KR20050095635A - 액화 천연가스를 얻기 위한 가스성 메탄 농축 공급물의액화 방법 - Google Patents

액화 천연가스를 얻기 위한 가스성 메탄 농축 공급물의액화 방법 Download PDF

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Abstract

액화 스트림 (23) 을 얻기 위해 증발 냉매에 대하여 주열교환기 (1) 내에서 가스성 메탄 농축 공급물 (20) 을 냉각 및 액화시키고 상기 액화 스트림 (23) 을 액화물로서 저장기로 가게 된다. 상기 방법은, 냉매의 조성과 양을 조절하고, 모델 예측 제어를 기초로 하는 고급 공정 제어기를 사용하여 액화 방법을 제어하여, 일군의 제어 변수 중 하나 이상을 제어하면서 일군의 파라미터 중 하나 이상을 최적화하기 위해서 일군의 조작 변수를 위한 동시 제어 작동을 결정하는 단계를 포함하고, 일군의 조작 변수로서는, 무거운 냉매분의 질량 유량 (52), 가벼운 냉매분의 질량 유량 (59), 냉매 성분의 양 (26), 제거된 냉매량 (54), 냉매 압축기의 용량 (30, 32), 및 메탄 농축 공급물의 질량 유량 (20) 을 포함하고, 일군의 제어 변수로서는, 주열교환기 (1) 의 미온 단부 (3) 에서의 온도차, 액화 천연가스 (23) 의 온도와 관련된 변수, 분리기 (45) 로 유입하는 냉매의 조성, 주열교환기 (1) 의 쉘내의 압력, 분리기 (45) 내의 압력, 및 분리기 (45) 내의 액체 수위을 포함하며, 최적화될 일군의 변수로서는 액화물 (80) 의 생성을 포함한다.

Description

액화 천연가스를 얻기 위한 가스성 메탄 농축 공급물의 액화 방법{PROCESS OF LIQUEFYING A GASEOUS, METHANE-RICH FEED TO OBTAIN LIQUEFIED NATURAL GAS}
본 발명은 액화물을 얻기 위한 가스성 메탄 농축 공급물의 액화 방법 (processs 에 관한 것이다. 액화물을 일반적으로 액화 천연가스라고 한다. 특히, 본 발명은 액화 방법을 제어하는 것에 관한 것이다.
액화 방법은,
(a) 주열교환기의 미온 단부 (warm end) 에서 주열교환기의 제 1 튜브측에 가스성 메탄 농축 공급물을 승압 상태에서 공급하고, 증발 냉매에 대하여 가스성 메탄 농축 공급물을 냉각, 액화, 및 과냉각 (sub-cooling) 시켜 액화 스트림을 얻고, 주열교환기의 저온 단부 (cold end) 에서 주열교환기로부터 상기 액화 스트림을 제거하고, 상기 액화 스트림을 액화물로서 저장기에 보내는 단계,
(b) 주열교환기의 미온 단부에서 주열교환기의 쉘측에서부터 증발 냉매를 제거하는 단계,
(c) 1 이상의 냉매 압축기에서 증발 냉매를 압축하여 고압의 냉매를 얻는 단계,
(d) 고압의 냉매를 부분적으로 응축하고 부분적으로 응축된 냉매를 분리기내에서 액상 무거운 냉매분 (liquid heavy refrigerant fraction) 과 가스상 가벼운 냉매분 (gaseous light refrigerant fraction) 으로 분리하는 단계,
(e) 무거운 냉매분을 주열교환기의 제 2 튜브측내에서 과냉각시켜 과냉각된 무거운 냉매 스트림을 얻고, 상기 무거운 냉매 스트림을 감압 상태에서 주열교환기의 중간지점에서 주열교환기의 쉘측안으로 유입시켜, 상기 무거운 냉매 스트림을 쉘측내에서 증발시키는 단계, 및
(f) 주열교환기의 제 3 튜브측에서 가벼운 냉매분의 적어도 일부를 냉각, 액화, 및 과냉각시켜 과냉각된 가벼운 냉매 스트림을 얻고, 상기 가벼운 냉매 스트림을 감압 상태에서 주열교환기의 저온 단부에서 주열교환기의 쉘측안으로 유입시키며, 상기 가벼운 냉매 스트림을 쉘측에서 증발시키는 단계를 포함한다.
국제특허출원공보 제 99/31 448 호에는 액화 공정의 제어에 대해서 개시되어 있다. 공지된 제어 공정에 있어서, 모델 예측 제어 (model predictive control) 를 기초로 하는 고급 공정 제어기 (advanced process controller) 는 일군의 제어 변수 (controlled variables) 중 하나 이상을 제어하면서 일군의 파라미터 중 하나 이상을 최적화하기 위해서 일군의 조작 변수 (manipulated variables) 를 위한 동시 제어 작동을 결정하는데 사용되고, 일군의 조작 변수로서는, 무거운 냉매분의 질량 유량, 가벼운 냉매분의 질량 유량, 및 메탄 농축 공급물의 질량 유량을 포함하고, 일군의 제어 변수로서는, 주열교환기의 미온 단부에서의 온도차 및 주열교환기의 중간 지점에서의 온도차를 포함하고, 최적화될 일군의 변수로서는 액화물의 생성을 포함한다.
공지된 공정은, 혼합 냉매의 벌크 조성 (bulk composition) 이 액화물의 생성을 최적화하도록 조작되지 않기 때문에 유리한 것으로 생각되었다. 하지만, 본 출원인은 혼합 냉매의 벌크 조성을 개별적으로 제어하는 것이 귀찮다는 것을 알게 되었다.
도 1 은 천연 가스를 액화시키는 플랜트의 흐름도이다.
본 발명의 목적은, 혼합 냉매의 벌크 조성의 제어를 포함하는 다른 공정을 제공하는 것이다.
이를 위해, 액화물을 얻기 위한 가스성 메탄 농축 공급물의 액화 방법은, 냉매의 조성과 양을 조절하고, 모델 예측 제어를 기초로 하는 고급 공정 제어기를 사용하여 액화 방법을 제어하여, 일군의 제어 변수 중 하나 이상을 제어하면서 일군의 파라미터 중 하나 이상을 최적화하기 위해 일군의 조작 변수를 위한 동시 제어 작동을 결정하는 단계를 더 포함하고, 일군의 조작 변수로서는, 무거운 냉매분의 질량 유량, 가벼운 냉매분의 질량 유량, 냉매 성분의 양, 제거된 냉매량, 냉매 압축기의 용량, 및 메탄 농축 공급물의 질량 유량을 포함하고, 일군의 제어 변수로서는, 주열교환기의 미온 단부에서의 온도차, 액화 천연가스의 온도와 관련된 변수, 단계 (d) 에서 분리기로 유입하는 냉매의 조성, 주열교환기의 쉘내의 압력, 단계 (d) 에서 분리기내의 압력, 및 단계 (d) 에서 분리기내의 액체 수위를 포함하며, 최적화될 일군의 변수로서는 액화물의 생성을 포함한다.
본원의 상세한 설명 및 청구항에서, '조작 변수' 는 공급 공정 제어기에 의해 조작될 수 있는 변수를 말하고, '제어 변수' 는 고급 공정 제어기에 의해 소정치 (설정점) 또는 소정 범위 (설정 범위) 내에 유지되어야 하는 변수를 말한다. '변수 최적화' 는 변수를 최대화 또는 최소화하고 또한 변수를 소정치에 유지하는 것을 말한다.
모델 예측 제어 또는 모델을 기초로 한 예측 제어는 잘 알려진 기술로서, 예를 들어 Perry's Chemical Engineer's Handbook 제 7 판의 8-25 내지 8-27 쪽을 참고하면 된다. 모델 예측 제어의 핵심은, 제어 변수의 모델 및 이용가능한 측정치를 사용하여 장래의 공정 거동을 예측하는 것이다. 예측된 에러 및 계산된 장래의 제어 조처의 일차 또는 이차 함수인 성능 지표 (performancee index) 를 최적화하도록 제어기의 출력을 계산한다. 각각의 샘플링시, 제어 계산을 반복하고 현재의 측정치를 바탕으로 상기 예측을 업데이트시킨다. 적절한 모델은, 제어 변수에 대한 조작 변수의 단계응답 (step-response) 효과를 나타내는 일군의 단계응답 실험 모델을 포함하는 것이다.
최적화될 파라미터의 최적치는 별도의 최적화 단계로부터 얻어질 수 있고 또는 최적화될 변수는 성능 함수에 포함될 수 있다.
모델 예측 제어를 사용하기 전에, 우선 조작 변수의 단계 변경이 최적화될 변수 및 제어 변수에 미치는 효과를 결정한다. 이 결과 일군의 단계응답 계수가 얻어진다. 이 일군의 단계응답 계수는 액화 방법의 모델 예측 제어의 기초를 형성한다.
정상 작동시, 제어 변수의 예측치는 다수의 장래의 제어 조처에 대하여 규칙적으로 계산된다. 이러한 장래의 제어 조처에 대한 성능 지표를 계산한다. 성능 지표는 2 개의 항 (terms) 을 포함하는데, 첫번째 항은 각 제어 조처에 대한 예측 에러의 장래의 제어 조처의 합을 나타내고, 두번째 항은 각 제어 조처에 대한 조작 변수의 변경시 장래의 제어 조처의 합을 나타낸다.
각각의 제어 변수에 대하여, 예측된 에러는 제어 변수의 예측치와 제어 변수의 기준치간의 차이다. 예측된 에러에는 가중 인자 (weighting factor) 가 곱해지고, 제어 조처에 대한 조작 변수의 변경에은 조처 억제 인자 (suppression factor) 가 곱해진다. 본원에서 성능 지표는 일차식이다.
다른 방법으로, 상기 항은 이차항의 합일 수 있고, 이 경우에 성능 지표는 이차식이다.
게다가, 조작 변수, 이 조작 변수의 변경 및 제어 변수에 대한 제약조건을 설정할 수 있다. 이 결과, 성능 지표의 최소화와 동시에 해결되는 별도의 방정식군이 얻어진다.
최적화는 2 가지 방법으로 실시될 수 있는데, 일 방법으로는 성능 지표의 최소화 외부에서 별도로 최적화하는 것이고, 두번째 방법으로는 성능 지표내에서 최적화하는 것이다.
개별적으로 최적화를 수행할 때, 최적화될 변수는 각 제어 조처에 대한 예측된 에러에 제어 변수로서 포함되고, 이러한 최적화는 제어 변수에 대한 기준치를 제공해준다.
다른 방법으로, 최적화는 성능 지표의 계산내에서 실시되고, 이는 적절한 가중 인자를 지닌 제 3 항을 성능 지표에 제공해준다. 이 경우에 있어서, 제어 변수의 기준치는 일정하게 유지되는 미리 정해진 정상 상태의 값이다.
성능 지표는 장래의 제어 조처에 대한 조작 변수의 값을 제공해주도록 제약조건을 고려하여 최소화된다. 하지만, 단지 다음의 제어 조처만이 실행된다. 그 후, 장래의 제어 조처에 대한 성능 지표의 계산을 다시 시작한다.
단계응답 계수를 가진 모델 및 모델 예측 제어에 필요한 방정식은 액화 방법을 제어하기 위해 실행되는 컴퓨터 프로그램의 일부이다. 모델 예측 제어를 처리할 수 있는 이러한 프로그램이 설치된 컴퓨터 프로그램을 고급 공정 제어기라고 한다. 이 컴퓨터 프로그램은 상업적으로 이용가능하기 때문에, 이러한 프로그램에 대해서는 자세히 설명하지 않는다. 본 발명은 또한 변수를 선택하는 것에 관한 것이다.
본 발명은 천연 가스를 액화시키는 설비의 흐름도를 개략적으로 도시한 첨부 도면을 참조하여 실시예의 방식으로 설명한다.
천연 가스를 액화시키는 플랜트는, 미온 단부 (3), 저온 단부 (5) 및 중간 지점 (7) 을 갖는 주열교환기 (1) 를 포함한다. 주열교환기 (1) 의 벽 (8) 은 쉘측 (10) 을 한정한다. 쉘측 (10) 내에는, 미온 단부 (3) 에서부터 저온 단부 (5) 까지 형성되는 제 1 튜브측 (13), 미온 단부 (3) 에서부터 중간 지점 (7) 까지 형성되는 제 2 튜브측 (15), 및 미온 단부 (3) 에서부터 저온 단부 (5) 까지 형성되는 제 3 튜브측 (16) 이 위치한다.
정상 작동시, 공급관 (20) 을 통하여 주열교환기 (1) 의 미온 단부 (3) 에서 이 주열교환기 (1) 의 제 1 튜브측 (13) 에 가스성 메탄 농축 공급물이 승압된 상태에서 공급된다. 제 1 튜브측 (13) 을 통과하는 공급물은 쉘측 (10) 내에서 증발하는 냉매에 대하여 냉각, 액화 및 과냉각된다. 최종 액화 스트림은 주열교환기의 저온 단부 (5) 에서 주열교환기 (1) 로부터 도관 (23) 을 통하여 제거된다. 액화 스트림은 저장기 (도시하지 않음) 로 가게 되어 대기압에서 액화물로 저장된다.
증발 냉매는 주열교환기의 미온 단부 (3) 에서 주열교환기 (1) 의 쉘측 (10) 으로부터 도관 (25) 을 통하여 제거된다. 냉매의 벌크 조성을 조절하기 위해서, 질소, 메탄, 에탄 및 프로판 등의 성분을 도관 (26a, 26b, 26c, 26d) 을 통하여 도관 (25) 내의 냉매에 추가할 수 있다. 도관 (26a ~ 26d) 에는 도관 (25) 안으로의 성분 유동을 제어하는 적절한 밸브 (도시하지 않음) 가 장착된다. 또한, 냉매는 혼합 냉매 또는 다성분 냉매 (multicomponent refrigerant) 라고 한다.
냉매 압축기 (30) 에서, 증발 냉매가 압축되어 고압 냉매로 되어 도관 (32) 을 통하여 제거된다. 냉매 압축기 (30) 는 시동기-보조 모터 (starter-helper motor; 도시하지 않음) 가 장착된 적절한 모터, 예를 들어 가스 터빈 (35) 에 의해 구동된다.
도관 (32) 내의 고압의 냉매는 공기 냉각기 (42) 에서 냉각되고 열교환기 (43) 내에서 부분적으로 응축되어 부분적으로 응축된 냉매로 된다. 공기 냉각기 (42) 는 냉매가 해수에 대하여 냉각되는 열교환기로 교체될 수 있다.
고압의 냉매는 유입 장치 (46) 를 통하여 분리 용기 (45) 형태의 분리기 안으로 들어가게 된다. 분리 용기 (45) 내에서, 부분적으로 응축된 냉매는 액상 무거운 냉매분 (heavy refrigerant fraction) 과 가스성 가벼운 냉매분 (light refrigerant fraction) 으로 분리된다. 액상 무거운 냉매분은 분리 용기 (45) 의 바닥으로부터 도관 (47) 을 통하여 제거되고, 가벼운 가스성 냉매분은 도관 (48) 을 통하여 제거된다.
냉매량을 조절하기 위해서, 무거운 냉매는 밸브 (49a) 가 제공된 도관 (49) 을 통하여 배출될 수 있다.
무거운 냉매분은 주열교환기 (1) 의 제 2 튜브측 (15) 내에서 과냉각되어 과냉각된 무거운 냉매 스트림으로 된다. 무거운 과냉각된 냉매 스트림은, 주열교환기 (1) 로부터 도관 (50) 을 통하여 제거되고, 팽창 밸브 (51) 형태의 팽창 장치를 지날 때 팽창하게 된다. 이 냉매 스트림은 감압된 상태에서 도관 (52) 과 노즐 (53) 을 통하여 주열교환기 (1) 의 중간 지점 (7) 에서 이 주열교환기 (1) 의 쉘측 (10) 안으로 유입된다. 무거운 냉매 스트림은 감압된 상태에서 쉘측 (10) 에서 증발되어, 튜브측 (13, 15, 16) 내의 유체를 냉각시킨다.
냉매량을 조절하기 위해서, 가벼운 가스성 냉매는 밸브 (54a) 가 제공된 도관 (54) 을 통하여 배출될 수 있다.
도관 (48) 을 통하여 제거된 가벼운 가스성 냉매분은 주열교환기 (1) 의 제 3 튜브측 (16) 으로 가게 되고, 여기에서 냉각, 액화 및 과냉각되어 과냉각된 가벼우 냉매 스트림으로 된다. 가벼운 과냉각된 냉매 스트림은, 주열교환기 (1) 로부터 도관 (57) 을 통하여 제거되고, 팽창 밸브 (58) 형태의 팽창 장치를 지날 때 팽창하게 된다. 이 냉매 스트림은 감압된 상태에서 도관 (59) 과 노즐 (60) 을 통하여 주열교환기 (1) 의 저온 단부 (5) 에서 이 주열교환기 (1) 의 쉘측 (10) 안으로 유입된다. 가벼운 냉매 스트림은 감압된 상태에서 쉘측 (10) 에서 증발되어, 튜브측 (13, 15, 16) 내의 유체를 냉각시킨다.
최종 액화 스트림은 주열교환기 (1) 로부터 도관 (23) 을 통하여 제거되어 플래시 용기 (flash vessel; 70) 로 가게 된다. 도관 (23) 에는 압력을 감소시키기 위해 팽창 밸브 (71) 형태의 팽창 장치가 제공되어서, 최종 액화 스트림은 감압 상태에서 플래시 용기 (70) 의 유입 장치 (72) 를 통하여 유입된다. 감소된 압력은 실질적으로 대기압과 동일한 것이 적합하다. 또한, 팽창 밸브 (71) 는 전체 유동을 조절한다.
플래시 용기 (70) 의 상부로부터 도관 (75) 을 통하여 발생 가스 (off-gas) 가 제거된다. 발생 가스는 단부-플래시 압축기 (도시하지 않음) 내에서 압축되어 고압의 연료 가스로 될 수 있다.
액화물은 플래시 용기 (70) 의 바닥으로부터 도관 (80) 을 통하여 제거되어 저장기 (도시하지 않음) 로 가게 된다.
제 1 목적은 팽창 밸브 (71) 에 의해 조작되는 도관 (80) 을 관류하는 액화물의 생성을 최대화시키는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해서, 액화 방법은 모델 예측 제어를 기초로 하는 고급 공정 제어기를 사용하여 제어되어, 일군의 제어 변수 중 하나 이상을 제어하면서 액화물의 생성을 최적화하기 위해서 일군의 조작 변수를 위한 동시 제어 작동을 결정한다.
일군의 조작 변수로서는, 도관 (52) (팽창 밸브 (51)) 을 관류하는 무거운 냉매분의 질량 유량, 도관 (57) (팽창 밸브 (58)) 을 관류하는 가벼운 냉매분의 질량 유량, 형성된 (도관 (26a ~ 26d) 을 통해 공급된) 냉매 성분의 양, 도관 (49) 을 통한 추출 및/또는 도관 (54) 을 통한 배출에 의해 제거된 냉매량, 냉매 압축기 (30) 의 용량, 및 도관 (20) (팽창 밸브 (71) 에 의해 조작됨) 을 통한 메탄 농축 공급물의 질량 유량을 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 팽창 터빈 (도시하지 않음) 이 팽창 밸브 (71) 의 상류측에서 도관 (23) 에 배열될 수 있다.
이러한 조작 변수 중에서, 무거운 냉매분의 질량 유량, 가벼운 냉매분의 질량 유량, 냉매 성분의 양, 및 추출 및/또는 배출에 의해 제거된 냉매량은, 혼합 냉매의 재고량 또는 양과 관련된 조작 변수가다.
냉매 압축기 (30) (또는 1 이상의 냉매 압축기가 사용된다면 압축기들) 의 용량은, 냉매 압축기의 속도, 냉매 압축기의 입구 안내 베인의 각, 또는 냉매 압축기의 속도와 입구 안내 베인의 각 둘 다에 의해 결정된다. 따라서, 냉매 압축기의 용량의 조작 변수로는, 냉매 압축기의 속도, 냉매 압축기의 입구 안내 베인의 각, 또는 냉매 압축기의 속도와 입구 안내 베인의 각 둘 다이다.
일군의 제어 변수로서는, 주열교환기 (1) 의 미온 단부 (3) 에서의 온도차 (도관 (20) 내의 유체의 온도와 도관 (25) 내의 유체의 온도와의 온도차) 를 포함한다.
적절하게는, 중간 지점 (7) 에서의 온도차, 즉 중간 지점 (7) 에서 제 1 튜브측 (13) 내에서 액화되는 가스의 온도와 중간 지점 (7) 에서 주열교환기 (1) 의 쉘측 (10) 내의 유체의 온도 간의 온도차 등의 추가 변수가 제어된다. 본 명세서 및 청구항에서, 이러한 온도차를 제 1 중간 지점의 온도차라고 한다.
적절하게는, 중간 지점 (7) 에서의 온도차, 즉 중간 지점 (7) 에서 제 1 튜브측 (13) 내에서 액화되는 가스의 온도와 도관 (52) 을 통하여 유입된 무거운 혼합 냉매 스트림의 온도 간의 온도차 등의 추가 변수가 제어된다. 본 명세서 및 청구항에서, 이러한 온도차를 제 2 중간 지점의 온도차라고 한다.
적절하게는, 다른 제어 변수로서는 중간 지점 (7) 에서 제 1 튜브측 (13) 에서 액화되는 가스의 온도이다.
또한, 일군의 제어 변수로서는 액화 천연가스의 온도와 관련된 변수를 포함한다. 더욱이, 이러한 일군의 제어 변수로서는, 분리 용기 (45) 로 유입하는 냉매의 조성, 주열교환기 (1) 의 쉘 (10) 의 압력, 분리 용기 (45) 의 압력, 및 분리 용기 (45) 내의 액체 수위 (81) 를 포함한다.
최적화될 일군의 변수로서는 액화물의 생성을 포함한다.
이러한 변수들을 선택함으로써, 모델 예측 제어를 기초로 하는 고급 공정 제어로 주열교환기 (1) 의 제어를 달성한다.
본 출원인은, 액화물의 생성을 최적화하고, 주열교환기내의 온도 분포를 제어하며, 냉매 조성과 냉매의 재고량 또는 양을 제어할 수 있는 효과적이고 신속한 제어를 달성할 수 있음을 알게 되었다.
본 발명에서 중요한 점은, 혼합 냉매의 조성과 재고량이 액화물의 생성을 최적화와 불가분의 관계라는 것이다.
제어 변수 중 하나로는, 주열교환기 (1) 의 미온 단부 (3) 에서의 온도차, 즉 도관 (20) 내의 유체의 온도와 도관 (25) 내의 유체의 온도 간의 온도차이다. 쉘측 (10) 으로부터 도관 (25) 을 통하여 액상 냉매가 배출되지 않음을 보장하기 위해서, 미온 단부 (3) 의 온도는 소정의 제한치들 (최소 제한치 및 최대 제한치) 사이로 유지된다.
적절하게는, 중간 지점 (7) 에서의 온도차, 즉 중간 지점 (7) 에서 제 1 튜브측 (13) 내에서 액화되는 가스의 온도와 중간 지점 (7) 에서 주열교환기 (1) 의 쉘측 (10) 내의 유체의 온도 간의 온도차 등의 추가 변수가 제어된다. 이 제 1 중간 지점 온도차는 소정의 범위에 유지되어야 한다.
적절하게는, 중간 지점 (7) 에서의 온도차, 즉 중간 지점 (7) 에서 제 1 튜브측 (13) 내에서 액화되는 가스의 온도와 도관 (53) 을 통하여 유입된 무거운 혼합된 냉매 스트림의 온도 간의 온도차 등의 추가 변수가 제어된다. 이 제 2 중간 지점 온도차는 소정의 범위에 유지되어야 한다.
적절하게는, 다른 제어 변수로서는, 중간 지점 (7) 에서 제 1 튜브측 (13) 내에서 액화되는 가스의 온도이고, 이 온도는 소정치 이하로 유지되어야 한다.
제어 변수 중 하나로서는 액화 천연가스의 온도와 관련된 변수이다. 적절하게는, 이는 주열교환기 (1) 로부터 도관 (23) 을 통하여 제거된 액화 천연가스의 온도이다. 다른 방법으로, 액화 천연가스의 온도와 관련된 변수로서는 도관 (75) 을 관류하는 발생 가스의 양이다.
적절하게는, 최적화될 일군의 변수로서는, 액화물의 생성 이외에도, 냉매의 질소 함량과 냉매의 프로판 함량을 포함하고, 상기 질소 함량은 최소화되고, 상기 프로판 함량은 최대화된다.
서문에서 언급한 바와 같이, 최적화는 개별적으로 실시될 수 있고 또는 성능 지표의 계산으로 실시될 수 있다. 성능 지표의 계산으로 실시되는 경우에 있어서, 최적화될 변수는 소정의 가중 인자 (weighting factor) 로 가중된다. 상기 두 방법으로 조작자는 생성을 최대화하거나 또는 냉매 조성을 최적화할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 압축기의 활용을 최대화하는 것이다. 이와 관련하여, 액화 천연가스의 생성은 압축기의 제한조건에 도달할 때까지 최대화된다. 이에 따라, 일군의 제어 변수로서는 냉매 압축기 (30) 또는 1 이상의 냉매 압축기가 사용되는 경우에는 냉매 압축기들을 구동시키는데 필요한 전력을 더 포함한다.
추가로, 냉매 압축기(들)의 속도는 제어 변수이고, 이 속도는 미온 단부 (3) 에서의 최대 온도차가 최대 한계치에 도달할 때까지 감소될 수 있다.
열교환기 (43) 내에서 고압 냉매는 부분적으로 응축된다. 이러한 열교환기 및 몇몇 다른 열교환기 (도시하지 않음) 에서는, 열교환기(들)의 쉘측에서 적절한 압력에서 증발하는 보조 냉매 (예를 들어, 프로판) 와의 간접적인 열교환으로 열을 제거한다.
증발된 보조 냉매는 가스 터빈 (92) 등의 적절한 모터에 의해 구동되는 보조 압축기 (90) 내에서 압축된다. 보조 냉매는 공기 냉각기 (95) 내에서 응축되고, 이 공기는 외부 냉각제이다. 응축된 보조 냉매는 승압 상태에서 팽창 밸브 (99) 가 제공된 도관 (97) 을 통하여 열교환기 (43) 의 쉘측으로 가게 된다. 응축된 보조 냉매는 저압에서 증발되며, 증발된 보조 냉매는 도관 (100) 을 통하여 보조 압축기 (92) 로 되돌아간다. 2 개 이상의 보조 압축기가 병렬로 또는 직렬로 배열되어 사용될 수 있음을 알 수 있다.
공기 냉각기 (95) 는 냉매가 해수에 대하여 냉각되는 열교환기로 대체될 수 있다.
보조 냉매의 사이클 제어와 주열교환기 (1) 의 제어를 통합하기 위해, 일군의 조작 변수로서는 보조 냉매 압축기(들) (90) 또는 압축기들의 용량을 더 포함하고, 일군의 제어 변수로서는 보조 냉매 압축기(들) (90) 또는 압축기들을 구동시키는 전력을 더 포함한다. 이러한 방식으로, 프로판 압축기의 활용을 최대화할 수 있다.
보조 냉매 압축기 (90) (또는, 1 이상의 보조 냉매 압축기가 사용되는 경우에는 압축기들) 의 용량은, 보조 냉매 압축기의 속도, 보조 냉매 압축기의 입구 안내 베인의 각, 또는 냉매 압축기의 속도와 입구 안내 베인의 각 둘 다에 의해 결정된다. 따라서, 보조 냉매 압축기의 용량의 조작 변수로서는, 보조 냉매 압축기의 속도, 보조 냉매 압축기의 입구 안내 베인의 각, 또는 냉매 압축기의 속도와 입구 안내 베인의 각 둘 다이다.
도면에 도시된 실시형태에 있어서, 무거운 냉매는 밸브 (49a) 가 제공된 도관 (49) 을 통하여 배출될 수 있고, 가벼운 가스성 냉매는 밸브 (54a) 가 제공된 도관 (54) 을 통하여 배출될 수 있다.
다른 방법으로, 혼합 냉매는 냉매 압축기 (30) 의 하류에서 도관 (30) 으로부터 제거될 수 있다. 이러한 방식으로 냉매량을 매우 잘 조절할 수 있다.

Claims (13)

  1. 액화물을 얻기 위한 가스성 메탄 농축 공급물의 액화 방법으로서,
    (a) 주열교환기의 미온 단부에서 주열교환기의 제 1 튜브측에 가스성 메탄 농축 공급물을 승압 상태에서 공급하고, 증발 냉매에 대하여 가스성 메탄 농축 공급물을 냉각, 액화, 및 과냉각시켜 액화 스트림을 얻고, 주열교환기의 저온 단부에서 주열교환기로부터 상기 액화 스트림을 제거하고, 상기 액화 스트림을 액화물로서 저장기에 보내는 단계,
    (b) 주열교환기의 미온 단부에서 주열교환기의 쉘측에서부터 증발 냉매를 제거하는 단계,
    (c) 1 이상의 냉매 압축기에서 증발 냉매를 압축하여 고압의 냉매를 얻는 단계,
    (d) 고압의 냉매를 부분적으로 응축하고 부분적으로 응축된 냉매를 분리기내에서 액상 무거운 냉매분과 가스상 가벼운 냉매분으로 분리하는 단계,
    (e) 무거운 냉매분을 주열교환기의 제 2 튜브측내에서 과냉각시켜 과냉각된 무거운 냉매 스트림을 얻고, 상기 무거운 냉매 스트림을 감압 상태에서 주열교환기의 중간지점에서 주열교환기의 쉘측안으로 유입시키며, 상기 무거운 냉매 스트림을 쉘측내에서 증발시키는 단계, 및
    (f) 주열교환기의 제 3 튜브측에서 가벼운 냉매분의 적어도 일부를 냉각, 액화, 및 과냉각시켜 과냉각된 가벼운 냉매 스트림을 얻고, 상기 가벼운 냉매 스트림을 감압 상태에서 주열교환기의 저온 단부에서 주열교환기의 쉘측안으로 유입시키며, 상기 가벼운 냉매 스트림을 쉘측에서 증발시키는 단계를 포함하는 상기 액화 방법에 있어서,
    냉매의 조성과 양을 조절하고, 모델 예측 제어를 기초로 하는 고급 공정 제어기를 사용하여 액화 방법을 제어하여, 일군의 제어 변수 중 하나 이상을 제어하면서 일군의 파라미터 중 하나 이상을 최적화하기 위해 일군의 조작 변수를 위한 동시 제어 작동을 결정하는 단계를 더 포함하고,
    일군의 조작 변수로서는, 무거운 냉매분의 질량 유량, 가벼운 냉매분의 질량 유량, 냉매 성분의 양, 제거된 냉매량, 냉매 압축기의 용량, 및 메탄 농축 공급물의 질량 유량을 포함하고,
    일군의 제어 변수로서는, 주열교환기의 미온 단부에서의 온도차, 액화 천연가스의 온도와 관련된 변수, 단계 (d) 에서 분리기로 유입하는 냉매의 조성, 주열교환기의 쉘내의 압력, 단계 (d) 에서 분리기내의 압력, 및 단계 (d) 에서 분리기내의 액체 수위를 포함하며, 최적화될 일군의 변수로서는 액화물의 생성을 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 일군의 제어 변수로서는 제 1 중간 지점의 온도차를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 일군의 제어 변수로서는 제 2 중간 지점의 온도차를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 일군의 제어 변수로서는 중간 지점에서 제 1 튜브측에서 액화되는 가스의 온도를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 액화 천연가스의 온도와 관련된 변수는 주열교환기로부터 제거된 액화 천연가스의 온도인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 저장기로 들어가는 액화물 및 발생 가스를 얻기 위해 액화 스트림의 압력을 감소시키는 단계를 더 포함하고, 액화 천연가스의 온도와 관련된 변수는 발생 가스의 양인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 냉매량을 조절하는 단계는 가스성 냉매를 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 냉매량을 조절하는 단계는 액상 냉매를 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 냉매는 질소와 프로판을 포함하고, 최적화될 일군의 변수로서는, 냉매 중 질소 함량과 냉매 중 프로판 함량을 더 포함하고, 상기 질소 함량은 최소화되고, 상기 프로판 함량은 최대화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 일군의 제어 변수로서는 냉매 압축기(들)를 구동시키는데 필요한 전력을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 냉매 압축기의 용량의 조작 변수로는, 냉매 압축기의 속도, 냉매 압축기의 입구 안내 베인의 각, 또는 이들 둘 다인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 고압 냉매를 부분적으로 응축하는 것은, 적절한 압력에서 증발하는 보조 냉매와의 간접적인 열교환으로 하나 이상의 열교환기내에서 실시되고,
    증발된 보조 냉매는 1 이상의 보조 냉매 압축기에서 압축되고 외부 냉각제와의 열교환으로 응축되며,
    일군의 조작 변수로서는 보조 냉매 압축기(들)의 용량을 더 포함하고,
    일군의 제어 변수로서는 보조 냉매 압축기(들)을 구동시키는데 필요한 전력을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 보조 냉매 압축기의 용량의 조작 변수는 보조 냉매 압축기의 속도, 보조 냉매 압축기의 입구 안내 베인의 각, 또는 이 둘 다인 것을 특징으로 하는 방법.
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