KR100282788B1 - 혼합 냉매 액화 천연가스 설비에서 생산량 및 온도를 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

혼합 냉매 액화 천연가스 설비에서 생산량 및 온도를 제어하는 방법 및 장치 Download PDF

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조지 애니발 맨들러
필립 에이. 브로슈
제임스 로버트 쥬니어 해밀턴
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마쉬 윌리엄 에프
에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

열교환기 및 폐쇄 루프 냉각 사이클을 사용하여 천연가스로부터의 액화 천연가스(LNG) 생산을 제어하는 시스템은 설정된 생산값에 부합하도록 냉각과정을 조절하므로써 생산량 및 온도 모두를 별도로 직접 제어한다. 상기 제어 시스템은 LNG 생산을 요구되는 생산값으로 설정하고 제어하며 이와는 별도로, 천연가스 스트림에 제공되는 냉각정도를 조절하므로써 LNG 온도를 제어한다. 하나의 예시적인 방법에서는, 예를 들면 LNG 온도를 빠르고 안정하게 조정하기 위해 중요 조작 변수(MV)로서 압축기 속도를 사용한다. 사용되는 혼합 냉매(MR) 압축기 유형에 따라 속도 이외의 기타 압축기 변수가 중요 MV가 될 수 있으며 이는 원심 압축기의 안내 날개 각 또는 축방향 압축기의 고정자 날개 각일 수 있다. 제2의 예시적인 방법은 전체 재순환 냉매 유속 대 LNG 유속의 비를 중요 조작 변수로서 사용하여 LNG 온도를 효과적으로 제어한다.

Description

혼합 냉매 액화 천연가스 설비에서 생산량 및 온도를 제어하는 방법 및 장치
본 발명은 액화 천연가스(LNG)를 제조하기 위한 제어 시스템 분야에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 LNG 생산량 및 LNG 온도를 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
다성분 냉매를 사용하는 천연가스 액화 시스템은 전 세계적으로 사용되고 있다. 다성분 냉매법 및 저온 장치는 산업 전반에서 사용하고 있는 것으로, LNG 생산 과정의 제어는 플랜트를 효과적으로 작동시키는데 있어서 중요하며, 특히 설정된 플랜트로부터의 생산을 증량시키고자 하는 경우 또는 외부적인 공정 교란(disturbance)을 조절하려는 경우에 중요하다.
혼합 냉매법을 사용하고 있는 전세계의 수많은 기저 부하(baseload)의 LNG 플랜트들은 수동으로 제어되거나 또는 중요 제어 대상 서브셋만을 만족시키도록 제어된다.
LNG 플랜트 조작에 있어서는, LNG 수율 및 온도 모두를 동시에, 그리고 별도로 제어하는 것이 중요하다. 상기 LNG 수율을 설정하고 이를 유지시키므로써 플랜트 조작자는 생성물 선적 스케줄에 맞춰 생산량을 적당하게 계획·생산할 수 있다. 주된 저온 열교환기에서 배출되는 LNG의 온도를 특정한 범위로 유지하는 것은 하류 처리 공정 및 하류 장치에서 야기되는 문제를 해소하는 데 중요하다. 일단 중요 변수에 대하여 제어가 이루어지면, 최적의 방법으로 적절하게 이행될 수 있다. 그러나, 제어가 적당하게 이루어지지 않으면 기본적인 매일매일의 조작에도 나쁜 영향을 미친다.
종래 기술의 한 제어 시스템은 본 명세서에서 참고로 인용하는 차알스 뉴튼에 의한 "다성분 냉각 시스템에 대한 자동화 제어 시스템"이라는 표제하에 1989년 2월 28일 특허된 미국 특허 제4,809,154호의 방법에 근거한 것으로서, 이는 주 저온 열교환기/혼합 냉매 루프 시스템을 제어한다. 미국 특허 제4,809,154호에서 사용된 제어 방법은 소모된 에너지 단위 당 최대의 수율을 얻기 위한 것이다. 그 냉각 용량은 저압 다성분 및 고압 다성분의 속도 또는 혼합 냉매(MR) 압축기의 속도를 설정하고, MR 보충 밸브(makeup valve) 및 고압 분리기 배기구와 배수 밸브를 사용하여 MR의 총 내역 및 조성을 제어하므로써 정해진다. 경우에 따라, 조작자에 의해 압축기 속도, 보충 밸브, 배기구 및 배수 밸브가 조절되나, 이것들은 자동화 제어 수단에 속하지 않는다. 그 제어 수단은 세 개의 주된 피드백 루프로 이루어진다. MR 압축기를 통해 압력비를 피드백 제어하기 위해 냉각 JT 밸브를 조절한다. 중 MR(혼합 냉매 액체 또는 MRL) 대 경 MR(혼합 냉매 증기 또는 MRV)의 비를 피드백 제어하기 위해서는 고온 JT 밸브를 조절한다. LNG 오프테이크(offtake)의 온도 제어는 LNG 오프테이크 밸브(들)에 의해 수행된다.
도 10은 혼합 냉매 액화 천연가스 플랜트(40)의 개략적인 공정 흐름도로서, 종래 기술의 단계 제어 시스템에 대한 센서의 배치를 나타내는 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, MR LNG 플랜트(40)는 밸브(12)를 통과하여 열교환기(14)로 가는 라인(10)으로 주입되는 천연가스 공급원료를 포함한다. LNG는 열교환기(14)에서 냉각된 후, 주울-톰슨(JT) LNG 오프테이크 밸브(30)를 거쳐 배출되는 스트림으로서 라인(11)로 제공된다. 천연가스는 혼합 냉매를 사용하는 폐쇄 루프 냉각 사이클에 의한 열교환 과정에 따랑 열교환기(14)에서 냉각된다. MR은 증기 성분인 MRV와 액체 성분인 MRL을 함유한다. LNG 플랜트에서의 액화 공정 및 이러한 공정을 이행하는 LNG 플랜트 부품들은 잘 알려져 있으며 본 명세서에서 참고로 인용하는 리 에스. 가우머 쥬니어등에 의한 "복합 단계 및 다성분 냉각 시스템 및 방법"이라는 표제하에 1973년 10월 9일 특허된 미국 특허 제3,763,658호에 상세하게 기재되어 있다.
라인(10)을 통해 열교환기(14)에 공급되는 천연가스는 액화 공정의 다성분 냉각 구간에 제공되기 전에 하나 이상의 단일 성분 냉각 사이클을 포함하는 분리 공정 및 처리 공정에 의해 먼저 처리될 수 있다. 이 제1 처리 과정에서는 천연 가스가 공급원으로부터 28 ㎏/㎠ 내지 70 ㎏/㎠의 압력 범위로, 전형적으로는 49 ㎏/㎠의 압력값으로 제공될 수 있다. 이 압력은 중탄화수소, 불순물, 수분 또는 기타 불필요한 화합물을 분리하기 위한 시스템 요건에 따라 정해진다. 이어서, 그 천연가스를 제 1단일 성분 열교환 공정에 의해 제1 온도로 냉각시키는데, 이는 전형적으로 상온(21℃)부근이다. 천연 가스를 냉각시킴과 동시에, 상 분리기를 사용하여 응축수를 제거한 후, 천연 가스 스트림을 하나 이상의 건조기에 주입하여 부가의 수분을 제거한다.
그후, 건조된 천연 가스 스트림을 제2 열교환 공정에서 약 -1℃의 온도로 추가 냉각시킨 후 세정기 또는 기타 유사한 유니트에 공급하여 벤젠 또는 기타 중 탄화수소를 제거한다. 이어서, 상기 세정기에서 배출된 천연 가스 스트림을 제3의 열교환 공정에서 약 -35℃로 추가 냉각시킨 후 다성분 냉각 사이클을 사용하는 2 구간 열교환기(14)에 공급한다.
제10도에 따르면, 천연 가스는 2 구간 열교환기(14)를 통과하면서 액화된다. 분리 및 처리 공정으로부터 배출된 천연 가스는 공급 라인(10)을 통해 2구간 열교환기(14)로 진입하여 열교환기(14)의 고온 번들(110)에서의 주입 밸브(12)로부터 진공관 회로(114)를 거쳐 위로 이동한다. 진공관 회로(114)내의 천연 가스는 분무 헤더(124)에 의해 진공관 회로 위에서 아래쪽으로 분무되는 MR의 역 흐름에 의해 냉각된다. 천연 가스는 고온 번들(110)내의 진공관 회로(114)를 통과하는데 이는 열교환기 쉘(122)의 첫번째 구간이다. 그 천연가스 공급원료 스트림은 제2구간인 저온 번들(112)쪽으로 유입되는 데, 이는 진공관 회로(115)를 통해 위로 흐르며, 여기서 분무 헤더(126)에서 나오는 MR의 제2 역흐름에 의해 냉각된다.
질소, 메탄, 에탄 및 프로판으로 구성될 수 있는 혼합물인 MR에 의해 열교환기(14)의 쉘(122)의 냉각이 이루어진다. 주지된 바와 같이, MR은 열교환기(14)내에 액체로서, 그리고 증기로서 제공될 수 있다. 천연가스와 MR 간의 열교환은 상기 열교환기의 쉘 사이드에서 MR을 증발시키므로써 효율적으로 수행된다.
액화 공정의 다성분 폐쇄 냉각 사이클 부분은 두 개의 압축기단인, 저압 압축기단(34)과 고압 압축기단(32)을 포함한다. 저압 압축기단(34)은 열교환기(14)로부터 나오는 MR을 수용하여 그 MR을 압축시킨 후, 압축시킨 MR을 고압 압축기 단(32)으로 보낸다. 저압 압축기단은, 예를 들면 후냉각기에 의해 제공되는 하나의 열교환 과정을 포함할 수 있다. 고압 압축기단은 MR을 압축하여 목적하는 압력으로 제공하고 또한 후냉각기를 통해 몇개의 국소적인 열교환 공정을 제공할 수 있다. 저압 압축기단(34)으로부터 압축된 MR의 압력은 전형적으로는 약 3.2 ㎏/㎠ 이고, 고압 압축기단(32)으로부터 압축된 MR의 압력은 전형적으로 약 49 ㎏/㎠이며, 이들은 약 77℃의 온도로 제공된다.
압축된 MR을 고압 압축기단(32)으로부터 하나 이상의 단일 성분을 포함하는 또 다른 열교환 과정인 열교환기(128)로 보내진다. 전형적으로, 상기 단일 성분 냉매로는 프로판을 사용한다. 49 ㎏/㎠의 MR은 열교환 공정에 의해 전형적으로 -35℃로 냉각되나 LNG 플랜트에 사용된 압력과 온도는 다양하며 상기 시스템내 MRL 대 MRV의 목적하는 비에 좌우된다.
이어서, 열교환기(128)로부터 나온 압축되고 냉각된 MR은 분리기(42)에 공급되는데, 여기서 MR은 라인(13)의 MRV 흐름과 라인(15)의 MRL 흐름으로 분리된다. 그후, MR을 거의 물의 어는점 이하, 바람직하게는 약 -18℃ 내지 약 -73℃의 온도로 예비냉각시켜야 한다. 그 결과, 분리기(42)로부터 나온 라인(15)의 MR은 열교환기(14)의 고온 번들(110)을 통과하여 진공관 회로(118)내의 MRL을 냉각시킨다. 진공관 회로(118)로부터 분무 헤더(124)로 가는 MRL의 유속은 고온 JT 밸브(18)에 의해 조절될 수 있다. 또한 분리기(42)로부터 나온 라인(13)의 MRV는 열교환기(14)의 고온 번들(110)에 공급되어 진공관 회로(116)내의 MRV를 냉각시킨다. 그후 MRV는 진공관 회로(117)로 저온 번들(112)에 공급되며 진공관 회로(117)로부터 분무 헤더(126)으로 가는 MRV의 유속은 저온 JT 밸브(16)에 의해 조절될 수 있다. 진공관 회로내 MRV와 MVL의 냉각은 역류 MR을 사용하는 앞에서 기재한 진공관 회로(114)와 (115)내 천연가스 스트림의 냉각과 유사한 방식으로 이루어진다.
진공관 회로(118)내의 MRL은 약 -112℃의 온도로 열교환기(14)에서 차냉각되며 되며 그 차냉각된 MRL을 고온 JT 밸브(18)에서 약 3.5 ㎏/㎠의 압력으로 팽창시키므로써 일부가 증기로 발화(flash)되어 그 온도가 약 -118℃로 하강한다. 이어서, 액체 및 발화된 증기는 분무 헤더(124)를 통해 고온 번들(110)에 주입된다.
또한 진공관 회로(116)내의 MRV는 열교환기(14)내에서 차냉각되는데, 여기서 응축하여 그후 저온 번들(112)내의 제2 진공관 회로(117)에 공급된다. 여기서 응축된 MRV는 약 -168℃로 차냉각된다. 이 차냉각된 액체 분획을 저온 JT 밸브(16)에서 약 3.5 ㎏/㎠의 압력으로 팽창시키므로써 일부가 증기로 발화된다. 이어서, 액체 및 발화된 증기는 분무 헤더(126)를 통해 저온 번들(112)에 주입된다.
진공관 회로위에서 아래쪽으로 흐르는 MR은 천연가스 스트림과의 열교환 과정에서 증발될 뿐 아니라 열교환기(14)에서 위쪽으로 흐르는 MRL 및 MRV와의 열교환 과정에서 증발된다. 그 결과, 모든 MRL 및 액체 분획은 열교환기(14)의 하부에서 증기상으로 재결합되며, 그 증기상은 저압 압축기 단(34)의 흡입 사이드로 복귀한다. MR은 압축용 압축기(32) 및 (34)로 복귀하여 라인(120)을 통해 연속적으로 냉각 및 분리된다.
냉각 용량은 저압 혼합 냉매(MR) 및 고압 혼합 냉매 압축기 단(34) 및 (32)의 속도를 설정하고, 그 MR의 총 내역 및 조성을 MR 보충 밸브(makeup valve; 100, 101, 102 및 103) 및 고압 분리기 배출 밸브와 배수 밸브(도시되지 않음)를 통해 조절하므로써 결정될 수 있다. 압축기 속도, 보충 밸브 위치 및 배출 밸브와 배수 밸브는 조작자가 원하는 대로 조절된다.
종래 기술에는 세가지 피드백 루프가 존재한다.
종래 기술의 제1 피드백 루프는 온도 표시 제어기 TIC(26)와 유속 표시 제어기 FIC(28)를 사용하는 단계 제어에 의해 LNG 오프테이크(offtake) 온도를 제어한다. 열교환기(14)로부터 나오는 LNG 배출 스트림의 온도를 측정하고 TIC(26)에 의한 설정치(SP1)와 비교하여 현재의 온도를 원하는 온도로 조절하는 목적하는 유속 제어 시그널을 제공한다. FIC(28)은 현재의 LNG 유속을 측정하고 이를 TIC(26)으로부터 얻은 목적하는 유속 시그널과 비교함에 따라 LNG 오프테이크 밸브(들)(30)을 조절한다.
제2의 피드백 루프에서는, 무거운 (혼합 냉매 액체 또는 MRL) 대 가벼운 (혼합 냉매 증기 또는 MRV)의 비를 피드백 제어하기 위해 고온 JT 밸브(18)를 조절한다. 고온 JT 밸브(18)는 유속 비 제어기(FRC)(22)에 의해 조절되는데 이는 MRL 대 MRV의 MR의 유속비(유속 표시기(20)에 의해 측정됨)를 비교하여, 분할기(24)에 의해 계산되는 MRL/MRV 비를 오프라인으로 측정된 설정치(SP2)와 비교한다.
제3의 피드백 루프에서는, 압축비 제어기 CRC(39)에 의해 MR 압축기단(32) 및 (34)를 횡단하는 압력비를 피드백 제어하기 위해 저온 JT 밸브(16)를 조절한다. CRC(39)는 또한 오프라인으로도 측정되어지는 설정치(SP3)를 사용하여 피드백 시그널을 생성하며, 그 압축기 압력은 압력 표시기(PI)(38)에 의해 판독된다.
LNG 온도를 조정하는 LNG 오프테이크 밸브(30)의 위치를 변화시키면, LNG 생성물 유속에 직접적인 영향을 미치므로 목적하는 설정치로 유속 및 온도 모두를 별도로 조절하는 것은 이같은 공정을 통하여서는 가능하지 않다. LNG 생성물은 "플로트(float)"로 남아서 간접적인 유형으로 목적하는 생성율로 만든다. 설정점(SP2), (SP3)을 변화시키거나 또는 조작자가 압축기 속도, MR 조성 또는 내역을 변화시키므로써 FRC(22)의 유속비 제어 시그널 또는 CRC(39)의 압축비 제어 시그널을 변화시키므로써 냉각 용량을 설정한다. 목적하는 범위로 생성 온도를 유지하기 위해, TIC(26)를 사용하여 LNG 생성 플로트의 냉각 정도를 조화되게 한다.
기저부하 LNG 공정의 제어방식을 개선시키고자 하는 최근의 시도들은 미국 특허 제4,809,154호의 제어 방법을 근간으로 한다. 미국 특허 제5,139,548호는 예를 들면, 주위 공기 온도 변화를 조절하기 위한 피드포워드 제어 과정을 개시하고 있는데 이는 종래의 방법에 비해 우수하다.
도 1은 본 발명을 예시하는 실시태양으로서 전형적인 혼합 냉매 액화 천연가스 플랜트 과정의 개략적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명을 예시하는 속도 제어에 기초한 실시태양의 기본적인 피드백 제어를 설명하는 고준위(high level) 블록 다이아그램이다.
도 3은 도 2에 설명된 속도 제어에 기초한 제어 시스템의 센서 배치를 나타내는 전형적인 혼합 냉매 액화 천연가스 플랜트의 개략적인 흐름도이다.
도 4는 본 발명을 예시하는 재순환 과정에 기초한 실시태양의 기본적인 피드백 제어를 설명하는 고준위 블록 다이아그램이다.
도 5는 도 4에 설명된 재순환 과정에 기초한 제어 시스템의 센서 배치를 나타내는 전형적인 혼합 냉매 액화 천연가스 플랜트의 개략적인 흐름도이다.
도 6A는 LNG 유속 설정점 시나리오의 4% 단계 감소(step reductrion)에 관하여, 시간에 대한 LNG 유속 제어를 설명하는 그래프이다.
도 6B는 LNG 유속 설정점 시나리오의 4% 단계 감소에 관하여, 시간에 대한 LNG 온도 제어를 설명하는 그래프이다.
도 6C는 LNG 유속 설정점 시나리오의 4% 단계 감소에 관하여 시간에 대한 압축기 속도 제어를 설명하는 그래프이다.
도 6D는 LNG 유속 설정점 시나리오의 4% 단계 감소에 관하여 고온 JT 밸브 위치에 의한 시간에 따른 제어 작용을 설명하는 그래프이다.
도 7A는 LNG 유속 설정점 시나리오의 4% 단계 증가에 관하여 시간에 대한 LNG 유속 제어를 설명하는 그래프이다.
도 7B는 LNG 유속 설정점 시나리오의 4% 단계 증가에 관하여 시간에 대한 LNG 온도 제어를 설명하는 그래프이다.
도 7C는 LNG 유속 설정점 시나리오의 4% 단계 증가에 관하여 시간에 대한 고온 JT 밸브 위치 및 저온 JT 밸브 위치에 의한 시간에 따른 제어 작용을 설명하는 그래프이다.
도 7D는 LNG 유속 설정점 시나리오의 4% 단계 증가에 관하여 시간에 대한 열교환기의 쉘 온도를 설명하는 그래프이다.
도 7E는 LNG 유속 설정점 시나리오의 4% 단계 증가에 관하여 시간에 대한 압축기 속도 제어를 설명하는 그래프이다.
도 8A는 LNG 유속 설정점 시나리오의 분당 1%씩의 35% 경사 감소(ramp reduction)에 관하여 시간에 대한 LNG 유속비 제어를 설명하는 그래프이다.
도 8B는 LNG 유속 설정점 시나리오의 분당 1%씩의 35% 경사 감소에 관하여 시간에 대한 LNG 온도 제어를을 설명하는 그래프이다.
도 8C는 LNG 유속 설정점 시나리오의 분당 1%씩의 35% 경사 감소에 관하여 시간에 대한 저압 압축기와 고압 압축기의 제어를 설명하는 그래프이다.
도 8D는 LNG 유속 설정점 시나리오의 분당 1%씩의 35% 경사 감소에 관하여 고온 JT 밸브의 위치에 의한 시간에 따른 제어 작용을 설명하는 그래프이다.
도 9A는 서어보(servo) 변화와 교란(disturbnce)을 방지하여 설정점 시나리오를 유지하기 위한 시간에 대한 LNG 유속 제어를 설명하는 그래프이다.
도 10은 종래기술의 단계(cascade) 제어 시스템의 센서 배치를 나타내는 전형적인 혼합 냉매 액화 천연가스 플랜트의 개략적인 흐름도이다.
본 발명은 하기 (a) 내지 (c)단계의 액화 과정을 통과하는 천연가스를 냉각시키므로써 액화 천연가스(LNG) 배출 스트림의 생산을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다 :
(a) LNG 배출 스트림의 온도 및 유속을 측정하는 단계,
(b) 천연가스의 냉각과정을 변화화시켜서 LNG 배출 스트림의 온도를 조절하는 단계, 및
(c) 상기 액화 과정을 통과하는 LNG의 유속을 별도로 조절하는 단계.
이러한 방식으로, LNG 배출 스트림의 유속과 온도를 목적하는 유속값과 목적하는 온도값으로 유지한다.
추가로, 본 발명의 한 실시태양은 LNG 배출 스트림의 온도값을 조절하기 위해 냉각용 압축기와 관련한 값을 변화시키는 것을 포함한다.
또 다른 실시태양은 LNG 배출 스트림의 온도값을 조절하기 위해 냉각용 혼합 냉매(MR)의 값을 변화시키는 것을 포함한다.
본 발명의 특징 및 추가의 특징은 첨부된 도면들과 함께 이하의 상술에 의해 더욱 명확해질 것이다.
방법에 대한 개요
도 1은 고온 구간(212)과 저온 구간(214)을 포함하는 2구간 열교환기(210)를 도시하고 있는데, 상기 구간 각각은 도 1에 점선으로 표시되어 있다. 열교환기는 두개의 유체 스트림 간의 간접적인 열교환을 허용하는 한 당해 기술분야의 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 이러한 열교환기로는 플레이트-핀형 열교환기, 권선형 관 열교환기를 비롯한 관-쉘형 열교환기 또는 천연가스 스트림 및 냉매 스트림과 같은 유체간의 간접적인 열교환을 허용하는 기타 유사한 열교환기 장치를 사용할 수 있다. 그 열교환기를 통과하는 천연가스는 위쪽으로, 아래쪽으로 또는 심지어 수평으로 흐를 수 있다. 그러므로, 열교환기(210)를 통과하는 흐름이 수평으로 도 1에 예시되어 있다고 하여 이것에 한정하는 것은 아니다. 왜냐하면 흐름은 수직으로도, 그리고 위쪽 또는 아래쪽으로도 흐를 수 있으며, 일반적으로 선택된 열교환기의 유형에 좌우된다.
도 1의 과정에서, 천연가스는 천연가스 주입 라인(216)을 통해 열교환기(210)에 도입되며 그 천연가스는 열교환 경로(path)(218)를 거쳐 고온 구간(212)을 통과하고 이어서 열교환 경로(220)를 거쳐 저온 구간(214)을 통과하여, 마지막으로 LNG 배출 라인(222)를 거쳐 액화 천연가스(LNG)는 열교환기(210)로부터 제거된다. 이 배출 라인(222)에는 흐름 제어 또는 압력 감소 장치(224)가 포함된다. 이 흐름 제어 또는 압력 감소 장치는 상기 라인내의 흐름 제어 및/또는 압력 감소에 적합한 어떠한 장치라도 가능한데, 예를 들면 터보 팽창기의 형태, J-T 밸브의 형태 또는 이 둘을 결합시킨 형태, 예컨대 J-T 밸브와 터보 팽창기중의 어느 하나 또는 둘 모두를 동시에 사용할 수 있도록 J-T 밸브 및 터보 팽창기가 평행으로 배열되어 있는 형태일 수 있다.
또한, 도 1에는 폐쇄 루프 냉각 사이클(226)이 점선으로 표시되어 있다. 도 1에서 예시한 바와 같이, 기본적으로 이 폐쇄 루프 냉각 사이클은 다성분 냉매 또는 혼합 냉매의 상이한 성분들을 상기 냉각 루프에 도입시키는 냉매 성분 유입 라인(228) 및 (230)을 포함한다. 도 1에서는 단 두 개의 별도의 냉매 성분 유입 라인이 도시되어 있으나, 실제적으로 다성분 냉매 또는 혼합 냉매는 세 가지, 네 가지 또는 심지어 다섯 가지의 상이한 성분들로 이루어질 수 있다는 것이 당업계에서는 공지되어 있는 바, 본 도면에서는 설명을 위해 냉매 성분 유입 라인을 단 두 개만 도시하였다. 각각의 냉매 성분 유입 라인(228) 및 (230)은 상기 냉각 루프내로 도입되는 각각의 성분들의 양을 조절하기 위한 밸브(232) 및 (234)를 각각 포함한다. 다성분 냉매 또는 혼합 냉매는 혼합 냉매(MR) 유입 라인(236)을 거쳐 압축기(238)로 도입된다. 압축기(238)을 나온 압축된 MR은 라인(240)을 거쳐 냉각기(242)내로 진입하며, 상기 압축된 MR은 이곳에서 충분히 냉각되어 적어도 부분적으로 응축된다. 냉각기(242)는 당해 기술 분야에 공지된 어떠한 유형이라도 사용할 수 있으며 압축된 MR 가스는 수분, 냉각수 및 기타 탄화수소(예, 프로판을 비롯한 중 탄화수소)를 비롯한 다양한 물질을 냉각시킬 수 있다. 단하나의 압축단 및 냉각단(238 및 242)이 도시되어 있으나, 내부 냉각단을 구비한 다중 압축단이 이러한 조건에서 용이하게 사용될 수 있음이 당업자에게 공지되어 있다. 설명을 용이하게 하기 위해, 단 하나의 압축단 및 냉각단만을 도시하였다.
부분적으로 응축된 MR을 라인(244)을 지나 액체상 및 증기상으로 분리시키는 분리기(246)에 통과시켰다. MR의 액체상(MRL)은 라인(248)에 의해 분리기(246)로부터 배출되며 열교환기(210)의 고온 구간(212)에 도입된다. MR의 증기상(MRV)은 라인(250)에 의해 분리기(246)로부터 제거되고 또한 열교환기(210)의 고온 구간(212)에 도입된다. 본 도면에 도시되어 있는 바와 같이, MRV는 열교환기 경로(218)내의 천연가스 흐름과 같은 방향으로 열교환기 경로(252)를 통과한다. 물론, 상기 흐름을 열교환기의 다른 형태로 역류시킬 수 있다는 것 또한 당업자라면 인식할 수 있을 것이다. 유사하게, MRL은, 또한 열교환기(210)의 고온 구간내 열교환 경로(218)을 통과하는 천연가스 흐름과 같은 방향으로, 고온 구간(212)에서 열교환 경로(254)를 통해 흐른다. MRV는 열교환기(210)의 저온 구간(214)내 열교환 경로(220)를 통과하는 천연가스의 흐름과 같은 방향으로 열교환기(210)의 저온 단부(214)내 열교환 경로(256)를 통해 계속하여 흐른다.
이어서, MRV는 라인(258)에 의해 열교환기(210)으로부터 배출되어 유속 제어 또는 압력 감소 장치(260)를 통과하는데, 여기서 라인(258)의 혼합 냉매의 압력이 감소되어 MRV의 온도 저하가 일어난다. 또한 장치(260)은 상기 라인의 유속 제어 및/또는 압력 감소에 적합한 어떠한 장치라도 사용할 수 있는데, 예를 들면 터보 팽창기의 형태, J-T 밸브의 형태 또는 이 둘을 결합시킨 형태, 예컨대 J-T 밸브와 터보 팽창기중의 어느 하나 또는 둘 모두를 동시에 사용할 수 있도록 J-T 밸브 및 터보 팽창기가 평행으로 배열되어 있는 형태일 수 있다. 장치(260)를 거친 후 온도가 저하된 MRV는 라인(262)를 통해 열교환기(210)로 재도입되고 열교환기(210)의 저온 단부(214)내 열교환 경로(264)를 통과한다. 열교환 경로(264)를 통과하는 흐름은 열교환 경로(256)내의 혼합 냉매 증기 흐름 및 열교환 경로(220)내의 천연가스 흐름에 대해 역방향이다.
열교환기(210)의 고온 단부(212)내 열교환 경로(254)를 통과한 후, MRL은 라인(264)에 의해 열교환기(210)로부터 배출되며 유속 제어 및/또는 압력 감소 장치(268)로 진입한다. 여기서 혼합 냉매 액체의 압력이 감소되므로 이들 재료의 온도가 저하된다. 전술한 바와 같이, 장치(268)는 라인내의 유속 제어 및/또는 압력 감소에 적합한 어떠한 장치라도 가능한 데, 예를 들면 터보 팽창기의 형태, J-T 밸브의 형태 또는 이 둘을 결합시킨 형태, 예컨대 J-T 밸브와 터보 팽창기 중 어느 하나 또는 둘 모두를 동시에 사용할 수 있도록 J-T 밸브 및 터보 팽창기가 평행으로 배열되어 있는 형태일 수 있다. 장치(268)를 나온 후 온도가 저하된 MRL을 이어서 라인(270)을 거쳐 열교환기(210)에 재도입하여 열교환 경로(264)를 나온 MRV 스트림과 결합시켜서, 라인(270)과 열교환 경로(264)로부터 얻은 그 결합 스트림을, 열교환기(210)의 고온 구간(212)내 열교환 경로(218, 252 및 254)와 간접적으로 열교환되는 열교환 경로(272)를 통과시키는데, 결합된 스트림들은 열교환 경로(218)를 통과하는 천연가스의 흐름 및 열교환 경로(252) 및 (254)를 통과하는 MR의 흐름에 대해 역방향으로 고온 구간(212)을 통과한다. 전형적으로, 열교환 경로(272)를 통과하는 결합된 혼합 냉매 스트림은 열교환 경로(272)의 끝에 도달하는 데 걸리는 시간 단위로 전체적으로 증발되며 증발된 혼합 냉매는 라인(274)에 의해 열교환기(210)로부터 제거되며 폐쇄 루프 냉각 사이클(226)내 압축기(238)로 재순환된다.
이와 유사하게, 열교환기(210)의 저온 구간의 열교환 경로(220, 256 및 264)들 또한 서로에 대해 간접적으로 열교환한다.
또한 라인(222)와 결합된 온도 감응 장치(276)가 도 1에 도시되어 있는데 이는 라인(222)내를 흐르는 액화 천연가스 스트림의 온도를 측정한다. 이와 유사하게, 라인(222)내의 액화 천연가스의 유속을 측정하는 유속 감응 장치(278)이 라인(222)와 결합되어 있다. 온도 감지 장치(276)는 점선(280)으로 표시된 것과 같이 온도 감응 장치(276)로부터 직선으로 폐쇄 루프 냉각 사이클(226)둘레의 이점선 까지 연장되어 있으며, 라인(222)내 LNG 온도에 감응하는 시그널을 발생시키는데 이는 직선(280)으로 표시된 폐쇄 루프 냉각 사이클(226)을 제어하는데 사용된다. 또한 이 유속 감응 장치(278)는 라인(222)내의 LNG에 감응하는 시그널을 발생시키며 이 시그널은 라인(282)에 의해 표시된 것과 같이 유속 제어 장치(224)로 간다. 일반적으로, LNG 배출 스트림의 온도와 유속을 측정하는 이러한 방법으로 천연가스의 냉각을 제어하여 LNG 배출 스트림의 온도를 조절할 수 있는 반면, LNG 배출 스트림의 유속은 별도로 조절되며 이로써 LNG 배출 스트림의 유속과 온도를 목적하는 수준으로 유지할 수 있다.
본 발명을 더욱 구체적으로 설명하면, 라인(280)의 시그널은, 냉각용 압축기에 관련한 값을 다양화시키기 위해 점선(280)을 연장하여 표시되며 참고 번호(281)로 표시된 것과 같이 압축기(238)에 전달되는 것으로 도시되어 있으므로 이에 의해 라인(222)의 LNG 배출 스트림의 온도 값을 조절한다. 더욱 구체적으로, 압축기(238)가 폐쇄 루프 냉각 사이클(226)내 냉매의 유속과 압력을 조절하는 배열에서는, 다양한 압축기 값으로 압축기 속도, 안내 날개 각(guidevane angle) 또는 고정자 날개 위치 중 하나 이상을 들 수 있으며, 이들은 라인(222)내 LNG 배출 스트림의 온도를 조절하는 기능을 한다.
또한, 압축기(238)의 조작 범위들 중 하나를 규정하는 상기 제한값(constraint)들을 기초로 한 목적하는 값을 압축기(238)와 관련한 설정점 1 장치(284)에 의해 표시된 바와 같이 설정할 수 있으며 이 특정한 압축기 값은 대응하는 설정치에 대해 조절될 수 있다. 압축기(238)를 선택된 값으로 조절하는 것을 기초로 하면, 폐쇄 루프 사이클(226)내 냉매의 재순환 과정과 관련한 값, 예를 들면 유속 제어 또는 압력 감소 장치(268)와 관련한 값을 다양화할 수 있다. 이는 압축기(238)로부터 유속 제어/압력 감소 장치(268)로 연장된 점선(285)으로 표시된다.
추가로, 폐쇄 루프 냉각 사이클(226)내 냉매의 유속은, 예를 들면 냉매 유속에 대해 감응하는 시그널을 발생시키는, 라인(244)내 냉매의 유속을 측정하는 유속 감응 장치(286)을 사용하여 점선(288)에 의해 표시된 바와 같이 이 시그널을 비 계산기(ratio calculatior)(290)에 공급하므로써 측정될 수 있다. 또한, 점선(283)으로 표시되는 바와 같이 라인(282)을 연장시키므로써 라인(222)내의 LNG 유속을 나타내는 시그널을 비 계산기(290)에 공급한다. 이렇게 얻은 비를 폐쇄 루프 냉각 사이클의 작동을 제어하기 위해 조절하므로써 라인(222)내의 LNG 배출 스트림의 온도값이 조절된다. 상기 장치로부터 얻은 비 시그널은 비 계산기(290)로부터 폐쇄 루프 냉각 사이클(226)로 이동하는 라인(292)로 표시된다.
더욱 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 폐쇄 루프 냉각 사이클(226)내의 냉매가 부분적으로 응축하여 냉매 액체 및 냉매 증기를 형성하는 경우, 냉매 증기의 유속은 라인(250)과 결합되는 유속 감응 장치(296)에 의해 측정되는 반면, 액체 냉매 스트림의 유속은 라인(264)와 결합되는 유속 감지 장치(294)에 의해 측정된다. 이와 같은 조작시, 액체 냉매의 유속을 표시하는 시그널은 유속 감응 장치(296)에 의해 발생되며 이는 점선(298)에 의해 표시되는 바와 같이 유속 제어 장치(268)로 전달된다. 유사하게, 증기 냉매의 유속을 표시하는 시그널은 유속 감지 장치(294)에 의해 발생되며 이는 점선(300)에 의해 표시되는 바와 같이 유속 제어 장치(260)로 전달된다. 이러한 방법으로, 증기 냉매의 유속에 대한 액체 냉매의 유속 비를 제어하므로써 액체 냉매의 유속을 조절할 수 있다. 동시에, 증기 냉매의 유속을 조절하여 총 냉매의 유속을 제어할 수 있다. 이러한 조작을 통하여, 증기 냉매의 유속이 조절되며 이로써 냉매 유속 대 LNG 유속의 총 비가 조절된다. 액체 냉매 유속과 증기 냉매 유속을 제어할 때 기계적인 제한값에 도달하는 경우, 폐쇄 루프 냉각 사이클(226)내의 압축기(238) 값은 LNG 배출 스트림의 온도 값을 조절함에 따라 추가로 변화된다. 이는 비 계산기(190)로부터 압축기(238)로 연장되어 있는 라인(292)에 의해 도 1에 나타난다.
바람직한 조작 유형에서는, 유속 감응 장치(278)에 의해 발생되며 라인(282)로 표시되는 것과 같이, 유속 제어/압력 감소 장치(224)로 전달되는 시그널은, 설정점 2 장치(302)에 의해 표시되는 것과 같이 목적하는 값과 비교할 수 있으며 라인(222)내의 유속은 설정점 2 장치(302)에서 나타나는 목적하는 값에 맞추기 위해 장치(224)를 통해 조절될 수 있다. 유사하게, 라인(222)내의 LNG 온도를 표시하는 시그널은 온도 감응 장치(276)에 의해 발생되며, 또한 라인(280)과 결합한 설정점 3 장치(304)에 의해 표시되는 바와 같은 목적하는 값과 비교될 수 있다. 이 시그널을 폐쇄 루프 냉각 사이클(226)에 의해 이루어지는 냉각을 조절하거나 또는 특정 실시태양에서 압축기(238) 변수 중 하나를 조절하는 데 사용하므로써 라인(222)내의 배출 스트림의 온도를 조절한다.
결과적으로, 본 발명에서는, 냉각과정을 조절하므로써 LNG 온도가 제어되나 , LNG 생산 과정은 별도로 제어된다. 그 LNG 생산 과정은 직접적인 유형으로 설정되며 냉각과정은 주어진 LNG 온도 및 생산과정의 냉각 요건에 부합하도록 조절된다. 이것은 종래의 방법에 대해 역으로 접근한 것이다. 하기 (a) 내지 (c)단계를 포함한다 :
(a) 라인(11)에서의 LNG 배출 스트림의 온도 및 유속을 측정하는 단계,
(b) MR의 증발에 의한 천연가스의 냉각 과정을 변화시켜서 라인(11)에서의 LNG 배출 스트림의 온도 값을 조절하는 단계 및
(c) 열교환기(14)의 저온 번들(112)로부터 나온, 액화 과정을 통과한 LNG의 유속을 LNG 오프테이크 밸브(30)에 의해 조절하는 단계.
이로써 이같은 방법에 의해 LNG의 배출 스트림의 유속 및 온도가 목적하는 유속 및 온도 설정치로 유지된다.
이 방법에서, 본 발명의 예시적인 실시태양은 LNG 생산량을 목적하는 생산량으로 설정하고 이를 유지하는 제어 시스템을 포함하며, 천연가스 스트림의 냉각과정을 조절하므로써 LNG 온도를 제어한다(이로써 종래 기술에서 수행되었던 바와 같이 생산량을 이용가능한 냉각과정에 맞추는 것과 반대로, 냉각과정을 목적하는 생산량에 맞춘다).
본 발명의 예시적인 제1 실시태양은 열교환기(14)의 고온 번들(110)로부터 수용한 라인(120)내의 MR을 압축하는 각각의 압축기(32) 및 (34)와 관련한 값을 변화시키므로써 라인(11)의 LNG 배출 스트림의 온도 값을 조절하는 것을 포함한다.
상기 실시태양은, 예를 들면 LNG 온도 조절을 빠르고 안정하게 이루기 위한 중요 조작 변수(MV)로, 압축기(32) 및 (34)의 압축기 속도를 사용할 수 있다. 속도 외의 기타 압축기 변수가 중요 MV가 될 수 있으며 그것은 원심 압축기 내의 안내 날개 각 또는 축방향 압축기에서의 고정자 날개 각도일 수 있다.
추가의 예시적인 실시태양은 헤더(124) 및 (126)으로부터 흐르는 MRV 및/또는 MRL의 유속, 조성 또는 압력과 같은 혼합 냉매(MR)의 값을 변화시키므로써 LNG 배출 스트림의 온도값을 라인(11)에서 조절하는 것을 포함한다. 제2의 예시적인 실시태양은 총 재순환 냉매 유속 대 LNG 유속의 비를, LNG 온도를 효과적으로 조절하는 중요 조작 변수로서 사용한다.
비록 액화 과정의 전술한 실시태양들이, 열교환기 유니트의 하단에서 상단으로 천연가스 공급 원료 스트림이 이동하는 2 구간 열교환기의 권선형(coil wounded) 설비를 포함하기는 하나, 상술한 실시태양은 앞에서 기재된 바와 같은 플레이트 핀형 열교환기와 같은 기타 유형의 열교환기에 동일하게 적용할 수 있다. 예를 들면, 플레이트 핀형 열교환기의 구조 및 용도는 엠. 오나카, 케이. 아사다 및 케이. 미쭈비시에 의하여, 1997년 1월 ∼ 2월자의 LNG 저널, 제17 ∼19면에 "주된 저온 열교환기 유니트에 대해 플레이트 핀형 열교환기를 사용하는 방법"에 기재되어 있는 것으로 플레이트 핀형 열교환기 및 병행 과정의 기재에 대해서는 본 명세서에서 참고로 인용하고 있다.
압축기 속도에 기초한 제어 시스템
도 3에 도시되어 있는, LNG 플랜트 40A로 사용되는 본 발명을 예시하는 첫번째 실시태양은 LNG 유속을 피드백 제어하며, 압축기 속도를 조절하고, 추가로 압축기 속도를 목적하는 조작 범위내 일정한 값으로 복귀시키기 위해 혼합 냉매 유속을 조절하므로써 LNG 생산 온도를 별도로 피드백 제어하는 것에 기초한 제어 시스템을 사용한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 속도 제어에 기초한 실시태양에 대한 기본적인 피드백 제어 과정을 설명하는 고준위 블록 다이아그램이다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 세 개의 피드백 루프가 제공된다. 제1의 피드백 루프(201)는 LNG 오프 테이크 밸브 위치와 같은 제1의 조작 변수(MV)를 통하여 LNG의 유속을 제어하며, 제2의 피드백 루프(202)는 제2의 MV로서 속도와 같은 압축기 값을 사용하여 LNG 생성 온도를 제어하며, 제3의 피드백 루프(203)는 또한 고온 JT 밸브 또는 저온 JT 밸브 위치와 같은 제3의 MV를 사용하여 상기 시스템을 통과하는 냉매의 유속을 조절하므로써 LNG의 온도에 영향을 미친다. 또한, 압축기 값 조절에 의해 이루어지는 것과 동일한 방향으로 LNG 온도가 이동하도록 폐쇄 루프 냉각 사이클의 냉각 과정을 조절하므로써 압축기 값을 목적하는 조작 범위내로 유지하는 데에 이 제3의 MV 조절을 사용할 수 있다.
압축기 값을 조절하는 것은 본 발명의 방법에 다음과 같은 영향을 미친다. 압축기 속도 또는 등가의 압축기 값을 증가시키므로써 (도 1의) 압축기 유입구 및 라인(120)에서의 냉매 압력이 감소된다. 결과적으로, 열교환기 쉘 면에서의 압력 및 온도가 감소되어 열전달량이 증가하게 되므로 이는 냉각과정에서, 열교환기(14)내에서 흐르는 천연가스에 제공된다. 압축기 속도를 감소시키면 이와 반대의 효과를 보인다.
본 발명을 예시하는 실시태양의 제어 시스템에서는, 두 개의 제어 대상이 존재하므로 두개의 중요 제어 루프가 존재한다. 즉, 제1의 루프는 설정치 근처에서의 LNG 유속을 제어하고 제2의 루프는 별도로 설정치 근처에서 LNG 온도를 제어한다. 제2의 제어 루프는 두 개의 MV, 즉 속도 또는 등가의 압축기 값과 같은 압축기 MV(빠르게 온도 감응(바람직함)하나, 비교적 약한 정상 상태의 값(바람직하지 않음)임) 및 고온 JT 밸브 위치와 같은 제2의 MV(비교적 강한 정상 상태의 값(바람직함)이나 느리게 온도 감응(바람직하지 않음)함)를 수반한다. 제2의 제어 대상에 대하여 두 개의 MV를 사용하므로써 MV의 최적 특징을 사용하여 각각의 MV의 취약성을 보충하므로 상기 과정의 제어능을 개선시킨다.
제1의 피드백 제어 루프(201)에서, LNG 배출 스트림을 목적하는 LNG 유속으로 변화시키고 유지시키기 위해 LNG 유속을 제어한다. 이는, 예를 들면 LNG 오프테이크 밸브(30)(도 3)의 위치를 조절하므로써 달성될 수 있다. 제1의 피드백 루프는 오프라인 또는 온라인으로 측정되는 LNG 유속 설정치를 포함하는데, 예를 들면 특정 플랜트의 생성 스케줄에 따라 결정할 수 있다.
당해 기술분야에 공지되어 있는 바와 같이, LNG 플랜트 과정과 같은 임의의 과정의 동역학은 전달 함수로 모델링될 수 있다. 플랜트 과정(216)은 공정 전달 함수(g11)을 통과하는 LNG 오프테이크 밸브 위치 변화에 대한 LNG 유속의 동역학적 응답의 모델이 된다. 유속 제어기(210)는 설정치에 관한 LNG 유속의 변형을 표시하는 에러 시그널(error signal)에 기초한 LNG 유속을 조절한다. 유속 제어기(210)는 플랜트 공정 전달 함수(g11)로부터 유도된 전달 함수(gC1)을 제어하므로써 설정치에 관한 LNG 유속의 이들 변화값을 상쇄시킨다.
에러 시그널은 제어된 변수의 실제값과 설정치간의 차이에 기초한 결합값으로서, 피드백 루프(201)에 대해서는 실제 측정된 LNG 유속 및 목적하는 LNG 유속 설정치이다. 에러 시그널은 불연속 또는 연속적일 수 있으며 에러 시그널의 형태는 사용된 제어기의 유형에 따라 좌우된다. 하기에 기재된 실시태양을 위해서, 설정치 근처에서 제어된 변수의 변형값에 상응하는 에러 시그널에 기초하여 MV를 조절하는 것을 피드백 제어로서 언급한다.
예를 들면, 사용될 수 있는 단순한 제어기는 비례 적분 미분(PID) 제어기이다. PID 제어기에 있어서, 에러 시그널은 차이값((e(t)), 적분 차이값 및 설정치와 측정값간 차이의 도함수값의 결합일 수 있다. MV를 조절하는 PID 제어기 출력 시그널 yPID(t)는 하기 수학식 1로 주어지며 여기서 K는 비례 이득(gain)이며, F, 1/τi및 τd는 상수이다.
또 다른 실시예에서는, 내부 모델 제어기(IMC)와 같이 제어기가 더욱 복잡할 수 있다. IMC에 대해서는, MV를 조절하는 출력 시그널 yIMC(t0)은 에러 시그널의 현재값과 과거값의 더욱 일반적인 함수이며 이는 일반적인 형태로 불연속적인 샘플 기호를 사용하는 하기 수학식 2로 나타내어진다.
플랜트 전달 함수(g11)로부터 상기 함수(gC1)을 유도하는 방법은 당해 기술 분야에 공지되어 있다. 모델에 기초한 제어 방법으로서 공지된 한 방법으로는, 예를 들면 맨프레드 모라리 및 에반겔로스 자피리오우에 의한 로보스트 방법 제어의 제3장 및 제6장에 기재되어 있는 바, 이는 본 명세서에서 참고로 인용하고 있다. 그러나, 본 발명의 실시태양은 이러한 방법에 한정하는 것은 아니며 기타 제어 이론 기법을 사용하여 과정 전달 함수로부터 제어 전달 함수를 결정할 수 있다.
예로서, 시스템 과정 전달 함수 g11, g22, g23및 이에 따른 제어 전달 함수 gC1, gC2및 gC3을 결정하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 모든 시스템 파라미터에 대한 전형적인 초기 조건의 기지의 세트를 사용하여, 연구중에 있는 변수에 대하여 일단계 함수를 적용하고, 그 시스템을 정상 상태로 실행하고 모든 시스템 파라미터에 대한 데이터를 수집하므로써 개방 루프 시스템(즉, LNG 액화 과정)을 일단계 테스트하였다. 이 단계에서는, 상기 시스템은 작동중인 플랜트 자체일 수 있거나 또는 플랜트의 완전 비선형 동역학 시뮬레이션일 수 있다. 예컨대, LNG 유속 전달 함수 g11를 밝히고자 하는 경우, 상기 과정을 LNG 오프테이크 밸브 위치에서 일단계 함수 증가 처리하면 이에 따라 LNG 유속 변화가 기록된다.
둘째로, 특정 시스템 특정 소프트웨어 패키지를 사용하여, 일단계 테스트로부터 수집된 데이터를 과정 전달 함수(즉, g11, g22, g23)에 대한 선형 모델을 만드는 시스템 모델링 프로그램에 제공한다. 이는 연속적인 시스템에 대해서는 라플라스(Laplace) 변환형이거나 또는 불연속적인 영역에서는 Z-변환형일 수 있다. 이러한 시스템 확인 소프트 웨어 패키지는, 예를 들면 미국 매사츄세츠주 나티크에 소재한 매트 워크스 인코오포레이티드로부터 시판하는 MATLAB내의 시스템 특정 도구 상자일 수 있다.
다음으로, 과정 전달 함수의 선형 모델을 사용하여 시스템 전달 함수(즉, g11, g22, g23) 각각의 근사 역 함수(C1, C2, C3)를 발견하였으며 이어서 제어기 전달 함수(즉, gC1, gC2, gC3)를 유도하는 모델에 기초한 제어 방법을 사용하였다.
마지막으로, 제어기 모델 전달 함수에 대한 동조 상수는 동역학 비선형 시스템 시뮬레이션을 기초로 하여 조절할 수 있다. 이러한 시뮬레이션은 운용중인 폐쇄 루프 제어 시스템을 다양한 조작 조건으로 처리하는 반면, 시뮬레이션된 파라미터의 조작을 LNG 플랜트내의 파라미터의 기지의 조작과 비교하였다.
도 2에 있어서, 제2의 피드백 루프(202)는 오프라인으로 측정되는 LNG 온도 설정치를 포함하는 데, 이는 공정 요건의 함수이다. 결과적으로, 제2의 피드백 루프(202)를 사용하여 목적하는 생성 온도 값 또는 그 근사값으로 LNG 배출 스트림을 유지한다. 이는 제2의 피드백 루프에서는, 예를 들면 LNG 배출 스트림 온도를 제어하는 압축기 속도를 조절하므로써 달성될 수 있다. 혼합 냉매 원심 압축기의 안내 날개 각 또는 혼합 냉매 축방향 압축기의 고정자 날개 위치와 같은 압축기의 용량에 관한 기타의 압축기 값을 압축기의 MV로서 사용할 수 있다.
앞에서 기재된 바와 같이, LNG 플랜트의 동역학은 과정 전달 함수에 의해 모델링될 수 있으며 그 플랜트 과정(218)은 LNG 온도의 동역학적 과정을 모델로 하여 과정 전달 함수 g22를 통과하는 압축기 값을 변화시키므로써 냉각 정도를 변화시킨다. 압축기 제어기(212)는 LNG 온도 설정치 및 실제 측정된 LNG 배출 스트림 온도 간의 차로부터 유도되는 에러 시그널에 기초하여 속도와 같은 압축기 값을 조절하므로써 피드백 제어를 통하여 LNG의 온도를 조절한다. 압축기 제어기(212)는 과정 전달 함수 g22로부터 유도되는 제어 전달 함수 gC2에 의해 LNG 온도 변환을 상쇄시킨다.
도 2의 제3 피드백 루프(203)는 오프라인으로 측정되며 목적하는 압축기 조작 범위내의 값에 연관한 속도 또는 등가의 값인 압축기 설정치를 포함하며, 또한 예를 들면 효율에 기초한 압축기 특성으로부터 결정될 수 있다. 도 2에서, 제3의 피드백 루프는 입력 복귀(resetting)로서 공지된 단계(cascade) 제어의 특정 형태이며, 이는 LNG 온도와 같은 단일 대상을 제어하기 위해 예시적인 실시태양에서의 고온 JT 밸브의 위치와 같은 임시(extra) MV의 유용성을 이용한다. 입력 복귀 기법은 당해 기술분야에 공지되어 있으며, 예컨대 다중변수 제어, 분석 및 고안이라는 표제하의 시구르드 스코게스타드 및 얀 포스트레트웨이쓰에 의한 (제이. 윌리 및 썬스, 1996)문헌 제416면에 기재되어 있으며 이는 본 명세서에서 참고로 인용하고 있다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 이러한 루프에 대해, 제어기(214)는 과정 전달 함수 g23로부터 유도된 제어 전달 함수gC3에 의한 LNG 온도 변환을 상쇄시킨다.
고온 JT 밸브(18)를 압축기 속도와 동일한 방향으로 이동시키므로써 냉각 정도가 조절되어 LNG 온도에 영향을 미치게된다. 이러한 제3의 피드백 루프(203)는 제2의 피드백 루프(202)를 사용하여 텐덤(tandem)식으로 조작되며 압축기 속도를 그것의 고유한 목적 값으로 복귀시킨다.
본 발명의 또 다른 실시태양에서는, 단 하나의 다중변수 제어기를 사용하여 LNG 온도를 피드백 제어할 수 있다. 다중 변수 피드백 루프(204)는 측정된 LNG 온도와 LNG 온도 설정치의 결합값으로서 에러 시그널을 수용한다. 플랜트 과정 전달 함수(g2)는 압축기 속도 및 고온 JT 밸브 위치의 동시적인 변화에 대한 LNG 온도 감응을 모델로 하는 것이다. 이어서 다중변수 제어기(222)는 목적하는 설정치 쪽으로 LNG 온도가 이동하도록 전달 함수 gC25를 제어하므로써 압축기 속도 및 고온 JT 밸브 위치를 동시에 조절한다.
도 3은 도 2에 설명된 바와 같이 제어 시스템을 이행하는 속도에 기초한 제어 시스템에 대한 센서 및 제어기의 배치를 나타내는 전형적인 혼합 냉매 액화 천연가스 플랜트의 개략적인 흐름도이다. 첫 번째 피드백 루프(201)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 도 2의 유속 제어기(210)에 대응하는 유속 표시 제어기 FIC(28) 및 LNG 오프테이크 밸브(30)에 의해 이행된다. FIC(28)은 LNG 배출 스트림 유속을 측정하며 LNG 유속 설정점(SP10)을 수용한다. 측정된 배출 스트림 유속 및 설정점(SP10)간의 차로부터 얻은 에러 시그널을 기초로 하여 LNG 오프테이크 밸브(30)를 개방하거나 또는 폐쇄하여 LNG 배출 스트림을 목적하는 유속으로 유지시킨다.
도 2의 제2 피드백 루프(202)는 온도 표시 제어기 TIC(26) 및 압축기 속도 제어기(36)에 의해 이행되는 데 이는 모두 도 2의 압축기 제어기(212)에 해당한다. TIC(26)은 실제의 LNG 배출 스트림 온도를 측정하고 LNG 온도 설정점(SP11)을 수용한다. 측정된 배출 스트림 온도 및 설정점(SP11) 결합값인 에러 시그널을 기초로, TIC(26)은 압축기 속도를 조절하는 압축기 시그널 제어기(36)에 대한 시그널을 제공한다. 앞에서 기재된 바와 같이, 압축기 속도 보다는 원심 압축기의 안내 날개 각 또는 축방향 압축기 고정자 날개 위치가 기타의 이행 상태를 변화시킬 것이다.
FIC(28) 및 TIC(26)과 같은 제어기들은 쉽게 입수할 수 있으며 PID 제어기와 같이 이행될 수 있다. 이러한 제어기들은 사용자가 제어기 이득 뿐만 아니라 상기 수학식 1로 표시된 동조 파라미터를 제공할 것을 필요로 한다. 이러한 정보는 앞에서 기재된 제어기 디자인 방법을 기초로 하는 모델을 사용하여 결정될 수 있다.
도 3과 관련하여, 제3의 피드백 루프는 도 2의 제어기(214)에 대응하는 속도 표시 제어기 SIC(53) 및 고온 JT 밸브(18)에 의해 이행된다.
SIC(53)은 압축기 값으로서 압축기 속도를 사용하는 하나의 시스템에 대하여 다음과 같은 방법으로 냉각 정도를 조절한다. 먼저, SIC(53)은 압축기 속도 제어기(36) 및 속도 목적값(이는 오프라인으로 계산될 수 있거나 또는 폐쇄 루프 냉각 사이클에 대한 현재의 냉매 질량 흐름에 대한 최적 속도로부터 결정될 수 있음)으로부터 얻어지는 압축기 속도 시그널(이는 현재의 압축기 속도를 제공함)을 수용하며, 이어서 SIC(53)은, 실제의 압축기 속도 및 목적하는 속도값의 결합값인 에러 시그널에 기초한 제어 시그널을 계산한다. 결과적으로, SIC(53)은 제어 시그널에 감응하여 고온 JT 밸브(18)의 위치를 조절하므로써 압축기 속도를 목적하는 속도값으로 복귀시킨다.
앞에서 설명한 바와 같이 도 2에 도시된 제어 방법으로 두 개의 대상이 제어된다. 두번째 제어 대상은 두 부분으로 이행되는데 이둘 모두 LNG 배출 스트림의 온도를 제어한다. LNG 온도를 제어하는 두 개의 MV를 사용하므로써 제어능을 도우며 또한 LNG 플랜트의 특정한 실장(implementation)에 의해 부과되는 제한값 내에서 LNG 제어 시스템의 조작을 허용한다.
도 2에서는, 단지 피드백 루프(201) 및 (202)를 사용하여 LNG 생성을 유지할 수 있는 반면, 이와 별도로 LNG 온도를 유지한다. 그러나, 속도와 같은 피드백 루프(202)의 압축기 값이 이동될 수 있는 제한된 범위 및 상기 루프와 관련한 낮은 정상 상태 이득에 기인하여, 임시 MV가 유리하다. 이는 압축기가 바람직한 조작 범위 밖의 속도에서 조작되는 것을 막는다. 예를 들면, 너무 높은 속도로 조작되는 경우, 매우 효율적이기는 하나 압축기 부품을 손상시킬 수 있다. 그러나, 너무 낮은 속도로 조작되는 경우에는 압축기 서지(surge)를 일으킬 수 있으며, 이 경우 압축기를 통과하는 질량 흐름이 역전된다. 결과적으로, 본 발명의 한 실시태양은 도 2에서 (203)으로 도시되어 있는 바와 같이 작업중인 압축기 속도를 보조하는 고온 JT 밸브(18)의 위치를 조절하므로써 열교환 시스템을 통과하는 천연가스의 냉각 정도를 조절하는 전술한 제3의 피드백 루프를 포함할 수 있다. 고온 JT 밸브(18)가 상부 제한값에 도달하는 조건에서는, 예를 들면 LNG 유속 및 LNG 온도 설정치를 조절하는 것을 비롯한 추가 조절을 통해 압축기의 위치를 복귀시키고 고온 JT 밸브(18)의 위치를 목적하는 범위로 복귀시킬 수 있다.
바람직한 플랜트 조작상의 특징으로부터 온도 설정치를 결정한다. 예를 들면, 플래쉬 사이클 과정을 사용하는 도 2에 도시된 바와 같은 LNG 플랜트에서는 LNG 생성물이 약 -146℃보다 더 높은 온도에 도달하면, LNG 생성물은 LNG 증기 성분을 함유할 것이며 이성분은 열교환기 장치의 하부스트림에 의해 발화 제거해야 하는 것인 바, 그 결과 바람직하지 않은 천연가스의 손실을 초래한다. 그러나, LNG 생성물이 약 -151℃보다 더 낮은 온도에 도달하면, LNG 생성물은 열교환기의 압축기 하부 스트림의 연료로 사용되기에 충분한 증기 성분을 함유하지 않을 것이다. 이러한 하부 스트림 압축기는 증기 성분의 천연가스를 연료 공급원으로 사용하여 압축기를 작동시키며 이같은 하부 스트림 압축기의 조작상의 특징으로 인해 낮은 단부 조작 온도를 얻게될 것이다. 그러므로, LNG 생성시 목적하는 조작 온도 설정치는 이러한 온도 범위에서 선택될 것이다.
차냉각 과정에서는, LNG 배출 스트림내에 증기를 요하지 않으며 하부 스트림 저장 탱크의 특징에 의해 목적하는 온도 설정치가 결정된다(만약 온도가 너무 높으면 LNG 증기가 발화하나, 온도가 너무 낮으면, 액화 과정이 불충분하다).
본 발명의 실시태양에서는, 일단 고온 JT 밸브(18)가 조절되면, 추가의 제어 루프를 사용하여 저온 JT 밸브(16)의 위치를 조절하여 MRV의 유속을 제어할 수 있으며 MRV 유속 설정치는 MRL/MRV 유속비를 제어하기 위해 조절될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 유속 비 제어기 FRC(51)는 유속비 감지기 FR(52)로부터 MRL/MRV 유속비를 수용하여 MRL/MRV 유속비를 목적하는 설정치와 비교한다. 실제의 MRL/MRV 유속비 및 목적하는 MRL/MRV 유속비의 결합값으로 형성되는 에러 시그널에 기초하여, 밸브 위치를 조절하는 데 저온 JT 밸브(16)에 제어 시그널을 제공한다. 이 추가의 피드백 루프는, 예를 들면 라인(120)의 복귀 온도가 너무 낮아져서 장치에 손상을 주는 것을 막기위해 열교환기내 흐름들의 적당한 균형을 유지하는 데 필요하다.
시스템의 조작상 제한값 내에서 폐쇄 루프 냉각 사이클의 여러 부품들의 작동을 유지하기 위해 다양한 몇 개의 유용한 변수들을 추가의 MV로서 조절할 수 있다. 예를 들면, 도 3에 있어서, 고온 JT 밸브(18) 및 저온 JT 밸브(16)는 각각 충분히 개방된 또는 충분히 폐쇄된 위치에 놓일 수 있으며, 혼합 냉매비는 목적하는 값을 벗어날 수 있거나 또는 혼합 냉매(MVR 또는 MRL) 온도는 허용할 수 있는 범위 외에 놓일 수 있다. 만약 이들 MV가 한계값에 도달한다면, 상기 시스템에는 다음과 같은 것들이 요구된다. 즉, 고온 JT 밸브(18) 또는 저온 JT 밸브(16)가 상한값 또는 하한값에 도달하는 경우 목적하는 압축기 속도는 증가 또는 감소하여야 하며, MRL/MRV 유속 비는 고온 번들(110)(제1압축기에 대한 흡입부)에서 열교환기를 나오는 MR의 온도가 너무 낮으면 MRL/MRV 유속 비는 감소하여야 하고, 서지를 일으키는 일정 거리에 도달하면, 압축기 재순환 밸브(들)를 개방하므로써 압축기 서지 방지를 제어할 수 있다. 추가 한계값은 혼합 냉매압축기 배출 압력 또는 혼합 냉매 압축기 동력에 기초할 수 있다. 이러한 한계값은 조작자가 관여하거나 또는 전술한 예시적인 실시태양과는 별도의 컴퓨터 모니터링 및 제어 시스템에 의해 충족될 수 있다.
마지막으로, 공정 효율을 개선시키기 위해 특정한 작용을 추가할 수 있다. 상기 예시된 시스템에 대해서는, 현재 MR 측정값을 사용하는 피드포워드(feedforward) 계산법을 사용하여 시스템을 통과하는 냉매의 질량에 기준한 목적하는 새로운 압축기 속도값을 결정할 수 있다. 도 2는 속도 목적 설정치를 제공하는 이러한 추가적인 속도 피드포워드 블록(205)을 도시하며 그 피드포워드 계산법은 냉매 재순환에 기초한 제어방법을 참고로 이하에 더욱 자세히 기재되어 있다. 이 경우, 예를 들면 주어진 혼합 냉매 질량 흐름률에 대해 최적의 압축기 속도를 보여주는 표의 값 또는 그래프를 사용하여 목적하는 압축기 속도값을 조절할 수 있다. 이를 위한 최적의 압축기 값은, 예를 들면 압축기 효율과 같은 독립 변수에 기초할 수 있다.
목적하는 MR 압축기 속도값, 또는 혼합 냉매 원심 압축기 안내 날개 각 또는 혼합 냉매 축방향 압축기 고정자 날개 각은 이하의 (a) 내지 (i)(이것으로 한정하는 것은 아님)를 비롯한 많은 변수 또는 요소를 수용하는 오프라인 또는 온라인 정상 상태 최적화 컴퓨터 프로그램 또는 계산법을 사용하여 결정할 수 있다 : (a) 목적하는 LNG 생산량, (b) 천연가스 공급원료 조건, (c) 혼합 냉매 내역, (d) 혼합 냉매 조성, (e) 조작 압력, (f) 이용가능한 동력, (g) 장치 디자인, (h) 압축기 특성 및/또는 (i) 외부 조건.
MRL/MRV 유속 비의 목적값은 이하의 (a) 내지 (i)(이것으로 한정하는 것은 아님)를 비롯한 많은 변수 또는 요소를 수용하는 오프라인 또는 온라인 정상상태 최적화 컴퓨터 프로그램 또는 계산법을 사용하여 결정할 수 있다 : (a) 목적하는 LNG 생산량, (b) 천연가스 공급원료 조건, (c) 혼합 냉매 내역, (d) 혼합 냉매 조성, (e) 조작 압력, (f) 이용가능한 동력, (g) 장치 디자인, (h) 압축기 특성 및/또는 (i) 외부 조건.
냉매 재순환에 기초한 제어 시스템
본 발명을 예시하는 두번째 실시태양은 피드포워드 및 피드백 제어를 사용하는 냉매 재순환 과정에 기초한 제어 시스템을 사용하여 MRL 유속 및 MRV 유속(총 MR 유속), MRL/MRV 유속 비와 이후의 총 MR/LNG 유속비를 변화시킴으로써 그리고 이어서 속도와 같은 압축기 MV를 현재의 MR 질량 흐름에 대한 압축기의 최적 조작 범위내의 값으로 조절하므로써 LNG 생산 온도를 조절한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 재순환에 기초한 실시태양의 기본적인 제어 피드백 및 피드포워드 루프를 예시하는 고준위 블록 다이아그램이다. 예시적인 실시태양은 세개의 주된 제어 섹션으로서 제1의 피드백 루프(401), 제2의 피드백과 피드포워드 섹션(402) 및 제3의 피드백 섹션(403)을 포함하는데, 제1의 피드백 루프(401)는 LNG 생산을 제어하고, 제2의 피드백 및 피드포워드 섹션(402)는 LNG 생산 온도를 제어하며, 제3의 피드백 섹션(403)은 폐쇄 루프 냉각 사이클을 통과하는 냉매(총 MR)의 질량에 기초한 최적 범위내에서 압축기 속도를 유지하도록 압축기 속도를 조절한다.
제1의 피드백 제어 루프(401)에서는, LNG 배출 스트림(LNG 생산량)을 목적하는 LNG 생성물 유속으로 변화시키고 유지하도록 LNG 흐름을 조절하는데, 이는 예를 들면 LNG 오프테이크 밸브(30)(도 5)의 위치를 조절하므로써 달성될 수 있다. 제1의 피드백 루프는 오프라인으로 결정되는 LNG 유속 설정치를 포함하며, 이는 예를 들면 생산 요건에 의해 결정될 수 있다.
LNG 플랜트 과정의 동역학은 전달 함수에 의해 모델링할 수 있으며 압축기 속도에 기초한 제어 방법을 참고로 기술된 방법을 사용할 수 있다. 플랜트 과정(401)은 전달함수 g11을 통하여 LNG 오프테이크 밸브 위치를 변화시키는 LNG 유속의 동역학적 과정을 모델로 한다. 유속 제어기(410)는 LNG 유속 설정치와 실제 측정된 LNG 유속의 결합값으로부터 형성된 에러 시그널을 기초로 LNG 유속을 조절한다. 유속 제어기(410)는 과정 전달 함수 g11'로부터 유도될 수 있는 제어 전달 함수 gC1'에 의해 LNG 유속의 변형을 상쇄시킨다.
LNG 유속 설정치, 과정 전달 함수 g11'및 제어 전달 함수 gC1'은 도 2에서 (201)로 도시된 압축기 속도에 기초한 제어 방법에 대한 LNG 유속 설정치, 과정 전달 함수 g11및 제어 전달 함수 gC1과 동일할 수 있다.
제2의 섹션(402)은 LNG 온도 설정치와 고온 JT 밸브 및 저온 JT 밸브 설정치의 비를 사용하여 설정치 근처로 LNG 온도를 유지하는 LNG 온도 피드백/피드포워드 제어 시스템이다. LNG 온도는 LNG 유속에 대한 총 MR 유속의 비에 관한 목적하는 값을 조절하므로써 제어된다. 먼저, 현재 측정된 LNG 배출 스트림 온도를 LNG 온도 설정치와 비교하여 제어 전달 함수 gC2'에 의해 혼합 냉매 유속의 증량적인 변화를 결정하는 MR 변화 제어기(414)에 에러 시그널을 제공하는데 이는 δ MR 유속값으로 정의되며 LNG 배출 온도의 차를 상쇄시킨다. 이러한 δ MR 유속값 및 LNG 유속 설정치를 사용하여, 총 MR 제어기(416)는 제어 전달 함수 gC3'에 의해 하기 수학식 3에 필요한 총 MR 유속을 결정한다.
총 MR 유속 = δ MR 유속 + (LNG 유속 설정치 × 총 MR 대 LNG 유속비)
두 번째로, 전체 MR 유속과 MRL/MRV 비 설정치를 사용하여 상기 과정을 거쳐 재순환하는 MR의 MRL 유속 및 MRV 유속을 조절한다. 전체 MR 유속 및 MRL/MRV 비 설정치는 제어 전달 함수 gC4'에 의해 새로운 MRL 유속 설정치 및 새로운 MRV 유속 설정치를 결정하는 MRL/MRV 비 제어기(418)에 제공된다. 이는 하기 수학식 4 및 5로 나타낸다.
새로운 MRV 유속 설정치 = 전체 MR 유속 × 1/(MRL/MRV 비 설정치 + 1)
새로운 MRV 유속 설정치 = 전체 MR 유속 - MRV 유속 설정치
일단 새로운 MRV 및 MRL 유속 설정치가 결정되면, 두 개의 피드백 제어 루프는 각각의 MRL 유속 및 MRV 유속을 제어한다. 이들 중 첫 번째 것은 MRL 유속 설정치와 현재 측정된 MRL 유속 설정치를 수용하며 이들 MRL 유속 값들의 결합값인 에러 시그널을 형성하는 MRL 유속 제어기(419)를 사용하며, 제어 전달 함수 gC5'를 통하여, 예를 들면 고온 JT 밸브(18)의 위치를 조절하므로써 MRL 유속을 조절한다. 유사하게, 두번째 제어 루프는 MRV 유속 설정치와 현재 측정된 MRV 유속 설정치를 수용하는 MRV 유속 제어기(420)를 사용하여 이들 MRV 유속 값들의 결합물로서 에러 시그널을 형성하고 제어 전달 함수 gC6'을 통하여, 예를 들면 저온 JT 밸브(16)의 위치를 조절하므로써 MRV 유속을 조절한다. 앞에서 기재된 바와 같은 방법으로, 제어 전달 함수 gC5'및 gC6'을 LNG 배출 스트림 온도에 영향을 미치는 MRL 및 MRV 유속에 관한 LNG 플랜트 과정에 관한 개방 루프 모델인 LNG 플랜트 과정 전달 함수 g21' 및 g22'로부터 결정될 수 있다.
도 5는 도 4에 설명한 바와 같은 제어 시스템을 이행하는 재순환에 기초한 제어 시스템의 센서 및 제어기의 배치를 나타내는 전형적인 MR LNG 플랜트(40B)의 개략적인 흐름도이다.
도 5에 관하여, 도 4의 재순환에 기초한 제어 시스템의 제1의 제어 루프(401)는 LNG 배출 스트림을 설정점(SP20)에 의해 목적하는 유속으로 유지하며 그 제1 제어 루프는 유속 표시 제어기(28) 및 LNG 오프테이크 밸브(30)을 포함하며, 압축기 속도에 기초한 시스템의 제1제어 루프와 유사한 방식으로 작동된다. FIC(28)는 LNG 배출 스트림 유속을 측정하며 LNG 유속 설정점(SP20)을 수용한다. 측정되는 배출 스트림 유속 및 설정점(SP20)의 결합값으로서 형성되는 에러 시그널에 기초하여, LNG 오프테이크 밸브(30)의 위치는 LNG 배출 스트림을 목적하는 유속으로 유지하기 위해 개방 또는 폐쇄된다.
재순환에 기초한 제어 시스템인 도 4의 제2 피드포워드/피드백 제어 루프(402)는 도 5에 도시되어 있으며 이는 온도 표시 제어기(TIC)(26), 총 MR 유속 제어기 TMR FRC(64), MRL 및 MRV 유속 제어기 MRL/MRV FRC(66), 공급원료 포워드 로직(FFL)(68), 저온 JT 밸브(16)를 조절하므로써 MRV 유속을 조절하기 위한 MRV 유속 표시 제어기(MRV FIC)(72), 그리고 고온 JT 밸브(18)를 조절하므로써 MRL 유속을 조절하기 위한 MRL 유속 표시 제어기(MRL FIC)(70)을 포함한다.
TIC(26)는 LNG의 목적하는 배출 스트림 온도에 상응하는 LNG 배출 스트림 설정치(SP21)을 수용하며, 또한 LNG 배출 스트림의 현재 온도를 측정한다. 현재의 온도와 설정치(SP21)간의 차이에 관한 에러 시그널에 기초하여, TIC(26)은 LNG 온도를 조절하는데 필요한 δ MR 유속을 나타내는 온도 조절 제어 시그널을 제공하는 데 이 제어 시그널은 도 4의 총 MR 제어기(416)에 대응하는 TMR FRC(64)에 제공된다. TMR FRC(64)는 또한 목적하는 LNG 배출 스트림 유속에 해당하는 설정치(SP20)을 수용한다. 전술한 수학식 1을 사용하면, TMR FRC(64)는 목적하는 전체 MR 유속을 FFL(68)에 제공한다.
또한, 도 4의 MRL/MRV 비 제어기(418)에 대응하는 MRL 및 MRV 유속 비 제어기(MRL/MRV FRC)(66)은 MRL/MRV 유속비 설정치(SP22) 및 TMR FRC(64)로부터 나오는 현재의 MR 유속을 수용하여 새로운 MRL 및 MRV 유속 설정치를 제공하는데 이는 전술한 수학식 2와 3을 사용하여 FFL(68)에 의해 설정치(SP23) 및 (SP24)로 각각 전환된다.
마지막으로, MRL 제어기(419) 및 MRV 제어기(420)는, 저온 JT 밸브(16)를 조절하는 새로운 설정치(SP23)에 기초한 MRV 유속 조절용 MRV 유속 표시 제어기 MRV FIC(72)에 의해, 그리고 고온 JT 밸브(18)를 조절하므로써 에 의하여 새로운 설정치(SP24)에 기초한 MRL 유속 조절용 MRL 유속 표시 제어기(MRL FIC)(70)에 의해 이행된다.
결과적으로, 고온 JT 밸브(18)의 위치를 조절하는 피드백 루프에 의해 MRL 유속이 목적하는 설정치로 제어되며, 저온 JT 밸브(16)의 조절을 통한 피드백에 의해 MRV 유속이 목적하는 설정치로 제어된다. 혼합 냉매 액체 유속 대 혼합 냉매 증기 유속(MRL/MRV)의 비에 대한 목적하는 설정치(SP22)는 MRL 유속의 설정치(SP24)를 조절하므로써 유지된다. 마지막으로, 전체 MR 유속 대 LNG 유속의 비는 MRV 유속의 설정치(SP23)를 조절하므로써 얻는다. 이러한 방법으로, LNG 배출 온도는 설정치(SP21) 근처로 유지되며 LNG 배출 스트림 유속은 설정치(SP20)근처로 유지된다.
도 4에서는, 피드백 루프(401) 및 LNG 온도 피드백/피드포워드 섹션(402)은 LNG 생산량을 유지하는 반면, 별도로 LNG 온도를 유지한다. MRL, MRV 및 총 MR 유속/LNG 유속 변화를 빠르게 감응하여 온도를 유지하므로써 그 결과, 압축기를 통과하여 흐르는 냉매의 주어진 질량에 대한 압축기의 바람직한 조작 범위 밖의 속도에서도 압축기가 조작될 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 실시태양은 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 제어 전달 함수 gC7'을 사용하는 제 어과정(422)을 갖는 제3의 피드포워드 섹션(403)을 포함할 수 있는데 이는 압축기 시스템을 통과하는 전체 냉매의 질량을 기준으로 압축기 속도를 조절한다. 이득 gC7'을 통해 제공되는 출력 압축기 속도는 과정 전달 함수 g23'를 통한 LNG 배출 온도에 영향을 미친다.
도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 도 4의 피드포워드 섹션(403)은 피드포워드 제어기(FF)(62) 및 각각의 압축기 단(즉, 저압 압축기(34) 및 고압 압축기(32))에 대한 속도 제어기 쌍(36)과 (38)에 의해 이행될 수 있다. 비록 본 발명의 실시태양이 압축기 속도에 대하여 기술되고 있기는 하나, 고정자 날개 위치 또는 안내 날개 각과 같은 등가의 압축기 값을 사용할 수 있으며 이것에 한정되는 것은 아니다. FF(62)는 수용된 MR 질량 유속을 측정한다. 그후 FF(62)는, 압축기 효율에 관한 입수가능한 정보를 기초로 하여 압축기, 즉 저압 압축기(34) 또는 고압 압축기(32) 각각의 작동을 조절하는 속도 제어기(36) 및 (38)에 일정한 압축기 값을 제공한다. 이같은 조절은 MR의 흐름률의 함수로서 압축기의 성능으로부터 유도되는 성능 곡선에 기준할 수 있다.
제3의 제어 루프에서는, 혼합 냉매 저압 압축기(32)와 혼합 냉매 고압 압축기(34)의 속도는 추가로, 그리고 별개로 FF(62)에 의해 조절된다. 각각의 FF(62)은 각각의 압축기에 대한 현재의 혼합 냉매 유속을 측정하며 저압 압축기(34) 또는 고압 압축기(32)에 대한 목적하는 질량 흐름률에 기초한 각각의 압축기 속도 제어기(36) 또는 (38)에 대한 속도 제어 시그널을 전송하여 최대의 압축기 효율을 보장한다. 따라서, 그후 압축기 속도 제어기(36) 또는 (38)는 각각의 압축기 속도를 설정한다. 속도가 고정되어 있거나 적합한 제어를 위해 속도를 변화시킬 수 없는 플랜트에서는, 등가의 변수를 이동시킬 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 혼합 냉매 원심 압축기의 안내 날개 각은 각각의 압축기가 최대의 압축기 효율을 보장하도록 현재의 질량흐름률의 함수로서 조절될 수 있다. 하나 이상의 혼합 냉매 축방향 압축기의 고정자 날개 각 또한, 각각의 압축기가 최대의 압축기 효율을 보장하도록 현재의 질량 흐름률의 함수로서 조절될 수 있다.
소정의 압축기 서지 정도에 도달하면 압축기 서지 방지를 위해 압축기 재순환 밸브(들)를 개방시킨다. 이는, 예를 들면 조작자가 관여하거나 또는 서지 방지 제어기를 사용하므로써 이루어질 수 있다.
예컨대, 시스템 조작상의 요건을 통하여 고온 번들(110)의 온도에 대한 적합한 저온 제한 값을 결정하므로써 주된 저온 열교환기의 고온 번들(110)에서의 재순환 냉매의 온도를 제한적으로 제어할 수 있다. 이어서 고온 단부 온도를 측정하고 측정된 고온 단부 온도를 상기 제한 값과 비교한다. 만약 그 온도가 제한값보다 낮으면, 목적하는 바람직한 MRL/MRV 유속 비의 값은 감소된다.
혼합 냉매 압축기 속도 또는 혼합 냉매 원심 압축기 안내 날개 각 또는 혼합 냉매 축방향 압축기 고정자 날개 각에 대한 목적값은 이하의 (a) 내지 (f)(이것으로 한정하는 것은 아님)를 비롯한 많은 변수 또는 요소를 수용하는 오프라인 또는 온라인 정상 상태 최적화 컴퓨터 프로그램 또는 계산법을 사용하여 결정할 수 있다 : (a) 혼합 냉매 조성, (b) 조작 압력, (c) 이용가능한 동력, (d) 장치 디자인, (e) 압축기 특성 및/또는 (f) 외부 조건.
MRL/MRV 유속비에 대한 목적값은 이하의 (a) 내지 (i)(이것으로 한정하는 것은 아님)를 비롯한 많은 변수 또는 요소를 수용하는 오프라인 또는 온라인 정상 상태 최적화 컴퓨터 프로그램 또는 계산법을 사용하여 결정할 수 있다 : (a) 목적하는 LNG 생산량, (b) 천연가스 공급원료 조건, (c) 혼합 냉매 내역, (d) 혼합 냉매 조성, (e) 조작 압력, (f) 이용가능한 동력, (g) 장치 디자인, (h) 압축기 특성 및/또는 (i) 외부 조건.
본 발명의 예시적인 실시태양의 모델링
LNG 과정의 제어 시스템 및 정밀 비선형 모델을 사용하는 LNG 플랜트의 동역학적 시뮬레이션 결과를, 도 3 및 도 5에 도시된 LNG 플랜트 제어 방법의 성능을 비교하기 위해 분석할 수 있다. 과정 전달 함수를 정의하는 데 사용되는 고안된 제어 시스템 전달 함수 및 선형 모델은 전술한 바와 같이 결정될 수 있다. 속도에 기초한 제어 방법 및 재순환에 기초한 제어 방법의 성능은 전형적인 2 번들 기준 부하 LNG 플랜트의 정밀 비선형 모델을 사용하여 입증하였다. 그 결과는 MCHE/MCR 루프 섹션의 폐쇄 루프 동역학 시뮬레이션으로부터 얻었다. 표 1에는 예시적인 동역학 시뮬레이션에 사용되는 비선형 모델에 대한, 중요 과정 변수 및 상응하는 초기 정상 상태 값을 비롯한 시스템 파라미터를 수록하였다. 표 1의 값은 LNG 플랜트가 모델링될 때의 "순간 포착값(snap-shot)"을 나타낸다.
LNG 플랜트 모델에 대한 모델 변수
TAG 플랜트 시뮬레이션 에러%
밸브 위치
LNG 오프테이크 E5TIC01A MV 78% 90.62% 16.18
저온 JT 밸브 E5PRIC15 MV 82% 90.075% 9.85
고온 JT 밸브 E5FIC002 MV 83% 97.461% 17.42
압축기 속도
4K-2 E4SI023A set 4556 rpm 4556 rpm 0.00
4K-3 E4SI028A set 4499 rpm 4499 rpm 0.00
유속
발화 탱크 이후의 LNG 생산량 E5FI006A 715 m3/h m3/h
MHE로부터 LNG 오프테이크 계산치 18687 kmol/h 18110.27 kmol/h -3.09
MRV E5FI001A 173200 Nm3/h 183666 Nm3/h 6.04
MRV 계산치 7732 kmol/h 8196.58 kmol/h 6.01
MRL E5FIC002A 870 m3/h m3/h
MRL 계산치 17352 kmol/h 19683.98 kmol/h 13.44
4K-2 방출 E4FI010B 608897 Nm3/h 624738.8 Nm3/h 2.60
4K-3 방출 E4FI011B ? 578101 Nm3/h 624738.8 Nm3/h 8.07
LNG 플랜트 모델에 대한 모델 변수
TAG 플랜트 시뮬레이션 에러%
압력
쉘, 저온 단부 E5PIC002 3.663 ㎏/㎠ 3.746 ㎏/㎠ 2.27
쉘, 고온 단부 E5PI009 3.203 ㎏/㎠ 3.16 ㎏/㎠ -1.34
LNG 오프테이크 E5PI010 21.903 ㎏/㎠ 23.161 ㎏/㎠ 5.74
공급원료 E5PI012 38.523 ㎏/㎠ 38.573 ㎏/㎠ 0.13
MRV, 저온 단부 E5PI008 29.843 ㎏/㎠ 29.763 ㎏/㎠ -0.27
MRV, 고온 단부 E5PI001 46.333 ㎏/㎠ 47.172 ㎏/㎠ 1.81
MRL, 중간점 E5PI007 36.993 ㎏/㎠ 40.0998 ㎏/㎠ 8.40
MRL, 고온 단부 E5PI001 46.333 ㎏/㎠ 47.258 ㎏/㎠ 2.00
4K-2 흡입 E4PI0036 3.2 ㎏/㎠ 3.129 ㎏/㎠ -2.22
4K-2 방출 E4PI015A 13.85 ㎏/㎠ 13.503 ㎏/㎠ -2.51
4K-3 흡입 E4PI0041 13.543 ㎏/㎠ 13.07 ㎏/㎠ -3.49
4K-3 방출 E4PI017B 49.85 ㎏/㎠ 49.119 ㎏/㎠ -1.47
HPSEP E5PI001 46.333 ㎏/㎠ 47.1722 ㎏/㎠ 1.81
온도
쉘, 저온 단부 E5TI024 ? -144. 02℃ -156.38℃ -9.57
쉘, 중간점 E5TI025 -117. 7℃ -120.16℃ -1.58
쉘, 고온 단부 E5TI008 -35.7℃ -35.857℃ -0.07
LNG 오프테이크 E5TIC01A -147℃ -146.087℃ 0.72
LNG, 중간점 E5TI26/27 평균 -117.7℃ -113℃ 3.02
공급원료 E5TI023 -33.3℃ -33.248℃ 0.02
MRV, 저온 단부 E5TI030 -144℃ -147.447℃ -2.67
MRV, 중간점 E5TI021 -117.1℃ -109.82℃ 4.67
MRV, 고온 단부 E5TI047 -32.8℃ -33.1℃ -0.12
MRL, 중간점 E5TI031 -116.6℃ -108.332℃ 5.28
MRL, 고온 단부 E5TI047 -32.8℃ -33.096℃ -0.12
LNG 플랜트 모델에 대한 모델 변수
TAG 플랜트 시뮬레이션 에러%
온도
4K-2 흡입 E4TI004B -38.7℃ -36.0657℃ 1.12
4K-2 방출 E4TI007B 59.7℃ 57.08℃ -0.79
4K-3 흡입 E4TI006B 30.5℃ 30.2046℃ -0.10
4K-3 방출 E4TI008B 129.3℃ 127.777℃ -0.38
HPSEP E5TI047 -32.8℃ -33.1℃ -0.12
조성
공급원료, N2 9.52E-03 9.30E-03 -2.31
공급원료, C1 0.9188 0.8976 -2.31
공급원료, C2 0.0517 0.0505 -2.32
공급원료, C3 0.021 0.050969 78.66
공급원료, C4 4.02E-02 0 x
공급원료, I4 3.49E-02 0 x
공급원료, I5 1.75E-04 0 x
MCR, N2 0.0564 0.05648 0.14
MCR, C1 0.4094 0.4044579 -1.21
MCR, C2 0.4617 0.4556615 -1.31
MCR, C3 0.0725 0.0833973 15.03
변수
MR 유속비 계산치 2.2441 2.4014 7.01
MRL/LNG 유속비 계산치 1.3423 1.5394 14.69
압축비 15.12 15.6979 3.82
HPSEP 농도 63% 59% 6.349
표 1의 값은 특정 순간의 정상 상태 값이다. 당해 기술분야에 공지되어 있는 바와 같이, 각각의 특정한 LNG 플랜트는 상이한 조작 특성을 가지며, 비선형 모델을 사용하는 LNG 플랜트의 동역학 시뮬레이션은 특정한 LNG 플랜트에 따라 제작될 것이다. 결과적으로, 비교, 즉 제어 대상과 표 1의 상응하는 정상 상태의 조작 값은 예시적인 것이다.
제어 대상을 하기 표 2에 수록하였다.
제어 대상
제어 변수 설정점 허용 범위
LNG 유속 18110 kmol/h +/- 2%
LNG 온도 -146℃ +/- 2.5℃
MV 제한값
MV 최대 최소 변화 속도
LNG, CJT, WJT 1.16 0
4K-2 속도 4900 rpm 3500 rpm ＜ 5 rpm/초
4K-3 속도 4900 rpm 3500 rpm ＜ 5 rpm/초
출력 제한값
변수 최대 제한값 최소 제한값
방출 압력 51 ㎏/㎠
쉘 온도, 고온 단부 -38℃
서지까지의 거리 서지로부터 8%
표 2에는 제어 대상에 대한 예시적인 최대값, 최소값 및 범위를 예시하며, 또한 MV 및 출력 제한값을 수록하였한다. 이러한 대상을 기타의 시스템에 관련시키기 위해, 이들 대상의 측정법을 이하에 간단히 설명하였다. LNG 유속에 대해, LNG 플랜트 최대 생산값은 플랜트 종류와 천연가스 공급량에 따라 결정되며, 그 최소값은 플랜트의 운전정지에 해당하는 0이다. 결과적으로, LNG 유속에 대해, 목적하는 유속은 LNG 플랜트 작동자 및 플랜트 생산 스케줄에 따라 결정된다. 일단 목적하는 유속이 결정되면, 예시적인 제어 대상인 +/- 2% 변화율은 LNG 플랜트에서 유속을 제어하기 위해 현재 사용되는 전형적인 값에 관한 것이다. 최대값 및 최소값까지 까지 더 큰 범위의 LNG 유속 변화값을 사용할 수 있으나, LNG 플랜트 효율에 영향을 미칠 수 있다. 더 작은 범위의 LNG 유속 변화값을 사용할 수 있으나, 그 최소 범위는 측정 장치의 정확도, 제어 부품의 정밀도 및 LNG 플랜트 과정의 순간적인 감응 특성에 의해 결정될 것이다. 결과적으로, 최소 범위는 LNG 플랜트의 연구 또는 시뮬레이션에 의해 밝혀질 수 있다.
LNG 배출 스트림의 온도에 대한 최대 및 최소 조작 범위를 결정에 대하여는 앞에서 기재하였으며 이는 발화 사이클, 차냉각 과정 또는 기타의 수송 또는 보관 조건(이들에 한정되는 것은 아님)과 같은 하부 스트림 과정에 좌우된다. +/- 2.5℃로 예시되는 LNG 온도 변형 범위는 전형적인 플랜트 조작으로부터 결정되나 더욱 작은 범위를 사용할 수도 있다. 최소의 범위는 측정 장치의 정확도, 제어 부품의 정밀도 및 LNG 플랜트 과정의 순간적인 감응 특성에 의해 결정될 것이다.
저압 압축기 및 고압 압축기에 대한 최대 조작 범위와 최소 조작 범위에 대하여는 사용된 특정 압축기에 대한 제조업자의 설계설명서에 좌우된다. 5 rpm/초 미만의 압축기 속도 변화 범위는 전형적인 플랜트 압축기로부터 결정된다. 최대 변화 범위는 기계적인 조작법을 고려하여 결정될 것이다.
또한 전술한 바와 같이, 고온 JT 밸브, 저온 JT 밸브 및 LNG 오프테이크 밸브의 조작 범위는 완전히 개방된 상태 또는 완전히 폐쇄된 상태 까지이며, 이 범위내에서는 자유롭게 이동할 수 있다.
또한 마지막으로, 출력 제한은 특정한 LNG 플랜트 디자인에 따라 결정된다. 방출 압력은 열교환기 회로의 고안 압력에 의해 정해지며, 고온 단부에서의 쉘 온도는 하부 스트림 장치를 손상시키지 않는 최소 온도로 정해질 것이며 이는 약 -50℃이고, 전형적으로는 LNG 플랜트 조작에 사용되는 온도인 -38℃이다.
도 2 및 제어 함수를 이행하는 PID 제어기에 의해 설명된 바와 같이, 압축기 속도에 기초한 제어 방법을 사용하는 목적하는 실시예에 대해, 제어 전달 함수는 이하의 동조 파라미터를 갖는다. 즉, gC1'(LNG 유속 제어)에 대하여서는, 비례 이득이 10-5ℓ/kmol/h이며 적분 시간 τ1은 2초이고, gC2'(LNG 온도 제어)에 대하여서는, 비례 이득은 -500 rpm/℃이며 적분 시간 τ1은 295초이다. 제3의 피드백 루프에 대해서는, 모델에 기초한 제어 알고리즘을 전술한 바와 같이 사용한다. 이것은 1차 필터를 포함하며, 상기 필터 시간 상수는 조절가능한 동조 파라미터로 사용한다. 상기 시간 상수는 폐쇄 루프 시스템의 목적하는 감응 속도에 관한 것이며 이들은 안정성을 고려하여 제한될 수 있다.
도 4에 의해 설명된 바와 같이, 냉매 재순환에 기초한 제어 방법을 사용하는 목적하는 실시예에 대해, 비례 이득은 이하의 동조 파라미터를 갖는다. 즉, gC1'(LNG 유속 제어)에 대하여서는, 비례 이득이 10-5ℓ/kmol/h이며 적분 시간 τ1은 2초이고, gC2'(LNG 온도 제어)에 대하여서는, 비례 이득이 600 rpm/℃이며 적분 시간 τ1은 2500초이다. gC3'에 대해서, 상기 이득은 개방 루프 감응으로부터 유도된 과정의 모델로부터 결정된다. gC4'에 대해서, 상기 이득은 개방 루프 감응으로부터 유도된 과정의 모델로부터 결정된다. gC5'(고온 JT 밸브 유속 제어)에 대하여서는, 비례 이득이 10-5ℓ/kmol/h의 비례값이 얻어지며 적분 시간 τ1은 1초이고, gC6'(저온 JT 밸브 유속 제어)에 대하여서는, 비례 이득이 3.528×10-6ℓ/kmol/h이며, 적분 시간 τ1은 1초이고, gC7'에 대하여서는, 상기 이득은 개방 루프 감응으로부터 유도된 과정의 모델로부터 결정된다.
상이한 4개의 시뮬레이션 시나리오를 예시하였다. 그 결과는 속도에 기초한 제어 방법과 재순환 과정에 기초한 제어 방법 모두에 대하여 제시하였으며 이를 경우에 따라 목적하는 설정치와 비교하였다. 시뮬레이션 시나리오의 결과를 도 6 내지 9를 통하여 설명하였는 바, 이는 시간의 함수로서 연구중인 다양한 변수의 행태로 나타내었다. 도 6 내지 도 9에 사용된 시간 단위는 초이다(28800 초 = 8 시간). 도 6 내지 도 9에 예시된 시뮬레이션은 압축기 속도에 기초한 방법((a)로 표시함)과 재순환 과정에 기초한 방법((b)로 표시함) 모두가 다양한 시나리오의 제어 대상을 만족시킨다는 것을 보여준다.
도 6A 내지 도 6D는 LNG 유속 설정치 시나리오의 4% 단계 감소에 대한 압축기 속도에 기초한 제어 방법과 재순환 과정에 기초한 제어 방법의 성능을 예시한다. 도 6A는 시간에 대한 LNG 유속의 제어를 예시하는 그래프이며, 도 6B는 시간에 대한 LNG 온도의 제어를 예시하는 그래프이며, 도 6C는 시간에 대한 압축기 속도의 제어를 예시하는 그래프이고, 도 6D는 LNG 유속 설정치 시나리오의 4% 감소에 대한, 시간에 대한 고온 JT 밸브 위치의 이동을 예시하는 그래프이다.
도 6A 및 도 6B는 압축기 속도에 기초한 제어 방법과 재순환 과정에 기초한 제어 방법을 모두 사용하면 유속 및 온도가 각각 엄격히 제어된다는 것을 예시한다. 도 6C는 시간의 함수로서 압축기 속도를 보여준다. 두 제어 방법은 모두 낮은 열 하중으로 인한 초기의 온도 감소를 보정하기 위해 속도가 초기에 빠르게 감소하는 것을 보여준다. 앞에서 지적한 바와 같이, 속도에 기초한 방법은 속도를 그것의 원래 목적값(이 실시예에 대해서 4550 rpm)으로 복귀시키도록 고안되며, 추가의 MV로서 고온 JT 밸브 위치를 사용하므로써 이를 수행한다. 고온 JT 밸브의 개방 정도를 감소시키는 것은 비록 압축기 속도를 감소시키는 것보다 더 느리게 이루어지더라도 동일한 방향으로 LNG 온도에 영향을 미친다. 두 MV의 결합 효과는, 도 3에 도시된 개요도와 같이 배열되는 경우, 초기 이동 이후 압축기 속도를 곧 그것의 원래 값으로 복귀시킨다. 이것의 예로서, 새로운 정상 상태에서, 속도는 그것의 원래 목적 값으로 복귀되며 고온 JT 밸브는 약 5% 까지 폐쇄된다.
도 7A 내지 도 7E는 LNG 유속 설정치 시나리오의 4% 단계 증가에 대한 압축기 속도에 기초한 제어 방법의 성능 및 재순환 과정에 기초한 제어 방법의 성능을 설명한다. 도 7A는 시간에 대한 LNG 유속의 제어를 예시하는 그래프이며, 도 7B는 시간에 대한 LNG 온도의 제어를 예시하는 그래프이며, 도 7C는 시간에 대한 고온 JT 밸브 위치 및 저온 JT 밸브 위치를 예시하는 그래프이고, 도 7D는 시간에 대한 열교환기의 쉘 온도를 예시하는 그래프이며, 도 7E는 LNG 유속 설정치 시나리오의 4% 단계 감소에 대한, 시간에 대한 압축기 속도의 제어를 예시하는 그래프이다.
또한 도 7A 내지 도 7E에 설명된 성능은 온도 감응이 재순환 과정에 기초한 방법에 대하여 더 느리긴 하나 LNG 유속과 LNG 온도 모두가 표 2에서 요구되는 범위내에서의 이 시나리오에 따라 잘 제어된다는 것을 보여준다. 도 7A 내지 도 7E는 이러한 시나리오의 몇몇 제한값 제어 작용을 예시한다. 초기의 정상 상태 LNG 배출 스트림은 이미 높은 생산 값이며, LNG 유속 설정치는 추가로 4% 까지 증가된다. 고온 JT 밸브 위치는 그것의 제한값과 만나지 않으나(표 2에서는 1.16으로 정의됨), 저온 JT 밸브는 제한값에 도달한다. 속도에 기초한 제어 방법의 경우, 저온 JT 밸브 위치는 열교환기 쉘 고온 단부가 너무 차가와지는 것을 막기 위해 증가된다. 저온 JT 밸브(16)의 위치는 제한값에 도달하나, 제어 방법은 여전히 쉘 고온 번들을 그것이 제한값에 가깝게 제어하여야 한다. 저온 JT 밸브(18)의 위치가 그것의 제한값에 도달하는 경우, 이 실시예의 제어 방법은 속도 목적값을 압축기에 대한 4550 rpm으로부터 약 4850 rpm까지 증가시킨다.
도 8A 내지 도 8D는 LNG 유속 설정점 시나리오에서, 분당 1%씩 35% 경사 감소에 대한 압축기 속도에 기초한 제어 방법과 재순환 과정에 기초한 제어 방법의 성능을 설명한다. 도 8A는 시간에 대한 LNG 유속의 제어를 예시하는 그래프이며, 도 8B는 시간에 대한 LNG 온도의 제어를 예시하는 그래프이며, 도 8C는 시간에 대한 저압 압축기 속도와 고압 압축기 속도를 예시하는 그래프이고 도 8D는 LNG 유속 설정점에서 LNG 유속 설정점 시나리오에서, 분당 1%로 35% 경사 감소에 대한, 시간에 대한 고온 JT 밸브 위치 이동을 예시하는 그래프이다.
도 8A 내지 도 8D는 예시적인 제어 방법에 의한 LNG 유속 및 LNG 온도 제어는 표 2의 요건에 부합한다는 것을 설명한다. 도 8C는 이러한 실시예에 대한 압축기 속도를 보여주는 것으로, 속도에 기초한 방법에서는 일단 생산 유속의 경사 저하가 이루어지면, 고온 JT 밸브 위치 조절을 보조함으로써 압축기는 원래의 속도로 복귀된다는 것을 보여준다. 결과적으로, 압축기는 LNG 유속의 연속적인 경사 저하(또는 경사 증가)에 대하여 충분한 속도 조작 범위를 갖는다. 이 예시적인 35%의 생산 경사 저하 시나리오에 대해, 압축기는 압축기 서지 상태에 접하고 있다. 이러한 상황에서, 서지를 일으키기 까지의 간격이 8% 미만인 경우 각각의 압축기에 대한 재순환 밸브를 개방시키므로써 서지 상태를 막는다.
서보 변화 및 외란 방지 시나리오에 있어서, 도 9A는 시간에 대한 LNG 유속의 제어를 예시하는 그래프이며, 도 9B는 시간에 대한 LNG 온도의 제어를 예시하는 그래프이다. 도시된 바와 같이, 압축기 속도에 기초한 제어 방법 및 재순환 과정에 기초한 제어 방법은 모두 LNG 유속 및 온도를 적합하게 제어한다. 이러한 시나리오에 대해, 하기한 일련의 상태를 시뮬레이션하였다. 100 초에서, LNG 유속 SP를 +2%(18472)로 증가시킨다. 1000 초에서, LNG 온도 SP를 2% 까지 변화시킨다(더 낮은 온도인 -149℃). 5000 초에서, 공급 원료 압력을 2% 까지 감소시킨다. 10000 초에서, 공급원료의 C1 조성을 2% 까지 감소시킨다. 15000 초에서, MCR 온도를 HPSEP로 2% 까지 증가시킨다. 20000 초에서, LNG 온도 SP를 4% 까지 변화시킨다(더 높은 온도인 143.1℃).
이제까지 본 발명의 바람직한 실시태양을 도시하고 기술하였으나, 이러한 실시태양은 단지 예시의 형식으로만 제공된 것이다. 따라서, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는한 다양한 수정, 변형 및 치환은 당업자에게는 자명한 것이다. 따라서, 본 발명의 취지 및 정신의 범위내에서 하기한 특허청구 범위는 이러한 모든 변형을 포괄하는 것이다.
본 발명에서는 LNG 생산량을 목적하는 생산량으로 설정하고 이를 유지하는 제어 시스템에 의해 천연가스 스트림의 냉각 과정을 조절하므로써 LNG 온도를 제어한다이로써 종래 기술에서 수행되었던 바와 같이 생산량을 이용가능한 냉각 과정에 맞추는 것과 반대로, 냉각 과정을 목적하는 생산량에 따라 조절한다.

Claims (34)

  1. 하기 (a) 및 (b)단계를 포함하여, 액화 과정을 통과하는 천연가스를 냉각시켜 액화 천연가스(LNG) 배출 스트림의 생산을 제어하는 방법:
    (a) LNG 배출 스트림의 온도 및 유속을 측정하는 단계, 및
    (b) 천연가스의 냉각 정도를 변화시키므로써 LNG 배출 스트림의 온도를 조절하고, 별도로 상기 액화 과정을 통과하는 LNG의 속도를 조절하므로써, LNG 배출 스트림의 유속 및 온도를 각각 목적하는 유속값 및 목적하는 온도값으로 유지시키는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계(b)는 폐쇄 루프 냉각 사이클에서 냉각시키는 단계(여기서, 압축기가 냉매의 유속과 냉매의 압력을 조절함)와, 압축기의 속도, 압축기의 안내 날개 각 및 압축기의 고정자 날개 위치로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 압축기 값을 변화시켜서 폐쇄 루프 냉각 사이클의 작동을 조절하므로써 LNG 배출 스트림의 온도를 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    (c) 하나 이상의 압축기 값에 대한 압축기의 작동 범위를 규정하는 제한값에 기초하여 대응하는 목적값을 정하는 단계,
    (d) 그 하나 이상의 압축기 값을 상기 대응하는 목적값으로 조절하는 단계,
    (e) 상기 하나 이상의 압축기 값으로 조절하는 것을 기초로, 냉매의 재순환과 연관된 하나 이상의 값을 변화시키므로써, LNG 배출 스트림의 유속 및 온도를 유지시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단계(d)는 상기 하나 이상의 압축기 값 및 상기 대응하는 목적값에 기초한 피드백 시그널을 기초로, 하나 이상의 냉매 값을 변화시키는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 냉매 유속 및 LNG 배출 스트림의 유속을 측정하는 단계와, 냉매의 유속 대 LNG 유속의 비를 정하는 단계와, 그 비를 조절하여 폐쇄 루프 냉각 사이클의 작동을 조절하므로써 LNG 배출 스트림의 온도를 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 냉매를 부분적으로 응축시켜 냉매 액체 및 냉매 증기를 형성시키고, 상기 유속 측정 단계는 냉매 증기 유속과 냉매 액체 유속을 측정하는 과정을 더 포함하며, 상기 비 조절 단계는 목적하는 유속비가 얻어질 때까지, 냉매 증기 유속을 조절하여 냉매 유속을 설정하고 냉매 액체 유속을 조절하여 상기 비를 조절하는 과정을 더 포함하는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 냉매를 부분적으로 응축시켜 냉매 액체 및 냉매 증기를 형성시키고, 상기 유속 측정 단계는 냉매 증기 유속과 냉매 액체 유속을 측정하는 과정을 더 포함하며, 상기 비 조절 단계는 목적하는 유속비가 얻어질 때까지, 냉매 액체 유속을 조절하여 냉매 유속을 설정하고 냉매 증기 유속을 조절하여 상기 비를 조절하는 과정을 더 포함하는 방법.
  8. 하기 (a) 내지 (f)단계를 포함하여, 천연가스를 냉각시키는 천연가스 액화 과정으로부터 액화 천연가스 배출 스트림의 온도 및 유속을 동시 제어하는 방법:
    (a) LNG 배출 스트림에 대한 목적하는 유속을 정하는 단계,
    (b) LNG 배출 스트림의 실제 유속을 감지하는 단계,
    (c) LNG 배출 스트림의 실제 유속을 목적하는 유속으로 조절하는 단계,
    (d) LNG 배출 스트림에 대한 목적하는 온도를 정하는 단계,
    (e) LNG 배출 스트림의 실제 온도를 감지하는 단계 및
    (f) 천연가스 냉각 정도를 제어하여 LNG 배출 스트림의 온도를 목적하는 온도로 조절하는 단계.
  9. 제8항에 있어서, 상기 천연가스 액화 과정은 고온 단부와 저온 단부 및 그 고온 단부에 있는 천연가스 공급원료 스트림 유입구를 구비한 열교환기와, 별도의 냉각 사이클내에 포함된 냉매 스트림과의 간접적인 열교환에 의해 천연가스를 냉각 및 액화시키는 상기 열교환기 내의 도관과, 열교환기의 저온 단부에 존재하는 LNG 배출 스트림 전달용 액화 천연가스 라인을 포함하는 플랜트에서 수행되며,
    상기 라인은 LNG 유속 제어 장치를 구비하며,
    상기 냉각 사이클은 냉매를 압축시키는 압축기, 압축된 냉매를 응축시키는 응축기, 응축된 냉매를 팽창시키고 그 팽창된 냉매를 열교환기 내의 증발 구간으로 도입시키는 팽창 장치(상기 증발구간에서, 팽창된 냉매는 천연가스 스트림과 간접적으로 열교환되어 천연가스 스트림을 냉각시키므로써 천연가스를 액화시킴) 및 팽창되고 증발된 냉매를 고온 단부로부터 압축기로 복귀시키는 수단을 포함하며,
    냉각 정도의 제어는 압축기를 작동시키는 과정과 팽창 장치를 작동시키는 과정으로 이루어지는 군으로부터 선택된 과정 변수를 조작하는 것에 의한 피드백 제어를 통하여 이루어지는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 응축기는 압축된 냉매를 부분적으로 응축시켜서 증기 냉매 및 액체 냉매를 생성시키는 기능을 가지며, 증기 냉매 및 액체 냉매 각각에 대한 별개의 팽창 장치가 존재하며 별개의 팽창 장치 중 하나 또는 둘 모두가 별도로 조작되는 것인 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 냉매 압축기는 안내 날개를 갖는 원심 압축기 및 고정자 날개를 갖는 축방향 압축기로 이루어지는 군으로부터 선택되며, LNG 배출 스트림의 유속은 LNG 유속 제어 장치를 조절하므로써 피드백 제어되며, LNG 배출 스트림의 온도는 (a) 냉매 압축기 속도, (b) 안내 날개 각 및 (c) 고정자 날개 각으로 이루어진 군으로부터 선택된 압축기 변수를 조절하므로써 피드백 제어하는 것인 방법.
  12. 제11항에 있어서, 압축기 변수는 냉매 압축기의 속도이고, (a) LNG 배출 스트림의 온도가 목적하는 온도보다 높은 경우, 냉매 압축기의 속도를 증가시키며, 또는 (b) LNG 배출 스트림의 온도가 목적하는 온도보다 낮은 경우, 냉매 압축기의 속도를 감소시키는 것인 방법.
  13. 제11항에 있어서, 압축기는 원심 압축기이고, 압축기 변수는 안내 날개의 각이며, (a) LNG 배출 스트림의 온도가 목적하는 온도보다 높은 경우, 안내 날개의 각을 증가시키며, 또는 (b) LNG 배출 스트림의 온도가 목적하는 온도보다 낮은 경우, 안내 날개의 각을 감소시키는 것인 방법.
  14. 제11항에 있어서, 압축기는 축방향 압축기이고, 압축기 변수는 고정자 날개의 각이며, (a) LNG 배출 스트림의 온도가 목적하는 온도보다 높은 경우, 고정자 날개의 각을 증가시키며 또는 (b) LNG 배출 스트림의 온도가 목적하는 온도보다 낮은 경우, 고정자 날개의 각을 감소시키는 것인 방법.
  15. 제11항에 있어서, LNG 배출 스트림의 유속 및 온도는 LNG 유속 제어 장치의 다중변수 및 하나 이상의 압축기 변수를 사용하는 동시(同時) 조절 및 동위(同位) 조절을 통한 피드백에 의해 동시에 제어하는 것인 방법.
  16. 제9항에 있어서, 열교환기 내의 천연가스 냉각용 도관은 열교환기의 고온 단부에 근접한 하나 이상의 고온 구간 및 열교환기의 저온 단부에 근접한 하나의 저온 구간을 통과하며,
    냉각 사이클 내의 증발 구간은, 하나 이상의 고온 구간 및 하나의 저온 구간으로 나뉘어지고, 이들 고온 구간 및 저온 구간 각각에 상응하여 도관이 지나가며, 응축된 냉매를 상기 고온 구간 및 저온 구간으로 도입시키기 위한 별도의 팽창 장치를 구비하며,
    상기 고온 구간 팽창 장치는 고온 구간으로 가는 응축된 냉매의 적어도 일부의 유속을 제어하고, 상기 저온 구간 팽창 장치는 저온 구간으로 가는 응축된 냉매의 적어도 일부의 유속을 제어하며, 상기 방법은
    (a) 압축기 변수에 대한 소정의 목적값을 정하는 단계,
    (b) 그 압축기 변수의 현재의 값을 측정하는 단계,
    (c) 상기 소정의 목적값을 현재의 값과 비교하는 단계,
    (d) 상기 값의 차이 및 압축기 변수의 목적값과 현재의 값 간의 적분차이에 기초한 피드백 제어에 의해 고온 구간 팽창 장치를 조절하므로써, 상기 압축기 변수 조절에 의해 달성되는 것과 동일한 방향으로 LNG 배출 스트림의 온도를 변화시키는 단계, 및
    (e) 압축기 변수를 소정의 목적값으로 복귀시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 냉매는 부분적으로 응축되어 냉매 액체 및 냉매 증기를 제공하는 다성분 냉매이며, 냉매 액체는 고온 구간을 통해 흐르고 냉매 증기는 저온 구간 및 고온 구간을 통해 흐르며, 상기 방법은
    (a) 액체 냉매 유속 대 증기 냉매 유속의 목적하는 비를 정하는 단계,
    (b) 액체 냉매의 현재의 유속을 측정하는 단계,
    (c) 증기 냉매의 현재의 유속을 측정하는 단계,
    (d) 액체 냉매 유속 대 증기 냉매 유속의 현재의 비를 정하는 단계,
    (e) 저온 구간 팽창/유속 제어장치를 제어하여 액체 냉매 유속 대 증기 냉매 유속의 비를 목적하는 비로 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 하기 (a) 내지 (d)과정을 포함하여, 팽창되고 증발된 냉매를 열교환기의 고온 단부로부터 압축기로 복귀시키는 수단에서의 냉매의 온도를 제한적으로 제어하는 단계를 더 포함하는 방법:
    (a) 복귀하는 냉매의 고온 단부에서의 온도 하한값을 정하는 단계,
    (b) 복귀하는 냉매의 고온 단부에서의 온도를 측정하는 단계,
    (c) 측정된 온도를 상기 온도 하한값과 비교하는 단계,
    (d) 측정된 온도가 온도 하한값보다 낮은 경우, 액체 냉매 유속 대 증기 냉매 유속의 비를 측정된 온도가 온도 하한값보다 높아질 때까지 감소시키는 단계.
  19. 제17항에 있어서, 압축기 방출 압력 및 압축기 동력 소모량을 정하고, (a) 압축기 속도, (b) 안내 날개 각 및 (c) 고정자 날개 각으로 이루어진 군으로부터 선택된 압축기 변수에 대한 소정의 목적값을 변경시키므로써 (a) 압축기 방출 압력, (b) 압축기 동력 소모량, (c) 저온 팽창/유속 제어 장치 및 (d) 고온 팽창/유속 제어 장치로 이루어진 군으로부터 선택된 과정 파라미터를 제한적으로 제어하는 과정을 더 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 소정의 목적값은 (a) 목적하는 LNG 배출 스트림 유속, (b) 천연가스 공급원료 스트림 조건, (c) 냉각 사이클 내 냉매의 양, (d) 혼합 냉매의 조성, (e) 작동 압력, (f) 이용가능한 동력, (g) 장치 디자인, (h) 압축기 특성 및 (i) 주위 조건으로 이루어진 군으로부터 선택되는 요소들을 사용하는 정상 상태 최적화 계산법에 의해 설정하는 것인 방법.
  21. 제18항에 있어서, 액체 냉매 유속 대 증기 냉매 유속의 목적하는 비는 (a) 목적하는 LNG 배출 스트림 유속, (b) 천연가스 공급원료 스트림 조건, (c) 냉각 사이클 내 냉매의 양, (d) 혼합 냉매의 조성, (e) 작동 압력, (f) 이용가능한 동력, (g) 장치 디자인, (h) 압축기 특성 및 (i) 주위 조건으로 이루어진 군으로부터 선택되는 요소들을 사용하는 정상 상태 최적화 계산법에 의해 설정하는 것인 방법.
  22. 제17항에 있어서,
    (a) LNG 배출 스트림의 유속은 LNG 유속 제어 장치를 피드백 제어하므로써 조절하며,
    (b) 냉매 액체 유속은 고온 구간 팽창/유속 제어 장치를 피드백 제어하므로써 목적하는 값으로 조절하며,
    (c) 냉매 증기 유속은 저온 구간 팽창/유속 제어 장치를 피드백 제어하므로써 목적하는 값으로 조절하며,
    (d) 냉매 액체 유속 대 냉매 증기 유속의 비는 냉매 액체 유속을 목적하는 값으로 조절하므로써 목적하는 값으로 유지시키며,
    (e) 전체 냉매(액체 및 증기) 유속 대 LNG 배출 스트림 유속 비의 목적하는 값은 냉매 증기 유속의 목적하는 값을 조절하므로써 얻고,
    (f) LNG 배출 스트림의 온도는 전체 냉매 유속 대 LNG 배출 스트림 유속 비의 목적하는 값을 조절하므로써 제어하는 것인 방법.
  23. 제22항에 있어서, 냉매 압축기의 속도를 압축기를 통과하는 질량 흐름률의 함수로서 조절하여 최대 압축기 효율을 얻는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 냉매 압축기의 안내 날개 각을 압축기를 통과하는 질량 흐름률의 함수로서 조절하여 최대 압축기 효율을 얻는 방법.
  25. 제22항에 있어서, 냉매 압축기의 고정자 날개 각을 압축기를 통과하는 질량 흐름률의 함수로서 조절하여 최대 압축기 효율을 얻는 방법.
  26. 제22항에 있어서, 하기 (a) 내지 (d)단계를 포함하여, 팽창되고 증발된 냉매를 열교환기의 고온 단부로부터 압축기로 복귀시키는 수단에서의 냉매의 온도를 제한적으로 제어하는 단계를 더 포함하는 방법:
    (a) 복귀하는 냉매의 고온 단부에서의 온도 하한값을 정하는 단계,
    (b) 복귀하는 냉매의 고온 단부에서의 온도를 측정하는 단계,
    (c) 측정된 온도를 상기 온도 하한값과 비교하는 단계,
    (d) 측정된 온도가 온도 하한값보다 낮은 경우, 액체 냉매 유속 대 증기 냉매 유속의 비를 측정된 온도가 온도 하한값보다 높아질 때까지 감소시키는 단계.
  27. 제22항에 있어서, 액체 냉매 유속 대 증기 냉매 유속의 목적하는 비는 (a) 목적하는 LNG 배출 스트림 유속, (b) 천연가스 공급원료 스트림 조건, (c) 냉각 사이클 내 냉매의 양, (d) 혼합 냉매의 조성, (e) 작동 압력, (f) 이용가능한 동력, (g) 장치 디자인, (h) 압축기 특성 및 (i) 주위 조건으로 이루어진 군으로부터 선택되는 요소들을 사용하는 정상 상태 최적화 계산법에 의해 설정하는 것인 방법.
  28. 액화 과정을 통과하는 천연가스를 냉각시켜 액화 천연가스(LNG) 배출 스트림의 생산을 조절하는 장치로서, LNG 배출 스트림의 온도와 유속을 측정하기 위한 측정 수단과, (a) 천연가스의 냉각정도를 변화시켜 LNG 배출 스트림의 온도를 조절하고, (b) 상기 과정을 통과하는 LNG의 속도를 별도로 조절하므로써 LNG 배출 스트림의 유속 및 온도를 각각 목적하는 유속 및 온도로 유지시키기 위한 제어 수단을 포함하는 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 제어 수단은 냉각용 압축기와 연관된 값을 변화시켜 LNG 배출 스트림의 온도를 조절하는 수단을 더 포함하는 것인 장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 압축기는 냉매의 유속 및 압력을 조절하고, 상기 압축기와 연관된 값은, 압축기의 속도, 안내 날개 각 및 고정자 날개 위치로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 압축기 값으로서, 이들은 폐쇄 루프 냉각 사이클의 작동을 조절하므로써, LNG 배출 스트림의 온도 값을 조절하는 것인 장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 하나 이상의 압축기 값에 대하여 압축기의 작동 범위를 규정하는 제한값에 기초한 대응하는 목적값을 정하는 수단과,
    하나 이상의 압축기 값을 대응하는 목적값으로 조절하는 수단을 더 포함하며, 상기 압착기와 연관된 값을 변화시키는 수단은 하나 이상의 압축기 값으로 조절하는 것에 기초하여, 냉매의 재순환과 연관된 하나 이상의 값을 변화시켜 LNG 배출 스트림의 유속 및 온도를 유지시키는 수단을 더 포함하는 것인 장치.
  32. 제28항에 있어서, 냉각용 냉매의 혼합 냉매(MR) 값을 변화시켜 LNG 배출 스트림의 온도를 조절하는 수단을 더 포함하는 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 측정 수단은
    (a) MR의 유속 및 LNG 배출 스트림의 유속을 측정하는 수단과,
    (b) MR의 유속 대 LNG 유속의 비를 정하는 수단을 더 포함하고,
    상기 제어 수단은 상기 비를 조절하여 폐쇄 루프 냉각 사이클의 작동을 조절하므로써, LNG 배출 스트림의 온도를 조절하는 조절 수단을 더 포함하는 것인 장치.
  34. 제33항에 있어서, 혼합 냉매 증기(MRV) 유속과 혼합 냉매 액체(MRL) 유속을측정하는 제2의 수단과,
    (a) MRL 유속을 조절하여 MR 유속을 설정하고 (b) 이어서, 밸브 제한값에 도달할 때까지 MRV 유속을 조절하여 상기 비를 조절하기 위한 수단과
    이후에 냉각용 압축기의 값을 변화시키므로써 LNG 배출 스트림의 온도를 조절하는 변화 수단을 더 포함하는 장치.
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