Способ управления процессом сжижения газа

 

Использование: сжижение газов и их смесей, в частности в процессах регулирования сжижением природного газа. Сущность изобретения: периодически определяют температуру окружающего воздуха и при данной температуре определяют оптимальные условия процесса сжижения газа, включая контрольные точки системы регулирования с обратной связью в данное время. Процесс сжижения проводят при оптимальных условиях. Учитывая контрольные точки, периодически предсказывают температуру окружающего воздуха и по ее значению определяют новые оптимальные условия процесса сжижения газа. 2 с. и 16 з. п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

Изобретение относится к сжижению газов, в частности к способу контроля процесса сжижения природного газа.

Сжижение природного газа применяется в удаленных районах, богатых природным газом, для перевода его в транспортабельную жидкость для отгрузки на рынки бедных энергией регионов. Было бы желательно снизить специфическое энергопотребление для получения сжиженного природного газа (СПГ) для снижения стоимости конечного продукта и/или повышения рентабельности производства СПГ. С другой стороны, в некоторых случаях необходимо максимизировать производство СПГ, в то время как потребление наименьшего количества энергии возможно при максимальной производительности. Сжижение природного газа при криогенных температурах требует одной или более энергонасыщенных охладительных систем и надежный контроль этих охладительных систем является критическим для минимизации энергопотребления или максимизации производства СПГ.

Системы контроля с обратной связью широко используются для эффективной работы предприятий СПГ при контроле пертурбаций, обычно встречающихся на производстве в таком большом и сложном процессе. Эти пертурбации происходят, например, благодаря нарушениям в работе какого-либо оборудования, установления условий работы операторами завода, изменения производительности и т.п. В этих системах контроля с обратной связью множество параметров, включая давление, скорость потока, температуру, состав и уровень жидкости, со специфических точек процесса контролируются путем измерения каждого параметра, определения отклонения каждого параметра от его заданного значения и использования значения отклонения для управления единиц оборудования, расположенной где-либо в процессе (например, вентилем) для минимизации отклонения этого измеренного параметра от его установленного значения. Специфические аппаратные и программные средства, применяемые в таких системах контроля с обратной связью хорошо известны в области контроля промышленных процессов.

Известен способ контроля процесса сжижения газа, при котором температура на охлаждающей стороне главного положительного теплообменника контролируется добавкой подходящего количества приготовленного хладагента к рециркулирующему потоку хладагента [1] Дополнительно давление в этом месте контролируется путем регулирования скорости компрессора хладагента.

Известен способ контроля процесса охлаждения с использованием сжижения природного газа, при котором уровень жидкости в одном или более испарительных барабанах хладагента поддерживается контролированием скорости потока жидкости через барабан [2] Уровень жидкого хладагента в главном ожижительном теплообменнике поддерживается регулированием скорости потока рециркулирующего хладагента через клапан разрежения давления.

Автоматизированная система контроля для многокомпонентой охладительной системы, используемой для сжижения природного газа, включает множество сенсоров для определения различных условий производства, таких как температура, давление, поток и состав, множество автоматических регуляторов, таких как сервоуправляемые клапаны и компьютер для выполнения программы регулирования [4] Эта система управляет производством для обеспечения желаемой производительности с максимально возможной эффективностью или максимизации производительности, в то время как при этой производительности достигнута наивысшая эффективность. Эта система контроля реагирует на изменения условий производства и затем устанавливает различные части оборудования для исключения отклонения от желаемых установленных значений: контрольная система таким образом работает методом обратной связи.

Много предприятий СПГ расположено в удаленных городах, где компрессоры хладагента приводятся в действие паровыми турбинами с использованием получаемого на месте пара или газовыми турбинами, сжигающими часть газа, поступающего на предприятие, или готового продукта. Газовые турбины во многом предпочтительнее паровых благодаря их потенциально более низкой общей стоимости. Газовые турбины имеют однако тот недостаток, что их мощность зависит от температуры окружающего воздуха. Повышение окружающей температуры имеет два возможных эффекта для получения СПГ; если турбина не работает с максимально возможной мощностью, для поддержания производства СПГ необходимо увеличение потока топлива в камеру сгорания турбины; или если турбина работает с максимально возможной мощностью, то ее мощность на выходе понизится, понизится таким образом и производство СПГ. Снижение окружающей температуры обычно вызывавет противоположный эффект, когда выход мощности газовой турбины повышается. К тому же, если положение предприятия требует использования наружного воздуха для промежуточного и конечного охлаждения компрессора хладагента теплоотвод из системы охлаждения снижается при повышении окружающей температуры, что ведет к снижению доступного для снижения газа количества холода.

Поскольку температура окружающей среды циклически проходит через минимум и максимум каждый день или может быть подвержена широким колебаниям из-за различных погодных изменений, оптимизация процесса сжижения газа невозможна с использованием систем контроля с обратной связью. Изобретение решает эту проблему и позволяет оптимизировать работу предприятия СПГ при изменяющейся окружающей температуре.

Данное изобретение это способ проведения процесса сжижения газа, при котором исходный газ сжижают в ожижительной системе при непрямом теплообмене по крайней мере с одним хладагентом, полученным в холодильной системе, которая использует по крайней мере один компрессор, приводимый в движение газовой турбиной и в котором холодильная система использует по крайней мере один контур регулирования с обратной связью. Этот способ включает следующие стадии: а определение температуры окружающего воздуха в месте проведения процесса сжижения в данное время; б определение оптимальных условий работы процесса ожижения, включая установление контрольной точки контура регулирования с обратной связью в данное время и проведение процесса сжижения при оптимальных условиях, включая контрольную точку контура регулирования с обратной связью; в предсказание температуры окружающего воздуха на будущее время; г определение новых оптимальных условий работы процесса ожижения, включая новую контрольную точку контура регулирования с обратной связью на будущее время и изменение оптимальных условий работы процесса на новые, включая изменение контрольной точки на новую; д проведение процесса ожижения в новых оптимальных условиях работы, включая новую контрольную точку; е повторение стадий а, с, g и е в интервале времени, определенном как разница между данным временем и будущим временем.

Эти стадии составляют способ прямого регулирования процесса ожижения, который упреждает изменения температуры окружающего воздуха для поддержания оптимальных рабочих условий процесса.

Оптимальные условия могут быть выбраны для минимизации специфического потребления топлива, необходимого для сжижения исходного газа, при поддержании скорости ожижения исходного газа при минимизированном специфическом потреблении топлива при данном расходе сырья.

Предсказание температуры окружающего воздуха на выбранное будущее время может быть достигнуто при использовании ежедневных прогнозов погоды для места расположения ожижительного предприятия либо может быть предсказано путем экстраполяции регулярно повторяющихся измерений температуры сделанных, ранее, и в каждое данное время.

Изобретение также включает систему, состоящую из необходимых элементов для осуществления указанных стадий, включая дистанционную контрольную систему для оптимизации рабочих условий и переустановки контрольной точки в одном или более контурах регулирования с обратной связью в ожижительной и охладительной системах.

На фиг. 1 приведена упрощенная схематическая блок-диаграмма процесса; на фиг. 2 диаграмма окружающей температуры во времени в фактическом месте проведения процесса сжижения газа; на фиг. 3 более подробная схема процесса.

Контрольная система может быть применена в любом процессе сжижения газа, который использует один или более газотурбинно-приводных компрессоров в охладительной системе, которая предварительно охлаждает и сжижает исходный газ. Исходный газ это обычно природный газ, который сжижают в отдельных районах для транспортировки на далекие рынки.

Предварительно высушенный и сжатый природный газ потоком I при температуре окружающей среды и давлении от 300 до 1700 фунтов/дюйм поступает в охладительную систему 201, в которой этот поток охлаждается непрямым теплообменом с первым испаряющимся хладагентом в закрытом контуре охладительной системы известного типа. Хладагент для этой системы может быть выбран из аммиака, азота, метана, этана, этилена, пропана, пропилена, бутана и их смесей. Охлажденный исходный газ между -10 и -80^оF поступает по линии 3 в систему сжижения газа 203, в которой поток далее охлаждается и сжижается при непрямом теплообмене с испаряющимся хладагентом. Конечный сжиженный газовый продукт потоком 5 удаляют из системы газоожижения 203 при типичном давлении от 0,5 до 5 фунтов/дюйм и температуре между -255 и -265^оF. Хладагент потоком 7, который может включить один или более потоков хладагента из охладительной системы 201, нагревается и испаряется в ожижительной системе 203, сжижая таким образом исходный газ; испаренный хладагент потоком 9 возвращается в охладительную систему 201, где он сжимается, охлаждается, частично сжижается и возвращается в качестве хладагента 7 в систему газоожижения 203. Система охлаждения 203 использует один (или более) центробежный и/или осевой компрессор, приводимый в движение с помощью валов 15 и 17 газотурбинной системы 205, в которой воздух 11 и топливо 13 сжижаются для обеспечения работы вала, приводящего компрессор хладагента.

Термин специфическая мощность использован здесь в значении мощности на валу газовой турбины, приходящейся на единицу производительности сжиженного газового продукта. Термин специфическое потребление топлива использован здесь в значении количества сжигаемого топлива в газовой турбине на единицу полученного сжиженного газового продукта. Термин максимально доступная мощность использован здесь в значении выходной мощности турбины при работе на максимально допустимой температуре для данного значения окружающей температуры. При повышении специфической мощности специфическое потребление топлива также повышается, при снижении специфической мощности также снижается и специфическое потребление топлива. Если предприятие СПГ работает в условиях оптимального устойчивого состояния, повышение температуры среды повысит и специфическую мощность, и специфический расход топлива. Это повышение может быть минимизировано с помощью подходящей стратегии регулирования процесса. Таким образом, общей целью изобретения служит минимизация суммарного специфического потребления топлива для заданного значения производительности при суточных и сезонных колебаниях температуры окружающего воздуха.

Системы регулирования с обратной связью широко используются в процессах химического и нефтехимического производства для достижения эффективной работы предприятия при контроле пертурбаций, обычно встречающихся на производстве в таком большом и сложном процессе. Эти пертурбации происходят, например, благодаря нарушениям в работе какого-либо оборудования, при установлении условий работы операторами завода, изменении производительности и т.п. В таких системах контроля с обратной связью множество параметров, включая давление, скорость потока, температуру, состав и уровень жидкости в специфических точках процесса контролируются путем измерения каждого параметра, определения отклонения каждого параметра от его заданного значения и использования значения для управления единицей оборудования, расположенной где-либо в процессе (например, вентилем) для минимизации отклонения этого измеренного параметра от его установленного значения. Специфические аппаратные и программные средства, применяемые в таких системах контроля с обратной связью, хорошо известны в области контроля промышленных процессов.

Регулирование с обратной связью широко используется в работе предприятий СПГ. Действие газотурбинной системы 205 также хорошо известно и может включать один или более элементов контроля с обратной связью. Такие методы регулирования с обратной связью позволяют достичь высокоэффективной устойчивой работы предприятия СПГ путем соответствия изменениям и умеренным нарушениям работы предприятия. При работе предприятия СПГ охладительный компрессор которого приводится в действие газовой турбиной, температура окружающего воздуха сильно меняется, что служит основным препятствием оптимальному течению процесса. Природа этого препятствия зависит от условий работы турбины и времени изменения температуры воздуха. Во-первых, если турбина работает не на максимально доступной мощности и температура окружающего воздуха повышается, скорость горения в камере сгорания турбины также должна быть повышена для поддержания выхода мощности и соответствующей производительности СПГ. Следовательно, это повышает специфический расход топлива, если регулирующая система предприятия работает с фиксированными контрольными точками.

Во-вторых, если турбина работает на максимальной мощности и температура окружающего воздуха повышается, выход мощности турбины падает, поскольку дополнительное сгорание невозможно. Это в свою очередь будет снижать мощность охладительного компрессора, что снизит доступное охлаждение и производство СПГ, если регулирующая система предприятия работает с фиксированными контрольными точками.

Эти изменения мощности турбины также могут влиять на скорость компрессора и снижать его эффективность. Общий эффект повышения температуры окружающего воздуха состоит в снижении производства СПГ и повышении специфического расхода топлива. Падение температуры окружающего воздуха вызывает противоположный эффект, поскольку мощность газовой турбины повышается. Дополнительный эффект проявляется, если предприятие использует окружающий воздух для промежуточного и конечного охлаждения компрессора хладагента повышение температуры воздуха уменьшает теплоотвод из охладительной системы, что снижает количество доступного холода и производство СПГ.

Из-за этого обычные системы регулирования с обратной связью не могут полностью отвечать условиям нестабильного состояния, вызванного изменениями температуры окружающего воздуха. Таким образом, работа предприятия не может быть оптимизирована для достижения минимума специфического потребления топлива для данной производительности СПГ при изменении окружающей температуры.

Изобретение решает эту проблему с использованием системы прямого регулирования, учитывающей динамические изменения температуры окружающего воздуха и изменяющей контрольные точки в одном (или более) контуре регулирования с обратной связью в охладительной, ожижительной или газотурбинной системах для регулирования работы компрессора и охладительной системы для достижения минимального специфического потребления топлива в заданный период времени при колебаниях окружающей температуры в суточном цикле.

Температура воздуха, поступающего потоком 11 в газотурбинную систему 205 (такая же, как и температура окружающего воздуха), определяется в данное время измерителем значений температуры 19, превращается температурным индикатором/передатчиком 21 в сигнал 23 и посылается в предсказатель окружающей температуры 209. Предсказатель окружающей температуры это обычно компьютерная система, использующая один или более алгоритмов для предсказания окружающей температуры в будущее время и передающая текущую и предсказанную температуру в виде сложного сигнала в следящий контрольный компьютер 207. Предсказатель окружающей температуры 209 показан как отдельный элемент, хотя он может быть включен в состав следящего контрольного компьютера 207. Предсказания будущей окружающей температуры повторяются раз в 2-60 мин в зависимости от времени динамического отклика охладительной системы 201, ожижительной системы 203 и газотурбинной системы 205 или других критериев. Обычно будущую температуру воздуха нужно предсказывать примерно каждые 15 мин.

Предсказатель окружающей температуры может работать одним из двух способов. Во-первых, окружающая температура может быть предсказана на основе ежедневного прогноза погоды и/или долгосрочного усреднения ежедневных температурных колебаний в месте расположения предприятия. Эта информация введена в качестве сигнала 27. На фиг. 2 показаны текущие температурные колебания за трехдневный период летом и зимой на работающем предприятии СПГ; аналогичные данные, усредненные в течение более долгого времени, могут быть введены и храниться в предсказателе окружающей температуры 209 для использования. С другой стороны, специальная температурная информация для дождливой, штормовой и другой необычной погоды может быть введена по решению операторов производства. Другой способ состоит в предсказании температуры экстраполяцией регулярных температурных измерений, сделанных ранее и в данное время с использованием подходящего алгоритма в предсказателе окружающей температуры 209. Предсказанная температура посылается сигналом 29 в следящий контрольный компьютер 207.

Следящий контрольный компьютер 207 может быть любого из описанныx в Encyclopedia of Chemical Technology vol. 13 1981 Wieley Interscience, New Jork, р. 490 типов. В данном изобретении можно использовать тип вторичного регулирующего контура, внешнего к контурам регулирования с обратной связью, которые работают в системе охлаждения 201, системе сжижения 203 и/или газотурбинной системе 205. Этот тип следящей контрольной системы откликается на изменение одного или более внешних параметров и переустанавливает одни (или более) внутреннюю контрольную точку системы регулирования с обратной связью для достижения желаемого регулирования процесса. С другой стороны, изобретение может использовать второй тип следящей контрольной системы, а именно прямую цифровую контрольную систему, которая совмещает функцию внешнего контроля и функции индивидуального регулирования с обратной связью, исключая таким образом многочисленные элементы регулирования с обратной связью, работающие в системе охлаждения 201, системе сжижения газа 203 и газотурбинной системе 205. В дальнейшем описании изобретения используется первый тип следящей контрольной системы, хотя второй тип может быть использован в качестве альтернативы.

Работа следящего контрольного компьютера 207 требует информации о динамических характеристиках работы системы охлаждения 201, системы сжижения газа 203 и газотурбинной системы 205 для определения новых контрольных точек регулирования с обратной связью в зависимости от внешних изменений температуры окружающего воздуха. Эти динамические рабочие характеристики могут быть определены двумя альтернативными методами. Во-первых, динамическая модель процесса может быть получена известными методами и включать как элемент этот следящий контрольный компьютер 207, ключевые контрольные точки системы регулирования с обратной связью затем могут быть определены в реальном времени для любых заданных комбинаций окружающей температуры и изменений процесса. Динамическая модель процесса может быть модифицирована или отрегулирована, если необходимо, с учетом реального производственного опыта. Будущая температура окружающего воздуха предсказывается и вводится в следящий контрольный компьютер 207, и требуемые контрольные точки определяются для одного или более регуляторов с обратной связью, которые поддерживают процесс сжижения газа в желаемых оптимальных условиях Для определения этих новых контрольных точек подходящие регулируемые переменные величины измеряются в системе охлаждения 201, системе сжижения газа 203 и газотурбинной системе 205, измерения переводятся в характерные сигналы 31, 33 и 35 соответственно и вводятся наряду с сигналом 29 в следящий контрольный компьютер 207, который затем использует эти регулируемые переменные величины с предсказанной температурой окружающего воздуха (пропорционально сигналу 29) в модели процесса для определения оптимальных условий работы и новых контрольных точек. Эти новые ключевые контрольные точки регулирования с обратной связью затем передаются в систему охлаждения 201, систему сжижения газа 203 в виде характерных выходных сигналов 37 и/или 39. При необходимости контрольные точки регуляторов с обратной связью в газотурбинной системе 205 могут быть изменены аналогично.

Второй метод может быть использован в следящем контрольном компьютере для определения новых контрольных точек для ключевых регуляторов с обратной связью в упреждение изменений температуры окружающего воздуха. В этом методе весь процесс сжижения газа моделируется с использованием внешней системы имитации процесса и подходящие контрольные точки регулирования с обратной связью затем предсказываются в табличной форме для всех необходимых комбинаций температуры наружного воздуха и параметров работы процесса сжижения. Система имитации процесса может быть модифицирована или отрегулирована с использованием реального производственного опыта. Табличные данные хранятся в следящем контрольном компьютере 207, который затем устанавливает подходящие новые контрольные точки регуляторов с обратной связью на основе предсказанной будущей окружающей температуры и определенных параметров процесса сжижения и передает их как характерные сигналы 31, 33 и 35 в следящий контрольный компьютер 207. Эти новые контрольные точки передаются обратно в процесс сжигания, регулируя таким образом оптимальную работу процесса в упреждение изменений температуры окружающего воздуха.

Табличные данные могут быть получены анализом реальных данных работы предприятия для процесса сжижения газа. Обнаружено, что прямое регулирование процесса сжижения газа наилучшим образом достигается при регулярном изменении контрольных точек в двух критических контурах регулирования с обратной связью и системы охлаждения 201, а именно: контур 1 регулирующий отношение компрессии через смешанные компрессоры хладагента в системе охлаждения 201 и контур 2, регулирующий отношение потока испарившегося хладагента к потоку жидкого хладагента из системы охлаждения 201 в систему сжижения 203.

Сжатый и осушенный газ (см. фиг. 3), предпочтительно природный газ, потоком 1 поступает в охладительную систему 201, в которой охлаждается в холодной зоне 219 при непрямом теплообмене с первым испаряющимся хладагентом, циркулирующим в закрытом контуре системы охлаждения известного типа. Хладагент для этой системы может быть выбран из аммиака, азота, метана, этана, этилена, пропана, пропилена, бутана и их смесей. Охлажденный газовый поток 3 примерно между -10 и -80^оF поступает в главный ожижительный теплообменник 213, который является частью системы сжижения газа 203. Охлажденный газ охлаждают далее, сжижают и переохлаждают в змеевиковом теплообменнике с помощью непрямого контакта с потоками испаряющегося хладагента 41 и 43, спускающимися по главному теплообменнику 213. Полученный сжиженный газ расширяется через клапан 46 и далее охлаждается в змеевиковом теплообменнике 47 при непрямом контакте с потоком испаряющегося хладагента 43. Переохлажденный поток из змеевика 47 проходит через клапан 48 и образует поток продукта СПГ 5 при температуре от -255 до -265^оF и примерно от 0,5 до 5 фунтов/дюйм. Если необходимо, расширение может быть проведено с помощью турбодетандера вместо клапана 48.

Охлаждение в главном теплообменнике обеспечивается закрытым контуром охладительной системы 201, которая содержит многокомпонентный хладагент (МКХ), имеющий выбранный состав, включающий компоненты, выбранные из азота, метана, этана, этилена, пропана, пропилена и бутана. Специфический состав МКХ выбирается для получения оптимальной кривой охлаждения в главном теплообменнике 213. Испаренный МКХ отходит из теплообменника 213 по линии 9, готовый хладагент, если необходимо, добавляется по линии 50 либо в виде жидкости прямо в сепаратор 221. Весь испарившийся хладагент проходит по линии 51 к компрессору первой ступени 215, сжимается в центробежном компрессоре первой ступени 215, охлаждается в интеркулере 216, далее сжимается компрессором второй ступени 217 и в конце охлаждается в конечном холодильнике 218. Компрессоры 215 и/или 217 могут быть осевыми, Интеркулер 216 и афтеркулер 218 могут быть воздушными или водяными. Сжатый МКХ теперь при температуре обычно от 40 до 120^оF и давлении между 400 и 800 фунтов/дюйм поступает по линии 53 в зону охлаждения 219, где охлаждается и частично сжижается примерно между -10 и -80^оF и поступает в сепаратор 221 и паровой поток 57 удаляется оттуда. Выхлопные потоки 44, 59 и/или 71 могут удаляться из системы, в то время как новый хладагент может подаваться потоком 50 и/или в виде жидкости прямо в сепараторе 221 для поддержания состава и количества хладагента. Паровой поток 61 МКХ затем охлаждается в змеевиковых холодильниках 63 и 65 главного теплообменника сжижения 213 до температуры примерно от -220 до -265^оF, расширяется через клапан 67 с дальнейшим охлаждением примерно до температуры -225 -275^оF. Эта стадия расширения может быть проведена в турбодетандере, работающем в одиночку или с серией клапанов расширения. Охлажденный поток хладагента 43 поступает в верхнюю часть главного теплообменника 213 и движется вниз, обеспечивая охлаждение змеевиков 47 и 65. Поток жидкого хладагента 69 выходит из сепаратора 221, выхлопной поток 71, если необходимо, удаляется и поток жидкого хладагента возвращается обратно в главный теплообменник 213. Поток 73 далее охлаждается в змеевике 75 и еще более охлаждается при расширении через клапан 77, давая поток хладагента 41, который, двигаясь вниз по главному теплообменнику 213, обеспечивает охлаждение его донной части. Эта стадия расширения может быть проведена в турбодетандере, работающем отдельно или с серией клапанов расширения.

Компрессоры хладагента 215 и 217 приводятся от газотурбинной системы 205 через валы 15 и 17. Газотурбинная система 205 включает две газовые турбины 223 и 229, которые включают компрессоры, подающие воздух в камеру сгорания 225 и 231 и турбины расширения 227 и 223. Иным образом компрессоры 215 и 217 могут приводиться от общего вала одной газовой турбины. Поток воздуха 11 при температуре окружающей среды разветвляется, снабжая воздухом компрессоры 225 и 231, и поток топлива 13 разветвляется для обеспечения топливом зон сгорания в турбинах расширения 227 и 233. Продукты сгорания выходят из турбин расширения как выхлопные потоки 14 и 16. В газотурбинной системе может быть использовано любое подходящее топливо; на заводах СПГ топливом обычно служит часть исходного газа или испаренный газ продукта СПГ.

Система прямого регулирования, включающая в себя измерители/передатчики температуры наружного воздуха 19, 21 и 23, предсказатель наружной температуры 209 и следящий контрольный компрессор 207, идентична описанной (см. фиг. 1). Система прямого регулирования удерживает процесс сжижения в желаемых оптимальных условиях путем изменения контрольных точек двух ключевых контуров регулирования с обратной связью в системе охлаждения 201. Первый из этих ключевых контуров регулирует степень сжатия смешанного хладагента в компрессорах 215 и 217. Давление в потоке смешанного хладагента 51 на входе компрессора 215 определяется измерителем/передатчиком давления 79 и посылается в виде характерного сигнала в регулятор степени сжатия 235. Давление в потоке смешанного хладагента 53 на выходе из концевого холодильника 218 определяется измерителем/передатчиком давления 83 и посылается в виде характерного сигнала 85 в регулятор степени сжатия 235.

Этот регулятор с обратной связью определяет степень сжатия давлением сигнала 85 на сигнал 81 и сравнивает ее с заданным значением на данное время для данной температуры наружного воздуха; если имеется отклонение измеренного значения от заданной контрольной точки, регулятор посылает корректировочный сигнал 87 для повышения или снижения степени открытия регулирующего клапана 67 при помощи прибора обратной связи для регулирования падения давления потока 66 в достаточной мере для поддержания степени сжатия в желаемом заданном значении. Для снижения давления потока 66 возможно использование туpбодетандеpа. В этом случае скорость турбодетандера регулируется сигналом 87 регулятора с обратной связью 235 подходящим образом для получения желаемого соотношения давлений между потоками 51 и 53.

Второй ключевой контур с обратной связью регулирует соотношение потоков испаренного хладагента 61 и жидкого хладагента 76. Объемный расход потока испаренного хладагента 61 на входе в главный теплообменник 213 определяется измерителем/передатчиком расхода 89 и посылается в виде характерного сигнала 91 в регулятор соотношения потоков 237. Объемный расход потока жидкого хладагента 76 после охлаждения в главном теплообменнике 213 определяется измерителем/передатчиком расхода 93 и посылается в виде характерного сигнала 95 в регулятор соотношения потоков 237. Этот регулятор определяет соотношение потоков давлением сигнала 93 на сигнал 95 и сравнивает полученное значение с заданным контрольным для данного времени при данной температуре наружного воздуха; если имеется отклонение измерительного значения от заданного, регулятор посылает корректировочный сигнал 97 для повышения или снижения степени открытия контрольного клапана 77 с помощью прибора обратной связи в достаточной мере для поддержания желаемого заданного соотношения потоков. Для снижения давления потока 76 возможно использование турбодетандера. В этом случае скорость турбодетандера регулируется сигналом 97 регулятора с обратной связью 237 соответствующим образом для поддержания желаемого соотношения между потоками 61 и 76.

Эти два ключевых контура регулирования с обратной связью, которые обычно работают в комбинации с одним или более дополнительным контуром, поддерживают устойчивое состояние работы процесса снижения в желаемых оптимальных условиях при постоянной температуре окружающего воздуха.

Для оптимизации работы процесса сжижения при постоянной температуре на выходе газовой турбины и переменной температуре окружающего воздуха система прямого регулирования данного изобретения действует следующим образом. Во-первых, окружающая температура в будущее время прогнозируется предсказателем температуры 209. Сложный сигнал 29, характеризующий текущую и предсказанную температуру, поступает в следящий контрольный компьютер 207 наряду с характерными сигналами 31, 33, 35, которые представляют ключевые регулируемые параметры процесса, требующиеся для компьютера 207. Сигналы 31, 33 и 35 показанные на фиг. 3, представляют большее число регулируемых параметров процесса (в аналоговой форме), которые реально необходимы контрольному компьютеру 207 для проведения расчета процесса для прямого регулирования методом, известным в области контроля процессов.

При одном способе работы контрольный компьютер 207 использует измеренные регулируемые параметры процесса в динамической модели процесса сжижения для определения новых контрольных точек контуров регулирования с обратной связью в упреждение предсказанной окружающей температуре. Следящий контрольный компьютер 207 определяет новые заданные значения для регулятора степени сжатия 235 в упреждение будущей температуре воздуха и передает сигнал 37 в регулятор степени сжатия, который изменяет текущее заданное значение на новое. Аналогично следящий контрольный компьютер 207 определяет новую контрольную точку для регулятора соотношения потоков 237 в упреждение будущей температуре воздуха и передает сигнал 39 в регулятор 237, изменяя текущее заданное значение на новое. Эти шаги прямого регулирования повторяются через проходящие временные интервалы.

Таким образом, изобретение обеспечивает работу процесса сжижения в оптимальных условиях даже при изменении во времени температуры окружающего воздуха. Оптимальные условия могут быть выбраны для минимизации специфического потребления топлива, необходимого для снижения исходного газа или для максимизации производительности при наинизшем возможном специфическом потреблении топлива для этой производительности.

Дополнительный возможный метод прямого регулирования для упреждения изменений окружающей температуры это регулирование состава потока циркулирующего смешанного хладагента 51 (см. фиг. 3) и количества хладагента в системе. Поскольку общая эффективность процесса сжижения зависит в частности от эффективности теплопередачи в главном теплообменнике 213, важно регулировать количество и состав хладагента таким образом, чтобы эффективность теплопередачи была максимальной. Состав и количество хладагента могут быть при необходимости изменены путем добавления готового хладагента при контролируемом количестве и составе в поток 50 или готового жидкого хладагента непосредственно в сепаратор 221 (см. фиг. 3) при пропускании хладагента в контролируемых количествах потоками 44, 59 или 71 либо их комбинацией. Для упреждения снижения общей эффективности предприятия сжижения из-за предсказанного повышения температуры окружающего воздуха могут быть изменены состав потока хладагента 51 и/или количество хладагента методом регулирования для обеспечения минимальной эффективности работы. Этот метод регулирования мог бы быть использован в дополнение к методу прямого регулирования, при котором контрольные точки регулятора степени сжатия 235 и регулятора соотношения потоков пар/жидкость 237 изменяются через регулярные промежутки времени следящим контрольным компьютером 207 в упреждение предсказанной температуре воздуха. Динамическая модель процесса в компьютере 207 используется для определения оптимальных состава и количества хладагента так же, как и оптимальные контрольные точки для регуляторов 235 и 237 в упреждение предсказанной температуры воздуха. Если оптимальные состав и количество хладагента определяются для выбранного будущего времени, изменения состава и количества хладагента могут быть произведены подходящим автоматическим регулятором расхода и состава потока 50 и расхода потоков 49, 59, 71 либо вручную операторами производства.

П р и м е р 1. Процесс СПГ по фиг. 3 был смоделирован при двух температурах окружающей среды в условиях устойчивого состояния (без использования прямого регулирования) для иллюстрации действия окружающей температуры на течение процесса. Система охлаждения 219 была системой с замкнутым контуром пропана. Процесс вначале смоделировали для окружающей температуры 31^оС для определения условий устойчивости работы. Та же система затем была смоделирована для температуры 19^оС для определения новых условий устойчивой работы. Ряд специфических параметров поддерживался практически постоянным для обеих этих температур: количество многокомпонентного хладагента МКХ, температурный интервал на теплом конце главного теплообменника 213 (разница между потоком 9 и потоками 61 или 73) и температура исходного потока газа 3. Другим рабочим параметрам дали достичь их соответствующих устойчивых состояний, отражая таким образом различие окружающей температуры.

В табл. 1 показано влияние температуры окружающего воздуха на процесс СПГ.

П р и м е р 2. Для иллюстрации второго способа работы описанной системы прямого регулирования были вычислены условия процесса (фиг. 3), работающего при некотором характерном количестве МКХ для окружающих температур 20, 35 и 30^оС. Для каждого значения условий необходимые типичные общие степень сжатия в компрессорах 215 и 217 и соотношение потоков хладагента 61 и 73 для минимизации специфической мощности (в эффективных лошадиных силах на миллион стандартных кубических футов/день ЭЛС/МСКФД) были вычислены и табулированы для постоянной выходной температуры газовой турбины (табл. 2) и постоянной скорости компрессора 4500 RPM (табл. 3). Табличные данные, аналогичные приведенным в табл. 2, могут быть в следящем контрольном компьютере 207 для использования при втором способе работы по данному изобретению.

Характерные оптимальные параметры работы процесса СПГ при постоянной температуре на выходе газовой турбины приведены в табл. 2.

Характерные оптимальные параметры работы процесса СПГ при постоянной скорости компрессора хладагента приведены в табл. 3.

Результаты этого моделирования представлены в табл. 1. В результате повышения температуры производительность процесса СПГ снижается примерно на 6% хотя мощность компрессора хладагента, необходимая для данной производительности, повышается на 3,3% В результате специфическая мощность повышается на 10,3% При втором способе прямого регулирования табличные данные, аналогичные табл. 2 и 3, хранятся в следящем контрольном компьютере 207. В каждый интервал времени в компьютере 207 вводятся соответствующие системе охлаждения давления, температуры, уровня жидкости и составы в виде характерных сигналов 31, 33 и 35 и вычисляется количество МКХ. Температура окружающего воздуха предсказывается и передается сигналом 29 в следящий контрольный компьютер 207, который затем путем интерполяции определяет соответствующие табличные данные для степени сжатия и соотношения расходов хладагента, необходимые для достижения минимального специфического расхода топлива, определяет по этим соотношениям новые контрольные точки для регулятора степени сжатия 235 и регулятора соотношения потоков 237 соответственно, определяет и передает характерные сигналы 37 и 29, которые переустанавливают контрольные толчки этих двух регуляторов в упреждение предсказанной окружающей температуре. При этом способе работы система прямого регулирования предупреждает и компенсирует действие изменений окружающей температуры, оптимизируя посредством этого работу предприятия СПГ путем минимизации специфического потребления топлива.

Таким образом, воплощения данного изобретения включают новые и полезные методы управления процессом сжижения природного газа, имеющим один или более компрессор хладагента с газотурбинным приводом путем использования системы прямого регулирования, которая упреждает изменения температуры окружающего воздуха и переустанавливает контрольные точки одного или более регуляторов с обратной связью для минимизации специфического потребления топлива при заданной производительности по жидкости. Специфическое потребление топлива для такого процесса не может быть минимизировано при использовании фиксированных контрольных точек регуляторов с обратной связью, если окружающая температура изменяется; данное изобретение предлагает эффективный и практический метод перезадания контрольных точек таких регуляторов с обратной связью и, посредством этого достигает минимизации специфического потребления топлива при заданной производительности.

Формула изобретения

1. Способ управления процессом сжижения газа путем прямого регулирования процессом сжижения исходного газа при непрямом теплообмене по меньшей мере с одним хладагентом из системы охлаждения, использующей по меньшей мере один компрессор с газотурбинным двигателем и одну систему регулирования с обратной связью, отличающийся тем, что периодически определяют температуру окружающего воздуха и при данной температуре определяют оптимальные условия процесса сжижения газа, включая контрольные точки системы регулирования с обратной связью в данное время, а процесс сжижения проводят при оптимальных условиях, включая контрольные точки, периодически предсказывают температуру окружающего воздуха на будущее время и по ее значению определяют новые оптимальные условия процесса сжижения газа, включая новые контрольные точки системы регулирования с обратной связью в будущее время, изменяют оптимальные условия на новые оптимальные условия процесса сжижения, включая изменения контрольных точек на новые контрольные точки, и в новых оптимальных условиях провоят процесс сжижения, включая новые контрольные точки.

2. Способ управления процессом сжижения газа путем сжижения газа по меньшей мере одним хладагентом, который сжимается по меньшей мере в одном газотурбинном компрессоре, охлаждается, частично сжижается и разделяется на газообразный и жидкий потоки, охлаждает газообразный поток хладагента с частичным сжижением, расширяется, испаряется при непрямом теплообмене с предварительно охлажденным исходным газом и возвращается в газотурбинный компрессор с образованием замкнутого контура, отличающийся тем, что периодически замеряют температуру окружающего воздуха и проводят регулирование падения давления при расширении газообразного потока хладагента, поддерживая заданную степень сжатия в газотурбинном компрессоре для обеспечения оптимизации процесса сжижения газа при температуре окружающего воздуха в данное время, периодически предсказывают температуру окружающего воздуха на будущее время и определяют новую степень сжатия газотурбинного компрессора, необходимую для обеспечения оптимизации процесса сжижения газа при температуре окружающего воздуха в будущее время, и изменяют падение давления при расширении газообразного потока хладагента до нового значения, достаточного для получения новой степени сжатия в газотурбинном компрессоре.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что поток жидкого хладагента охлаждают, расширяют, испаряют при непрямом теплообмене с предварительно охлажденным исходным газом и возвращают на сжатие в газотурбинный компрессор, причем проводят регулирование соотношения массовых расходов охлажденного потока жидкого хладагента и потока газообразного хладагента, поддерживая заданную степень сжатия в газотурбинном компрессоре при минимизации специфического потребления топлива и производительность сжижения газа при температуре окружающего воздуха в данное время, определяют новое соотношение этих массовых расходов, необходимое для новой степени сжатия газотурбинного компрессора при температуре окружающего воздуха в будущее время, и изменяют соотношение потоков на новое значение, достаточное для получения новой степени сжатия газотурбинного компрессора.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что расширение потока газообразного хладагента проводят по меньшей мере частично в первом дроссельном клапане или в первом турбодетандере и регулируют снижение давления потока газообразного хладагента, при этом измеряют давление испарившегося потока хладагента, подаваемого в газотурбинный компрессор, и генерируют первый сигнал, измеряют давление потока хладагента на выходе из газотурбинного компрессора и генерируют второй сигнал, определяют степень сжатия в газотурбинном компрессоре делением второго сигнала на первый с получением третьего сигнала, а снижение давления потока газообразного хладагента регулируют степенью открытия первого дроссельного клапана или скоростью вращения ротора первого трубодетандера с использованием первого регулятора с обратной связью, сравнивая третий сигнал с установленным значением и изменяя степень открытия клапана или скорость вращения ротора турбодетандера для поддержания установленного значения.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что расширение потока жидкого хладагента проводят по меньшей мере частично во втором дроссельном клапане или во втором турбодетандере и регулируют снижение давления потока жидкого хладагента, при этом измеряют массовый расход потока жидкого хладагента и генерируют четвертый сигнал, измеряют массовый расход потока газообразного хладагента и генерируют пятый сиграл, опредеяют соотношение массовых расходов делением четвертого сигнала на пятый с получением шестого сигнала, а степень понижения давления регулируют степенью открытия второго дроссельного клапана или скоростью вращения ротора второго турбодетандера с использованием второго регулятора с обратной связью, сравнивая шестой сигнал с установленным значением и изменяя степень открытия клапана или скорость вращения ротора турбодетандера для поддержания установленного значения.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что хладагент включает в себя по меньшей мере один из компонентов, содержащихся в группе: азот, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутан и их смеси.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что хладагент после сжатия в газотурбинном компрессоре охлаждают по меньшей мере частично непрямым теплообменом с дополнительным потоком хладагента из дополнительного процесса охлаждения с замкнутым контуром.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что исходный газ предварительно охлаждают непрямым теплообменом с дополнительным потоком хладагента из дополнительного процесса охлаждения с замкнутым контуром.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что дополнительный хладагент включает в себя по меньшей мере один из компонентов, содержащихся в группе: азот, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутан и их смеси.

10. Способ по п. 3, отличающийся тем, что исходный газ природный газ, содержащий метан.

11. Способ по п.3, отличающийся тем, что сжатие хладагента в газотурбинном компрессоре проводят по меньшей мере в двух ступенях и после каждой ступени хладагента по меньшей мере частично охлаждают путем непрямого теплообмена с окружающим воздухом.

12. Способ по п.3, отличающийся тем, что температура потока на выходе из газовой турбины газотурбинного компрессора постоянна.

13. Способ по п.3, отличающийся тем, что температура окружающего воздуха в будущее время определяют по ежедневному прогнозу погоды в месте проведения процесса сжижения.

14. Способ по п.3, отличающийся тем, что температуру окружающего воздуха в будущее время определяют путем экстраполяции периодически замеряемой в месте проведения процесса сжижения температуры в предыдущее и данное время.

15. Способ по п. 4 или 5, отличающийся тем, что снижение давления в первом и втором дроссельных клапанах изменяют в зависимости от температуры окружающего воздуха в будущее время путем использования следящей контрольной компьютерной системы, при этом периодически измеряют температуры, давления, уровни жидкости и составы хладагента в процессе охлаждения в замкнутом контуре в данное время, преобразуют измерения в соответствующие электрические сигналы, по которым определяют состав и количество хладагента в замкнутом контуре, определяют новые значения снижения давления в первом и втором дроссельных клапанах, необходимых при будущей температуре окружающего воздуха для минимизации специфического потребления топлива для сжижения газа, определяют новые контрольные точки первого и второго регуляторов с обратной связью с получением седьмого и восьмого сигналов, пропорциональных новым контрольным точкам, причем седьмой сигнал используют для переустановки контрольной точки первого регулятора с обратной связью с получением нового значения снижения давления в первом дроссельном клапане, а восьмой сигнал для переустановки контрольной точки второго регулятора с обратной связью с получением нового значения снижения давления во втором дроссельном клапане.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что новые значения снижения давления определяют моделированием процесса сжижения исходного газа в будущее время следящей контрольной компьютерной системой в реальном времени.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что новые значения снижения давления определяют по базе данных следящей контрольной компьютерной системы, причем база данных получена моделированием устойчивого состояния процесса сжижения исходного газа при каждой температуре окружающего воздуха и количества и составе хладагента или анализом фактических данных процесса сжижения исходного газа при минимизации специфического потребления топлива.

18. Способ по п.7, отличающийся тем, что в дополнительном замкнутом процессе охлаждения используют по меньшей мере один газотурбинный компрессор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5