CN102405389A - 用于冷却低温换热器的方法和设备以及使烃流液化的方法 - Google Patents

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Abstract

用于冷却低温换热器的方法和设备，其采用了一可编程控制器，所述可编程控制器接收表示所选定的工序中的一个或更多个控制变量的传感器信号的输入信号，并生成控制信号以控制所选定的工序中的一个或更多个操纵变量。可编程控制器可以执行一计算机程序，所述计算机程序包括具有至少三个模块的网络。网络中的这些模块互连，使得由所述至少三个模块中的第二和第三模块接收的触发信号对应于所述至少三个模块中的第一模块达到该模块的预定目标时所产生的通讯信号。

Description

用于冷却低温换热器的方法和设备以及使烃流液化的方法
技术领域
本发明涉及一种用于冷却低温换热器的方法和设备。
在这里特别披露的各种实施例中，低温换热器适合于使烃流液化，例如天然气流。
在另一个方面，本发明涉及一种液化这种烃流的方法。
背景技术
一些类型的低温换热器是已知的。这样的低温换热器可以用于液化天然气流的方法中，以生成液化天然气(LNG)。在这种情况下，低温换热器通常能够接收待液化的烃流，并能够使烃流与至少部分蒸发的制冷剂进行热交换，从而使烃流至少部分地液化，以及能够排出至少部分液化的烃流。
根据流中烃的种类以及烃流通过低温换热器时所处的压力水平，例如天然气开始液化的典型温度可能在-135℃。
但是，在准备冷却和/或使烃流液化的正常操作之前，必须冷却低温换热器，例如，这是工厂启动例行程序的一部分。
为了防止破坏低温换热器，包括例如由低温换热器上的热膨胀及热收缩分布引起的泄漏，低温换热器的操作者和制作商一般建议尽可能地避免超过某一规定的、随时间的最大温度变化率。
另一方面，为了最小化低温换热器的非生产性或非最佳生产性期限，操作者通常希望以尽可能高速率冷却他们的低温换热器。
美国专利4809154描述了一种用于控制混合制冷剂型液化天然气生产设施的自动控制系统，其中优化了功能参数。通过调节参数实现了优化，所述参数包括混合制冷剂库存量、组成、压缩比以及压缩机涡轮速度，以对设施消耗的每单位能量达到最高的产品输出值。
更详细来说，美国专利′154的过程控制器系统是以并行处理计算机系统实施的，所述并行处理计算机系统允许并行控制在多处理器上待执行的工序，所述多处理器能访问一共用存储器，其中存储有表示与生产设施有关的每个传感器和每个控制器的当前状态的值。为管理并行控制过程，保存有请求队列和返回队列以及优先表，所述优先表用于解决平行操作过程回路之间的冲突。
美国专利′154的过程控制器系统在液化工序运行时能够令人满意地起到优化或保持所生产的液化气的最佳数量或质量。但是，美国专利′154的过程控制器系统不适于在启动时的初始冷却期间控制低温换热器，因为所需的待执行的步骤顺序不能利用优先表以及请求队列和返回队列进行处理。
发明内容
本发明提供了一种用于冷却低温换热器的设备，所述低温换热器适合于使烃流液化，例如使天然气流液化，所述低温换热器布置成能够接收待液化的烃流和制冷剂，并能够使烃流与制冷剂进行热交换，从而至少部分地使烃流液化，以及能够排出至少部分液化的烃流和已经通过低温换热器的所消耗的制冷剂，该设备包括：
-使所消耗的制冷剂再循环回到低温换热器的制冷剂再循环回路，所述制冷剂再循环回路至少包括有压缩机、压缩机再循环阀、冷却器和第一JT(焦耳-汤普森)阀；
-一可编程控制器，其布置成
(i)接收表示一个或更多个控制变量的传感器信号的输入信号；
(ii)生成控制信号以控制一个或更多个操纵变量；和
(iii)执行计算机程序，所述计算机程序包括具有至少三个模块的网络，其中所述至少三个模块中的一个或更多个接收输入信号中的一个或更多个的表达，并生成控制信号中的一个或更多个的表达；
以及其中所述至少三个模块均布置成：
(a)等待，直到接收一触发信号；和
(b)在收到触发信号时，开始执行一个或更多个计算机可读指令的预定序列，至少直到达到该模块的预定模块目标；
以及，网络中的这些模块互连，使得由所述至少三个模块中的第二和第三模块接收的触发信号对应在所述至少三个模块中的第一模块达到该模块的预定目标时所产生的通讯信号。
在另一个方面，本发明提供了一种用于冷却低温换热器的方法，所述低温换热器适合于使烃流液化，例如天然气流，该方法包括步骤：
-提供一低温换热器，所述低温换热器布置成能够接收待液化的烃流和制冷剂，并能够使烃流与制冷剂进行热交换，从而至少部分地使烃流液化，以及能够排出至少部分液化的烃流和已经通过低温换热器的所消耗的制冷剂，
-提供使所消耗的制冷剂再循环回到低温换热器的制冷剂再循环回路，所述制冷剂再循环回路至少包括一压缩机、一压缩机再循环阀，一冷却器和一第一JT阀；
-激活一可编程控制器，所述可编程控制器
(i)接收表示一个或更多个控制变量的传感器信号的输入信号；
(ii)生成控制信号以控制一个或更多个操纵变量；和
(iii)执行一计算机程序，所述计算机程序包括具有至少三个模块的网络，其中所述至少三个模块中的一个或更多个接收输入信号中的一个或更多个的表达，并生成控制信号中的一个或更多个的表达；
以及其中所述至少三个模块中的每一个
(a)等待，直到接收一触发信号；和
(b)在收到触发信号时，开始执行一个或更多个计算机可读指令的预定序列，至少直到达到该模块的预定模块目标；
以及，其中所述至少三个模块中的第一模块达到该模块的预定目标时产生一通讯信号，所述通讯信号传递给所述三个或更多个模块中的第二和第三模块，在那里，通讯信号充当第二和第三模块的触发信号。
在低温换热器用以上限定的方法和/或以上限定的设备已经冷却之后，烃流可以在一个或更多个步骤被液化，包括使烃流在低温换热器中进行热交换，以便生成液化烃产品。
附图说明
现在参照实施例和附带的非限制性的示意性试图，仅举例来对本发明以说明，其中：
图1用示意图显示了依照一个实施例的低温换热器配置；
图2用示意图显示了依照另一个实施例的低温换热器配置；
图3用示意图显示了用于自动冷却图1或图2的低温换热器的模块的方框图；
图4用示意图显示了依照本发明另一个实施例的、用于测试的主要低温换热器配置；
图5用示意图显示了图4的整套配置(line-up)，示出了监测的温度和压力；
图6显示了用于测试的模块连同图4的整套配置的方框图；和
图7用示意图显示了可以并入图6的方框图中的替代模块结构。
具体实施方式
为便于描述，为管线(管路)以及该管线(管路)上运送的流赋予单个参考数字。同样的参考数字指示类似的部件、流或管线(管路)。
所描述的方法和设备采用了一种可编程控制器，所述可编程控制器接收表示所选定的工序中的一个或更多个控制变量的传感器信号的输入信号，并生成控制信号以控制所选定的工序中的一个或更多个操纵变量。可编程控制器可以执行一计算机程序，所述计算机程序包括具有至少三个模块的网络。
这样分成多个模块便于更灵活和更简易地管理冷却流程，及便于维护可编程控制器。各模块可以操纵一个或更多个阀，且具有至少一个清楚限定的模块目标。模块可以彼此独立地操作，但是可以存在由一些模块检测的公共变量，这些模块可以受一个以上的模块的作用的影响。这种采用独立执行的模块的模块化方法使得本发明适于自动冷却所有类型的热交换器，包括所谓的盘管型和翅片型。
所述至少三个模块中的一个或更多个接收输入信号中的一个或更多个的表达，并生成控制信号中的一个或更多个的表达。所述至少三个模块均布置成：
(a)等待，直到接收一触发信号；和
(b)在收到触发信号时，开始执行一个或更多个计算机可读指令的预定序列，至少直到实现该模块的预定模块目标。
产生一通讯信号，这标记着该模块已经达到或实现预定的模块目标。该通讯信号可以由模块本身在可编程控制器的其他地方产生，或者它可以包括例如表示低温换热器内或周围已经达到预定状态的传感器信号。预定模块目标可以是对于该模块的中间结果，在这样的情况下，模块可以继续执行更多的计算机可读指令，例如达到计算机另外的模块目标。作为选择，通讯信号也可以标记模块完成执行。
网络中的这些模块互连，使得由所述至少三个模块中的第二和第三模块接收的触发信号对应在所述至少三个模块中的第一模块已经达到该模块的预定目标时所产生的通讯信号。
这种互连模块的方式允许对顺序流程进行控制，其中，在开始一个或更多个其他任务之前，必须完成至少一个规定任务，以及其中，至少两个任务必须一个接一个地执行，而其他任务必须同时执行。
不需要管理各个任务的优先级，因为各模块在开始执行其任务之前都是等待的，直到它接收一触发信号，并且在完成其任务之后，它产生一通讯信号。该任务的完成可以由该通讯信号表示，这标记着对该模块来说，与该任务相关的预定目标已经达到。
标记完成预定模块目标的任何信号都可以传递给接着进行顺序流程中的一个或更多个下面的任务的一个或更多个接下来的模块和/或由可以接着进行顺序流程中的一个或更多个下面的任务的一个或更多个接下来的模块接收。当通讯信号由两个或更多个接下来的模块接收时，该两个或更多个接下来的模块准备开始并行执行它们的计算机可读指令。
为便于解释本权利要求书和说明书，通讯信号可以在达到目标之后产生，或者可以是据此可推断模块已经达到预定目标的任何信号。
应当理解，第二和/或第三通讯信号可以在第二和/或第三模块已经达到它们各自的模块目标时产生，所述第二和第三通讯信号可以充当一个或更多个后续模块的触发信号或者以另一种方式在该过程中使用。
一选定模块的任务可能必须在受到控制变量中的一个或更多个上的某一限制条件的约束的同时进行，而该一个或更多个控制变量不受所述的选定模块的控制，而是例如受同时动作的其他模块的控制。在这样的情况下，如果选定模块的任务的进一步执行会导致违背所述限制条件，其任务的执行将自动延迟。当影响受控制变量的其他模块在执行它的任务时，可以终止该延迟，使得限制条件被解除或转换，从而给出所述的选定模块以进一步推进其任务的执行的空间。
因而，所建议的模块的网络结构的作用在于模块任务必要时准顺序地执行并如有可能同时执行，所述网络结构包含相互并行操作的独立模块，由此模块中的一个的控制动作受一变量的约束，所述变量受另一个模块操纵的一个或更多个操纵变量的影响。这使得这类模块网络能够极好地适于诸如低温换热器在某些限制条件下的冷却的操作。
至少两个互连模块中另外选择是，一事件信号在一个模块中产生，而该事件信号由另一个模块接收，并引起其他模块除该模块起动之外的其他操作的变化。例如，当引起该事件信号产生的第一模块达到某一状态时，该事件信号可以触发其他模块中的参数变化。
模块网络可使得标记一特定模块开始执行预定指令的触发信号可以是由该模块接收的第n个触发信号，这里n可以是任何自然数。例如，在选定模块可以开始执行其计算机可读指令序列之前，选定模块可能需要等待例如其他三个模块实现它们的目标，这时产生通讯信号。在这样的情况下，它可能必须等待，直到其接收到充当触发信号的三个通讯信号，因而在该例子中，两个较早的触发信号早于标记一特定模块开始执行预定指令序列的相关触发信号。
可编程控制器可以嵌入到分布式控制系统(DCS)，其中，例如模块经由接口服务器提供输出，例如可以在计算机程序和在DCS中存在的各种接口块(interface blocks)之间传送的用于过程控制(OPC)的OLE(对象链接与嵌入)。在这样的配置中，DCS可以撤回操纵变量(例如所选定的阀)的控制，不用等待可编程控制器传送控制，就像紧急情况等期间所希望的那样。
本专利申请的发明人已经想到，这里披露的这种可编程控制器理想地适于低温换热器的自动冷却，所述低温换热器适合于使烃流液化，例如天然气流。
有利地，低温换热器的自动冷却便于以尽可能高温度变化率冷却低温换热器，不会超过规定的最大温度变化率。在手动控制下冷却低温换热器时，操作者通常必须使温度变化率和规定最大值之间维持较宽的富余量。
此外，经验表明，在大约30％的时间里，会由于操作复杂，而无意地超过规定的最大温度变化率。而由于这里所述的自动化，该百分比预计会大大降低。发明人估计，超过最大温度变化率可以降低至大约12％的时间(time)，或降低至至少小于15％的时间。
此外，在此披露的方法和设备也可以用于避免低温换热器内或周围的一个或更多个空间温度梯度超过推荐的最大值。
与用于冷却并流式低温换热器相比，在此所述的方法和设备的优点更显然用于冷却逆流式低温换热器，优选使用外部制冷剂，其中蒸发的制冷剂相对于在低温换热器靠蒸发的制冷剂来冷却的流逆流流动。
在此披露的方法和设备利用了所谓的操纵变量和控制变量。另外，任选地，还存在一个或更多个监测变量。
在说明书和权利要求书中，术语′操纵变量′用来表示受可编程控制器的控制作用的变量，术语′控制变量′用来表示必须由可编程控制器保持在一预定值下(以下称为″设定点″)或保持在一预定范围内(″设定范围″)。设定点或设定范围无须是固定存在的(entity)。实际上，它经常可能会变化(或者在冷却期间计算，或者作为随时间的预定顺序)。像控制变量一样，′监测变量′被测量并选择性地记录，但是与控制变量相比，它无须由可编程控制器保持在一设定点或保持在一设定范围内。但是，监测变量可以充当可编程控制器的输入，使之根据这些监测变量作出决定，或者产生通讯信号，或者例如使可编程控制器发出警报信号或暂停和/或放弃自动过程。
优选地，所述一个或更多个控制变量包括下列一个或更多个的随时间的温度变化率：第一JT阀吸入侧的制冷剂温度；第一JT阀排出侧的制冷剂温度；低温换热器内部某一点处的烃流温度；和低温换热器下游的烃流温度。这提供了一直接显示，进一步便于冷却低温换热器，不会超过规定的最大温度变化率。
代替或与温度变化率一起，所述一个或更多个控制变量可以包括低温换热器内或周围的选定的空间温度梯度。这便于冷却低温换热器，不会超过规定的最大空间温度梯度。保持在预定最大值之内的合适的空间温度梯度是制冷剂管与外壳壁之间的温度梯度。
本领域技术人员应当明白，最大温度变化率和/或最大空间温度梯度通常取决于进行冷却处理的热交换器的类型和/或具体结构。有关这些值的具体推荐可以由制造商提供。
在低温换热器包括用于蒸发制冷剂的壳侧和用于自动冷却制冷剂的管侧的情况下，选定空间温度梯度可以反映低温换热器的壳侧与包含制冷剂的管侧之间的温差。
还存在其他优选的温度梯度可使用于例如整套式配置(line-ups)中，其中，在冷却器的下游和第一JT阀的上游，一液/汽分离器设置在制冷剂再循环回路中，用以接收部分冷凝的制冷剂和将该部分冷凝的制冷剂流分离成液态重制冷剂部分(fraction)和气态轻制冷剂部分，以及用以经由液体出口排出液态重制冷剂部分和经由气体出口排出气态轻制冷剂部分，所述液态重制冷剂部分和气态轻制冷剂部分被传送到低温换热器，其中第一JT阀布置成控制这些部分中的一个的流通，优选控制轻制冷剂部分的流通。
选定的空间温度梯度可以在这样的整套配置中反映下列中的一个或更多个：消耗的制冷剂与低温换热器的气体出口和气态制冷剂入口之间的制冷剂之间的温差；和消耗的制冷剂与低温换热器的液体出口和液态制冷剂入口之间的制冷剂之间的温差。
其他可行的控制变量包括表示一个或更多个压缩机的工作状况、例如喘振状况的变量。所谓的喘振偏差参数可以根据传感器数据来确定，以量化压缩机的喘振与实际运行状况之间的偏差。被考虑来用于确定喘振偏差参数的典型传感器数据包括流过相关压缩机级的流量和相关压缩机级的入口压力及排出压力。
为了自动冷却低温换热器，所述一个或更多个操纵变量可以包括下列中的一个或两个：表示第一JT阀的打开量的大小的第一JT阀设定；和表示压缩机再循环阀的打开量的大小的压缩机再循环阀设定。第一JT阀的打开量直接完全影响低温换热器的冷却速率，因为它是确定JT阀在制冷剂流流过JT阀时对其的焦耳-汤姆逊效应的因素之一，其决定了制冷剂的冷却能力。压缩机再循环阀的打开量同样影响着低温换热器的冷却速率，因为由于压缩机再循环阀控制制冷剂的压力和流速一种方式，它也影响着第一JT阀的JT(焦耳-汤姆逊)效应。
当然，还存在可以控制制冷剂的压力和/或流量的其他操纵变量，例如压缩机速度。因而，压缩机速度也可以用作其中一个操纵变量。但是，与速度相比，阀是非常适于在对压力具有相对更即时的控制序列中进行操纵的零件。
在此披露的方法和设备可用于使烃流液化、例如天然气流的方法中。在这样的情况下，低温换热器的冷却之后进行正常运行，其中烃流在低温换热器中被冷却，直到其被液化，优选地，此后在低温换热器或在后面的热交换器中进行过冷却。
因为很多原因，液化天然气流是所希望的。举例来说，天然气液体比气态形式更容易长距离储存和运输，因为它占据了较小的体积，不需要高压储存。
通常，天然气，主要包括甲烷，在高压下进入LNG站，并进行预处理，以生成适于在深冷温度下液化的精炼原料。利用热交换器使得精炼气体通过多个冷却级进行处理，逐渐减少其温度，直到实现液化。然后可选择进一步冷却液化天然气，并通过一个或更多个膨胀级膨胀至最终的适于储运的大气压力。来自各个膨胀级的闪蒸蒸气可用作工厂燃料气体源。
应当注意，US 2006/0213223 A1披露了一种用于生产液化天然气的液化站和方法。该液化站的控制可以完全自动化或部分自动化，例如通过使用合适的计算机、可编程序逻辑回路(PLC)、使用闭环和开环方案、使用比例、积分、微分(PID)控制。但是，US 2006/0213223没有教导如本申请所述的计算机程序或算法。
如图1中示意性所示，设置有一低温换热器1，其布置成经由管路2和烃流入口7接收待液化的烃流，以便在烃流和至少部分蒸发的制冷剂3之间交换热量。热交换的结果是，可以至少部分液化烃流。优选地，至少部分液化的烃流经由烃流出口8排至管路4中。在所画的实施例中，管路2和管路4经由管侧29连接。但是，其他类型的换热器也是可行的。
低温换热器1包括用于外部制冷剂的制冷剂入口5和用于已经流过低温换热器的所消耗的制冷剂的制冷剂出口6。设置一制冷剂再循环回路10，使所消耗的制冷剂再循环回到入口5。制冷剂再循环回路10至少包括压缩机11、压缩机再循环阀12、冷却器13和第一焦耳-汤普森(第一JT)阀14。
在本发明的实施例中，JT阀可以与膨胀器组合使用。但是，尤其是在换热器冷却期间，JT阀优选用来控制该冷却。
在本发明的实施例中，压缩机可以由多个压缩级组成，例如15个压缩级或更多个压缩级。若干个压缩级，例如15个压缩级，可以以轴流式压缩机或离心式压缩机的形式设置在一个壳体中。各级均可以包括一专用再循环阀，和/或任意数量的后续的级可以共用单个再循环阀。一些压缩机或压缩机壳体可以一个接一个地串联布置而形成是压缩机组。各壳体(或压缩机级)后面可以是任意数量的可选择的冷却器(或中间冷却器)和可选择的分离筒，以在被压缩的蒸汽流到下一压缩级之前从被压缩的蒸汽中移除任何液体。在最后的压缩级之后，可以冷却被压缩的制冷剂流。
但是，为便于说明本发明，图1和2用示意图简单描绘了压缩机整套配置，其中仅画了一个压缩机和一个再循环阀。
在运行时，所消耗的(至少部分蒸发的)制冷剂从换热器1经由出口6被抽取，其中至少一部分经由管路25传送到压缩机11的吸入口。
管路25中的所消耗的制冷剂流的气态部分被压缩，产生被压缩的制冷剂流16，被压缩的制冷剂流16随后在一个或更多个冷却器(这里描绘成冷却器13)中被冷却，从而至少部分地冷凝被压缩的制冷剂流16，以形成至少部分冷凝的制冷剂流17。该至少部分冷凝的制冷剂流17经第一JT阀14膨胀，随后经由入口5导入换热器1中。
如图1所示，制冷剂流与烃流(从左到右)并流通过换热器1。但是，作为替换，该流动也可以布置成逆流，诸如图2的情形。
在图2中，显示了变形的低温换热器配置，其包括如图1的实施例中相同的元件，另外还包括用于自动冷却制冷剂的制冷剂管侧15。烃流2和制冷剂两者都靠换热器1中的蒸发的制冷剂进行热交换。被压缩的制冷剂流16随后在一个或更多个冷却器(这里描绘成冷却器13)中被冷却，接着在换热器1中经由管侧15冷却，从而至少部分地冷凝被压缩的制冷剂流16，以形成至少部分冷凝的制冷剂流17。该自动冷却的至少部分冷凝的制冷剂流17在出口18从换热器中被抽取，在经由入口5被传送到换热器1内之前导入第一JT阀14，在换热器1中，使得该制冷剂流至少部分地蒸发。
任选地，可以设置一制冷剂补给系统，其能够改变制冷剂的库存量，尤其是在混合制冷剂的情况下。
发明人已经发现，较好地冷却低温换热器的步骤和任务的顺序可以利用在此所述的可编程控制器理想地实现自动化，其中下列中的一个或更多个用作控制变量：
-第一JT阀吸入侧的制冷剂温度的变化率；
-第一JT阀排出侧的制冷剂温度的变化率；
-低温换热器内部某一点的烃流温度的变化率；
-低温换热器下游的烃流温度的变化率；
-第一JT阀两侧的制冷剂流的第一温差(第一JT阀吸入侧的制冷剂与第一JT阀排出侧的制冷剂之间的温差)；
-反映所消耗的制冷剂(出口6或管路25中或附近)与低温换热器1的入口5处的制冷剂之间的温差的温度梯度；
-反映低温换热器的壳侧3与含有制冷剂的管侧(诸如管侧15)之间的温差的温度梯度；
-压缩机的吸入侧的制冷剂流的吸入压力；
而下述参数用作操纵变量：
-第一JT阀设定，例如表示第一JT阀的开口量的大小(X14)或流过第一JT阀的流量的大小的第一JT阀设定；和/或
-压缩机再循环阀设定，例如表示压缩机再循环阀的开口量的大小(X12)或流过再循环阀的流量的大小的压缩机再循环阀设定当设置有补给系统时，制冷剂组分的补给阀也可用作操纵变量。
另外，下列中的一个或更多个可以用作监测变量：
-低温换热器中或周围的一个或更多个部位处的一个或更多个绝对温度；和
-压缩机排出压力。
图3显示了包含在用于自动冷却方法和设备的可编程控制器中的计算机程序的示例性模块结构的示意性方框图。第一模块201限定初始条件。模块201可以包含带有警告和信息模式的摘要的图形接口。它可以包含有关紧要和非紧要初始条件的信息。在出现临界状态的情况下，模块终止计算机程序，从而停止该过程。在临界状态解决之后，或者通过操作者手动，或者通过运行自动控制控制过程复位初始条件，可以恢复和/或重新启动该过程。在非紧要初始条件的情况下，模块201发出一警告。这个模块还可以启动对临界变量的监测。当全部临界变量都在预定范围之内时，达到模块目标。然后可以产生终止触发信号。
紧要初始条件的例子包括：
-第一JT阀14没有充分关闭(例如0.1％以上打开或其他适合的量)；
-制冷剂回路中的压力低于压缩机11排出；
-压缩机11没有在线运行，这可以通过测量压缩机速度(例如压缩机至少在3400rpm或其他合适的速度下运行)并核实压缩机上的吸入阀和排除阀是打开的来确定；
-制冷剂压力太高(例如高于20barg或其他合适的数值)；
-压缩机入口导流叶片(IGV)是打开的。
非紧要初始条件的例子包括：
-各种实际温度和/或温差，所述实际温度例如为第一JT阀14直接上游和直接下游的制冷剂温度；
-压缩机再循环阀没有完全打开(例如小于99％开度或其他任何合适的值)；和
-被压缩的制冷剂压力低于一预定最小值(这可能会不必要地使冷却流程慢下来)。通常，合适的最小值是18barg。
显然，模块201可以放在一个或更多个其他模块之前，例如放在与冷却至中等温度水平或诸如此类有关的模块之前，并且可以在收到一个或更多个触发信号时开始。
一旦产生了通讯信号，该通讯信号可被发出而由模块202接收，模块202具有首先打开第一JT阀14的模块目标。这可能涉及考虑了JT阀的任何非线性性能的算法。一旦检测到冷却趋势，该阀将部分地关闭，以避免过高的冷却率。
模块202的通讯信号(或相应的信号)触发模块203，然后模块203仅仅等待一些时间就开始。目的是等待所述设备在模块202的第一紧要动作之后稳定。等待时间可取决于模块202的最终状态。
与模块203的通讯信号相应的信号由两个模块204、205接收，因此这两个模块被同时触发。
模块204进一步打开第一JT阀14。尤其在图2的实施例中，强的冷却可能导致制冷剂的冷凝。恰在出现冷凝之前，优选减慢阀运动，一检测到冷凝，阀就可以部分地关闭，以避免过高的冷却率，另外，过高的冷却率也可能由冷凝导致的流量突然增大而引起(10秒增加100tpd不罕见)。检测到冷凝后，校正阀的开度并继续，直到阀开度的JT效应减弱。这是模块目标。
可以在JT阀进一步打开过程中监测JT效应，例如基于JT阀上游的制冷剂温度与JT阀下游的制冷剂温度之间的温差。如果温差超过8℃，就可以假定存在JT效应。
通过JT阀的温度和流量测量中的一个或两个的暂缓，可以检测冷凝。对于流过第一JT阀14的制冷剂，可以使用JT阀14下游的制冷剂温度和/或流过JT阀的流量，这反过来可以通过确定JT阀14两端的压差来推算。
在优选实施例中，模块不能比最小开度更进一步地关闭JT阀14，该最小开度对应于该模块开始时的开度。
进一步打开JT阀时JT效应的变化可能很小。但是，同时，随着模块205执行它的指令(与此同时模块204也执行它的指令)，制冷剂压力增大。模块205操纵再循环阀12，以达到压缩机(或一些压缩级)的目标喘振偏差。该模块监测压缩机11的喘振偏差，如果喘振偏差超过预定最大偏差，则关闭再循环阀12。合适的预定最大偏差是0.3。
如果有多个再循环阀，例如在多个压缩机级上，考虑相应级的专用喘振偏差参数，可分别(但同时)操纵各个再循环阀，各个特定的再循环阀通过此控制再循环。
因为再循环阀12的关闭影响压缩机吸入压力，所以，该压力优选被模块205监测以不低于一建议极限，例如1.8barg。再循环阀的关闭同样使吸入压力降低。所以，再循环阀关闭的前提条件是避免引起吸入压力降到预定目标值以下。目标是，通过在监测喘振偏差的同时稳定地关闭再循环阀，以使排出压力保持斜坡变化(增大)。当喘振偏差低于所认为的最小水平(例如0.1)时，停止模块活动。但是喘振偏差在整个最后的冷却过程始终都是受到监测的，当喘振偏差允许并且吸入压力在预定范围之内时，关闭再循环阀。
当低温换热器1的温度符合其工作温度时，模块204和205中产生通讯信号，该通讯信号由模块206接收。对于用于冷却甲烷而使其足以液化的换热器来说，工作温度可以是-160℃。在这种情况下，因为终止模块206之前的两个模块都是响应于相同的状态产生它们的通讯信号(即低温换热器的温度达到预定工作温度)，标记着所述状态并传送至所述模块的相应的单个触发信号被认为是对应于模块和所述模块两者的通讯信号的信号。
假如喘振偏差没有使之停止出现，则模块206尽可能地完全关闭再循环阀12。如果喘振偏差阻止进一步关闭再循环阀，万一喘振值过低(一般低于0.1)，则产生一警报信息，并输出以警告操作者必须进行IGV调整。IGV运动具有类似于关闭再循环阀12的作用。但是，可以通过流通的制冷剂的摩尔量来抑制IGV运动，该摩尔量必须超过一预定最小值。典型的MR最小摩尔量是24g/mol。显而易见，如果所使用的压缩机上没有IGV，该警报信号可能不是一个有效的选择。
因为IGV运动被认为是最后的手段，企图仅仅是警告操作者可能要必须进行IGV运动，而不是企图在如上所述的自动过程的控制下执行任何的IGV运动。
在有些情况下，模块206可能是多余的，因此可以省略掉，从而完全依靠模块205。
一旦再循环阀被完全关闭或充分关闭，就产生通讯信号，如图3所示，对于该例子来说，该通讯信号由模块207接收。
模块207可以是一终止模块，其可以编程来将控制移交给操作者和/或提供一状态输出或产生操作者警报信号，以通知操作者可以进行低温换热器的正常操作，等等。但是，模块207也可以是随后的控制过程的开始模块，例如正常操作控制，诸如美国专利7266975和/或美国专利6272882所述的超前(advanced)过程控制，或者是任何其他类型的模块。
除了上述用于冷却换热器的顺序控制之外，还可能嵌入监测变量和/或控制变量中的一个或更多个的某些超越界限。监测变量中的一个或更多个越过这些界限之一，可能导致发出警报信号，以警告操作者或暂停冷却或放弃冷却或这些的组合。
这些超越界限的典型例子包括：
-有关任何选定温度的预定最高温度变化率，优选下列中的一个或更多个：管侧29和/或管路4内某一位置处的烃产品的温度；所消耗的制冷剂的温度；第一JT阀14排出侧或吸入侧的制冷剂温度(尤其是在自动冷却之后)；换热器1中的任何壳侧温度；
-预定最大空间温度梯度，其反映换热器内或周围两个空间分开的点之间的规定温差，优选地，入口5中和/或第一JT阀14下游的制冷剂与出口6中或周围或管路25中的所消耗的制冷剂之间的温差；以及管侧中的制冷剂或烃流与换热器的壳侧中的局部温度之间的温差。
制冷剂再循环回路可以循环单组分制冷剂，诸如甲烷、乙烷、丙烷，或氮；或者循环基于两种或以上组分的多组分混合制冷剂，有时被简称为混合制冷剂(MR)。这些组分可以优选选自：氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷和戊烷。
制冷剂回路可以包含冷却不同烃流的任意数量的制冷剂单独线或流以及任意数量的公用元件或特征，包括压缩机、冷却器、膨胀器，等等。有些制冷剂流可以是公用的，而有些可以是单独的。在本发明的特定实施例中，所述的冷却低温换热器的方法属于从进料流液化烃流(例如天然气流)的方法的一部分。同样，在此所述的设备也可用于使烃流液化的方法中。
烃流可以是待液化的任何适合的含烃、优选含甲烷的流，但是其通常提取自从天然气或油储层中获得的天然气流。作为替换，天然气流也可以从另一个源获得，也包括综合性源，例如Fischer-Tropsch(费-托)工艺。
通常，天然气基本上由甲烷构成。优选地，进给流包括至少60％(摩尔比)甲烷，更优选至少80％(摩尔比)甲烷。
烃进给流可以通过使之流过若干冷却级而液化。可以使用任意数量的冷却级，各冷却级可以包括一个或更多个换热器以及任选的一个或更多个步骤、程度或部分。各冷却级可以包括或者串联或者并联或者串联与并联组合的两个或更多个换热器。
合适的各种类型的能够冷却和液化烃进给流的换热器在本技术领域中是已知的，本发明可以应用于其中任何一种。这样的换热器类型的例子包括可以从Air Products & Chemicals Inc.和Linde AG获得的换热器，通常包括一束、两束、三束或更多束。
合适的能够冷却和液化进给流(如诸如天然气的烃流)的换热器的各种配置在本技术领域中是已知的，包括单混合制冷剂(SMR)配置、双混合制冷剂(DMR)配置、丙烷混合制冷剂配置(C3-MR)、基于三个或更多个循环的配置(例如由Air Products & Chemicals Inc.基于C3-MR-N2循环推出的所谓的APX配置)，和包括那些带有局部冷却循环的格栅(cascade)配置。本发明可以应用于这样的配置以及其他合适的配置中的任何配置的任何换热器，某些微小的改变在本领域技术人员力所能及的范围之内。
在各种各样的配置中，烃进给流的冷却和液化包括两个(或更多个)冷却级，包括预冷却级和主冷却级。通常，预冷却级将烃流冷却至0℃之下，一般在-80℃和-30℃之间，而第二级，可被称为主低温级，冷却至-100℃以下，以使烃流液化。
根据来源的不同，天然气可以包含变化量的比甲烷重的烃，诸如乙烷，丙烷，丁烷和戊烷以及一些芳香烃。天然气流还可以包含非烃，诸如H2O、N2、CO2、H2S及其他硫化物，等等。
如果需要，烃流可以在用于本发明之前进行预处理。该预处理可以包括去除存在的任何不希望的组分，例如CO2和H2S，或其他步骤，例如预冷却、预压等等。因为这些步骤对本领域技术人员来说是众所周知的，所以在此没有进一步地论述。
此外，本领域技术人员应当容易理解，在液化之后，液化天然气可以根据需要进一步处理。举例来说，所获得的液化天然气可以通过焦耳-汤姆逊阀或通过低温透平膨胀机进行减压。
本发明可以包括一个或更多个其他或另外的制冷剂回路，例如在预冷却级中。任何其他的或另外的制冷剂回路可以选择性地与用于冷却烃流的制冷剂回路相连接和/或相并流(concurrent)。
图4显示了较大类型的低温换热器100，其嵌入到具有各种通过另一制冷剂回路工作的预冷却换热器及其他设备的系统中，这可以在烃液化站中找到。该另一制冷剂回路在下文中被称为″预冷却制冷剂回路″或″预冷却制冷剂循环″。同样，零部件，例如压缩机和制冷剂也可以称为″预冷却制冷压缩机″或″预冷却制冷剂″。
该实施例中的低温换热器100在下文中被称为主低温换热器100，以使之与该实施例中出现的任何其他换热器区分开来。主低温换热器100包括温端33、冷端50和中部位置27。主低温换热器100的壁限定壳侧110。在壳侧110中坐落有：
-第一管侧29，其从温端33延伸至冷端50，优选在烃流入口7与烃流出口8之间延伸；
-第二管侧28，其从温端33延伸至中部位置27，优选从温端33处的气态制冷剂入口49a延伸至中部位置27；和
-第三管侧15，其从温端33延伸至冷端50，优选从温端33处的液态制冷剂入口49b延伸至冷端50。
提供制冷压缩机组用于压缩制冷剂，如这里所示的，制冷压缩机组象征性地包括第一压缩机30和第二压缩机31。这些压缩机中的每一个都设置有若干个再循环阀，这些再循环阀在此由一再循环管线中的再循环阀130和131示意性表示，所述再循环管线将相应冷却器下游的压缩机排出口连接到低压吸入口。
第一制冷压缩机30由合适的马达(例如燃气轮机35)驱动，所述燃气轮机35设置有用于启动的辅助马达36，第二制冷压缩机31由合适的马达(例如燃气轮机37)驱动，所述燃气轮机37设置有辅助马达(未显示)。作为选择，压缩机30和31可以在共用马达的单个轴上驱动。
在已经冷却主低温换热器之后的正常运行过程中，气态的，优选富甲烷的烃进给流在高压下通过供给管路20供给至主低温换热器100的温端33处的第一管侧29。烃进给流流过第一管侧29，在这里，烃进给流靠在壳侧110中蒸发的混合制冷剂(MR)冷却、液化以及可选地过冷却，该混合制冷剂形成所消耗的制冷剂。由此形成的液化的烃流在冷端50从主低温换热器100通过管路40移除。烃流在系统中的流体可以利用例如设置在管路40中的减弱(rundown)阀44进行控制。
流40可以可选择流过合适的端部闪蒸系统，其中压力下降至存储压力和/或运输压力。最后，液化的烃流作为产品流被传送至储存部，在这里，作为液化产品存储，或者可选择直接运输。
在正常运行过程中，以及在主低温换热器的冷却过程中，所消耗的制冷剂在温端33从主低温换热器100的壳侧110通过管路25，并传送至分离筒56。
制冷剂补给调节管路65也进料至分离筒56，以可选择将制冷剂库存量添加到所消耗的制冷剂流。各种制冷剂组分的添加可通过一个或更多个阀控制，通常每种组分用一个阀。这里，这些阀示意表示为阀66。
从分离筒56的顶部流出的所消耗的制冷剂的蒸发部分55在制冷压缩机30和31中被压缩，以获得被压缩的制冷剂流，该制冷剂流通过管路32移除。其他制冷压缩机配置也是可行的。
在两个制冷压缩机30和31之间，压缩热在外界冷却器23中从流过管路38的流体移除，所述外界冷却器23可包括空气冷却器和/或水冷却器和/或任何其他类型的外界冷却器。同样，可以在压缩机的两个连续的压缩机级之间设置中间冷却器(未显示)。
管路32中的被压缩的制冷剂流在空气冷却器42中被冷却，并在一个或更多个预冷却换热器(显示为43和41)靠预冷却制冷剂循环而部分地冷凝，所述预冷却循环将在下文中更加详细地描述。预冷却换热器41、31可以在相互不同的压力下运行，和/或使用不同的制冷剂组分。
接着，部分冷凝的制冷剂流39被传送并经由一入口装置进入液/汽分离器，这里描绘为分离器容器45和入口装置46。在分离器容器45中，部分冷凝的制冷剂流被分离成重制冷剂部分(在这里为液态制冷剂部分(HMR))和轻制冷剂部分(在这里为气态制冷剂部分(LMR))。这些流可以借助于JT阀或类似物、用于控制蒸汽(轻)制冷剂流的第一JT阀58和用于控制液态(重)制冷剂流的第二JT阀58分别控制。
液态重制冷剂部分通过管路47从分离器容器45移除，气态轻制冷剂部分通过管路48移除。重制冷剂部分在主低温换热器100的第二管侧28中被过冷却，以得到过冷的重制冷剂流54。过冷的重制冷剂流通过管路54从主低温换热器100移除，并被使得经过一膨胀装置膨胀，所述膨胀装置包括第二JT阀51。膨胀装置进一步还可包括与第二JT阀51串联的动态膨胀器(未显示)，其无须在主低温换热器的任何冷却过程期间操作。
过冷的重制冷剂流在降低的压力下通过管路52和喷嘴53在中部位置27引入主低温换热器100的壳侧110内。重制冷剂流在降低的压力下被允许在壳侧110中蒸发，从而在管侧29、28和15中冷却这些流体。
通过管路48从分离器容器45中移除的气态制冷剂部分被传送至主低温换热器100的第三管侧15中，在这里，其被冷却、液化和过冷却，以得到过冷的轻制冷剂流57。过冷的轻制冷剂流通过管路57从主低温换热器100移除，并被使得经过一膨胀装置膨胀，所述膨胀装置包括第一JT阀58。过冷的轻制冷剂流在降低的压力下通过管路59和喷嘴60在冷端50引入主低温换热器100的壳侧110内。轻制冷剂流在降低的压力下被允许在壳侧110中蒸发，从而在管侧29、28和15中冷却这些流体。
任选地(未显示)，可选择的侧流可以从气态轻制冷剂流48提取，其可以靠除主低温换热器100之外的一个或更多个其他换热器中的一个或更多个其他冷流冷却、液化和过冷却。例如，其可以靠从可选择的端部闪蒸系统中的流40中产生的冷的闪蒸蒸汽冷却、液化和过冷却。可选择的过冷的侧流可以再与管路57或59中的轻制冷剂流结合，在这样情况下，需要辅助膨胀器装置，例如辅助第一JT阀。这种方案的更加详细的说明参见美国专利6272882。
预冷却换热器41、43使用预冷却制冷剂运行，预冷却制冷剂可以是混合组分制冷剂或单组分制冷剂。对于该例子，使用了丙烷。蒸发的丙烷在预冷却压缩机127中被压缩，所述预冷却压缩机127由合适的马达(例如燃气轮机128)驱动。同样设置有一预冷却制冷压缩机再循环阀129，这里象征性地显示为处于连接第一级压缩机低压吸入口与中间压力水平的管线中。但是，所有或选择的压缩级两端可以选择地设置再循环管线。
被压缩的丙烷在空气冷却器130中冷凝，然后冷凝的被压缩丙烷在高压下通过管路135和136传送至彼此串联布置的换热器43和41。在进入换热器43之前，冷凝的丙烷被允许经过膨胀阀138膨胀至一中间压力。在那里，丙烷靠来自管路32中的多组分制冷剂的热量部分地蒸发，由此形成的蒸发的气态部分通过管路141被传送至丙烷压缩机127的中间压力入口。液态部分通过管路145被传送至换热器41。在进入换热器41之前，丙烷被允许经过膨胀阀148膨胀至一低压。蒸发的丙烷通过管路150被传送至丙烷压缩机127的吸入口。
本领域技术人员应当知道，可以在连接于压缩机吸入口的任何管路上设置分离筒或类似物，以避免向压缩机进给非气相。也可以设置一节约装置(economizer)。
在本例子中，所示的两个预冷却换热器在两个压力水平下运行。但是，也可以采用任意数量的热预冷却换热器和相应的压力水平。
预冷却制冷剂循环也可以用于获得烃流20，如下所述。烃进料(在本例子中为天然气进料)在高压下流过供给管90。天然气进料(通常为甲烷和重成分的多组分混合物)在至少一个换热器93中被部分地冷凝。
在本例子中，该换热器使用提取自管路135的预冷却制冷剂的侧流137，在与预冷却换热器43大约相同的压力水平下运行。虽然在图4中没有画出，但是管路137连接于管路137a。在进入换热器93之前，预冷却制冷剂被允许经过膨胀阀139膨胀至大约中间压力。由此形成的蒸发的气态部分通过管路140a和140被传送至管路141，在这里，其再与提取自预冷却换热器43的气态部分结合。预冷却制冷剂的液态部分在管路151中从换热器93提取出来，并在经过阀152膨胀至适当的低压后被进给至换热器91中。蒸发的预冷却制冷剂则经由管路153a和153被引入管路150。
值得注意的是，换热器43和93和/或换热器41和91可以在管路32中设置成包括用于天然气和用于制冷剂的独立侧的组合换热器的形式。
部分冷凝的进料92例如经由入口装置94被引入气/液分离器95，所述气/液分离器95可以设置成例如洗涤塔或类似物的形式。在洗涤塔95中，部分冷凝的进料被分离，得到富甲烷的气态塔顶流97和贫甲烷的液态塔底流115。
气态塔顶流97通过管路97经由换热器91被传送至塔顶分离器102。在换热器100中，气态塔顶流靠管路151中的预冷却制冷剂部分地冷凝，部分冷凝的塔顶流经由入口装置103被引入塔顶分离器102。在塔顶分离器102中，部分冷凝的塔顶流被分离成气态流20(其基本上从C5+组分耗尽和/或与进料流相比甲烷相对丰富)和液态塔底流105。气态流20在管路20中形成高压下的烃进料。
液态塔底流105的至少一部分可以通过管路105和喷嘴106引入洗涤塔95作为回流。管路105设置有流量控制阀(未显示)和/或泵108。
如果所需的回流比部分冷凝的气态塔顶流105中的液体少，则富余量可经过旁通管路(未显示)和流量控制阀(未显示)被传送至管路20。在得到的回流太少的情况下，外部回流介质(适当地为丁烷)可以从外部源(未显示)添加到管路105中。
液态的富C3+的塔底流经由管路115从洗涤塔95移除。这里可以从流程中抽取，以本领域技术人员已知的任何方式送至分馏(fractionation)组和/或储存部/运输部和/或再沸器。
在如上所述的正常运行之前，主低温换热器必须冷却至运行温度。本发明披露的方法和设备实现了主低温换热器的自动冷却。这已经根据下列内容得到论证。
在冷却处理期间，通过可编程控制器，可监测主低温换热器中及其周围各个点的一些温度、温度变化率以及温差。这能够使可编程控制器确定温度随时间变化的曲线演变。图5显示了主低温换热器100中及其周围的点，其中，在测试中，除了其他温度和温差传感器外，设置有温度传感器(TR20；TR25；TR33；TR40；TR47；TR48；TR52；TR54；TR57；TR59)和温差传感器(TDR2547；TDR2548；TDR2715；TDR5254；TDR5759)，这些其他温度和温差传感器在此没有进一步论述，因为考虑到它们与所述的自动化关系不大。
图5中的整套配置对应于图4中的整套配置，但是为了强调对应于所示的各种传感器的参考数字，省略了图5中的整套配置的参考数字。温度传感器标记为″TR″，后面是对应于赋予部件、流或设置了传感器的管线(管路)的参考数字的数字。对于温差传感器，使用了代码TDR，后面跟着对应于赋予部件、流或其间设置有温差传感器的管线(管路)的两个双位数字。温度传感器和温差传感器产生传感器信号，所述传感器信号可以由可编程控制器接收和监测，可编程控制器可以使用这些中的一个或更多个作为控制变量。
在主低温换热器100的顶部，第一JT阀58上游和下游的管路57和59的温度使用温度传感器TR57和TR59进行监测。这些温度之间的差也被监测，以用于确定作为在第一JT阀上的实际JT效应。
测量中部位置27处的壳温度差，并确定管侧15在中部位置27处的温度(TDR2715)。另外，利用TR33，可以测量温端33附近的壳温度以及管路25(TR25)中取自换热器的所消耗的制冷剂的温度。
重液态制冷剂部分的入口温度可以利用TR47测量，紧挨着主低温换热器100上游的烃流的入口温度可以利用TR20测量，紧挨着主低温换热器100下游的的减弱烃流的温度可以利用TR40测量。
当存在前进流时，全部的温度测量都是稳定且可靠的。因而，测量可能有时候不可靠，例如在停滞气体在开始冷却时返回到温度传感器的时候。监测取决于初始状态，例如压力状态。
指示冷却结束的温度是烃产品减弱管线温度TR40。然而，当烃流极小时，该测量在冷却开始时可能不可靠。所以，在冷却开始时，作为替代可以监测另一个温度，合适的是第一JT阀58下游的LMR温度TR59。然而，在冷却结束时，基准温度将是TR40。
在冷却处理期间，通过可编程控制器，可监测整套配置中各个点的一些压力和压差。最相关的压力传感器(PR32；PR54；PR55；PR57；PR150)使用PR表示在图5中，PR后面是对应于赋予部件或设置有传感器的管线(管路)的参考数字的数字。要监测的最重要的压力包括管路150中预冷却压缩机吸入压力PR150、管道55中的混合制冷压缩机30吸入压力(PR55)；和管路32中的混合制冷压缩机排出压力PR32。
这些压力传感器产生可以由可编程控制器接收和监测的传感器信号，可编程控制器可以使用这些中的一个或更多个作为控制变量。
整套配置中的压力在长时间停机之后可能会影响冷却过程，尤其是在整套配置已经完全再循环好几天的情况下。在高压情况下，小的变化对主低温换热器100的总体冷却也具有大的影响。另外，PR57和PR54(分别在第一JT阀58和第二JT阀51上游的LMR和HMR管压力)可以在冷却之前进行监测。如果这些压力太高，任何阀操纵可能具有较快的动态，只要系统具有压力水平的初始条件低于预定初始最大压力值(在本测试中，我们使用20barg)。
对LMR和HMR流，可计算流量，以便用作控制变量或至少用作待监测的变量。这样的计算可基于压力差以及第一JT阀58和第二JT阀51各自的额定阀开度。对此，可利用对在LMR和HMR两个回路(分别为PR57和PR54)上的第一和第二JT阀之前的压力和在流向压缩机之前的制冷剂回路的吸入压力(PR55)进行测量。
对于较小的JT阀开度的流量测量的标准偏差可能会相当大，如果用作监测变量，其会导致错误。LMR和HMR流动的线性模型已经作为较高阀开度的全部测量的最小二乘方线性模型计算出。基于该模型，所估算的流量通过如下给出：
FLMR＝KLMR·X58·√(PR57-PR55)；和
FHMR＝KHMR·X51·√(PR54-PR55)，
其中，FLMR(FHMR)表示LMR管路48(HMR管路47)中的流量；X58(X51)表示第一(第二)JT阀58、51的打开量；KLMR(KHMR)表示相应于斜率的最小二乘方线性模型常数。已经发现线性最小二乘方模型满足所要求的精度。但是，也可以采用其他类型的函数来替代。尤其是，对于HMR，可以估算二次函数，而对于LMR流动，已经发现类似于平方根函数的特征形状。
在刚要执行自动冷却之前，主低温换热器100首先在手动控制下预冷却至大约-25℃和大约-35℃之间的温度。其他任务在该级目前已经手动完成，但是这些任务也可以自动化并结合到本发明披露的模块结构中，所述其他任务包括：
-任何在线的NGL(天然汽液，一般由具有比得上丙烷和更高的质量的分子构成)萃取塔(例如洗涤塔)中的水平面控制；
-流20的温度控制；
-制冷剂回路(特别是管侧15、28)的降压；
-气体除霜/冷气混合物控制，用于将制冷剂回路管道冷却至大约-25℃与大约-35℃之间的温度。
主低温换热器进一步冷却至大约-155℃以下的工作温度，这里冷却至大约-160℃的工作温度，是利用自动冷却方法和设备来实现的。进一步的冷却在下文中可被成为″最后冷却″。
图6用示意图显示了在测试中使用的模块结构。模块301限定了与上述模块201很相同的初始条件。紧要初始条件的例子包括：
-如果操纵的是烃流(通常容许最大0.08％(摩尔比)的C5+)，在烃进料中(例如在管线20中)存在过量的重组分；
-第一和第二JT阀(58，51)没有充分关闭(在该测试中，使用超过1％的开度值)；
-制冷回路(LMR和HMR)中的压力低于压缩机31排出；
-一个或更多个制冷压缩机30、31以及预冷却制冷压缩机127没有在线运行(例如通过压缩机速度检测)；
-这些压缩机上的吸入阀和排出阀没有打开；
-在压缩机31排出处的制冷剂压力太高(测试使用最大为20barg)；
-预冷却制冷压缩机127的吸入压力超出了预定压力窗口(合适地，大约0.5barg周围的窗口)；
-存在的任何IGV阀没有充分关闭。
非紧要初始条件的例子包括：
-TDR5759太小(在来自Air Products & Chemicals Inc的盘管式换热器的情况下，所推荐的典型最小值是25℃)；
-一个或更多个制冷压缩机再循环阀(例如130、131)没有完全打开(该测试中使用小于99％打开度)；
-压缩机31的排出压力低于一预定最小值(该测试中使用了18barg)。
一对应于模块301的通讯信号的信号触发模块308。模块302也由对应于模块301的通讯信号的同一信号触发。
模块302标记模块子网络中的第一模块，这里模块子网络是指模块303、304、305以及309至312。因此，下述的模块的整个子网络都与模块308并行操作及并流。
如同模块202首先打开JT阀14一样，模块302本身首先打开第一JT阀58。
模块303由模块302触发，然后它等待一些时间，很像如上所述的模块203。模块305、305、309和310收到在相应于模块303的通讯信号的信号时触发。
如同模块204中所述的JT阀14一样，模块304进一步还打开第一JT阀58。
模块305调节压缩机再循环阀(或阀)131，很像上述调节再循环阀12的模块205一样。
但是，另外，还存在模块309，其在网络中在与模块305相同的水平下运行，所述模块309关闭压缩机再循环阀130，优选响应表示主低温换热器温度的预定温度已经达到预定值的时候。压缩机再循环阀130的关闭由喘振偏差抑制，所述喘振偏差部分地受模块304和310至312的影响。因而，实际上，模块309使制冷剂压力尽可能地最大，而同时维持容许的喘振偏差。
优选地，预定温度是温度TR57，该预定值设计成，可以肯定的是，在管路57和52中流动的自动冷却LMR和HMR部分被完全冷凝，使得再循环阀的关闭不会引起对冷却率产生不期望的影响。例如，预定温度值可以是-135℃，但是这取决于所使用的多组分制冷剂的成分。当然，过低的喘振偏差会形成对再循环阀关闭的限制。可能会对操作者产生一信息，即，必须进行IGV移动。
另外，模块309可以包含计算机可执行指令，以在温度达到预定值之前关闭再循环阀130，但再循环阀的关闭可以由其他紧急情况触发。另一个紧急情况可能出现在例如压缩机30的喘振偏差高于预定最大值(一般为0.3)的情况下。过大的喘振偏差可以引起压缩机的物理振动，因此即使还没有达到预定温度，也要关闭再循环阀130。
模块310控制第二JT阀51的首次打开。其打开成足以使比仅用第一JT阀58运动更快的冷却趋势建立。第二JT阀51的首次打开涉及考虑了该阀首次打开的任何非线性性能的算法。该模块企图使初始冷却率保持在最大极限值以下，在此冷却不快于28℃/h。然而，由于JT阀在最初打开(如上所述)时的非线性特性，这是不可能的。在这种情况下，该过程尽可能地继续最小冷却率，其对应于JT阀在最小可见打开时达到的冷却率。该模块开始时的状态存在于清楚的温度分布图中，该温度分布图可理解为TR54的温度变化率规范化并冷却的分布图。所以，该模块与模块304同时被激活。与模块311(其由下述的模块310触发)合起来，该模块组合在网络中与模块304在同一水平下运行。
为了建立增大的冷却趋势，模块310在预定时间间隔，例如每分钟，打开第二JT阀，直到检测到冷却温度变化(在该测试中，直到检测到冷却率快于0.1℃/h)。然后少量地关闭阀51。然后再次核对该冷却，以确信第二JT阀51没有再关闭或者冷却不是太快。如果太快，则将进一步关闭第二JT阀。如果冷却趋势停止，则打开该阀，直到冷却趋势再次建立。在达到预定范围之内的稳定冷却趋势时，产生通讯信号。
来自模块310的通讯信号由模块311接收，并且该通讯信号还触发模块312。模块311使第二JT阀51进一步移动。要考虑三种情况：
i)在冷凝范围以上，控制第二JT阀位置；
ii)临到管路54中的重制冷剂出现冷凝，任何JT阀运动都放慢下来；
iii)在检测到冷凝时，第二JT阀51关闭一点点，以避免由冷凝流动引起的高冷却率。在检测到管路54中的重制冷剂冷凝之后，将重制冷剂的流量控制在利用流量控制器设定的远程设定点上。TR54的温度变化率和TR25的温度将确定流量控制器设定点的步长(step)。TR54和TR25两者的最终温度目标将停止阀动作。
当例如TR57或TR40的最高温度已经达到其目标值时，模块311完成。从重制冷剂到冷却任务的任何贡献从那时起减少，除非要调节制冷剂补给。
补给调节由模块312控制，如上所述，基于模块310产生的通讯信号而触发模块312，以与模块311同时开始。模块操纵补给以：
·沿着朝向目标工作压力(在该测试中，为30barg)的斜度增大压缩机31排出压力；
·朝着目标组成(target composition)，移动制冷剂组成，所述目标组成可以是主低温换热器100正常运行的结束目标或中间目标。
在冷却过程期间，制冷剂目标组成可以改变。在控制变量达到预定值时，制冷剂目标组成可以逐渐或以步长方式变化。例如，一旦温度TR57降到-135℃或-140℃的预定值以下，就可以改变。
在测试过程中，氮是补给的特定部分。氮补给优选仅在有机会时进行，例如在MR压缩机30吸入压力低(例如低于2.0barg)的时候。这是因为测试期间氮供给压力仅为大约2barg。
模块312在对MR流中的甲烷总量获得可靠测量失效的情况下具有一定的耐久性(robustness)(例如由于仪器与DCS之间的通讯故障，或者由于传感器故障)，这是相当普遍的。在这样的情况下，不是直接测量，而是通过假定其余是甲烷，根据C2(乙烷)、C3(丙烷)和N2的组成估算甲烷组成。
如上所述的整个子网络(包含模块303、304、305和309至312)作为一个整体与模块308并行执行，模块308调节预冷却制冷压缩机再循环阀中的一个或更多个，这里以第一级再循环阀129的形式调节，所述第一级再循环阀129控制通过压缩机127的第一压缩级的再循环流。模块目标是使有关预冷却制冷剂吸入压力(图4的管路150中)的吸入压力保持在一预定范围之内，例如0.25-0.50barg，但不会使喘振偏差减小得太靠近控制线。低压能够确保进入主低温换热器100(例如经由管路20)的烃进气的温度具有一合理值。所以，管路20中的温度本身不需要监测或用作该模块中用于控制的条件。
另外，预冷却制冷压缩机127的排出温度(管路135中)也没有受到监测，因为在测试中使用的自动冷却过程没有提供能够操纵可用于改善预冷却制冷压缩机127的高排出温度的情形的任何变量的能力。但是，实施该监测也不会脱离本发明的范围。
可以嵌入用于监测变量中的一个或更多个的某些超越界限。监测变量中的一个或更多个越过这些界限之一(即超过预定最大和/或最小值)，可能导致发出警报信号，以警告操作者暂停冷却或放弃冷却或两者组合。
这些超越界限的典型例子包括：
-有关任何选定温度的预定最高温度变化率(例如Air Products低温换热器所规定的28℃/小时)，优选下列中的一个或更多个：管侧29和/或排出管路40内某一位置处的烃产品的温度；所消耗的制冷剂的温度(例如壳侧33的底部温端中或管路25中)；第一JT阀58或第二JT阀51排出侧或吸入侧的制冷剂温度；换热器1中的任何壳侧温度；
-预定最大空间温度梯度，其反映换热器内或周围两个空间分开的点之间的规定最大温差(例如28℃的最大温差)，优选主低温换热器100上游的轻制冷剂与所消耗的制冷剂之间的温差TDR2547(还可以是TDR3347，未显示)；主低温换热器100上游的重制冷剂与所消耗的制冷剂之间的温差TDR2548(还可以是TDR3348，未显示)；TDR2715；和TDR5759；
-烃进料流中会在主低温换热器100中冻结的重组分的预定最大含量(0.08％(摩尔比))；
-制冷压缩机上的吸入阀和排出阀关闭；
-主低温换热器冷端的最大规定壳顶压力(5barg)；
-检测事故停机(trip)；
-控制系统中存在通讯误差。
显然，也可以使用其他超越界限，例如在使用其他类型的低温换热器的情况下。
下表I显示了在该测试中用作操纵变量的全部变量，而下表II显示了在该测试中用作用于决策的控制变量或监测变量的全部变量。
表I：操纵变量
Figure BPA00001190224600301
表II：控制变量和监测变量
Figure BPA00001190224600311
Figure BPA00001190224600321
通过操纵混合制冷剂流量、组成及第一和第二JT阀，如上所述的用于最后冷却主低温换热器的自动过程逐渐降低了主低温换热器的整体温度，第一和第二JT阀部分地决定了经过这些JT阀闪蒸的压缩比。
尽管在该测试中没有实施，但是已经想到，在包括其他的先前模块或后续模块或两者的较大模块网络中进一步嵌入图6的模块结构(或用于另一个整套配置或换热器的类似模块结构)。图7显示了嵌入在后续模块中的例子。
图7显示了带有某些后冷却任务的模块结构。例如，可以是需要在用于正常运行的自动过程控制系统可以接管控制之前完成的中间任务。例如，模块401操纵减弱阀44，目标是使流过管路20、40和烃管侧29的流量斜度向上增大。
在该级中相关的其他操纵变量包括如上所述冷却级的所有操纵变量加上可能的IGV和任何预冷却制冷压缩机再循环阀，预冷却制冷压缩机再循环阀在冷却自动进行中不包括在操纵变量内。
优选地，LMR和HMR操纵基于流量控制而不是阀开度进行。
另外，操纵变量可以包括有关在线NGL萃取的任何回流。但是，可以预想，可以在烃进料速率达到正常运行范围之后由正常水平控制接管。
其他模块因而可以与模块401并联。举例来说，虽然已经描绘了模块402，但是其也包括可以是用于使任何分馏区段斜度向上增加的模块，所述任何分馏区段可以设置在所有NLG萃取塔的下游，以接收并进一步分馏萃取的NLG液体。本领域技术人员应该能够根据所使用的整套配置和设备的类型，设计出可以使用哪些操纵变量和控制变量。
在此所述的设备和方法可以应用于低温换热器，只要低温换热器需要在运行之前进行冷却。这可以是例如初始冷却，或者是维修操作之后或事故停机之后的冷却：换热器比运行温度更暖的原因对在此所述的主题的应用没有关系。
本领域技术人员应当明白，本发明可以在不脱离附带的权利要求书的范围的情况下以许多不同的方式实施。本发明已经详细描绘，包括为某些控制变量提供目标值。但是，对本领域技术人员来说，显而易见的是，这些值的选择与用于测试的具体整套配置和设备有关。当在使用其他设备的另一个整套配置上实施本发明时，这样的细节可能需要进行优化，所以，这样的细节不应该被认为是对本发明的范围的限制。

Claims (17)

1.一种用于冷却低温换热器的设备，所述低温换热器适用于使烃流液化，例如使天然气流液化，所述低温换热器布置成能够接收待液化的烃流和制冷剂，并能够使烃流与制冷剂进行热交换，从而至少部分地使烃流液化，以及能够排出至少部分液化的烃流和已经通过低温换热器的所消耗的制冷剂，该设备包括：
-使所消耗的制冷剂再循环回到低温换热器的制冷剂再循环回路，所述制冷剂再循环回路至少包括有压缩机、压缩机再循环阀、冷却器和第一焦耳-汤普森阀；
-可编程控制器，其布置成
(i)接收输入信号，所述输入信号表示一个或更多个控制变量的传感器信号；
(ii)生成控制信号以控制一个或更多个操纵变量；和
(iii)执行计算机程序，所述计算机程序包括具有至少三个模块的网络，其中所述至少三个模块中的一个或更多个接收输入信号中的一个或更多个的表达，并生成控制信号中的一个或更多个的表达；
以及其中所述至少三个模块均布置成：
(a)等待，直到接收一触发信号；和
(b)在收到触发信号时，开始执行一个或更多个计算机可读指令的预定顺序，至少直到达到该模块的预定模块目标；
以及，网络中的这些模块互连，使得由所述至少三个模块中的第二和第三模块接收的触发信号对应在所述至少三个模块中的第一模块达到该模块的预定目标时所产生的通讯信号。
2.如权利要求1所述的设备，其中，第二和第三模块相互并行操作，由此，这些模块中的一个的控制作用受一变量的约束，该变量受由第二模块和第三模块中的至少另一个操纵的一个或更多个操纵变量影响。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述一个或更多个控制变量包括随时间的温度变化率。
4.如权利要求3所述的设备，其中，随时间的温度变化率包括下列中的一个或更多个：第一焦耳-汤普森阀吸入侧的制冷剂温度；第一焦耳-汤普森阀排出侧的制冷剂温度；低温换热器内部某一点处的烃流温度；低温换热器下游的烃流温度。
5.如前述权利要求中任一所述的设备，其中，所述一个或更多个控制变量包括低温换热器内或周围的选定的空间温度梯度。
6.如权利要求5所述的设备，其中，选定的空间温度梯度反映下列温差中的一个或更多个：消耗的制冷剂与低温换热器的制冷剂入口处的制冷剂之间的温差；第一焦耳-汤普森阀吸入侧的制冷剂与排出侧的制冷剂之间的温差。
7.如前述权利要求中任一所述的设备，其中，低温换热器包括用于蒸发制冷剂的壳侧和用于自动冷却制冷剂的管侧。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述选定的空间温度梯度反映低温换热器的壳侧与包含制冷剂的管侧之间的温差。
9.如前述权利要求中任一所述的设备，其中，在冷却器的下游和第一焦耳-汤普森阀的上游，一液/汽分离器设置在制冷剂再循环回路中，用以接收部分冷凝的制冷剂和将该部分冷凝的制冷剂流分离成液态重制冷剂部分和气态轻制冷剂部分，以及用以经由液体出口排出液态重制冷剂部分和经由气体出口排出气态轻制冷剂部分，所述液态重制冷剂部分和气态轻制冷剂部分被传送到低温换热器，其中第一焦耳-汤普森阀布置成控制这些所述液态重制冷剂部分和气态轻制冷剂部分中的一个的流通，优选控制轻制冷剂部分的流通。
10.如权利要求9所述的设备，其中，选定的空间温度梯度反映下列中的一个或更多个：消耗的制冷剂与低温换热器的气体出口和气态制冷剂入口之间的制冷剂之间的温差；消耗的制冷剂与低温换热器的液体出口和液态制冷剂入口之间的制冷剂之间的温差。
11.如前述权利要求中任一所述的设备，其中，所述一个或更多个控制变量包括下列中的一个或两个：第一焦耳-汤普森阀两侧的制冷剂流的第一温差；和压缩机的吸入侧的制冷剂流的吸入压力。
12.如前述权利要求中任一所述的设备，其中，所述一个或更多个操纵变量至少包括下列中的一个或两个：表示第一焦耳-汤普森阀的打开量的大小的第一焦耳-汤普森阀设定；和控制第一焦耳-汤普森阀上游的制冷剂压力的任何压力设定。
13.如权利要求12所述的设备，其中，压力设定包括表示压缩机再循环阀的打开量的大小的压缩机再循环阀设定。
14.如前述权利要求中任一所述的设备，其中，低温换热器包括用于烃流的烃流入口和烃流出口，以及分别用于制冷剂和所消耗的制冷剂的一个或更多个分离的制冷剂入口和制冷剂出口。
15.一种用于冷却低温换热器的方法，所述低温换热器适用于使烃流液化，例如使天然气流液化，该方法包括以下步骤：
-提供一低温换热器，所述低温换热器布置成能够接收待液化的烃流和制冷剂，并能够使烃流与制冷剂之间进行热交换，从而使烃流至少部分地液化，以及能够排出至少部分液化的烃流和已经通过低温换热器的所消耗的制冷剂，
-提供一使所消耗的制冷剂再循环回到低温换热器的制冷剂再循环回路，所述制冷剂再循环回路至少包括有压缩机、压缩机再循环阀、冷却器和第一焦耳-汤普森阀；
-激活一可编程控制器，所述可编程控制器
(i)接收表示一个或更多个控制变量的传感器信号的输入信号；
(ii)生成控制信号以控制一个或更多个操纵变量；和
(iii)执行计算机程序，所述计算机程序包括具有至少三个模块的网络，其中所述至少三个模块中的一个或更多个接收输入信号中的一个或更多个的表达，并生成控制信号中的一个或更多个的表达；
以及，其中所述至少三个模块中的每一个
(a)等待，直到接收一触发信号；和
(b)在收到触发信号时，开始执行一个或更多个计算机可读指令的预定顺序，至少直到达到该模块的预定模块目标；
以及其中，所述至少三个模块中的第一模块达到该模块的预定目标时产生一通讯信号，所述通讯信号传递给所述三个或更多个模块中的第二和第三模块，在那里，通讯信号充当第二和第三模块的触发信号。
16.一种用于使烃流液化的方法，所述烃流为例如天然气流，其包括以下步骤：
-依照权利要求15所述的方法，冷却一低温换热器，所述低温换热器适用于使烃流液化；
-随后在一个或更多个步骤使烃流液化，包括至少使烃流在低温换热器中进行热交换。
17.一种用于使烃流液化的方法，所述烃流为例如天然气流，其包括步骤：
-使用权利要求1到14中任一所述的设备，冷却一低温换热器，所述低温换热器适用于使烃流液化；
-随后在一个或更多个步骤使烃流液化，包括至少使烃流在低温换热器中进行热交换。
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