DE3785098T2

DE3785098T2 - Regelung eines mehrkomponentenkuehlsystems fuer die erdgasverfluessigung.

Info

Publication number: DE3785098T2
Application number: DE8787109630T
Authority: DE
Inventors: Charles L Newton
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1986-07-10
Filing date: 1987-07-03
Publication date: 1993-07-08
Anticipated expiration: 2007-07-04
Also published as: JP2599919B2; DE3785098D1; KR940001381B1; EP0252455A2; NO872867L; US4809154A; MY100386A; NO872867D0; KR880001992A; AU7522387A; AU595627B2; NO168443B; NO168443C; EP0252455A3; JPS6325481A; CA1325255C; EP0252455B1

Description

Derzeit sind Systeme zur Verflüssigung von Erdgas, die ein Mehrkomponenten-Kältemittel oder ein gemischtes Kältemittel (GK) verwenden und die im US-Patent Nr. 3,763,658 beschrieben sind, weltweit in Gebrauch. Solche Systeme verwenden typischerweise ein Vierkomponenten-Kältemittel, das Stickstoff, Methan, Ethan und Propan enthält und das durch einen Mehrzonen-Wärmeaustauscher zirkuliert, um einen Beschickungsstrom von Erdgas auf diejenigen niedrigen Temperaturen abzukühlen, bei denen es kondensiert, um verflüssigtes Erdgas (VEG) zu bilden (typischerweise -162ºC (-260ºF)). Um Beschickungsströme mit veränderlicher Zusammensetzung geeignet zu kühlen, sind Überwachungen der Temperatur und des Drucks erforderlich, um die Strömung des Kältemittels durch den Wärmeaustauscher, die Zusammensetzung des gemischten Kältemittels, den Kompressionsgrad, mit dem das gemischte Kältemittel beaufschlagt wird, und andere den Betrieb des Hauptaustauschers und des Kältekreises beeinflussende physikalische Parameter zu verändern.
In einer typischen Anordnung, die ein Mehrkomponenten- Kältesystem verwendet, ist die gesamte Anlage in Übereinstimmung mit gewissen Design-Spezifikationen konstruiert, die dazu dienen, den Betrieb der Anlage in vorgegebenen Grenzen zu gewährleisten. Auf der Grundlage von Kunden- Spezifikationen von Beschickungsstrom-Zusammensetzungen und -Zuständen legen Anlagen-Konstrukteure typischerweise einen optimalen Betriebszustand für das System fest, der Zusammensetzungen, Temperaturen und Drücke für die verschiedenen Teile des Kreislaufs für das gemischte Kältemittel enthält. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Erzielung und die Aufrechterhaltung dieser geplanten Zustände äußerst schwierig sind. Außerdem tragen Veränderungen im Zustand der Anlage, die Veränderungen der Beschickungsstrom-Zusammensetzung, Veränderungen der Umgebung und Defekte wie etwa Lecks in den Kompressordichtungen und in den Ventil- und Rohrleitungsverbindungen umfassen, sämtlich zur Instabilität der Anlage bei. Aus diesen Gründen arbeiten typische Fabrikanlagen mit gemischtem Kältemittel bei einem geringeren als dem optimalen Wirkungsgrad. Da Bedienungspersonen nicht alle Veränderungen, die der in Betrieb befindlichen Anlage eigentümlich sind, genau überwachen und einstellen können und wegen der vielen Beziehungen, die selbst hochqualifizierten und erfahrenen Bedienungspersonen nicht deutlich sind, wird der Gesamtwirkungsgrad der Anlage verschlechtert, so daß die Kosten des Produkts der Anlage für den Verbraucher steigen.
Wenn es schließlich wünschenswert ist, die VEG-Anlage so zu betreiben, daß die maximale Produktion erzielt wird, spielt eine ähnliche Veränderbarkeit eine Rolle. Der Betrieb der Anlage mit maximaler Produktion bedeutet zwangsläufig, daß ein geringerer als der optimale Wirkungsgrad erzielt wird. Ein Ausgleich zwischen der Produktion und dem Wirkungsgrad erfordert jedoch einen derzeit nicht erzielbaren Steuerungsumfang.
Chatterjee u.a. offenbaren in "Operational Flexibility of LNG Plants Using the Propane Precooled Multicomponent Refrigerant MCR-Process", 5th International Conference on Liquified Natural Gas, 1977, daß der "Air Products' Propane Precooled MCR "-Prozeß insbesondere im Vergleich zu einem herkömmlichen Kaskadenkreis im Betrieb einen hohen Flexiblitätsgrad besitzt und daß eine Computersimulation des Prozesses entwickelt worden ist. Die Arbeit offenbart ferner, daß die Computersimualtion einer Bedienungsperson ermöglicht, die Betriebsergebnisse vorherzusagen, wenn eine wesentliche Veränderung der Betriebsparameter gewählt oder auferlegt worden ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ein Verfahren zum wirksamen Betreiben einer Anlage zur Herstellung von verflüssigtem Erdgas einen geschlossenen Kältekreislauf, einen Wärmeaustauscher zur Durchführung des Wärmeaustausches zwischen dem Kältemittel und dem Erdgas, um dieses Erdgas zu verflüssigen, und einen Brennstoffsammler, der aus dem ankommenden Erdgas und Entspannungsdampf aufgrund der Entspannung des verflüssigten Erdgases Brennstoff gewinnt; wobei der Kältekreislauf ein gemischtes Kältemittel, das Stickstoff, Methan, Etan und Propan umfaßt; einen Kältemittelkompressor mit Ansaugseite und einer Abgabeseite, um das gemischte Kältemittel zu komprimieren; eine Turbine zum Antreiben des Kompressors; und ein Hochdruck-Flüssigkeitstrenngefäß zum Trennen des teilweise kondensierten, gemischten Kältemittels in eine Flüssigkeits- und eine Dampfphase verwendet; wobei der Wärmeaustauscher eine warme Seite, in die das Erdgas eintritt, und eine kalte Seite, aus der das verflüssigte Erdgas austritt, mit einem Temperaturdifferential der kalten Seite (ΔTCE) zwischen dem austretenden verflüssigten Erdgas und dem gemischten Kältemittel aufweist; wobei der Brennstoffsammler den Brennstoff für die Turbine zum Antreiben des Kompressors liefert; wobei dieses Verfahren die Schritte umfaßt:
Überwachung von Schlüsselvariablen, die für den Betriebszustand der Einrichtung repräsentativ sind; Bestimmung einer gewünschten Produktion für diese Anlage; Vergleich der gewünschten Produktion mit dem Wert einer Schlüsselvariablen, die für die momentane Produktion der Anlage repräsentativ ist; Einstellung einer Mehrzahl von Reglern, um die Produktion auf eine Menge zu erhöhen oder zu verringern, die der gewünschten Menge gleicht; und Optimierung des Verfahrens durch (i) Aufrechterhaltung des Bestands an gemischter Kältemittelflüssigkeit innerhalb eines bestimmten Bereiches, (ii) Einstellung der Zusammensetzung des gemischten Kältemittels, und (iii) Einstellung des Kompressionsverhältnisses des gemischten Kältemittels im Hinblick auf die Gesamtleistung.
Die vorliegende Erfindung kann mit einem automatisierten Steuersystem für eine Anlage für verflüssigtes Erdgas vom Typ mit gemischtem Kältemittel oder mit Mehrkomponenten- Kältemittel ausgeführt werden. Ein Prozeßsteuersystem enthält eine Mehrzahl von Sensoren zur Erfassung verschiedener Zustände in der Anlage wie etwa die Temperatur, den Druck, die Strömung oder die Zusammensetzung, eine Mehrzahl von Steuereinrichtungen wie etwa servogesteuerte Ventile und einen das Steuerprogramm ausführenden Computer.
Das Steuersystem steuert entweder aufgrund einer von einer Bedienungsperson angegebenen gewünschten Produktion die Anlage so, daß die gewünschte Produktion mit dem größtmöglichen Wirkungsgrad erzielt wird, oder es maximiert die Produktion der Anlage mit dem bei der maximalen Produktion höchstens erzielbaren Wirkungsgrad. Ferner spricht das Steuersystem auf Zustandsänderungen der Anlage, die Änderungen in der Beschickungsstrom-Zusammensetzung, des Drucks, der Temperatur und Änderungen der Umgebungsbedingungen umfassen, automatisch an. Die Optimierung des Produktionswirkungsgrades wird durch die Einstellung des Vorrats an gemischter Kältemittelflüssigkeit, der Zusammensetzung, des Kompressionsverhältnisses und der Kompressorturbinen-Drehzahlen ausgeführt.
Fig. 1 ist ein schematisches Strömungsdiagramm einer gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuerten und ein gemischtes Kältemittel verwendenden Anlage zur Herstellung von verflüssigtem Erdgas.
Fig. 2 ist ein schematisches Strömungsdiagramm der Anlage von Fig. 1, das die Anordnung der Sensoren, die für das Prozeß-Steuersystem die Anlagen-Betriebsparameter angeben, zeigt.
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild des Prozeß-Steuersystems von Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein schematisches Strömungsdiagramm einer GK-VEG-Anlage 2 gezeigt, die für eine gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuerte Anlage typisch ist, wobei der Betrieb der Anlage 2 im US-Patent Nr. 3,763,658 beschrieben ist. Soweit wie möglich entsprechen die in Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen denjenigen, die in der Figur des '658-Patents verwendet werden. Zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist es nicht notwendig, die Beschreibung der Funktion der Anlage des '658-Patents zu wiederholen. Die Unterschiede zwischen der in dem '658- Patent beschriebenen Anlage und der in Fig. 1 gezeigten Anlage umfassen die Verwendung von drei Stufen für den Wärmeaustausch des gemischten Kältemittels in den Verdampfern 86, 88 und 89, die Verwendung von vier Stufen des Beschickungs-Wäremaustausches, die Verwendung eines dreistufigen Propankompressors 62 und die Darstellung eines Brennstoffsystems, das die Brennstoffsammler-Auffülleitung 166, das Steuerventil 160, den GK-Kompressor- Brennstoffbeschickungsstrom 83, die Brennstoffsammler- Entlüftungsleitung 162, das Brennstoffsammler-Entlüftungsventil 164, den GK-Entspannungswiederherstellungs- Austauscher 144, den VEG-Entspannungs-/Brennstoff-Kompressor 146, den VEG-Entspannungsseparator 154, die VEG- Entspannungsdampfleitung 158 und das VEG-JT-Ventil 58 umfaßt. Das GK-Auffüllsystem 140 enthält Ventile 142a, b, c, d, die den Einlaß der Auffüllgase in den GK-Kreislauf steuern. Ferner wird die Besschreibung der einzelnen Systemkomponenten als genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Steuereinrichtung gegeben.
In Fig.3 ist ein Blockschaltbild des Prozeß-Steuersystems 310 gezeigt. Die VEG-Produktionsanlage 2 ist als Bereich dargestellt, der von einer Punktlinie umgeben ist und Einlässe für den Brennstoff, für Beschickungs- und Auffüllgase und einen Auslaß für verflüssigtes Erdgas aufweist. In der VEG-Produktionseinrichtung 2 befinden sich eine Mehrzahl von Sensoren A bis AV und eine Mehrzahl von Steuereinrichtungen 200 wie etwa servogesteuerte Ventile wie etwa das Reglerventil 116. Lediglich diejenigen Ventile, die in der Spalte "Überwachung?" von Tabelle 1 mit einem Punkt ( ) bezeichnet sind, werden so gesteuert; andere können gemäß herkömmlicher manueller oder automatischer Steuertechniken gesteuert werden. Die Sensoren A bis AV und die Steuereinrichtungen 200 stehen mit der Prozeß-Steuereinrichtung 300 über herkömmliche elektronische Informationsaustauschmittel in Verbindung.
Die Prozeß-Steuereinrichtung 300 umfaßt einen Sensorspeicher 330 mit einzelnen Speicherbereichen, die den einzelnen Sensoren A bis AV entsprechen, einen Steuereinrichtungsspeicher 340 mit einzelnen Speicherbereichen, die jeder der Steuereinrichtungen 200 entsprechen, und mehrere parallele Prozeßschleifen 320. Außerdem unterstützt die Prozeß-Steuereinrichtung 300 eine Anforderungswarteschlange 350, die eine Warteschlange von Prozeß-Dienstleistungsanforderungen bildet, und eine Rückkehr-Warteschlange 360. Außerdem unterstützt die Prozeß-Steuereinrichtung 300 eine Prioritätentabelle 370, die dazu verwendet wird, Konkurrenzen zwischen den aktiven Prozeßschleifen 320 zu lösen. Die Prioritäten der Tabelle 370 sind in Tabelle 2 aufgelistet. Schließlich hat die Prozeß-Steuereinrichtung 300 Zugriff auf einen Echtzeit-Takt 310, um Intervalle zu messen und andere zeitabhängige Funktionen zu steuern.
Um die 17 Servo-Steuereinrichtungen, die der VEG-Produktionsanlage 2 zugehören, entsprechend den damit in Beziehung stehenden Lesedaten, die aus den den diskreten Zuständen in der VEG-Produktionsanlage 2 zugehörigen, getrennten Sensoren A bis AV hervorgehen, zu steuern, ist das Prozeßsteuersystem als Computersystem mit Parallelverarbeitung verwirklicht. Unter den Aufgaben, die parallel ausgeführt werden, befinden sich Überwachungen auf niedriger Ebene und Steuerungsfunktionen, Systemausführung-Verwaltungsfunktionen, Begrenzungs- und Alarmfunktionen, die für einen sicheren Betrieb der Produktionsanlage erforderlich sind, und Einstellfunktionen, die einen Anstieg des Wirkungsgrades unabhängig vom Betriebszustand der Produktionsanlage bewirken.
Die Verwendung der Parallelverarbeitung ermöglicht eine fortwährende Überwachung und Steuerung der Produktionsanlage, ohne daß ein extensiver Unterbrechungsdienst für Prioritätszuweisungen definiert werden muß, wie er in einem sequentiellen Steuersystem typischerweise vorgefunden wird. Obwohl eine solche Konkurrenz tatsächlich auftreten kann, kann das System der vorliegenden Erfindung diese Konkurrenz schnell auflösen, ohne die andauernden Steuerprozesse zu unterbrechen oder andere Rechneraktivitäten auszuführen. Nun folgt eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der vom System ausgeführten Steuerfunktionen und der Steuerarchitektur der vorliegenden Erfindung.
Mit dem Prozessorsteuersystem 310 können in mehreren Prozessoren, die Zugriff auf einen gemeinsamen Speicher 330 und 340 haben, parallele Steuerprozesse ausgeführt werden. In diesem gemeinsamen Speicher sind Werte gespeichert, die für den momentanen Zustand eines jeden Sensors und einer jeden Steuereinrichtung, die der Produktionsanlage 2 zugehören, repräsentativ sind. Außerdem sind für die Verwaltung des Steuersystems verschiedene Zeiger und Zustandsbitfelder definiert. Ein Zeiger für den aktiven Steuerstatus ist ein Bereich der gemeinsam zugänglichen Speichereinrichtung mit einem Zustandsbit, das für jede parallele Prozeßschleife kennzeichnend ist. Bei Eintritt in eine beliebige Schleife setzt die Systemausführung das entsprechende Zustandsbit im Zeiger für den aktiven Steuerstatus. Bei Verlassen einer Schleife löscht die Systemausführung das entsprechende Zustandsbit oder setzt es zurück. Durch diesen Mechanismus können sämtliche Parallelverarbeitungen im System festlegen, welche Prozesse derzeit aktiv sind, so daß auf diese Weise eine Konkurrenz oder ein Konflikt vermieden werden kann.
Die Systemausführung (Anhang, Seite 1) unterstützt außerdem eine Anforderungs-Warteschlange 350 und eine Rückkehr-Warteschlange 360 zur Verwaltung von Anforderungen mit hoher Priorität. Die Funktion dieser Warteschlangen wird am besten mit Bezug auf eine beispielhafte Situation im System beschrieben:
Unter der Annahme, daß das System in einem optimalen stabilen Zustand arbeitet und eine bestimmte Soll-Produktion erzielt, wird verständlich, daß sich ein Kompressor (z.B. 100, 102, 62) aus einem von mehreren verschiedenen Gründen einem Pumpzustand annähert. Wenn dieser Zustand auftritt, würde die parallele Antipump-Steuerroutine (Anhang, Seite 6) dies erfassen. Aufgrund der Erfassung würde der Antipump-Steuerprozeß von der Systemausführung den aktiven Status anfordern, damit er die Betätigungen sämtlicher anderen Steuereinrichtungen steuern kann, während er den Pumpzustand beseitigt.
Wenn die Systemausführung die Anforderung des aktiven Status von der Antipump-Steuereinrichtung empfängt, führt sie die Konkurrenzbeseitigungsroutine (Anhang, Seite 2) aus, um festzustellen, ob der Antipump-Steuerroutine der aktive Status gewährt werden sollte. Die Priorität der momentan aktiven Routine wird mit der der angeforderten Routine zugewiesenen Priorität verglichen, wobei unter der Annahme, daß die angeforderte Routine eine höhere Priorität besitzt als in der Prioritätstabelle 370 definiert ist, die Schleifenidentifizierung und ein Neuanfrage-Zeitgeber für den momentanen Prozeß in der Rückkehr-Warteschlange 360 der Systemausführung gesetzt werden. Dann löscht die Systemausführung das Zustandsbit des aktiven Status der momentan ausgeführten Schleife, setzt das Zustandsbit des aktiven Status der Antipump-Steuerroutine und ein das Vorhandensein eines Datensatzes in der Rückkehr-Warteschlange angebendes Zustandsbit und überträgt die Steuerung an die Antipump-Steuerroutine. Bei einem normalen Verlassen der Antipump-Steuerroutine würde die Systemausführung, wenn sie ihr Zustandsbit für die Rückkehr-Warteschlange erkennt, die Routine wieder aktivieren, die vor Auftreten des Pumpzustandes ausgeführt worden war. Falls die Ausführung den ursprünglichen Prozeß nach einem bestimmten Zeitintervall nicht wieder aktiviert, wirkt alternativ der Warteschlangen-Manager (Anhang, Seite 2) so, um erneut zu fordern, daß der Prozeß wieder aktiv wird. Diese Neuanfrage wird vom Konkurrenzauflösungsprozeß in der Systemausführung bearbeitet, wobei dieser Prozeß entweder die Reaktivierung erlaubt oder den Prozeß erneut zurückstellt, indem er ihn in der Anforderungs-Warteschlange anordnet.
In Fällen, in dem eine einen aktiven Status anfordernde Routine eine niedrigere Priorität als die derzeit ausgeführte Routine besitzt, wird die Identifizierung dieses Anforderungsprozesses zusammen mit einem Neuanfrage-Zeitgeber in einer Anforderungs-Warteschlange angeordnet. Die Anforderungs-Warteschlange 350 besitzt in der Systemausführung ein entsprechendes Zustandsbit. Wenn das Ende des Prozesses erreicht wird, verifiziert die Systemausführung den Status derjenigen Routinen, die in der Anforderungs- Warteschlange des Systems angeordnet worden sind, und versucht die Ausführung derselben durch erneutes Einbringen der Anforderung mittels des Konkurrenzauflösungsprozesses. Auf diese Weise ist für die Prozeßsteuereinrichtung der vorliegenden Erfindung gewährleistet, daß keine Leerzeit vergeudet wird, es sei denn, daß nur eine einzige Routine ausgeführt wird und keine weiteren Prozesse einen Dienst anfordern.
Mit einem ausreichend schnellen Prozessor kann die obenbeschriebene Architektur mittels eines sequentiellen Prozesses approximiert werden. Für den Fachmann ist offensichtlich, daß ein solcher sequentieller Prozeß ereignisgesteuert oder unterbrechungsgesteuert sein muß und daß die zur Ausführung der Hauptsteuerschleife notwendige Zeit kurz genug sein muß, damit die Ansprechzeit der Steuereinrichtung 300 nicht über Gebühr verlangsamt wird.
Die folgende Diskussion wird mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 sowie mit Bezug auf die Pseudocode-Liste des Anhangs gegeben. Der Fachmann wird zugeben, daß in einem System, das wenigstens 17 Steuerungen, d.h. Werte umfaßt, die in Übereinstimmung mit wenigstens 43 Sensoren arbeiten, der Grad der Veränderlichkeit bei der Wahl von genauen Positionen, Sensoren und Betriebsparametern äußerst groß ist. Es ist beabsichtigt, daß die folgende Beschreibung nur als bevorzugte Ausführungsform aufgefaßt wird.
Die Tabelle 1 stellt eine Querverweisliste dar, die die Beschreibung der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Hauptkomponenten, die Positionen der verschiedenen Sensoren im Produktionssystem 2 und die Variablen, die sowohl durch die Sensoren als auch durch die Steuereinrichtungen dargestellt sind und in dem Steuerprogramm, das in der Pseudocode-Liste im Anhang gezeigt ist, verwendet werden, angibt.
In der Pseudocode-Liste sind die Routinen der Systemausführung aufgelistet. Die Systemausführungsroutine umfaßt eine Parallelverarbeitungsschleife zur Ausführung der Systemausführung-Verwaltungsfunktionen, der Alarmbetriebsfunktionen niedriger Ebene, der fortgesetzten Überwachungsfunktionen und der Steuerungsfunktionen. Diese Funktionen sind als Ablaufprozeduren dargestellt, die parallel ausgeführt werden. Diese Architektur ist von der Art, in der jeder ausgeführte Prozeß im Parallelverarbeitungssystem seinen eigenen eindeutigen Prozessor belegen kann. Selbstverständlich können parallele Prozesse in einem oder in mehreren Prozessoren ausgeführt werden. Die Arbeitsteilung hängt notwendig von der Verfügbarkeit von Prozessoren in einer besonderen Verwirklichung ab.
Die Betriebsüberwachungsparameter-Routine wird faktisch in 43 konkurrierenden Prozessen ausgeführt, von denen jeder einem besonderen Sensor im System 2 zugeordnet ist. Jede parallele Routine stellt eine Programmschleife dar, die den Sensorwert holt und diesen Wert in einem vordefinierten Speicherbereich ablegt. Selbstverständlich kann eine solche Routine außerdem Filterungs- und Skalierungsschritte enthalten, die einem besonderen Sensor oder einer Gruppe von Sensoren eigentümlich sind. Wenn ein Sensor beispielsweise hohen Rauschpegeln unterliegt, können eine Bandpaßfilterung oder eine zeitgewichtete Integration ausgeführt werden, um den Rauschpegel zu verringern. Alternativ können im Speicher unverarbeitete Sensordaten abgelegt werden, wo sie anschließend in einer Rauschfilterung oder gemäß anderen derartigen Erfordernissen verarbeitet werden.
Die Routine zum Setzen der Steuereinrichtungen umfaßt auf ähnliche Weise 17 parallele Routinen, die jeweils einer gegebenen Steuereinrichtung im System 2 entsprechen. Die Routine zum Setzen der Steuereinrichtungen kann ebenfalls Signalverarbeitungstechniken zum Einstellen von Schwankungen der Verstärkung und der Ansprechzeit und zur Dämpfung der Steuereinrichtung verwenden.
Die Konkurrenzauflösungsroutine und die Warteschlangen- Manager-Routine sind oben in Verbindung mit der Gesamtsystem-Architektur beschrieben worden. Die Konkurrenzauflösungsroutine nimmt auf die Prioritätentabelle 370 Bezug. In Tabelle 2 sind in der Prioritätentabelle 370 enthaltene Beispielwerte angegeben. Die Prioritätenwerte können auf der Grundlage einer besonderen Systemkonfiguration unterschiedlich sein und dienen als Beispiel für die Konkurrenzauflösungsfunktion.
Die Produktionsüberwachungsroutine stellt die Hauptroutine dar, die parallel zu einem Alarm niedrigerer Ebene und zu Überwachungs- und Steuerfunktionen arbeitet, um eine Optimierung des Produktionssystems zu ermöglichen. Die Produktionsüberwachungsroutine bestimmt die momentane Produktion des Gesamtsystems und ruft entsprechend einer Abweichung dieser Produktion von der gewünschten Produktion oder der Soll-Produktion Hilfsroutinen auf. Es ist zu erwarten, daß die Produktionsüberwachungsroutine meistens die Optimierungsroutine aufrufen wird. Wenn jedoch die tatsächliche Produktion entweder unter die von der Bedienungsperson spezifizierte Soll-Produktion abfällt oder diese übersteigt, werden die Routinen zum Herunterfahren der Produktion oder zum Herauffahren der Produktion aufgerufen.
Unter der Annahme, daß die überwachte momentane Produktion des Systems 2 der von der Bedienungsperson spezifizierten Soll-Produktion gleicht, wird die Optimierungsroutine ausgeführt. Die Optimierungsroutine beginnt mit der Feststellung, ob im Hochdruck-GK-Phasenseparator 110 der richtige Vorratspegel der GK-Flüssigkeit vorliegt. Der richtige Pegel der GK-Flüssigkeit ist dadurch bestimmt, daß er unterhalb des Pegels des Pegelsensors T und oberhalb des Pegels des Pegelsensors U liegt. Sollte sich herausstellen, daß der Vorrat der GK-Flüssigkeit unterhalb des unteren Grenzwertes liegt, wird die Routine zur GK-Flüssigkeitspegelauffüllung (Zusammensetzung und Strömung) ausgeführt. Diese Routine wird weiter unten beschrieben. Wenn der GK-Flüssigkeitspegel oberhalb der oberen Grenze liegt, wird das GK-Flüssigkeit-Entlastungsventil 115 geöffnet, um den Hochdruckseparator 110 zu entlasten. Das Entlastungsventil 115 wird solange offen gelassen, bis der Pegel im Hochdruckseparator 110 unter denjenigen des Sensors U abfällt.
Nachdem festgestellt worden ist, daß der GK-Flüssigkeitspegel im spezifizierten Bereich liegt, wird die GK-Zusammensetzung optimiert. Die gröbste Optimierung der GK-Zusammensetzung erfordert die Einstellung des Strömungsverhältnissteuerventils (SVS-Ventil) 116. Eine solche Optimierung wird mit Bezug auf den Gesamtwirkungsgrad der Produktionsanlage 2 ausgeführt.
Bei der Berechnung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems wird der Pseudocodefunktion-Wirkungsgrad verwendet. Diese Berechnung ergibt die vom System insgesamt verbrauchte Energie und die Ausbeute des erzeugten verflüssigten Erdgases. Beispielsweise wird bei einer gegebenen Brennstoffströmung bei einer speziellen Brennstoffzusammensetzung ein Brennstoffheizwert erhalten. Ein solcher Heizwert wird typischerweise durch einen zweistufigen Prozeß erhalten, der eine chromatographische Analyse des Brennstoffs zur Bestimmung seiner Zusammensetzung und einen Multiplikationsprozeß jeder einzelnen Brennstoffkomponente mit ihrem Heizwert erfordert. Der Heizwert wird für jede Kohlenwasserstoffkomponente eines typischen Gasstroms typischerweise aus Tabellen erhalten, die von der Gesellschaft zur Gasverarbeitung und Gasversorgung (Gas Processing and Suppliers Association) veröffentlicht sind. Durch die Multiplikation des Brennstoff-Heizwertes mit der Strömung kann ein Gesamtenergieverbrauch für das System erhalten werden.
Der berechnete Energieverbrauch wird dann durch den Wert des verflüssigten Erdgases dividiert, welches unter Verwendung der Energie erzeugt worden ist. Wenn beispielsweise das VEG in Einheiten von Kubikfuß verkauft wird, wird die für die Produktion eines Kubikfußes verbrauchte Energie durch diesen Wert dividiert, um einen momentanen Wirkungsgrad zu erhalten, der durch die Energie pro Dollar des Gewinns ausgedrückt wird. Dieser momentane Wirkungsgrad kann gespeichert und mit späteren Ablesungen des Wirkungsgrades verglichen werden, um einen Vergleich für eine besondere Optimierungseinstellung zu schaffen.
Im Falle der Optimierung der GK-Zusammensetzung werden nacheinander durch einen Algorithmus, der bei Einstellung des gegebenen Parameters den Spitzenwirkungsgrad festzustellen versucht, das Strömungsverhältnissteuerung-Ventil 116, der Stickstoffgehalt des GK und das C&sub3;:C&sub2;-Verhältnis gesetzt.
Obwohl diese Einstellungen (SVS, N&sub2;, C&sub2;:C&sub3;-Verhältnis) aufeinander einen Einfluß haben und daher in anderen als der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden können, werden sie in der bevorzugten Ausführungsform in der obenbeschriebenen Reihenfolge eingestellt.
Nach der Optimierung dieser Parameter wird das Kompressionsverhältnissteuerventil (KVS-Ventil) 128 im Hinblick auf den Spitzenwirkungsgrad eingestellt. Bei einer solchen Einstellung wird das Kompressionsverhältnis um einen Prozentsatz erhöht, der durch die Erfahrung festgelegt wird. Dieser Prozentsatz wird anfangs anhand der Konstruktionsspezifikationen für die Anlage eingegeben und anschließend im Steuerprogramm angepaßt, um einen optimalen Stufenwert zu erhalten. Die Optimierung des Kompressionsverhältnisses beginnt durch die Erhöhung des Kompressionsverhältnisses, bis der Spitzenwirkungsgrad erreicht ist oder bis der GK-Kompressorförderdruck einen im voraus definierten maximalen Druck übersteigt. Wenn eine dieser Bedingungen erfüllt ist, wird das Kompressionsverhältnis solange abgesenkt, bis der Wirkungsgrad abfällt. Nachdem der maximale Wirkungsgrad in bezug auf das Kompressionsverhältnis gefunden worden ist, wird der letzte Optimierungsschritt ausgeführt, der eine Optimierung der Kompressorturbinen-Drehzahl ist.
Da es wünschenswert ist, eine Gasturbine 170, 172 bei 100% ihrer geplanten Drehzahl zu betreiben, beginnt die Optimierung mit der Feststellung, ob die momentane Drehzahl maximal ist (in bezug auf die geplanten Drehzahlen). Wenn die momentane Drehzahl nicht maximal ist, wird die Drehzahl solange erhöht, bis der maximale Wirkungsgrad festgestellt oder die maximale Drehzahl erreicht ist. Wenn die maximale Drehzahl bereits erreicht ist, wird sie abgesenkt, bis der maximale Wirkungsgrad erreicht ist.
Wenn die Optimierung abgeschlossen ist, wird die Produktionsüberwachungsroutine erneut iteriert. In den meisten Fällen wird die Optimierung eine erhöhte Produktion zur Folge haben, so daß es möglich ist, die Produktion auf den vorgegebenen Sollwert abzusenken, wodurch eingegebene Energie gespart wird. Dadurch kann die Anlage bei maximalem Wirkungsgrad laufen, wobei ein vorgegebenes Produktionsniveau aufrechterhalten wird.
Die Routine zum Herunterfahren der Produktion (Anhang, Seite 4) wird aufgerufen, wenn die Produktionsüberwachungsroutine feststellt, daß die gemessene Produktion des Systems die von der Bedienungsperson eingegebene Soll-Produktion übersteigt. Die Routine zum Herunterfahren der Produktion stellt zunächst fest, ob die gemessene Produktion in einem Bereich von 4% der gewünschten Soll- Produktion liegt. Wenn die gemessene Produktion in diesen Bereich fällt, wird die Routine in die Herunterfahr-Feineinstellung abgezweigt, um eine Feineinstellung der Produktion auszuführen. Wenn die gemessene Produktion die Soll-Produktion um mehr als 4% übersteigt, stellt eine Herunterfahr-Grobeinstellung zunächst den GK-Kompressoransaugdruck fest und speichert diesen Wert im Speicher. Wenn festgestellt wird, daß der GK-Kompressoransaugdruck geringer als der minimal zulässige Druck plus 4% ist, wird keine Einstellung vorgenommen, so daß der Betriebsablauf zur Produktionsüberwachungsroutine zurückkehrt. Wenn jedoch der GK-Kompressoransaugdruck oberhalb dieser Schwelle liegt, wird der GK-Kompressoransaug-Entlüfter 151 geöffnet, um zu ermöglichen, daß der GK-Kompressoransaugdruck um 4% abfällt.
Nach einer Grobeinstellung des GK-Kompressoransaugdrucks wird die Optimierungsroutine aufgerufen, um das System erneut zu optimieren, woraufhin wieder die Produktionsüberwachung-Hauptroutine aufgerufen wird.
Es wird festgestellt, daß die in den verschiedenen Einstellungsroutinen und Prüfungen verwendeten Prozentsätze beispielhaft gegeben sind und Angaben für die Werte darstellen, die im Handbetrieb von ähnlichen Anlagen verwendet werden. Selbstverständlich verändern sich derartige Werte entsprechend der genauen Konstruktion der gesteuerten Anlage, der Beschickungszusammensetzung, der Umgebungsbedingungen und dem Erfahrungsgrad im Anlagenbetrieb. Es ist zu erwarten, daß diese Werte zusammen mit anderen, die Erhöhungseinstellungen und Zeitverzögerungen angeben, bei Beginn des Anlagenbetriebs auf die durch die Konstruktion spezifizierten Werte eingestellt werden und später neu eingestellt oder "abgestimmt" werden, um den Gesamtwirkungsgrad der Anlage besser zu optimieren.
In dem Fall, in dem eine feine Herunterfahreinstellung der Produktion gefordert ist, wird der Kompressoransaugdruck durch Öffnen des GK-Kompressoransaug-Entlüfters 151 verringert. Diese Verringerung wird entsprechend einem Verhältnis erzielt, das die Differenz zwischen der gemessenen Produktion und der Soll-Produktion enthält. Auf diese Weise kann eine allmähliche Annäherung an die Soll- Produktion erreicht werden, ohne die Anlage zu stören. Nach dieser Feineinsteilung des GK-Kompressoransaugdrucks wird das System erneut optimiert, ferner wird erneut die Hauptschleife ausgeführt.
Wenn festgestellt wird, daß die gemessene Produktion unterhalb der gewünschten Soll-Produktion liegt, wird von der Produktionsüberwachungsroutine die Routine zum Herauffahren der Produktion (Anhang, Seite 5) aufgerufen. Die Routine zum Herauffahren der Produktion bestimmt zunächst auf ähnliche Weise wie die Routine zum Herunterfahren der Produktion, ob die gemessene Produktion die um 4% verringerte Soll-Produktion übersteigt. Wenn die gemessene Produktion unter dieses Niveau abfällt, wird die Ausführung mit einer Herauffahr-Grobeinstellung fortgesetzt.
Nachdem zunächst festgestellt worden ist, daß ΔT der kalten Seite nicht unterhalb des minimalen erlaubten Wertes liegt, wird durch Öffnen des Ventils 142a eine vorgegebene Menge von Stickstoff eingeblasen. Dann wartet die Routine ein vorgegebenes Zeitintervall ab und wiederholt diesen Prozeß, bis ΔT der warmen Seite außerhalb der annehmbaren Grenzen liegt. Wenn einmal festgestellt worden ist, daß ΔT der kalten Seite ausreichend groß ist, wird ein Soll-GK-Kompressoransaugdruck als momentaner Druck plus 4% berechnet. Dann wird die C-Einblasroutine ausgeführt, gefolgt von der Produktionsüberwachungs-Hauptschleife.
Wenn festgestellt wird, daß eine Herauffahr-Feineinstellung der Produktion erforderlich ist, wird die Feinherauffahr-Routine aufgerufen. Die Feinherauffahr-Routine optimiert zunächst das System und stellt dann fest, ob die gemessene Produktion noch immer unter der Soll-Produktion liegt. Wenn die gemessene Produktion unterhalb der Soll-Produktion bleibt, wird ein neuer Soll-GK-Kompressoransaugdruck als Verhältnis zwischen der Sollproduktion und der gemessenen Produktion berechnet, woraufhin die C-Einblasroutine aufgerufen wird.
Nun wird auf die Routine zur GK-Flüssigkeitspegelauffüllung (Zusammensetzung und Strömung) (Anhang, Seite 6) Bezug genommen, die von der Optimierungsroutine aufgerufen wird, wenn festgestellt wird, daß der Flüssigkeitsvorrat des gemischten Kältemittels niedrig ist, wobei eine bevorzugte Ausführungs form der Flüssigkeitspegel-Auffüllfunktion beschrieben wird. Wenn die Routine aufgerufen worden ist, beginnt sie mit dem Speichern der anfänglichen Auffülleinlaßventilpositionen in einem Speicher. Diese Ventile werden mittels anderer Routinen so positioniert, daß sie Lecks in der Anlage ausgleichen. In einem stabilen Betrieb gleicht die Strömungsrate eines jeden Ventils das Systemleck für seine besondere Komponente genau aus. Dann geht die Routine weiter zu einer Schleife, in der sie die molare Zusammensetzung einer jeden der Komponenten des gemischten Kältemittels feststellt. Dann wird der aufzufüllende Vorrat berechnet. Die Vorrat-Auffüllrate enthält eine geschätzte Zeit, während der der Vorrat in annehmbare Grenzen gebracht werden sollte. Ein Zeitgeber wird zurückgesetzt und gestartet, ferner werden die Auffüllventile 142a, b, c, d proportional zu einem Grad geöffnet, der durch das Produkt des molaren Anteils der eingeblasenen besonderen Komponente und der berechneten Gesamtauffüllrate dargestellt wird. Wenn die vier Auffülleinlaßventile geöffnet worden sind, wird die GK- Auffüllströmung festgestellt, ferner wird die zur Berechnung der Strömungsrate verwendete Zeitschätzung um den Wert der abgelaufenen Zeit verkleinert. Dann wird eine neue Auffüllströmungsrate berechnet.
Wenn festgstellt wird, daß die gemessene Auffüllströmung geringer als die neue Auffüllströmung ist, wird der Zeitschätzwert um einen vorgegebenen Wert verkleinert, woraufhin eine neue Auffüllströmungsrate berechnet wird, um die Auffüllrate zu erhöhen. Wenn festgestellt wird, daß die Gesamtströmungsrate, die von der durch die verbleibende Zeit dividierten neuen Auffüllrate gefordert wird, größer als die höchstens erreichbare Strömungsrate ist, ertönt ein Alarm für die Bedienungsperson, ferner wird die Steuerschleife vorzeitig abgebrochen. Die Abbruchprozedur unterbricht die parallele Verarbeitungsschleife und beginnt mit der Unterbrechung des sequentiellen Ablaufs in der Systemausführung. Am Ende der Auffüllschleife werden die anfänglichen Auffülleinlaßventilpositionen wiederhergestellt, um erneut das Systemleck auszugleichen.
Die C-Einblasroutine (Anhang, Seite 8) wird von der Routine zum Herauffahren der Produktion aufgerufen. Sie beginnt durch Öffnen des C&sub1;-Einblasventils 142b. Dann werden eine Reihe von Prüfungen für bestimmte physikalische Grenzwerte des Systems ausgeführt. Der Kompressorförderdruck wird gemessen, um sicherzustellen, daß er unterhalb eines konstruktionsbedingten Maximums bleibt, ferner werden die Einstellungen ΔPs zwischen der warmen und der kalten Seite gemessen, um sicherzustellen, daß sie in den konstruktionsbedingten Grenzen bleiben. Schließlich werden die Turbinen-Heißlauftemperaturen gemessen. Wenn sämtliche dieser kritischen Parameter in Konstruktionsspezifikationsgrenzen liegen, wird der GK-Kompressoransaugdruck gemessen. Wenn dieser Druck den Soll-Kompressoransaugdruck erreicht, wird das C&sub1;-Einblasventil 142b geschlossen, woraufhin die Optimierungsroutine aufgerufen wird. Wenn irgendeine der Konstruktionsspezifikationen überschritten wird, wird das C&sub1;-Einblasventil 142b sofort geschlossen, woraufhin, falls das Zustandsbit OPT gesetzt ist, die Soll-Produktion nach unten zurückgesetzt wird.
Wenn das Zustandsbit OPT nicht gesetzt ist, wird die Optimierungsroutine nach dem Setzen von OPT aufgerufen.
Die Routine zur Fortsetzung des Brennstoffgleichgewichts (Anhang, Seite 11) hält den Brennstoffsammlerdruck auf dem Brennstoffsammlerdruck-Mittelpunkt. Die Routine berechnet mittels Abstandsalgorithmen, die den Brennstoffeinlaßdruck sowie die durch die Konstruktion vorgegebenen maximalen, mittleren und minimalen Drücke des Brennstoffsammlers verwenden, den Abstand vom Druckmittelpunkt. Wenn der Brennstoffsammlerdruck oberhalb ds mittleren Drucks liegt, wird das Entlüftungsventil 164 proportional geöffnet, um den Brennstoffsammlerdruck zu verringern. Außerdem wird der Temperaturregler 58 um einen vorgegebenen Prozentsatz auf eine niedrigere Temperatur zurückgstellt, um die aus einer Entspannung im Behälter 154 abgeleitete Brennstoffmenge zu verringern. Falls der Brennstoffsammlerdruck unterhalb des Mittelpunkts liegt, wird das Brennstoffbeschickungs-Auffüllventil 160 um einen vorgegebenen Betrag geöffnet, außerdem wird der Temperaturregler 58 um einen vorgegebenen Prozentsatz auf einen höheren Wert zurückgesetzt, um im Behälter 154 eine höhere Entspannung zu erzeugen.
Für die Antipump-Steuerroutine ist eine Pseudocode-Darstellung eines kompensierten - auf der Strömung basierenden - Antipumpreglers gezeigt. Ein Beispiel für den hier beschriebenen Reglertyp kann der US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 521,213 des Anmelders der vorliegenden Erfindung entnommen werden. Wie dort beschrieben, wird die Strömung am Kompressorauslaß einer Temperaturkompensation unterworfen, ferner wird der Abstand zur geplanten Kompressor-Pumpgrenzlinie berechnet. Wenn der berechnete Abstand zur Pumpgrenzlinie in einem vorgegebenen Bereich liegt, wird ein Strömungswiedereinleitungsventil automatisch geöffnet, um die Strömung vom Kompressorauslaß zum Kompressoransaugeinlaß zu leiten. Wenn festgestellt wird, daß der Abstand zur Pumpgrenzlinie erneut angestiegen ist, wird das Wiedereinleitungsventil geschlossen.
Die Routine zu Steuerung der Überdrehzahl der Kompressorturbine (Anhang, Seite 7) ist ein konkurrent arbeitender Prozeß, der ununterbrochen die Drehzahl der Kompressorturbine mit der geplanten maximalen Drehzahl der Maschine vergleicht.
Wenn die Turbinendrehzahl das geplante Maximum übersteigt, wird ein Alarm ausgegeben, ferner wird sofort die Drehzahl auf beispielsweise 105% des geplanten Wertes verringert.
Auf ähnliche Weise überwacht die Steuerung der Kompressorturbinen-Übertemperatur (Anhang, Seite 7) ununterbrochen die Kompressorturbinen-Heißlauftemperatur und vergleicht diese Temperatur mit der geplanten Maximaltemperatur. Wenn die Turbinentemperatur das geplante Maximum übersteigt, wird ein Turbinenübertemperatur-Alarm ausgegeben, ferner wird der an die Turbine geförderte Brennstoff um einen vorgegebenen Prozentsatz verringert, um die Heißlauftemperatur abzusenken.
Während der Routine der Antipumpsteuerung, der Routine zur Steuerung der Turbinenüberdrehzahl und der Routine zur Steuerung der Turbinenübertemperatur verhindert die von der Systemausführungsroutine ausgeführte Prioritätenzuweisung auf wirksame Weise, daß durch die ausgeführten Einstellungen andere Steuerfunktionen beeinflußt werden, um die Notfallbedingung einzuschränken.
Andere kritische Parameter der Anlage zur Herstellung von verflüssigtem Erdgas werden von den Routinen zur Erfassung des Beschickungsdrucks, zur Überwachung von ΔTc, zur Überwachung von ΔTw und zur Überwachung der Auffüllieferdrücke überwacht. Wenn der jeweils überwachte Systemparameter in jedem dieser Fälle unterhalb oder oberhalb einer Konstruktionsspezifikation liegt, wird ein Alarm ausgegeben, um die System-Bedienungsperson darauf aufmerksam zu machen, ferner wird eine Unterbrechungsprozedur ausgeführt. Die Unterbrechungsprozedur (Anhang, Seite 1) ist ein Teil der Systemausführung, die die Parallelverarbeitung unterbricht.
Wenn die Unterbrechungsprozedur begonnen wird, wird die automatische Steuerung abgeschaltet, um zu verhindern, daß sie weiterhin das System betreibt, ferner wird eine manuelle Steuerung der Bedienungsperson akzeptiert. In einem Fortsetzungsversuch zur Unterstützung der Bedienungsperson werden einige Parallelverarbeitungen neu gestartet, wenn die manuelle Steuerung begonnen worden ist. Diese Prozesse enthalten die Überwachung der Betriebsparameter, die Antipumpsteuerung, die Turbinenüberdrehzahl- und Turbinenübertemperatursteuerung und das Brennstoffgleichgewicht. Diese Routinen arbeiten ununterbrochen, bis die Bedienungsperson des Systems, die die Unterbrechung verursachende Notfallsituation beseitigt hat und das Prozeßsteuersystem manuell neu startet, wodurch anschließend das System neu initialisiert wird, welches daraufhin mit der parallelen Verarbeitungsschleife der Systemausführung erneut beginnt.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist so programmiert, daß sie in einem Computersystem für Parallelverarbeitung arbeitet. Ein solches System umfaßt mehrere IMS T414-Transputer der INMOS Corporation. Andere alternative Ausführungsformen enthalten verschiedene Parallelverarbeitungssysteme und -architekturen, die beispielsweise Hypercube-Computer enthalten, wie sie etwa von Ametek, Inc. hergestellt werden.
Alternativ kann ein ausreichend schneller sequentieller Prozessor programmiert werden, um für zeitkritische Routinen unterbrechungsgesteuerte oder ereignisgesteuerte Dienste zu schaffen. In einem solchen Fall wird eine zugewiesene Unterbrechungspriorität-Steuereinrichtung verwendet, um für derartige kritische Routinen einen Unterbrechungsdienst zu gewährleisten. Als Beispiel für eine mögliche Architektur einer solchen sequentiellen Verwirklichung kann eine Hauptschleife programmiert werden, die die Funktionen der Routinen zur Überwachung der Betriebsparameter, zum Setzen der Steuereinrichtungen, zur Produktionsüberwachung, zum Brennstoffgleichgewicht und der anderen gemäß der Pseudocode-Liste parallel ausgeführten Routinen programmiert werden.
Eine mögliche Verwirklichung der Unterbrechungs-Steuereinrichtung enthält die folgenden sieben Ebenen von Unterbrechungsprioritäten: Antipumpsteuerung, Kompressorturbinenüberdrehzahl-Steuerung, Kompressorturbinenübertemperatur-Steuerung, Beschickungsdruckerfassung, Überwachung von ΔTc, Überwachung von ΔTw, Überwachung des Auffüllieferdrucks.
Das System 2 verwendet zwei Analysatoren, um die Zusammensetzung des gemischten Kältemittels und die Brennstoffzusammensetzung im Strom zu analysieren. Für die Analyse der Zusammensetzung des gemischten Kältemittels ist ein typischer Analysator durch einen Bendix Chromatograph Modell 002-833, der mit einem Flammenionisationsdetektor versehen ist, gegeben. Typische GK-Zusammensetzungen sind:
N&sub2; 0,2-10 Mol-%
C&sub1; 25-60
C&sub2; 15-60
C&sub3; 2-20
Zur Analyse des Brennstoffs, der sowohl Entspannungsprodukte als auch Erdgas von der Beschickung enthält, wird typischerweise ein Bendix Chromatograph eingesetzt, der eine Wärmeleitfähigkeitszelle verwendet. Typische Zusammensetzungen der Erdgasbeschickung sind die folgenden:
N&sub2; 0,1-10 Mol-%
C&sub1; 65-99,9
C&sub2; 0,05-22
C&sub3; 0,03-12
C&sub4; 0,01-2,5
C&sub5; 0,005-1
C&sub6; 0,002-0,5
C&sub7;&sbplus; 0-0,2
Für jede der Komponenten des Brennstoffs wird ein Heizwert entsprechend den Werten berechnet, die im "Gas Processors Suppliers Association Engineering Data Book" (Abschnitt 16) veröffentlicht sind. In dieser Tabelle sind die Netto-Heizwerte und die Brutto-Heizwerte aufgelistet. Der Brutto-Heizwert ist als Netto-Heizwert plus gebundene Wärme des Wassers definiert und stellt denjenigen Wert dar, der bei der Berechnung des Gesamtheizwertes für eine bestimmte Brennstoffzusammensetzung verwendet wird. Der Brennstoff-Heizwert ist als Heizwert einer bestimmten Komponente des Brennstoffs, multipliziert mit dem molaren Anteil dieser Komponente im Brennstoff, definiert. Die Summe dieser Produkte bildet den Brennstoff- Heizwert.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Steuerung von Anlagen zur Herstellung von verflüssigtem Erdgas vom Typ mit gemischtem Kältemittel anwendbar, um einen wirksameren Betrieb dieser Anlagen zu schaffen. Tabelle 1 Beschreibung Überwachung? Sensor Typ Variablen MCR-Grundlast-VEG-Produktionssystem Beschickungsstrom Wärmeaustauscher der 1. Stufe für Beschickung Vortrocknungsseparators für Beschickung Flüssigkeitsstrom-Vortrockner für Beschickung Dampfstrom-Vortrockner für Beschickung Trockner Trockner-Ausgangsstrom Wärmeaustauscher der 2. Stufe für Beschickung Beschickungsstrom für Absorptionskolonne Absorptionskolonne Absorptionskolonnen-Bodenstrom an Fraktionierungssystem Absorptionskolonnen-Aufkocher Absorptionskolonnen-Oberstrom Wärmeaustauscher der 3. Stufe für Beschickung Absorptionskolonnen-Rückflußseparator Absorptionskolonnen-Rückflußseparator-Bodenstrom Absorptionskolonnen-Rückflußpumpe Absorptionskolonnen-Rückflußstrom Strömung Druck analog P (Beschickung) Tabelle 1 Beschreibung Überwachung? Sensor Typ Variablen Absorptionskolonnen-Rückflußseparator-Dampfstrom Hauptaustauscher-Warmbeschickungsrohrleitung Hauptaustauscher-Mittelbeschickungsrohrleitung Hauptaustauscher Warme Seite des Sprühsammlers Hauptaustauscher-Kaltbeschickungsrohrleitung Kalte Seite des Sprühsammlers VEG-JT-Ventil - TIC Propan-Kompressor Propan-Kompressor-Antipumpsteuersystem Propan-Heißdampfkühler Druck Temperatur Pegel Strömung WS(Pegel) CS(Pegel) Tabelle 1 Beschreibung Überwachung? Sensor Typ Variablen Propan-Kondensierer Propan-JT-Ventil der hohen Ebene Propandampfrückkehr der hohen Ebene Propankondensat Propandampfrückkehr der hohen Ebene Propan der hohen Ebene Propan der mittleren Ebene Propan-JT-Ventil der hohen Ebene Propan-JT-Ventil der mittleren Ebene Propan-JT-Ventil der unteren Ebene Propandampfrückkehr der mittleren Ebene GK-Kompressor-Brennstoffbeschickungsstrom Propandampfrückkehr der hohen Ebene Propanverdampfer der hohen Ebene Propandampfrückkehr der mittleren Ebene Propanverdampfer der mittleren Ebene Propanverdampfer der unteren Ebene Propankondensat an Propanverdampfer der hohen Ebene Propankondensat-JT-Ventil Propan der hohen Ebene Tabelle 1 Beschreibung Überwachung? Sensor Typ Variablen Propan-JT-Ventil der hohen Ebene Propan der mittleren Ebene Propan-JT-Ventil der mittleren Ebene Propankühlmittel-Auffüllstrom Propandampfrückkehr der unteren Ebene GK-Kompressor der 1. Stufe Antipumpsteuersystem für GK-Kompressor der 1. Stufe GK-Kompressor der 2. Stufe Antipumpsteuersystem für GK-Kompressor der 2. Stufe GK-Zwischenkühler GK-Nachkühler GK-Kompressor-Ausgangsstrom Hochdruck-GK-Phasenseparator Strömung Druck Temperatur Pegel HDSep(Pegel) Tabelle 1 Beschreibung Überwachung? Sensor Typ Variablen Hochdruck-GK-Phasenseparator-Flüssigkeitsstrom Hochdruck-GK-Phasenseparator-Flüssigkeitsentleerungsstrom Warme Seite der Hauptaustauscher-GK-Flüssigkeit-Rohrleitung GK-Flüssigkeits-Entleerungsventil GK-Flüssigkeit-JT-Ventil - SVS Warme Seite des Sprühsammler-GK-Flüssigkeitsstroms Hochdruck-GK-Phasenseparator-Dampfstrom Warme Seite der Hauptaustauscher-GK-Dampf-Rohrleitung Kalte Seite der Hauptaustauscher-GK-Dampf-Rohrleitung GK-Dampf-JT-Ventil - KVS Kalte Seite des Sprühsammler-GK-Dampfstroms Entlüftungsventil der kalten Seite und der Ummantelungsseite des Hauptaustauschers Entlüftungsdampf der kalten Seite und der Ummantelungsseite des Hauptaustauschers LP-Rückkehr an Hauptkompressor Strömung Temperatur Tabelle 1 Beschreibung Überwachung? Sensor Typ Variablen GK-Kompressor-Beschickungsstrom GK-Auffühlstrom N&sub2;-Auffühlventil C&sub1;-Auffühlventil C&sub2;-Auffühlventil C&sub3;-Auffühlventil GK-Entspannungswiederherstellungs-Austauscher VEG-Entspannungs-/Brennstoff-Kompressor ND-GK-Entlüfter ND-GK-Entlüftungsventil VEG-Entspannungsseparator VEG-Pumpe VEG-Entspannungsdampf Beschickung an Brennstoff-Steuerventil Brennstoffsammler-Entlüftungsstrom Brennstoffsammler-Entlüftungsventil Druck Strömung Tabelle 1 Beschreibung Überwachung? Sensor Typ Variablen Brennstoffsammler-Auffüllung aus Beschickung Propan-Kompressor-Turbinenantrieb GK-Kompressor-Turbinenantrieb der 1. Stufe GK-Kompressor-Turbinenantrieb der 2. Stufe analog Strömung Druck Temperatur Drehzahl Tabelle 2 Routinenname Priorität Systemausführung Betriebsüberwachungsparameter Setzen der Steuereinrichtungen Konkurrenzauflösung Warteschlangen-Manager Antipumpsteuerung Kompressorturbinenüberdrehzahl-Steuerung Kompressorturbinenübertemperatur-Steuerung Erfassung des Beschickungsdrucks Überwachung von ΔTc Überwachung von ΔTw Aufrechterhaltung des Brennstoffgleichgewichts Überwachung der Produktion Überwachung der Auffülllieferdrücke Herunterfahren der Produktion Herauffahren der Produktion Optimierung GK-Flüssigkeitspegelauffüllung (Zusammensetzung und Strömung) Fein-Herauffahren C-Einblasung

Claims

1. Verfahren zum wirksamen Betreiben einer Anlage zur Herstellung von verflüssigtem Erdgas unter Anwendung eines geschlossenen Kältekreislaufes, eines Wärmeaustauschers zur Durchführung des Wärmeaustauschs zwischen dem Kältemittel und dem Erdgas, um dieses Erdgas zu verflüssigen, und eines Brennstoffsammlers, der aus dem ankommenden Erdgas und Entspannungsdampf aufgrund der Entspannung des verflüssigten Erdgases Brennstoff gewinnt; wobei der Kältekreislauf ein gemischtes Kältemittel, das Stickstoff, Methan, Ethan und Propan umfaßt; einen Kältemittelkompressor mit einer Ansaugseite und einer Abgabeseite, um das gemischte Kältemittel zu komprimieren; eine Turbine zum Antreiben des Kompressors,- ein Hochdruckgefäß zum Abtrennen der Flüssigkeit verwendet, um das teilweise kondensierte gemischte Kältemittel in eine Flüssigkeits- und eine Dampfphase zu trennen;

wobei der Wärmeaustauscher eine warme Seite, in die das Erdgas eintritt, und eine kalte Seite, aus der das verflüssigte Erdgas austritt, mit einem Temperaturdifferential der kalten Seite (ΔTCE) zwischen dem austretenden verflüssigten Erdgas und dem gemischten Kältemittel aufweist;

wobei der Brennstoffsammler den Brennstoff für die Turbine zum Antreiben des Kompressors liefert;

wobei dieses Verfahren die Schritte umfaßt:

Überwachung von Schlüsselvariablen, die für den Betreibungszustand der Einrichtung repräsentativ sind;

Bestimmung der erforderlichen Produktion für diese Anlage;

Vergleich der gewünschten Produktion mit dem Wert der Schlüsselvariablen, die für die gegenwärtige Produktion der Anlage repräsentativ ist;

Einstellung einer Vielzahl von Reglern, um die Produktion auf eine Menge zu erhöhen oder zu verringern, die der gewünschten Menge gleicht; und

Optimierung des Verfahrens durch

(i) Aufrechterhaltung des Bestands an gemischter Kältemittelflüssigkeit innerhalb eines bestimmten Bereiches und

(ii) Einstellung der Zusammensetzung des gemischten Kältemittels und

(iii) Einstellung des Kompressionsverhältnisses des gemischten Kältemittels in Hinblick auf die Gesamtleistung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin dieses Verfahren optimiert wird, indem die Zusammensetzung des gemischten Kältemittels und das Kompressionsverhältnis des gemischten Kältemittels in Hinblick auf Gesamtleistung durch Einstellung von einem oder mehreren der nachfolgenden Verfahrensparameter geregelt und optimiert wird:

a) Auffrischungsmenge des gemischten Kältemittels;

b) Entlüftung des gemischten Kältemittels;

c) Ablassen der gemischten Kältemittelflüssigkeit;

d) Turbinengeschwindigkeit des Kompressors; und

e) relative Strömungen der gemischten Kältemittelflüssigkeit und des Dampfes.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, worin die Produktion erhöht wird, indem das Temperaturdifferential der kalten Seite (ΔTCE) bestimmt wird und:

(i) wenn ΔTCE < ein bestimmtes Minimum ist, dann:

Einspritzung einer bestimmten Stickstoffmenge in den Bestand des gemischten Kältemittels der Anlage;

(ii) wenn ΔTCE > das bestimmte Minimum ist, dann:

Einspritzung von Methan in den Bestand des gemischten Kältemittels der Anlage, bis der Ansaugdruck des Kompressors für das gemischte Kältemittel um einen bestimmten Betrag ansteigt;

oder worin die Produktion verringert wird, indem

(i) der Ansaugdruck des Kompressors für das gemischte Kältemittel verringert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Zusammensetzung des gemischten Kältemittels in bezug auf die Gesamtleistung der Anlage eingestellt wird, wenn die gegenwärtige Produktion der erforderlichen Produktion gleicht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin die Zusammensetzung des gemischten Kältemittels optimiert wird, indem:

die relativen Strömungen der Flüssigkeit und des Dampfes des gemischten Kältemittels;

das Kompressionsverhältnis des gemischten Kältemittels; und/oder

die Geschwindigkeit der Turbine des Kompressors eingestellt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Kompression des Kältemittels in bezug auf die Gesamtleistung der Anlage eingestellt wird, wenn die gegenwärtige Produktion der erforderlichen Produktion gleicht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Turbinengeschwindigkeiten des Kältemittelkompressors in bezug auf die Gesamtleistung der Anlage eingestellt werden, wenn die gegenwärtige Produktion der erforderlichen Produktion gleicht.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin eine Abnahme der Produktion die Durchführung der nachfolgenden Schritte umfaßt:

(a) Verringerung des Ansaugdruck des Kompressors für das gemischte Kältemittel;

(b) Aufrechterhaltung des Bestands der gemischten Kältemittelflüssigkeit innerhalb eines bestimmten Bereichs und Optimierung des Kompressionsverhältnisses des gemischten Kältemittels und der Zusammensetzung des gemischten Kältemittels in Hinblick auf die Gesamtleistung.

9. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Aufrechterhaltung des Bestands der gemischten Kältemittelflüssigkeit innerhalb eines bestimmten Bereiches die Durchführung der Schritte umfaßt:

(a) Messung des Wertes des gemischten Kältemittels im Hochdruckgefäß zum Abtrennen der Flüssigkeit;

(b) wenn dieser Wert oberhalb eines bestimmten Höchstwertes ist, Ablassen der Flüssigkeit, bis dieser Wert unter den Höchstwert fällt;

(c) wenn der Wert unterhalb eines bestimmten Minimalwertes ist, Zugabe jeder Komponente der Flüssigkeit in zur Zusammensetzung der Flüssigkeit identischen Anteilen, bis dieser Wert über den Minimalwert steigt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Einstellung der Zusammensetzung des gemischten Kältemittels die Durchführung der Schritte umfaßt:

(a) Einstellung des Reglers für das Strömungsverhältnis, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erhalten;

(b) Einstellung des Stickstoffgehaltes des gemischten Kältemittels, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erhalten;

(c) Einstellung des C&sub3;:C&sub2;-Verhältnisses des gemischten Kältemittels, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erhalten.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das außerdem die Aufrechterhaltung des Drucks des Brennstoffsammlers an einem Punkt umfaßt, der in der Mitte zwischen dem bestimmten Minimal- und Maximalwert liegt, indem die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden:

(a) Entlüftung, um den Temperaturregler zu verringern und an einem tieferen Wert erneut einzustellen, um die Entspannung aus dem Entspannungsgefäß des Produktes zu verringern oder

(b) Auffrischung aus der Erdgasbeschickung und erneute höhere Einstellung des Temperaturreglers, um die Entspannung aus dem Entspannungsgefäß des Produktes zu erhöhen.

12. Verfahren nach Anspruch 1, worin es erforderlich ist, die Abgabemenge der Anlage zu Erzeugung von verflüssigtem Erdgas zu maximieren, welches die Schritte umfaßt:

(a) Einstellung der erforderlichen Produktion auf einen bestimmten Wert, wobei dieser Wert höher als die maximal erreichbare Produktion der Anlage ist;

(b) Bestimmung der gegenwärtigen Produktion;

(c) wenn die gegenwärtige Produktion unterhalb der maximal erreichbaren Produktion liegt, Erhöhung der Produktion auf den maximal erreichbaren Wert durch Durchführung der nachfolgenden Schritte:

i) Bestimmung des Temperaturdifferentials der kalten Seite (ΔTCE);

ii) Vergleich von ΔTCE mit einem vorgegebenen Wert; und

(a) wenn ΔTCE geringer als der vorgegebene Wert ist, dann:

i) Einspritzen einer bestimmten Stickstoffmenge in den Bestand des gemischten Kältemittels der Anlage;

ii) Abwarten eines bestimmten Zeitraums;

iii) erneute Bestimmung von ΔTCE; und

iv) Wiederholung des Schritts ii), Einspritzen einer bestimmten Stickstoffmenge in den Bestand des gemischten Kältemittels der Anlage;

ii) wenn ΔTCE > das vorgegebene Minimum ist, dann: Einspritzen von Methan in den Bestand des gemischten Kältemittels der Anlage, bis der Ansaugdruck des Kompressors für das gemischte Kältemittel um einen bestimmten Betrag ansteigt;

iii) Aufrechterhaltung des Bestands der gemischten Kältemittelflüssigkeit innerhalb eines bestimmten Bereiches und Optimierung des Kompressionsverhältnisses des gemischten Kältemittels und der Zusammensetzung des gemischten Kältemittels in bezug auf den gesamten Wirkungsgrad; oder

(f) Verringerung der Produktion, wenn die gegenwärtige Produktion oberhalb der erforderlichen Produktion ist, durch:

i) Verringerung des Ansaugdrucks des Kompressors für das gemischte Kältemittel;

ii) Aufrechterhaltung des Bestands der gemischten Kältemittelflüssigkeit innerhalb eines bestimmten Bereiches und Optimierung des Kompressionsverhältnisses des gemischten Kältemittels und der Zusammensetzung des gemischten Kältemittels in Hinblick auf den gesamten Wirkungsgrad; oder

(g) Aufrechterhaltung des Bestands der gemischten Kältemittelflüssigkeit innerhalb eines bestimmten Bereiches, wenn die gegenwärtige Produktion der gewünschten Produktion gleicht.

(b) wenn ΔTCE größer als oder gleich dem vorgegebenen Wert ist, dann:

i) Einspritzung von Methan in den Bestand des gemischten Kältemittels, bis ein Verfahrensparameter überschritten oder bis der vorgegebene Ansaugdruck des Kompressors für das gemischten Kältemittel erreicht ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, das weiterhin folgende Schritte umfaßt:

Unterbrechung der Einspritzung von Methan, und wenn ein Optimierungsindikator nicht erfüllt wird, dann:

Optimierung des gesamten Wirkungsgrades der Anlage und Einstellung des Optimierungsindikators, und wenn dieser Optimierungsindikator nicht erfüllt wird, dann:

Verringerung der erforderlichen Produktion um einen bestimmten Bruchteil des Unterschiedes zwischen der erforderlichen Produktion und der gegenwärtigen Produktion.

14. Verfahren nach Anspruch 1 zum wirksamen Betreiben einer Anlage zur Erzeugung von verflüssigtem Erdgas durch:

(a) Bestimmung der erforderlichen Produktion;

(b) Bestimmung der gegenwärtigen Produktion;

(c) Bestimmung des Temperaturdifferentials der kalten Seite (ΔTCE);

(d) Vergleich der erforderlichen Produktion mit der gegenwärtigen Produktion; und

(e) Erhöhung der Produktion, wenn die gegenwärtige Produktion unterhalb der erforderlichen Produktion liegt, durch Einstellung der Zusammensetzung des gemischten Kältemittels:

i) wenn ΔTCE < ein vorgegebenes Minimum ist, dann: