[发明专利]混合冷冻剂液化天然气设备中的生产和温度调节控制方法和装置

说明书

本发明涉及液化天然气(LNG)生产的控制系统领域，具体地说，涉及LNG生产和LNG温度的控制方法和系统。

应用多组分冷冻剂的天然气液化系统全世界都在使用。在整个工业中都用多组分冷冻剂方法和冷冻设备，对于有效地操作装置，LNG生产过程的控制是很重要的，特别是在想从一固定装置得到逐渐增长的产量或想调整外部过程干扰时。世界上应用混合冷冻剂方法的许多基本负荷LNG装置是人工控制的，或控制仅仅满足关键控制项目的子系统。

对LNG装置的操作来说，同时并独立控制LNG产量和温度是重要的。通过固定和保持LNG产量，装置操作者可以适当地设计并实现产品发货计划要求的生产水平。将离开主冷冻换热器的LNG温度保持在一特定范围内对下游加工和防止下游设备问题是很重要的。一旦实现了对关键变量的调节控制，就可以适当执行优化对策。然而，如果调节控制不合适，即使是经常性的操作也会受到不利的影响。

现有技术的一种控制系统是基于1989年2月28日授予查尔斯牛顿(Charles Newton)的美国专利4,809,154的设想，其题目为“多组分冷冻系统的自动控制系统”，已由本文列为参考，该控制系统用于控制主冷冻换热器/混合冷冻剂环路系统。美国专利号4,809,154中推荐的控制对策作为其目的应实现单位能耗的最高产量。冷冻能力是通过设定低压和高压多组分或混合冷冻剂(MR)压缩机的速度，并通过用MR补充阀和高压分离器的通风和排泄阀调节MR的总含量和组成来确定的。压缩机速度、补充阀以及通风和排泄阀由操作者在必要时加以调节，但这些不是自动调节控制对策的一部分。调节控制对策由三个主要反馈环路组成。调节一冷JT阀以反馈控制MR压缩机两端之间的压缩比。调节一热JT阀以反馈控制重质MR(混合冷冻剂液或称MRL)对轻质MR(混合冷冻剂汽或称MRV)的比率。LNG排出温度的控制是由LNG排出阀完成的。

图10是现有技术中混合冷冻剂液化天然气装置40的级联控制系统流程示意图，也标明一些传感器的位置。如图10所示，MR LNG装置40包括一天然气输入进给管路10，天然气流经阀12至一换热器14。在换热器14中冷却后，LNG在管路11处是作为出口物流由焦耳-汤姆逊(JT)LNG排出阀30提供的。在换热器14中通过使用具有MR的封闭冷冻环路换热过程使天然气冷却。MR包括一汽组分MRV和一液组分MRL。在LNG装置中的液化方法和LNG装置中实施这一方法的部件是众所周知的，并被详细地描述在1973年10月9日授予小李S.高沫(LeeS.Gaumer,Jr)等人的美国专利号3,763,658中，其题目是“联合级联和多组分冷冻系统和方法”，本文已列入参考。

经管路10提供到换热器14中的天然气，在提供到液化过程的多组分冷冻部分之前，可以首先经过包括至少一个单组分冷冻循环分离和处理过程的加工。在该初次加工中，天然气可以在28kg/cm²a和70kg/cm²a之间的压力下由一气源来提供，其常用值为约49kg/cm²a。这一压力是由系统对分离重质烃、杂质、水或其它不必要化合物的要求而确定的。然后使天然气由第一单组分换热过程冷却到第一个温度，这一温度通常约为环境温度(21℃)。在冷却天然气时，使用一相分离器来除去冷凝水，然后将天然气流进给到一个或多个干燥器以除去额外的水分。

那时使干燥的天然气流在第二个换热过程中进一步冷却到约-1℃，然后提供到洗涤塔或其它类似的装置以除去苯和其它重质烃。然后将来自洗涤塔的天然气流在第三个换热过程中进一步冷却到约-35℃，并在那时供给使用多组分冷冻循环的双区换热器14。

参看图10，当天然气流经一双区换热器14时发生液化过程。来自分离和加工过程的天然气从进给管路10由进气阀12进入双区换热器14，并向上在换热器14的一热管束110处通过管路114。管路114中的天然气通过在管路上方由喷嘴集管124向下喷出的MR逆流流动而被冷却。天然气在管路114中流动，该管路包含在热管束110内，这是第一区，在换热器壳122内。天然气进给流流入冷管束112，这是第二区，向上通过管路115，由从喷嘴集管126流出的MR第二个逆流流动使其冷却。

MR可以是一由氮、甲烷、乙烷和丙烷组成的混合物，被用来在换热器114的壳122内提供冷冻作用。众所周知，在换热器14内MR可以作为液体和作为蒸汽来提供。由于MR在换热器的壳壁上蒸发，使天然气和MR之间进行有效的热交换。