KR20010032914A - 액화 천연가스를 획득하기 위하여 메탄이 풍부한기체원료를 액화시키는 방법 - Google Patents

액화 천연가스를 획득하기 위하여 메탄이 풍부한기체원료를 액화시키는 방법 Download PDF

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지스트라텐 알베르터스 빌헬머스 요안느
쉘 인터내셔날 리서치 마챠피즈 비.브이.
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Abstract

액화 스트림을 얻기 위하여 증발 냉매에 대하여 메탄이 풍부한 기체원료를 주 열교환기 (1) 에서 냉각, 액화 및 과냉각시키고 액화 생성물 (80) 로서 저장조로 액화 스트림을 통과시킨다. 액화 공정은 제어변수 세트중의 하나 이상을 제어하면서 매개변수 세트의 하나 이상을 최적화하기 위하여 조작변수 세트에 대한 제어작용을 동시에 결정하도록 모델산정제어에 근거한 상급 공정 제어기를 사용함으로써 제어되며, 여기서 조작변수 세트에는 비중이 큰 냉매분율 (52) 의 질량유속, 비중이 작은 냉매분율 (59) 의 질량유속 및 메탄이 풍부한 원료 (20) 의 질량유속이 포함되고, 제어변수 세트에는 주 열교환기 (1) 의 고온단부 (3) 에서 온도차와 주 열교환기 (1) 의 중간지점 (7) 에서 온도차가 포함되고, 최적화되도록 하는 매개변수 세트에는 액화 생성물 (80) 의 생산량이 포함된다.

Description

액화 천연가스를 획득하기 위하여 메탄이 풍부한 기체원료를 액화시키는 방법 {PROCESS OF LIQUEFYING A GASEOUS, METHANE-RICH FEED TO OBTAIN LIQUEFIED NATURAL GAS}
본 발명은 액화 생성물을 획득하기 위하여 메탄이 풍부한 기체원료를 액화시키는 방법에 관한 것이다. 액화 생성물은 액화 천연가스라고 일반적으로 명명된다. 액화방법은 하기의 단계로 이루어진다:
(a) 주 열교환기의 제 1 튜브측으로 그 고온 단부 (warm end) 에서 높은 압력으로 메탄이 풍부한 기체원료를 공급하고, 증발 냉매에 대하여 메탄이 풍부한 기체원료를 냉각, 액화 및 과냉각시켜 액화 스트림을 얻고, 저온 단부 (cold end) 에서 주 열교환기로부터 액화 스트림을 제거하여 액화 생성물로서 저장조로 액화 스트림을 통과시키는 단계;
(b) 주 열교환기의 셸측으로부터 그 고온 단부에서 증발 냉매를 제거하는 단계;
(c) 하나 이상의 냉매 압축기에서 증발 냉매를 압축하여 고압 냉매를 얻는 단계;
(d) 고압 냉매를 부분적으로 응축하여 부분 응축 냉매를 비중이 큰 액체 냉매분율과 비중이 작은 기체 냉매분율로 분리하는 단계;
(e) 주 열교환기의 제 2 튜브측에서 비중이 큰 액체 냉매분율을 과냉각하여 과냉각된 비중이 큰 액체 냉매 스트림을 얻고, 주 열교환기의 셸측으로 그 중간지점에서 감압하에서 비중이 큰 액체 냉매 스트림을 도입하여 비중이 큰 액체 냉매 스트림을 셸측에서 증발시키는 단계; 및
(f) 주 열교환기의 제 3 튜브측에서 비중이 작은 기체 냉매분율의 적어도 일부를 냉각, 액화 및 과냉각시켜 과냉각된 비중이 작은 기체 냉매 스트림을 얻고, 주 열교환기의 셸측으로 그 저온 단부에서 감압하에서 비중이 작은 기체 냉매 스트림을 도입하여 비중이 작은 기체 냉매 스트림을 셸측에서 증발시키는 단계.
오스트레일리아 특허 제 75 223/87 호에는 액화공정을 제어하는 방법이 개시되어 있다. 공지된 제어방법은 3가지 경우에 대해서 다른 책략을 가지는데, (1) 액화 생성물의 생산량이 원하는 정도 이하인 경우에, 주 열교환기의 저온 단부에서 온도차를 고려하여 냉매의 조성을 조정함으로써 증가되고; (2) 생산량이 원하는 정도 이상인 경우에, 냉매 압축기의 흡입압력을 감소시킴으로써 감소되고; 그리고 (3) 생산량이 원하는 정도인 경우에, 전체 설비효율은 원하는 범위내에서 냉매 재고량을 유지함으로써 최적이 된다. (1) 및 (2) 의 경우에, 냉매 재고량 및 조성과 냉매 압축비는 전체 효율에 대하여 최적이 된다.
생산량이 원하는 정도로 되면, 냉매 재고량을 변화시킴에 따라 최적화가 개시된다. 그 후, 다음의 냉매관련 변수가 계속적으로 조절된다: 비중이 큰 냉매 분율과 비중이 작은 냉매분율의 질량유량비, 냉매의 질소함량 및 최대 효율을 달성하기 위한 C3: C2비. 그 후, 냉매 압축기(들) 의 압축비는 최대 효율을 달성하도록 조절된다. 최종 최적화 단계는 냉매 압축기(들) 의 속도를 조절하는 것이다.
주 열교환기의 저온 단부 또는 고온 단부에서의 온도차와 같은 다른 임계 매개변수가 소정의 값 또는 범위 이하로 떨어지거나 그를 초과할 때, 경고가 설정되어 자동 제어공정의 진행이 멈추게 된다.
공지된 제어공정의 단점은 생산량의 최적화를 위하여 냉매의 조성을 연속적으로 조절해야 한다는 것이다. 게다가, 최적화가 계속적으로 행해져야 되고, 또한 자동 공정제어가, 예를 들면 열교환기의 고온 단부에서의 온도차가 소정의 범위를 벗어나는 상황을 취급할 수 없다는 단점을 가지고 있다.
이런 단점을 극복하기 위하여, 본 발명에 따른 액화 생성물을 얻기 위한 메탄이 풍부한 기체원료를 액화하는 방법은 제어변수 세트중의 하나 이상을 제어하면서 매개변수 세트중의 하나 이상을 최적화하기 위하여 모델산정제어에 근거한 상급 공정 제어기를 사용하여 액화 공정을 제어하면서 동시에 조작변수 세트에 대한 제어작용을 결정하는 단계를 더 포함하며, 여기서 상기 조작변수 세트에는 비중이 큰 냉매분율의 질량유속, 비중이 작은 냉매분율의 질량유속 및 메탄이 풍부한 원료의 질량유속이 포함되고, 상기 제어변수 세트에는 주 열교환기의 고온 단부에서의 온도차와 주 열교환기의 중간지점에서의 온도차가 포함되고, 그리고 최적화되도록 하는 매개변수 세트에는 액화 생성물의 생산량이 포함되는 것을 특징으로 한다.
명세서 및 청구범위에서, "최적화" 라는 표현은 변수를 최대화하거나 최소화하고, 소정의 값으로 이 변수를 유지하는 것을 말하는 데 사용된다.
모델산정제어 또는 모델근거사정제어는 공지된 기술이며, 예를 들면, 페리핸드북 (Perry' Chemical Engineer's Handbook, 7th Edition, pages 8 - 25 to 8 - 27) 을 참조하기 바란다. 모델산정제어의 주요한 특징은 추가의 공정 작동상태가 제어변수의 모델 및 이용가능한 측정을 사용하여 예상된다는 것이다. 제어기 출력은 성능지수를 최적화하도록 계산되며, 이 지수는 예상된 에러와 계산된 추가의 제어 진행에 대한 1차 또는 2차 함수이다. 각각의 샘플링 순간에, 제어계산은 반복되고 이러한 예상값은 현재의 측정값에 근거하여 업데이드된다. 적당한 모델은 제어변수에 대한 조작변수의 계단응답의 효과를 나타내는 실험 계단응답모델 세트로 이루어진 것이다.
최적화되도록 하는 매개변수에 대한 최적 값은 별개의 최적화 단계로부터 얻어질 수 있거나, 또는 최적화되도록 하는 변수는 성능함수로서 포함될 수 있다.
모델산정제어가 적용되기 전에, 먼저 최적화되도록 하는 변수와 제어변수에 대한 조작변수의 단계변화의 효과를 먼저 결정한다. 이것은 계단응답계수 세트를 생기게 한다. 이 계단응답계수 세트는 액화 공정에 대한 모델산정제어의 기초를 형성한다.
정상 작동동안, 제어변수의 예상된 값은 다수의 추가의 제어 진행에 대해서 규칙적으로 계산된다. 이런 추가의 제어 진행에 대해서 성능지수가 계산된다. 이런 성능지수에는 2개의 항이 포함되는데, 첫번째 항은 각각의 제어 진행에 대해서 예상되는 에러의 추가의 제어 진행을 초과하는 합계를 나타내고, 두번째 항은 각각의 제어 진행에 대해서 조작변수의 변화의 추가의 제어 진행을 초과하는 합계를 나타낸다. 예상되는 에러는 제어변수와 이 제어변수의 기준값간의 차이이다. 예상되는 에러에는 중량 인자가 곱해지고, 제어 진행에 대해서 조작변수의 변화에는 진행 억제인자가 곱해진다. 여기서 논의된 성능지수는 1차 함수이다.
다르게는, 이 항은 제곱항의 합계일 수도 있고, 이 경우에 성능지수는 2차 함수이다.
게다가, 제약조건은 조작변수, 조작변수의 변화 및 제어변수로 설정될 수 있다. 이것은 성능지수의 최소화와 동시에 해결되는 별개의 방정식 세트가 된다.
최적화는 2가지 방법으로 실시될 수 있는데; 첫번째 방법은 성능지수의 최소 범위밖에서 별개로 최적화하는데 있고, 두번째 방법은 성능지수내에서 최적화하는데 있다.
최적화가 별개로 실시될 때, 최적화되도록 하는 매개변수는 각각의 제어 진행에 대한 예상되는 에러에서 제어변수로서 포함되고, 최적화는 제어변수에 대해 기준값을 부여한다.
다르게는, 최적화는 성능지수의 계산내에서 실시되고, 이것은 적당한 중량인자를 갖는 성능지수의 세번째 항을 부여한다. 이 경우에, 제어변수의 기준값은 일정한 상태로 있는 사전 결정된 정상상태값이다.
성능지수는 추가의 제어 진행에 대해서 조작변수의 값을 부여하도록 제약조건을 고려하여 최소화된다. 그러나, 다음의 제어 진행만이 실시된다. 그 후, 추가의 제어 진행에 대한 성능지수의 계산이 다시 개시된다.
모델산정제어에서 요구되는 방정식과 계단응답계수를 갖는 모델은 액화 공정을 제어하기 위하여 실시되는 컴퓨터 프로그램의 일부이다. 모델산정제어를 취급할 수 있는 이런 프로그램이 로딩된 컴퓨터 프로그램은 상급 공정 제어기라고 불린다. 이 컴퓨터 프로그램은 시중 구입가능하기 때문에, 본 발명자는 이런 프로그램을 상세하게 논의하지 않을 것이다. 본 발명은 변수를 선택하는데 더욱 노력할 것이다.
본 발명은 이제 첨부도면을 참고로 하여 실례로써 설명될 것이다.
도 1 은 천연가스를 액화시키는 플랜트의 개략 흐름도이고; 그리고
도 2 는 프로판 냉각사이클을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 에 대하여 이제 언급한다. 천연가스를 액화시키는 플랜트는 고온 단부 (3), 저온 단부 (5) 및 중간지점 (7) 을 갖는 주 열교환기 (1) 로 이루어진다. 주 열교환기 (1) 의 벽은 셸측 (10) 을 형성한다. 셸측 (10) 에는 고온 단부 (3) 로부터 저온 단부 (5) 로 연장되는 제 1 튜브측 (13), 고온 단부 (3) 로부터 중간지점 (7) 으로 연장되는 제 2 튜브측 (15) 및 고온 단부 (3) 로부터 저온 단부 (5) 로 연장되는 제 3 튜브측 (16) 이 위치된다.
정상작동동안, 메탄이 풍부한 기체원료는 공급관 (20) 을 통하여 주 열교환기 (1) 의 제 1 튜브측 (13) 으로 그 고온 단부 (3) 에서 높은 압력으로 공급된다. 제 1 튜브측 (13) 을 통하여 통과하는 원료는 셸측 (10) 에서 증발하는 냉매에 대해서 냉각, 액화 및 과냉각된다. 얻어진 액화 스트림은 도관 (23) 을 통하여 주 열교환기 (1) 로부터 그 저온 단부 (5) 에서 제거된다. 액화 스트림은 액화 생성물로서 저장되는 저장조로 통과된다.
증발된 냉매는 주 열교환기 (1) 의 셸측 (10) 으로부터 그 고온 단부 (3) 에서 도관 (25) 을 통하여 제거된다. 냉매 압축기 (30, 31) 에서, 증발된 냉매는 도관 (32) 을 통하여 제거되는 고압 냉매를 얻도록 압축된다. 제 1 냉매 압축기 (30) 는 개시를 위하여 보조 모터 (36) 가 구비된 적당한 모터, 예를 들면 가스 터빈 (35) 에 의해서 구동되고, 제 2 냉매 압축기 (31) 는 적당한 모터, 예를 들면 보조 모터 (도시 안됨) 가 구비된 가스 터빈 (37) 에 의해서 구동된다. 2개의 냉매 압축기 (30, 31) 사이에서, 압축열은 에어 쿨러 (40) 및 열교환기 (41) 에서 도관 (38) 을 통하여 이동하는 유체로부터 제거된다.
도관 (32) 내에서 고압인 냉매는 에어 쿨러 (42) 에서 냉각되고 열교환기 (43) 에서 부분적으로 응축되어 부분 응축 냉매를 얻는다.
고압 냉매는 유입장치 (46) 를 통하여 분리용기 (45) 내로 도입된다. 분리용기 (45) 에서, 부분 응축 냉매는 비중이 큰 액체 냉매분율과 비중이 작은 기체 냉매분율로 분리된다. 비중이 큰 액체 냉매분율은 분리용기 (45) 로부터 도관 (47) 을 통하여 제거되고, 비중이 작은 기체 냉매분율은 도관 (48) 을 통하여 제거된다.
비중이 큰 냉매분율은 주 열교환기 (1) 의 제 2 튜브측 (15) 에서 과냉각되어 과냉각된 비중이 큰 냉매 스트림을 얻는다. 과냉각된 비중이 큰 냉매 스트림은 주 열교환기 (1) 로부터 도관 (50) 을 통하여 제거되고, 팽창밸브 (51) 의 형태로 팽창장치로 팽창된다. 감압하에서, 이것은 주 열교환기 (1) 의 셸측 (10) 내로 그 중간지점 (7) 에서 도관 (52) 및 노즐 (53) 을 통하여 도입된다. 비중이 큰 냉매 스트림은 감압하에서 셸측 (10) 에서 증발됨으로써 튜브측 (13, 15 및 16) 에서 유체를 냉각시킨다.
도관 (48) 을 통하여 제거된 비중이 작은 기체 냉매분율의 일부는 주 열교환기 (1) 에서 제 3 튜브측 (16) 으로 도관 (55) 을 통하여 통과되며, 여기서 이것은 냉각, 액화 및 과냉각되어 과냉각된 비중이 작은 냉매 스트림을 얻는다. 과냉각된 비중이 작은 냉매 스트림은 주 열교환기 (1) 로부터 도관 (57) 을 통하여 제거되고, 팽창밸브 (58) 의 형태로 팽창장치로 팽창된다. 감압하에서, 이것은 주 열교환기 (1) 의 셸측 (10) 내로 그 저온 단부 (5) 에서 도관 (59) 및 노즐 (60) 을 통하여 도입된다. 비중이 작은 냉매 스트림은 감압하에서 셸측 (10) 에서 증발됨으로써 튜브측 (13, 15 및 16) 에서 유체를 냉각시킨다.
도관 (48) 을 통하여 제거된 비중이 작은 냉매분율의 나머지는 도관 (61) 을 통하여 열교환기 (63) 로 통과되며, 여기서 이것은 냉각, 액화 및 과냉각된다. 팽창밸브 (65) 가 구비된 도관 (64) 을 통하여 이것은 열교환기 (63) 로부터 도관 (59) 으로 공급된다.
얻어진 액화 스트림은 도관 (23) 을 통하여 주 열교환기 (1) 로부터 제거되고 플래쉬 용기 (70) 로 통과된다. 도관 (23) 은 압력을 감소시키기 위하여 팽창밸브 (71) 의 형태로 팽창장치가 구비되므로, 얻어진 액화 스트림은 감압하에서 플래쉬 용기 (70) 에서 유입장치 (72) 를 통하여 도입된다. 감소된 압력은 대기압과 실질적으로 동일한 것이 적당하다. 팽창밸브 (71) 는 또한 전체 흐름을 조절한다.
플래쉬 용기 (70) 의 상부로부터 폐가스는 도관 (75) 을 통하여 제거된다. 폐가스는 모터 (78) 에 의해서 구동된 엔드플래쉬 압축기 (77; end-flash compressor) 에서 압축되어 도관 (79) 을 통하여 제거되는 고압 연료가스를 얻는다. 폐가스는 열교환기 (63) 에서 비중이 작은 냉매분율을 냉각, 액화 및 과냉각시킨다.
플래쉬 용기 (70) 의 바닥으로부터 액화 생성물이 도관 (80) 을 통하여 제거되고 저장조 (도시 안됨) 로 통과된다.
제 1 목적은 밸브 (71) 에 의해서 조작되는 도관 (80) 을 통하여 유동하는 액화 생성물의 생산량을 최대화하는데 있다.
상술된 모델산정제어는 이런 목적을 달성하는데 사용된다. 조작변수 세트로는 도관 (52) (팽창밸브 (51)) 을 통하여 유동하는 비중이 큰 냉매분율의 질량유속, 도관 (59) (팽창밸브 (58) 및 밸브 (62)) 을 통하여 유동하는 비중이 작은 냉매분율의 질량유속 및 도관 (20) (밸브 (71) 에 의해서 조작됨) 을 통한 메탄이 풍부한 원료의 질량유속이 포함된다. 제어변수 세트로는 주 열교환기 (1) 의 고온 단부 (3) 에서의 온도차 (도관 (47) 에서의 유체의 온도와 도관 (25) 에서의 온도간의 차이) 및 주 열교환기 (1) 의 중간지점 (7) 에서의 온도차 (도관 (50) 에서의 유체의 온도와 주 열교환기 (1) 의 중간지점 (7) 에서 셸측 (10) 에서의 유체의 온도간의 차이) 가 포함된다. 이들 변수를 선택함으로써, 모델산정제어에 근거한 상급 공정제어와 함께하는 주 열교환기 (1) 의 제어가 달성된다.
출원인은 모델산정제어를 사용하고 조작변수로서, 비중이 큰 냉매분율의 질량유속, 비중이 작은 냉매분율의 질량유속 및 메탄이 풍부한 원료의 질량유속을 사용할 때, 액화 생성물의 생산량을 최적화하고 주 열교환기에서 온도 프로파일을 제어할 수 있는 효율적이면서도 신속한 제어가 달성될 수 있다.
본 발명 방법의 이점은 혼합된 냉매의 벌크 조성이 액화 생성물의 생산량을 최적화하도록 조작되지 않는다는 것이다.
완비를 위하여, 도관 (80) 에 정상작동중 충분한 액체레벨이 플래쉬 용기 (70) 에서 유지되도록 레벨 제어기 (82) 에 의해서 조작되는 유동 제어밸브 (81) 가 구비된다는 것을 알았다. 그러나, 이 유동 제어밸브 (81) 의 압력은 플래쉬 용기 (70) 내로의 액체의 유입이 플래쉬 용기 (70) 로부터의 액체의 유출과 만날 때 밸브 (81) 가 조작되지 않기 때문에 본 발명에 따른 최적화와 관련이 없다.
액화 생성물의 생산량이 소정의 레벨로 유지되는 경우에, 모델산정제어는 주 열교환기 (1) 에서 온도 프로파일을 제어하게 한다. 그렇기 때문에, 제어변수 세트에는 스트림이 도관 (23) 을 통하여 유동하는 주 열교환기 (1) 로부터 제거된 액화 스트림의 온도가 더 포함된다.
본 발명의 다른 목적은 압축기의 이용을 최대화하는데 있다. 그렇게 때문에, 조작변수 세트에는 냉매 압축기 (30, 31) 의 속도가 더 포함된다.
도관 (20) 을 통하여 주 열교환기 (1) 에 공급되는 메탄이 풍부한 기체원료는 천연가스 원료를 부분적으로 응축함으로써 천연가스 원료로부터 획득되어 부분 응축원료를 획득하며, 이 응축원료의 가스상은 주 열교환기 (1) 로 공급된다. 천연가스 원료는 공급관 (90) 을 통하여 통과된다. 하나 이상의 열교환기 (93) 에서 천연가스 원료를 부분적으로 응축하는 것이 행해진다.
부분 응축원료는 스트러브 컬럼 (95) 내로 유입장치 (94) 를 통하여 도입된다. 스크러브 컬럼 (95) 에서, 부분 응축원료는 기체 오버헤드 스트림과 메탄이 제거된 바닥 액체 스트림을 얻도록 분류 (分溜) 된다. 오버헤드 기체 스트림은 도관 (97) 을 통하여 열교환기 (100) 를 경유하여 오버헤드 분리기 (102) 로 통과된다. 열교환기 (100) 에서, 오버헤드 기체 스트림은 부분적으로 응축되고, 부분 응축된 오버헤드 스트림은 유입장치 (103) 를 통하여 오버헤드 분리기 (102) 내로 도입된다. 오버헤드 분리기 (102) 에서, 부분 응축된 오버헤드 스트림은 메탄이 풍부한 기체 스트림과 바닥 액체 스트림으로 분리된다.
도관 (104) 을 통하여 제거된 메탄이 풍부한 기체 스트림은 도관 (20) 에서 메탄이 풍부한 기체원료를 형성한다. 바닥 액체 스트림의 적어도 일부는 환류로서 스크러브 컬럼 (95) 내로 도관 (105) 및 노즐 (106) 을 통하여 도입된다. 도관 (105) 에는 오버헤드 분리기 (102) 에서 고정된 레벨을 유지하도록 레벨 제어기 (109) 에 의해서 조작되는 유동 제어밸브 (108) 가 구비된다.
부분 응축된 오버헤드 기체 스트림에 액체가 있는 것보다 덜 환류가 요구된다면, 여분의 양은 유동 제어밸브 (112) 가 구비된 도관 (111) 을 통하여 주 열교환기 (1) 로 통과될 수 있다. 조작변수 세트에는 그 후 도관 (111) 을 통하여 유동하는 초과한 바닥 액체 스트림의 질량유속이 포함된다.
훨씬 더 적은 환류가 이용가능한 경우에, 부탄이 제어밸브 (114) 가 구비된 도관 (113) 을 통하여 공급원 (도시 안됨) 으로부터 부가될 수 있다. 이 경우에, 조작변수 세트에는 도관 (113) 을 통하여 유동하는 부탄함유 스트림의 질량유속이 포함된다.
메탄이 제거된 바닥 액체 스트림은 도관 (115) 을 경유하여 스크러브 컬럼 (95) 으로부터 제거된다. 스트리핑을 위한 증기를 제공하기 위하여, 메탄이 제거된 바닥 액체 스트림은 도관 (119) 을 통하여 공급된 고온수 또는 고온 스트림과 같은 적당한 고온 매체로 간접 열교환에 의해서 열교환기 (118) 에서 부분적으로 증발된다. 증기는 도관 (120) 을 통하여 스크러브 컬럼 (95) 의 하부 부분내로 도입되고, 액체는 열교환기 (118) 의 셸측에서 고정된 레벨을 유지하도록 레벨 제어기 (124) 에 의해서 조작되는 유동 제어밸브 (123) 가 구비된 도관 (122) 을 통하여 열교환기 (118) 로부터 제거된다.
주 열교환기 (1) 의 제어와 스크러브 컬럼 (95) 의 제어를 통합하기 위하여, 조작변수 세트에는 도관 (122) 에서 메탄이 제거된 바닥 액체 스트림의 온도가 더 포함된다. 게다가, 제어변수 세트에는 메탄이 풍부한 기체 스트림 (도관 (104) 에서) 에서의 비중이 더 큰 탄화수소의 농도, 도관 (122) 에서 메탄이 제거된 바닥 액체 스트림에서의 메탄의 농도, 도관 (122) 에서 메탄이 제거된 바닥 액체 스트림의 질량유속 및 도관 (105) 을 통하여 유동하는 환류의 질량유속인 환류 질량유속이 포함된다. 최적화되도록 하는 매개변수 세트에는 액화 생성물의 가열값이 포함된다. 가열값은 도관 (80) 을 통하여 유동하는 액화 생성물 조성의 분석으로부터 계산된다. 이 분석은 가스 크로마토그래피에 의해서 만들어진다.
도관 (122) 에서 메탄이 제거된 바닥 액체 스트림의 온도는 열교환기 (118) 로 열 투입량을 조절함으로써 조작된다.
몇몇 실례에서, 열교환기는 유체로부터 열을 제거하는데, 예를 들면 유체를 부분적으로 응축시키는데 사용된다. 열교환기 (41) 에서, 열은 부분 응축 냉매로부터 제거되고, 열교환기 (43) 에서, 고압 냉매는 부분적으로 응축되고, 열교환기 (93) 에서, 천연가스 원료는 부분적으로 응축되고, 그리고 열교환기 (100) 에서, 오버헤드 기체 스트림은 부분적으로 응축된다. 이들 열교환기에서, 열은 적당한 압력에서 증발하는 프로판으로 간접 열교환에 의해서 제거된다.
도 2 는 프로판 사이클의 실례를 개략적으로 도시한다. 증발된 프로판은 가스 터빈 (128) 과 같은 적당한 모터에 의해서 구동된 프로판 압축기 (127) 에서 압축된다. 프로판은 에어 쿨러 (130) 에서 응축되고, 높은 압력에서 응축된 프로판은 도관 (135, 136) 을 통하여 열교환기 (93, 43) 으로 통과되며, 이 열교환기는 서로 평행하게 배열된다. 응축된 프로판은 열교환기 (93, 43) 내로 들어가지전에 팽창밸브 (137, 138) 로 고중압 (high intermediate pressure) 으로 팽창된다. 기체 분율은 도관 (140, 141) 을 통하여 프로판 압축기 (127) 의 유입구로 통과된다. 액체 분율은 도관 (145, 146) 을 통하여 열교환기 (41) 로 통과된다. 열교환기 (41) 내로 들어가지전에, 프로판은 팽창밸브 (148) 로 저중압 (low intermediate pressure) 으로 팽창된다. 기체 분율은 도관 (150) 을 통하여 프로판 압축기 (127) 의 유입구로 통과된다. 액체 분율은 도관 (151) 을 통하여 열교환기 (100) 로 통과된다. 열교환기 (41) 로 들어가기전에, 프로판은 팽창밸브 (152) 로 저압으로 팽창된다. 저압에서의 프로판은 도관 (153) 을 통하여 프로판 압축기 (127) 의 유입구로 통과된다.
주 열교환기 (1) 의 제어와 프로판 사이클의 제어를 통합하기 위하여, 조작변수 세트에는 프로판 압축기 (127) 의 속도가 더 포함되고, 제어변수 세트에는 도관 (153) 에서의 프로판의 압력인 제 1 프로판 압축기 (127) 의 흡입압력이 더 포함된다. 이런 식으로, 프로판 압축기의 이용이 최대화될 수 있다.
프로판 압축기가 직렬상태로 2개의 압축기로 이루어진 경우에, 조작변수 세트에는 2개의 프로판 압축기의 속도가 더 포함되고, 제어변수 세트에는 제 1 프로판 압축기의 흡입압력이 더 포함된다.
공정을 더 최적화하기 위하여, 제어변수 세트에는 엔드플래쉬 압축기 (77) 의 부하가 더 포함될 수 있다.
냉매 재고량의 벌크 조성 및 벌크 재고량은 별개로 제어되어 (도시 안됨) 누출로 인한 손실을 보상한다. 이것은 주 열교환기의 상급 공정제어의 범위를 벗아나서 실시된다.
하기의 표 1 및 표 2 에서, 청구범위에서 사용된 조작변수와 제어변수의 개요가 주어진다.
청구범위에서 사용된 조작변수의 개요
청구항 설명 도면부호
1 비중이 큰 냉매분율의 질량유속 51
1 비중이 작은 냉매분율의 질량유속 58, 62
1 메탄이 풍부한 원료의 질량유속 71
3 냉매 압축기의 속도 30, 31
7 메탄이 제거된 바닥 액체 스트림의 온도 122
8 부탄함유 스트림의 질량유속 113
9 초과한 바닥 액체 스트림의 질량유속 111
10 프로판 압축기의 속도 127
청구범위에서 사용된 제어변수의 개요
청구항 설명 도면부호
1 주 열교환기의 고온단부에서의 온도차 3
1 주 열교환기의 중간지점에서의 온도차 7
2 주 열교환기로부터 제거된 액화 스트림의 온도 23
7 메탄이 풍부한 기체 스트림에서의 비중이 더 큰 탄화수소의 농도 104
7 메탄이 제거된 바닥 액체 스트림에서의 메탄의 농도 122
7 메탄이 제거된 바닥 액체 스트림의 질량유속 122
7 환류 질량유속 105
10 제 1 프로판 압축기의 흡입압력 153
11 엔드플래쉬 압축기의 부하 77

Claims (12)

  1. (a) 주 열교환기의 제 1 튜브측으로 그 고온 단부에서 높은 압력으로 메탄이 풍부한 기체원료를 공급하고, 증발 냉매에 대하여 메탄이 풍부한 기체원료를 냉각, 액화 및 과냉각시켜 액화 스트림을 얻고, 저온 단부에서 주 열교환기로부터 액화 스트림을 제거하여 액화 생성물로서 저장조로 액화 스트림을 통과시키는 단계;
    (b) 주 열교환기의 셸측으로부터 그 고온 단부에서 증발 냉매를 제거하는 단계;
    (c) 하나 이상의 냉매 압축기에서 증발 냉매를 압축하여 고압 냉매를 얻는 단계;
    (d) 고압 냉매를 부분적으로 응축하여 부분 응축 냉매를 비중이 큰 액체 냉매분율과 비중이 작은 기체 냉매분율로 분리하는 단계;
    (e) 주 열교환기의 제 2 튜브측에서 비중이 큰 액체 냉매분율을 과냉각하여 과냉각된 비중이 큰 액체 냉매 스트림을 얻고, 주 열교환기의 셸측으로 그 중간지점에서 감압하에서 비중이 큰 액체 냉매 스트림을 도입하여 비중이 큰 액체 냉매 스트림을 셸측에서 증발시키는 단계; 및
    (f) 주 열교환기의 제 3 튜브측에서 비중이 작은 기체 냉매분율의 적어도 일부를 냉각, 액화 및 과냉각시켜 과냉각된 비중이 작은 기체 냉매 스트림을 얻고, 주 열교환기의 셸측으로 그 저온 단부에서 감압하에서 비중이 작은 기체 냉매 스트림을 도입하여 비중이 작은 기체 냉매 스트림을 셸측에서 증발시키는 단계로 이루어진, 액화 생성물을 획득하기 위하여 메탄이 풍부한 기체 원료를 액화시키는 방법에 있어서, 상기 방법은
    제어변수 세트중의 하나 이상을 제어하면서 매개변수 세트중의 하나 이상을 최적화하기 위하여 모델산정제어에 근거한 상급 공정 제어기를 사용하여 액화 공정을 제어하면서 동시에 조작변수 세트에 대한 제어작용을 결정하는 단계를 더 포함하며, 여기서 상기 조작변수 세트에는 비중이 큰 냉매분율의 질량유속, 비중이 작은 냉매분율의 질량유속 및 메탄이 풍부한 원료의 질량유속이 포함되고, 상기 제어변수 세트에는 주 열교환기의 고온 단부에서의 온도차와 주 열교환기의 중간지점에서의 온도차가 포함되고, 그리고 상기 최적화되도록 하는 매개변수 세트에는 액화 생성물의 생산량이 포함되는 것을 특징으로 하는 액화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어변수 세트에는 주 열교환기로부터 제거된 액화 스트림의 온도가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 액화 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 조작변수 세트에는 냉매 압축기(들)의 속도가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 액화 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (d) 에서 고압 냉매는 적당한 압력에서 증발하는 프로판으로 간접 열교환에 의해서 하나 이상의 열교환기에서 부분적으로 응축되는 것을 특징으로 하는 액화 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 메탄이 풍부한 기체원료는 부분적으로 응축된 원료를 획득하기 위하여 천연가스 원료를 부분적으로 응축함으로써 천연가스 원료로부터 획득되는 것을 특징으로 하는 액화 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 천연가스 원료는 적당한 압력에서 증발하는 프로판으로 간접 열교환에 의해서 하나 이상의 열교환기에서 부분적으로 응축되는 것을 특징으로 하는 액화 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 스크러브 컬럼에서, 오버헤드 기체 스트림과 메탄이 제거된 바닥 액체 스트림을 얻도록 부분 응축원료를 분류하는 단계와; 오버헤드 기체 스트림을 부분적으로 응축하고, 메탄이 풍부한 기체원료를 형성하는 메탄이 풍부한 기체 스트림과 적어도 일부가 환류로서 스크러브 컬럼으로 통과되는 바닥 액체 스트림으로 오버헤드 기체 스트림을 분리하는 단계를 더 포함하며, 상기 조작변수 세트에는 메탄이 제거된 바닥 액체 스트림의 온도가 더 포함되고, 상기 제어변수에는 메탄이 풍부한 기체 스트림에서의 비중이 더 큰 탄화수소의 농도, 메탄이 제거된 바닥 액체 스트림에서의 메탄의 농도, 메탄이 제거된 바닥 액체 스트림의 질량유속 및 환류 질량유속이 더 포함되고, 그리고 상기 최적화되도록 하는 매개변수 세트에는 액화 생성물의 가열값이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 액화 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 환류에 부탄함유 스트림을 부가하는 단계를 더 포함하며, 상기 조작변수 세트에는 초과한 바닥 액체 스트림의 질량유속 및/또는 부탄함유 스트림의 질량유속이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 액화 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 오버헤드 기체 스트림은 적당한 압력에서 증발하는 프로판으로 간접 열교환에 의해서 하나 이상의 열교환기에서 부분적으로 응축되는 것을 특징으로 하는 액화 방법.
  10. 제 4 항, 제 6 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 증발된 프로판은 하나 이상의 프로판 압축기 스테이지에서 압축되고 외부 냉각제로 열교환에 의해서 응축되며, 상기 조작변수 세트에는 프로판 압축기(들) 의 속도가 더 포함되고, 상기 제어변수 세트에는 제 1 프로판 압축기의 흡입압력이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 액화 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항중의 어느 한 항에 있어서, 저장조로 통과되는 액화 생성물와 폐가스를 얻기 위하여 액화 스트림의 압력을 감소시키는 단계와, 고압 연료가스를 얻기 위하여 폐가스를 엔드플래쉬 압축기에서 압축하는 단계를 더 포함하며, 상기 제어변수 세트는 엔드플래쉬 압축기의 부하를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매의 벌크 조성 및 벌크 재고량을 별개로 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 방법.
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