CN114136054B - 控制液化天然气设备中的主热交换器的冷却的方法 - Google Patents

控制液化天然气设备中的主热交换器的冷却的方法 Download PDF

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Abstract

一种控制液化天然气设备中的主热交换器的冷却的方法。方法基于一个或多个过程变量和设定点来提供用于通过热交换器的天然气供给流的流率的自动控制。通过热交换器的制冷剂流的流率由不同的过程变量和设定点来控制，且独立于天然气供给流的流率来控制。

Description

控制液化天然气设备中的主热交换器的冷却的方法
相关申请的交叉引用
该申请要求享有于2020年9月4日提交的编号为63/074,565的美国临时申请的优先权，该美国临时申请以其整体通过引用并入本文中。
背景技术
用于使天然气冷却、液化和可选地过冷的多种液化系统在本领域中是众所周知的，诸如单一混合制冷剂(SMR)循环、丙烷预冷混合制冷剂(C3MR)循环、双混合制冷剂(DMR)循环、C3MR-氮混合(诸如AP-X®过程)循环、氮或甲烷膨胀器循环和级联循环。典型地，在此类系统中，天然气通过与一种或多种制冷剂的间接热交换来冷却、液化和可选地过冷。可采用多种制冷剂，诸如混合制冷剂、纯组分、两相制冷剂、气相制冷剂等。作为氮、甲烷、乙烷/乙烯、丙烷、丁烷和可选的戊烷的混合物的混合制冷剂(MR)已用于许多基本负荷的液化天然气(LNG)设备中。MR流的成分典型地基于供给气体成分和操作状况来优化。
制冷剂在制冷剂回路中循环，该制冷剂回路包括一个或多个热交换器和一个或多个制冷剂压缩系统。制冷剂回路可为闭环的或开环的。天然气通过相对于热交换器中的制冷剂进行间接热交换来冷却、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的制冷剂的压缩回路，以及提供驱动压缩机所需要的动力的驱动器组件。制冷剂压缩至高压并冷却，之后膨胀，以便产生冷的低压制冷剂流，该流提供使天然气冷却、液化和可选地过冷所必要的热负荷。
各种热交换器可用于天然气冷却和液化业务(service)。盘管式热交换器(CWHE)通常用于天然气液化。CWHE典型地包含容纳在铝或不锈钢加压壳内的螺旋盘绕管束。对于LNG业务，典型的CWHE包括多个管束，其各自具有若干管回路。
在天然气液化过程中，典型地对天然气预处理以去除杂质，诸如水、汞、酸性气体、含硫化合物、重烃等。净化的天然气可选地预冷，之后液化，以产生LNG。
在设备正常操作之前，设备中所有的单元操作需要试运转。这包括启动天然气预处理过程(如果存在)、制冷剂压缩机、预冷和液化热交换器以及其它单元。设备第一次启动在下文称为“初始启动”。在正常操作期间热交换器的每个部分操作所处的温度称为“正常操作温度”。热交换器的正常操作温度典型地具有其中热端具有最高温度且冷端具有最低温度的分布。预冷热交换器在它冷端处和液化交换器在它热端处的正常操作温度典型地在-10摄氏度与-60摄氏度之间，取决于所采用的预冷制冷剂的类型。在没有预冷的情况下，液化热交换器在它热端处的正常操作温度接近环境温度。液化热交换器在它冷端处的正常操作温度典型地在-100摄氏度与-165摄氏度之间，取决于所采用的制冷剂以及它是否执行可选的过冷。因此，这些类型的交换器的初始启动涉及使冷端从环境温度(或预冷温度)冷却至正常操作温度，以及为随后的生产提升和正常操作建立适当的空间温度分布。
在启动预冷和液化热交换器时的重要考虑是，它们必须以逐渐且受控的方式冷却来防止对于热交换器的热应力。期望交换器内的温度上的变化率在可接受的限度内。不这样做对于热交换器可造成热应力，其可影响机械完整性和热交换器的总体寿命，其可最终导致不期望的设备停机、低的设备可用性和增加的成本。因此，必须要注意保证热交换器冷却以逐渐且受控的方式执行。
对于启动热交换器的需要还可存在于设备初始启动之后，例如在暂时性的设备停机或关闭(trip)之后热交换器重启期间。在此类情况下，热交换器可从环境温度加热(在下文称为“热重启”)或从在正常操作温度与环境温度之间的中间温度加热(在下文称为“冷重启”)。冷重启和热重启均必须也以逐渐且受控的方式执行。用语“冷却”和“启动”大体上指在初始启动、冷重启以及热重启期间的热交换器冷却。
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率和成分来冷却热交换器。该过程需要操作者注意力和技艺提高，其在新的设施和具有高的操作者轮换(turnover)率的设施中实现可为具有挑战性的。操作者部分上的任何错误可导致冷却速率超过允许的限制以及对于热交换器产生不期望的热应力。另外，在过程中，温度变化率通常为人工计算的，可能不准确。此外，手动启动往往是逐步的过程，且通常涉及纠正操作，且因此是耗时的。在启动的该时段期间，来自交换器的供给天然气典型地燃烧，因为它不满足产物要求或不能容许到LNG储箱。因此，手动冷却过程将导致宝贵的供给天然气大量损失。
另一方法是利用可编程控制器使冷却过程自动化，例如在US 2010/0326133 A1中公开的系统中。现有技术中公开的方法过于复杂且在交换器已冷却之前不涉及供给阀操作。这可容易导致热交换器中大量的制冷剂供过于求，而且效率低下。在诸如混合制冷剂(MR)之类的两相制冷剂的情况下，其可导致MR压缩机的吸入口处为液态制冷剂。另外，该方法没有利用供给流率与制冷剂流率之间的密切相互作用，这对热侧和冷侧温度有直接影响。最终，该方法是交互式(非自动)过程，其中关键决策仍必须由操作者做出。它的自动化水平是有限的。
使冷却过程自动化的一种可能方式是增加天然气供给流率，同时独立地操纵制冷剂流率以控制在热交换器冷端测量的冷却速率。发现该方法是无效的，因为冷却速率控制器取决于制冷剂的温度和相行为可能具有不同且甚至相反的响应。制冷剂不仅用作冷却介质，而且在JT阀膨胀之前在热交换器中用作热负荷。在过程开始时，增加制冷剂流率可造成在冷端测量的冷却速率在制冷剂在管回路中冷凝之前实际上减慢。稍后在冷却过程中，当进入JT阀的制冷剂冷凝时，增加流量会增加冷却速率。该相反的响应使得此类控制方法的自动化非常困难或不可行。
US10393429教导另一使冷却过程自动化的方法，其公开使用冷端温度的导数来控制主热交换器中天然气供给流的提升(流量上的增加)。关于主热交换器中制冷剂流的流率使用预定的升率来控制。制冷剂流的流率不是基于任何时间导数温度测量值来调节或控制的。独立于任何时间导数温度测量值无关，使用冷端温度测量值作为唯一的时间导数测量值来控制流量和提升制冷剂流流量可导致不期望的大温度波动，其传播通过热交换器。在设备启动期间，这些温度波动可从冷端开始，还可从其它位置开始，诸如中间区和热端。因此，根据温度波动起始的位置，其可与供给流的方向相同或相反。如果温度波动从冷端开始且然后向热端传播，冷端时间导数温度控制器可有效地检测到这并通过调节供给流来抑制此类温度波动。然而，如果温度波动开始于远离冷端一定距离(例如接近热端)，此类波动会向冷端传播。如果冷端温度是用于控制流量的唯一时间导数温度测量值，通常不可能在这些波动到达冷端之前检测到这些波动。因此，当时间波动到达冷端时，抑制此类温度波动为时已晚。例如，图1示出在US10393429的图1-2中公开的系统和方法的冷却期间冷端温度传感器的模拟温度分布。图1中示出的急剧温度下降可导致主热交换器上的热应力。
总体上，所需要的是用于启动天然气液化设施中的热交换器的改进的自动化系统和方法，其降低在主热交换器上产生热应力的可能性，同时减小对操作者干预的需要。
发明内容
该概述提供成以简化方式引入原理的选择，其在详细描述中在以下进一步描述。该概述不意在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意在用于限制所要求保护的主题的范围。
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，该系统和方法用于在天然气液化设施的启动期间根据主热交换器中不同轴向位置的时间导数温度测量值来调节供给气体流率和至少一个制冷剂流率两者。
另外，本发明的系统和方法的若干特定方面概述如下。
方面1：一种用于控制热交换系统启动的方法，该系统具有包括热端、冷端和中间区的主热交换器、至少一个供给流和至少一个制冷剂流，该方法包括以下步骤：
(a)将主热交换器从在第一时间的第一温度分布冷却至在第二时间的第二温度分布，第一温度分布具有比第二温度分布的第二平均温度更大的第一平均温度；以及
(b)在步骤(a)执行期间并行地执行以下步骤：
(i)测量主热交换器的冷端处的冷端温度；
(ii)计算第一值，该第一值包括第一冷端温度的变化率；
(iii)提供表示冷端温度的优选变化率的冷端设定点；
(iv)基于第一值和第一设定点来控制通过主热交换器的至少一个供给流的流率；
(v)测量在主热交换器的中间区中的第一位置处的第一中间区温度；
(vi)计算第二值，该第二值包括第一中间区温度的变化率；
(vii)提供表示第一中间区温度的优选变化率的第一中间区设定点；以及
(viii)基于第二值和第二设定点来控制通过主热交换器的至少一个制冷剂流的第一流的流率。
方面2：方面1的方法，其中步骤(b)还包括：
(ix)测量在主热交换器的中间区中的第二位置处的第二中间区温度，第二位置位于中间区中与第一位置不同的轴向位置处；
(x)计算第三值，该第三值包括第二中间区温度的变化率；
(xi)提供表示第二中间区温度的优选变化率的第二中间区设定点；以及
(xii)基于第三值和第三设定点来控制通过主热交换器的至少一个制冷剂流的第二流的流率。
方面3：方面1至2中的任何项的方法，其中第一中间区设定点等于冷端设定点。
方面4：方面1至2中的任何项的方法，其中第一中间区设定点小于冷端设定点。
方面5：方面1至4中的任何项的方法，其中至少一个制冷剂流包括MRL流和MRV流，且步骤(b)还包括：
(xiii)基于恒定变化率来控制MRV流的流率。
方面6：方面5的方法，其中步骤(viii)包括基于第二值和第二设定点来控制通过主热交换器的MRL流的流率。
方面7：方面1至6中的任何项的方法，其中主热交换器包括盘管式热交换器。
方面8：方面1至7中的任何项的方法，还包括：
(xiv)在将至少一个供给流引入到主热交换器中之前预冷至少一个供给流。
方面9：方面1至8中的任何项的方法，其中步骤(b)(i)包括：
(i)测量主热交换器的冷端处的冷端温度，所测量的冷端温度包括来自第一多个温度传感器的温度读数的平均；且其中步骤(b)(v)包括：
(v)测量在主热交换器的中间区中的第一位置处的第一中间区温度，所测量的第一中间区温度包括来自第二多个温度传感器的温度读数的平均。
方面10：方面1至9中的任何项的方法，其中冷端设定点在步骤(a)的整个执行中是恒定的。
方面11：方面1至10中的任何项的方法，其中冷端设定点在步骤(a)执行期间变化至少一次。
方面12：方面1至11的方法，其中第一中间区设定点在步骤(a)的整个执行中是恒定的。
方面13：方面1至12中的任何项的方法，其中第一中间区设定点在步骤(a)执行期间变化至少一次。
方面14：一种用于控制具有主热交换器的液化天然气设备的启动以通过使用作为MRL流和MRV流供应到主热交换器的混合制冷剂的闭环制冷来实现主热交换器的冷却的方法，主热交换器包括至少一个天然气流和至少一个制冷剂流，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至少一个天然气流，主热交换器包括具有热端、冷端和中间区的盘管式热交换器，方法包括以下步骤：
(a)将主热交换器从在第一时间的第一温度分布冷却至在第二时间的第二温度分布，第一温度分布具有比第二温度分布的第二平均温度更大的第一平均温度；以及
(b)在步骤(a)执行期间并行地执行以下步骤：
(i)测量主热交换器的冷端处的冷端温度；
(ii)计算第一值，该第一值包括第一冷端温度的变化率；
(iii)提供表示冷端温度的优选变化率的冷端设定点；
(iv)基于第一值和第一设定点来控制通过主热交换器的至少一个天然气流的流率；
(v)测量在主热交换器的中间区中的第一位置处的第一中间区温度；
(vi)计算第二值，该第二值包括第一中间区温度的变化率；以及
(vii)提供表示第一中间区温度的优选变化率的第一中间区设定点。
方面15：方面14的方法，还包括：
基于第二值和第二设定点来控制通过主热交换器的MRL流的流率。
附图说明
图1是示出关于US10393429中公开的系统和方法的冷却期间的模拟温度分布的图；
图2是示例性主热交换器系统的简化示意流程图；
图3是示出示例性C3MR天然气液化系统的示意图；
图3A是示出图3的C3MR系统的主热交换器的示意图；
图4是示出用于图3的系统的示例性控制系统的示意图；
图4A是示出用于图3的系统的第二示例性控制系统的示意图；
图5是示出在第一模拟冷却示例期间在图3的主热交换器的冷端和中间位置处的温度测量值的图；
图6是示出在第一模拟冷却示例期间MRL/MRV流率的比率的图；
图7是示出在第二模拟冷却示例期间在图3的主热交换器的冷端和中间位置处的温度测量值的图；以及
图8是示出在第二模拟冷却示例期间MRL/MRV流率的比率的图。
具体实施方式
随后的详细描述仅提供优选实施例，且不意在限制所要求保护的发明的范围、应用或构造。相反，优选示例性实施例的以下详细描述将向本领域技术人员提供用于实施所要求保护的发明的优选示例性实施例的开放性描述。可在功能和布置中制作出各种变化，而不脱离所要求保护的发明的精神和范围。
在说明书中与附图相关联介绍的参考标号可在一个或多个后续的附图中重复，而无说明书中的额外描述以便提供其它特征的上下文。
在权利要求书中，字母和罗马数字用于标识所要求保护的步骤和子步骤(例如(a)、(b)、(c)、(i)、(ii)和(iii))。这些字母和数字用于帮助参照方法步骤，且不意在指示执行所要求保护的步骤的顺序，除非且仅到此顺序在权利要求书中明确记述。
方向用语可用于说明书和权利要求书中，以描述本发明的部分(例如，上、下、左、右等)。这些方向用语仅意在有助于描述示例性实施例，不意在限制要求保护的发明的范围。如本文中使用的，用语“上游”意在表示与导管中流体从参考点的流动方向相反的方向。类似地，用语“下游”意在表示与导管中流体从参考点的流动方向相同的方向。
在说明书和权利要求书中可使用用语热交换器的“温度”来描述热交换器内部特定位置的热温度。
可在说明书、示例和权利要求书中使用用语“温度分布”来描述沿与热交换器内部的流的流动方向平行的轴向的温度的空间分布。其可用于描述热流或冷流或热交换器的金属材料的空间温度分布。
除非本文中另外说明，说明书、附图和权利要求书中标识的任何和所有百分比应理解为基于摩尔百分比。除非本文中另外说明，说明书、附图和权利要求书中标识的任何和所有压力应理解为表示绝对压力。
如说明书和权利要求书中使用的，用语“流体流动连通”指两个或更多个构件之间的连通性的性质，其允许液体、蒸汽和/或两相混合物在构件之间以直接或间接的受控方式(即无泄漏)输送。将两个或更多个构件联接成使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，诸如使用焊缝、带凸缘的导管、垫圈和螺栓。两个或更多个构件还可通过系统的其它构件联接在一起，这些构件可将它们分离，例如阀、闸门或可选择性地限制或引导流体流动的其它设备。
如说明书和权利要求书中使用的，用语“导管”指一个或多个结构，流体可经由其在系统的两个或更多个构件之间输送。例如，导管可包括输送液体、蒸气和/或气体的管、管道、通路和它们的组合。
如说明书和权利要求书中使用的，用语“主热交换器”指将供给气体冷却至期望产物温度的热交换器。在LNG设备的情况下，主热交换器是提供液化(在一些情况下，过冷)天然气产物的热交换器。如果相对于与用于液化供给气体的制冷剂相同的制冷剂执行预冷，供给气体的预冷在主热交换器内执行。如果预冷是相对于与用于液化供给气体的制冷剂不同的制冷剂执行的，供给气体的预冷在单独的预冷热交换器内执行。主热交换器可具有多个级或多束，其可设在流体流动连通的单个容器或多个容器内。在其中主热交换器的冷端在冷冻(cryogenic)温度下操作的系统中，主热交换器还可称为“主冷冻热交换器”或“MCHE”。
用语“时间导数温度”意在与温度变化率(例如，°K/小时)同义。
如说明书和权利要求书中使用的，用语“天然气”表示主要包括甲烷的烃气体混合物。烃气体是包括至少一个烃的气体，且其中烃至少占气体/流体总体成分的80%，且更优选地至少90%。
如说明书和权利要求书中使用的，用语“混合制冷剂”(缩写为“MR”)表示包括至少两种烃的流体，且其中烃占制冷剂总体成分的至少80%。
用语“束”和“管束”在该申请中可互换使用且意在为同义的。
如说明书和权利要求书中使用的，用语“环境流体”表示处于或接近环境压力和温度向系统提供的流体。
用语“压缩回路”在本文中用于指彼此流体连通并串联布置(以下称为“串联流体流动连通”)的构件和导管，从第一压缩机或压缩级的上游开始并结束于最后一个压缩机或压缩机级的下游。用语“压缩顺序”意在指由包括相关联压缩回路的构件和导管执行的步骤。
如说明书和权利要求书中使用的，用语“高-高”、“高”、“中”和“低”意在表达与这些用语一起使用的元素的特性的相对值。例如，高压流意在指示具有比该申请中描述或要求保护的对应高压流或中压流或低压流更高的压力的流。类似地，高压流意在指示具有高于说明书或权利要求书中描述的对应中压流或低压流但低于该申请中描述或要求保护的对应高-高压流的压力的流。类似地，中压流意在指示具有高于说明书或权利要求书中描述的对应低压流但低于该申请中描述或要求保护的对应高压流的压力的流。
如本文中使用的，用语“温流”或“热流”意在表示在所描述的系统的正常操作状况下通过间接热交换来冷却的流体流。类似地，用语“冷流”意在表示在所描述系统的正常操作状况下通过间接热交换加热的流体流。
参照图2，示出具有热端46和冷端47的简化示例性盘管式热交换器8，它们沿供给流流动的轴线20布置。热交换器8相对于流过热交换器8的制冷剂冷却供给气流5和制冷剂流41、43，制冷剂经由流30离开热端46。冷却后，流41和43分别通过JT阀61和62膨胀，分别形成制冷剂流42和44，并返回(未示出)到热交换器8以经由流30离开。冷却的供给气流6在冷端47离开热交换器8且它的流量由阀3控制。
在冷却期间，供给气流5的流率由控制器71控制，该控制器从位于冷端47处的第一传感器25接收温度测量值，计算时间导数温度，将其与第一设定点72，并调节供给气流5的流率以使冷端时间导数温度保持在第一设定点72以下。因为该过程发生在冷却期间，测量的时间导数温度和第一设定点都是负值。因此，在该上下文中，“低于”或“小于”表示测量的时间导数温度的绝对值小于第一设定点的绝对值。
在该示例中，制冷剂流41的流率由控制器88控制，该控制器从位于第一中间位置的第二传感器26接收温度测量值，计算时间导数温度，将其与第二设定点74比较，并调节制冷剂流42的流率以将第一中间时间导数温度保持在第二设定点74以下。如该示例中使用的，设定点是单个值，但在本发明的一些实施例中，设定点可指如果时间导数温度在值范围内，控制器对其采取一个动作的值范围，如果时间导数温度超出范围，采取不同的动作。另外，用于计算时间导数温度的温度测量值示为由来自单个传感器的单个温度测量提供。在其它实施例中，可使用其它配置。例如，可在相同轴向位置使用多个温度传感器，且可将测量温度的平均用作时间导数温度的基础。
制冷剂流43的流率由控制器89控制，该控制器从位于第二中间位置的第三传感器27接收温度测量值，计算时间导数温度，将其与第三设定点73比较，并调节制冷剂流44的流率以将第二中间时间导数温度保持在第三设定点73以下。
有许多合适的备选传感器配置可用于向控制器71、88、89中的每个提供温度测量值。例如，温度传感器可放置在冷端47中的不同流上，温度传感器可放置在热交换器8外部位置的任何流上，或可使用多个温度传感器。如果使用多个温度传感器为单个控制器提供温度测量值，优选地执行计算，诸如取温度传感器在给定时间点测量的温度的平均。
在大多数应用中，优选的是，基于在热交换器8的冷端47处进行的时间导数温度测量来控制供给气体流率，且基于在热交换器8的中间区处进行的时间导数温度测量来控制至少一个制冷剂流的流量。基于时间导数温度测量值控制的制冷剂流的优选数量和中间区中可进行这些时间导数测量的优选位置可部分地取决于热交换系统的配置和在冷却期间的期望的精度水平。
示出上述冷却控制方法的另一应用的示例性实施例在图3中示出。在该示例性实施例中，示出典型的C3MR过程。在该示例中为天然气的供给流100在预处理区段90中通过已知方法来清洁和干燥，以去除水、酸性气体(诸如CO2和H2S)和其它污染物(诸如汞)，从而产生预处理过的供给流101。基本不含水的预处理供给流101在预冷系统118中预冷以产生预冷的天然气供给流105，并在主热交换器108中进一步冷却、液化和/或过冷，以产生LNG流106。生产控制阀103可用于调节LNG流106的流率。LNG流106典型地通过使其通过阀(可为阀103)或涡轮(未示出)来降低压力，且然后由流104送到LNG储箱109。在储箱中的压力降低和/或汽化期间产生的任何闪蒸蒸气由流107表示，其可用作设备中的燃料、再循环至供给，或排出。在该实施例的上下文中，用语“基本无水”表示预处理供给流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联的操作问题。
预处理的供给流101预冷至低于10摄氏度，优选低于约0摄氏度，且更优选约-30摄氏度的温度。预冷的天然气供给流105液化至约-150摄氏度至约-70摄氏度之间的温度，优选约-145摄氏度至约-100摄氏度之间的温度，且随后过冷至约-170摄氏度和约-120摄氏度，优选约-170摄氏度与约-140摄氏度之间。图3和图3A中示出的主热交换器108是具有两束的盘管式热交换器。在备选实施例中，可使用任何数量的束和任何合适的交换器类型。
该C3MR过程中使用的预冷制冷剂是丙烷。丙烷制冷剂110相对于预处理的供给流101受加热以产生温暖的低压丙烷流114。温暖的低压丙烷流114在一个或多个丙烷压缩机116中压缩，该压缩机可包括四个压缩级。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的最终、第三和第二级的吸入处进入丙烷压缩机116。压缩的丙烷流115在冷凝器117中冷凝以产生冷高压流，然后将其减压(减压阀未示出)以产生丙烷制冷剂110，其提供在预冷系统118中冷却预处理供给流101所需要的冷却负荷。丙烷液体在升温时汽化以产生温暖的低压丙烷流114。冷凝器117典型地相对于诸如空气或水之类的环境流体交换热量。虽然该图示出丙烷压缩的四个级，可采用任何数量的压缩级。应理解的是，当描述或要求保护多个压缩级时，此类多个压缩级可包括单个多级压缩机、多个压缩机或其组合。压缩机可在单个壳或多个壳中。压缩丙烷制冷剂的过程在本文中大体上称为丙烷压缩程序。
在主热交换器108中，通过在跨阀或涡轮的压力降低之后汽化和加热至少一部分制冷剂流来提供制冷的至少一部分，且优选全部。低压气态MR流130从主热交换器108的壳侧底部抽出，发送穿过低压抽吸鼓150以分离出任何液体，且蒸气流131在低压(LP)压缩机151中压缩以产生中压MR流132。如果没有预冷，低压气态MR流130典型地在接近预冷温度或接近环境温度的温度下抽出。
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，从中压抽吸鼓153中排出来自冷却的中压MR流的任何液体，以产生中压蒸汽流134，其在中压(MP)压缩机154中进一步压缩。所得高压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发送到高压抽吸鼓156，在那里排出任何液体。所得高压蒸气流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压MR流139。冷却的高压MR流139然后在预冷系统118中相对于汽化的丙烷冷却以产生两相MR流140。然后将两相MR流140送至汽液分离器159，从中获得MRL流141和MRV流143，这两者发送回主热交换器108以进一步冷却。离开相分离器的混合制冷剂液体流在本文中称为MRL，且离开相分离器的混合制冷剂蒸汽流在本文中称为MRV，即使它们随后液化和/或膨胀为单相或两相。在MR从主热交换器108的底部抽出之后压缩和冷却MR，然后作为多个流返回到主热交换器108的管侧的过程在本文中大体上称为MR压缩顺序。
MRL流141和MRV流143两者在主热交换器108的两个独立回路中冷却。MRL流141在主热交换器108的前两束中冷却并部分液化，导致冷流在MRL减压阀161中减压以产生两相MRL流142，其发送回到主热交换器108的壳侧以提供主热交换器的第一束中所需要的制冷。MRV流143在主热交换器108的第一束和第二束中冷却，通过MRV减压阀160的压力降低，且作为两相MRV流144引入到主热交换器108，以在过冷、液化和冷却步骤中提供制冷。应注意，MRV流144和MRL流142在冷却过程期间可能不总是两相。
主热交换器108可为适于天然气液化的任何热交换器，诸如盘管式热交换器、板翅式热交换器或壳管式热交换器。盘管式热交换器是用于天然气液化的当前技术水平的交换器且包括至少一个管束，该管束包括用于过程和热制冷剂流的流动的多个螺旋盘绕管，以及用于冷制冷剂流的流动的壳空间。参照图3和图3A，主热交换器108是盘管式热交换器，其中MRV流143和MRL流141和预冷天然气供给流105的大体流动方向平行于轴线120，且在由轴线120示出的方向上。如与主热交换器108相关的说明书和权利要求书中使用的，用语“位置”表示沿流过主热交换器108的流的轴向流动方向的位置，在图3A中由轴线120表示。类似地，对于图2的主热交换器8，“位置”表示沿流经主热交换器8的流的轴向流动方向的位置，在图2中由轴线20表示。
如说明书和权利要求书中使用的，用语“热交换系统”表示主热交换器108的所有构件，以及流过主热交换器108的任何导管，加上与主热交换器108流体流连通的任何导管或流经主热交换器108的导管。
参照图3A，如说明书和权利要求书中使用的，用语“热端”表示热交换器的一部分(沿供给流流动的轴线120)，由此与最热温度的温差小于正常操作状况下由热交换器提供的最热温度与最冷温度之间的温差的10%。如说明书和权利要求书中使用的，用语“冷端”表示热交换器的一部分(沿供给流的轴线120)，由此与最冷温度的温差小于在正常工作状况下由热交换器提供的最热温度与最冷温度之间的温差的10%。如说明书和权利要求书中使用的，用语“中间区”表示位于冷端与热端之间的热交换器部分(沿供给流流动的轴线)。
当元件描述为“处于”或“位于”冷端或热端时，这意在表示该元件定位成接近冷端(或热端，取决于在描述哪端)，且最冷(或最热，在元件定位成接近热端的情况下)温度与该元件在正常工作状况下的温度之间的温差小于最热温度与最冷温度之间的温差的10%。“处于”或“位于”包括进入或离开主热交换器并满足适用温度要求的导管。例如，LNG流106流经的导管部分将认为“处于”或“位于”冷端147，只要导管部分与冷端温度之间温度上的差小于冷端温度与热端温度之间差的10%。
应理解的是，本发明可在其它类型的天然气液化过程中实施。例如，过程使用不同的预冷制冷剂，诸如混合制冷剂、二氧化碳(CO2)、氢氟烃(HFC)、氨(NH3)、氮(N2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)和丙烯(C3H6)。另外，本发明还可在不使用预冷的过程中实施，例如，单一混合制冷剂循环(SMR)。可使用备选配置来向主热交换器108提供制冷。优选的是，此类制冷由闭环制冷过程提供，诸如在该实施例中使用的过程。如说明书和权利要求书中使用的，“闭环制冷”过程意在包括一种制冷过程，其中制冷剂或制冷剂的组分可在冷却期间增加到系统中(“组成”)。在本发明的其它实施例中，制冷可由开环制冷过程提供，其中制冷剂与供给气体流体流动连通，例如其中制冷剂主要是甲烷。
该实施例包括控制多个过程变量的控制系统121，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。此类操作是在过程启动期间执行的。控制系统121的传感器输入和控制输出在图4中示意性地示出。应注意，控制系统121可为能够执行本文中描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。还应注意，控制系统121示意性地表示为位于单个位置。控制系统121的构件可能位于设备内的不同位置，尤其是在使用分布式控制系统的情况下。如本文中使用的，用语“自动控制系统”意在表示上述任何类型的控制系统，其中一组操纵变量由控制系统基于多个设定点和过程变量自动控制。虽然本发明设想一种能够对每个操纵变量提供全自动控制的控制系统，可期望为操作者提供手动超控一个或多个操纵变量的选项。
该实施例中的操纵变量是预冷天然气供给流105(或沿供给流的任何其它位置)、MRL流142(或沿MRL流的任何其它位置)，以及MRV流144(或沿MRV流的任何其它位置)的流率。该实施例中的监测变量是冷端147处和中间区148中的位置处的时间导数温度。
冷端温度由温度传感器125测量，该温度传感器位于主热交换器108内，在供给气体流经的导管上。测量的温度经由信号176发送到产生时间导数温度值的导数计算器191。时间导数温度值经由信号184发送到PID 171。PID 171将时间导数温度值相对于设定点SP1(经由信号177发送)来比较，并使用该比较来设定控制天然气供给流105的流量的阀103的位置。
第一中间区温度由温度传感器126测量，温度传感器位于主热交换器108内，在MRL流141流经的导管上。测量的温度经由信号175发送到产生时间导数温度值的导数计算器189。时间导数温度值经由信号192发送到PID 188。PID 188将时间导数温度值相对于设定点SP2(经由信号185发送)比较，并使用该比较来设定控制MRL流142的流量的阀161的位置。
控制系统121优选地编程以提供短的提升时间，同时将时间导数温度保持在可接受的限度内以防止热应力。例如，PID 171可编程为逐渐地打开阀103，直到测量的冷端温度的时间导数接近冷端设定点SP1。PID 171然后将调节阀103以将测量的冷端温度的时间导数保持在冷端设定点SP1的每小时预定度数内而不超过其。备选地，冷端设定点SP1可作为范围提供且PID 171可编程以操纵阀103以将测量的冷端温度的时间导数保持在冷端设定点SP1范围内。类似地，PID 188可编程为逐渐地打开阀161直到测量的中间区温度的时间导数接近中间区设定点SP2。PID 188然后将调节阀161以将测量的中间区温度的时间导数保持在中间区设定点SP2的每小时预定度数内而不超过其。
图4A示出与图3中示出的系统一起使用的控制系统221的另一示例性实施例。在控制系统221中，与控制系统121中示出的元件相同的元件具有按系数100增加的参考标号且可不在说明书中论述。该控制系统221的主要区别在于控制MRL阀161的位置的方式。在该实施例中，PID288(信号283)的输出是MRL阀161/MRV阀160位置比。该比率传递到计算器298，计算器通过将该比率乘以MRV阀位置将该比率转换为MRL阀位置，该MRV阀位置根据预定分布294经由信号293提供给计算器。MRL阀位置经由信号295提供给低选择计算器296，该计算器将MRL阀位置值调节到将MRL阀位置变化率保持在处于或低于SP3(由信号297提供给低选择计算器296)所必要的程度。MRL阀位置值然后传递到MRL阀161。提供低选择计算器296的一个益处是其降低向MCHE的热区段和中间区段过度供应MRL制冷剂的可能性。
在说明书和权利要求书中，当温度、压力或流率指定为测量所关注的特定位置时，应理解的是，实际测量可在与所关注的位置直接流体流动连通的任何位置处进行，且在该处温度、压力或流率与在所关注的位置处基本相同。例如，在图3中的主热交换器108的冷端147处由传感器125测量的冷端温度可在主热交换器108的冷端147内的天然气供给流105(如示出的)上，在MRV流144上或在LNG流106处(主热交换器108外)测量，因为这些位置基本处于相同的温度。通常，在不同位置处进行此类测量是由于不同位置比所关注的位置更便于接近。
虽然图2-4和上面相关联的描述指的是C3MR液化循环，本发明适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(诸如氮)等。另外，其在制冷剂用于LNG设备中使用的任何业务中可能有用，包括预冷、液化或过冷。本发明可应用于利用任何过程循环的天然气液化设备中的压缩系统，包括SMR、DMR、氮膨胀器循环、甲烷膨胀器循环、AP-X、级联和任何其它合适的液化循环。
示例
以下表示上述冷却方法模拟应用到图2-4中示出的C3MR系统的冷重启的示例。冷重启通常在设备操作停止达一短时间段之后执行。冷重启在初始主热交换器温度分布和初始MR库存方面不同于热重启。对于冷重启，虽然主热交换器108的热端146温度等于预冷温度，冷端温度可为预冷温度与正常操作温度之间的任何值。
在以下两个实施例中，冷端温度从冷却过程开始时的145°K冷却至冷却过程结束时的116°K，天然气供给流的流率为由冷端设定点SP1控制，且MRL流141的流率由中间设定点SP2控制。MRV流143的流率设定为10 kg/小时的预定恒定升率。
在示例1(图5和图6)中，冷端设定点SP1和中间设定点SP2都设定为-28°K/小时。因此，中间温度从冷却过程开始时的160°K冷却至冷却过程结束时的140°K。在该示例中，MRL流141与MRV流143的流率之间的比率(“MRL/MRV的比率”)相对高(在整个冷却过程中在2.7与4.0之间)，这提供相对快的冷却。另外，MRL/MRV的比率也在冷却持续期内变化(即不是常数)。这允许增强MRL流率在冷却期间的自动化。
在示例2(图7和图8)中，冷端设定点SP1设置为-28°K/小时且中间设置点SP2设置为0°K/小时。因此，在冷却过程期间，中间温度保持在160°K处。通过允许MRL/MRV的比率在冷却持续期内变化，该示例允许冷却过程以自MRL流141的较少总体流量来执行。
发明已根据优选实施例及其备选实施例来公开。当然，来自本发明的教导的各种变化、修改和变更可由本领域技术人员构想出，而不脱离其预期精神和范围。期望本发明仅由所附权利要求书的项目限制。

Claims (15)

1.一种用于控制热交换系统启动的方法，所述热交换系统具有包括热端、冷端和中间区的主热交换器、至少一个供给流和至少一个制冷剂流，所述方法包括以下步骤：
(a)将所述主热交换器从在第一时间的第一温度分布冷却至在第二时间的第二温度分布，所述第一温度分布具有比所述第二温度分布的第二平均温度更大的第一平均温度；以及
(b)在步骤(a)执行期间并行地执行以下步骤：
(i)测量所述主热交换器的冷端处的冷端温度；
(ii)计算第一值，所述第一值包括冷端温度的变化率；
(iii)提供表示所述冷端温度的优选变化率的冷端设定点；
(iv)基于所述第一值和第一设定点来控制通过所述主热交换器的至少一个供给流的流率；
(v)测量在所述主热交换器的中间区中的第一位置处的第一中间区温度；
(vi)计算第二值，所述第二值包括所述第一中间区温度的变化率；
(vii)提供表示所述第一中间区温度的优选变化率的第一中间区设定点；以及
(viii)基于所述第二值和第二设定点来控制通过所述主热交换器的至少一个制冷剂流的第一流的流率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)还包括：
(ix)测量在所述主热交换器的中间区中的第二位置处的第二中间区温度，所述第二位置位于所述中间区中与所述第一位置不同的轴向位置处；
(x)计算第三值，所述第三值包括所述第二中间区温度的变化率；
(xi)提供表示所述第二中间区温度的优选变化率的第二中间区设定点；以及
(xii)基于所述第三值和第三设定点来控制通过所述主热交换器的至少一个制冷剂流的第二流的流率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一中间区设定点等于所述冷端设定点。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一中间区设定点小于所述冷端设定点。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一个制冷剂流包括MRL流和MRV流，且步骤(b)还包括：
(xiii)基于恒定变化率来控制所述MRV流的流率。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤(viii)包括基于所述第二值和所述第二设定点来控制通过所述主热交换器的所述MRL流的流率。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主热交换器包括盘管式热交换器。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：
(xiv)在将所述至少一个供给流引入到所述主热交换器中之前预冷所述至少一个供给流。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)(i)包括：
(i)测量所述主热交换器的冷端处的冷端温度，所测量的冷端温度包括来自第一多个温度传感器的温度读数的平均；且其中步骤(b)(v)包括：
(v)测量在所述主热交换器的中间区中的第一位置处的所述第一中间区温度，所测量的第一中间区温度包括来自第二多个温度传感器的温度读数的平均。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冷端设定点在步骤(a)的整个执行中是恒定的。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冷端设定点在步骤(a)执行期间变化至少一次。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一中间区设定点在步骤(a)的整个执行中是恒定的。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一中间区设定点在步骤(a)执行期间变化至少一次。
14.一种用于控制具有主热交换器的液化天然气设备的启动以通过使用作为MRL流和MRV流供应到所述主热交换器的混合制冷剂的闭环制冷来实现所述主热交换器的冷却的方法，所述主热交换器包括至少一个天然气流和至少一个制冷剂流，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至少一个天然气流，所述主热交换器包括具有热端、冷端和中间区的盘管式热交换器，所述方法包括以下步骤：
(a)将所述主热交换器从在第一时间的第一温度分布冷却至在第二时间的第二温度分布，所述第一温度分布具有比所述第二温度分布的第二平均温度更大的第一平均温度；以及
(b)在步骤(a)执行期间并行地执行以下步骤：
(i)测量所述主热交换器的冷端处的冷端温度；
(ii)计算第一值，所述第一值包括冷端温度的变化率；
(iii)提供表示所述冷端温度的优选变化率的冷端设定点；
(iv)基于所述第一值和第一设定点来控制通过所述主热交换器的至少一个天然气流的流率；
(v)测量在所述主热交换器的中间区中的第一位置处的第一中间区温度；
(vi)计算第二值，所述第二值包括所述第一中间区温度的变化率；以及
(vii)提供表示所述第一中间区温度的优选变化率的第一中间区设定点。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法还包括：
(viii)基于所述第二值和第二设定点来控制通过所述主热交换器的MRL流的流率。
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