求中所述的相應(yīng)低壓流高的壓力，但低于本申請中描述或要求保護的相應(yīng)高壓流的流。
如本文所使用的，術(shù)語“溫流”或“熱流”旨在表示在所述系統(tǒng)的正常操作條件下通過間接熱交換而冷卻的流體流。類似地，術(shù)語“冷流”旨在表示在所述系統(tǒng)的正常操作條件下通過間接熱交換而被加熱的流體流。
表1定義了在整個說明書和附圖中使用的縮略語的列表，以幫助理解所描述的實施例。
表格1
所描述的實施例提供了用于啟動烴液化過程的有效的自動化方法，并且特別適用于天然氣的液化。參考圖1，示出了本發(fā)明的第一實施例。該實施例包括本領(lǐng)域中已知的典型的c3mr過程。優(yōu)選為天然氣的進料流100在預(yù)處理段90中通過已知方法清洗和干燥，以除去水，酸性氣體如co2和h2s以及其它污染物(例如汞)，得到預(yù)處理的基本上不含水的經(jīng)預(yù)處理的進料流101在預(yù)冷卻系統(tǒng)118中預(yù)冷卻，以產(chǎn)生預(yù)冷卻的天然氣流105，并進一步冷卻、液化和/在mche108中冷卻以產(chǎn)生lng流106。生產(chǎn)控制閥103可以用于調(diào)節(jié)lng流106的流速。通常，通過使lng流106通過閥或渦輪機(不是然后通過流104被送到lng儲罐109中。在罐中的壓力下降和/或汽化期間產(chǎn)生的任何閃蒸蒸汽由流107表示，流107可以用作工廠中的燃料，再循環(huán)到進料或排氣。
術(shù)語“基本上不含水”是指經(jīng)預(yù)處理的進料流101中的任何殘留水以足夠低的濃度存在，以防止與下游冷卻和液化過程中的水凍結(jié)相關(guān)的操作問題。
將預(yù)處理的進料流101預(yù)冷卻至低于10℃，優(yōu)選低于約0℃，更優(yōu)選約-30℃的溫度。將預(yù)冷卻的天然氣流105液化至約-150℃和約-70℃之間的溫度，優(yōu)選約-145℃和約-100℃之間的溫度，隨后過冷卻至約-170℃和約-120℃，優(yōu)選在約-170℃和約-140℃之間。圖2示出的mche108是具有三個管束的盤管式熱交換器。然而，可以使用任何數(shù)量的束和任何交換器類型。
在該c3mr方法中使用的預(yù)冷卻制冷劑是丙烷。丙烷制冷劑110相對于預(yù)處理的進料流101加熱以產(chǎn)生溫?zé)岬牡蛪罕榱?14。將溫?zé)岬牡蛪罕榱?14在可包括四個壓縮級的一個或多個丙烷壓縮機116中壓縮。處于中間壓力水平的三個側(cè)流111,112,113分別在丙烷壓縮機116的最后，第三和第二級的吸入口處進入丙烷壓縮機116。壓縮的丙烷物流115在冷凝器117中冷凝以產(chǎn)生冷的高壓物流，然后在壓力下(泄放閥未示出)產(chǎn)生丙烷制冷劑110，其提供冷卻預(yù)處理的進料物流所需的冷卻負荷在預(yù)熱系統(tǒng)118中。丙烷液體隨著其加熱而蒸發(fā)以產(chǎn)生溫?zé)岬牡蛪罕榱?14。冷凝器117通常與諸如空氣或水的環(huán)境流體交換熱量。雖然該圖示出了丙烷壓縮的四個階段，但是可以采用任何數(shù)量的壓縮階段。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)描述或要求保護多個壓縮級時，這樣的多個壓縮級可以包括單個多級壓縮機，多個壓縮機或其組合。壓縮機可以在單個殼體或多個殼體中。壓縮丙烷制冷劑的方法在本文中通常稱為丙烷壓縮程序。
在mche108中，制冷的至少一部分并且優(yōu)選地全部通過在減壓通過閥或渦輪機之后蒸發(fā)和加熱至少一部分制冷劑流來提供。低壓氣態(tài)mr流130從mche108的殼側(cè)的底部排出，通過低壓抽吸鼓150發(fā)送以分離出任何液體，并且蒸汽流131在低壓(lp)壓縮機151中被壓縮以產(chǎn)生中壓mr流132。如果不存在預(yù)冷卻，則通常在接近預(yù)冷卻溫度或接近環(huán)境溫度的溫度下取出低壓氣態(tài)mr流130。
中壓mr流132在低壓后冷卻器152中冷卻，以產(chǎn)生冷卻的中壓mr流133，任何液體從中間壓力mr流133中排出，從而產(chǎn)生中壓蒸汽流134，其被進一步壓縮中壓(mp)壓縮機154。所得到的高壓mr流135在中壓后冷卻器155中冷卻，以產(chǎn)生冷卻的高壓mr流136。冷卻的高壓mr流136被送到高壓吸鼓156，其中任何液體被排出。得到的高壓蒸汽流137在高壓(hp)壓縮機157中進一步壓縮，以產(chǎn)生高壓mr流138，其在高壓后冷卻器158中冷卻，以產(chǎn)生冷卻的高-高壓mr流139。冷卻的高-高壓mr流139然后相對于在預(yù)冷卻系統(tǒng)118中的蒸發(fā)丙烷被冷卻以產(chǎn)生兩相mr流140。然后將兩相mr流140發(fā)送到從其獲取mrl流141和mrv流143的氣液分離器159，其被發(fā)送回mche108以進一步冷卻。離開相分離器的液體流在工業(yè)中稱為mrl，并且離開相分離器的蒸氣流在工業(yè)中稱為mrv，甚至在它們隨后液化之后。在從mche108的底部撤回并后作為多個流返回到mche108的管側(cè)的過程之后，壓縮和冷卻mr的過程在本文中通常被稱為mr壓縮序列。
在mche108的兩個分離的回路中，mrl流141和mrv流143都被冷卻.mrl流141在mche108的頭兩個束中被冷卻和部分液化，產(chǎn)生冷流降低mrl減壓閥161中的壓力以產(chǎn)生兩相mrl流142，其被送回到mche108的殼體側(cè)，以提供在mche的前兩個束中所需的制冷。mrv流143在mche108的第一和第二束中冷卻，在mrv減壓閥160兩端減壓，并作為兩相mrv流144引入mche108，以在過冷、液化中提供制冷和冷卻步驟。應(yīng)當(dāng)注意，mrv和mrl流143、142在冷卻過程期間可以不總是兩相的。
mche108可以是適合于天然氣液化的任何交換器，諸如盤管式熱交換器、板翅式熱交換器或殼管式熱交換器。盤繞式熱交換器是用于天然氣液化的現(xiàn)有技術(shù)的交換器，并且包括至少一個管束，該管束包括用于使過程和溫?zé)嶂评鋭┝髁鲃拥亩鄠€螺旋纏繞管和用于使冷的制冷劑流流動的殼空間。參見圖1和1a，mche108是線圈纏繞熱交換器，其中mrv和mrl流143、142和預(yù)冷卻天然氣流105的總流動方向平行于軸線120所示的方向。如關(guān)于mche108的說明書和權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語“位置”是指沿著流過mche108的流的軸向流動方向的位置，在圖1中由軸120所示。
如說明書和權(quán)利要求書中所使用的，術(shù)語“熱交換系統(tǒng)”是指mche108的所有部件，包括mche108的殼體的外表面，以及流過mche108的任何管道，加上與mche108或流過mche108的導(dǎo)管流體流動連通的任何導(dǎo)管。
熱交換系統(tǒng)具有兩個區(qū)域，即暖區(qū)119a和冷區(qū)119b，其中暖束102a位于暖區(qū)119a中，而冷束102b位于冷區(qū)119b中。在替代實施例中，可以包括附加束。在本文中，“區(qū)域”是沿著軸線120延伸并且由其中流體被移除或引入mche108的位置分開的mche108的區(qū)域。每個區(qū)域還包括與它處于流體流動連通的任何管道。例如，溫區(qū)119a結(jié)束，冷區(qū)119b開始，其中流142從mche108移除、膨脹并重新引入mche108的殼體側(cè)。
在mche108或其一部分的上下文中，術(shù)語“熱端”優(yōu)選旨在表示所討論的元件在正常操作條件下處于最高溫度的端部，并且在mche108的情況下包括在熱端處進入或離開mche108的任何導(dǎo)管。例如，位于其最下端的mche108的暖端108a包括導(dǎo)管105、143和141。類似地，術(shù)語“冷端”優(yōu)選地旨在表示所討論的元件在正常操作條件下處于最低溫度的端部，并且在mche108的情況下包括在冷端進入或離開mche108的任何導(dǎo)管。例如，mche108的冷端108b是其在圖1中的最上端，并包括導(dǎo)管106和144。
當(dāng)元件被描述為處于冷端或暖端時，這意味著該元件位于最冷的(或者最熱的，取決于所描述的端部)的20％的總軸向所討論的元件的長度或在進入或離開所述元件的那部分的導(dǎo)管內(nèi)。例如，如果mche108的軸向高度(即，在軸線120的方向上)為10米，并且溫度讀數(shù)被描述為“在mche108的“熱端”進行，則溫度讀數(shù)為在mche108的熱端108a的2米內(nèi)或在進入或離開mche108的該部分的任何管道105,143和141內(nèi)。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以在其他類型的天然氣液化方法中實施。例如，使用不同的預(yù)冷卻制冷劑，諸如混合制冷劑、二氧化碳(co2)、氫氟烴(hfc)、氨(nh3)、乙烷(c2h6)和丙烯(c3h6)。此外，本發(fā)明還可以在不使用預(yù)冷卻的過程中實施，例如單個混合制冷劑循環(huán)(smr)。備選的構(gòu)造可以用于向mche108提供制冷。優(yōu)選地，這種制冷由閉環(huán)制冷過程提供，例如在該實施例中使用的過程。如在說明書和權(quán)利要求書中所使用的，“閉合回路制冷”方法旨在包括制冷過程，其中制冷劑或制冷劑的組分可以在冷卻期間被添加到系統(tǒng)(“補充”)。
該實施例包括控制系統(tǒng)200，其控制多個過程變量，每個過程變量基于至少一個測量的過程變量和至少一個設(shè)定點。這種操作在過程的啟動期間執(zhí)行?？刂葡到y(tǒng)200的傳感器輸入和控制輸出在圖1中示意性地示出。并且控制邏輯在圖1中示意性地示出。應(yīng)當(dāng)注意，控制系統(tǒng)200可以是能夠執(zhí)行本文所述的過程步驟的任何類型的已知控制系統(tǒng)。合適的控制系統(tǒng)的示例包括可編程邏輯控制器(plc)，分布式控制系統(tǒng)(dcs)和集成控制器。還應(yīng)當(dāng)注意，控制系統(tǒng)200示意性地表示為位于單個位置?？赡艿氖牵刂葡到y(tǒng)200的部件可以位于設(shè)備內(nèi)的不同位置，特別是如果使用分布式控制系統(tǒng)時。如本文所使用的，術(shù)語“自動控制系統(tǒng)”旨在表示上述任何類型的控制系統(tǒng)，其中一組受控變量由控制系統(tǒng)基于多個設(shè)定點和過程變量自動控制。雖然本發(fā)明設(shè)想了能夠提供每個操縱變量的完全自動化控制的控制系統(tǒng)，但是可能期望為操作者提供手動超馳一個或多個操縱變量的選項。
如在說明書和權(quán)利要求書中所使用的，術(shù)語“設(shè)定點”可以指單個值或值的范圍。例如，表示溫度變化的優(yōu)選速率的設(shè)定點可以是單一速率(例如，每分鐘2℃)或范圍(例如，每分鐘1℃和3℃之間)。設(shè)定點是單個值還是范圍通常取決于所使用的控制系統(tǒng)的類型。為了本申請的目的，使用由單個值結(jié)合間隙值組成的設(shè)定點的控制系統(tǒng)被認為等同于包括由單個值和間隙值包圍的范圍的設(shè)定點。例如，具有每分鐘2℃的設(shè)定點和1度間隙的控制系統(tǒng)將僅在測量變量和設(shè)定點之間的差大于間隙值時才對調(diào)節(jié)變量進行調(diào)整，該間隙值將等于具有1至3℃/分鐘的范圍的設(shè)定點。
在該實施例中的操縱變量是預(yù)冷卻的天然氣進料流105(或沿著進料流的任何其它位置)，mrl流142(或沿著mrl流的任何其它位置)的流速，和mrv流144(或沿著mrv流的任何其它位置)。本實施例中的監(jiān)測變量是在熱交換系統(tǒng)內(nèi)的一個或多個位置處的熱流和冷流之間的溫差，以及在熱交換系統(tǒng)內(nèi)的一個或多個位置處的溫度變化率。
雖然可以在熱交換系統(tǒng)中的任何位置處測量mche108的溫度，但是mche108的溫度通常在來自mche(lng流106)的進料的出口處或在出口處，然而，其可以在mche108中的一個或多個束的冷端處測量，或者在mche108內(nèi)的任何其它位置處測量。也可以在一個或多個管(例如mrv流144)處測量mrv壓力下降閥160側(cè)的流。溫度還可以取為在上述位置的組合處測量的平均值。然后將從溫度數(shù)據(jù)隨時間計算mche108的溫度的變化率。
預(yù)冷卻的天然氣進料流105的測量的流速經(jīng)由信號274發(fā)送到生產(chǎn)流量控制器271，生產(chǎn)流量控制器271將測量的流量與進料流量設(shè)定點sp1進行比較?？商鎿Q地，可以在不同的位置測量進料流的流速，例如在進料流100，在lng生產(chǎn)閥103之前的lng流106，或在lng生產(chǎn)閥103之后的lng流104。
在說明書和權(quán)利要求書中，當(dāng)溫度、壓力或流速被指定為測量感興趣的特定位置時，應(yīng)當(dāng)理解，實際測量可以在與下述的任何位置進行直接流體流動連通的任何位置進行：感興趣的位置，并且其中溫度或壓力或流速基本上與感興趣的位置相同。例如，圖1中的熱交換器的暖端處的制冷劑溫度253可以在熱交換器內(nèi)部(如圖所示)測量，或者在物流130、吸鼓150或流131中從殼側(cè)的出口流處測量，因為這些位置基本上處于相同的溫度。通常，在不同位置進行這樣的測量是由于不同的位置比感興趣的位置更方便訪問。
在該實施例中，存在影響進料流速設(shè)定點sp1，mche108溫度的變化速率和冷和熱mr流之間的溫度差的兩個主要因素。設(shè)定點sp2是mche108的冷端的優(yōu)選的溫度變化率。在初始啟動期間，溫度變化設(shè)定點sp2的速率優(yōu)選為每小時約5和20℃之間的值。在隨后的啟動(例如暖和冷重啟)期間，溫度變化設(shè)定點sp2的速率優(yōu)選地是每小時約20和30℃之間的值。兩個范圍旨在防止mche108上的過度的熱應(yīng)力。溫度變化設(shè)定點sp2的速率經(jīng)由設(shè)定點信號275發(fā)送到控制器270，控制器270將通過信號284發(fā)送的計算的溫度變化速率與速率的溫度變化設(shè)定點sp2。溫度變化率由時間導(dǎo)數(shù)計算器283產(chǎn)生，時間導(dǎo)數(shù)計算器283從信號276讀取mche108溫度并產(chǎn)生信號284?？刂破?70產(chǎn)生到生產(chǎn)超控控制器272的信號277，然后該信號277被積分以將變化率的進料流速到進料流速值(sp1)?？商鎿Q地，積分可以在控制器270中執(zhí)行，并且信號277被發(fā)送到生產(chǎn)超控控制器272。
在該實施例中，溫差設(shè)定點sp3是mr殼側(cè)流和冷束102b中管側(cè)流(優(yōu)選地，預(yù)冷卻的天然氣進料流105或mrv流143)之一之間的溫差。溫度差設(shè)定點sp3優(yōu)選小于30℃，更優(yōu)選小于10℃。溫差設(shè)定點sp3經(jīng)由設(shè)定點信號281被發(fā)送到控制器282，控制器282將溫差設(shè)定點sp3與由信號295和299提供的測量值之間的差進行比較。溫度差由減法計算器273確定其在給定的時間點(通過信號295提供)從在同一時間點(通過信號299提供的)的mr外殼側(cè)流的測量溫度中減去測量的mr管側(cè)流的溫度。用于提供mr管側(cè)流的溫度和mr殼側(cè)流的溫度的溫度傳感器優(yōu)選地位于冷區(qū)域119b中，更優(yōu)選地，位于冷束102b的熱端處。在其它實施例中，它們可以位于暖束102a的熱端或mche108內(nèi)的任何其它位置，優(yōu)選地，兩個溫度均取自與mche108的暖端或冷端108a、108b大致相同的距離。
控制器270和282各自產(chǎn)生到生產(chǎn)超控控制器272的信號277、280，其確定生產(chǎn)(進料流速)設(shè)定點sp1。在該實施例中，生產(chǎn)忽略控制器272是高選擇邏輯計算器，其確定由兩個信號280和277指示的較大值的饋送流率值。例如，如果信號277是較高值，則高選擇邏輯計算器將使用信號277的值來確定進給流量設(shè)定點sp1的值。高選擇邏輯計算器的配置不限于這里討論的具體實施例，因為其可以通過執(zhí)行該邏輯計算的其他已知方法來完成。
產(chǎn)流量控制器271然后將進給流量設(shè)定點sp1與測量的進給流量進行比較，如信號274所示，并且發(fā)送控制信號mv1以對生產(chǎn)控制閥103的位置進行任何必要的調(diào)整。例如，如果測量的進料流流速低于進料流設(shè)定點sp1所指示的值，則控制信號mv1將進一步打開生產(chǎn)控制閥103以增加流量。
獨立于上述進料流速調(diào)節(jié)邏輯，基于預(yù)定的斜率，在起動期間制冷劑的流速增加。在該實施例中，mrv流的流量以預(yù)定的斜坡率增加并且被稱為mrv斜坡率設(shè)定點sp4。測量的mrv流速通過信號287發(fā)送到mrv流量控制器296，mrv流量控制器296將其與在297處通過隨時間積分斜坡速率設(shè)定點sp4計算的mrv流量設(shè)定點286進行比較，并且如果有任何調(diào)整，應(yīng)該經(jīng)由控制信號mv2到達mrv流量控制閥160，以使實際mrv流量與mrv流量設(shè)定點sp4一致。通過使用時間積分計算器297積分信號279來確定在給定時間點的期望mrv流率，其產(chǎn)生信號286。
mrv斜坡率設(shè)定點sp4優(yōu)選地設(shè)定為在從啟動過程開始的6和8小時之間實現(xiàn)在正常操作期間mrv流速的20％和30％之間的mrv流速。在該實施例中，mrv斜坡率設(shè)定點sp4保持恒定值，使得到mrv流量控制器296的mrv流量設(shè)定點286隨時間線性增加。然而，如果認為有幫助，則可以在啟動過程的持續(xù)時間上調(diào)整mrv斜坡率sp4。例如，在暖啟動或暖重啟中，mrv斜坡率設(shè)定點sp4可以設(shè)置為比在冷重啟中更高的值，因為在暖啟動情況下的mrv最初是氣相。
在該實施例中，基于mrl/mrv流速和暖束102a中mr殼側(cè)流與管側(cè)流之一之間的溫度差的比率，基于高選擇邏輯計算而設(shè)置mrl流速。
mrv流速經(jīng)由信號287發(fā)送到計算器289，計算器289將mrv流速乘以mrv/mrl比設(shè)定點sp10(經(jīng)由信號285發(fā)送)。計算的結(jié)果表示mrl流速(直接地或根據(jù)閥161的位置)。優(yōu)選地，mrl/mrv流量比設(shè)定點sp10被保持在固定值，使得溫?zé)崾屠涫韵喈?dāng)?shù)乃俾世鋮s。在啟動期間的mrl/mrv流量比應(yīng)該優(yōu)選地低于正常操作期間的mrl/mrv流量比。對于該實施例，其是c3-mr液化過程，對于初始啟動或暖啟動，該比率優(yōu)選地在0和2之間，并且對于冷重啟優(yōu)選地在0和1之間。
溫度差設(shè)定點sp5經(jīng)由設(shè)定點信號256發(fā)送到控制器257，控制器257將溫度差設(shè)定點sp5與由信號253和252提供的測量值之間的差進行比較，并產(chǎn)生信號258。通過減法計算器254確定溫度差，該減法計算器254從通過信號253提供的mr殼側(cè)流的測量溫度中減去mr管側(cè)流(通過信號252提供)的測量溫度，并將該差提供給控制器257用于提供mr管側(cè)流的溫度和mr殼側(cè)流的溫度的溫度傳感器優(yōu)選地位于溫區(qū)119a中，更優(yōu)選地，位于溫區(qū)段的熱端102a。在啟動期間，溫度差設(shè)定點優(yōu)選不大于15℃，更優(yōu)選不大于10℃。
來自計算器289的信號292和來自控制器257的信號258被發(fā)送到mrl低選擇器290。mrl低選擇器290基于低選擇邏輯計算確定控制輸入，并使用兩者的較低值作為mrl流控制器288經(jīng)由信號294的設(shè)定點。例如，如果由信號258指示的流速低于信號292的流速，則mrl低選擇器290將選擇由信號258表示的值以經(jīng)過信號發(fā)射。mrl流量控制器288將信號294與當(dāng)前mrl流量(信號293)進行比較，并且經(jīng)由控制信號mv3對mrl流量控制閥161進行任何必要的調(diào)整。
在替代實施例中，mrl流速可以根據(jù)恒定斜率(即，mrl流速設(shè)定點)而不是基于mrv/mrl比控制來上升。在這樣的實施例中，設(shè)定點sp10將是流量斜坡速率，并且計算器289是將斜坡率設(shè)定點轉(zhuǎn)換為mrl流量信號292的積分器。基于由信號292給出的流量和熱和冷流溫度差控制器257所要求的流量，mrl流量控制器288的mrl流量設(shè)定點將基于高選擇邏輯計算來確定?？梢栽谌魏挝恢脺y量mrv和mrl流量，例如mche108的上游或制冷劑控制閥160、161的上游(如圖1所示)，或在mche108內(nèi)的位置。
這些布置的顯著益處是其允許進料天然氣流速獨立于制冷劑流之一的流速而變化。制冷劑流量以預(yù)定的斜坡速率變化，同時調(diào)節(jié)進給天然氣流量以便以期望的速率冷卻mche108并防止mche108上的熱應(yīng)力。
圖3示出了應(yīng)用于c3mr液化設(shè)施的本發(fā)明的另一方面。該圖中所示的操縱變量可以包括mr壓縮機速度、入口導(dǎo)葉開度、mr抗喘振回收閥開度、制冷劑組成和mr的每個主要部件的補充率。這些變量可以一起或單獨操縱。
mr壓縮機速度、入口導(dǎo)葉開度、mr抗喘振再循環(huán)閥開度都優(yōu)選地通過常規(guī)壓縮機控制系統(tǒng)300來設(shè)置和調(diào)節(jié)，常規(guī)壓縮機控制系統(tǒng)300通常用于c3mr液化設(shè)備中以控制壓縮機系統(tǒng)的操作普通手術(shù)。壓縮機控制系統(tǒng)300的一個功能是保持壓縮機151、154、157遠離抗喘振極限?！按瘛北欢x為通過每個壓縮機151,154,157的流量低于允許穩(wěn)定的壓縮機操作所需的流量的條件?？勾駱O限定義為與浪涌的最小可接受距離，例如10％。在一些實施例中，mr壓縮機速度和/或入口導(dǎo)向葉片打開可能是不可調(diào)節(jié)的，使得mr防喘振再循環(huán)閥打開作為唯一變量被操縱以保持壓縮機151、154、157在抗喘振極限之上操作。
在該實施例中，除了本文具體描述的之外，壓縮機控制系統(tǒng)300的控制邏輯將以與正常操作期間相同的方式操作。因此，不為壓縮機控制系統(tǒng)300提供控制邏輯圖。
在圖3中示出了示例性的一組控制信號。信號315指示通過再循環(huán)流330的mr的流率，信號311指示壓縮機151的出口處的壓力，并且信號313指示在壓縮機151的出口處的壓力。控制信號314控制再循環(huán)閥343的位置，其由再循環(huán)閥設(shè)定點確定?？刂菩盘?10控制壓縮機151運行的速度，其由壓縮機速度設(shè)定點確定。控制信號312控制入口葉片的位置，其由入口葉片設(shè)定點確定。應(yīng)當(dāng)理解，對于壓縮機154、157，再循環(huán)閥344、345和再循環(huán)流333、335提供相同的控制信號組。此外，可以使用不同的控制配置。
打開制冷劑再循環(huán)閥343、344、345各自有助于保持壓縮機151、154、,157中的相應(yīng)一個通過mr的一部分的再循環(huán)而喘振。在mche108冷卻之前，制冷劑再循環(huán)閥343,344和345通常至少部分地打開。循環(huán)閥開口通常由壓縮機控制系統(tǒng)300確定以保持壓縮機喘振，并且在mche冷卻期間通常與在正常操作期間相同。然而，可以在mche108冷卻期間調(diào)節(jié)與喘振的最小可接受距離的設(shè)定點，以通過增加壓縮比和增壓排氣壓力來維持期望的制冷能力。例如，如果mche108冷卻速率相對較低，則可以減少循環(huán)閥打開以增加壓縮比和排出壓力，并因此增加冷卻速率。壓縮比是每個壓縮機151、154、157的出口與入口壓力的比率。
如果壓縮機151、154、157是變速壓縮機，則壓縮機控制系統(tǒng)300可以一起或單獨地具有用于壓縮機151、154、157的速度的設(shè)定點。壓縮機速度設(shè)定點可以在整個mche108冷卻過程中保持恒定，或者可以在冷卻過程期間進行調(diào)節(jié)。例如，如果期望mche108冷卻速率難以維持，則可以增加壓縮機速度設(shè)定點以增加壓縮比，并且因此幫助實現(xiàn)期望的mche108冷卻速率。壓縮機入口導(dǎo)葉(未示出)的位置(如果存在)可以以與壓縮機速度類似的方式調(diào)節(jié)。
對于mr制冷劑系統(tǒng)，可能需要在啟動期間調(diào)整mr組成。這尤其與其中尚未在系統(tǒng)中建立所有制冷劑組分的庫存的初始啟動情況相關(guān)。相反，在已經(jīng)存在所有制冷劑組分的溫暖或冷重啟期間，mr組合物可能不需要調(diào)整。
圖3示出了甲烷補充流353，氮補充流352，乙烷補充流351和丙烷補充流350，其中閥317、319、322和325調(diào)節(jié)每個相應(yīng)的流量流。也可以存在額外的組分補充料流。圖4示出了用于補充流的示例性控制邏輯。
mr中的甲烷組成對低壓氣態(tài)mr流130的壓力具有影響。當(dāng)mche108冷卻下來時，低壓氣態(tài)mr流130的壓力以及抽吸鼓中的壓力150減少。為了保持吸入壓力，可以將甲烷裝入低壓吸鼓150.測量該吸鼓150的壓力，并通過信號316發(fā)送到壓力控制器302。壓力控制器302將測量的壓力與mr壓力設(shè)定點sp6，其通過控制信號301提供給壓力控制器302.mr壓力設(shè)定點sp6優(yōu)選地是在1巴(15psia)和5巴(73psia)之間的值，更優(yōu)選地，值在2巴(29psia)和3巴(44psia)之間。
壓力控制器302將甲烷補充速率設(shè)定點信號318發(fā)送到甲烷補充流量控制器303。甲烷補充流量353的測量的流量通過信號320發(fā)送到甲烷補充流量控制器303。然后，甲烷補充流量控制器303經(jīng)由控制信號mv4控制甲烷補充閥317的打開，以將甲烷補充流量維持在由信號318給出的設(shè)定點。
在冷卻過程期間，通常不需要氮氣，直到mche108的冷端108b達到相對低的溫度，例如-120℃。隨著圖1的mrv流量控制閥160兩端的溫差減少，可能需要氮氣補充來完成冷卻過程。將氮氣流量設(shè)定點和氮氣補充流352的測量流量分別經(jīng)由信號334和326發(fā)送到氮氣流量控制器305。氮氣流量控制器305然后經(jīng)由控制信號mv7調(diào)節(jié)氮補償閥319的開度。氮氣補充設(shè)定點sp9通常設(shè)定為使得足以在約1至2小時內(nèi)將系統(tǒng)中的氮含量從0％增加至10％。
存在影響由信號326傳遞的補充流速的幾種工藝條件。在該實施例中，存在影響氮補充流速的四種工藝條件：(1)殼側(cè)與在mche108的冷端108b處(由信號285傳輸)的管側(cè)mr流優(yōu)選地小于預(yù)定度數(shù)(例如10℃)；(2)抽吸鼓150處的抽吸壓力(信號316)優(yōu)選地小于預(yù)定壓力(例如，5巴)；(3)mche108的冷端108b的溫度(信號276)優(yōu)選地小于預(yù)定溫度(例如，-120℃)；和(4)mche108的冷卻速率(信號284)優(yōu)選地小于預(yù)定的溫度變化速率(例如，每小時25度)。這些條件單獨使用或組合使用以確定過程條件輸入信號327。
這四個工藝條件在圖1中示意性地示出為單個輸入。計算器328基于氮氣補充設(shè)定點sp9和經(jīng)由信號327接收的數(shù)據(jù)產(chǎn)生設(shè)定點信號326.所執(zhí)行的計算將取決于正在監(jiān)測哪些工藝條件。在該實施例中，如果不滿足上述四個工藝條件中的任一個，則氮補充率(設(shè)定點信號326)為零。如果滿足所有四個過程條件，則計算器328將信號326設(shè)置為等于信號304.在其他實施例中，過程條件可以具有不同的值和/或可以使用更少的過程條件。例如，可以僅基于將mche108的冷端108b的溫度(信號276)維持在預(yù)定溫度以下來設(shè)定氮補充率。
通過分別打開乙烷補充閥322和丙烷補充閥325將乙烷和丙烷組分補充到系統(tǒng)中。這些組分的組成對mr壓縮機的排放壓力具有直接影響，這又影響可以實現(xiàn)的mche108冷卻速率。乙烷和丙烷組分可以獨立地或一起組成。乙烷補充設(shè)定點sp7經(jīng)由控制信號306被發(fā)送到乙烷流量控制器307.乙烷流量控制器307調(diào)節(jié)乙烷補充閥322的開度。類似地，將丙烷補充設(shè)定點sp8經(jīng)由信號308送到流量控制器309，其調(diào)節(jié)丙烷補充閥325的打開。通常選擇乙烷和丙烷補充設(shè)定點sp7、sp8，使得足以在mr分離器159中積累顯著的液位在5-6個小時。
這些組分可以以預(yù)定速率配制，直到氣-液分離器159中的液位達到所需值，諸如30％(優(yōu)選在20％和60％之間，更優(yōu)選在25％和35％之間)。信號329將液位從氣-液分離器159中的傳感器(未示出)傳送到計算器336和331，計算器336和331基于乙烷和丙烷補充設(shè)定點sp7、sp8和經(jīng)由信號329接收的數(shù)據(jù)而確定乙烷和丙烷流速設(shè)定點信號323、324。例如，如果液位測量329小于30％，則計算器331和336將它們各自的輸出信號323和324分別設(shè)置為等于信號306和308。如果液位測量329高于30％，則計算器331和336將它們各自的輸出信號323和324設(shè)置為零。控制器307、309將乙烷和丙烷設(shè)定點信號323、324與信號321、332(分別表示乙烷和丙烷流速)進行比較，并且產(chǎn)生分別確定閥322、325的位置的控制信號mv5和mv6。
雖然圖1-4和上面的相關(guān)描述涉及c3mr液化循環(huán)，但是本發(fā)明可應(yīng)用于任何其它制冷劑類型，包括但不限于兩相制冷劑、氣相制冷劑、混合制冷劑、純組分制冷劑(例如氮氣等)。此外，其潛在地用于在用于lng設(shè)備中使用的任何服務(wù)的制冷劑中，包括預(yù)冷卻、液化或過冷卻。本發(fā)明可以應(yīng)用于利用包括smr、dmr、氮氣膨脹器循環(huán)、甲烷膨脹器循環(huán)、ap-x、級聯(lián)和任何其它合適的液化循環(huán)的任何工藝循環(huán)的天然氣液化設(shè)備中的壓縮系統(tǒng)。
在氣相氮膨脹器循環(huán)的情況下，制冷劑是純氮，因此不需要重質(zhì)mr組分補充控制器。氮制冷劑流量可以根據(jù)預(yù)定速率上升。進料流速可以獨立變化以防止交換器上的熱應(yīng)力。氮壓縮機的吸入壓力可以通過添加氮來維持，類似于在c3mr循環(huán)中構(gòu)成甲烷的方式。
示例
前述代表了本發(fā)明中冷卻方法模擬應(yīng)用于圖1-4所示的c3mr系統(tǒng)的熱初始重新啟動和冷重啟的示例。暖初始重新啟動通常在工廠在建造之后首次啟動時或在工廠在延長的停機時間之后重新啟動時執(zhí)行，在此期間整個制冷劑系統(tǒng)已經(jīng)完全清除庫存。在c3-mr系統(tǒng)的情況下，mche處于預(yù)冷卻溫度(例如，-35至-45℃)，并且mr回路充滿甲烷，可能有一些殘留的重組分。冷重啟通常在設(shè)備操作已經(jīng)停止較短時間之后執(zhí)行。冷重啟與初始mche溫度曲線和初始mr清單中的暖初始重啟不同。對于冷重啟，盡管mche108的熱端108a的溫度等于預(yù)冷卻溫度，但冷端溫度可以是在預(yù)冷卻溫度和正常操作溫度之間的任何值(例如，-160℃)。此外，在冷重啟中，存在已建立的mr庫存，包括hpmr分離器中的一些液體。
在圖7所示的示例中，模型化的mche設(shè)計為每年生產(chǎn)500萬噸標準lng(mtpa)。基于項目特定過程和設(shè)備設(shè)計信息來開發(fā)用于自動冷卻控制器的預(yù)定設(shè)定點。在兩個示例中，壓縮機速度保持恒定，并且與喘振的距離為5％。執(zhí)行嚴格的動態(tài)模擬以評估冷卻過程。
圖5和圖6示出了從動態(tài)模擬獲得的mche冷端溫度作為時間的函數(shù)，并與預(yù)期的手動冷卻操作進行比較?？梢允褂?個度量來評估冷卻過程：
1.保持約25℃/小時的平均冷卻速率；
2.保持穩(wěn)定的冷卻速率(冷卻速率的低標準偏差)；
3.減少mr冷凝時的快速降溫；
4.盡量減少不合格液化天然氣的火炬；和
5.避免mche“淬火”(制冷的極端過剩)。
使用上述五個度量將自動冷卻結(jié)果與手動操作進行比較，如圖8所示。
從這些結(jié)果可以看出，自動冷卻方法有效地以更少的溫度漂移實現(xiàn)期望的冷卻速率并減少浪費的燃燒。當(dāng)mr冷凝并避免mche猝滅現(xiàn)象時，該方法還可以幫助減輕突然的溫度下降。
已經(jīng)根據(jù)優(yōu)選實施例及其替代實施例公開了本發(fā)明。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的預(yù)期精神和范圍的情況下，設(shè)想來自本發(fā)明的教導(dǎo)的各種改變、修改和變更。意圖是本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求的術(shù)語限制。
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