CN107345735B - 操作天然气液化设施的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制天然气液化设备的主热交换器中的天然气和制冷剂的流动的方法。该方法基于一个或多个过程变量和设定点提供对通过热交换器的天然气进料流的流速的自动控制。通过热交换器的制冷剂流的流速由不同的过程变量和设定点控制，并且独立于天然气进料流的流速而被控制。

Description

操作天然气液化设施的方法

技术领域

本发明涉及操作天然气液化设施的方法。

背景技术

用于冷却、液化和任选地过冷(sub-cooling)天然气的多种液化系统是本领域公知的，诸如单混合制冷剂(SMR)循环、丙烷预冷混合制冷剂(C3MR)循环、双重混合制冷剂(DMR)循环、C3MR-氮混合(诸如，

过程)循环、氮或甲烷膨胀器循环和级联循环。通常，在这样的系统中，天然气被冷却、液化并且任选地通过与一种或多种制冷剂的间接热交换而被过冷。可以使用各种制冷剂，诸如混合制冷剂、纯组分、两相制冷剂、气相制冷剂等。混合制冷剂(MR)(其是氮气、甲烷、乙烷/乙烯、丙烷、丁烷和任选的戊烷的混合)已用于许多基本负荷的液化天然气(LNG)装置中。通常基于进料气体组成和操作条件而优化MR流的组成。

制冷剂在包括一个或多个热交换器和一个或多个制冷剂压缩系统的制冷剂回路中循环。制冷剂回路可以是闭环或开环的。通过与热交换器中的制冷剂间接热交换，天然气被冷却、液化和/或过冷。

每个制冷剂压缩系统包括用于压缩和冷却循环制冷剂的压缩电路，以及用于提供驱动压缩机所需的动力的驱动器组件。制冷剂被压缩至高压并在膨胀之前冷却，以便产生冷的低压制冷剂流，其提供冷却、液化和任选地过冷天然气所需的热负荷。

各种热交换器可用于天然气冷却和液化服务。线圈式热交换器(CWHE)通常用于天然气液化。CWHE通常包含容纳在铝或不锈钢加压壳体内的螺旋缠绕的管束。对于LNG服务，典型的CWHE包括多个管束，每个管束具有多个管电路。

在天然气液化方法中，通常对天然气进行预处理以除去杂质，诸如水、汞、酸性气体、含硫化合物、重烃等。纯化的天然气任选在液化之前预冷却以生产LNG。

在设备的正常操作之前，需要调试设备中的所有单元操作。这包括启动天然气预处理过程(如果存在)、制冷压缩机、预冷却和液化热交换器以及其他单元。下文将工厂第一次启动称为“初始启动”。在正常操作期间热交换器的每个部分操作的温度被称为“正常操作温度”。热交换器的正常操作温度通常具有其中热端具有最高温度而冷端具有最低温度的轮廓。根据所使用的预冷却制冷剂的类型，预冷却热交换器在其冷端和液化交换器在其热端处的正常操作温度通常在-10℃和-60℃之间。在没有预冷却的情况下，液化热交换器在其热端的正常操作温度接近环境温度。液化热交换器在其冷端的正常操作温度通常在-100℃和-165℃之间，这取决于所使用的制冷剂。因此，这些类型的交换器的初始启动包括将冷端从环境温度(或预冷却温度)冷却到正常操作温度，并为随后的生产提升和正常操作建立适当的空间温度分布。

在启动预冷却和液化热交换器时的一个重要考虑是它们必须以逐步和受控的方式冷却，以防止对热交换器的热应力。期望的是，温度变化率以及交换器内热流和冷流之间的温差在可接受的限度内。该温度差可以在特定的热流和冷流之间测量。不这样做可能会对热交换器造成热应力，这会影响热交换器的机械完整性和整体寿命，这可能最终导致不希望的设备关闭，降低设备可用性和增加成本。因此，必须注意确保以逐渐和受控的方式进行热交换器冷却。

启动热交换器的需要也可以在设备的初始启动之后，例如在临时设备关闭或跳闸之后热交换器重新启动期间存在。在这种情况下，热交换器可以从环境温度(下文称为“暖重启”)或从正常工作温度和环境温度之间的中间温度(下文称为“冷重启”)预热。冷和热重启也必须以渐进和受控的方式执行。术语“冷却”和“启动”通常是指在初始启动，冷启动以及暖启动期间的热交换器冷却。图9示出在热重启之前和之后的热交换器的示例性温度曲线。图10示出在冷重启之前和之后的热交换器的示例性温度曲线。

一种方法是手动控制热交换器冷却过程。以逐步的方式手动调节制冷剂流量和组成以冷却热交换器。该过程需要提高操作者的注意力和技能，这在具有高操作者更新率的新设施和设施中可能是难以实现的。操作者方面的任何错误可能导致冷却速率超过允许的限制和对热交换器的不期望的热应力。另外，在该过程中，温度的变化率通常是手动计算的，并且可能不准确。此外，手动启动往往是逐步的过程，并且经常涉及校正操作，因此是耗时的。在该启动期间，来自交换器的原料天然气通常是燃烧的，因为其不满足产品要求或者不能进入LNG罐。因此，手动冷却过程将导致有价值的原料天然气的大量损失。

另一种方法是使用可编程控制器自动化冷却过程。然而，现有技术中公开的方法过于复杂，并且在交换器已经冷却之前不涉及进料阀操作。这可以容易地导致制冷剂在热交换器中的大的过量供应，以及效率低下。在诸如混合制冷剂(MR)的两相制冷剂的情况下，这可能导致在MR压缩机的吸入处的液体制冷剂。此外，该方法没有利用进料流速和制冷剂流速之间的紧密相互作用，其对热侧和冷侧温度具有直接影响。最后，该方法是一种交互式(非自动)过程，其中关键决定仍然必须由操作者做出。其自动化水平有限。

一旦LNG设备启动，诸如美国专利No.5,791,160或美国专利No.4,809,154中所述的各种控制方案可用于控制参数，诸如LNG温度、流速、热交换器温度差和等等。这种控制方案不同于在启动期间使用的控制方案，并且不能容易地用于启动目的。首先，温度分布已经建立并且将被保持相对稳定，并且进料气体和制冷剂流速不需要如在启动的情况下从零增加。这消除了控制方案中的一个关键变量。另外，在正常操作期间，与在启动期间不同，在整个启动过程中需要进行较大调整的情况下，制冷剂组成可能不需要或者不需要调整。在混合制冷剂工艺的情况下，在启动期间制冷剂组分库存可能不可用，这进一步使控制过程复杂化。此外，制冷压缩机通常在启动期间以再循环模式操作，以防止达到喘振极限。这些再循环阀可能需要在冷却过程期间逐渐关闭，这是要调节的附加变量。此外，在启动和热交换器冷却期间，需要监测吸入压力，并且需要补充制冷剂组分(诸如，在基于MR的过程的情况下的甲烷和在N 2循环过程中的N 2)，以便维持适当的吸入压力。这也使启动操作复杂化。

使冷却过程自动化的一种可能方式是增加天然气进料流速，同时独立地操纵制冷剂流速以控制在热交换器的冷端测量的冷却速率。但发现该方法是无效的，因为冷却速率控制器可以根据制冷剂的温度和相行为而具有不同甚至反向的响应。制冷剂不仅用作冷却介质，而且在JT阀膨胀之前也在热交换器中产生热负荷。在该过程开始时，增加制冷剂流量可能导致在冷端测量的冷却速率实际上在制冷剂在管回路中冷凝之前变慢。随后在冷却过程中，当进入JT阀的制冷剂冷凝时，增加流量增加了冷却速率。这种反向响应使得这种控制方法的自动化非常困难或不可行。

总体上，需要一种用于在天然气液化设施中启动热交换器，同时最小化操作者干预的简单，有效和自动化的系统和方法。

发明内容

在提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

如下所述并且由所附权利要求限定的所描述的实施例包括对用作天然气液化过程的一部分的压缩系统的改进。所公开的实施例通过提供一种可编程控制系统和方法来满足本领域的需要，所述可编程控制系统和方法用于在天然气液化设施的启动期间并行且独立地调节进气流速和制冷剂流速，启动和有效地冷却MCHE(在此定义)，以所需的冷却速率，并且以最小的操作者干预。

此外，下面概述本发明的系统和方法的几个具体方面。

方面1：一种用于控制液化天然气(LNG)设备的启动的方法，所述LNG设备具有包括热交换器的热交换系统，以通过制冷剂的闭合回路制冷实现热交换器的冷却，所述热交换器包括至少一个热流和至少一个制冷剂流，所述至少一个热流包括天然气进料流，并且所述至少一个制冷剂流用于通过间接热交换来冷却所述天然气进料流，所述方法包括以下步骤：

(a)将所述热交换器从第一时间的第一温度分布冷却到第二时间的第二温度分布，所述第一温度分布具有大于所述第二温度分布的第二平均温度的第一平均温度；和

(b)在执行步骤(a)期间并行执行以下步骤：

(i)测量所述热交换系统内的第一位置处的第一温度；

(ii)计算包括所述第一温度的变化率的第一值；

(iii)提供表示所述第一温度的优选变化率的第一设定点；

(iv)基于所述第一值和所述第一设定点而控制通过所述热交换器的所述天然气进料流的流速；和

(v)独立于步骤(b)(iv)，控制所述至少一个制冷剂流的第一流的流速，使得所述第一制冷剂流的流速在所述第二时间比在所述第一时间更大。

方面2：根据方面1所述的方法，其中步骤(b)(i)至(b)(iv)包括：

(i)测量(1)所述热交换系统内的第一位置处的第一温度和(2)所述至少一个热流在第二位置处的第二温度和所述至少一个制冷剂流在热交换系统内的第三位置；

(ii)计算包括所述第一温度的变化率的第一值和包括所述第二温度和所述第三温度之间的差的第二值；

(iii)提供表示所述第一温度的优选变化率的第一设定点和表示所述第二温度和所述第三温度之间的优选差的第二设定点；和

(iv)基于在步骤(b)(ii)中计算的第一和第二值以及第一和第二设定点，控制通过热交换器的天然气进料流的流速。

方面3：方面1-2中任一项的方法，其中步骤(a)包括：

(a)将所述热交换器从第一时间的第一温度分布冷却到第二时间的第二温度分布，所述第一温度分布具有大于所述第二温度分布的第二平均温度的第一平均温度，在其最冷位置的第二温度分布小于-20℃。

方面4：根据方面3所述的方法，其中步骤(a)包括：

(a)将所述热交换器从第一时间的第一温度分布冷却到第二时间的第二温度分布，所述第一温度分布在其最冷位置大于-45℃，所述第二温度分布在其最冷位置比在第一温度分布上的相同位置处的温度低至少20℃。

方面5：根据方面2-4中任一方面的方法，其中步骤(b)(i)进一步包括：

(i)测量(1)所述热交换系统内的第一位置处的第一温度和(2)所述至少一个热流在第二位置处的第二温度和所述至少一个制冷剂流在第第三位置，所述第三位置在所述热交换器的壳体侧内。

方面6：方面1-5中任一项的方法，其中步骤(b)(iii)进一步包括：

(iii)提供表示所述第一温度的优选变化率的第一设定点，所述第一设定点是每小时5℃和30℃之间的值或范围。

方面7：根据方面2-6中任一项所述的方法，其中步骤(b)(iii)还包括：

(iii)提供表示所述第一温度的优选变化率的第一设定点和表示所述第二温度和所述第三温度之间的优选差的第二设定点，所述第二设定点包括在零和30℃之间范围的值。

方面8：方面1-7中任一项的方法，其中步骤(b)(v)还包括：

(v)独立于步骤(b)(iv)，以流量斜坡速率增加所述至少一个制冷剂流的第一制冷剂的流量。

方面9：根据方面8所述的方法，其中步骤(b)(v)还包括：

(v)独立于步骤(b)(iv)，以流量斜坡速率增加所述至少一个制冷剂流的第一制冷剂流的流量，所述流量斜坡率在介于2和在第一次之后8小时，第一制冷剂流的流量为设备正常操作期间第一制冷剂流的流量的20-30％。

方面10：方面8-9中任一项的方法，其中步骤(b)进一步包括：

(vi)测量所述至少一个制冷剂流的第二制冷剂流的流量和所述第一制冷剂流的流量；

(vii)计算包括所述第二制冷剂流的流量和所述第一制冷剂流的流量的比率的第二值；

(viii)提供代表第二制冷剂流的流速和第一制冷剂流的流速的优选比率的第二设定点；和

(ix)独立于步骤(b)(iv)，基于所述第二值和所述第二设定点控制所述第二制冷剂流的流量。

方面11：方面1-10中任一项的方法，其中步骤(b)进一步包括：

(vi)测量所述至少一个制冷剂流的第二制冷剂流的流量和第一制冷剂流的流量；

(vii)计算包括所述第二制冷剂流的流量和所述第一制冷剂流的流量的比率的第二值；

(viii)提供代表第二制冷剂流的流速和第一制冷剂流的流速的优选比率的第二设定点；

(ix)在所述热交换系统内的第四位置处测量所述至少一股热流的第四温度，以及在所述热交换系统内的第五位置处测量所述至少一股制冷剂流的第五温度；

(x)计算包括所述第四温度和第五温度之间的差的第三值；

(xi)提供表示第四和第五温度之间的优选温度差的第三设定点；和

(xii)独立于步骤(b)(iv)，基于(1)第二值和第二设定点以及(2)第三值和第三设定点控制第二制冷剂流的流速。

方面12：根据方面2-11中任一方面的方法，其中步骤(b)进一步包括：

(v)在所述热交换系统内的第四位置处测量所述至少一股热流的第四温度，以及在所述热交换系统内的第五位置处测量所述至少一股制冷剂流的第五温度；和

(vi)独立于步骤(b)(iv)，基于如下而控制第二制冷剂流的流量：(1)第四温度和第五温度之间的差异，和(2)第二制冷剂流的流量和第一制冷剂流的流量比率；

其中所述第二和第三位置位于所述热交换系统的第一区域内，并且所述第四和第五位置位于所述热交换系统的第二区域内。

方面13：根据方面1-12中任一项所述的方法，其中步骤(b)(i)还包括：

(i)测量(1)所述热交换系统内的第一位置处的第一温度和(2)所述至少一个热流在第二位置处的第二温度和所述至少一个制冷剂流在热交换系统内的第三位置，第二和第三位置在热交换器的热端。

方面14：方面1-13中任一项的方法，其中步骤(b)(iv)包括：

(iv)使用自动控制系统控制通过热交换器的天然气进料流的流速，以将第一值维持在第一设定点。

方面15：方面10-14中任一项的方法，其中步骤(b)(ix)包括：

(ix)独立于步骤(b)(iv)，使用自动控制系统控制第二制冷剂流的流速以将第二值维持在第二设定点。

方面16：根据方面1-15中任一项所述的方法，其中所述热交换器具有多个区，每个区具有温度分布，并且步骤(b)(v)还包括：

(v)独立于步骤(b)(iv)，控制所述至少一个制冷剂流的第一流的流量，使得所述第一制冷剂流的流量在所述第二时间比在所述第一时间更大，所述第一流为所述多个区中的第一区提供制冷，所述第一区具有所述多个区中的所有温度分布的最低平均温度的温度分布。

方面17：方面1-16中任一项的方法，其中步骤(b)(ii)包括：

(ii)计算由第一温度的变化率组成的第一值。

方面18：根据方面2-17中任一项的方法，其中步骤(b)(vii)进一步包括：

(vii)计算由第一温度的变化率和包括第二温度和第三温度之间的差的第二值组成的第一值。

方面19：根据方面1-18中任一项所述的方法，其中步骤(b)还包括：

(vi)基于测量的制冷剂压缩机吸入压力和吸入压力设定点来控制制冷剂的至少一个组分的补充率。

方面20：方面14-19中任一方面的方法，其中步骤(b)进一步包括：

(vi)基于测量的吸入压力和吸入压力设定点而控制制冷剂的至少一种组分的补充速率，所述吸入压力设定点在100-500kPa的范围内。

方面21：根据方面14-20中任一项所述的方法，其中步骤(b)还包括：

(vi)基于测量的制冷剂压缩机吸入压力和吸入压力设定点来控制制冷剂的甲烷组分的补充率。

方面22：方面1-21中任一方面的方法，其中步骤(b)进一步包括：

(vi)基于至少一种工艺条件控制所述制冷剂的氮组分的补充速率，其中如果不满足所述至少一种工艺条件中的任一条件，所述氮组分的补充速率为零。

方面23：根据方面22所述的方法，其中步骤(b)还包括：

(vii)基于至少一个工艺条件控制所述制冷剂的氮组分的补充速率，其中如果所述至少一个工艺条件中的任一个不满足，所述氮组分的补充速率为零，至少一个工艺条件包括选自以下的组中的至少一个：在热流和所述至少一个制冷剂流之间的热交换系统的冷端的温度差小于温差设定点，吸入压力在抽吸滚筒处小于吸入压力设定点，在所述热交换系统的冷端获得的温度小于冷端温度设定点，并且所述第一值小于温度变化设定点。

方面24：方面1-23中任一项的方法，其中步骤(b)进一步包括：

(vi)基于在气液分离器中测量的液位和液位设定点来控制制冷剂的至少一种重组分的补充速率。

方面25：方面1-24中任一方面的方法，其中步骤(b)进一步包括：

(vi)基于在气液分离器中测量的液位和液位设定点来控制所述制冷剂的至少一种重组分的补充率，所述液位设定点在20％和50％之间。

方面26：方面1-25中任一方面的方法，其中步骤(b)进一步包括：

(vi)当在气-液分离器中没有检测到液体时，以第一补充率添加所述制冷剂的至少一种重组分，并且当在气-液分离器中检测液体时，基于第二补充速率以第二补充速率添加所述至少一种重组分，第二补充率大于第一补充率。

方面27：根据方面1-26中任一项所述的方法，其中所述设备还包括与所述至少一个制冷剂流流体流连通的至少一个压缩机，其中步骤(b)还包括：

(vi)控制至少一个操纵变量以将所述至少一个压缩机中的每一个保持在距喘振至少预定距离的操作条件下，所述至少一个操纵变量包括选自以下的组中的至少一个：压缩机速度、再循环值位置和入口叶片位置。

附图说明

图1是根据本发明的第一示例性实施例的C3MR系统的示意性流程图；

图1A是示出图1的C3MR系统的MCHE部分的部分示意流程图；

图2是示出用于图1的C3MR系统的MCHE冷却控制逻辑的第一部分的示意图；

图3是图1的区域3-3中所示的C3MR系统的一部分的更详细的示意性流程图；

图4是示出用于图1的C3MR系统的MCHE冷却控制逻辑的第二部分的示意性流程图；

图5是示出在从暖启动模拟冷却期间MCHE的冷端的温度，将冷却与自动和手动控制进行比较的曲线图；

图6是示出在从冷重启模拟冷却期间MCHE的冷端的温度，将冷却与自动和手动控制进行比较的曲线图；

图7是示出与来自图5-6中模拟的暖启动和冷启动的自动冷却相关联的设定点的表格；

图8是比较图5和图6所示的自动冷却至手动冷却操作的五个度量的结果的表；

图9是表示热重启前后的热交换器的温度分布的曲线图。和

图10是表示冷启动前后的热交换器的温度分布的曲线图。

具体实施方式

实随后的详细描述仅提供优选的示例性实施例，并且不旨在限制所要求保护的本发明的范围，适用性或配置。相反，优选示例性实施例的随后的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现所要求保护的发明的优选示例性实施例的使能描述。在不脱离所要求保护的发明的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

在附图中引入的参考标号可以在一个或多个后续附图中重复，而在说明书中没有额外的描述，以便为其他特征提供上下文。

在权利要求中，字母用于标识所要求保护的步骤(例如(a)，(b)和(c))。这些字母用于帮助参考方法步骤，并且不旨在指示所要求保护的步骤被执行的顺序，除非并且仅在这样的顺序在权利要求中具体记载的程度。

方向术语可以在说明书和权利要求中用于描述本发明的部分(例如，上，下，左，右等)。这些方向术语仅意在帮助描述示例性实施例，并且不旨在限制所要求保护的本发明的范围。如本文所使用的，术语“上游”旨在表示在与参考点处的导管中的流体的流动方向相反的方向上。类似地，术语“下游”旨在表示与来自参考点的导管中的流体的流动方向相同的方向。

在说明书和权利要求书中可以使用热交换器的术语“温度”来描述热交换器内部的特定位置的热温度。

在说明书，实施例和权利要求书中可以使用术语“温度分布”来描述沿着与热交换器内部的流的流动方向平行的轴向方向的温度的空间分布。它可以用于描述热或冷流或热交换器的金属材料的空间温度分布。

除非本文另有说明，在说明书，附图和权利要求书中确定的任何和所有百分比应当理解为基于摩尔百分比。除非本文另有说明，否则在说明书，附图和权利要求书中确定的任何和所有压力应当理解为绝对压力。

如在说明书和权利要求书中使用的术语“流体流动连通”是指两个或更多个部件之间的连通性的性质，其使得液体，蒸汽和/或两相混合物能够在部件之间传输直接或间接地受控方式(即，没有泄漏)。耦合两个或更多个部件使得它们彼此流体流动连通可涉及本领域中已知的任何合适的方法，例如使用焊接，凸缘导管，垫圈和螺栓。两个或更多个部件还可以经由可以将它们分离的系统的其他部件(例如，阀，闸门或可以选择性地限制或引导流体流动的其他装置)联接在一起。

如在说明书和权利要求书中使用的术语“导管”是指流体可以通过其在系统的两个或更多个部件之间输送的一个或多个结构。例如，导管可包括输送液体、蒸气和/或气体的管道、导管、通道及其组合。

在说明书和权利要求书中使用的术语“天然气”是指主要由甲烷组成的烃气体混合物。

在说明书和权利要求书中使用的术语“烃气体”或“烃流体”是指包含至少一种烃的气体/流体，并且其中烃包含至少80％，更优选至少90％的气体/流体的总组成。

在说明书和权利要求书中使用的术语“混合制冷剂”(缩写为“MR”)是指包含至少两种烃的流体，并且其中烃占制冷剂总组成的至少80％。

在说明书和权利要求书中使用的术语“重组分”是指作为MR的组分的烃，并且具有高于甲烷的标准沸点。

术语“束”和“管束”在本申请中可互换使用，并且旨在是同义的。

如在说明书和权利要求书中使用的术语“环境流体”是指在环境压力和温度或接近环境压力和温度下提供给系统的流体。

术语“压缩回路”在本文中用于指代彼此流体连通并且串联布置的部件和导管(以下称为“串联流体流动连通”)，从第一压缩机或压缩级的上游开始并且结束在最后一个压缩机或压缩机的下游。术语“压缩序列”旨在表示由包括相关联的压缩电路的组件和导管执行的步骤。

如说明书和权利要求书中所使用的，术语“高-高”，“高”，“中”和“低”旨在表示使用这些术语的元件的特性的相对值。例如，高高压流旨在表示具有比在本申请中描述或要求保护的相应高压流或中压流或低压流更高的压力的流。类似地，高压流旨在表示具有比说明书或权利要求中描述的相应的中压流或低压流更高的压力但低于本申请中描述或要求保护的相应的高-高压流的流。类似地，中压流旨在表示具有比说明书或权利要求中所述的相应低压流高的压力，但低于本申请中描述或要求保护的相应高压流的流。

如本文所使用的，术语“温流”或“热流”旨在表示在所述系统的正常操作条件下通过间接热交换而冷却的流体流。类似地，术语“冷流”旨在表示在所述系统的正常操作条件下通过间接热交换而被加热的流体流。

表1定义了在整个说明书和附图中使用的缩略语的列表，以帮助理解所描述的实施例。

表格1

SMR	单混合制冷剂	MCHE	主要低温热交换器
				DMR	双混合制冷剂	MR	混合制冷剂
C3MR	丙烷预冷混合制冷剂	MRL	混合制冷剂液体
				LNG	液体天然气	MRV	混合制冷剂蒸气

所描述的实施例提供了用于启动烃液化过程的有效的自动化方法，并且特别适用于天然气的液化。参考图1，示出了本发明的第一实施例。该实施例包括本领域中已知的典型的C3MR过程。优选为天然气的进料流100在预处理段90中通过已知方法清洗和干燥，以除去水，酸性气体如CO 2和H 2S以及其它污染物(例如汞)，得到预处理的基本上不含水的经预处理的进料流101在预冷却系统118中预冷却，以产生预冷却的天然气流105，并进一步冷却、液化和/在MCHE 108中冷却以产生LNG流106。生产控制阀103可以用于调节LNG流106的流速。通常，通过使LNG流106通过阀或涡轮机(不是然后通过流104被送到LNG储罐109中。在罐中的压力下降和/或汽化期间产生的任何闪蒸蒸汽由流107表示，流107可以用作工厂中的燃料，再循环到进料或排气。

术语“基本上不含水”是指经预处理的进料流101中的任何残留水以足够低的浓度存在，以防止与下游冷却和液化过程中的水冻结相关的操作问题。

将预处理的进料流101预冷却至低于10℃，优选低于约0℃，更优选约-30℃的温度。将预冷却的天然气流105液化至约-150℃和约-70℃之间的温度，优选约-145℃和约-100℃之间的温度，随后过冷却至约-170℃和约-120℃，优选在约-170℃和约-140℃之间。图2示出的MCHE 108是具有三个管束的盘管式热交换器。然而，可以使用任何数量的束和任何交换器类型。

在该C3MR方法中使用的预冷却制冷剂是丙烷。丙烷制冷剂110相对于预处理的进料流101加热以产生温热的低压丙烷流114。将温热的低压丙烷流114在可包括四个压缩级的一个或多个丙烷压缩机116中压缩。处于中间压力水平的三个侧流111,112,113分别在丙烷压缩机116的最后，第三和第二级的吸入口处进入丙烷压缩机116。压缩的丙烷物流115在冷凝器117中冷凝以产生冷的高压物流，然后在压力下(泄放阀未示出)产生丙烷制冷剂110，其提供冷却预处理的进料物流所需的冷却负荷在预热系统118中。丙烷液体随着其加热而蒸发以产生温热的低压丙烷流114。冷凝器117通常与诸如空气或水的环境流体交换热量。虽然该图示出了丙烷压缩的四个阶段，但是可以采用任何数量的压缩阶段。应当理解，当描述或要求保护多个压缩级时，这样的多个压缩级可以包括单个多级压缩机，多个压缩机或其组合。压缩机可以在单个壳体或多个壳体中。压缩丙烷制冷剂的方法在本文中通常称为丙烷压缩程序。

在MCHE 108中，制冷的至少一部分并且优选地全部通过在减压通过阀或涡轮机之后蒸发和加热至少一部分制冷剂流来提供。低压气态MR流130从MCHE 108的壳侧的底部排出，通过低压抽吸鼓150发送以分离出任何液体，并且蒸汽流131在低压(LP)压缩机151中被压缩以产生中压MR流132。如果不存在预冷却，则通常在接近预冷却温度或接近环境温度的温度下取出低压气态MR流130。

中压MR流132在低压后冷却器152中冷却，以产生冷却的中压MR流133，任何液体从中间压力MR流133中排出，从而产生中压蒸汽流134，其被进一步压缩中压(MP)压缩机154。所得到的高压MR流135在中压后冷却器155中冷却，以产生冷却的高压MR流136。冷却的高压MR流136被送到高压吸鼓156，其中任何液体被排出。得到的高压蒸汽流137在高压(HP)压缩机157中进一步压缩，以产生高压MR流138，其在高压后冷却器158中冷却，以产生冷却的高-高压MR流139。冷却的高-高压MR流139然后相对于在预冷却系统118中的蒸发丙烷被冷却以产生两相MR流140。然后将两相MR流140发送到从其获取MRL流141和MRV流143的气液分离器159，其被发送回MCHE 108以进一步冷却。离开相分离器的液体流在工业中称为MRL，并且离开相分离器的蒸气流在工业中称为MRV，甚至在它们随后液化之后。在从MCHE 108的底部撤回并后作为多个流返回到MCHE 108的管侧的过程之后，压缩和冷却MR的过程在本文中通常被称为MR压缩序列。

在MCHE 108的两个分离的回路中，MRL流141和MRV流143都被冷却.MRL流141在MCHE 108的头两个束中被冷却和部分液化，产生冷流降低MRL减压阀161中的压力以产生两相MRL流142，其被送回到MCHE 108的壳体侧，以提供在MCHE的前两个束中所需的制冷。MRV流143在MCHE 108的第一和第二束中冷却，在MRV减压阀160两端减压，并作为两相MRV流144引入MCHE 108，以在过冷、液化中提供制冷和冷却步骤。应当注意，MRV和MRL流143、142在冷却过程期间可以不总是两相的。

MCHE 108可以是适合于天然气液化的任何交换器，诸如盘管式热交换器、板翅式热交换器或壳管式热交换器。盘绕式热交换器是用于天然气液化的现有技术的交换器，并且包括至少一个管束，该管束包括用于使过程和温热制冷剂流流动的多个螺旋缠绕管和用于使冷的制冷剂流流动的壳空间。参见图1和1A，MCHE 108是线圈缠绕热交换器，其中MRV和MRL流143、142和预冷却天然气流105的总流动方向平行于轴线120所示的方向。如关于MCHE108的说明书和权利要求书中所使用的术语“位置”是指沿着流过MCHE 108的流的轴向流动方向的位置，在图1中由轴120所示。

如说明书和权利要求书中所使用的，术语“热交换系统”是指MCHE 108的所有部件，包括MCHE 108的壳体的外表面，以及流过MCHE 108的任何管道，加上与MCHE 108或流过MCHE 108的导管流体流动连通的任何导管。

热交换系统具有两个区域，即暖区119a和冷区119b，其中暖束102a位于暖区119a中，而冷束102b位于冷区119b中。在替代实施例中，可以包括附加束。在本文中，“区域”是沿着轴线120延伸并且由其中流体被移除或引入MCHE 108的位置分开的MCHE 108的区域。每个区域还包括与它处于流体流动连通的任何管道。例如，温区119a结束，冷区119b开始，其中流142从MCHE 108移除、膨胀并重新引入MCHE 108的壳体侧。

在MCHE 108或其一部分的上下文中，术语“热端”优选旨在表示所讨论的元件在正常操作条件下处于最高温度的端部，并且在MCHE 108的情况下包括在热端处进入或离开MCHE 108的任何导管。例如，位于其最下端的MCHE 108的暖端108a包括导管105、143和141。类似地，术语“冷端”优选地旨在表示所讨论的元件在正常操作条件下处于最低温度的端部，并且在MCHE 108的情况下包括在冷端进入或离开MCHE 108的任何导管。例如，MCHE 108的冷端108b是其在图1中的最上端，并包括导管106和144。

当元件被描述为处于冷端或暖端时，这意味着该元件位于最冷的(或者最热的，取决于所描述的端部)的20％的总轴向所讨论的元件的长度或在进入或离开所述元件的那部分的导管内。例如，如果MCHE 108的轴向高度(即，在轴线120的方向上)为10米，并且温度读数被描述为“在MCHE 108的“热端”进行，则温度读数为在MCHE 108的热端108a的2米内或在进入或离开MCHE 108的该部分的任何管道105,143和141内。

应当理解，本发明可以在其他类型的天然气液化方法中实施。例如，使用不同的预冷却制冷剂，诸如混合制冷剂、二氧化碳(CO2)、氢氟烃(HFC)、氨(NH3)、乙烷(C2H6)和丙烯(C3H6)。此外，本发明还可以在不使用预冷却的过程中实施，例如单个混合制冷剂循环(SMR)。备选的构造可以用于向MCHE 108提供制冷。优选地，这种制冷由闭环制冷过程提供，例如在该实施例中使用的过程。如在说明书和权利要求书中所使用的，“闭合回路制冷”方法旨在包括制冷过程，其中制冷剂或制冷剂的组分可以在冷却期间被添加到系统(“补充”)。

该实施例包括控制系统200，其控制多个过程变量，每个过程变量基于至少一个测量的过程变量和至少一个设定点。这种操作在过程的启动期间执行。控制系统200的传感器输入和控制输出在图1中示意性地示出。并且控制逻辑在图1中示意性地示出。应当注意，控制系统200可以是能够执行本文所述的过程步骤的任何类型的已知控制系统。合适的控制系统的示例包括可编程逻辑控制器(PLC)，分布式控制系统(DCS)和集成控制器。还应当注意，控制系统200示意性地表示为位于单个位置。可能的是，控制系统200的部件可以位于设备内的不同位置，特别是如果使用分布式控制系统时。如本文所使用的，术语“自动控制系统”旨在表示上述任何类型的控制系统，其中一组受控变量由控制系统基于多个设定点和过程变量自动控制。虽然本发明设想了能够提供每个操纵变量的完全自动化控制的控制系统，但是可能期望为操作者提供手动超驰一个或多个操纵变量的选项。

如在说明书和权利要求书中所使用的，术语“设定点”可以指单个值或值的范围。例如，表示温度变化的优选速率的设定点可以是单一速率(例如，每分钟2℃)或范围(例如，每分钟1℃和3℃之间)。设定点是单个值还是范围通常取决于所使用的控制系统的类型。为了本申请的目的，使用由单个值结合间隙值组成的设定点的控制系统被认为等同于包括由单个值和间隙值包围的范围的设定点。例如，具有每分钟2℃的设定点和1度间隙的控制系统将仅在测量变量和设定点之间的差大于间隙值时才对调节变量进行调整，该间隙值将等于具有1至3℃/分钟的范围的设定点。

在该实施例中的操纵变量是预冷却的天然气进料流105(或沿着进料流的任何其它位置)，MRL流142(或沿着MRL流的任何其它位置)的流速，和MRV流144(或沿着MRV流的任何其它位置)。本实施例中的监测变量是在热交换系统内的一个或多个位置处的热流和冷流之间的温差，以及在热交换系统内的一个或多个位置处的温度变化率。

虽然可以在热交换系统中的任何位置处测量MCHE 108的温度，但是MCHE 108的温度通常在来自MCHE(LNG流106)的进料的出口处或在出口处，然而，其可以在MCHE 108中的一个或多个束的冷端处测量，或者在MCHE 108内的任何其它位置处测量。也可以在一个或多个管(例如MRV流144)处测量MRV压力下降阀160侧的流。温度还可以取为在上述位置的组合处测量的平均值。然后将从温度数据随时间计算MCHE 108的温度的变化率。

预冷却的天然气进料流105的测量的流速经由信号274发送到生产流量控制器271，生产流量控制器271将测量的流量与进料流量设定点SP1进行比较。可替换地，可以在不同的位置测量进料流的流速，例如在进料流100，在LNG生产阀103之前的LNG流106，或在LNG生产阀103之后的LNG流104。

在说明书和权利要求书中，当温度、压力或流速被指定为测量感兴趣的特定位置时，应当理解，实际测量可以在与下述的任何位置进行直接流体流动连通的任何位置进行：感兴趣的位置，并且其中温度或压力或流速基本上与感兴趣的位置相同。例如，图1中的热交换器的暖端处的制冷剂温度253可以在热交换器内部(如图所示)测量，或者在物流130、吸鼓150或流131中从壳侧的出口流处测量，因为这些位置基本上处于相同的温度。通常，在不同位置进行这样的测量是由于不同的位置比感兴趣的位置更方便访问。

在该实施例中，存在影响进料流速设定点SP1，MCHE 108温度的变化速率和冷和热MR流之间的温度差的两个主要因素。设定点SP2是MCHE 108的冷端的优选的温度变化率。在初始启动期间，温度变化设定点SP2的速率优选为每小时约5和20℃之间的值。在随后的启动(例如暖和冷重启)期间，温度变化设定点SP2的速率优选地是每小时约20和30℃之间的值。两个范围旨在防止MCHE 108上的过度的热应力。温度变化设定点SP2的速率经由设定点信号275发送到控制器270，控制器270将通过信号284发送的计算的温度变化速率与速率的温度变化设定点SP2。温度变化率由时间导数计算器283产生，时间导数计算器283从信号276读取MCHE 108温度并产生信号284。控制器270产生到生产超控控制器272的信号277，然后该信号277被积分以将变化率的进料流速到进料流速值(SP1)。可替换地，积分可以在控制器270中执行，并且信号277被发送到生产超控控制器272。

在该实施例中，温差设定点SP3是MR壳侧流和冷束102b中管侧流(优选地，预冷却的天然气进料流105或MRV流143)之一之间的温差。温度差设定点SP3优选小于30℃，更优选小于10℃。温差设定点SP3经由设定点信号281被发送到控制器282，控制器282将温差设定点SP3与由信号295和299提供的测量值之间的差进行比较。温度差由减法计算器273确定其在给定的时间点(通过信号295提供)从在同一时间点(通过信号299提供的)的MR外壳侧流的测量温度中减去测量的MR管侧流的温度。用于提供MR管侧流的温度和MR壳侧流的温度的温度传感器优选地位于冷区域119b中，更优选地，位于冷束102b的热端处。在其它实施例中，它们可以位于暖束102a的热端或MCHE 108内的任何其它位置，优选地，两个温度均取自与MCHE 108的暖端或冷端108a、108b大致相同的距离。

控制器270和282各自产生到生产超控控制器272的信号277、280，其确定生产(进料流速)设定点SP1。在该实施例中，生产忽略控制器272是高选择逻辑计算器，其确定由两个信号280和277指示的较大值的馈送流率值。例如，如果信号277是较高值，则高选择逻辑计算器将使用信号277的值来确定进给流量设定点SP1的值。高选择逻辑计算器的配置不限于这里讨论的具体实施例，因为其可以通过执行该逻辑计算的其他已知方法来完成。

产流量控制器271然后将进给流量设定点SP1与测量的进给流量进行比较，如信号274所示，并且发送控制信号MV1以对生产控制阀103的位置进行任何必要的调整。例如，如果测量的进料流流速低于进料流设定点SP1所指示的值，则控制信号MV1将进一步打开生产控制阀103以增加流量。

独立于上述进料流速调节逻辑，基于预定的斜率，在起动期间制冷剂的流速增加。在该实施例中，MRV流的流量以预定的斜坡率增加并且被称为MRV斜坡率设定点SP4。测量的MRV流速通过信号287发送到MRV流量控制器296，MRV流量控制器296将其与在297处通过随时间积分斜坡速率设定点SP4计算的MRV流量设定点286进行比较，并且如果有任何调整，应该经由控制信号MV2到达MRV流量控制阀160，以使实际MRV流量与MRV流量设定点SP4一致。通过使用时间积分计算器297积分信号279来确定在给定时间点的期望MRV流率，其产生信号286。

MRV斜坡率设定点SP4优选地设定为在从启动过程开始的6和8小时之间实现在正常操作期间MRV流速的20％和30％之间的MRV流速。在该实施例中，MRV斜坡率设定点SP4保持恒定值，使得到MRV流量控制器296的MRV流量设定点286随时间线性增加。然而，如果认为有帮助，则可以在启动过程的持续时间上调整MRV斜坡率SP4。例如，在暖启动或暖重启中，MRV斜坡率设定点SP4可以设置为比在冷重启中更高的值，因为在暖启动情况下的MRV最初是气相。

在该实施例中，基于MRL/MRV流速和暖束102a中MR壳侧流与管侧流之一之间的温度差的比率，基于高选择逻辑计算而设置MRL流速。

MRV流速经由信号287发送到计算器289，计算器289将MRV流速乘以MRV/MRL比设定点SP10(经由信号285发送)。计算的结果表示MRL流速(直接地或根据阀161的位置)。优选地，MRL/MRV流量比设定点SP10被保持在固定值，使得温热束和冷束以相当的速率冷却。在启动期间的MRL/MRV流量比应该优选地低于正常操作期间的MRL/MRV流量比。对于该实施例，其是C3-MR液化过程，对于初始启动或暖启动，该比率优选地在0和2之间，并且对于冷重启优选地在0和1之间。

温度差设定点SP5经由设定点信号256发送到控制器257，控制器257将温度差设定点SP5与由信号253和252提供的测量值之间的差进行比较，并产生信号258。通过减法计算器254确定温度差，该减法计算器254从通过信号253提供的MR壳侧流的测量温度中减去MR管侧流(通过信号252提供)的测量温度，并将该差提供给控制器257用于提供MR管侧流的温度和MR壳侧流的温度的温度传感器优选地位于温区119a中，更优选地，位于温区段的热端102a。在启动期间，温度差设定点优选不大于15℃，更优选不大于10℃。

来自计算器289的信号292和来自控制器257的信号258被发送到MRL低选择器290。MRL低选择器290基于低选择逻辑计算确定控制输入，并使用两者的较低值作为MRL流控制器288经由信号294的设定点。例如，如果由信号258指示的流速低于信号292的流速，则MRL低选择器290将选择由信号258表示的值以经过信号发射。MRL流量控制器288将信号294与当前MRL流量(信号293)进行比较，并且经由控制信号MV3对MRL流量控制阀161进行任何必要的调整。

在替代实施例中，MRL流速可以根据恒定斜率(即，MRL流速设定点)而不是基于MRV/MRL比控制来上升。在这样的实施例中，设定点SP10将是流量斜坡速率，并且计算器289是将斜坡率设定点转换为MRL流量信号292的积分器。基于由信号292给出的流量和热和冷流温度差控制器257所要求的流量，MRL流量控制器288的MRL流量设定点将基于高选择逻辑计算来确定。可以在任何位置测量MRV和MRL流量，例如MCHE108的上游或制冷剂控制阀160、161的上游(如图1所示)，或在MCHE 108内的位置。

这些布置的显着益处是其允许进料天然气流速独立于制冷剂流之一的流速而变化。制冷剂流量以预定的斜坡速率变化，同时调节进给天然气流量以便以期望的速率冷却MCHE 108并防止MCHE 108上的热应力。

图3示出了应用于C3MR液化设施的本发明的另一方面。该图中所示的操纵变量可以包括MR压缩机速度、入口导叶开度、MR抗喘振回收阀开度、制冷剂组成和MR的每个主要部件的补充率。这些变量可以一起或单独操纵。

MR压缩机速度、入口导叶开度、MR抗喘振再循环阀开度都优选地通过常规压缩机控制系统300来设置和调节，常规压缩机控制系统300通常用于C3MR液化设备中以控制压缩机系统的操作普通手术。压缩机控制系统300的一个功能是保持压缩机151、154、157远离抗喘振极限。“喘振”被定义为通过每个压缩机151,154,157的流量低于允许稳定的压缩机操作所需的流量的条件。抗喘振极限定义为与浪涌的最小可接受距离，例如10％。在一些实施例中，MR压缩机速度和/或入口导向叶片打开可能是不可调节的，使得MR防喘振再循环阀打开作为唯一变量被操纵以保持压缩机151、154、157在抗喘振极限之上操作。

在该实施例中，除了本文具体描述的之外，压缩机控制系统300的控制逻辑将以与正常操作期间相同的方式操作。因此，不为压缩机控制系统300提供控制逻辑图。

在图3中示出了示例性的一组控制信号。信号315指示通过再循环流330的MR的流率，信号311指示压缩机151的出口处的压力，并且信号313指示在压缩机151的出口处的压力。控制信号314控制再循环阀343的位置，其由再循环阀设定点确定。控制信号310控制压缩机151运行的速度，其由压缩机速度设定点确定。控制信号312控制入口叶片的位置，其由入口叶片设定点确定。应当理解，对于压缩机154、157，再循环阀344、345和再循环流333、335提供相同的控制信号组。此外，可以使用不同的控制配置。

打开制冷剂再循环阀343、344、345各自有助于保持压缩机151、154、,157中的相应一个通过MR的一部分的再循环而喘振。在MCHE 108冷却之前，制冷剂再循环阀343,344和345通常至少部分地打开。循环阀开口通常由压缩机控制系统300确定以保持压缩机喘振，并且在MCHE冷却期间通常与在正常操作期间相同。然而，可以在MCHE 108冷却期间调节与喘振的最小可接受距离的设定点，以通过增加压缩比和增压排气压力来维持期望的制冷能力。例如，如果MCHE108冷却速率相对较低，则可以减少循环阀打开以增加压缩比和排出压力，并因此增加冷却速率。压缩比是每个压缩机151、154、157的出口与入口压力的比率。

如果压缩机151、154、157是变速压缩机，则压缩机控制系统300可以一起或单独地具有用于压缩机151、154、157的速度的设定点。压缩机速度设定点可以在整个MCHE 108冷却过程中保持恒定，或者可以在冷却过程期间进行调节。例如，如果期望MCHE 108冷却速率难以维持，则可以增加压缩机速度设定点以增加压缩比，并且因此帮助实现期望的MCHE108冷却速率。压缩机入口导叶(未示出)的位置(如果存在)可以以与压缩机速度类似的方式调节。

对于MR制冷剂系统，可能需要在启动期间调整MR组成。这尤其与其中尚未在系统中建立所有制冷剂组分的库存的初始启动情况相关。相反，在已经存在所有制冷剂组分的温暖或冷重启期间，MR组合物可能不需要调整。

图3示出了甲烷补充流353，氮补充流352，乙烷补充流351和丙烷补充流350，其中阀317、319、322和325调节每个相应的流量流。也可以存在额外的组分补充料流。图4示出了用于补充流的示例性控制逻辑。

MR中的甲烷组成对低压气态MR流130的压力具有影响。当MCHE 108冷却下来时，低压气态MR流130的压力以及抽吸鼓中的压力150减少。为了保持吸入压力，可以将甲烷装入低压吸鼓150.测量该吸鼓150的压力，并通过信号316发送到压力控制器302。压力控制器302将测量的压力与MR压力设定点SP6，其通过控制信号301提供给压力控制器302.MR压力设定点SP6优选地是在1巴(15psia)和5巴(73psia)之间的值，更优选地，值在2巴(29psia)和3巴(44psia)之间。

压力控制器302将甲烷补充速率设定点信号318发送到甲烷补充流量控制器303。甲烷补充流量353的测量的流量通过信号320发送到甲烷补充流量控制器303。然后，甲烷补充流量控制器303经由控制信号MV4控制甲烷补充阀317的打开，以将甲烷补充流量维持在由信号318给出的设定点。

在冷却过程期间，通常不需要氮气，直到MCHE 108的冷端108b达到相对低的温度，例如-120℃。随着图1的MRV流量控制阀160两端的温差减少，可能需要氮气补充来完成冷却过程。将氮气流量设定点和氮气补充流352的测量流量分别经由信号334和326发送到氮气流量控制器305。氮气流量控制器305然后经由控制信号MV7调节氮补偿阀319的开度。氮气补充设定点SP9通常设定为使得足以在约1至2小时内将系统中的氮含量从0％增加至10％。

存在影响由信号326传递的补充流速的几种工艺条件。在该实施例中，存在影响氮补充流速的四种工艺条件：(1)壳侧与在MCHE 108的冷端108b处(由信号285传输)的管侧MR流优选地小于预定度数(例如10℃)；(2)抽吸鼓150处的抽吸压力(信号316)优选地小于预定压力(例如，5巴)；(3)MCHE 108的冷端108b的温度(信号276)优选地小于预定温度(例如，-120℃)；和(4)MCHE 108的冷却速率(信号284)优选地小于预定的温度变化速率(例如，每小时25度)。这些条件单独使用或组合使用以确定过程条件输入信号327。

这四个工艺条件在图1中示意性地示出为单个输入。计算器328基于氮气补充设定点SP9和经由信号327接收的数据产生设定点信号326.所执行的计算将取决于正在监测哪些工艺条件。在该实施例中，如果不满足上述四个工艺条件中的任一个，则氮补充率(设定点信号326)为零。如果满足所有四个过程条件，则计算器328将信号326设置为等于信号304.在其他实施例中，过程条件可以具有不同的值和/或可以使用更少的过程条件。例如，可以仅基于将MCHE 108的冷端108b的温度(信号276)维持在预定温度以下来设定氮补充率。

通过分别打开乙烷补充阀322和丙烷补充阀325将乙烷和丙烷组分补充到系统中。这些组分的组成对MR压缩机的排放压力具有直接影响，这又影响可以实现的MCHE 108冷却速率。乙烷和丙烷组分可以独立地或一起组成。乙烷补充设定点SP7经由控制信号306被发送到乙烷流量控制器307.乙烷流量控制器307调节乙烷补充阀322的开度。类似地，将丙烷补充设定点SP8经由信号308送到流量控制器309，其调节丙烷补充阀325的打开。通常选择乙烷和丙烷补充设定点SP7、SP8，使得足以在MR分离器159中积累显着的液位在5-6个小时。

这些组分可以以预定速率配制，直到气-液分离器159中的液位达到所需值，诸如30％(优选在20％和60％之间，更优选在25％和35％之间)。信号329将液位从气-液分离器159中的传感器(未示出)传送到计算器336和331，计算器336和331基于乙烷和丙烷补充设定点SP7、SP8和经由信号329接收的数据而确定乙烷和丙烷流速设定点信号323、324。例如，如果液位测量329小于30％，则计算器331和336将它们各自的输出信号323和324分别设置为等于信号306和308。如果液位测量329高于30％，则计算器331和336将它们各自的输出信号323和324设置为零。控制器307、309将乙烷和丙烷设定点信号323、324与信号321、332(分别表示乙烷和丙烷流速)进行比较，并且产生分别确定阀322、325的位置的控制信号MV5和MV6。

虽然图1-4和上面的相关描述涉及C3MR液化循环，但是本发明可应用于任何其它制冷剂类型，包括但不限于两相制冷剂、气相制冷剂、混合制冷剂、纯组分制冷剂(例如氮气等)。此外，其潜在地用于在用于LNG设备中使用的任何服务的制冷剂中，包括预冷却、液化或过冷却。本发明可以应用于利用包括SMR、DMR、氮气膨胀器循环、甲烷膨胀器循环、AP-X、级联和任何其它合适的液化循环的任何工艺循环的天然气液化设备中的压缩系统。

在气相氮膨胀器循环的情况下，制冷剂是纯氮，因此不需要重质MR组分补充控制器。氮制冷剂流量可以根据预定速率上升。进料流速可以独立变化以防止交换器上的热应力。氮压缩机的吸入压力可以通过添加氮来维持，类似于在C3MR循环中构成甲烷的方式。

示例

前述代表了本发明中冷却方法模拟应用于图1-4所示的C3MR系统的热初始重新启动和冷重启的示例。暖初始重新启动通常在工厂在建造之后首次启动时或在工厂在延长的停机时间之后重新启动时执行，在此期间整个制冷剂系统已经完全清除库存。在C3-MR系统的情况下，MCHE处于预冷却温度(例如，-35至-45℃)，并且MR回路充满甲烷，可能有一些残留的重组分。冷重启通常在设备操作已经停止较短时间之后执行。冷重启与初始MCHE温度曲线和初始MR清单中的暖初始重启不同。对于冷重启，尽管MCHE 108的热端108a的温度等于预冷却温度，但冷端温度可以是在预冷却温度和正常操作温度之间的任何值(例如，-160℃)。此外，在冷重启中，存在已建立的MR库存，包括HP MR分离器中的一些液体。

在图7所示的示例中，模型化的MCHE设计为每年生产500万吨标准LNG(MTPA)。基于项目特定过程和设备设计信息来开发用于自动冷却控制器的预定设定点。在两个示例中，压缩机速度保持恒定，并且与喘振的距离为5％。执行严格的动态模拟以评估冷却过程。

图5和图6示出了从动态模拟获得的MCHE冷端温度作为时间的函数，并与预期的手动冷却操作进行比较。可以使用5个度量来评估冷却过程：

1.保持约25℃/小时的平均冷却速率；

2.保持稳定的冷却速率(冷却速率的低标准偏差)；

3.减少MR冷凝时的快速降温；

4.尽量减少不合格液化天然气的火炬；和

5.避免MCHE“淬火”(制冷的极端过剩)。

使用上述五个度量将自动冷却结果与手动操作进行比较，如图8所示。

从这些结果可以看出，自动冷却方法有效地以更少的温度漂移实现期望的冷却速率并减少浪费的燃烧。当MR冷凝并避免MCHE猝灭现象时，该方法还可以帮助减轻突然的温度下降。

已经根据优选实施例及其替代实施例公开了本发明。当然，本领域技术人员可以在不脱离本发明的预期精神和范围的情况下，设想来自本发明的教导的各种改变、修改和变更。意图是本发明仅由所附权利要求的术语限制。

Claims (11)

1.一种用于控制液化天然气（LNG）设备的启动的方法，所述LNG设备具有热交换系统，所述热交换系统包括热交换器，以通过闭环制冷，通过制冷剂实现所述热交换器的冷却，所述热交换器包括至少一个热流和至少一个制冷剂流，所述至少一个热流包括天然气进料流，所述至少一个制冷剂流用于通过间接热交换来冷却所述天然气进料流，所述热交换器包括所述至少一个热流在其中流过且所述至少一个制冷剂流在其外部流过的至少一个管束，所述方法包括以下步骤：

（a）将所述热交换器从在第一时间的第一温度分布冷却到在第二时间的第二温度分布，所述第一温度分布具有第一平均温度，其大于所述第二温度分布的第二平均温度；和

（b）在执行步骤（a）期间，并行地执行以下步骤：

（i）测量所述热交换系统内的第一位置处的第一温度；

（ii）计算包括所述第一温度的变化率的第一值；

（iii）提供表示所述第一温度的优选变化率的第一设定点；

（iv）基于所述第一值和所述第一设定点而控制通过所述热交换器的天然气进料流的流速；和

（v）独立于步骤（b）（iv），控制所述至少一个制冷剂流中的第一制冷剂流的流速，使得所述第一制冷剂流的流速在所述第二时间比在所述第一时间大；

其中，所述第一位置在所述至少一个管束内，在所述至少一个管束的在正常操作条件下处于最低温度的冷端处。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（b）（i）至（b）（iv）包括：

（i）测量所述热交换系统内的第一位置处的第一温度和所述至少一个热流在第二位置处的第二温度和所述至少一个制冷剂流在所述热交换系统内的第三位置处的第三温度；

（ii）计算包括所述第一温度的变化率的第一值和包括所述第二温度和所述第三温度之间的差的第二值；

（iii）提供表示所述第一温度的优选变化率的第一设定点和表示所述第二温度和所述第三温度之间的优选差的第二设定点；和

（iv）基于所述第一设定点和所述第二设定点以及在步骤（b）（ii）中计算的第一值和第二值，控制通过所述热交换器的天然气进料流的流速；

其中，在所述至少一个热流的流动方向上，沿着所述至少一个管束，所述第二位置和所述第三位置在离所述第一位置的相同上游位置处，所述第二位置在所述至少一个管束内，并且所述第三位置在所述至少一个管束外部。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤（a）包括：（a）将所述热交换器从在所述第一时间的第一温度分布冷却到在所述第二时间的第二温度分布，所述第一温度分布具有第一平均温度，其大于所述第二温度分布的第二平均温度，所述第二温度分布在其最冷位置小于-20℃。

4.根据权利要求2所述的方法，其中步骤（b）（i）还包括：

（i）测量所述热交换系统内的第一位置处的第一温度和所述至少一个热流在所述第二位置处的第二温度和所述至少一个制冷剂流在所述第三位置处的第三温度，所述第三位置在所述热交换器的壳体侧内。

5.根据权利要求2所述的方法，其中步骤（b）（iii）还包括：

（iii）提供表示所述第一温度的优选变化率的第一设定点和表示所述第二温度和所述第三温度之间的优选差的第二设定点，所述第二设定点包括在零和30℃之间的值或范围。

6.根据权利要求2所述的方法，其中步骤（b）还包括：

（vi）测量所述至少一个制冷剂流中的第二制冷剂流的流速和所述第一制冷剂流的流速；

（vii）计算包括所述第二制冷剂流的流速和所述第一制冷剂流的流速的比率的第三值；

（viii）提供代表所述第二制冷剂流的流速和所述第一制冷剂流的流速的优选比率的第三设定点；和

（ix）独立于步骤（b）（iv），基于所述第三值和所述第三设定点而控制所述第二制冷剂流的流速。

7.根据权利要求2所述的方法，其中步骤（b）还包括：

（vi）测量所述至少一个制冷剂流中的第二制冷剂流的流速和所述第一制冷剂流的流速；

（vii）计算包括所述第二制冷剂流的流速和所述第一制冷剂流的流速的比率的第三值；

（viii）提供代表所述第二制冷剂流的流速和所述第一制冷剂流的流速的优选比率的第三设定点；

（ix）在所述热交换系统内的第四位置处测量所述至少一个热流的第四温度，以及在所述热交换系统内的第五位置处测量所述至少一个制冷剂流的第五温度；

（x）计算包括所述第四温度和所述第五温度之间的差的第四值；

（xi）提供表示所述第四温度和所述第五温度之间的优选温度差的第四设定点；和

（xii）独立于步骤（b）（iv），基于所述第三值和所述第三设定点以及所述第四值和所述第四设定点而控制所述第二制冷剂流的流速；

其中，在所述至少一个热流的流动方向上，沿着所述至少一个管束，所述第四位置和所述第五位置在离所述第二位置的相同上游位置处，所述第四位置在所述至少一个管束内，并且所述第五位置在所述至少一个管束外部。

8.根据权利要求2所述的方法，其中步骤（b）还包括：

（v）在所述热交换系统内的第四位置处测量所述至少一个热流的第四温度，以及在所述热交换系统内的第五位置处测量所述至少一个制冷剂流的第五温度；和

（vi）独立于步骤（b）（iv），基于所述第四温度和所述第五温度之间的差以及所述至少一个制冷剂流中的第二制冷剂流的流速和所述第一制冷剂流的流速的比率而控制所述第二制冷剂流的流速；

其中，所述第二位置和所述第三位置位于所述热交换系统的第一区域内，并且所述第四位置和所述第五位置位于所述热交换系统的第二区域内；

其中，在所述至少一个热流的流动方向上，沿着所述至少一个管束，所述第一区域在所述第一位置的上游，所述第二区域在所述第一区域的上游，所述第四位置在所述至少一个管束内，并且所述第五位置在所述至少一个管束外部。

9.根据权利要求2所述的方法，其中步骤（b）（i）还包括：

（i）测量所述热交换系统内的第一位置处的第一温度和所述至少一个热流在第二位置处的第二温度和所述至少一个制冷剂流在所述热交换系统内的第三位置处的第三温度，所述第二位置和所述第三位置在所述至少一个管束的在正常操作条件下处于最高温度的热端处；

其中，所述第二位置在所述至少一个管束内，并且所述第三位置在所述至少一个管束外部。

10.根据权利要求7所述的方法，其中步骤（b）（ix）包括：

（ix）独立于步骤（b）（iv），使用自动控制系统控制所述第二制冷剂流的流速以将所述第二值维持在所述第二设定点。

11.根据权利要求1所述的方法，其中在所述至少一个热流的流动方向上，沿着所述至少一个管束，所述热交换器具有多个区域，每个区域具有温度分布，并且步骤（b）（v）还包括：

（v）独立于步骤（b）（iv），控制所述至少一个制冷剂流中的第一制冷剂流的流速，使得所述第一制冷剂流的流速在所述第二时间比在所述第一时间更大， 所述第一制冷剂流为所述多个区域中的第一区域提供制冷，所述第一区域具有所述多个区域的所有温度分布的最低平均温度的温度分布。

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