DE102011113548A1 - Method for operating liquefying plant for liquefaction of hydrocarbon-rich gas stream, involves controlling flow rate of gas stream supplied to pre-cooling stage, liquefaction stage and under-cooling stage by control unit - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zum Verflüssigen eines kohlenwasserstoffreichen Stroms, insbesondere eines Erdgasstroms, eine entsprechende Regeleinrichtung und eine Verflüssigungsanlage.The invention relates to a method for operating a plant for liquefying a hydrocarbon-rich stream, in particular a natural gas stream, a corresponding control device and a liquefaction plant.
Stand der TechnikState of the art
Erdgas (Natural Gas, NG) zählt zu den wichtigsten Energieträgern der Welt. Etwa 15% des Weltenergiebedarfs werden durch Erdgas gedeckt. Der Transport von Erdgas erfolgt größtenteils über Gasleitungen. In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat jedoch auch Flüssigerdgas (Liquefied Natural Gas, LNG) auf dem Weltenergiemarkt an Bedeutung gewonnen. In flüssiger Form besitzt Erdgas nur 1/600 seines Ausgangsvolumens und ermöglicht einen wirtschaftlichen Transport über lange Strecken.Natural gas (NG) is one of the most important sources of energy in the world. About 15% of world energy demand is covered by natural gas. The transport of natural gas is largely via gas lines. In the past two decades, however, liquefied natural gas (LNG) has also gained in importance on the world energy market. In liquid form, natural gas has only 1/600 of its initial volume and enables long-distance economic transport.
Zur Verflüssigung muss Erdgas auf –160°C abgekühlt werden. Zuvor sind Verunreinigungen wie Methan und schwere Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Stickstoff, Wasser und eine Reihe weiterer unerwünschter Komponenten zu entfernen, wozu beispielsweise adsorbierende, absorbierende und kryotechnische Verfahren eingesetzt werden.For liquefaction, natural gas must be cooled to -160 ° C. Prior to this, impurities such as methane and heavy hydrocarbons, carbon dioxide, nitrogen, water and a number of other undesired components have to be removed, for example adsorbing, absorbing and cryotechnical processes being used.
Zur Verflüssigung von Erdgas werden beispielsweise Grundlastanlager mit einer Produktianskapazität von 1.500–5.000 kt LNG pro Jahr eingesetzt, mittels derer das Erdgas aufgereinigt, in Tieftemperatur-Wärmetauschern verflüssigt und in Tanks eingelagert wird. Der Transport erfolgt z. B. in Tankschiffen.For liquefaction of natural gas, for example, base load plants with a product capacity of 1,500-5,000 kt LNG per year are used, by means of which the natural gas is purified, liquefied in cryogenic heat exchangers and stored in tanks. The transport takes place z. B. in tankers.
Zur Optimierung des Betriebs entsprechender großtechnischer Anlagen werden unterschiedliche Verfahren eingesetzt. Bekannte Online-Optimierungsverfahren beinhalten beispielsweise die Bereitstellung einer Vorrichtung in der zu optimierenden Anlage, welche die Anlage beschreibende Modellgleichungen und ein damit verbundenes Optimierungsproblem last. Die erzielten Ergebnisse werden zur Bestimmung von Ansteuergrößen für Komponenten der Anlage verwendet. Online-Optimierungsverfahren weisen jedoch in der Praxis Nachteile auf.Different methods are used to optimize the operation of corresponding large-scale installations. Known online optimization methods include, for example, the provision of a device in the system to be optimized which loads the system-describing model equations and an associated optimization problem. The results obtained are used to determine the control variables for components of the plant. However, online optimization methods have disadvantages in practice.
Die die Anlage beschreibenden Modellgleichungen bilden naturgemäß die reale Situation nicht vollkommen exakt ab, so dass mitunter beträchtliche Abweichungen zwischen Modell und realer Anlage festzustellen sind. Je enger jedoch das Online-Optimierungsverfahren der Anlage angepasst wird, desto aufwendiger gestaltet sich die Implementierung. Ein entsprechend angepasstes Modell kann in der Regel nicht oder, nur mit beträchtlichem Mehraufwand auf andere Anlagen übertragen werden. Schließlich sind Online-Optimierungsverfahren aufwendig in ihrer Realisierung, da bei Auftreten von Störgrößen jeweils umfangreiche Berechnungen angestellt werden müssen, um das System wieder in einen optimalen Betriebszustand zu bringen. Sollwerkgrößen müssen hierbei angepasst und auf neue Vorgabewerte eingestellt werden. Auch aufgrund dieser Aspekte werden Online-Optimierungsverfahren häufig vom Anwender nicht akzeptiert. Die genannten Nachteile betreffen insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, die sogenannte modellprädiktive Regelung (Model Predictive Control, MPC) und die Echtzeitoptimierung (Real Time Optimization, RTO).Of course, the model equations describing the system do not completely depict the real situation, so that there are sometimes considerable differences between the model and the real system. However, the closer the online optimization process is adapted to the system, the more complex the implementation becomes. A suitably adapted model can not usually be transferred to other plants or only with considerable additional effort. Finally, online optimization methods are complex in their implementation, since in the occurrence of disturbances in each case extensive calculations must be made in order to bring the system back to an optimal operating condition. Target sizes must be adjusted and set to new default values. Also due to these aspects, online optimization methods are often not accepted by the user. The mentioned disadvantages relate in particular, but not exclusively, to so-called model predictive control (MPC) and real-time optimization (RTO).
Es besteht der Bedarf nach einem effizienteren Betrieb entsprechender Anlagen.There is a need for more efficient operation of such facilities.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zum Verflüssigen eines kohlenwasserstoffreichen Stroms, insbesondere eines Erdgasstroms, eine entsprechende Regeleinrichtung sowie eine Verflüssigungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the invention proposes a method for operating a plant for liquefying a hydrocarbon-rich stream, in particular a natural gas stream, a corresponding control device and a liquefaction plant with the features of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das vorgeschlagene Verfahren beruht auf dem sogenannten LIMUM®-Prozess der Anmelderin (Linde Multi Stage Mixed Refrigerant), bei dem in der Regel ein gewickelter Wärmetauscher (CWHE, Coil-Wound Heat Exchanger) verwendet wird, in dem der eingesetzte kohlenwasserstoffreiche Strom gegen unterschiedliche Fraktionen eines gemeinsamen Kältemittelgemischs in einem Kältemittelgemischkreislauf vorgekühlt, verflüssigt und unterkühlt wird. Vorkühlung, Verflüssigung und Unterkühlung werden im Rahmen dieser Anmeldung in Bezug auf entsprechende ”Wärmetauscherstufen” beschrieben. Es sei betont, dass die einzelnen Stufen in einem einzigen gewickelten Wärmetauscher, z. B. räumlich getrennt, realisiert und in einem gemeinsamen Wärmetauschermantel angeordnet sein können. Ein gewickelter Wärmetauscher wird dabei, wie aus der unten erläuterten
Der Kältemittelgemischkreislauf weist eine zweistufige Verdichtereinheit auf, in der aus dem in den Wärmetauscherstufen sukzessive vollständig verdampften, also gasförmig vorliegenden Kältemittelgemisch zwei Fraktionen erzeugt werden. Eine erste Fraktion, im Rahmen dieser Anmeldung als ”schwersiedende” Fraktion bezeichnet, umfasst dabei die Komponenten des Kältemittelgemischs mit dem höchsten Siedepunkt. Diese liegen nach der Verdichtung und einer dieser nachgeschalteten Abkühlung in Luft- oder Wasserkühlern flüssig vor. Ein im Rahmen dieser Anmeldung als ”zweite” Fraktion bezeichneter Anteil umfasst den (zunächst) gasförmigen Rest. Die Erzeugung der Fraktionen erfolgt wie unten ausführlich erläutert. Typischerweise wird zur Erzeugung der Fraktionen ein Druck von ca. 20 und 45 bar verwendet, die Abkühlung erfolgt auf die Temperatur des jeweils verwendeten Kühlmediums in den Luft- oder Wasserkühlern.The refrigerant mixture cycle has a two-stage compressor unit, in which two fractions are produced from the refrigerant mixture which is successively completely vaporized in the heat exchanger stages and thus present in gaseous form. A first fraction, referred to in this application as a "high-boiling" fraction, comprises the components of the refrigerant mixture having the highest boiling point. These are liquid after the compression and one of these downstream cooling in air or water coolers. A fraction referred to as "second" fraction in the context of this application comprises the (initially) gaseous radical. The production of the fractions takes place as explained in detail below. Typically, a pressure of about 20 and 45 bar is used to produce the fractions, the cooling is carried out to the temperature of the cooling medium used in the air or water coolers.
Die weiteren Verfahrensschritte lassen sich wie folgt angeben:
Die genannte schwersiedende Fraktion wird mit einem Druck von ca. 20 bar der Vorkühlstufe zugeführt und dort gegen sich selbst abgekühlt und kälteleistend auf den mantelseitig in dem Wärmetauscher vorliegenden Druck von ca. 4 bar entspannt. Hierbei wird eine Temperatur von ca. –40°C erzeugt, die zur Vorkühlung des kohlenwasserstoffreichen Stroms in der Vorkühlstufe bereitsteht.The further process steps can be specified as follows:
The named high-boiling fraction is fed to the pre-cooling stage at a pressure of about 20 bar and is cooled there against itself and depressurized to the pressure present on the shell side in the heat exchanger of about 4 bar. In this case, a temperature of about -40 ° C is generated, which is ready for pre-cooling of the hydrocarbon-rich stream in the pre-cooling stage.
Die zweite Fraktion wird ebenfalls der Vorkühlstufe zugeführt, dort abgekühlt und nach dem Abkühlen in einem der Vorkühlstufe nachgeschalteten, im Rahmen dieser Anmeldung als ”Zwischenabscheider” bezeichneten Abscheider bei einer entsprechenden Temperatur von ca. –30°C und einem Druck von ca. 45 bar in eine flüssige und eine gasförmige Fraktion aufgetrennt. Die in dem genannten Zwischenabscheider erzeugte flüssige Fraktion wird im Rahmen dieser Anmeldung als ”mittelsiedende” Fraktion, die gasförmige Fraktion als ”leichtsiedende” Fraktion bezeichnet.The second fraction is also fed to the precooling stage where it is cooled and after cooling in a downstream of the pre-cooling, referred to in this application as "Zwischenabscheider" separator at a corresponding temperature of about -30 ° C and a pressure of about 45 bar separated into a liquid and a gaseous fraction. The liquid fraction produced in said intermediate separator is referred to in this application as a "middle boiling" fraction, the gaseous fraction as a "low boiling" fraction.
Die mittelsiedende Fraktion wird bei einem Druck von ca. 4 bar der Verflüssigungsstufe zugeführt und dort gegen sich selbst abgekühlt und kälteleistend ebenfalls auf den mantetseitigen Druck in dem Wärmetauscher entspannt. Hierdurch wird eine Temperatur von ca. –110°C erzeugt. Diese dient zur Verflüssigung in der Verflüssigungsstufe.The medium-boiling fraction is fed to the liquefaction stage at a pressure of about 4 bar, where it is cooled against itself and also cooled to the mantletide pressure in the heat exchanger. As a result, a temperature of about -110 ° C is generated. This is used for liquefaction in the liquefaction stage.
Die leichtsiedende Fraktion wird ebenfalls der Verflüssigungsstufe zugeführt, dort abgekühlt, nach dem Abkühlen bei einem Druck von ca. 4 bar der Unterkühlungsstufe zugeführt, und in der Unterkühlungsstufe kälteleistend entspannt. Hierbei wird eine Temperatur von ca. –160°C erzeugt. Diese steht zur Unterkühlung des kohlenwasserstoffreichen Stroms in der Unterkühlungsstufe zur Verfügung.The low-boiling fraction is also fed to the liquefaction stage, where it is cooled, fed to the subcooling stage after cooling at a pressure of about 4 bar, and cooled in the subcooling stage. Here, a temperature of about -160 ° C is generated. This is available for supercooling the hydrocarbon-rich stream in the subcooling stage.
Ein zu verflüssigender kohlenwasserstoffreicher Strom durchläuft die genannten Stufen des Wärmetauschers und wird dadurch sukzessive auf die genannten Temperaturen der Abscheiderstufen abgekühlt. Der Fluss des kohlenwasserstoffreichen Stroms, und damit der Durchsatz der gesamten Anlage bzw. die Menge des verflüssigten kohlenwasserstoffreichen Stroms, wird durch ein Begrenzerventil eingestellt.A hydrocarbon-rich stream to be liquefied passes through said stages of the heat exchanger and is thus cooled successively to the stated temperatures of the separator stages. The flow of the hydrocarbon-rich stream, and thus the throughput of the entire plant or the amount of liquefied hydrocarbon-rich stream is adjusted by a restrictor valve.
Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass die gezielte Auswahl von Regelgrößen, nämlich im vorliegenden Fall zumindest ein Verhältnis der Flussraten der der Vorkühlstufe zugeführten schwersiedenden Fraktion und der der Unterkühlungsstufe zugeführten leichtsiedenden Fraktion des Kältemittelgemischs, einen besonders vorteilhaften Betrieb einer entsprechenden Anlage ermöglicht.According to the invention, it has been found that the targeted selection of controlled variables, namely, in the present case, at least a ratio of the flow rates of the high-boiling fraction fed to the precooling stage and the low-boiling fraction of the refrigerant mixture supplied to the subcooling stage, enables a particularly advantageous operation of a corresponding plant.
Die Erfindung basiert auf dem ”Self Optimizing Control”-Prinzip. Dieses besagt, dass durch geeignete Regelgrößenauswahl ein Betrieb nahe dem Optimum erfolgen kann, ohne die Notwendigkeit, Soll- bzw. Stellgrößen mittels aufwändiger Online-Optimierung an geänderte Störgrößen anzupassen.The invention is based on the "Self Optimizing Control" principle. This means that by suitable control variable selection operation can be carried out near the optimum, without the need to adjust setpoints or manipulated variables by means of complex online optimization to changed disturbances.
Die Grundlagen hierzu sind z. B. in der Veröffentlichung
Die auf Self Optimizing Control basierenden Regelungsverfahren sind nicht mit herkömmlichen Online-Optimierungsverfahren gleichzusetzen.Self-regulating control methods are not equivalent to conventional online optimization techniques.
Optimierungsverfahren beruhen generell auf einer zu minimierenden skalaren Kostenfunktion. Um eine vollständige Optimierung zu erzielen, wäre, wie erwähnt, ein ideales Modell des zu optimierenden Systems erforderlich, sämtliche auftretenden Störungen müssten kontinuierlich gemessen werden, und das sich ergebende Optimierungsproblem wäre (on line) zu lösen.Optimization methods are generally based on a scalar cost function to be minimized. To achieve a complete optimization, as mentioned, an ideal model of the system to be optimized would be required, all occurring disturbances would have to be measured continuously, and the resulting optimization problem would have to be solved (on line).
Wie bereits erwähnt, ist dies in der Praxis unrealistisch und daher nicht durchführbar. Deshalb ist eine einfachere Implementierung wünschenswert, die dennoch zufriedenstellende Ergebnisse (mit noch akzeptablen Verlusten) liefert. Idealerweise beinhaltet dies, gemäß einem Regelungsverfahren basierend auf Self Optimizing Control, die Auswahl bestimmter Regelgrößen und die Vorgabe fester Sollwerte für diese, wodurch ein komplexes Optimierungsproblem zu einem Feedback-Problem vereinfacht wird.As already mentioned, in practice this is unrealistic and therefore not feasible. Therefore, a simpler implementation is desirable which nevertheless gives satisfactory results (with still acceptable losses). Ideally, according to a self-regulatory control method, this includes selecting particular controlled variables and setting fixed setpoints for them, thereby simplifying a complex optimization problem to a feedback problem.
Die auszuwählenden Regelgrößen stellen eine Teilmenge oder eine Kombination der jeweils verfügbaren messbaren Prozessvariablen dar. Ein wesentlicher Schritt bei der Implementierung eines entsprechenden Verfahrens besteht in der Auswahl geeigneter Regelgrößen. Diese Regelgrößen müssen gegenüber Störungen insensitiv und einfach mess- und regelbar sein, einen ausreichenden Verstärkungsfaktor gegenüber den jeweiligen Stellwerten aufweisen, und dürfen (im Fall von mehreren Regelgrößen) nicht eng miteinander korreliert sein. Die Auswahl der geeigneten bzw. ”besten” Regelgrößen (in den zuvor genannten Publikationen auch als ”Best Controlled Variables” bezeichnet) stellt daher die zentrale Herausforderung bei der Implementierung eines entsprechenden Verfahrens dar.The controlled variables to be selected represent a subset or a combination of the respectively available measurable process variables. An essential step in the implementation of a corresponding method is the selection of suitable controlled variables. These control variables must be insensitive and easily measurable and controllable against disturbances, have a sufficient amplification factor with respect to the respective control values, and must not be closely correlated (in the case of several controlled variables). The selection of suitable or "best" controlled variables (also referred to in the aforementioned publications as "Best Controlled Variables") therefore represents the central challenge in implementing a corresponding method.
Diese spezifische Regelgrößenauswahl erwies sich in der Praxis aus unterschiedlichen Gründen als schwierig. Einerseits ist in keiner Weise offensichtlich, welche und wie viele Freiheitsgrade in der Praxis zur Manipulation des Kältemittelgemischkreislaufs existieren. Üblicherweise zeigen Manipulationen von Füllständen, z. B. von Abscheidern, keinen stationären Einfluss auf entsprechende Anlagen. Dies trifft bei dem erläuterten LIMUM®-Kreislauf jedoch überraschenderweise nicht zu. Im Fall des LIMUM®-Kreislaufs werden die einzelnen Kältemittelgemischfraktionen zwischen Akkumulationspunkten in Form von Vorlagebehältern bzw. Abscheidern verschoben, so dass die Füllstände derselben einen Einfluss auf die Zusammensetzung des Kühlmittelgemisches und damit den stationären Betrieb haben. Da sich der Füllstand eines Abscheiders jeweils aus den Füllständen der anderen Abscheider ergibt, können zwei Füllstände unabhängig voneinander manipuliert werden. Es konnte gezeigt werden, dass die jeweiligen Füllstände ausreichend unabhängig voneinander auf den Prozess wirken um zwei Regelgrößen zu kontrollieren. Eine weitere Schwierigkeit lag in der aufwendigen Modellierung des Kreislaufes unter Einbeziehung der Effekte der Verlagerung der Kühlmittelfraktionen zwischen den Abscheidern.This specific control variable selection proved to be difficult in practice for a variety of reasons. On the one hand, it is in no way obvious which and how many degrees of freedom exist in practice for manipulating the mixed refrigerant cycle. Usually show manipulations of levels, eg. B. of separators, no steady state influence on appropriate facilities. However, this is not the case in the above-LIMUM ® -cycle surprisingly. In the case of LIMUM ® -Kreislaufs the individual refrigerant mixture fractions between accumulation points in the form of storage containers and separators are moved so that the levels of them have an impact on the composition of the refrigerant mixture and stationary operation. Since the level of a separator results in each case from the levels of the other separator, two levels can be manipulated independently. It could be shown that the respective fill levels act sufficiently independently on the process to control two controlled variables. Another difficulty was the elaborate modeling of the cycle, including the effects of shifting the refrigerant fractions between the separators.
Anlagen zur Erdgasverflüssigung sind auf zwei Betriebsziele ausgerichtet. Zunächst ist, wie erwähnt, ein Erdgasstrom von den jeweiligen Ausgangsbedingungen in einen flüssigen, transportfähigen Zustand (–160°C bei nahezu Atmosphärendruck) zu überführen. Zusätzlich sind schwere Kohlenwasserstoffe abzutrennen. Der Abtrennungsschritt ist optional und findet üblicherweise nach der bereits teilweise erläuterten Vorkühlung des Erdgasstroms statt. Ungeachtet des Vorliegens von Störungen, wie beispielsweise schwankenden Umgebungstemperaturen, können diese Betriebsziele durch eine entsprechende Regelung erreicht werden, also, mit anderen Worten, durch Verwendung eines Satzes von Reglern, von denen jeder automatisch eine Stellgröße derart verändert, dass das jeweilige (Teil-)Ziel erreicht wird.Natural gas liquefaction plants are geared towards two operational objectives. First, as mentioned, a natural gas stream from the respective initial conditions in a liquid, transportable state (-160 ° C at near atmospheric pressure) to convict. In addition, heavy hydrocarbons must be separated. The separation step is optional and usually takes place after the already partially explained pre-cooling of the natural gas stream. Regardless of the presence of disturbances, such as fluctuating ambient temperatures, these operating goals can be achieved by appropriate regulation, in other words, by using a set of controllers, each of which automatically alters a manipulated variable such that the respective (sub) Goal is achieved.
Weil jedoch die hier interessierenden Anlagen zur Erdgasverflüssigung eine größere Anzahl an Stellgrößen aufweisen als Betriebsziele vorliegen, existieren zusätzliche Freiheitsgrade, die vorteilhafterweise dann zur Optimierung einer Gewinnfunktion, i. d. R. einer Ausbeute bzw. eines Durchsatzes einer entsprechenden Anlage, verwendet werden können. Online-Optimierungsverfahren unter Verwendung der zuvor erläuterten Regeltechniken (RTO, MPC), die hierbei herkömmlicherweise zum Einsatz kommen könnten, werden in Erdgasverflüssigungsanlagen aufgrund der bereits in der Einleitung erwähnten Nachteile in der Regel nicht angewendet.However, because the systems of interest here for natural gas liquefaction have a larger number of manipulated variables than operating objectives, there are additional degrees of freedom, which are then advantageously used to optimize a profit function, i. d. R. a yield or a throughput of a corresponding system, can be used. On-line optimization methods using the previously explained control techniques (RTO, MPC), which could conventionally be used here, are generally not used in natural gas liquefaction plants because of the disadvantages already mentioned in the introduction.
Ein wesentlicher Schritt bei der Implementierung eines Verfahrens basierend auf Self Optimizing Control besteht, wie erwähnt, in der Auswahl und/oder Kombination der geeigneten messbaren Prozessvariablen zu Regelgrößen, welche mittels der veränderlichen Stellgrößen über entsprechende Stellglieder auf ihren zuvor spezifizierten Sollwerten gehalten werden. Das technische Problem der Regelgrößenauswahl bzw. -kombination weist eine hohe kombinatorische Vielfalt auf und kann nur mit geeigneten Methoden unter Einbeziehung anlagenspezifischer Simulationen und prozesstechnischen Know-Hows gelöst werden.An essential step in the implementation of a method based on self-optimizing control is, as mentioned, in the selection and / or combination of suitable measurable process variables to controlled variables, which by means of the variable control variables via corresponding actuators on their previous specified setpoints. The technical problem of the control variable selection or combination has a high combinatorial diversity and can only be solved with suitable methods including plant-specific simulations and process know-how.
Erfindungsgemäß lässt sich durch die Definition geeigneter Regelgrößen unter Weglassung aufwendiger Online-Optimierungsschritte und -verfahren ein Betrieb in der Nähe des jeweiligen Optimums erreichen. Das Verfahren ist einfach zu implementieren, an unterschiedliche Anlagen anpassbar und zumindest teilweise mit vorhandenen Reglern entsprechender Anlagen, beispielsweise PID-Reglern, umsetzbar.According to the invention can be achieved by the definition of suitable control variables, omitting elaborate on-line optimization steps and procedures, an operation in the vicinity of the respective optimum. The method is simple to implement, adaptable to different systems and at least partially implementable with existing controllers of corresponding systems, for example PID controllers.
Wie bereits zuvor ansatzweise erläutert, wird in einem entsprechenden Verfahren eine Verdichtereinheit mit zwei Verdichterstufen verwendet. Hierbei wird das vollständig verdampfte Kältemittelgemisch aus den einzelnen Wärmetauscherstufen zunächst in der ersten Verdichterstufe mit geringerem Druck vorverdichtet, abgekühlt und einem ersten Abscheider zugeführt. Eine in dem ersten Abscheider erhaltene bzw. diesem entnommene flüssige Fraktion wird als die schwersiedende Fraktion verwendet. Eine dem ersten Abscheider gasförmig entnommene Fraktion wird hingegen in der zweiten Verdichterstufe mit höherem Druck nachverdichtet, abgekühlt und einem zweiten Abscheider zugeführt. Eine schließlich dem zweiten Abscheider gasförmig entnommene Fraktion wird als die zuvor erläuterte ”zweite” Fraktion verwendet.As already explained in the beginning, a compressor unit with two compressor stages is used in a corresponding method. Here, the completely evaporated refrigerant mixture from the individual heat exchanger stages is first precompressed in the first compressor stage with lower pressure, cooled and fed to a first separator. A liquid fraction obtained in the first separator is used as the high-boiling fraction. In contrast, a fraction taken off in gaseous form from the first separator is subsequently compressed in the second compressor stage at a higher pressure, cooled and fed to a second separator. A fraction finally taken off in gaseous form from the second separator is used as the "second" fraction explained above.
Eine dem zweiten Abscheider entnommene flüssige Fraktion wird zumindest teilweise erneut dem ersten Abscheider zugeführt. Die Menge der erneut dem ersten Abscheider zugeführten flüssigen Fraktion über die Zeit, also eine Flussrate aus dem zweiten in den ersten Abscheider, wird mittels eines Flussregelventils, nachfolgend der eindeutigen Zuordenbarkeit halber als ”Verdichterventil” bezeichnet, auf Grundlage eines Füllstands der flüssigen Fraktion in dem zweiten Abscheider eingestellt. Die erste Verdichterstufe erzeugt dabei typischerweise einen Druck von ca. 20 bar, die zweite Verdichterstufe einen Druck von ca. 45 bar. Das Verdichterventil entspannt die dem zweiten Abscheider entnommene flüssige Fraktion entsprechend.A liquid fraction taken from the second separator is at least partially recycled to the first separator. The amount of liquid fraction fed back to the first separator over time, ie a flow rate from the second to the first separator, is referred to as a "compressor valve" by means of a flow control valve, hereinafter referred to as "compressor valve", based on a liquid fraction level in the first fractionator second separator set. The first compressor stage typically produces a pressure of about 20 bar, the second compressor stage a pressure of about 45 bar. The compressor valve relaxes the second fraction taken from the liquid fraction accordingly.
Vorteilhafterweise erfolgt eine entsprechende Regelung dahingehend, dass das Verhältnis der Flussraten der der Vorkühlstufe zugeführten schwersiedenden Fraktion und der der Unterkühlungsstufe zugeführten leichtsiedenden Fraktion des Kältemittelgemischs als erfindungsgemäß ausgewählte Regelgröße (d. h. als die erläuterte ”Best Controlled Variable”) mittels einer Einstellung des Füllstands der flüssigen Fraktion in dem zweiten Abscheider als Stellgröße über eine Stellung des Verdichterventils als Stellglied geregelt wird. Entsprechende Regelstrategien lassen sich in vorhandenen Anlagen einfach und kostengünstig implementieren und können teilweise auf dort bereits vorhandene technische Einrichtungen zurückgreifen.Advantageously, a corresponding regulation is made such that the ratio of the flow rates of the precooling high-boiling fraction and supplied to the subcooling low-boiling fraction of the refrigerant mixture as inventively selected control variable (ie as the explained "Best Controlled Variable") by means of an adjustment of the liquid fraction level is regulated in the second separator as a control variable via a position of the compressor valve as an actuator. Corresponding control strategies can be implemented easily and inexpensively in existing systems and can in some cases resort to existing technical facilities there.
Im Rahmen eines entsprechenden Verfahrens werden zur kälteleistenden Entspannung der schwersiedenden Fraktion, der mittelsiedenden Fraktion und der leichtsiedenden Fraktion jeweils Entspannungsventile verwendet. Die Regelung des Verhältnisses der Flussraten der der Vorkühlstufe zugeführten schwersiedenden Fraktion und der der Unterkühlungsstufe zugeführten leichtsiedenden Fraktion des Kältemittelgemischs als Regelgröße (d. h. als der oben erläuterten ”Best Controlled Variable”) kann alternativ zu der zuvor erläuterten Strategie, nämlich der Verwendung des Füllstands des zweiten Abscheiders in der Verdichtereinheit, auch mittels einer Einstellung des Füllstands einer flüssigen Fraktion in dem Zwischenabscheider als Stellgröße über eine Stellung des zur Entspannung der mittelsiedenden Fraktion verwendeten Entspannungsventils als Stellglied erfolgen.In the context of a corresponding process, expansion valves are used in each case for the high-pressure expansion of the high-boiling fraction, the medium-boiling fraction and the low-boiling fraction. The regulation of the ratio of the flow rates of the high-boiling fraction fed to the pre-cooling stage and the low-boiling fraction of the refrigerant mixture fed to the subcooling stage as a controlled variable (ie as the "Best Controlled Variable" discussed above) can be alternative to the strategy explained above, namely the use of the fill level of the second Separator in the compressor unit, also by means of an adjustment of the level of a liquid fraction in the intermediate separator as a control variable via a position of the expansion valve used to relax the medium-boiling fraction carried out as an actuator.
Insbesondere bei der genannten Einstellung des Füllstands einer flüssigen Fraktion in dem Zwischenabscheider ergeben sich in Kombination mit weiteren Maßnahmen besondere Vorteile. Hierbei wird, wiederum in der Verdichtereinheit, ein Verhältnis der dem zweiten Abscheider entnommenen und dem ersten Abscheider erneut zugeführten flüssigen Fraktion und der dem zweiten Abscheider in Form der zweiten Fraktion entnommenen gasförmigen Fraktion über eine Stellung des Flussregelventils konstant gehalten, also fest eingestellt.In particular, in the aforementioned setting the level of a liquid fraction in the Zwischenabscheider arise in combination with other measures special advantages. In this case, again in the compressor unit, a ratio of the second separator removed and the first separator again supplied liquid fraction and the second separator in the form of the second fraction removed gaseous fraction kept constant over a position of the flow control valve, so fixed.
Vorteilhafterweise werden die zuvor erläuterten Maßnahmen mit einem Verfahren kombiniert, bei dem die Regelung ferner ein Verhältnis der Drücke des Kältemittelgemischs vor der ersten Stufe und nach der zweiten Stufe der Verdichtereinheit als Regelgröße mittels eines Durchsatzes der leichtsiedenden Fraktion des Kältemittelgemischs in der Unterkühlungsstufe als Stellgröße regelt. Als Stellglied kommt dabei ein Begrenzerventil zum Einsatz, das der Unterkühlungsstufe zugeordnet ist. Die Verwendung des Verhältnisses der Drücke des Kältemittelgemischs vor der ersten Stufe und nach der zweiten Stufe der Verdichtereinheit als Regelgröße bietet bereits für sich betrachtet, d. h. auch ohne die zuvor erläuterten Maßnahmen, beträchtliche Vorteile. Der Durchsatz an Erdgas kann hierbei gegenüber herkömmlich betriebenen Anlagen um bis zu 6% gesteigert werden.Advantageously, the above-described measures are combined with a method in which the control further regulates a ratio of the pressures of the refrigerant mixture before the first stage and after the second stage of the compressor unit as a controlled variable by means of a flow rate of the low-boiling fraction of the refrigerant mixture in the supercooling stage as a manipulated variable. As an actuator, a limiting valve is used, which is assigned to the subcooling stage. The use of the ratio of the pressures of the refrigerant mixture before the first stage and after the second stage of the compressor unit as a controlled variable already provides in itself, d. H. even without the measures described above, considerable benefits. The throughput of natural gas can be increased by up to 6% compared to conventionally operated systems.
Ein entsprechendes Regelungsverfahren beruht auf einer Gewinnfunktion in Form eines Durchsatzes des kohlenwasserstoffreichen Stroms in der Verflüssigungseinrichtung. Der Durchsatz des kohlenwasserstoffreichen Stroms in der Verflüssigungseinrichtung kann mittels eines der Unterkühlungsstufe nachgeordneten Begrenzerventils auf Grundlage einer Temperatur des kohlenwasserstoffreichen Stroms nach der Unterkühlungsstufe eingestellt werden. A corresponding control method is based on a gain function in the form of a throughput of the hydrocarbon-rich stream in the liquefaction unit. The flow rate of the hydrocarbon-rich stream in the liquefying means may be adjusted by means of a restrictor valve downstream of the subcooling stage based on a temperature of the hydrocarbon-rich stream after the subcooling stage.
Eine erfindungsgemäße Regeleinrichtung für eine Verflüssigungseinrichtung zum Verflüssigen eines kohlenwasserstoffreichen Stroms ist zur Durchführung eines Verfahrens wie zuvor erläutert eingerichtet und verfügt über entsprechend ausgebildete Regelmittel. Diese, wie auch die erfindungsgemäß vorgesehene Verflüssigungsanlage, profitiert von den zuvor erläuterten Vorteilen.A control device according to the invention for a liquefying device for liquefying a hydrocarbon-rich stream is designed to carry out a method as explained above and has appropriately designed control means. This, as well as the inventively provided liquefaction, benefits from the advantages explained above.
Nachfolgend werden die zuvor genannten Vorteile und weitere vorteilhafte Effekte der erfindungsgemäßen Maßnahmen nochmals zusammengefasst und kurz erläutert.Below, the advantages mentioned above and further advantageous effects of the measures according to the invention are summarized again and briefly explained.
Die vorgeschlagene Regelgrößenauswahl erlaubt einen nahezu maximalen Durchsatz an Erdgas, ohne jeweils Stellwerte neu definieren zu müssen, nachdem Störgrößen aufgetreten sind. Dies stellt einen bedeutenden Vorteil dar, da Bediener entsprechender Anlagen in der Regel nicht ohne weiteres in der Lage sind, richtige Stellwerte auszuwählen und diese korrekt einzustellen, und, wie erwähnt, Verflüssigungsanlagen in der Regel nicht über dynamische Optimierungseinrichtungen verfügen.The proposed control variable selection allows a nearly maximum throughput of natural gas, without having to redefine control values after disturbances have occurred. This represents a significant advantage because operators of such plants are generally not readily able to select and properly set correct control values and, as noted, liquefaction plants generally do not have dynamic optimization facilities.
Ein weiterer Vorteil besteht dabei darin, dass das Installationspersonal beim Inbetriebsetzen oder nach Wartung einer entsprechenden Anlage lediglich einmal die Sollwerte der Regler manuell einstellen muss. Nach diesem erstmaligen Einstellen kann ein optimaler Betrieb sichergestellt werden, der in Bezug auf Störungen relativ unempfindlich ist. Damit werden entsprechende Ressourcen frei. Leistungstests können einfach und unproblematisch durchgeführt werden.Another advantage is that the installation personnel only have to set the setpoint values of the controllers manually once during commissioning or after maintenance of a corresponding system. After this initial setting, optimum operation can be ensured which is relatively insensitive to disturbances. This frees up appropriate resources. Performance tests can be performed easily and without problems.
Ein wesentlicher Vorteil, der sich durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen realisieren lässt, ist ferner der, dass die jeweiligen Regelgrößer über einen sehr großen Störgrößenbereich an oder in der Näher ihrer jeweiligen Sollwerte gehalten werden können. Eine entsprechende Anlage ist daher sehr flexibel betreibbar. Eine aufwendige Vermeidung von Störeinflüssen kann zumindest zum Teil entfallen.A significant advantage, which can be realized by the measures according to the invention, is furthermore that the respective control variables can be kept at or near their respective nominal values over a very large disturbance variable range. A corresponding system is therefore very flexible operable. A complex avoidance of interference can be omitted at least in part.
Darüberhinaus eignet sich die erfindungsgemäße Lösung insbesondere zur Nachrüstung entsprechender Erdgasverflüssigungsanlagen, wodurch sich relativ einfach und kostengünstig eine höhere Flüssigerdgasausbeute realisieren lässt, ohne aufwendige Online-Optimierungstechniken wie MPC oder RTO implementieren zu müssen.Moreover, the solution according to the invention is particularly suitable for retrofitting appropriate natural gas liquefaction plants, whereby a relatively high and low-cost liquefied gas yield can be realized relatively easily, without having to implement costly online optimization techniques such as MPC or RTO.
Nachfolgend werden quantitative Ergebnisse dargestellt, welche einen Maximalverlust einer entsprechenden Anlage im Rahmen eines Worst-Case-Szenarios bezüglich eines Flüssiggasdurchsatzes angeben. Der Worst-Case-Verlust stellt dabei die maximale Abweichung zwischen dem besten erreichbaren Ergebnis und dem jeweils erzielten Ergebnis bei einer Störung mit einer bestimmten Größe dar. Hierbei sind die unter Verwendung einer konventionellen Regelstrategie (CONV) erzielten sowie die erfindungsgemäß erhaltenen Werte angegeben. CFRC (Compression and Flow Ratio Control) bezeichnet hier und im Folgenden die erste erfindungsgemäße Alternative, bei der das Flussratenverhältnis der leichtsiedenden zu der schwersiedenden Kältemittelgemischfraktion als Regelgröße über die Füllstandseinstellung im zweiten Abscheider der Verdichtereinheit als Stellgröße geregelt wird. CF2RC (Compression, Flow, and Flow Ratio Control) bezeichnet hier und im Folgenden die zweite erfindungsgemäße Alternative, bei der das Flussratenverhältnis der leichtsiedenden zu der schwersiedenden Kältemittelgemischfraktion über eine Füllstandseinstellung im Zwischenabscheider eingestellt wird und zusätzlich die dem zweiten Abscheider der Verdichtereinheit über die Zeit entnommenen Fraktionen, also die entsprechenden Flussraten, konstant eingestellt werden. In beiden Alternativen wird zusätzlich das Druckverhältnis des Kältemittelgemischs vor der ersten und nach der zweiten Verdichterstufe der Verdichtereinheit, wie zuvor erläutert, als Regelgröße verwendet.
Bei den Werten für die konventionelle Regelstrategie (CONV) ist zu berücksichtigen, dass diese im Regelbetrieb unter Verwendung einer Saugdruckregelung arbeitet. Um einen Vergleich der Regelstrategien zu ermöglichen, wurde diese deaktiviert.The values for the conventional control strategy (CONV) should be taken into account that they work in normal operation using a suction pressure control. To enable a comparison of the control strategies, this has been deactivated.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described below with reference to the drawing.
Figurenbeschreibungfigure description
In den Figuren sind gleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben. Der Übersichtlichkeit halber wird auf eine wiederholte Erläuterung verzichtet.In the figures, like elements are indicated by identical reference numerals. For the sake of clarity, a repeated explanation is omitted.
Die Verflüssigungseinrichtung
Den einzelnen Wärmetauscherstufen
Die Regelung
Die Regelung
Die Regelung
In einer zweistufigen Verdichtereinheit
In einer ersten Verdichterstufe
Eine weitere Regelung
Die Beeinflussung des der leichtsiedenden Kältemittelgemischfraktion
Ferner erfolgt eine Verstellung des der schwersiedenden Kältemittelgemischfraktion
Zusätzlich wird das Verhältnis der dem zweiten Abscheider
In der ersten Spalte mit den Graphen A1 und B1 sind die jeweiligen Ordinatenwerte gegen unterschiedliche Umgebungstemperaturen Tamb (in K) auf der Abszisse aufgetragen. Die zweite Spalte mit den Graphen A2 und B2 zeigt die Ordinatenwerte bei unterschiedlichen Sollwerttemperaturen des verflüssigten Erdgases TSP LNG (in K) auf der Abszisse. Die dritte Spalte mit den Graphen A3 und B3 zeigt die Ordinatenwerte bei unterschiedlichen Werten für die Verdichtungsleistung der Kompressoreinheit (in MW). Die Abszissenwerte sind jeweils spaltenweise, die Ordinatenwerte jeweils zeilenweise identisch aufgetragen.In the first column with the graphs A1 and B1, the respective ordinate values are plotted against different ambient temperatures T amb (in K) on the abscissa. The second column with the graphs A2 and B2 shows the ordinate values at different setpoint temperatures of the liquefied natural gas T SP LNG (in K) on the abscissa. The third column with the graphs A3 and B3 shows the ordinate values at different values for the compression capacity of the compressor unit (in MW). The abscissa values are each column by column, the ordinate values in each case are applied identically line by line.
Wie ersichtlich, ermöglichen die vorgeschlagenen Sätze an Regelgrößen für das Verfahren eine verbesserte Betriebsfähigkeit, da hierdurch, im Gegensatz zur herkömmlichen Struktur (CONV), die Ergebnisse über einen weiten Bereich an Störwerten am oder in der Nähe des theoretischen Optimums gehalten werden können.As can be seen, the proposed sets of process variables allow for improved operability since, in contrast to the conventional structure (CONV), the results can be maintained at or near the theoretical optimum over a wide range of disturbances.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Anlage zum Verflüssigen eines kohlenwasserstoffreichen StromsPlant for liquefying a hydrocarbon-rich stream
- NGNG
- kohlenwasserstoffreicher Stromhydrocarbon-rich stream
- LNGLNG
- verflüssigter kohlenwasserstoffreicher Stromliquefied hydrocarbon-rich stream
- TT
- Temperaturgebertemperature sensors
- FF
- FlussratengeberFlow rate transmitter
- LL
- Füllstandsgeberlevel sensor
- PP
- Druckgeberthruster
- MM
- Motorengine
- 1010
- Verflüssigungseinrichtungliquefier
- 1111
- Vorkühlstufeprecooling
- 1212
- Verflüssigungsstufeliquefaction stage
- 1313
- UnterkühlungsstufeHypothermia stage
- 1414
- Begrenzerventil im ErdgaspfadLimit valve in the natural gas path
- 1515
- Zwischenabscheiderintermediate screen
- 1616
- Entspannungsventil VorkühlstufeExpansion valve pre-cooling stage
- 1717
- Entspannungsventil VerflüssigungsstufeExpansion valve liquefaction stage
- 1818
- Entspannungsventil UnterkühlungsstufeRelaxation valve subcooling stage
- 1919
- Tröpfchenabscheiderdemister
- 2020
- KältemittelgemischRefrigerant mixture
- 2121
- schwersiedende Kältemittelgemischfraktionhigh-boiling refrigerant mixture fraction
- 2222
- mittelsiedende Kältemittelgemischfraktionby means of boiling refrigerant mixture fraction
- 23 23
- leichtsiedende Kältemittelgemischfraktionlow boiling refrigerant mixture fraction
- 2424
- Zwischenfraktionintermediate fraction
- 31, 31'31, 31 '
- Regelung mit Stellgröße Entspannungsventil VorkühlstufeControl with control value expansion valve pre-cooling stage
- 32, 32'32, 32 '
- Regelung mit Stellgröße Entspannungsventil VerflüssigungsstufeControl with control value expansion valve condensing stage
- 3333
- Regelung mit Stellgröße Entspannungsventil UnterkühlungsstufeControl with control value Expansion valve Subcooling stage
- 3434
- Regelung mit Stellgröße BegrenzerventilControl with manipulated variable limiter valve
- 3535
- Regelung Flussratenverhältnis mit Stellgröße Füllstand ZwischenabscheiderControl flow rate ratio with control variable level separator
- 36, 36'36, 36 '
- Regelung Flussratenverhältnis mit Stellgröße Füllstand zweiter AbscheiderControl flow rate ratio with control value level second separator
- 3737
- Regelung mit Stellgröße VerdichterventilControl with manipulated variable compressor valve
- 3838
- Regelung DruckverhältnisControl pressure ratio
- 4040
- Verdichtereinheitcompressor unit
- 4141
- erste Verdichterstufefirst compressor stage
- 4242
- zweite Verdichterstufesecond compressor stage
- 4343
- erster Abscheiderfirst separator
- 4444
- zweiter Abscheidersecond separator
- 4545
- erster Kühlerfirst cooler
- 4646
- zweiter Kühlersecond cooler
- 4747
- VentilValve
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- ”Self-optimizing control: the missing link between steady-state optimization and control”, Computers and Chemical Engineering 24 (2000) 569–575 [0018] "Self-optimizing control: the missing link between steady-state optimization and control", Computers and Chemical Engineering 24 (2000) 569-575 [0018]
- ”Near-Optimal Operation by Self-Optimizing Control: From Process Control to Marathon Running and Business Systems”, Computers and Chemical Engineering 19 (2004) 127–137 von Sigurd Skogestad [0018] "Near-Optimal Operation by Self-Optimizing Control: From Process Control to Marathon Running and Business Systems", Computer and Chemical Engineering 19 (2004) 127-137 to Sigurd Skogestad [0018]
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---|---|---|---|
DE102011113548A DE102011113548A1 (en) | 2011-09-15 | 2011-09-15 | Method for operating liquefying plant for liquefaction of hydrocarbon-rich gas stream, involves controlling flow rate of gas stream supplied to pre-cooling stage, liquefaction stage and under-cooling stage by control unit |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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DE102011113548A1 true DE102011113548A1 (en) | 2013-03-21 |
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DE102011113548A Withdrawn DE102011113548A1 (en) | 2011-09-15 | 2011-09-15 | Method for operating liquefying plant for liquefaction of hydrocarbon-rich gas stream, involves controlling flow rate of gas stream supplied to pre-cooling stage, liquefaction stage and under-cooling stage by control unit |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102016003588A1 (en) * | 2016-03-23 | 2017-09-28 | Linde Aktiengesellschaft | Process for liquefying a hydrocarbon-rich fraction |
RU2811216C1 (en) * | 2023-06-23 | 2024-01-11 | Игорь Анатольевич Мнушкин | Method for natural gas liquefaction |
-
2011
- 2011-09-15 DE DE102011113548A patent/DE102011113548A1/en not_active Withdrawn
Non-Patent Citations (2)
Title |
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"Near-Optimal Operation by Self-Optimizing Control: From Process Control to Marathon Running and Business Systems", Computers and Chemical Engineering 19 (2004) 127-137 von Sigurd Skogestad |
"Self-optimizing control: the missing link between steady-state optimization and control", Computers and Chemical Engineering 24 (2000) 569-575 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102016003588A1 (en) * | 2016-03-23 | 2017-09-28 | Linde Aktiengesellschaft | Process for liquefying a hydrocarbon-rich fraction |
RU2811216C1 (en) * | 2023-06-23 | 2024-01-11 | Игорь Анатольевич Мнушкин | Method for natural gas liquefaction |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |