優化具有氮冷卻迴路的天然氣液化系統的設備和方法

2023-05-25 18:52:16

專利名稱：優化具有氮冷卻迴路的天然氣液化系統的設備和方法
技術領域：
本發明總體上涉及控制系統，更具體地涉及一種用於優化具有氮冷卻迴路的天然 氣液化系統(train)的運行的設備和方法。
背景技術：
液化天然氣設備典型地將原料氣轉換為液化天然氣(LNG)。例如，液化天然氣設備 可包括冷卻天然氣原料以產生液化天然氣的裝置。液化天然氣所佔空間遠小於天然氣，可 允許更經濟的天然氣運輸。由於各種因素，例如影響設備運行的大量工藝變量，通常難以控 制液化天然氣設備。人工操作員可對液化天然氣設備的關鍵運行變量進行周期性調整。但 是，這種人工控制通常是次優的，會導致產量損失和相應的金錢損失。

發明內容
本發明提供一種優化具有氮冷卻迴路的天然氣液化系統的運行的設備和方法。在第一實施方式中，一種設備包括配置為存儲至少一個模型的至少一個存儲器。 該至少一個模型與一個或更多操縱變量以及一個或更多受控變量相關。該一個或更多操縱 變量以及該一個或更多受控變量與天然氣液化系統相關。該設備也包括配置為確定如何使 用該至少一個模型調整一個或更多操縱變量以控制該一個或更多受控變量的至少一個處 理器。該一個或更多操縱變量中的至少一個以及該一個或更多受控變量中的至少一個與天 然氣液化系統中的氮冷卻迴路相關。在特定實施方式中，該一個或更多操縱變量包括與天然氣液化系統中的氮冷卻回 路相關的氮流量。在其他特定實施方式中，該至少一個處理器被配置為調整與氮冷卻迴路相關的壓 縮機的運行以調整氮流量。例如，該至少一個處理器可被配置為調整該壓縮機的速度和吸 氣壓力中的至少一個。在另外的其他特定實施方式中，該一個或更多受控變量包括退出氮迴路的液化天 然氣的餾出溫度(rundown temperature)和/或退出氮迴路的液化天然氣的熱值或發熱值。在第二實施方式中，一種方法包括確定如何調整一個或更多操縱變量以便控制一 個或更多受控變量。該一個或更多操縱變量以及該一個或更多受控變量與天然氣液化系統 相關。該方法也包括輸出用於基於所述確定來調整天然氣液化系統中的氮冷卻迴路的運行 的控制信號。在第三實施方式中，一種電腦程式包含在一種計算機可讀媒介上。該計算機程 序包括用於確定如何調整一個或更多操縱變量以便控制一個或更多受控變量的計算機可 讀程序代碼。該一個或更多操縱變量以及該一個或更多受控變量與天然氣液化系統相關。 該電腦程式也包括用於基於所述確定來調整天然氣液化系統中的氮冷卻迴路的運行的 計算機可讀程序代碼。
在第四實施方式中，一種系統包括被配置為控制天然氣液化系統的運行的多個控 制器。第一控制器被配置為確定如何調整與天然氣液化系統相關的一個或更多操縱變量以 便控制與天然氣液化系統相關的一個或更多受控變量。該一個或更多操縱變量的至少一個 以及該一個或更多受控變量的至少一個與天然氣液化系統中的氮冷卻迴路相關。對於本領域技術人員來講，通過以下附圖、說明和權利要求，其他技術特徵應該是 顯而易見的。


為了更完全地理解本發明，現結合附圖作為參考以做出以下說明，其中圖1顯示了依照本發明的示例性天然氣液化系統；圖2顯示了用於控制依照本發明的天然氣液化系統的示例性控制方案；圖3顯示了用於控制依照本發明的天然氣液化系統的示例性工藝控制器；以及圖4顯示了用於控制依照本發明的天然氣液化系統的示例性方法。
具體實施例方式圖1顯示了依照本發明的示例性天然氣液化系統100。圖1所示的天然氣液化系 統100的實施方式僅用於說明。也可使用不脫離本發明範圍的天然氣液化系統100的其他 實施方式。在該示例性實施方式中，天然氣液化系統100包括用於處理富含甲烷的原料氣 (天然氣)以產生液化天然氣(LNG)的設備。圖1所示的設備代表天然氣液化系統的一種 可能實施方式。也可使用具有其他或附加設備或者具有不同配置的設備的其他種類天然氣 液化系統或設備。在該實例中，天然氣液化系統100包括主熱交換器102，該主熱交換器102具有暖 端104、冷端106以及中間點108。主熱交換器102的壁限定出外殼110。在外殼110內，第 一通道112引導富含甲烷的原料氣並從熱交換器102的暖端104延伸至冷端106。同時，第 二通道114引導重製冷劑並從熱交換器102的暖端104延伸至中間點108。此外，第三通道 116引導輕製冷劑並從熱交換器102的暖端104延伸至冷端106。在正常運行期間，氣態的富含甲烷的原料以提高的壓力通過供應管道118在主熱 交換器102的暖端104處供應給主熱交換器102的第一通道112。原料氣穿過第一通道112 並被冷卻、液化，以及被在熱交換器102的外殼110中蒸發的製冷劑過冷卻。產生的液化天 然氣流通過管道120在主熱交換器102的冷端106處被從主熱交換器102的第一通道112 排出。液化流被送至氮冷卻迴路以額外冷卻，然後作為液化產品存儲。蒸發的製冷劑通過管道122在主熱交換器102的暖端104處被從主熱交換器102 的外殼Iio排出。壓縮機124壓縮蒸發的製冷劑以產生通過管道126釋放的高壓製冷劑。 壓縮機124被例如燃氣渦輪機的馬達128所驅動。馬達128可設有輔助的啟動裝置。管道126中處於高壓的製冷劑在空氣冷卻器130中被冷卻並在熱交換器132中被 部分地冷凝以成為部分冷凝的製冷劑。空氣冷卻器130可替換為製冷劑在其中被水(例如 海水)冷卻的熱交換器。在熱交換器132中，藉助於與在熱交換器132的外殼中以適當壓力蒸發的輔助製冷劑(例如丙烷)的間接熱交換器來排出高壓製冷劑中的熱。蒸發的輔助製冷劑隨後在例 如為丙烷壓縮機的壓縮機134中被壓縮。壓縮機134可被例如是燃氣渦輪機的馬達136驅 動。輔助製冷劑在空氣為外部冷卻劑的空氣冷卻器138中被冷凝。處於提高的壓力的冷凝 後的輔助製冷劑穿過具有膨脹閥142的管道140進入熱交換器132的外殼中。冷凝後的輔 助製冷劑被允許在熱交換器132中以低壓蒸發，蒸發後的輔助製冷劑回到壓縮機134。要理 解的是，可使用多個布置為並聯或串聯的壓縮機。同時，在該實例中，空氣冷卻器138可替 換為輔助製冷劑在其中被水(例如海水)冷卻的熱交換器。熱交換器132提供的高壓製冷劑通過進口裝置被導入分離容器144形式的分離 器。在分離容器144中，部分冷凝的製冷劑被分離為液態的重製冷劑部分和氣態的輕製冷 劑部分。液態的重製冷劑部分通過管道146排出分離容器144，而氣態的輕製冷劑部分通過 管道148排出。從管道146來的重製冷劑部分在主熱交換器102的第二通道114中被過冷卻以產 生過冷的重製冷劑流。過冷的重製冷劑流通過管道150排出主熱交換器102並被允許經過 膨脹閥152形式的膨脹裝置時膨脹。過冷重製冷劑流以降低的壓力通過管道154和噴嘴 156在主熱交換器102的中間點108處被導入主熱交換器102的外殼110。重製冷劑流被 允許在外殼110中以降低的壓力蒸發，從而冷卻在通道112-116中的流體。從管道148來的氣態輕製冷劑部分傳送給主熱交換器102中的第三通道116，在 其中該氣態輕製冷劑部分被冷卻、液化並被過冷卻以產生過冷的輕製冷劑流。過冷的輕制 冷劑流通過管道158排出主熱交換器102並被允許經過膨脹閥160形式的膨脹裝置時膨 脹。過冷輕製冷劑流被允許以降低的壓力通過管道162和噴嘴164在主熱交換器102的冷 端106處被導入主熱交換器102的外殼110。輕製冷劑流被允許在外殼110中以降低的壓 力蒸發，從而冷卻通道112-116中的流體。如上所述，液化天然氣流通過管道120排出主熱交換器102。液化天然氣流被允許 經過膨脹閥166形式的膨脹裝置時膨脹。液化天然氣流隨後進入進一步冷卻該液化天然氣 流的氮冷卻迴路。在該實例中，氮冷卻迴路包括具有單通道170、暖端172和冷端174的熱 交換器168。製冷劑(氮)在熱交換器168的冷端174處進入熱交換器168並在熱交換器 168的暖端172處退出熱交換器168。熱交換器168中氮的蒸發進一步冷卻液化天然氣流。在該實例中，氮通過管道176在熱交換器168的暖端172處排出熱交換器168。壓 縮機178壓縮氮以產生通過管道180釋放的高壓製冷劑。壓縮機178可被例如是燃氣渦輪 機的馬達182驅動。馬達182可具有輔助啟動裝置。作為特例，馬達182可使用丙烷運行 以將足夠高壓和足夠低溫的氮輸送至熱交換器168。高壓氮被允許經過膨脹閥186形式的膨脹裝置時膨脹。氮通過管道188以降低的 壓力在熱交換器168的冷端174處導入熱交換器168。退出熱交換器168的液化天然氣流穿過管道190。管道190具有膨脹閥192形 式的膨脹裝置以降低液化天然氣流的壓力。這允許得到的液化天然氣流經由進口裝置以 降低壓力導入閃蒸器194。在一些實施方式中，該降低的壓力大致等於大氣壓力。膨脹閥 192也控制液化天然氣的總流量。廢氣通過管道196排出閃蒸器194。廢氣可在末端閃蒸 (end-flash)壓縮機中被壓縮以產生高壓燃料氣，例如系統100中的燃氣渦輪機所用的燃 料氣。液化天然氣產品可通過管道198排出閃蒸器194並送至儲存。
在液化系統100中使用氮冷卻迴路可有助於為液化天然氣提供額外冷卻。例如， 氮冷卻迴路可為液化天然氣流提供高達30°C或更高的額外冷卻(超過主熱交換器102所提 供的冷卻)。這意味著，例如，可降低液化天然氣流的乙烷含量。這典型地降低了液化天然 氣的熱值/發熱值。此外，以後如果需要的話，液化天然氣可富含乙烷，或回收的乙烷可作 為液化處理的副產品出售。儘管圖1顯示了天然氣液化系統100的一個實例，但是可對圖1做出各種變化。例 如，可在任何合適配置或布置中使用其他或額外設備以產生液化天然氣。作為特例，可使用 氮冷卻迴路以為其他任何合適工藝所產生的液化天然氣提供額外冷卻。圖2顯示用於控制依照本發明的液化天然氣設備的示例性的控制方案200。圖2 所示的控制方案200的實施方式僅用於說明。也可不脫離本發明範圍而使用控制方案200 的其他實施方式。在該實例中，液化天然氣設備包括一個或更多天然氣液化系統lOOa-lOOn。每個天 然氣液化系統IOOa-IOOn均可與圖1所示的天然氣液化系統100相同或相似。設備可包括 任意適當數目的液化系統。圖2中的圖表也可顯示設備的各種工藝202a-202m。這些工藝可包括例如原料接 收202a以及原料預處理202b的前端工藝。這些工藝也可包括例如液化天然氣存儲202c 以及液化天然氣罐裝202d的後端工藝。這些不同的工藝可由例如為動力學優化工具的控 制系統204控制。控制系統204可整體優化工藝設備內相關的工藝。這使得控制系統204 可提供設備的總體優化，有助於確保設備運行期間接近整體最優。如圖2所示，可為每個天然氣液化系統IOOa-IOOn提供額外工藝控制器。例如，每 個液化系統均可包括多個工藝控制器。圖2中，系統IOOa包括工藝控制器206a、208a和 210a。系統IOOb也包括工藝控制器206b、208b和210b。此外，系統IOOn包括工藝控制器 206n、208n和210η。每個控制器或控制系統包括任何合適的硬體、軟體、固件或其組合以控 制部分或全部天然氣設備。每個控制器或控制系統可例如包括一個或更多處理器以及一個 或更多存儲有由處理器使用、產生或收集的指令和數據的存儲器。在該示例性實施方式中，與單個工藝系統IOOa-IOOn相關的每個控制器均可執 行用於控制該特定工藝系統的整體控制方案的子集。與單個工藝系統IOOa-IOOn相關的 控制器也可由控制系統204協調和優化。例如，控制系統204可產生提供給各個控制器 206a-206n,208a-208n以及210a-210n的控制信號，其中控制信號控制或改變這些控制器 如何運行。在該實例中，優化值212a-212n提供給系統IOOa-IOOn的第一工藝控制器 206a-206no每個系統中的第一工藝控制器可設定並控制該特定系統的富含甲烷的原料氣 的質量流速。該系統的富含甲烷的原料氣的質量流速的改變可影響該系統的主熱交換器 102中的條件，從而例如對主熱交換器102中的溫度產生影響。系統IOOa-IOOn的第二工藝 控制器208a-208n可控制系統中的製冷劑迴路，例如通過使用模型預測控制以控制向熱交 換器102和168供應的製冷劑。系統IOOa-IOOn的第三工藝控制器210a-210n可控制一個 或更多額外區域或工藝，例如分餾或去除酸性氣體。在設備正常運行期間(以及因此在系統IOOa-IOOn正常運行期間)，每個系統 IOOa-IOOn中的工藝均被控制，使得系統IOOa-IOOn以最高效率運行。例如，系統IOOa-IOOn的每一個均被控制，使得使用提供給系統中各種壓縮機和其他組件的功耗的最小值來達到 液化天然氣的最大輸出。這可通過例如在優化運行點驅動壓縮機來實現。例如，當用於存 儲液化天然氣的罐的容量耗盡或需要增加液化天然氣時，控制系統204能發送優化方案至 第一工藝控制器206a-206n。每個第一工藝控制器隨後將其系統的富含甲烷原料氣的流速 設置為依照其收到的優化方案的值。控制系統204可指示例如確定系統的液化天然氣量應降低。該系統的第一工藝控 制器可設定富含甲烷原料氣的流速為較低水平。結果，該系統中的主熱交換器102的第一 通道112的溫度可由於相對溫暖原料的較小供應而降低。該系統的第二工藝控制器可檢測 主熱交換器102中的較低溫度並反作用於該擾動。例如，為了補償該擾動，可調整向主熱交 換器102提供的製冷劑供應量和/或組成(例如重和輕製冷劑之比)以維持用於液化最近 設置的天然氣流的主熱交換器102中的所需溫差。如果控制系統204要求比某一系統的當前運行模式可生產的液化天然氣更多的 液化天然氣，可向該系統中的第一工藝控制器提供相應優化方案。該第一工藝控制器繼而 增加該系統中富含甲烷原料氣的流速。相對溫暖的原料氣的增加的流速可提高主熱交換器 102的第一通道112中的溫度。這可由第二工藝控制器檢測作為擾動。為了維持主熱交換 器102中適於液化天然氣的所需條件，給主熱交換器102的製冷劑供應量和/或組分可由 第二工藝控制器調整。如果當接收原料(例如從離岸管道)時發生波動，控制系統204可檢測原料流量 或組分的增大、減小或改變。控制系統204也可自動計算並發送相應優化方案至第一工藝 控制器206a-206n。第一工藝控制器206a-206n可例如反作用於增大或減小的原料可利用 率並調整負責控制系統IOOa-IOOn中富含甲烷原料氣的流速的閥的位置。如這些實例所示，這允許液化工藝在設備內以高效方式運行。例如，可能需要第二 工藝控制器208a-208n的模型預測控制的非人工調整。儘管圖2顯示了用於控制液化天然氣設備的控制方案200的一個實例，但也可對 圖2做出各種改變。例如，圖2所示的功能性劃分僅用於說明。圖2中各種組件可組合或 省略，並可依照特定需要增加額外組件。圖2中各種控制器和控制系統也可組合、省略或進 一步細分。作為特例，圖2中各種控制器和控制系統可在單個平臺或多個平臺上實施。圖3顯示了用於控制依照本發明的天然氣液化系統的示例性工藝控制器300。圖 3中的工藝控制器300可例如代表圖2所示控制方案200中的第二工藝控制器208a-208n。 圖3所示的工藝控制器300的實施方式僅用於說明。可不脫離本發明的範圍而使用工藝控 制器300的其他實施方式。在該實例中，工藝控制器300接收與一組操縱變量302相關的值、擾動值304和目 標函數306作為輸入。工藝控制器300產生與一組受控變量308相關的值作為輸出。通 常，控制器300控制的設備或工藝與各種代表設備或工藝各方面(例如流速、溫度、壓力或 體積)的「工藝變量」相關。控制器300可通過嘗試將「受控變量」(CV)維持在期望值或 其附近、或維持在期望運行範圍內來運行。期望值或期望運行範圍可由目標函數306限定。 控制器300通過改變一個或更多例如為閥開度或渦輪機速度的「操縱變量」(MVs)來嘗試維 持受控變量。「擾動值」 (DV)代表影響受控變量的值，其中擾動值可在改變操縱變量時由控 制器300考慮，但通常不受控制器300的控制(例如富含甲烷原料氣的質量流速的擾動)。通過控制某些受控變量，控制器300可優化設備或工藝所執行的生產過程。為了控制液化系統中的氮冷卻迴路，控制器300可使用以下操縱變量·至熱交 換器168的氮流量(其可例如通過改變壓縮機178的運行來調整，例如壓縮機的速度或吸 氣壓力)。控制器300可使用該操縱變量以控制以下受控變量中的一個或更多·退出熱 交換器168的天然氣流的餾出溫度；以及 退出熱交換器168的天然氣流的熱值。為了控制液化系統中的主冷卻迴路(主熱交換器102)，控制器300可使用一個或 更多下述操縱變量眷輕製冷劑的質量流量；以及眷重製冷劑的質量流量。控制器300可使 用這些操縱變量中的一個或更多來控制下列受控變量中的一個或更多·主熱交換器102 的第一通道112中的流體與主熱交換器102的外殼110中的處於主熱交換器102的暖端 104處的流體之間的溫度差； 主熱交換器102的第一通道112中的流體與主熱交換器102 的外殼110中的處於主熱交換器102的冷端106處的流體之間的溫度差；以及 主熱交換 器102的第一通道112中的流體與主熱交換器102的外殼110中的處於主熱交換器102的 中間點108處的流體之間的溫度差。當使用這些操縱變量中的一個或更多來控制這些受控變量中的一個或更多時，控 制器300可運行以優化對由富含甲烷原料氣的質量流量引起的擾動的補償。例如，工藝控 制器300可反作用於通過溫度變化獲得的擾動值304。S卩，可調整工藝控制器300以設置或 調整操縱變量302，從而維持期望溫度差(受控變量308)以便獲得適於液化富含甲烷原料 氣的必要條件。擾動值304可由富含甲烷原料氣的質量流速的改變因而由主熱交換器102 中的溫度改變引起，該擾動值304通過控制器300被補償。如上所示，控制器300可使用模型預測控制來運行。在這些實施方式中，控制器 300可使用一個或更多模型以確定如何調整一個或更多操縱變量以獲得一個或更多受控變 量的期望值。例如可使用涉及天然氣液化系統中各種設備的分步測試(step-test)數據來 產生這些模型。表1識別了可將某些受控變量與某些操縱變量相關聯的示例性模型。表1 中的模型以拉普拉斯變換形式顯示。
9
權利要求
一種設備，包括至少一個存儲器(312)，其被配置為存儲至少一個模型，所述至少一個模型與一個或更多操縱變量以及一個或更多受控變量相關，所述一個或更多操縱變量和所述一個或更多受控變量與天然氣液化系統(100，100a 100n)相關；以及至少一個處理器(310)，其被配置為確定如何使用所述至少一個模型來調整所述一個或更多操縱變量以便控制所述一個或更多受控變量；其中，所述一個或更多操縱變量中的至少一個以及所述一個或更多受控變量中的至少一個與所述天然氣液化系統中的氮冷卻迴路有關。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述一個或更多操縱變量包括與所述天然氣液化系統中的氮冷卻迴路相關的氮流量;以及所述至少一個處理器被配置為調整與所述氮冷卻迴路相關的壓縮機(178)的運行以 便調整所述氮流量。
3.根據權利要求2所述的設備，其中，所述一個或更多受控變量包括以下變量中的至 少一個退出所述氮迴路的液化天然氣的餾出溫度；以及 退出所述氮迴路的液化天然氣的熱值或發熱值。
4.根據權利要求1所述的設備，其中 所述氮冷卻迴路包括第一熱交換器(168)；以及所述一個或更多操縱變量中的至少一個以及所述一個或更多受控變量中的至少一個 與第二熱交換器(102)相關。
5.根據權利要求4所述的設備，其中所述第二熱交換器與輕製冷劑和重製冷劑相關；所述一個或更多操縱變量包括所述輕製冷劑的質量流量以及所述重製冷劑的質量流 量；以及所述一個或更多受控變量包括所述第二熱交換器的第一通道(112)中的流體與所述第二熱交換器的外殼(110)內的 處於所述第二熱交換器的暖端(104)處的流體之間的溫度差，所述第一通道被配置為接收 原料氣並輸出液化天然氣；所述第二熱交換器的第一通道中的流體與所述第二熱交換器的外殼內的處於所述第 二熱交換器的冷端(106)處的流體之間的溫度差；以及所述第二熱交換器的第一通道中的流體與所述第二熱交換器的外殼內的處於所述第 二熱交換器的中間點(108)處的流體之間的溫度差。
6.一種方法，包括確定如何調整一個或更多操縱變量以便控制一個或更多受控變量，所述一個或更多操 縱變量以及所述一個或更多受控變量與天然氣液化系統(100，100a-100n)相關；以及 基於所述確定來輸出用於調整所述天然氣液化系統中的氮冷卻迴路的運行的控制信號。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述一個或更多操縱變量包括與所述天然氣液化系統中的所述氮冷卻迴路相關的氮 流量；以及所述一個或更多受控變量包括以下變量中的至少一個退出所述氮迴路的液化天然氣的餾出溫度；以及退出所述氮迴路的液化天然氣的熱值或發熱值。
8.一種電腦程式，其被包含在計算機可讀媒介上，該電腦程式包括用於確定如何調整一個或更多操縱變量以便控制一個或更多受控變量的計算機可 讀程序代碼，所述一個或更多操縱變量以及所述一個或更多受控變量與天然氣液化系統 (100，100a-100n)相關；以及用於基於所述確定來調整所述天然氣液化系統中的氮冷卻迴路的運行的計算機可讀 程序代碼。
9.一種系統，包括多個控制器(206a、208a、210a)，所述多個控制器被配置為控制天然氣液化系統 (IOOa)的運行；其中，第一控制器(208a)被配置為確定如何調整與所述天然氣液化系統相關的一個 或更多操縱變量以便控制與所述天然氣液化系統相關的一個或更多受控變量；以及其中，所述一個或更多操縱變量中的至少一個以及所述一個或更多受控變量中的至少 一個與所述天然氣液化系統中的氮冷卻迴路相關。
10.根據權利要求9所述的系統，其中所述一個或更多操縱變量包括與所述天然氣液化系統中的所述氮冷卻迴路相關的氮 流量；以及所述一個或更多受控變量包括以下變量中的至少一個退出所述氮迴路的液化天然氣的餾出溫度；以及退出所述氮迴路的液化天然氣的熱值或發熱值。
全文摘要
一種天然氣液化系統(100，100a-100n)包括氮冷卻迴路。提供用於通過調整一個或更多操縱變量來控制一個或更多受控變量的控制器(208a-208n，300)。該一個或更多操縱變量可包括與該天然氣液化系統中的該氮冷卻迴路相關的氮流量。該控制器可通過調整與該氮冷卻迴路相關的壓縮機(178)的運行來調整該氮流量；該一個或更多受控變量可包括退出該氮迴路的液化天然氣的餾出溫度和/或退出該氮迴路的該液化天然氣的熱值或發熱值。第二控制器(206a-206n)可控制該天然氣液化系統的其他方面，例如通過控制該天然氣液化系統中的原料氣的質量流速。
文檔編號F25J1/02GK101986790SQ200880019854
公開日2011年3月16日 申請日期2008年6月9日 優先權日2007年6月12日
發明者B·A·考爾德 申請人:霍尼韋爾國際公司