專利名稱：混合冷凍劑液化天然氣設備中的生產(chǎn)和溫度調(diào)節(jié)控制方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及液化天然氣(LNG)生產(chǎn)的控制系統(tǒng)領域，具體地說，涉及LNG生產(chǎn)和LNG溫度的控制方法和系統(tǒng)。
應用多組分冷凍劑的天然氣液化系統(tǒng)全世界都在使用。在整個工業(yè)中都用多組分冷凍劑方法和冷凍設備，對于有效地操作裝置，LNG生產(chǎn)過程的控制是很重要的，特別是在想從一固定裝置得到逐漸增長的產(chǎn)量或想調(diào)整外部過程干擾時。世界上應用混合冷凍劑方法的許多基本負荷LNG裝置是人工控制的，或控制僅僅滿足關鍵控制項目的子系統(tǒng)。
對LNG裝置的操作來說，同時并獨立控制LNG產(chǎn)量和溫度是重要的。通過固定和保持LNG產(chǎn)量，裝置操作者可以適當?shù)卦O計并實現(xiàn)產(chǎn)品發(fā)貨計劃要求的生產(chǎn)水平。將離開主冷凍換熱器的LNG溫度保持在一特定范圍內(nèi)對下游加工和防止下游設備問題是很重要的。一旦實現(xiàn)了對關鍵變量的調(diào)節(jié)控制，就可以適當執(zhí)行優(yōu)化對策。然而，如果調(diào)節(jié)控制不合適，即使是經(jīng)常性的操作也會受到不利的影響。
現(xiàn)有技術的一種控制系統(tǒng)是基于1989年2月28日授予查爾斯牛頓(Charles Newton)的美國專利4,809,154的設想，其題目為“多組分冷凍系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)”，已由本文列為參考，該控制系統(tǒng)用于控制主冷凍換熱器/混合冷凍劑環(huán)路系統(tǒng)。美國專利號4,809,154中推薦的控制對策作為其目的應實現(xiàn)單位能耗的最高產(chǎn)量。冷凍能力是通過設定低壓和高壓多組分或混合冷凍劑(MR)壓縮機的速度，并通過用MR補充閥和高壓分離器的通風和排泄閥調(diào)節(jié)MR的總含量和組成來確定的。壓縮機速度、補充閥以及通風和排泄閥由操作者在必要時加以調(diào)節(jié)，但這些不是自動調(diào)節(jié)控制對策的一部分。調(diào)節(jié)控制對策由三個主要反饋環(huán)路組成。調(diào)節(jié)一冷JT閥以反饋控制MR壓縮機兩端之間的壓縮比。調(diào)節(jié)一熱JT閥以反饋控制重質(zhì)MR(混合冷凍劑液或稱MRL)對輕質(zhì)MR(混合冷凍劑汽或稱MRV)的比率。LNG排出溫度的控制是由LNG排出閥完成的。


圖10是現(xiàn)有技術中混合冷凍劑液化天然氣裝置40的級聯(lián)控制系統(tǒng)流程示意圖，也標明一些傳感器的位置。如圖10所示，MR LNG裝置40包括一天然氣輸入進給管路10，天然氣流經(jīng)閥12至一換熱器14。在換熱器14中冷卻后，LNG在管路11處是作為出口物流由焦耳-湯姆遜(JT)LNG排出閥30提供的。在換熱器14中通過使用具有MR的封閉冷凍環(huán)路換熱過程使天然氣冷卻。MR包括一汽組分MRV和一液組分MRL。在LNG裝置中的液化方法和LNG裝置中實施這一方法的部件是眾所周知的，并被詳細地描述在1973年10月9日授予小李S.高沫(LeeS.Gaumer,Jr)等人的美國專利號3,763,658中，其題目是“聯(lián)合級聯(lián)和多組分冷凍系統(tǒng)和方法”，本文已列入?yún)⒖肌?br> 經(jīng)管路10提供到換熱器14中的天然氣，在提供到液化過程的多組分冷凍部分之前，可以首先經(jīng)過包括至少一個單組分冷凍循環(huán)分離和處理過程的加工。在該初次加工中，天然氣可以在28kg/cm2a和70kg/cm2a之間的壓力下由一氣源來提供，其常用值為約49kg/cm2a。這一壓力是由系統(tǒng)對分離重質(zhì)烴、雜質(zhì)、水或其它不必要化合物的要求而確定的。然后使天然氣由第一單組分換熱過程冷卻到第一個溫度，這一溫度通常約為環(huán)境溫度(21℃)。在冷卻天然氣時，使用一相分離器來除去冷凝水，然后將天然氣流進給到一個或多個干燥器以除去額外的水分。
那時使干燥的天然氣流在第二個換熱過程中進一步冷卻到約-1℃，然后提供到洗滌塔或其它類似的裝置以除去苯和其它重質(zhì)烴。然后將來自洗滌塔的天然氣流在第三個換熱過程中進一步冷卻到約-35℃，并在那時供給使用多組分冷凍循環(huán)的雙區(qū)換熱器14。
參看圖10，當天然氣流經(jīng)一雙區(qū)換熱器14時發(fā)生液化過程。來自分離和加工過程的天然氣從進給管路10由進氣閥12進入雙區(qū)換熱器14，并向上在換熱器14的一熱管束110處通過管路114。管路114中的天然氣通過在管路上方由噴嘴集管124向下噴出的MR逆流流動而被冷卻。天然氣在管路114中流動，該管路包含在熱管束110內(nèi)，這是第一區(qū)，在換熱器殼122內(nèi)。天然氣進給流流入冷管束112，這是第二區(qū)，向上通過管路115，由從噴嘴集管126流出的MR第二個逆流流動使其冷卻。
MR可以是一由氮、甲烷、乙烷和丙烷組成的混合物，被用來在換熱器114的殼122內(nèi)提供冷凍作用。眾所周知，在換熱器14內(nèi)MR可以作為液體和作為蒸汽來提供。由于MR在換熱器的殼壁上蒸發(fā)，使天然氣和MR之間進行有效的熱交換。
液化過程的多組分封閉冷凍環(huán)路包括兩級壓縮機，一低壓級壓縮機34和一高壓級壓縮機32。低壓級壓縮機34容置來自換熱器14的MR，并將MR壓縮，然后將壓縮MR輸送到高壓級壓縮機32中。低壓級壓縮機可以包括一換熱過程，例如由一個后冷卻器提供。高壓級壓縮機32在規(guī)定的壓力下壓縮并提供MR，也可以通過一后冷卻器提供一些局部熱交換過程。來自低壓級壓縮機34的壓縮MR通常約為3.2kg/cm2a，來自高壓級壓縮機32的壓縮MR通常約為49kg/cm2a，而且是在約77℃溫度下提供。
來自高壓級壓縮機32的壓縮MR輸送到另一具有一個或多個單組分換熱器128的換熱過程中。通常將丙烷用作單組分冷凍劑。在49kg/cm2a下的MR通過換熱過程通常被冷卻到-35℃，但是在LNG裝置中使用的溫度和壓力是變化的，并取決于該系統(tǒng)中規(guī)定的MRL對MRV的比率。
然后將來自換熱器128的壓縮而冷卻的MR供給分離器42，使MR分離成管路13中的MRV流和管路15中的MRL流。此后，MR必須預冷卻到大體上低于水的凍點一溫度，優(yōu)選約為-18至-73℃。接著使經(jīng)管路15來自分離器42的MRL流過換熱器14的熱管束110區(qū)以冷凍管路118中的MRL。從管路118流向噴嘴集管124的MRL的流量可以通過熱JT閥18加以調(diào)節(jié)。經(jīng)管路13來自分離器42的MRV也被提供給換熱器14的熱管束110區(qū)以冷凍管路116中的MRV。然后使MRV提供給管路117中的冷管束112，從管路117流向噴嘴集管126的MRV的流量可以通過冷JT閥16加以調(diào)節(jié)。管路中MRV和MRL的冷卻是以類似于管路114和115中天然氣流使用逆流MR方式來完成的，這在前面已描述過了。
管路118中的MRL在換熱器14中被再冷卻到一溫度約為-112℃的，并使該再冷卻MRL在熱JT閥18中膨脹到一壓力約為3.5kg/cm2a，因此，一部分閃蒸成蒸汽，其溫度則下降到約為-118℃。然后使液體和閃蒸的蒸汽通過噴嘴集管124噴射到熱管束110中。
管路116中的MRV還在將其冷凝的換熱器14中被再冷卻，然后被提供給冷管束112中的第二管路117，其中冷凝的MRV被再冷卻到約-168℃。這一再冷卻液體餾分在冷JT閥16中膨脹到一壓力約為3.5kg/cm2a，因此，一部分被閃蒸成汽。液體餾分和閃蒸的蒸汽那時通過噴嘴集管126被噴射到冷管束112中。
從管路上方向下流動的過程中，由于與天然氣進給流進行熱交換，以及在換熱器14中與向上流動的MRL和MRV熱交換，使MR被蒸發(fā)。其結(jié)果是所有MRL和液體餾分在換熱器14底部以蒸汽相的形式再混合，使蒸汽返回低壓級壓縮機34的吸入側(cè)。使MR經(jīng)管路120返回到壓縮機32和34進行壓縮，接著冷卻和分離。
冷凍能力可以通過設定低壓和高壓級混合冷凍劑壓縮機34和32的速度，以及通過用MR補充閥100、101、102和103調(diào)節(jié)MR的總含量和組成；加上高壓分離器的通風和排泄閥(未示出)來確定。壓縮機速度、補充閥位置以及通風和排泄閥均由操作者在必要時加以調(diào)節(jié)。
現(xiàn)有技術有三個反饋環(huán)路。
現(xiàn)有技術的第一反饋環(huán)路通過使用溫度指示控制器(TIC)26和流量指示控制器(FIC)28的級聯(lián)控制來控制LNG排出溫度。通過TIC26測定來自換熱器14的LNG出口物流的溫度，并與調(diào)整點值SPI比較，提供所需的流量控制信號以將當前溫度調(diào)節(jié)到規(guī)定溫度。FIC28測定當前LNG流量，并將該流量與來自TIC26的規(guī)定流量信號比較，相應調(diào)節(jié)LNG排出閥30。
在第二反饋環(huán)路中，調(diào)節(jié)熱JT閥18以反饋控制重質(zhì)MR(混合冷凍劑液或稱MRL)對輕質(zhì)MR(混合冷凍劑汽或稱MRV)的比率。熱JT閥18由一流量比控制器(FRC)22調(diào)節(jié)到離線確定的調(diào)整點值(SP2)，該控制器將MRL對MRV的MR流量比(由流量指示器20測定)與由除法器24計算得到的MRL/MRV比進行比較。
在第三反饋環(huán)路中，通過一壓縮比控制器(CRC)39調(diào)節(jié)冷JT閥16以反饋控制MR兩級壓縮機32和34兩端之間的壓縮比。CRC39使用同樣是離線確定的調(diào)整點值SP3產(chǎn)生反饋信號，而壓縮機的壓力則用壓力指示器(PIs)38讀出。
通過改變LNG排出閥30的位置來調(diào)節(jié)LNG溫度，LNG產(chǎn)物流量直接受到影響，所以使用這種方案在其所需的調(diào)整點上單獨調(diào)節(jié)流量和溫度是不可能的。LNG產(chǎn)量仍然是“浮動的”，而理想的產(chǎn)量則是以間接方式獲得的。通過改變調(diào)整點SP2、SP3，或由操作者改變壓縮機速度、MR組成或含量，來改變FRC22的流量比控制信號或CRC39的壓縮比控制信號，從而確定冷凍能力。為了將生產(chǎn)溫度保持在一規(guī)定的范圍內(nèi)，TIC26使LNG產(chǎn)量浮動以與所提供的冷凍匹配。
最近，為改進基本負荷LNG方法的控制所作的努力一直保持以美國專利4,809,154的控制對策作為根本方案。例如，美國專利5,139,548公開了一種前饋控制方案以調(diào)節(jié)環(huán)境空氣溫度的變化，該方案是重疊在老方案上的。
一種控制液化天然氣(LNG)出口物流生產(chǎn)的方法和設備，此時通過冷凍流過液化過程的天然氣，液化過程包括(a)測定LNG出口物流的溫度和流量；(b)改變天然氣的冷凍以調(diào)節(jié)LNG出口物流的溫度值和(c)單獨調(diào)節(jié)流過該過程的LNG流量。在這一方式中，LNG出口物流的流量保持在預定流量值，而溫度則被保持在預定的溫度值。
另一實施例包括改變提供冷凍的壓縮機相關值以調(diào)節(jié)LNG出口物流的溫度值。
再一實施例包括改變提供冷凍的混合冷凍劑值以調(diào)節(jié)LNG出口物流的溫度值。
通過下面的詳細描述，結(jié)合這些附圖，本發(fā)明的這些以及其它特征和優(yōu)點將會更加明顯，其中圖1是本發(fā)明典型實施例的一般混合冷凍劑液化天然氣裝置工藝的流程示意圖。
圖2是說明本發(fā)明以速度控制為基礎典型實施例的高級基本反饋控制的框圖。
圖3是一般混合冷凍劑液化天然氣裝置的流程示意圖，圖中標明圖2所示以速度為基礎的控制系統(tǒng)傳感器的位置。
圖4是說明本發(fā)明以再循環(huán)為基礎典型實施例的高級基本反饋控制的框圖。
圖5是一般混合冷凍劑液化天然氣裝置的流程示意圖，圖中標明圖4所示以再循環(huán)為基礎的控制系統(tǒng)傳感器的位置。
圖6A是說明在LNG流量調(diào)整點方案中以4％逐步減少時LNG流量控制對時間關系的曲線圖。
圖6B是說明在LNG流量調(diào)整點方案中以4％逐步減少時LNG溫度控制對時間關系的曲線圖。
圖6C是說明在LNG流量調(diào)整點方案中以4％逐步減少時LNG壓縮機速度控制對時間關系的曲線圖。
圖6D是說明在LNG流量調(diào)整點方案中以4％逐步減少時由熱JT閥位的控制作用對時間關系的曲線圖。
圖7A是說明在LNG流量調(diào)整點方案中以4％逐步增加時LNG流量控制對時間關系的曲線圖。
圖7B是說明在LNG流量調(diào)整點方案中以4％逐步增加時LNG溫度控制對時間關系的曲線圖。
圖7C是說明在LNG流量調(diào)整點方案中以4％逐步增加時由熱JT閥位和冷JT閥位的控制作用對時間關系的曲線圖。
圖7D是說明在LNG流量調(diào)整點方案中以4％逐步增加時換熱器殼溫對時間關系的曲線圖。
圖7E是說明在LNG流量調(diào)整點方案中以4％逐步增加時壓縮機速度控制對時間關系的曲線圖。
圖8A是說明在LNG流量調(diào)整點方案中，在每分1％處，以35％等變地減少時LNG流量控制對時間關系的曲線圖。
圖8B是說明在LNG流量調(diào)整點方案中，在每分1％處，以35％等變地減少時LNG溫度控制對時間關系的曲線圖。
圖8C是說明在LNG流量調(diào)整點方案中，在每分1％處，以35％等變地減少時低壓和高壓壓縮機速度對時間關系的曲線圖。
圖8D是說明在LNG流量調(diào)整點方案中，在每分1％處，以35％等變地減少時由熱JT閥位的控制作用對時間關系的曲線圖。
圖9A是說明對伺服變化和排除干擾保持調(diào)整點方案時LNG流量控制對時間關系的曲線圖。
圖9B是說明對伺服變化和排除干擾保持調(diào)整點方案時LNG溫度控制對時間關系的曲線圖。
圖10是現(xiàn)有技術中一般混合冷凍劑液化天然氣裝置的流程示意圖，圖中標明級聯(lián)控制系統(tǒng)的傳感器位置。過程簡介圖1中示有一雙區(qū)換熱器210，該換熱器包括一熱區(qū)212和一冷區(qū)214，在圖1中每個區(qū)都用點劃線劃出。換熱器可以是任何一種現(xiàn)有技術中已知的使兩種流體間有可能間接熱交換的。這樣的換熱器可以是板式和片式換熱器，管式和殼式換熱器，包括盤管式換熱器，或任何其它使流體，如天然氣流和冷凍劑流之間有可能間接熱交換的類似裝置。天然氣可以通過換熱器向上、向下或水平流動。因此，盡管如圖1所示經(jīng)換熱器210流動是水平的，不應認為是一種限制，因為流動可以是垂直向上或向下，這通常取決于所選擇的特定換熱器種類。
在圖1的方案中，天然氣經(jīng)天然氣輸入管路216引入換熱器210，天然氣經(jīng)換熱路徑218通過熱區(qū)212，此后經(jīng)換熱路徑220通過冷區(qū)214，最后，液化天然氣(LNG)經(jīng)LNG輸出管路222排出換熱器210，在輸出管路中包括一流量控制或減壓裝置224。這一流量控制或減壓裝置可以是能在管路中控制流量和/或減壓的任何合適裝置，例如可以是呈透平膨脹器、JT閥或兩者的結(jié)合形式，如平行設置的JT閥和透平膨脹器，這樣就能使用二者中任何一個或二者同時使用。
圖1中還示有一封閉冷凍環(huán)路226，也用點劃線劃出。如圖1所示，這一封閉冷凍環(huán)路基本上包括向封閉冷凍環(huán)路中引入多組分或混合冷凍劑的不同組分的輸入管路228和230。盡管在圖1中僅僅示有兩個獨立冷凍組分輸入管路，但本領域中的技術人員可以理解，實際上，多組分或混合冷凍劑可以包括三種、四種甚至五種不同組分，但為對本圖進行說明僅示出兩種。冷凍劑輸入管線228和230都分別含有閥232和234以控制引入到封閉冷凍環(huán)路中的各組分的量。多組分或混合冷凍劑是經(jīng)混合冷凍劑(MR)輸入管路236引入壓縮機238中的。來自壓縮機238的壓縮MR利用管路240進入冷卻器242，壓縮MR在那里被充分冷卻使其至少部分冷凝。冷卻器242可以是現(xiàn)有技術中任何一種已知的，壓縮MR氣可以相對于各種材料被冷凍，這些材料包括水、冷凍水和其它烴，如包括丙烷在內(nèi)的重質(zhì)烴。盡管只示出單一壓縮和冷卻段(238和242)，但本領域內(nèi)的技術人員可以理解，在這情況下可以很容易地使用有段間冷卻的多個壓縮段。為了易于說明，僅示出單一壓縮和冷卻段。
部分冷凝的MR經(jīng)管路244輸入到分離器246中，在那里被分離成液相和汽相。利用管路248從分離器246中排出MR液相(MRL)，并將其引入到換熱器210的熱區(qū)212。利用管路250從分離器246中排出MR汽相(MRV)，也被引入到換熱器210的熱區(qū)212。如圖所示，MRV經(jīng)換熱路徑252與熱區(qū)212的換熱路徑218中的天然氣同向流過熱區(qū)212。當然，應當理解，在另一換熱器結(jié)構(gòu)中，也可以反向流動。同樣，MRL流過熱區(qū)212中的換熱路徑254，其方向與天然氣流過換熱器210的熱區(qū)中的換熱路徑218方向相同。MRV繼續(xù)流過換熱器210的冷區(qū)214中的換熱路徑256，其方向與天然氣流過換熱器210的冷區(qū)214的換熱路徑220方向相同。
然后，利用管路258從換熱器210排出MRV，并通過流量控制或減壓裝置260，在那里管路258中的混合冷凍劑被減壓，導致MRV溫度下降。裝置260也可以是適合在管路中控制流量和/或減壓的任何裝置，例如呈透平膨脹器、JT閥或兩者的結(jié)合形式，如平行設置的JT閥和透平膨脹器，這樣就能使用二者中任何一個或二者同時使用。在離開裝置260后，降溫MRV經(jīng)管路262再次被引入到換熱器210，并通過換熱器210冷端214內(nèi)的換熱路徑264。通過換熱路徑264的流動方向與混合冷凍劑汽在換熱路徑256中的流動方向以及天然氣在換熱路徑220中的方向相反。
在流經(jīng)換熱器210的熱端212內(nèi)的換熱路徑254后，MRL利用管路264從換熱器210中排出，并通過流量控制或減壓裝置268，在那里，混合冷凍劑液被減壓，導致這些物料的溫度下降。如上所述裝置268可以是適合在管路中控制流量和/或減壓的任何裝置，例如可以是呈透平膨脹器、JT閥或兩者結(jié)合的形式，如平行設置的JT閥和透平膨脹器，這樣就能使用JT閥和透平膨脹器二者中任何一個或同時使用二者。在離開裝置268后，利用管路270將降溫MRL再次引入換熱器210，并與離開換熱路徑264的MRV物流混合，來自管線270和換熱路徑264的混合物流通過換熱路徑272，該路徑與換熱器210熱區(qū)212中的換熱路徑218、252和254有間接熱交換關系，混合物流流經(jīng)熱區(qū)212，其方向與天然氣通過換熱路徑218以及MR通過換熱路徑252和254的方向相反。通常，流經(jīng)換熱路徑272的混合冷凍劑物流在達到換熱路徑272的端部時被完全蒸發(fā)，利用管路274從換熱器210中排出蒸發(fā)的混合冷凍劑，并再次循環(huán)到封閉冷凍環(huán)路226內(nèi)的壓縮機238。
同樣地，換熱器210的冷區(qū)內(nèi)換熱路徑220、256和264也相互有間接熱交換關系。
如圖1所示，還有一與管路222相連接以測定管路222中流動的液化天然氣溫度的溫度傳感裝置276。同樣地，還有一個與管路222相連接的流量傳感裝置278測定管路222中液化天然氣的流量。溫度傳感裝置276產(chǎn)生一響應于管路222中LNG溫度的信號，該信號用來控制封閉冷凍環(huán)路226，如虛線280所示從溫度傳感裝置276延伸到封閉冷凍環(huán)路226點劃線范圍內(nèi)。流量傳感裝置278也產(chǎn)生一響應于管路222中LNG流量的信號，這一信號被傳送到流量控制裝置224，如管路282所示。通常在這種方式中，通過測定LNG出口物流中的溫度和流量，可以控制天然氣的冷凍以調(diào)節(jié)LNG出口物流的溫度，同時可以單獨控制LNG出口物流的流量，因此將LNG出口物流的流量和溫度保持在所需的水平。
更具體地說明本發(fā)明，虛線280的信號被傳送到壓縮機238，如虛線280延長部和件號281所示，以改變提供冷凍壓縮機的相關值，從而調(diào)節(jié)管路222的LNG出口物流溫度值。更具體地說，在這一配置中，壓縮機238調(diào)節(jié)封閉冷凍環(huán)路226中冷凍劑的流量和壓力，被改變的壓縮機值可以是一個或多個壓縮機速度、導葉角度或靜葉片位置，它(們)的作用是調(diào)節(jié)管路222的LNG出口物流溫度值。
其次，可以限定壓縮機238的一個操作范圍變動極限為基礎建立一預定的目標值，如與壓縮機238相連接的調(diào)整點1的裝置284所示，可將這一特定壓縮機值調(diào)節(jié)到相應的調(diào)整點。根據(jù)對壓縮機238選定值的調(diào)節(jié)，可改變與封閉環(huán)路226中冷凍劑再次循環(huán)相關的值，例如可以調(diào)節(jié)流量控制或減壓裝置268。這由連接壓縮機238與流量控制/減壓裝置268的虛線285所表明。
進一步說，可測定封閉冷凍環(huán)路226中冷凍劑的流量，例如通過使用流量傳感裝置286測定管路244中冷凍劑的流量，產(chǎn)生一響應于冷凍劑流量的信號，如虛線288所示，并將這一信號輸入到比率計算器290中。利用分線282將表示管路222中LNG流量的信號也輸入到比率計算器290中，如虛線283所示。調(diào)節(jié)如此形成的比率以控制封閉冷凍環(huán)路的操作，從而調(diào)節(jié)管路222中LNG出口物流的溫度值。來自這一裝置的比率信號由連接比率計算器290和封閉冷凍環(huán)路226的線292表示。
更具體地說，如圖1所示，當封閉冷凍環(huán)路226中的冷凍劑部分冷凝形成一冷凍劑液和一冷凍劑汽時，冷凍劑汽的流量由與管路250相連接的流量傳感裝置294測定，同時，液體冷凍劑物流的流量由與管路264相連接的流量傳感裝置296測定。在這樣一種操作方式中，表示液體冷凍劑流量的信號由流量傳感裝置296產(chǎn)生，并被傳送到流量控制裝置268中，如虛線298所示。同樣地，表示蒸汽冷凍劑流量的信號由流量傳感裝置294產(chǎn)生，并被傳送到流量控制裝置260中，如虛線300所示。這樣就可調(diào)節(jié)液體冷凍劑的流量以控制液體冷凍劑流量對蒸汽冷凍劑流量比率。同時，可調(diào)節(jié)蒸汽冷凍劑的流量以控制冷凍劑的總流量。通過這樣的操作，蒸汽冷凍劑流量的調(diào)節(jié)導致冷凍劑對LNG流量總比率的調(diào)節(jié)。當液體和蒸汽冷凍劑流量控制受到機械限制時，可改變封閉冷凍環(huán)路226中壓縮機的值以進一步調(diào)節(jié)LNG出口物流的溫度值。這由圖1中連接比率計算器290和壓縮機238的線292所示。
在一優(yōu)選的操作方式中，如線282所示，由流量傳感裝置278產(chǎn)生的并被傳送到流量控制/減壓裝置224的信號，可以與如調(diào)整點2的裝置302所示的預定值進行比較，可用裝置224調(diào)節(jié)管路222中的流量以使其與調(diào)整點2的裝置302所示的預定值一致。同樣地，表示管路222中LNG溫度的信號由溫度傳感裝置276產(chǎn)生，也可與連接到線280上的調(diào)整點3的裝置304所示的預定值比較。這可以用來調(diào)節(jié)由封閉冷凍環(huán)路226提供的冷凍作用，或在特定實施例中用來控制壓縮機238的一個變量，由此控制管路222中出口物流的溫度。
所以在本發(fā)明中，LNG溫度是通過調(diào)節(jié)冷凍作用來控制的，而LNG產(chǎn)量則是單獨控制的。以直接的方式設定LNG產(chǎn)量，調(diào)節(jié)冷凍作用使之與在給定LNG溫度和產(chǎn)量下的冷凍要求相匹配。這是一種與現(xiàn)有技術相反的方法。這些步驟包括(a)在管路11處測定LNG出口物流的溫度和流量；(b)通過MR的蒸發(fā)改變天然氣的冷凍作用，以調(diào)節(jié)管路11處LNG出口物流的溫度值，(c)通過LNG排泄閥30調(diào)節(jié)從換熱器14的冷管束112流過液化過程的LNG流量，這樣將LNG出口物流的流量和溫度保持在預定流量值和溫度值調(diào)整點。
在這一過程中，本發(fā)明的一些典型實施例包括一控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在要求的產(chǎn)量值上設定并保持LNG產(chǎn)量，并通過調(diào)節(jié)提供給天然氣流的冷凍控制LNG溫度(因此使冷凍與要求的產(chǎn)量相匹配，與現(xiàn)有技術中使產(chǎn)量與可獲得的冷凍相匹配相反)。
本發(fā)明的第一個典型實施例包括改變與每個壓縮機32和34相關的值，上述壓縮機壓縮來自換熱器14的管路120中熱管束110容置的MR，以調(diào)節(jié)管路11處的LNG出口物流的溫度值。
這一實施例可用壓縮機32和34的壓縮速度，例如作為關鍵可控變量(MV)以實現(xiàn)對LNG溫度的快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)。除速度以外的其它壓縮機變量也可以作為關鍵可控變量，這取決于所使用的MR壓縮機的類型，可以是離心式壓縮機的導葉角度或軸流式壓縮機的靜葉片角度。
另一典型實施例包括改變從噴嘴集管124和126流出的混合冷凍劑(MR)的值，如流量、組成或MRV和/或MRL的壓力，以調(diào)節(jié)管路11處的LNG出口物流的溫度值。第二典型實施例使用總再循環(huán)冷凍劑流量對LNG流量的比率作為關鍵可控變量以有效地控制LNG溫度。
盡管所述的液化過程實施例包括使用盤管式雙區(qū)換熱器，其中天然氣進給流是從底部轉(zhuǎn)到換熱器裝置頂部，但所述的實施例均同樣適用于其它類型的換熱器，例如前面提到的板片式換熱器。例如，板片式換熱器的結(jié)構(gòu)和應用由小中(M.Onaka)、朝場(K.Asada)和三橋(K.Mitsuhashi描述在LNG期刊(1997年1至2月)第17-19頁的“用于主冷凍交換裝置的板片式換熱器”(“Use of plate fin heat exchangers for main cryogenicexchanger unit”)中，本文已將其列入?yún)⒖家悦枋霭迤綋Q熱器及其方法。以壓縮機速度為基礎的控制系統(tǒng)用于圖3所示的LNG裝置40A的本發(fā)明第一典型實施例，使用一基于LNG流量反饋控制和LNG生產(chǎn)溫度單獨反饋控制的控制系統(tǒng)，此時通過調(diào)節(jié)壓縮機的速度，以及附加調(diào)節(jié)混合冷凍劑的流量從而使壓縮機速度回復到要求操作范圍內(nèi)某一值。
圖2是說明本發(fā)明以典型速度控制為基礎的實施例的高級基本反饋控制方案的框圖。如圖2所示，設有三個反饋環(huán)路第一個反饋環(huán)路201通過第一個可控變量(MV)，如LNG排出閥位，以控制LNG流量；第二個反饋環(huán)路202使用一壓縮機值，如速度作為第二個可控變量，以控制LNG生產(chǎn)溫度；第三個反饋環(huán)路203也通過控制流過系統(tǒng)的冷凍劑流量影響LNG溫度，此時使用如熱或冷JT閥位的第三個可控變量。通過調(diào)節(jié)封閉冷凍環(huán)路的冷凍作用以改變LNG溫度，使第三可控變量的調(diào)節(jié)也能用來將壓縮機值保持在要求的操作范圍內(nèi)，其方向與通過壓縮機值調(diào)節(jié)所進行的相同。
壓縮機值的調(diào)節(jié)對該過程有如下影響通過提高壓縮機速度，或相當?shù)膲嚎s機值，使壓縮機入口處和管路120(圖3)處的冷凍劑的壓力下降。所以，換熱器殼壁處的壓力下降，因此使得溫度也下降，與此相對應，熱量傳遞增加，使得提供給流過換熱器14的天然氣的冷凍作用也增加。速度下降具有相反的效果。
在本發(fā)明典型實施例的控制系統(tǒng)中，有兩個控制目標，因此有兩個關鍵控制環(huán)路第一個環(huán)路將LNG流量控制在一調(diào)整點值附近，第二個環(huán)路將LNG溫度單獨控制在一調(diào)整點值附近。第二控制環(huán)路包括兩個可控變量一壓縮機可控變量，如速度或相當?shù)膲嚎s機值，其溫度響應快(是所希望的)，但其穩(wěn)態(tài)增益較差(是不希望的)；第二個可控變量，如熱盯閥位，具有較高的穩(wěn)態(tài)增益(所希望的)，但溫度響應較慢(所不希望的)。對于第二控制目標使用兩個可控變量，此時由于使用每個可控變量的最好特征以補償每個可控變量的弱點，從而改進過程的可控性。
在第一反饋控制環(huán)路201中，控制LNG流量以改變并保持LNG出口物流(LNG產(chǎn)量)達到要求的LNG流量。例如可以通過調(diào)節(jié)LNG排出閥30的閥位(圖3)來完成這一調(diào)節(jié)。第一反饋環(huán)路包括一LNG流量調(diào)整點值，該值是離線或在線確定的，例如可以由特定裝置的生產(chǎn)計劃確定。
正如現(xiàn)有技術中已知的，例如LNG裝置工藝過程的任何過程的動態(tài)特性都可以用傳遞函數(shù)來模擬。裝置工藝過程216通過過程傳遞函數(shù)g11模擬LNG流量對LNG排出閥位改變的動態(tài)響應。流量控制器210以顯示LNG流量相對于一調(diào)整點值偏差的誤差信號為基礎調(diào)節(jié)LNG流量。流量控制器210補償LNG流量相對于該調(diào)整點值中的這些偏差，此時通過由裝置工藝傳遞函數(shù)g11導出的控制傳遞函數(shù)gC1。
該誤差信號是以控制變量實際值和一調(diào)整點值之間的差值為基礎的一組合，該組合對于反饋環(huán)路201來說是實測的LNG流量和要求的LNG流量調(diào)整點。誤差信號可以是不連續(xù)的或連續(xù)的，誤差信號的形式取決于所用控制器的種類。對于下面所述的實施例，以相當于控制變量對調(diào)整點偏差的誤差信號為基礎的可控變量調(diào)節(jié)稱之為反饋控制。
例如，可以使用的簡單控制器是比例積分微分(PID)控制器。對于PID控制器，誤差信號可以是差分(e(t))一積分差分以及一調(diào)整點與測定值之差的微分組合。調(diào)節(jié)可控變量的PID控制器輸出信號yPID(t)由方程(1)給出，式中K是比例增益系數(shù)，F(xiàn)、1/τi和τd是常數(shù)yPID(t)=K(Fe(t)+1τ1∫e(t)dt+τdde(t)dt)---(1)]]>在另一例中，該控制器可以是更復雜的，例如一內(nèi)部模擬控制器(IMC)。對于IMC，調(diào)節(jié)可控變量的輸出信號YIMC(t0)是誤差信號的現(xiàn)行值和過去值的更通用的函數(shù)，由使用不連續(xù)取樣記數(shù)的方程(2)以一般方式給出yIMC(t0)=fb(t-1),e(t-2)…e(t-n)g(2)從裝置的傳遞函數(shù)g11導出函數(shù)gC1的技術在現(xiàn)有技術中是已知的。這樣的一種技術通常稱之為基于控制方法的模擬，例如，由曼弗雷德莫雷里(Manfred Morari)和伊文海洛斯查里奧(Evanghelos Zairiou)描述在加強的過程控制(Robust Process Control)的第3章和第6章中普倫狄斯學院(Prentice Hall,1989)，本文已列入?yún)⒖?。然而，本發(fā)明的實施例并不限于這一方法，也可以使用其它控制理論由過程傳遞函數(shù)來確定控制傳遞函數(shù)。
例如，確定系統(tǒng)過程傳遞函數(shù)g11、g22、g23，進而確定控制傳遞函數(shù)gC1、gC2和gC3的方法如下首先，在研究中對所有系統(tǒng)參數(shù)使用一套已知的典型初始條件，應用變量的階躍函數(shù)使開環(huán)系統(tǒng)(即沒有控制環(huán)路的LNG液化過程)經(jīng)受分段試驗(step·test)，使系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，并對所有系統(tǒng)參數(shù)收集數(shù)據(jù)。在這一步驟中，系統(tǒng)可以是處于操作狀態(tài)的裝置本身，或裝置的完全非線性動態(tài)模擬。例如，如果希望找到LNG流量傳遞函數(shù)g11，可以使過程加階躍函數(shù)，提高LNG排出閥位，從而得到流量變化的記錄。
第二步，使用一特殊的系統(tǒng)識別軟件組，將從分段試驗中收集的數(shù)據(jù)提供給系統(tǒng)模擬程序，該程序產(chǎn)生過程傳遞函數(shù)(即g11、g22、g23)的線性模型，該模型對于連續(xù)系統(tǒng)可以是拉普拉斯變換形式，或在離散區(qū)則是Z變換形式。這一系統(tǒng)識別軟件組可以是，例如MATLAB中的系統(tǒng)識別工具箱(System Identification Toolbox)，可從美國麻州納帝克公司的馬斯廠(Math Work,Inc.of Natick,Massachusetts)買到。
接下來，使用過程傳遞函數(shù)的線性模型，找到每個系統(tǒng)傳遞函數(shù)(即g11、g22和g23)的近似反函數(shù)，然后使用基于控制方法的模型導出控制器傳遞函數(shù)(即gC1、gC2和gC3)。
最后，以動態(tài)非線性系統(tǒng)模擬為基礎調(diào)節(jié)控制器模型傳遞函數(shù)的協(xié)調(diào)常數(shù)(tuning constants)。比較模擬參數(shù)的操作與LNG裝置中的已知參數(shù)操作，這一模擬使運行的閉環(huán)控制系統(tǒng)置于各種各樣的操作條件下。
現(xiàn)在回到圖2，第二反饋環(huán)路202包括一LNG溫度調(diào)整點值，該值是離線確定的，并且是過程要求的函數(shù)。因此，第二反饋環(huán)路是用來將LNG出口物流保持在或接近所需的生產(chǎn)溫度值上。對于這一第二反饋環(huán)路，例如這可以通過調(diào)節(jié)壓縮機速度以控制LNG出口物流溫度來完成。與壓縮機功率相關的其它壓縮機值，如混合冷凍劑離心式壓縮機的導葉角度或混合冷凍劑的軸流式壓縮機的靜葉片位置可以用作壓縮機的可控變量。
正如前面所述的，LNG裝置工藝過程的動態(tài)特性可以用過程傳遞函數(shù)來模擬，裝置工藝過程218模擬LNG溫度對冷凍變化的動態(tài)過程，這一冷凍變化是通過壓縮機值按過程傳遞函數(shù)g22的變化提供的。一壓縮機控制器212使用反饋控制通過調(diào)節(jié)壓縮機值，如速度來調(diào)節(jié)LNG溫度，這是以由LNG溫度調(diào)整點和實際測定LNG出口物流溫度之間的差導出誤差信號為基礎的。該壓縮機控制器212通過由過程傳遞函數(shù)g22導出的控制傳遞函數(shù)gC2補償LNG溫度中的偏差。
圖2中的第三反饋環(huán)路203包括速度的一壓縮機調(diào)整點值或相當值，該值是離線確定的，與所需壓縮機操作范圍內(nèi)的某一值相關，例如也可以由基于效率的壓縮機的特征來確定。在圖2中，第三反饋環(huán)路是控制單一目標例如LNG溫度的級聯(lián)控制的特定形式，這種形式作為輸入重置(input resetting)是已知的，該環(huán)路利用可得到另一可控變量，例如典型實施例中熱JT閥位。這種輸入重置技術是本領域已知的，例如，由西高達斯可吉司塔達(Sigurd Skogestad)和伊安波斯推司威特(Ian Postethwaithe)描述在多變量反饋控制，分析和設計(Multivariable Feedback Control,Analysis and Design)的第416頁上威烈父子公司(J.Wiley and Son,1996)，本文已列入?yún)⒖?。對于這一環(huán)路，如圖2所示，控制器214通過由過程傳遞函數(shù)g23導出的控制傳遞函數(shù)gC3補償LNG溫度中的偏差。
移動熱JT閥18引起冷凍作用調(diào)節(jié)，這對LNG溫度產(chǎn)生影響，其方向與壓縮機速度一致。這一第三反饋環(huán)路203與第二反饋環(huán)路202串聯(lián)操作，使壓縮機速度回到其原來目標值。
在本發(fā)明的另一實施例中，可以使用單個多變量控制器來完成LNG溫度的反饋控制。多變量反饋環(huán)路204接收一誤差信號，該信號是測定LNG溫度和LNG溫度調(diào)整點值的組合。裝置過程傳遞函數(shù)g2模擬LNG溫度對壓縮機速度和熱JT閥位的同步變化的響應。然后，多變量控制器222通過控制傳遞函數(shù)Gc25同步調(diào)節(jié)壓縮機速度和熱JT閥位，使LNG溫度朝所需調(diào)整點值移動。
圖3是一般混合冷凍劑液化天然氣裝置的流程示意圖，圖中標明實施圖2所示控制系統(tǒng)的傳感器和以速度為基礎的控制系統(tǒng)控制器的位置。圖2所示第一反饋環(huán)路201是由流量指示控制器(FIC)28和LNG排出閥30實施的，該控制器相當于圖2中的流量控制器210。FIC28測定LNG出口物流流量，接受LNG流動調(diào)整點SP10。以測定的出口物流流量和調(diào)整點SP10之間的誤差信號為基礎，打開或關閉LNG排出閥30的閥位以使LNG出口物流保持所需的流量。
圖2中的第二反饋環(huán)路202是由溫度指示控制器(TIC)26和壓縮機速度控制器36實施的，這些在一起相當于圖2中的壓縮機控制器212。TIC26測定實際LNG出口物流溫度，并接受LNG溫度調(diào)整點SP11。以測定出口物流溫度和調(diào)整點SP11組合的誤差信號為基礎，TIC26向調(diào)節(jié)壓縮機速度的壓縮機信號控制器36提供一信號。正如前面所指出的，在另一執(zhí)行程序中可改變離心式壓縮機的導葉角度或軸流式壓縮機的靜葉片位置，而不是壓縮機速度。
諸如FIC28和TIC26的控制器是易于買到的，并可作為PID控制器來實施。這些控制器需要使用者提供控制器增益系數(shù)以及協(xié)調(diào)參數(shù)，正如方程(1)所給出的。這些信息可以使用前面所述的基于控制器設計技術的模型來確定。
現(xiàn)在返回圖3，第三反饋環(huán)路是通過速度指示控制器(SIC)53執(zhí)行的，相當于圖2中的控制器214和熱JT閥18。
SIC53使用壓縮機速度作為壓縮機值按以下方式調(diào)節(jié)系統(tǒng)的冷凍作用。首先，SIC53接收來自壓縮機控制器36和速度目標值(可以離線計算或可由封閉冷凍環(huán)路的當前冷凍劑質(zhì)量流量的最佳速度確定)的壓縮機速度信號(給出當前壓縮機速度)，然后SIC53以誤差信號為基礎計算控制信號，這一誤差信號是實際壓縮機速度和所需速度目標值的組合。因此SIC53響應控制信號調(diào)節(jié)熱JT閥18的閥位使該壓縮機速度回到所需目標速度值。
正如前面所述的，圖2所示控制方法完成兩個控制目的。第二控制目的是以兩部分來完成的，這兩部分都控制LNG出口物流的溫度。使用兩個可控變量來控制LNG溫度有助于操縱性，此外還使LNG控制系統(tǒng)的操作在LNG裝置的特定執(zhí)行過程所用的變動極限內(nèi)。
在圖2中，人們可以僅使用反饋環(huán)路201和202來保持LNG產(chǎn)量，只要單獨保持LNG溫度。然而，由于可以移動反饋環(huán)路202的壓縮機值，例如速度的范圍有限以及與環(huán)路相關的低穩(wěn)態(tài)增益，附加可控變量是有利的。這就防止了壓縮機在優(yōu)選操作范圍之外的速度下操作。例如，在過高的速度下操作其效率可能很高，但會引起壓縮機部件的損壞，而在過低的速度下操作則會引起壓縮機喘振，使物料反向流過壓縮機。因此，本發(fā)明的一個實施例可以包括上述如圖2的203所示第三反饋環(huán)路，通過調(diào)節(jié)熱JT閥18的閥位使壓縮機速度協(xié)助其工作以對流過換熱器系統(tǒng)的天然氣調(diào)節(jié)所提供的冷凍作用。在熱JT閥18達到上變動極限時，例如可以使用進一步的調(diào)節(jié)，包括調(diào)節(jié)LNG流量和LNG溫度調(diào)整點，使壓縮機的操作和熱JT閥18的閥位回到規(guī)定的范圍內(nèi)。
溫度調(diào)整點值是由裝置的所需操作特性確定的。例如在使用圖2所示快速循環(huán)過程的LNG裝置中，如LNG生產(chǎn)達到比約-146℃更熱的溫度，則LNG生產(chǎn)會含有LNG蒸汽組分，這些蒸汽必須由換熱器的下游附件燒掉，從而導致不必要的天然氣損失。然而，如LNG生產(chǎn)達到比約-151℃更冷的溫度，則對于換熱器的加燃料壓縮機下游來說LNG生產(chǎn)不會含有足夠的蒸汽組分。這種下游壓縮機使用蒸汽組分天然氣作為燃料源來驅(qū)動壓縮機，下游壓縮機的操作特性將確定操作下限操作溫度。所以，LNG生產(chǎn)的要求操作溫度調(diào)整點可以在這一溫度范圍內(nèi)選擇。
對于輔助冷卻方法，在LNG出口物流中不需要蒸汽，而所需的溫度調(diào)整點則是由下游儲罐的特性確定的(如溫度過熱，則會發(fā)生LNG蒸汽閃蒸，而如溫度過冷，則液化過程效率低)。
在本實施例中，一旦調(diào)節(jié)熱JT閥18，就可以使用另一環(huán)路來調(diào)節(jié)冷JT閥16的閥位以控制MRV流量，可以調(diào)節(jié)一MRV流量調(diào)整點來控制MRL/MRV的流量比。如圖3所示，一流量比控制器(FRC)51接受來自流量探測器(FR)52的MRL/MRV流量比，并對MRL/MRV流量比與預定的調(diào)整點值進行比較。基于實際的和所需的MRL/MRV流量比的組合形成的誤差信號，向冷JT閥16提供一控制信號以調(diào)節(jié)閥位。需要這一附加反饋環(huán)路使換熱器內(nèi)保持適當?shù)牧髁科胶庖苑乐?，例如管?20的返回溫度過低會損壞設備。
可以作為附加可控變量調(diào)節(jié)幾個可利用的變量以使封閉冷凍環(huán)路中的各種部件保持在系統(tǒng)的操作變動極限內(nèi)。例如回到圖3，熱JT閥18和冷JT閥16中的每一個都可以達到滿開或滿關位置，混合冷凍劑比率可以在一目標值之外，或混合冷凍劑(MRV或MRL)溫度在可接受范圍之外。如這些可控變量達到變動極限，則系統(tǒng)可以要求如熱JT閥18或冷JT閥16達到上限或下限，則提高或降低壓縮機速度目標，如在熱管束110處(第一壓縮機的吸入端)出換熱器的MR溫度過冷，則降低MRL/MRV流量比，當達到預定的喘振距離時，通過打開壓縮機再循環(huán)閥來實現(xiàn)壓縮機抗喘振控制，進一步的變動極限可以基于混合冷凍劑壓縮機的排放壓力或混合冷凍劑壓縮機的功率。通過操作者的介入或通過脫離所述典型實施例的計算機監(jiān)視和控制系統(tǒng)可以達到滿足這些變動極限。
最后，可以增加某些動作以增進過程效率。對于這一示例性系統(tǒng)，可以使用應用當前MR測定值的前饋計算，以流過該系統(tǒng)的冷凍劑物質(zhì)為基礎來確定一新的壓縮機速度目標值。圖2示有提供速度目標調(diào)整點值的這一附加速度前饋程序塊205，參照以冷凍劑再循環(huán)為基礎的控制方法，其計算在下面有詳細的描述。在這一情況下，例如對于一給定混合冷凍劑物質(zhì)流量可以使用表明最佳壓縮機速度的表或圖的值來調(diào)節(jié)壓縮機速度目標值。對于這些目的最佳壓縮機值可以是以一獨立變量為基礎的，例如壓縮機效率。
MR壓縮機速度或混合冷凍劑離心式壓縮機導葉角度或混合冷凍劑軸流式靜葉片角度的目標值，可使用一離線或在線穩(wěn)態(tài)優(yōu)化計算機程序或計算來確定，這種程序或計算接受多個變量或因子，包括但不限于(a)LNG產(chǎn)量目標；(b)天然氣進給條件；(c)混合冷凍劑含量；(d)混合冷凍劑組成；(e)操作壓力；(f)有用功率；(g)設備設計；(h)壓縮機特性；和/或(i)外部條件。
MRL/MRV流量比的目標值，可以通過用離線或在線穩(wěn)態(tài)優(yōu)化計算機程序或計算來確定，這種程序或計算接受多個變量或因子，包括但不限于(a)LNG產(chǎn)量目標；(b)天然氣進給條件；(c)混合冷凍劑含量；(d)混合冷凍劑組成；(e)操作壓力；(f)有用功率；(g)設備設計；(h)壓縮機特性；和/或(i)外部條件。以冷凍劑再循環(huán)為基礎的控制系統(tǒng)本發(fā)明的第二典型實施例應用一以冷凍劑再循環(huán)為基礎的控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中使用前饋和反饋控制，此時調(diào)節(jié)LNG生產(chǎn)溫度是通過改變MRL和MRV流量(改變總MR流量)、MRL/MRV流量比以及總MR流量/LNG流量比，然后將壓縮機可控變量，例如速度調(diào)節(jié)到當前MR物質(zhì)流量的最佳壓縮機操作范圍內(nèi)。
圖4是說明本發(fā)明以再循環(huán)為基礎典型實施例的高級基本反饋和前饋控制環(huán)路的框圖。這一典型實施例包括三個主要控制部分第一個反饋環(huán)路401控制LNG生產(chǎn)的流量；第二個反饋和前饋部分402控制LNG生產(chǎn)的溫度；第三個前饋部分403調(diào)節(jié)壓縮機速度，以流過封閉冷凍環(huán)路的冷凍劑物質(zhì)(總MR)為基礎將壓縮機速度保持在一最佳范圍內(nèi)。
在第一反饋控制環(huán)路401中，控制LNG流量以將LNG出口物流(LNG產(chǎn)量)改變到和保持在一規(guī)定的生產(chǎn)LNG流量，例如可以通過調(diào)節(jié)LNG排出閥30的閥位(圖5)來完成。該第一反饋環(huán)路包括一LNG流量調(diào)整點，該調(diào)整點是離線確定的，例如可以由生產(chǎn)要求來確定。
LNG裝置過程的動態(tài)特性可以通過傳遞函數(shù)來模擬，可以使用參照壓縮機速度為基礎的控制方法所述的這一技術。裝置過程401通過傳遞函數(shù)g11’模擬LNG流量動態(tài)過程對LNG排出閥位的變化。一流量控制器410調(diào)節(jié)LNG流量，該控制器以由LNG流量調(diào)整點和實際測定LNG流量的組合形成的誤差信號為基礎。該流量控制器410通過控制可由過程傳遞函數(shù)g11’導出的傳遞函數(shù)gC1’補償LNG流量中的偏差。
LNG流量調(diào)整點值、過程傳遞函數(shù)g11’和控制傳遞函數(shù)gC1’可以與圖2的201中所示的以壓縮機速度為基礎的控制方法中LNG流量調(diào)整點、過程傳遞函數(shù)g11和控制傳遞函數(shù)gC1相同。
第二部分402是一LNG溫度反饋/前饋控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一LNG溫度調(diào)整點值和一熱JT閥和冷JT閥調(diào)整點比率將LNG溫度保持在一調(diào)整點值附近。LNG溫度控制是通過調(diào)節(jié)總MR流量對LNG流量比率的規(guī)定目標值來完成的。首先，比較一測定的當前LNG出口物流溫度和一LNG溫度調(diào)整點值，向MR變化控制器414提供一誤差信號，該控制器通過控制傳遞函數(shù)gC2’確定混合冷凍劑流量的增量變化，稱之為MR流量增量值，以補償LNG輸出溫度的差。使用MR流量增量值和LNG流量調(diào)整點值，一總MR控制器416通過控制傳遞函數(shù)gC3’確定按下列方程(3)需要的總MR流量總MR流量=MR流量增量+(LNG流量調(diào)整點值*總MR對LNG流量比率)(3)第二步，用該總MR流量和一MRL/MRV比調(diào)整點調(diào)節(jié)MR再循環(huán)流過該過程的MRL流量和MRV流量。將總MR流量和MRL/MRV比調(diào)整點提供給MRL/MRV比控制器418，該控制器通過控制傳遞函數(shù)gC4’確定一新的MRL流量調(diào)整點和一新的MRV流量調(diào)整點，這些均由下面方程(4)和(5)表示新MRV流量調(diào)整點=總MRV流量*1/(MRL/MRV比率調(diào)整點+1)(4)新MRL流量調(diào)整點=總MR流量-MRV流量調(diào)整點 (5)一旦確定了新MRV和MRL流量調(diào)整點值，兩個反饋控制環(huán)路分別控制MRV和MRL流量。其中第一控制環(huán)路使用MRL流量控制器419，來接受MRL流量調(diào)整點值和測定的當前MRL流量并以這些MRL流量值的組合形成一誤差信號，通過控制傳遞函數(shù)gC5’調(diào)節(jié)MRL流量，例如，通過調(diào)節(jié)熱JT閥18的閥位。同樣地，第二控制環(huán)路使用MRV流量控制器420，來接受MRV流量調(diào)整點值和測定的當前MRV流量并以這些MRV流量值的組合形成一誤差信號，通過控制傳遞函數(shù)gC6’調(diào)節(jié)MRV流量，例如通過調(diào)節(jié)冷JT閥16的閥位。在前面所述的這種方式中，控制傳遞函數(shù)gC5’和gC6’可以由開環(huán)模擬LNG裝置過程傳遞函數(shù)g21’和g22’確定，這些函數(shù)使LNG裝置過程和MRL和MRV流量對LNG出口物流溫度的影響相關聯(lián)。
圖5是一般MR LNG裝置40B的流程示意圖，圖中標明實施圖4所示控制系統(tǒng)以再循環(huán)為基礎的控制系統(tǒng)傳感器和控制器的位置。
參看圖5，圖4所示以再循環(huán)為基礎控制系統(tǒng)的第一控制環(huán)路401將LNG出口物流保持在通過調(diào)整點SP20給定的預定流量，而且該第一控制環(huán)路包括流量指示控制器28和LNG排出閥30，并以類似于以壓縮機速度為基礎的系統(tǒng)第一控制環(huán)路的方式操作。FIC測定LNG輸出口物流流量，并接受LNG流量調(diào)整點SP20。以測定出口物流流量和調(diào)整點SP20的組合形成的誤差信號為基礎，打開或關閉LNG排出閥30的閥位使LNG出口物流保持在規(guī)定流量上。
圖4的以再循環(huán)為基礎的控制系統(tǒng)第二反饋/前饋控制環(huán)路402示于圖5中，并包括溫度指示控制器(TIC)26、總MR流量控制器TMR FRC64、MRL和MRV流量控制器(MRL/V FIC)66、前饋邏輯單元(FFL)68、通過調(diào)節(jié)冷JT閥16調(diào)節(jié)MRV流量的MRV流量指示控制器(MRV FIC)72，以及通過調(diào)節(jié)熱JT閥18調(diào)節(jié)MRL流量的MRL流量指示控制器(MRL FIC)70。
TIC26接收相當于所需LNG出口物流溫度的LNG出口物流調(diào)整點值SP21，而且還測定LNG出口物流的當前溫度。以與當前溫度和調(diào)整點值SP21之間的差相關的誤差信號為基礎，TIC26提供一溫度調(diào)節(jié)信號，該信號表示為調(diào)節(jié)LNG溫度所需的MR流量增量，而且將這一控制信號提供給TMRFRC 64，它相當于圖4中的總MR控制器416。TMRFRC64也接收調(diào)整點值SP20，該值相當于所需的LNG出口物流流量。使用方程(1),TMR FRC 64向FFL 68提供一規(guī)定的總MR流量。
此外，相當于圖4中MRL/MRV比控制器418的MRL和MRV流量比控制器(MRL/V FRC)66，接收一MRL/MRV流量比調(diào)整點值SP22和來自TMRFRC 64的當前MR流量，并提供新的MRL和MRV流量調(diào)整點，這些均被接收并由FFL68使用方程(2)和(3)分別轉(zhuǎn)變成調(diào)整點值SP23和SP24。
最后，MRL控制器419和MRV控制器420都是由MRV流量指示控制器(MRV FIC)72來執(zhí)行以基于通過調(diào)節(jié)冷JT閥16的新調(diào)整點值SP23調(diào)節(jié)MRV流量，由MRL流量指示控制器(MRL FIC)70基于通過調(diào)節(jié)熱JT閥18的新調(diào)整點值SP24調(diào)節(jié)MRL流量。
因此，通過反饋環(huán)路調(diào)節(jié)熱JT閥18的閥位使MRL流量控制到規(guī)定的調(diào)整點值，還通過經(jīng)調(diào)節(jié)冷JT閥16反饋使MRV流量控制到規(guī)定的調(diào)整點值，通過調(diào)節(jié)MRL流量的調(diào)整點值SP24保持混合冷凍劑液流量對混合冷凍劑汽流量比(MRL/MRV)的規(guī)定目標調(diào)整點值SP22。最后，通過調(diào)節(jié)MRV流量的調(diào)整點值SP23獲得總MR流量對LNG流量的比率。在這種方式中，使LNG輸出溫度保持接近調(diào)整點值SP21，而LNG出口物流流量則保持接近調(diào)整點值SP20。
現(xiàn)在回到圖4，反饋環(huán)路401和LNG溫度反饋/前饋部分402保持LNG產(chǎn)量，同時單獨地保持LNG溫度。通過改變MRL、MRV和總MR流量/LNG流量的快速響應保持溫度，可能導致壓縮機對流過該壓縮機的給定量冷凍劑在優(yōu)選操作范圍之外的速度下操作。因此，本發(fā)明的一實施例可以包括第三個前饋部分403，這一部分具有其控制傳遞函數(shù)gC7’的控制過程422，就如圖4所示，以流過壓縮機系統(tǒng)的冷凍劑總量為基礎調(diào)節(jié)壓縮機速度。由增益gC7’提供的輸出壓縮機速度經(jīng)由過程傳遞函數(shù)g23’影響LNG輸出溫度。
如圖5所示，圖4的前饋部分403可以由前饋控制器(FF)62和一對相應級壓縮機(即低壓壓縮機34和高壓壓縮機32)的速度控制器36和38執(zhí)行。盡管本實施例是以壓縮機速度進行描述的，但相當?shù)膲嚎s機值也可以使用，例如不限于靜葉片位置或?qū)~角度。FF62測定所接收的MR物質(zhì)流量。然后FF66向?qū)诘蛪簤嚎s機34或高壓壓縮機32的速度控制器36和38提供壓縮機值，以壓縮機效率的可用信息為基礎調(diào)節(jié)壓縮機的操作。這種調(diào)節(jié)可以進一步以由壓縮機性能得出的性能曲線，作為MR物質(zhì)流量函數(shù)為基礎。
在第三個控制環(huán)路中，混合冷凍劑低壓壓縮機和高壓壓縮機34和32的速度由FF62另外單獨地調(diào)節(jié)。每個FF62測定相應壓縮機的當前混合冷凍劑流量，并將速度控制信號發(fā)送到相應壓縮機的速度控制器36和38，以低壓壓縮機34或高壓壓縮機32的所需物質(zhì)流量為基礎，保證壓縮機的效率最高。于是壓縮機速度控制器36或38相應地設定各個壓縮機的速度。在速度是固定的或不能改變的裝置中，對于適當?shù)目刂聘淖兊葍r變量是可能的。例如可以調(diào)節(jié)一個或多個混合冷凍劑離心式壓縮機的導葉角度，作為每個壓縮機的當前物質(zhì)流量的函數(shù)，以保證壓縮機效率最高。也可以調(diào)節(jié)一個或多個混合冷凍劑軸流式壓縮機的靜葉片角度，作為每個壓縮機的當前物質(zhì)流量的函數(shù)，以保證壓縮機效率最高。
當達到預定壓縮機喘振水平時，壓縮機抗喘振控制是通過打開壓縮機再循環(huán)閥來實現(xiàn)的。例如，這可以通過操作者的介入或一專用抗喘振控制器來完成。
再循環(huán)冷凍劑在主冷凍換熱器的熱管束110處的溫度變動極限控制可以這樣實現(xiàn)例如通過系統(tǒng)的操作要求，對熱管束110處的溫度確定一適當?shù)牡蜏刈儎訕O限值；然后測定熱端溫度，并對測定的熱端溫度和變動極限值進行比較。
混合冷凍劑壓縮機速度、或混合冷凍劑離心式壓縮機導葉角度或混合冷凍劑軸流式靜葉片角度的目標值，均使用一離線或在線穩(wěn)態(tài)優(yōu)化計算機程序或計算來確定，這種程序或計算接收多個變量或因子，包括但不限于(a)混合冷凍劑組成；(b)操作壓力；(c)有用功率；(d)設備種類；(e)壓縮機特性；和/或(f)外部條件。
MRL對MRV流量比目標值是使用一離線或在線穩(wěn)態(tài)優(yōu)化計算機程序或計算來確定，這種程序或計算接收多個變量或因子，包括但不限于(a)LNG生產(chǎn)目標；(b)天然氣進給條件；(c)混合冷凍劑含量；(d)混合冷凍劑組成；(e)操作壓力；(f)有用功率；(g)設備種類；(h)壓縮機特性；和/或(i)外部條件。本發(fā)明典型實施例的模擬為了比較圖3和圖5所示LNG裝置控制方法的性能，可以分析使用LNG過程控制系統(tǒng)和嚴格非線性模型對LNG裝置動態(tài)模擬的結(jié)果。所設計的控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)和用于限定過程傳遞函數(shù)的線性模型可以按前面的描述來確定。使用典型雙管束基本負荷LNG裝置的嚴格非線性模型，對以速度為基礎的控制方法和以再循環(huán)為基礎的控制方法的性能進行說明。結(jié)果均來自MCHE/MCR環(huán)路部分的閉環(huán)動態(tài)模擬。表1列出在示例性模擬中使用的非線性模型的系統(tǒng)參數(shù)，包括關鍵過程變量和相應的原始靜態(tài)值。表1中的值表示LNG裝置被模擬時的“瞬間值”。
表1
表1中的這些值是在特定時間瞬間的穩(wěn)態(tài)值。正如現(xiàn)有技術中所已知的，每個特定LNG裝置都有其不同的操作特性，使用非線性模型的LNG裝置的動態(tài)模擬對于特定LNG裝置要定做。因此，表1中的比較、控制目標和相應穩(wěn)態(tài)操作值都是示例性的。
控制目標列于下面表2。
表2
表2列出控制目標、還有MV和輸出變動極限的最大和最小值和范圍。為了使這些目標與其它系統(tǒng)相關聯(lián)，下面簡單描述這些目標是如何確定的。對于LNG流量，LNG裝置產(chǎn)量的最大值是由特定裝置和天然氣供應確定的，其最小值是零，相當于裝置關閉。因此，對于LNG流量，所需流量是由LNG裝置的操作者和裝置產(chǎn)量計劃確定的。一旦確定了所需流量，例如+/-2％變動的控制目標是目前用于LNG裝置流量控制的常用值。對于LNG流量變動范圍可以使用較大的值直到其最大值和最小值，但LNG裝置的效率會受到影響。對于LNG流量變動范圍也可以使用較小的值，但最小范圍取決于測量裝置的精度、控制元件的精度和LNG裝置過程的瞬時響應特性。因此，最小范圍可通過對LNG裝置的研究或模擬來找到。
對LNG出口物流溫度的最大和最小操作范圍的確定已在前面描述過，而且是取決于下游過程，例如但不限于，閃蒸循環(huán)、輔助冷卻處理或基于運輸和儲存的其它考慮。例如由一般裝置操作確定+/-2.5℃的LNG溫度變化范圍，但也可以使用較小的范圍。最小范圍取決于測量裝置的精度、控制元件的精度和LNG裝置過程的瞬時響應特性。
低壓和高壓壓縮機的最大和最小操作范圍的確定取決于所使用的特定壓縮機的制造規(guī)格。例如由一般裝置壓縮機來確定小于5rpm/秒的壓縮機速度變動范圍。最大變動率通過對機械操作方面的考慮來確定。
還如前所述，熱JT閥、冷JT閥以及LNG排出閥的操作范圍是在全開和全關之間，允許這些閥在這一范圍內(nèi)自由地變動。
最后，輸出變動極限也由特定LNG裝置設計來確定。排放壓力是由換熱器環(huán)路的設計壓力來確定，熱端殼溫由損壞下游附件前的最低溫度確定，該溫度約為-50℃，在LNG操作中常用-38℃。為防止損壞壓縮機對喘振距離設置在一合理的值。
對于使用圖2所示的以壓縮機速度為基礎的控制方法和執(zhí)行控制函數(shù)的PID控制器的給定實例，控制傳遞函數(shù)具有如下協(xié)調(diào)參數(shù)對于gC1(LNG流量控制)，比例增益系數(shù)為10-5l/(kg-moles/hr)，積分時間τ1為2秒；對于gC2(LNG溫度控制)，比例增益系數(shù)為-500rpm/C，積分時間τ1為295秒。對于第三反饋環(huán)路，使用一以模型為基礎的控制對數(shù)，這在前面已描述過了。這包括第一個指令過濾器(order filter)，使用該過濾器時間常數(shù)作為可調(diào)協(xié)調(diào)參數(shù)。時間常數(shù)與對閉環(huán)系統(tǒng)的規(guī)定響應速度相關，可以考慮穩(wěn)定性來限定。
對于使用如圖4所示的以冷凍劑再循環(huán)為基礎的給定實例，比例增益常數(shù)具有如下協(xié)調(diào)參數(shù)對于gC1’(LNG流量控制)，比例增益系數(shù)為10-5l/(kg-moles/hr)，積分時間τ1為2秒；對于gC2’(LNG溫度控制)，比例增益系數(shù)為600，積分時間τ1為2500秒；對于gC3’，增益系數(shù)是由開環(huán)響應導出的過程模型確定的；對于gC4’，增益系數(shù)是由開環(huán)響應導出的過程模型確定的；對于gC5’(熱JT閥流量控制)，比例增益系數(shù)為10-5l/(kg-moles/hr)，積分時間τ1為1秒；對于gC6’(冷JT閥流量控制)，比例增益系數(shù)為3.528×10-6l/(kg-moles/hr)，積分時間τ1為1秒；對于gC7’，增益系數(shù)是由開環(huán)響應導出的過程模型確定的。
說明了四個不同的模擬方案。列出以速度為基礎的控制方法和以再循環(huán)為基礎的控制方法兩者的結(jié)果，在適當時侯與規(guī)定調(diào)整點值進行比較。模擬方案的結(jié)果說明在圖6-9中，它們是在研究中以各種變量作為時間的函數(shù)特性給出的。在圖6-9中所用時間標度是以秒表示的(28800秒=8小時)。圖6-9中所示的模擬表明，以壓縮機速度為基礎的控制方法(標為a)和以再循環(huán)為基礎的控制方法(標為b)都能充分滿足各種方案的控制目標。
圖6A至6D說明以壓縮機速度為基礎的和以再循環(huán)為基礎的控制方法的性能，在LNG流量調(diào)整點方案中使用4％逐步減少。圖6A是說明LNG流量控制對時間關系的曲線圖，圖6B是說明LNG溫度控制對時間關系的曲線圖，圖6C是說明LNG壓縮機速度控制對時間關系的曲線圖，圖6D是說明在LNG流量調(diào)整點方案中以4％逐步減少時熱JT閥位移動對時間關系的曲線圖。
圖6A和6B分別說明流量和溫度的緊密控制(tight control)是用以壓縮機速度為基礎的控制方法和以再循環(huán)為基礎的控制方法完成的。圖6C表示壓縮機速度作為時間函數(shù)。兩種控制方法都表明，由于熱負荷低，為修正開始時的溫度下降，壓縮機速度開始時快速下降。在前面已提出，設計以速度為基礎的方法使速度重新回到其原始目標值(在這一實施例中為4550rpm)，通過使用熱JT閥位作為附加可控變量也可以做到。減少熱JT閥的開度也在相同方向上影響LNG溫度，盡管慢于壓縮機速度的減少。當按圖3所示方式配置時，兩個可控變量影響的結(jié)合會在開始移動后立即使壓縮機速度回到其原始值。在這一實例中，在新的穩(wěn)態(tài)下，速度重置到其原目標值，而熱JT閥則關小約5％。
圖7A至7E說明以壓縮機速度為基礎的和以再循環(huán)為基礎的控制方法的性能，在LNG流量調(diào)整點方案中使用4％逐步的增加。圖7A是說明LNG流量控制對時間關系的曲線圖，圖7B是說明LNG溫度控制對時間關系的曲線圖，圖7C是說明熱JT閥位和冷JT閥位對時間關系的曲線圖，圖7D是說明換熱器殼溫度對時間關系的曲線圖，圖7E是說明在LNG流量調(diào)整點方案中以4％逐步增加時壓縮機速度控制對時間關系的曲線圖。
如圖7A至7E所示的性能表明在這一方案中LNG流量和溫度兩者都很好地被控制在表2所要求的范圍內(nèi)，盡管對以再循環(huán)為基礎的方法溫度響應較慢。圖7A至7E說明這一方案的某些變動極限控制作用。原始穩(wěn)態(tài)LNG出口物流已是一高產(chǎn)量值，LNG流量調(diào)整點再增加4％。熱JT閥位不適合其變動極限(在表2中限定為1.16)，但冷JT閥值達到一變動極限。在以速度為基礎的控制方法中，作為一種防止換熱器殼熱端溫度變得太低的措施是使冷JT閥位升高。冷JT閥16的閥位達到變動極限，但控制方法仍然控制殼的熱管束使之接近其變動極限。當冷JT閥達到其變動極限值時，這一實施例的控制方法將壓縮機的速度目標值從4550rpm提高到4850rpm。
圖8A至8D說明以壓縮機速度為基礎的和以再循環(huán)為基礎的控制方法的性能，在LNG流量調(diào)整點方案中，在每分1％處，以35％等變地下降。圖8A是說明LNG流量控制對時間關系的曲線圖。圖8B是說明LNG溫度控制對時間關系的曲線圖。圖8C是說明低壓和高壓壓縮機速度對時間關系的曲線圖。圖8D是說明在LNG流量調(diào)整點方案中，在每分1％處，以35％等變地下降時熱JT閥位的移動對時間關系的曲線圖。
圖8A至8D通過示例性控制方法說明LNG流量和溫度很好地控制在表2給定的要求內(nèi)。圖8C表示這一實例的壓縮機速度，表明在以速度為基礎的方案中，一旦產(chǎn)物流量等變地下降接近完成時，借助熱JT閥位的調(diào)節(jié)，壓縮機就回到其原來的速度。因此，壓縮機具有足夠大的速度操作范圍以對付LNG流量的連續(xù)等變地下降(或等變地上升)。對于產(chǎn)物以35％等變地下降的這一示例性方案來說，這些壓縮機均接近壓縮機喘振條件。在這一情況下，一旦喘振距離落到8％以下，通過打開每個壓縮機的再循環(huán)閥來防止喘振狀態(tài)。
對于伺服變化和排除干擾方案，圖9A是說明LNG流量控制對時間關系的曲線圖。圖9B是說明LNG溫度控制對時間關系的曲線圖。如圖所示以壓縮機速度為基礎的和以再循環(huán)為基礎的控制方法對LNG流量和溫度提供適當?shù)目刂啤Ｔ谶@一方案中，模擬了以下過程在100秒，LNG流量SP提高+2％(18472)；在1000秒，LNG溫度SP改變2％(更冷；-159℃)；在5000秒，進給壓力降低2％；在10000秒，進給中C1組成降低2％；在15000秒，輸入HPSEP的MCR溫度增加2％；在20000秒，LNG溫度SP改變4％(更熱-143.1℃)。
盡管本發(fā)明的優(yōu)選實施例已在本文中示出并描述，但應當理解，這些實施例僅僅是作為實例提出的。對本領域的技術人員來說，可以在不脫離本發(fā)明精神的前提下作出各種改動、變化和替代。因此，所附的權(quán)利要求覆蓋了落入本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的所有這些變動。
權(quán)利要求
1．一種控制液化天然氣出口物流產(chǎn)量的方法，此時通過冷凍流過液化過程的天然氣，其特征在于，該方法包括以下步驟(a)測定LNG出口物流的溫度和流量；和(b)改變天然氣的冷凍作用以調(diào)節(jié)LNG出口物流的溫度值，并單獨地調(diào)節(jié)流過該過程的LNG流量，因此將LNG出口物流的流量保持在一預定流量值，并將溫度保持在一預定溫度值。
2．按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟b)進一步包括以下步驟在一封閉冷凍環(huán)路中提供冷凍作用，其中一壓縮機調(diào)節(jié)一冷凍劑的流量和壓力，和改變選自包含該壓縮機速度、導葉角度和靜葉片位置類的至少一個壓縮機值，調(diào)節(jié)該封閉冷凍環(huán)路的操作，因此調(diào)節(jié)LNG出口物流的溫度值。
3．按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該法進一步包括以下步驟(c)以對至少一個壓縮機值限定壓縮機操作范圍的變動極限為基礎，確定一相應的目標值；和(d)對該相應目標值調(diào)節(jié)至少一個壓縮機值；和(e)以對至少一個壓縮機值的調(diào)節(jié)為基礎，改變至少一個與冷凍劑再循環(huán)相關的值，從而使LNG出口物流保持流量值和溫度。
4．按權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟d)改變至少一個基于一反饋信號的冷凍劑值，該反饋信號是以至少一個壓縮機值和相應目標值為基礎的。
5．按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括以下步驟測定一冷凍劑流量和LNG出口物流的流量和形成一冷凍劑流量對LNG流量的比率和調(diào)節(jié)該比率以調(diào)節(jié)封閉冷凍環(huán)路的操作，因此調(diào)節(jié)LNG出口物流的溫度值。
6．按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，冷凍劑部分被冷凝以形成一冷凍劑液和一冷凍劑汽，流量測定步驟進一步包括測定一冷凍劑汽流量和一冷凍劑液流量，比率調(diào)節(jié)步驟進一步包括調(diào)節(jié)冷凍劑汽流量以設定冷凍劑流量，并調(diào)節(jié)冷凍劑液流量以調(diào)節(jié)比率直至達到一預定的流量比。
7．按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，冷凍劑部分被冷凝以形成一冷凍劑液和一冷凍劑汽，流量測定步驟進一步包括測定一冷凍劑汽流量和一冷凍劑液流量，比率調(diào)節(jié)步驟進一步包括調(diào)節(jié)冷凍劑液流量以設定冷凍劑流量，并調(diào)節(jié)冷凍劑汽流量以調(diào)節(jié)比率直至達到一預定流量比。
8．一種同時控制液化天然氣出口物流溫度和流量的方法，此時由天然氣液化過程通過冷凍天然氣，其特征在于，該方法包括(a)對LNG出口物流設立一預定流量；(b)測定LNG出口物流的實際流量；(c)將LNG出口物流的實際流量調(diào)節(jié)到該預定流量；(d)對LNG出口物流設立一預定溫度；(e)測定LNG出口物流的實際溫度；和(f)控制提供給天然氣的冷凍作用，以將LNG出口物流的溫度調(diào)節(jié)到該預定溫度。
9．按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，天然氣的液化過程是在一裝置中進行的，該裝置包括一換熱器，該換熱器具有一熱端和一冷端，一天然氣進給物流入口在其熱端，該換熱器內(nèi)一管路通過與一冷凍劑物流間接換熱冷卻并液化天然氣，該冷凍劑物流包含在一單獨冷凍循環(huán)中，還有一液化天然氣管路在換熱器冷端輸送LNG出口物流，所述管路具有一LNG流量控制裝置；冷凍循環(huán)包括一壓縮冷凍劑的壓縮機、一冷凝壓縮冷凍劑的冷凝器、一使冷凝冷凍劑膨脹的膨脹裝置，和將膨脹冷凍劑引入換熱器一蒸發(fā)區(qū)的裝置，在蒸發(fā)區(qū)內(nèi)該膨脹冷凍劑與天然氣物流間接換熱并向其提供冷凍作用，從而液化天然氣，還有使膨脹、蒸發(fā)的冷凍劑從熱端返回到壓縮機的裝置；其中冷凍作用的控制是通過反饋控制完成的，反饋控制是通過控制過程變量得到的，過程變量選自的類包含壓縮機的操作；和膨脹裝置操作。
10．按權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，冷凝器的作用是部分冷凝壓縮的冷凍劑，以產(chǎn)生一蒸汽冷凍劑和一液體冷凍劑，對每個蒸汽冷凍劑和液體冷凍劑具有單獨的膨脹裝置，單獨膨脹裝置中的任何一個或兩個是單獨地控制的。
11．按權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，冷凍劑壓縮機選自的類包含具有導葉輪的離心式壓縮機和具有靜葉片的軸流式壓縮機，通過調(diào)節(jié)LNG流量控制裝置對LNG出口流量進行反饋控制，通過調(diào)節(jié)一壓縮機變量對LNG出口物流溫度進行反饋控制，壓縮機變量選自的類包含(a)冷凍劑壓縮機速度(b)導葉輪角度；和(c)靜葉片角度。
12．按權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，壓縮機變量是冷凍劑壓縮機的速度，和(a)如LNG出口物流溫度高于預定溫度，則使冷凍劑壓縮機的速度提高；或(b)如LNG出口物流溫度低于預定溫度，則使冷凍劑壓縮機的速度降低。
13．按權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，壓縮機是一離心式壓縮機，而壓縮機變量則是導葉輪的角度，和(a)如LNG出口物流溫度高于預定溫度，則使導葉輪的角度增大；或(b)如LNG出口物流溫度低于預定溫度，則使導葉輪的角度減少。
14．按權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，壓縮機是一軸流式壓縮機，而壓縮機變量則是靜葉片的角度，和(a)如LNG出口物流溫度高于預定溫度，則使靜葉片的角度增大；或(b)如LNG出口物流溫度低于預定溫度，則使靜葉片的角度減少。
15．按權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，通過LNG流量控制裝置的多變量控制器和至少一個壓縮機變量經(jīng)同時并協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)，由反饋同時控制LNG出口物流的流量和溫度。
16．按權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，換熱器中冷卻天然氣的管路經(jīng)過至少一靠近換熱器熱端的熱區(qū)和一靠近換熱器冷端的冷區(qū)，冷凍循環(huán)中的蒸發(fā)區(qū)被分成至少一熱區(qū)和一冷區(qū)，分別對應于管路通過該熱區(qū)和該冷區(qū)，具有單獨膨脹裝置將冷凝冷凍劑引入各個熱區(qū)和冷區(qū)，和其中熱區(qū)膨脹裝置控制至少一部分冷凝冷凍劑流向熱區(qū)，冷區(qū)膨脹裝置控制至少一部分冷凝冷凍劑流向冷區(qū)，還進一步包括以下步驟(a)對壓縮機變量設立一規(guī)定目標值(b)測定這一壓縮機變量的當前值；(c)比較所述規(guī)定目標值和當前值；和(d)利用以這一差別和壓縮機變量的規(guī)定目標值與當前值之間的整體差別為基礎的反饋控制調(diào)節(jié)熱區(qū)膨脹裝置，以便在通過調(diào)節(jié)壓縮機變量所實現(xiàn)的同一方向上實現(xiàn)LNG出口物流溫度的改變，和(e)使壓縮機變量重置回到規(guī)定的目標值。
17．按權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，冷凍劑是一多組分冷凍劑，該冷凍劑被部分冷凝以形成一冷凍劑液和一冷凍劑汽，冷凍劑液流過熱區(qū)，冷凍劑汽流過冷區(qū)和熱區(qū)，還進一步包括以下步驟(a)預定一所需液體冷凍劑流量對蒸汽冷凍劑流量的比率；(b)測定液體冷凍劑流量的當前值；(c)測定蒸汽冷凍劑流量的當前值；(d)確定液體冷凍劑流量對蒸汽冷凍劑流量的當前比率；和(e)控制冷區(qū)膨脹/流量控制裝置以將液體冷凍劑流量對蒸汽冷凍劑流量比調(diào)節(jié)到預定比率。
18．按權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括在將膨脹的、蒸發(fā)的冷凍劑從換熱器熱端返回到壓縮機的裝置處的冷凍劑溫度變動極限控制，包括以下步驟(a)對在熱端返回冷凍劑預定一低溫變動極限值；(b)測定在熱端返回的冷凍劑溫度；(c)比較測定溫度和變動極限溫度；(d)如測定溫度低于變動極限溫度，則降低液體冷凍劑流量對蒸汽冷凍劑流量的比率，直到測定溫度高于變動極限溫度。
19．按權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括確定壓縮機排放壓力和壓縮機功率消耗，還進一步包括一過程參數(shù)的變動極限控制，該過程參數(shù)選自的類包括(a)壓縮機排放壓力；(b)壓縮機功率消耗；(c)冷膨脹/流量控制裝置；和(d)熱膨脹/流量控制裝置；該過程參數(shù)的變動極限控制是通過改變一壓縮機變量規(guī)定目標值達到的，該壓縮機變量選自的類包括(a)壓縮機速度；(b)導葉輪角度；(c)靜葉片角度。
20．按權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所需目標值的設立是利用一穩(wěn)態(tài)優(yōu)化計算完成的，優(yōu)化計算使用的因素選自的類包括(a)預定的LNG出口物流流量；(b)天然氣進給物流的條件；(c)冷凍循環(huán)中的冷凍劑量；(d)混合冷凍劑的組成；(e)操作壓力；(f)有用功率；(g)設備設計；(h)壓縮機特性；和(i)環(huán)境條件。
21．按權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，冷凍劑液流量對冷凍劑汽流量規(guī)定比的設立是利用穩(wěn)態(tài)優(yōu)化計算完成的，優(yōu)化計算使用的因素選自的類包括(a)預定的LNG出口物流流量；(b)天然氣進給物流的條件；(c)冷凍循環(huán)中的冷凍劑量；(d)混合冷凍劑的組成；(e)操作壓力；(f)有用功率；(g)設備設計；(h)壓縮機特性；和(i)環(huán)境條件。
22．按權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于(a)調(diào)節(jié)LNG出口物流流量是由LNG流量控制裝置的反饋控制完成的；(b)調(diào)節(jié)冷凍劑液流量至一預定值是由熱區(qū)膨脹/流量控制裝置的反饋控制完成的；(c)調(diào)節(jié)冷凍劑汽流量至一預定值是由冷區(qū)膨脹/流量控制裝置的反饋控制完成的；(d)冷凍劑液流量對冷凍劑汽流量比的一預定值是通過調(diào)節(jié)冷凍劑液流量的該預定值保持的；(e)總冷凍劑流量(液體和蒸汽)對LNG出口物流流量比率的一預定值是通過調(diào)節(jié)冷凍劑汽流量的該預定值得到的；和(f)LNG出口物流溫度的控制是通過調(diào)節(jié)總冷凍劑流量對LNG出口物流流量比的該預定值完成的。
23．按權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，作為流過壓縮機的物質(zhì)流量的一函數(shù)，調(diào)節(jié)冷凍劑壓縮機的速度以得到最大的壓縮機效率。
24．按權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，作為流過壓縮機的物質(zhì)流量的一函數(shù)，調(diào)節(jié)冷凍劑壓縮機的導葉角度以得到最大的壓縮機效率。
25．按權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，作為流過壓縮機的物質(zhì)流量的一函數(shù)，調(diào)節(jié)冷凍劑壓縮機的靜葉片角度以得到最大的壓縮機效率。
26．按權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括在將膨脹的、蒸發(fā)的冷凍劑從換熱器熱區(qū)返回到壓縮機的裝置處返回冷凍劑溫度的變動極限控制，包括以下步驟(a)對在熱端返回的冷凍劑預定一低溫變動極限值；(b)測定在熱端返回的冷凍劑溫度；(c)比較測定溫度和變動極限溫度；(d)如測定溫度低于變動極限溫度，則降低液體冷凍劑流量對蒸汽冷凍劑流量比，直到測定溫度變成高于變動極限溫度。
27．按權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，液體冷凍劑流量對蒸汽冷凍劑流量的預定值是利用穩(wěn)態(tài)優(yōu)化計算確定的，優(yōu)化計算使用的因素選自的類包括(a)預定的LNG出口物流流量；(b)天然氣進給物流的條件；(c)冷凍循環(huán)中的冷凍劑量；(d)混合冷凍劑的組成；(e)操作壓力；(f)有用功率；(g)設備設計；(h)壓縮機特性；和(i)環(huán)境條件。
28．控制液化天然氣出口物流產(chǎn)量的設備，此時通過冷凍流過液化過程的天然氣，該設備包括測量LNG出口物流溫度和流量的測量裝置；和控制裝置用于(a)改變天然氣冷凍作用以調(diào)節(jié)LNG出口物流溫度值，和(b)單獨調(diào)節(jié)流過該過程的LNG流量，從而將LNG出口物流的流量保持在一預定流量值，將溫度保持在一預定溫度值。
29．按權(quán)利要求28所述的設備，其特征在于，控制裝置進一步包括改變一與提供冷凍的壓縮機有關值的裝置，由此調(diào)節(jié)LNG出口物流的溫度值。
30．按權(quán)利要求29所述的設備，其特征在于，壓縮機調(diào)節(jié)一冷凍劑的流量和壓力，而該與壓縮機有關的值則是至少一個選自的類包含壓縮機的速度、導葉角度和靜葉片位置的壓縮機值，以調(diào)節(jié)封閉冷凍環(huán)路的操作，從而調(diào)節(jié)LNG出口物流的溫度值。
31．按權(quán)利要求30所述的設備，其特征在于，該設備進一步包括以限定壓縮機至少一個壓縮機值的一操作范圍變動極限為基礎確定一相應目標值的裝置；和調(diào)節(jié)至少一個壓縮機值至該相應目標值的裝置，和該改變裝置包括以對至少一個壓縮機值調(diào)節(jié)為基礎，改變至少一個與冷凍劑循環(huán)有關值的裝置，從而使LNG出口物流保持流量和溫度。
32．按權(quán)利要求28所述的設備，其特征在于，該設備進一步包括改變提供冷凍的冷凍劑混合冷凍劑值的裝置，從而調(diào)節(jié)LNG出口物流的溫度值。
33．按權(quán)利要求32所述的設備，其特征在于測量裝置進一步包括(a)測量MR流量和LNG出口物流流量的裝置(b)形成MR流量對LNG流量一比率的裝置；和控制裝置進一步包括調(diào)節(jié)該比率以調(diào)節(jié)封閉冷凍環(huán)路操作的裝置，從而調(diào)節(jié)LNG出口物流的溫度值。
34．按權(quán)利要求33所述的設備，其特征在于，該設備進一步包括測量混合冷凍劑汽流量和混合冷凍劑液流量的第二裝置，和裝置用于(a)調(diào)節(jié)MRL流量以設定MR流量，和(b)連續(xù)調(diào)節(jié)MRV流量以調(diào)節(jié)該比率直到達到一閥變動極限；和其后改變提供冷凍作用一壓縮機值的裝置，從而調(diào)節(jié)LNG出口物流的溫度值。
全文摘要
一種使用一換熱器和一封閉冷凍環(huán)路由天然氣生產(chǎn)液化天然氣過程的控制系統(tǒng),使用該控制系統(tǒng)時通過調(diào)節(jié)冷凍作用單獨直接地控制生產(chǎn)和溫度,使之與設定產(chǎn)量相匹配。該控制系統(tǒng)設在要求的產(chǎn)量值上并控制LNG生產(chǎn),并通過調(diào)節(jié)提供給天然氣流的冷凍作用單獨地控制LNG溫度。一個典型方法使用例如壓縮機速度作為一關鍵可控變量可使LNG溫度調(diào)節(jié)達到快速而穩(wěn)定。除壓縮機速度外其它壓縮機變量可以是關鍵可控變量,這取決于所用MR壓縮機的種類,而且在離心式壓縮機中可以是導葉角度,在軸流式壓縮機中可以是靜葉片角度。第二典型方法使用總再循環(huán)冷凍劑流量對LNG流量的比率作為關鍵可控變量以有效地控制LNG溫度。
文檔編號F25J1/02GK1220385SQ9811638
公開日1999年6月23日 申請日期1998年7月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月24日
發(fā)明者J·A·曼德勒, P·A·布羅楚, 小J·R·哈米爾頓 申請人:氣體產(chǎn)品與化學公司