KR20220031529A - 액화 천연 가스 플랜트에서 주 열교환기의 쿨다운 제어 방법 - Google Patents

액화 천연 가스 플랜트에서 주 열교환기의 쿨다운 제어 방법 Download PDF

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Abstract

액화 천연 가스 플랜트에서 주 열교환기의 쿨다운 제어 방법에 관한 것이다. 방법은 하나 이상의 프로세스 변수 및 설정점을 기반으로 열교환기를 통과하는 천연 가스 공급물 스트림의 유량의 자동 제어를 제공한다. 열교환기를 통과하는 냉매 스트림의 유량은 상이한 프로세스 변수 및 설정점에 의해 제어되고, 천연 가스 공급물 스트림의 유량에 독립적으로 제어된다.

Description

액화 천연 가스 플랜트에서 주 열교환기의 쿨다운 제어 방법{METHOD TO CONTROL THE COOLDOWN OF MAIN HEAT EXCHANGERS IN LIQUEFIED NATURAL GAS PLANT}
본원은 2020년 9월 4일에 출원된 미국 가출원 제63/074,565호의 우선권을 주장하고, 이는 참고로 본원에 전부 원용된다.
단일 혼합 냉매(SMR) 사이클, 프로판 예냉식 혼합 냉매(C3MR) 사이클, 이중 혼합 냉매(DMR) 사이클, (AP-X® 프로세스와 같은) C3MR-질소 하이브리드 사이클, 질소 또는 메탄 팽창기 사이클, 및 캐스케이드 사이클과 같은, 천연 가스를 냉각, 액화 및 선택적으로 과냉각하기 위한 다수의 액화 시스템은 당해 기술분야에서 잘 알려져 있다. 전형적으로, 이러한 시스템에서, 천연 가스는 하나 이상의 냉매와 간접 열 교환에 의해 냉각, 액화, 및 선택적으로 과냉각된다. 혼합 냉매, 순수 성분, 2상 냉매, 가스상 냉매 등과 같은 다양한 냉매가 이용될 수 있다. 질소, 메탄, 에탄/에틸렌, 프로판, 부탄, 선택적으로 펜탄의 혼합물인 혼합 냉매(MR)가 많은 기저 부하 액화 천연 가스(LNG) 플랜트에서 사용되었다. MR 스트림의 조성은 전형적으로 공급 가스 조성 및 작동 조건을 기반으로 최적화된다.
냉매는 하나 이상의 열교환기 및 하나 이상의 냉매 압축 시스템을 포함하는 냉매 회로에서 순환된다. 냉매 회로는 폐루프이거나 개루프일 수 있다. 천연 가스는 열교환기에서 냉매에 접하여 간접 열 교환에 의해 냉각, 액화, 및/또는 과냉각된다.
각각의 냉매 압축 시스템은 순환하는 냉매를 압축 및 냉각하기 위한 압축 회로, 및 압축기를 구동하는 데 필요한 동력을 제공하는 구동 조립체를 포함한다. 냉매는 천연 가스를 냉각, 액화 및 선택적으로 과냉각하는 데 필요한 열 듀티를 제공하는 저온 저압 냉매 스트림을 생성하도록 팽창 전 고압으로 압축되고 냉각된다.
천연 가스 냉각 및 액화 서비스를 위해 다양한 열교환기가 이용될 수 있다. 코일 권취형 열교환기(CWHE)는 종종 천연 가스 액화를 위해 이용된다. CWHE는 전형적으로 알루미늄 또는 스테인리스 강 가압 쉘 내에 수용된 헬리컬형으로 감긴 튜브 번들을 포함한다. LNG 서비스를 위해, 전형적인 CWHE는 다수의 튜브 번들을 포함하고, 각각은 여러 튜브 회로를 갖는다.
천연 가스 액화 프로세스에서, 천연 가스는 전형적으로 전처리되어서 물, 수은, 산성 가스, 황 함유 화합물, 중질 탄화수소 등과 같은 불순물을 제거한다. 정제된 천연 가스는 선택적으로 액화 전 예냉되어서 LNG를 생성한다.
플랜트의 정상 작동 전, 플랜트에서 모든 단위 작업이 수행될 필요가 있다. 이것은 존재하는 경우 천연 가스 전처리 프로세스, 냉매 압축기, 예냉 및 액화 열교환기, 및 다른 유닛의 시동을 포함한다. 플랜트가 시동되는 제1 시간은 이하 "초기 시동"으로 지칭된다. 정상 작동 중 열 교환기의 각 부분이 작동하는 온도는 "정상 작동 온도"로 지칭된다. 열교환기의 정상 작동 온도는 전형적으로 최고 온도를 갖는 웜 엔드(warm end) 및 최저 온도를 갖는 콜드 엔드(cold end)를 갖는 프로파일을 갖는다. 콜드 엔드에서 예냉 열교환기 및 웜 엔드에서 액화 교환기의 정상 작동 온도는 전형적으로 이용되는 예냉 냉매의 유형에 따라 -10 ℃ 내지 -60 ℃이다. 예냉의 부재시, 웜 엔드에서 액화 열교환기의 정상 작동 온도는 주위 온도에 가깝다. 콜드 엔드에서 액화 열교환기의 정상 작동 온도는 전형적으로 이용된 냉매 및 선택적 과냉각 수행 여부에 따라 -100 ℃ 내지 -165 ℃이다. 따라서, 이런 유형의 교환기의 초기 시동은 주위 온도(또는 예냉 온도)에서 정상 작동 온도로 콜드 엔드를 냉각하고 후속 생성 램프 업 및 정상 작동을 위한 적절한 공간적 온도 프로파일을 설정하는 것을 포함한다.
예냉 및 액화 열교환기를 시동하는 동안 중요한 고려사항은 열교환기에 대한 열 응력을 방지하기 위해서 점진적이고 제어된 방식으로 쿨다운되어야 한다는 점이다. 교환기 내 온도 변화율은 허용 가능한 한계 내에 있는 것이 바람직하다. 그렇게 하지 않으면 결국 바람직하지 않은 플랜트 가동 중단, 낮은 플랜트 가용성, 비용 증가를 이끌 수 있는 열교환기의 전체 수명 및 기계적 무결성에 영향을 줄 수 있는 열교환기의 열 응력을 유발할 수 있다. 따라서, 열교환기 냉각이 점진적이고 제어된 방식으로 수행되도록 주의해야 한다.
플랜트를 초기 시동 후, 예컨대, 일시적인 플랜트 가동 중단 또는 트립 후 열교환기의 재시동 중, 열교환기를 시동할 필요성이 또한 존재할 수 있다. 이러한 시나리오에서, 열교환기는 이하 "웜 재시동"으로 지칭되는 주위 온도로부터 또는 이하 "콜드 재시동"으로 지칭되는 정상 작동 온도와 주위 온도 사이의 중간 온도로부터 가열될 수 있다. 콜드 재시동과 웜 재시동 모두 점진적이고 제어된 방식으로 또한 수행되어야 한다. 용어 "쿨다운" 및 "시동"은 일반적으로 초기 시동, 콜드 재시동 뿐만 아니라 웜 재시동 중 열교환기 쿨다운을 지칭한다.
한 가지 기법은 열교환기 쿨다운 프로세스를 수동으로 제어하는 것이다. 냉매 유량 및 조성은 열교환기를 쿨다운시키기 위해서 단계적으로 수동 조정된다. 이 프로세스는 높은 조작자 관심과 기술을 요구하며, 이는 높은 조작자 이동률로 새로운 시설에서 달성하기 어려울 수 있다. 조작자 측의 임의의 오류는 허용 한계를 초과하는 쿨다운 속도 및 열교환기의 바람직하지 않은 열 응력을 이끌 수 있다. 부가적으로, 프로세스에서, 온도의 변화율은 종종 수동으로 계산되고 정확하지 않을 수 있다. 또한, 수동 시동은 단계적 프로세스인 경향이 있고 종종 수정 작동을 수반하여서, 시간이 많이 걸린다. 이런 시동 기간 동안, 교환기로부터의 공급 천연 가스는 전형적으로 제품 요건을 충족하지 않거나 LNG 탱크에 반입될 수 없기 때문에 플레어된다. 따라서, 수동 쿨다운 프로세스는 귀중한 공급 천연 가스의 큰 손실로 이어질 것이다.
다른 기법은 예를 들어 US 2010/0326133 A1에 개시된 시스템에서 프로그램 가능 제어기로 쿨다운 프로세스를 자동화하는 것이다. 종래 기술에 개시된 기법은 지나치게 복잡하고 교환기가 이미 냉각될 때까지 공급 밸브 조작을 포함하지 않는다. 이것은 쉽게 열교환기에서 냉매의 과다 공급으로 이어질 수 있고 비효율적일 것이다. 혼합 냉매(MR)와 같은 2상 냉매의 경우에, 이것은 MR 압축기의 흡입시 액체 냉매로 이어질 수 있다. 부가적으로, 이 방법은 고온측과 저온측 온도에 직접적인 영향을 미치는, 공급물 유량과 냉매 유량 사이의 밀접한 상호작용을 이용하지 않는다. 끝으로, 이 방법은 오히려 조작자에 의해 여전히 중요한 결정을 내려야 하는 인터랙티브(비자동) 프로세스이다. 그것의 자동화 수준은 제한된다.
쿨다운 프로세스를 자동화하는 한 가지 가능한 방법은 열교환기의 콜드 엔드에서 측정된 쿨다운 속도를 제어하기 위해 냉매 유량을 독립적으로 조작하면서 천연 가스 공급물 유량을 증가시키는 것이다. 이 방법은 쿨다운 속도 제어기가 냉매의 온도 및 상 거동에 따라 상이한 심지어 역반응을 가질 수 있기 때문에 비효율적인 것으로 밝혀졌다. 냉매는 냉각 매체로서 역할을 할 뿐만 아니라 JT 밸브가 팽창하기 전 열교환기의 열 부하로서 역할을 한다. 프로세스 초반에, 냉매 유량을 증가시키면 냉매가 튜브 회로에서 응축되기 전 콜드 엔드에서 측정된 쿨다운 속도가 실제로 느려지게 할 수 있다. JT 밸브로 유입되는 냉매가 응축되는 쿨다운 프로세스 후반에, 유동을 증가시키면 쿨다운 속도를 증가시킨다. 이러한 역반응은 이러한 제어 방법의 자동화를 매우 어렵거나 불가능하게 만든다.
쿨다운 프로세스를 자동화하는 다른 방법은 US10393429에 교시되어 있으며, 이는 주 열교환기에서 천연 가스 공급물 스트림의 램프 업(유동 증가)을 제어하기 위해 콜드 엔드 온도의 미분을 사용하는 것을 개시한다. 주 열교환기에서 냉매 스트림에 대한 유량은 미리 정해진 램프 속도를 사용하여 제어된다. 냉매 스트림의 유량은 시간 미분 온도 측정을 기반으로 조정되거나 제어되지 않는다. 어떠한 시간 미분 온도 측정에도 독립적으로 유동을 제어하고 냉매 스트림 유동을 램프 업하기 위한 유일한 시간 미분 측정으로서 콜드 엔드 온도 측정을 사용하면 열교환기를 통해 전파되는 바람직하지 않은 큰 온도 변동을 초래할 수 있다. 이러한 온도 변동은 콜드 엔드에서 시작될 수 있고 플랜트 시동 중 중간 구역 및 웜 엔드와 같은 다른 위치에서도 시작될 수 있다. 따라서, 온도 변동이 시작된 위치에 따라, 그것은 공급물 유동 방향과 같거나 반대 방향으로 이동할 수 있다. 온도 변동이 콜드 엔드에서 시작하여 웜 엔드로 이동하는 경우, 콜드 엔드 시간 미분 온도 제어기는 이를 감지하고 공급물 흐름을 조정하여 이러한 온도 변동을 완화시키는 데 효과적일 수 있다. 그러나, 온도 변동이 콜드 엔드로부터 약간 떨어진 곳(예컨대 웜 엔드 근처)에서 시작되면 이러한 변동은 콜드 엔드 쪽으로 이동한다. 콜드 엔드 온도가 흐름을 제어하는 데 사용되는 유일한 시간 미분 온도 측정인 경우, 이러한 변동이 콜드 엔드에 도달하기 전에 감지하는 것이 종종 불가능하다. 그러므로, 시간 변동이 콜드 엔드에 도달할 때까지, 이러한 온도 변동을 완화하기에는 너무 늦다. 예를 들어, 도 1은 US10393429의 도 1 및 도 2에 개시된 시스템 및 방법에 대한 쿨다운 동안 콜드 엔드 온도 센서에 대한 시뮬레이션된 온도 프로파일을 도시한다. 도 1에 도시된 급격한 온도 강하는 주 열교환기에 열 응력을 유발할 수 있다.
전반적으로, 천연 가스 액화 시설에서 열교환기의 시동을 위한 개선된 자동 시스템 및 방법이 필요하며, 이는 조작자 개입의 필요성을 감소시키면서 주 열교환기에 대한 열 응력의 가능성을 감소시킨다.
이 개요는 아래의 상세한 설명에서 추가로 설명되는 단순화된 형태로 다양한 개념을 소개하기 위해 제공된다. 이 요약은 청구된 주제의 핵심 특징 또는 필수 특징을 식별하기 위한 것이 아니며, 청구된 주제의 범위를 제한하는 데 사용되지 않는다.
개시된 실시예는 주 열교환기에서 상이한 축방향 위치의 시간 미분 온도 측정치에 따라 천연 가스 액화 시설의 시동 중 공급 가스 유량 및 적어도 하나의 냉매 유량을 모두 조정하기 위한 프로그램 가능 제어 시스템 및 방법을 제공함으로써 당업계의 요구를 충족시킨다.
게다가, 본 발명의 시스템 및 방법의 여러 특정한 양태가 아래에 요약된다.
양태 1: 웜 엔드, 콜드 엔드, 및 중간 구역을 포함하는 주 열교환기, 적어도 하나의 공급물 스트림, 및 적어도 하나의 냉매 스트림을 가지는 열 교환 시스템의 시동을 제어하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
(a) 제1 시간에서의 제1 온도 프로파일로부터 제2 시간에서의 제2 온도 프로파일로 상기 주 열교환기를 냉각하는 단계로서, 상기 제1 온도 프로파일은 상기 제2 온도 프로파일의 제2 평균 온도보다 높은 제1 평균 온도를 가지는, 상기 냉각하는 단계; 및
(b) 단계 (a)의 수행 중 동시에 다음 단계들:
(ⅰ) 상기 주 열교환기의 콜드 엔드에서 콜드 엔드 온도를 측정하는 단계;
(ⅱ) 상기 제1 콜드 엔드 온도의 변화율을 포함하는 제1 값을 계산하는 단계;
(ⅲ) 상기 콜드 엔드 온도의 바람직한 변화율을 나타내는 콜드 엔드 설정점을 제공하는 단계;
(ⅳ) 상기 제1 값과 상기 제1 설정점을 기반으로 상기 주 열교환기를 통한 적어도 하나의 공급물 스트림의 유량을 제어하는 단계;
(ⅴ) 상기 주 열교환기의 중간 구역 내 제1 로케이션에서 제1 중간 구역 온도를 측정하는 단계;
(ⅵ) 상기 제1 중간 구역 온도의 변화율을 포함하는 제2 값을 계산하는 단계;
(ⅶ) 상기 제1 중간 구역 온도의 바람직한 변화율을 나타내는 제1 중간 구역 설정점을 제공하는 단계; 및
(ⅷ) 상기 제2 값과 상기 제2 설정점을 기반으로 상기 주 열교환기를 통한 적어도 하나의 냉매 스트림의 제1 스트림의 유량을 제어하는 단계를 실행하는 단계를 포함하는, 방법.
양태 2: 양태 1에 있어서, 상기 단계 (b)는:
(ⅸ) 상기 주 열교환기의 중간 구역 내 제2 로케이션에서 제2 중간 구역 온도를 측정하는 단계로서, 상기 제2 로케이션은 상기 제1 로케이션과는 다른 중간 구역 내의 축방향 위치에 위치하는 것인 단계;
(ⅹ) 상기 제2 중간 구역 온도의 변화율을 포함하는 제3 값을 계산하는 단계;
(xi) 상기 제2 중간 구역 온도의 바람직한 변화율을 나타내는 제2 중간 구역 설정점을 제공하는 단계; 및
(xii) 상기 제3 값과 제3 설정점을 기반으로 상기 주 열교환기를 통한 적어도 하나의 냉매 스트림의 제2 스트림의 유량을 제어하는 단계를 실행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
양태 3: 양태 1 내지 2 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 중간 구역 설정점은 상기 콜드 엔드 설정점과 동일한, 방법.
양태 4: 양태 1 내지 2 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 중간 구역 설정점은 상기 콜드 엔드 설정점 미만인, 방법.
양태 5: 양태 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 냉매 스트림은 MRL 스트림 및 MRV 스트림을 포함하고 단계 (b)는:
(xiii) 일정한 변화율을 기반으로 MRV 스트림의 유량을 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
양태 6: 양태 5에 있어서, 단계 (ⅷ)은 상기 제2 값 및 상기 제2 설정점을 기반으로 상기 주 열교환기를 통한 MRL 스트림의 유량을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
양태 7: 양태 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 상기 주 열교환기는 코일 권취형 열교환기를 포함하는, 방법.
양태 8: 양태 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서,
(xiv) 상기 적어도 하나의 공급물 스트림을 상기 주 열교환기로 도입하기 전 적어도 하나의 공급물 스트림을 예냉하는 단계를 더 포함하는, 방법.
양태 9: 양태 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 단계 (b)(ⅰ)는:
(ⅰ) 상기 주 열교환기의 콜드 엔드에서 콜드 엔드 온도를 측정하는 단계를 포함하고, 측정된 콜드 엔드 온도는 제1 복수의 온도 센서로부터의 온도 판독치의 평균으로 이루어지고; 단계 (b)(ⅴ)는:
(ⅴ) 상기 주 열교환기의 중간 구역 내 제1 로케이션에서의 제1 중간 구역 온도를 측정하는 단계를 포함하고, 측정된 제1 중간 구역 온도는 제2 복수의 온도 센서로부터의 온도 판독치의 평균으로 이루어지는, 방법.
양태 10: 양태 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 상기 콜드 엔드 설정점은 단계 (a)의 수행 내내 일정한, 방법.
양태 11: 양태 1 내지 10 중 어느 하나에 있어서,
상기 콜드 엔드 설정점은 단계 (a)의 수행 동안 적어도 한 번 변하는, 방법.
양태 12: 양태 1 내지 11 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1 중간 구역 설정점은 단계 (a)의 수행 내내 일정한, 방법.
양태 13: 양태 1 내지 12 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1 중간 구역 설정점은 단계 (a)의 수행 동안 적어도 한 번 변하는, 방법.
양태 14: MRL 스트림 및 MRV 스트림으로서 주 열교환기에 공급된 혼합 냉매를 사용해 폐루프 레프리저레이션(refrigeration)에 의해 주 열교환기의 쿨다운을 달성하도록 주 열교환기를 갖는 액화 천연 가스 플랜트의 시동을 제어하는 방법으로서, 상기 주 열교환기는 적어도 하나의 천연 가스 스트림 및 적어도 하나의 냉매 스트림을 포함하고, 상기 적어도 하나의 냉매 스트림은 간접 열 교환을 통하여 적어도 하나의 천연 가스 스트림을 냉각하는 데 사용되고, 상기 주 열교환기는 웜 엔드, 콜드 엔드, 및 중간 구역을 가지는 코일 권취형 열교환기를 포함하고, 상기 방법은:
(a) 제1 시간에서의 제1 온도 프로파일로부터 제2 시간에서의 제2 온도 프로파일로 상기 주 열교환기를 냉각하는 단계로서, 상기 제1 온도 프로파일은 상기 제2 온도 프로파일의 제2 평균 온도보다 높은 제1 평균 온도를 가지는, 상기 냉각하는 단계; 및
(b) 단계 (a)의 수행 중 동시에 다음 단계들:
(ⅰ) 상기 주 열교환기의 콜드 엔드에서 콜드 엔드 온도를 측정하는 단계;
(ⅱ) 상기 제1 콜드 엔드 온도의 변화율을 포함하는 제1 값을 계산하는 단계;
(ⅲ) 상기 콜드 엔드 온도의 바람직한 변화율을 나타내는 콜드 엔드 설정점을 제공하는 단계;
(ⅳ) 상기 제1 값과 상기 제1 설정점을 기반으로 상기 주 열교환기를 통한 적어도 하나의 천연 가스 스트림의 유량을 제어하는 단계;
(ⅴ) 상기 주 열교환기의 중간 구역 내 제1 로케이션에서 제1 중간 구역 온도를 측정하는 단계;
(ⅵ) 상기 제1 중간 구역 온도의 변화율을 포함하는 제2 값을 계산하는 단계;
(ⅶ) 상기 제1 중간 구역 온도의 바람직한 변화율을 나타내는 제1 중간 구역 설정점을 제공하는 단계를 실행하는 단계를 포함하는, 방법.
양태 15: 양태 14에 있어서,
상기 제2 값 및 상기 제2 설정점을 기반으로 상기 주 열교환기를 통한 MRL 스트림의 유량을 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
도 1은 US10393429에 개시된 시스템 및 방법에 대한 쿨다운 동안 시뮬레이션된 온도 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 2는 예시적인 주 열교환기 시스템의 단순화된 개략적 흐름도이다.
도 3은 예시적인 C3MR 천연 가스 액화 시스템을 도시한 개략도이다.
도 3a는 도 3의 C3MR 시스템의 주 열교환기를 도시한 개략도이다.
도 4는 도 3의 시스템을 위한 예시적인 제어 시스템을 도시한 개략도이다.
도 4a는 도 3의 시스템을 위한 제2 예시적인 제어 시스템을 도시한 개략도이다.
도 5는 제1 시뮬레이션된 쿨다운의 예 동안 도 3의 주 열교환기의 콜드 엔드 및 중간 로케이션에서 온도 측정을 나타낸 그래프이다.
도 6은 제1 시뮬레이션된 쿨다운의 예 동안 MRL/MRV 유량의 비를 나타낸 그래프이다.
도 7은 제2 시뮬레이션된 쿨다운의 예 동안 도 3의 주 열교환기의 콜드 엔드 및 중간 로케이션에서 온도 측정을 나타낸 그래프이다.
도 8은 제2 시뮬레이션된 쿨다운의 예 동안 MRL/MRV 유량의 비를 나타낸 그래프이다.
다음의 상세한 설명은 바람직한 예시적인 실시예만 제공하고, 청구된 발명의 범위, 적용 가능성, 또는 구성을 제한하려는 것은 아니다. 오히려, 바람직한 예시적인 실시예에 대한 다음의 상세한 설명은 청구된 발명의 바람직한 예시적인 실시예를 구현하기 위한 가능한 설명을 본 기술분야의 당업자들에게 제공할 것이다. 청구된 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 요소의 기능 및 배열에 다양한 변경이 이루어질 수 있다.
도면과 관련하여 명세서에 도입된 도면 부호는 다른 특징에 대한 맥락을 제공하기 위해 명세서에서 추가 설명 없이 하나 이상의 후속 도면에서 반복될 수 있다.
청구항에서, 문자와 로마 숫자는 청구된 단계들과 하위 단계들(예컨대 (a), (b), (c), (ⅰ), (ⅱ), 및 (ⅲ))을 식별하는 데 사용된다. 이 문자와 숫자는 방법 단계를 지칭하는 것을 돕기 위해 사용되며, 단지 그러한 순서가 구체적으로 청구항에서 언급되지 않는 한, 청구된 단계들이 수행되는 순서를 나타내기 위한 것이 아니다.
본 명세서 및 특허청구범위에서 본 발명의 부분(상, 하, 좌, 우 등)을 설명하는 데 방향성 용어가 사용될 수 있다. 이 방향성 용어는 단지 예시적인 실시예를 설명하는 것을 보조하려는 것이고, 청구된 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "상류"는 기준점으로부터 도관에서 유체 유동 방향에 반대인 방향을 의미하도록 의도된다. 유사하게, 용어 "하류"는 기준점으로부터 도관에서 유체 유동 방향과 동일한 방향을 의미하도록 의도된다.
용어 열교환기의 "온도"는 명세서 및 특허청구범위에서 열교환기 내부 특정 로케이션의 열 온도를 설명하는 데 사용될 수 있다.
용어 "온도 프로파일"은 명세서, 실시예, 및 특허청구범위에서 열교환기 내부 스트림의 유동 방향에 평행한 축 방향을 따라 온도의 공간적 프로파일을 설명하는 데 사용될 수 있다. 그것은 고온 또는 저온 스트림 또는 열교환기의 금속 재료의 공간적 온도 프로파일을 설명하는 데 사용될 수 있다.
본원에 달리 명시되지 않는 한, 명세서, 도면 및 특허청구범위에서 식별된 모든 백분율은 몰 백분율 기준으로 이해되어야 한다. 본원에 달리 명시되지 않는 한, 명세서, 도면 및 특허청구범위에서 식별된 모든 압력은 절대 압력을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 및 특허청구범위에서 사용된 대로 용어 "유체 유동 연통"은 액체, 증기 및/또는 2상 혼합물이 직접적으로 또는 간접적으로 제어된 방식(누설 없이)으로 구성요소 사이에서 운반될 수 있게 하는 둘 이상의 구성요소 사이의 연결 특성을 나타낸다. 둘 이상의 구성요소가 서로 유체 유동 연통되도록 결합하는 것은 용접, 플랜지형 도관, 가스켓 및 볼트를 사용하는 것과 같이 당해 기술분야에 공지된 임의의 적절한 방법을 포함할 수 있다. 둘 이상의 구성요소는 또한 이들을 분리할 수 있는 시스템의 다른 구성요소, 예를 들어, 유체 유동을 선택적으로 제한하거나 안내할 수 있는 밸브, 게이트, 또는 다른 장치를 통해 함께 결합될 수 있다.
명세서 및 특허청구범위에서 사용된 대로, 용어 "도관"은 유체를 시스템의 둘 이상의 구성요소 사이에서 운반할 수 있는 하나 이상의 구조를 지칭한다. 예를 들어, 도관은 액체, 증기, 및/또는 가스를 운반하는 파이프, 덕트, 통로 및 그 조합을 포함할 수 있다.
명세서 및 특허청구범위에서 사용된 대로, 용어 "주 열교환기"는 공급 가스를 원하는 생성물 온도로 냉각하는 열교환기를 지칭한다. LNG 플랜트의 경우에, 주 열교환기는 액화된 (경우에 따라서는, 과냉각된) 천연 가스 생성물을 제공하는 열교환기다. 공급 가스의 액화에 사용되는 것과 동일한 냉매에 대해 예냉이 수행된다면 주 열교환기 내에서 공급 가스의 예냉이 수행된다. 공급 가스의 액화에 사용된 것과 상이한 냉매에 대해 예냉이 수행된다면 별도의 예냉 열교환기 내에서 공급 가스의 예냉이 수행된다. 주 열교환기는 단일 용기 또는 유체 유동 연통되는 다수의 용기 내에 제공될 수 있는 다수의 스테이지 또는 번들을 가질 수 있다. 주 열교환기의 콜드 엔드가 극저온 온도로 작동하는 시스템에서, 주 열교환기는 또한 "주 극저온 열교환기" 또는 "MCHE"로 알려져 있을 수 있다.
용어 "시간 미분 온도"는 온도 변화율(예컨대, 시간당 K도)과 동의어인 것으로 의도된다.
명세서 및 특허청구범위에서 사용된 대로, 용어 "천연 가스"는 주로 메탄으로 구성된 탄화수소 가스 혼합물을 의미한다. 탄화수소 가스는 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 가스이고 이에 대해 탄화수소는 가스/유체의 전체 조성의 적어도 80%, 보다 바람직하게 적어도 90%를 포함한다.
명세서 및 특허청구범위에서 사용된 대로, 용어 "혼합 냉매"("MR"로 약칭)는 적어도 2개의 탄화수소를 포함하는 유체를 의미하고 이에 대해 탄화수소는 냉매의 전체 조성의 적어도 80%를 포함한다.
용어 "번들" 및 "튜브 번들"은 본 출원에서 상호 교환적으로 사용되고 동의어인 것으로 의도된다.
명세서 및 특허청구범위에서 사용된 대로, 용어 "주위 유체"는 주위 압력 및 온도에서 또는 그 가까이에서 시스템에 제공되는 유체를 의미한다.
본원에서, 용어 "압축 회로"는 서로 유체 연통하고 직렬로 배치되며 (이하 "직렬 유체 유동 연통"), 제1 압축기 또는 압축 스테이지로부터 상류에서 시작하고 마지막 압축기 또는 압축기 스테이지로부터 하류에서 끝나는 구성요소 및 도관을 지칭하는 데 사용된다. 용어 "압축 시퀀스"는 연관된 압축 회로를 포함하는 구성요소 및 도관에 의해 수행되는 단계를 지칭하도록 의도된다.
명세서 및 특허청구범위에서 사용된 대로, 용어 "고-고", "고", "중" 및 "저"는 이러한 용어가 사용되는 요소의 속성에 대한 상대적 값을 표현하기 위한 것이다. 예를 들어, 고-고압 스트림은 본 출원에서 설명되거나 청구된 대응하는 고압 스트림 또는 중압 스트림 또는 저압 스트림보다 더 높은 압력을 갖는 스트림을 나타내기 위한 것이다. 유사하게, 고압스트림은 명세서 또는 특허청구범위에서 설명된 대응하는 중압 스트림 또는 저압 스트림보다 높지만 본 출원에서 설명되거나 청구된 대응하는 고-고압 스트림보다 낮은 압력을 가지는 스트림을 나타내기 위한 것이다. 유사하게, 중압 스트림은 명세서 또는 특허청구범위에서 설명된 대응하는 저압 스트림보다 높지만 본 출원에서 설명되거나 청구된 대응하는 고압 스트림보다 낮은 압력을 가지는 스트림을 나타내기 위한 것이다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "웜 스트림" 또는 "고온 스트림"은 설명되는 시스템의 정상 작동 조건 하에 간접 열 교환에 의해 냉각되는 유체 스트림을 의미하려는 것이다. 유사하게, 용어 "저온 스트림"은 설명되는 시스템의 정상 작동 조건 하에 간접 열 교환에 의해 가열되는 유체 스트림을 의미하려는 것이다.
도 2를 참조하면, 공급물 스트림 유동 축(20)을 따라 배열된 웜 엔드(46) 및 콜드 엔드(47)를 가지는 단순화된 예시적인 코일 권취형 열교환기(8)가 도시된다. 열교환기(8)는 스트림(30)을 통하여 웜 엔드(46)에서 나가는, 열교환기(8)를 통하여 유동하는 냉매에 접하여 공급 가스 스트림(5)과 냉매 스트림(41, 43)을 냉각한다. 냉각 후, 스트림(41, 43)은 각각 JT 밸브(61, 62)에 의해 팽창되어서 냉매 스트림(42, 44)을 각각 형성하고 스트림(30)을 통하여 나가도록 열교환기(8)로 복귀된다(미도시). 냉각된 공급 가스 스트림(6)은 콜드 엔드(47)에서 열교환기(8)를 나가고 그것의 유동은 밸브(3)에 의해 제어된다.
쿨다운 중, 공급 가스 스트림(5)의 유량은, 콜드 엔드(47)에 위치한 제1 센서(25)로부터 온도 측정치를 수신하고, 시간 미분 온도를 계산하고, 그것을 제1 설정점(72)과 비교하고, 공급 가스 스트림(5)의 유량을 조절하여서 제1 설정점(72) 아래로 콜드 엔드 시간 미분 온도를 유지하는 제어기(71)에 의해 제어된다. 이 프로세스가 쿨다운 중 일어나기 때문에, 측정된 시간 미분 온도와 제1 설정점은 모두 음의 값이다. 그러므로, 이 문맥에서 "아래" 또는 "미만"은, 측정된 시간 미분 온도의 절대값이 제1 설정점의 절대값 미만이라는 것을 의미한다.
이 실시예에서, 냉매 스트림(41)의 유량은, 제1 중간 로케이션에 위치한 제2 센서(26)로부터 온도 측정치를 수신하고, 시간 미분 온도를 계산하고, 이를 제2 설정점(74)과 비교하고, 냉매 스트림(42)의 유량을 조절하여서 제1 중간 시간 미분 온도를 제2 설정점(74) 미만으로 유지하는 제어기(88)에 의해 제어된다. 이 실시예에서 사용된 대로, 설정점은 단일 값이지만, 본 발명의 일부 실시예에서 설정점은 시간 미분 온도가 값의 범위 내에 있다면 제어기가 한 가지 동작을 취하고 시간 미분 온도가 그 범위를 벗어나면 다른 동작을 취하는 값의 범위를 지칭할 수 있다. 게다가, 시간 미분 온도를 계산하는 데 사용된 온도 측정치는 단일 센서로부터 단일 온도 측정치에 의해 제공되는 것으로 나타나 있다. 다른 실시예에서는, 다른 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 다수의 온도 센서는 동일한 축방향 로케이션에서 사용될 수 있고 측정된 온도의 평균은 시간 미분 온도에 대한 기준으로 사용될 수 있다.
냉매 스트림(43)의 유량은, 제2 중간 로케이션에 위치한 제3 센서(27)로부터 온도 측정치를 수신하고, 시간 미분 온도를 계산하고, 그것을 제3 설정점(73)과 비교하고, 냉매 스트림(44)의 유량을 조절하여서 제3 설정점(73) 아래로 제2 중간 시간 미분 온도를 유지하는 제어기(89)에 의해 제어된다.
온도 측정치를 각각의 제어기(71, 88, 89)에 제공하는 데 사용될 수 있는 많은 적합한 대안적 센서 구성이 있다. 예를 들어, 온도 센서는 콜드 엔드(47)에서 다른 스트림에 배치될 수 있고, 온도 센서는 열교환기(8) 외부에 있는 위치에서 임의의 스트림에 배치될 수 있거나, 다수의 온도 센서가 사용될 수 있다. 다수의 온도 센서가 단일 제어기에 온도 측정치를 제공하는 데 사용된다면, 온도 센서에 의해 주어신 시점에서 측정된 온도 평균을 내는 것과 같은 계산이 바람직하게 수행될 것이다.
대부분의 용도에서, 공급 가스 유량이 열교환기(8)의 콜드 엔드(47)에서 취해진 시간 미분 온도 측정치를 기준으로 제어되고 적어도 하나의 냉매 스트림의 유동은 열교환기(8)의 중간 구역에서 취해진 시간 미분 온도 측정치를 기준으로 제어되는 것이 바람직하다. 시간 미분 온도 측정치에 기반으로 제어되는 바람직한 수의 냉매 스트림 유동 및 이런 시간 유도 측정이 이루어지는 중간 구역에서 바람직한 로케이션은 부분적으로 쿨다운 중 원하는 정밀도 수준 및 열 교환 시스템의 구성에 따라 달라질 수 있다.
전술한 쿨다운 제어 방법의 다른 적용을 보여주는 예시적인 실시예는 도 3에 나타나 있다. 이 예시적 실시예에서는, 전형적인 C3MR 프로세스가 도시되어 있다. 이 실시예에서 천연 가스인 공급물 스트림(100)은 전처리 섹션(90)에서 공지된 방법에 의해 세정 및 건조되어서 물, CO2 및 H2S와 같은 산성 가스, 및 수은과 같은 다른 오염물질을 제거하여서, 전처리된 공급물 스트림(101)을 유발한다. 본질적으로 물이 없는 전처리된 공급물 스트림(101)은 예냉 시스템(118)에서 예냉되어서 예냉된 천연 가스 공급물 스트림(105)을 생성하고 주 열교환기(108)에서 추가로 냉각, 액화, 및/또는 과냉각되어서 LNG 스트림(106)을 생성한다. 생성 제어 밸브(103)는 LNG 스트림(106)의 유량을 조절하는 데 사용될 수 있다. LNG 스트림(106)은 전형적으로 밸브(밸브(103)일 수 있음) 또는 터빈(미도시)을 통과함으로써 압력이 감소된 후 스트림(104)에 의해 LNG 저장 탱크(109)로 보내진다. 탱크에서 압력 감소 및/또는 증발 중 발생된 임의의 플래시 증기는 플랜트에서 연료로서 사용될 수 있고, 재순환되어 공급되거나, 배출되는 스트림(107)으로 나타나 있다. 이 실시예의 맥락에서, 용어 "본질적으로 물이 없는"은 전처리된 공급물 스트림(101)에서 임의의 잔류 물이 충분히 낮은 농도로 존재하여서 하류 냉각 및 액화 프로세스에서 물 동결과 연관된 작동 문제를 방지하는 것을 의미한다.
전처리된 공급물 스트림(101)은 10 ℃ 미만, 바람직하게는 약 0 ℃ 미만, 보다 바람직하게는 약 -30 ℃ 미만인 온도로 예냉된다. 예냉된 천연 가스 공급물 스트림(105)은 약 -150 ℃ 내지 약 -70 ℃, 바람직하게 약 -145 ℃ 내지 약 -100 ℃의 온도로 액화되고, 추후에 약 -170 ℃ 내지 약 -120 ℃, 바람직하게 약 -170 ℃ 내지 약 -140 ℃의 온도로 과냉각된다. 도 3 및 도 3a에 도시된 주 열교환기(108)는 2개의 번들을 구비한 코일 권취형 열교환기이다. 대안적 실시예에서, 임의의 수의 번들 및 임의의 적합한 교환기 유형이 이용될 수 있다.
이런 C3MR 프로세스에서 사용된 예냉 냉매는 프로판이다. 프로판 냉매(110)는 전처리된 공급물 스트림(101)에 접하여 가열되서 웜 저압 프로판 스트림(114)을 생성한다. 웜 저압 프로판 스트림(114)은 4개의 압축 스테이지를 포함할 수 있는 하나 이상의 프로판 압축기(116)에서 압축된다. 중간 압력 레벨에서 3개의 사이드 스트림(111, 112, 113)은 각각 프로판 압축기(116)의 마지막, 제3, 및 제2 스테이지의 흡입시 프로판 압축기(116)로 들어온다. 압축된 프로판 스트림(115)은 예냉 시스템(118)에서 전처리된 공급물 스트림(101)을 냉각하는 데 필요한 냉각 듀티를 제공하는 프로판 냉매(110)를 생성하도록 압력이 감소된 (감소 밸브 미도시) 저온 고압스트림을 생성하기 위해서 응축기(117)에서 응축된다. 프로판 액체는 웜 저압 프로판 스트림(114)을 생성하도록 가열됨에 따라 증발한다. 응축기(117)는 전형적으로 공기 또는 물과 같은 주위 유체에 접하여 열을 교환한다. 도면은 4개의 프로판 압축 스테이지를 도시하지만, 임의의 수의 압축 스테이지가 이용될 수 있다. 다수의 압축 스테이지가 기재되거나 청구될 때, 이러한 다수의 압축 스테이지는 단일 다중 스테이지 압축기, 다수의 압축기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다는 점을 이해해야 한다. 압축기는 단일 케이싱 또는 다수의 케이싱 내에 있을 수 있다. 프로판 냉매를 압축하는 프로세스는 일반적으로 본원에서 프로판 압축 시퀀스로 지칭된다.
주 열교환기(108)에서, 밸브 또는 터빈을 가로질러 감압 후 냉매 스트림의 적어도 일부를 기화 및 가열함으로써 레프리저레이션의 적어도 일부, 바람직하게 전부가 제공된다. 저압 가스 MR 스트림(130)은 주 열교환기(108)의 쉘 측의 바닥으로부터 인출되어, 저압 흡입 드럼(150)을 통하여 보내져서 임의의 액체를 분리하고 증기 스트림(131)은 저압 (LP) 압축기(151)에서 압축되어서 중압 MR 스트림(132)을 생성한다. 저압 가스 MR 스트림(130)은 전형적으로 예냉 온도와 가까운 온도에서 또는 예냉이 부재한다면 주위 온도 가까운 온도에서 인출된다.
중압 MR 스트림(132)은 저압 애프터쿨러(152)에서 냉각되어서 냉각된 중압 MR 스트림(133)을 생성하고 그로부터 임의의 액체가 중압 흡입 드럼(153)에서 배수되어서 중압 증기 스트림(134)을 생성하고 이는 중압 (MP) 압축기(154)에서 더 압축된다. 생성된 고압 MR 스트림(135)은 중압 애프터쿨러(155)에서 냉각되어서 냉각된 고압 MR 스트림(136)을 생성한다. 냉각된 고압 MR 스트림(136)은 고압 흡입 드럼(156)으로 보내지고 여기에서 임의의 액체가 배수된다. 생성된 고압 증기 스트림(137)은 고압(HP) 압축기(157)에서 더 압축되어서 고-고압 MR 스트림(138)을 생성하고 이는 고압 애프터쿨러(158)에서 냉각되어서 냉각된 고-고압 MR 스트림(139)을 생성한다. 냉각된 고-고압 MR 스트림(139)은 그 후 예냉 시스템(118)에서 증발 프로판에 접하여 냉각되어서 2상 MR 스트림(140)을 생성한다. 2상 MR 스트림(140)은 그 후 증기-액체 분리기(159)로 보내지고 그로부터 MRL 스트림(141) 및 MRV 스트림(143)이 획득되고, 이 스트림은 다시 주 열교환기(108)로 보내져서 더 냉각된다. 추후에 액화 및/또는 단상 또는 2상으로 팽창된 후에도, 상 분리기에서 나온 혼합 냉매 액체 스트림은 본원에서 MRL로 지칭되고 상 분리기에서 나온 혼합 냉매 증기 스트림은 MRV로 지칭된다. 주 열교환기(108)의 바닥에서 인출된 후 다수의 스트림으로서 주 열교환기(108)의 튜브 측으로 복귀된 후 MR을 압축 및 냉각하는 프로세스는 일반적으로 본원에서 MR 압축 시퀀스로 지칭된다.
MRL 스트림(141)과 MRV 스트림(143)은 모두 주 열교환기(108)의 2개의 별개의 회로에서 냉각된다. MRL 스트림(141)은 주 열교환기(108)의 2개의 제1 번들에서 냉각되고 부분적으로 액화되어서, 주 열교환기의 제1 번들에서 요구되는 레프리저레이션을 제공하도록 주 열교환기(108)의 쉘 측으로 다시 보내지는 2상 MRL 스트림(142)을 생성하도록 MRL 압력 감소 밸브(161)에서 압력이 감소된 저온 스트림을 생성한다. MRV 스트림(143)은 주 열교환기(108)의 제1 및 제2 번들에서 냉각되고, MRV 압력 감소 밸브(160)를 가로질러 압력이 감소되고, 2상 MRV 스트림(144)으로서 주 열교환기(108)로 도입되어서 과냉각, 액화, 및 냉각 단계들에서 레프리저레이션을 제공한다. MRV 및 MRL 스트림(144, 142)은 쿨다운 프로세스 동안 항상 2상이 아닐 수 있다는 점에 주목해야 한다.
주 열교환기(108)는 코일 권취형 열교환기, 플레이트 및 핀 열교환기, 또는 쉘 및 튜브 열교환기와 같은 천연 가스 액화에 적합한 임의의 열교환기일 수 있다. 코일 권취형 열교환기는 천연 가스 액화를 위한 최신 기술 상태의 교환기이고 유동 프로세스 및 웜 냉매 스트림을 위한 복수의 나선형 권취 튜브 및 저온 냉매 스트림을 유동시키기 위한 쉘 공간을 포함하는 적어도 하나의 튜브 번들을 포함한다. 도 3 및 도 3a를 참조하면, 주 열교환기(108)는 MRV 및 MRL 스트림(143, 141) 및 예냉된 천연 가스 공급물 스트림(105)의 일반 유동 방향이 축(120)으로 나타낸 방향으로 축에 평행한 코일 권취형 열교환기이다. 용어 "로케이션"은, 주 열교환기(108)에 대해 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 대로, 축(120)에 의해 도 3a에 나타낸 주 열교환기(108)를 통하여 유동하는 스트림의 유동 축 방향을 따르는 로케이션을 의미한다. 유사하게, 도 2의 주 열교환기(8)에 대해, "로케이션"은 축(20)에 의해 도 2에 나타낸 주 열교환기(8)를 통하여 유동하는 스트림의 유동 축 방향을 따르는 로케이션을 의미한다.
명세서 및 특허청구범위에서 사용된 대로, 용어 "열 교환 시스템"은, 주 열교환기(108)의 모든 구성요소, 주 열교환기(108)를 통하여 유동하는 임의의 도관 뿐만 아니라 주 열교환기(108)와 유체 유동 연통하는 임의의 도관 또는 주 열교환기(108)를 통하여 유동하는 도관을 의미한다.
도 3a를 참조하면, 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 대로, 용어 "웜 엔드"는, 가장 따뜻한 온도로부터 온도 차이가 정상 작동 조건 하에 열교환기에 의해 제공된 가장 따뜻한 온도와 가장 차가운 온도간 온도 차이의 10% 미만인 (공급물 스트림 유동의 축(120)을 따라) 열교환기의 부분을 의미한다. 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 대로, 용어 "콜드 엔드"는, 가장 차가운 온도로부터 온도 차이가 정상 작동 조건 하에 열교환기에 의해 제공된 가장 따뜻한 온도와 가장 차가운 온도간 온도 차이의 10% 미만인 (공급물 스트림 유동의 축(120)을 따라) 열교환기의 부분을 의미한다. 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 대로, 용어 "중간 구역"은 콜드 엔드와 웜 엔드 사이에 위치한 (공급물 스트림 유동의 축을 따라) 열교환기의 부분을 의미한다.
요소가 콜드 엔드 또는 웜 엔드"에" 있거나 "위치하는" 것으로 설명될 때, 이것은 요소가 콜드 엔드(또는 웜 엔드, 어느 엔드가 설명되는지에 따라) 가까이에 위치되고 정상 작동 조건 하에 요소에서의 온도와 가장 차가운 (또는 웜 엔드 가까이에 위치한 요소의 경우에는, 가장 따뜻한) 온도 사이의 온도 차이가 가장 따뜻한 온도와 가장 차가운 온도 사이의 온도 차이의 10% 미만이도록 의도된다. "에" 또는 "위치하는"은, 주 열교환기를 출입하고 적용 가능한 온도 요건을 충족하는 도관을 포함한다. 예를 들어, LNG 스트림(106)이 유동하는 도관의 부분은, 도관 부분과 콜드 엔드 온도간 온도 차이가 콜드 엔드 온도와 웜 엔드 온도간 차이의 10% 미만이기만 하면 콜드 엔드(147)"에" 있거나 "위치하는" 것으로 간주될 것이다.
본 발명은 다른 유형의 천연 가스 액화 프로세스에서 구현될 수 있는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 프로세스는 상이한 예냉 냉매, 예로 혼합 냉매, 이산화탄소(CO2), 수소화불화탄소(HFC), 암모니아(NH3), 질소(N2), 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 및 프로필렌 (C3H6)을 사용한다. 게다가, 본 발명은 또한 예냉을 사용하지 않는 프로세스, 예를 들어, 단일 혼합 냉매 사이클(SMR)에서 구현될 수 있다. 대안적 구성은 주 열교환기(108)에 레프리저레이션을 제공하는 데 사용될 수 있다. 이러한 레프리저레이션은 이 실시예에서 사용되는 프로세스와 같은 폐루프 레프리저레이션 프로세스에 의해 제공되는 것이 바람직하다. 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 대로, "폐루프 레프리저레이션" 프로세스는 쿨다운 중 냉매 또는 냉매의 성분이 시스템에 첨가("구성")될 수 있는 레프리저레이션 프로세스를 포함하도록 의도된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 레프리저레이션은 개루프 레프리저레이션 프로세스에 의해 제공될 수 있고, 여기서 냉매는 공급 가스와 유체 유동 연통하고, 예를 들어 여기서 냉매는 주로 메탄이다.
이 실시예는, 각각 적어도 하나의 측정된 프로세스 변수 및 적어도 하나의 설정점을 기반으로 복수의 프로세스 변수를 조작하는 제어 시스템(121)을 포함한다. 이러한 조작은 프로세스의 시동 중 수행된다. 제어 시스템(121)의 센서 입력 및 제어 출력은 도 4에 개략적으로 나타나 있다. 제어 시스템(121)은 본원에서 설명된 프로세스 단계들을 실행할 수 있는 임의의 유형의 공지된 제어 시스템일 수 있다는 점에 주목해야 한다. 적합한 제어 시스템의 예로는 프로그램 가능 논리 제어기(PLC), 분산 제어 시스템(DCS), 및 통합형 제어기를 포함한다. 제어 시스템(121)은 단일 로케이션에 위치하는 것으로 개략적으로 나타난 점에 주목해야 한다. 특히 분산 제어 시스템을 사용한다면, 제어 시스템(121)의 구성요소가 플랜트 내 다른 로케이션에 위치될 수 있는 것이 가능하다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "자동 제어 시스템"은, 일련의 조작된 변수가 복수의 설정점 및 프로세스 변수를 기반으로 제어 시스템에 의해 자동으로 제어되는 전술한 임의의 유형의 제어 시스템을 의미하도록 의도된다. 본 발명은 각각의 조작된 변수의 완전 자동 제어를 제공할 수 있는 제어 시스템을 고려하지만, 조작자가 하나 이상의 조작된 변수를 수동으로 변경하는 것이 바람직할 수 있다.
이 실시예에서 조작된 변수는 예냉된 천연 가스 공급물 스트림(105)(또는 공급물 스트림을 따라 임의의 다른 로케이션), MRL 스트림(142)(또는 MRL 스트림을 따라 임의의 다른 로케이션), 및 MRV 스트림(144)(또는 MRV 스트림을 따라 임의의 다른 로케이션)의 유량이다. 이 실시예에서 모니터링된 변수는 콜드 엔드(147) 및 중간 구역(148) 내 로케이션에서 시간 미분 온도이다.
콜드 엔드 온도는, 공급 가스가 유동하는 도관 상의 주 열교환기(108) 내에 위치한 온도 센서(125)에 의해 측정된다. 측정된 온도는 시간 미분 온도 값을 생성하는 미분 계산기(191)로 신호(176)를 통하여 보내진다. 시간 미분 온도 값은 신호(184)를 통하여 PID(171)로 보내진다. PID(171)는 (신호(177)를 통하여 보내진) 설정점(SP1)에 대해 시간 미분 온도 값을 비교하고 이 비교를 이용하여 천연 가스 공급물 스트림(105)의 유동을 제어하는 밸브(103)의 위치를 설정한다.
제1 중간 구역 온도는, MRL 스트림(141)이 유동하는 도관 상의 주 열교환기(108) 내에 위치한 온도 센서(126)에 의해 측정된다. 측정된 온도는 신호(175)를 통하여 시간 미분 온도 값을 생성하는 미분 계산기(189)로 보내진다. 시간 미분 온도 값은 신호(192)를 통하여 PID(188)로 보내진다. PID(188)는 (신호(185)를 통하여 보내진) 설정점(SP2)에 대해 시간 미분 온도 값을 비교하고 이 비교를 이용하여 MRL 스트림(142)의 유동을 제어하는 밸브(161)의 위치를 설정한다.
제어 시스템(121)은 바람직하게 열 응력을 방지하기 위해서 허용 가능한 한계 내에서 시간 미분 온도를 유지하면서 짧은 램프 업 시간을 제공하도록 프로그램된다. 예를 들어, 측정된 콜드 엔드 온도의 시간 미분이 콜드 엔드 설정점(SP1)에 접근할 때까지 PID(171)는 밸브(103)를 점진적으로 개방하도록 프로그램될 수 있다. PID(171)는 측정된 콜드 엔드 온도의 시간 미분을 콜드 엔드 설정점(SP1)의 시간당 미리 결정된 도 수 내에서 그것을 초과하지 않으면서 유지하도록 밸브(103)를 조정할 것이다. 대안적으로, 콜드 엔드 설정점(SP1)은 범위로서 제공될 수 있고 PID(171)는 콜드 엔드 설정점(SP1) 범위 내에서 측정된 콜드 엔드 온도의 시간 미분을 유지하기 위해서 밸브(103)를 조작하도록 프로그램될 수 있다. 유사하게, 측정된 중간 구역 온도의 시간 미분이 중간 구역 설정점(SP2)에 도달할 때까지 PID(188)는 밸브(161)를 점진적으로 개방하도록 프로그램될 수 있다. 그 후, PID(188)는 측정된 중간 구역 온도의 시간 미분을 중간 구역 설정점(SP2)의 시간당 미리 결정된 도 수 내에서 그것을 초과하지 않으면서 유지하도록 밸브(161)를 조정할 것이다.
도 4a는 도 3에 도시된 시스템 내에서 사용될 제어 시스템(221)의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 제어 시스템(221)에서, 제어 시스템(121)에 도시된 요소와 동일한 요소는 100의 계수만큼 증가된 도면 부호를 가지고 명세서에서 검토되지 않을 수 있다. 이 제어 시스템(221)의 주요 차이점은 MRL 밸브(161)의 위치가 제어되는 방식이다. 이 실시예에서, PID(288)(신호 283)의 출력은 MRL 밸브(161)/MRV 밸브(160) 위치 비이다. 이 비는 계산기(298)로 전달되고 이 비를 MRV 밸브 위치와 곱하여 이 비를 MRL 밸브 위치로 변환하고, 이는 미리 정해진 프로파일(294)에 따른 신호(293)를 통하여 계산기로 제공된다. MRL 밸브 위치는 (신호(297)에 의해 저-선택 계산기(296)로 제공된) SP 3로 또는 그 이하로 MRL 밸브 위치에 대한 변화율을 유지하는 데 필요한 정도로 MRL 밸브 위치 값을 조정하는 저-선택 계산기(296)로 신호(295)를 통하여 제공된다. 그 후, MRL 밸브 위치 값은 MRL 밸브(161)로 전달된다. 저-선택 계산기(296)를 제공하는 한 가지 이점은 MCHE의 웜 섹션 및 중간 섹션에 MRL 냉매로 과다 공급할 수 있는 가능성을 감소시키는 것이다.
명세서와 특허청구범위에서, 온도, 압력, 또는 유량은 특정 관심 로케이션을 측정하는 것으로 지정된 경우, 관심 위치와 직접 유체 유동 연통하는 임의의 위치에서 실제 측정이 이루어질 수 있고 여기에서 온도, 또는 압력, 또는 유량은 본질적으로 관심 위치에서와 본질적으로 동일한 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 도 3에서 주 열교환기(108)의 콜드 엔드(147)에서 센서(125)에 의해 측정된 콜드 엔드 온도는 (도시된 대로) 천연 가스 공급물 스트림(105) 상에서, MRV 스트림(144) 상에서, 또는 (주 열교환기(108) 외부의) LNG 스트림(106)에서 주 열교환기(108)의 콜드 엔드(147) 내부에 측정될 수 있는데, 이들 로케이션은 본질적으로 동일한 온도로 있기 때문이다. 종종, 다른 위치에서 이러한 측정을 하는 것은 다른 위치가 관심 위치보다 접근하기에 더 편리하기 때문이다.
도 2 내지 도 4 및 연관된 상기 설명은 C3MR 액화 사이클을 지칭하지만, 본 발명은 2상 냉매, 가스상 냉매, 혼합 냉매, 순수 성분 냉매(예: 질소) 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 다른 냉매 유형에 적용할 수 있다. 게다가, 그것은 잠재적으로 예냉, 액화 또는 과냉각을 포함하는 LNG 플랜트에서 사용되는 모든 서비스에 사용되는 냉매에 유용하다. 본 발명은 SMR, DMR, 질소 팽창기 사이클, 메탄 팽창기 사이클, AP-X, 캐스케이드 및 임의의 다른 적합한 액화 사이클을 포함한 임의의 프로세스 사이클을 이용하는 천연 가스 액화 플랜트에서 압축 시스템에 적용될 수 있다.
실시예
다음은 도 2 내지 도 4에 도시된 C3MR 시스템의 콜드 재시동에 전술한 시뮬레이션된 쿨다운 방법의 적용 실시예를 나타낸다. 콜드 재시동은 플랜트 작동이 단기간 동안 정지된 후 보통 수행된다. 콜드 재시동은 초기 주 열교환기 온도 프로파일 및 초기 MR 인벤토리 면에서 웜 재시동과 상이하다. 콜드 재시동에 대해, 주 열교환기(108)의 웜 엔드(146) 온도가 예냉 온도와 동일할지라도, 콜드 엔드 온도는 예냉 온도와 정상 작동 온도 사이의 임의의 값일 수 있다.
다음 두 실시예에서, 콜드 엔드 온도는 쿨다운 프로세스의 초반에 145 K로부터 쿨다운 프로세스의 종반에 116 K로 냉각되고, 천연 가스 공급물 스트림의 유량은 콜드 엔드 설정점(SP1)에 의해 제어되고, MRL 스트림(141)의 유량은 중간 설정점(SP2)에 의해 제어된다. MRV 스트림(143)의 유량은 시간당 10 kg의 미리 정해진 일정한 램프 비율로 설정된다.
실시예 1(도 5 및 도 6)에서, 콜드 엔드 설정점(SP1)과 중간 설정점(SP2) 양자는 시간당 -28 K로 설정된다. 그러므로, 중간 온도는 쿨다운 프로세스의 초반에 160 K로부터 쿨다운 프로세스의 종반에 140 K로 냉각된다. 이 실시예에서, MRL 스트림(141)과 MRV 스트림(143) 유량간 비("MRL/MRV Ratio")는 비교적 높고 (쿨다운 프로세스 동안 2.7 내지 4.0), 이는 비교적 빠른 쿨다운을 제공한다. 게다가, MRL/MRV 비는 또한 쿨다운 지속 기간 동안 변한다 (즉, 일정하지 않다). 이것은 쿨다운 중 MRL 유량의 자동화를 향상시킬 수 있다.
실시예 2(도 7 및 도 8)에서, 콜드 엔드 설정점(SP1)은 시간당 -28 K로 설정되고 중간 설정점(SP2)은 시간당 0 K로 설정된다. 그러므로, 중간 온도는 쿨다운 프로세스 동안 160 K로 유지된다. 이 실시예는 쿨다운 지속 기간 동안 MRL/MRV 비가 변하도록 함으로써 쿨다운 프로세스가 MRL 스트림(141)으로부터 더 적은 전체 유동으로 실행될 수 있게 한다.
본 발명은 바람직한 실시예 및 이것의 대안적 실시예 측면에서 개시되었다. 물론, 본 발명의 사상으로부터의 다양한 변화, 수정, 및 변경은 의도된 정신 및 범위에서 벗어나지 않으면서 본 기술분야의 당업자들에 의해 고려될 수 있다. 본 발명은 단지 첨부된 청구항에 의해서만 제한되도록 의도된다.

Claims (15)

  1. 웜 엔드(warm end), 콜드 엔드(cold end), 및 중간 구역을 포함하는 주 열교환기, 적어도 하나의 공급물 스트림, 및 적어도 하나의 냉매 스트림을 가지는 열 교환 시스템의 시동을 제어하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
    (a) 제1 시간에서의 제1 온도 프로파일로부터 제2 시간에서의 제2 온도 프로파일로 상기 주 열교환기를 냉각하는 단계로서, 상기 제1 온도 프로파일은 상기 제2 온도 프로파일의 제2 평균 온도보다 높은 제1 평균 온도를 가지는 것인 냉각 단계; 및
    (b) 단계 (a)의 수행 중 동시에 다음 단계들:
    (ⅰ) 상기 주 열교환기의 콜드 엔드에서 콜드 엔드 온도를 측정하는 단계;
    (ⅱ) 상기 제1 콜드 엔드 온도의 변화율을 포함하는 제1 값을 계산하는 단계;
    (ⅲ) 상기 콜드 엔드 온도의 바람직한 변화율을 나타내는 콜드 엔드 설정점을 제공하는 단계;
    (ⅳ) 상기 제1 값과 상기 제1 설정점을 기반으로 상기 주 열교환기를 통한 적어도 하나의 공급물 스트림의 유량을 제어하는 단계;
    (ⅴ) 상기 주 열교환기의 중간 구역 내 제1 로케이션에서 제1 중간 구역 온도를 측정하는 단계;
    (ⅵ) 상기 제1 중간 구역 온도의 변화율을 포함하는 제2 값을 계산하는 단계;
    (ⅶ) 상기 제1 중간 구역 온도의 바람직한 변화율을 나타내는 제1 중간 구역 설정점을 제공하는 단계; 및
    (ⅷ) 상기 제2 값과 상기 제2 설정점을 기반으로 상기 주 열교환기를 통한 적어도 하나의 냉매 스트림의 제1 스트림의 유량을 제어하는 단계
    을 실행하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 (b)는:
    (ⅸ) 상기 주 열교환기의 중간 구역 내 제2 로케이션에서 제2 중간 구역 온도를 측정하는 단계로서, 상기 제2 로케이션은 상기 제1 로케이션과는 다른 중간 구역 내의 축방향 위치에 위치하는 것인 단계;
    (ⅹ) 상기 제2 중간 구역 온도의 변화율을 포함하는 제3 값을 계산하는 단계;
    (xi) 상기 제2 중간 구역 온도의 바람직한 변화율을 나타내는 제2 중간 구역 설정점을 제공하는 단계; 및
    (xii) 상기 제3 값과 제3 설정점을 기반으로 상기 주 열교환기를 통한 적어도 하나의 냉매 스트림의 제2 스트림의 유량을 제어하는 단계
    를 실행하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 중간 구역 설정점은 상기 콜드 엔드 설정점과 동일한 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 중간 구역 설정점은 상기 콜드 엔드 설정점 미만인 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 냉매 스트림은 MRL 스트림 및 MRV 스트림을 포함하고, 단계 (b)는:
    (xiii) 일정한 변화율을 기반으로 MRV 스트림의 유량을 제어하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 단계 (ⅷ)은 상기 제2 값 및 상기 제2 설정점을 기반으로 상기 주 열교환기를 통한 MRL 스트림의 유량을 제어하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 주 열교환기는 코일 권취형 열교환기를 포함하는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    (xiv) 상기 적어도 하나의 공급물 스트림을 상기 주 열교환기로 도입하기 전 적어도 하나의 공급물 스트림을 예냉하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 단계 (b)(ⅰ)는:
    (ⅰ) 상기 주 열교환기의 콜드 엔드에서 콜드 엔드 온도를 측정하는 단계를 포함하고, 측정된 콜드 엔드 온도는 제1 복수의 온도 센서로부터의 온도 판독치의 평균으로 이루어지고; 단계 (b)(ⅴ)는:
    (ⅴ) 상기 주 열교환기의 중간 구역 내 제1 로케이션에서의 제1 중간 구역 온도를 측정하는 단계를 포함하고, 측정된 제1 중간 구역 온도는 제2 복수의 온도 센서로부터의 온도 판독치의 평균으로 이루어지는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 콜드 엔드 설정점은 단계 (a)의 수행 내내 일정한 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 콜드 엔드 설정점은 단계 (a)의 수행 동안 적어도 한 번 변하는 것인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 중간 구역 설정점은 단계 (a)의 수행 내내 일정한 것인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 중간 구역 설정점은 단계 (a)의 수행 동안 적어도 한 번 변하는 것인 방법.
  14. MRL 스트림 및 MRV 스트림으로서 주 열교환기에 공급된 혼합 냉매를 사용해 폐루프 레프리저레이션(refrigeration)에 의해 주 열교환기의 쿨다운을 달성하도록 주 열교환기를 갖는 액화 천연 가스 플랜트의 시동을 제어하는 방법으로서, 상기 주 열교환기는 적어도 하나의 천연 가스 스트림 및 적어도 하나의 냉매 스트림을 포함하고, 상기 적어도 하나의 냉매 스트림은 간접 열 교환을 통하여 적어도 하나의 천연 가스 스트림을 냉각하는 데 사용되고, 상기 주 열교환기는 웜 엔드, 콜드 엔드, 및 중간 구역을 가지는 코일 권취형 열교환기를 포함하고, 상기 방법은:
    (a) 제1 시간에서의 제1 온도 프로파일로부터 제2 시간에서의 제2 온도 프로파일로 상기 주 열교환기를 냉각하는 단계로서, 상기 제1 온도 프로파일은 상기 제2 온도 프로파일의 제2 평균 온도보다 높은 제1 평균 온도를 가지는 것인 냉각 단계; 및
    (b) 단계 (a)의 수행 중 동시에 다음 단계들:
    (ⅰ) 상기 주 열교환기의 콜드 엔드에서 콜드 엔드 온도를 측정하는 단계;
    (ⅱ) 상기 제1 콜드 엔드 온도의 변화율을 포함하는 제1 값을 계산하는 단계;
    (ⅲ) 상기 콜드 엔드 온도의 바람직한 변화율을 나타내는 콜드 엔드 설정점을 제공하는 단계;
    (ⅳ) 상기 제1 값과 상기 제1 설정점을 기반으로 상기 주 열교환기를 통한 적어도 하나의 천연 가스 스트림의 유량을 제어하는 단계;
    (ⅴ) 상기 주 열교환기의 중간 구역 내 제1 로케이션에서 제1 중간 구역 온도를 측정하는 단계;
    (ⅵ) 상기 제1 중간 구역 온도의 변화율을 포함하는 제2 값을 계산하는 단계;
    (ⅶ) 상기 제1 중간 구역 온도의 바람직한 변화율을 나타내는 제1 중간 구역 설정점을 제공하는 단계
    을 실행하는 단계
    를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    (ⅷ) 상기 제2 값 및 상기 제2 설정점을 기반으로 상기 주 열교환기를 통한 MRL 스트림의 유량을 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
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