燃气液化过程控制系统的制作方法

专利名称：燃气液化过程控制系统的制作方法
技术领域：
本发明是关于燃气的液化，尤其有关一种操作天然气液化过程的控制方法。
天然气液化是在偏远盛产天然气地区进行，燃气被转化成一适于输送的液体而送至能源缺乏的市场。将生产液化天然气(LNG)的能源消耗降低至所希望的程度，如此可降低最终产品的成本及/或增加LNG的生产利润。有些时候，必须将LNG的产量升高至最大值，然而在此最大生产率下亦须尽可能降低能源消耗量。将天然气于冷冻温度下液化需要一个或多个耗能源的冷冻系统，若对此等冷冻系统未进行良好控制将会对降低能源消耗或提升LNG生产量产生关键性影响。
回馈(feedback)控制系统被广泛使用以获得有效的LNG厂操作，它是借控制那些大型且具有复杂过程的工厂的操作中所通常发生的不稳定变动而达到的。此等不稳定变动的发生，例如是因为该工厂中某些装置操作上混乱、工厂操作者所作的操作调整、生产率改变、及类似情形。在这类回馈控制系统中，过程中多个参数，包括压力、温度、流速、组成、及特定位置处的液位等被控制在想要的设定点，该等控制借测量各变数的值，确定各变数与其设定点的误差，及使用该误差值控制过程中其它位置上的一件设备(例如一个阀)，而将该等变数测量值与其设定点的误差值降至最小。用于此回馈控制系统的特定硬件及软件为处理工厂控制领域所习知;例如可参见化学工程师手册，第五版，McGraw-Hill书局，第22-1至22-147页。
美国专利第3，742，721公开了一种燃气液化过程的控制方法，其中主液化热交换器冷冻剂侧的温度借加入适当量的补充冷冻剂至再循环冷冻剂流而加以控制。此外，同样位置上的压力是借调整冷冻剂压缩机的速度而加以控制。控制温度、压力及液位的其它回馈控制回路亦被描述于该专利中。
操作-LNG电脑控制系统的基本概念被B.G.Tompkins所蓍的论文描述，论文名称为“LNG工厂控制系统一种概念哲学”，发表于OilandGasJournal，1979年11月26日，第57至60页。该作者讨论了设计此系统所牵涉到的重要因素，并且检讨了可以应用于此系统的数种不同型态的硬件及软体。
美国专利第4，457，768号公开了用于液化天然气的冷冻程序的控制方法，其中一个或多个冷冻剂骤沸鼓中的液位借控制从该鼓流出液体的速率而加以维持。主液化热交换器中的液体冷冻剂液位则借调整再循环冷冻剂经过一压力打开阀的流速而加以维持。
苏联一系列专利，SU1，043，442;1，354，007;1，357，662及1，458，663，公开了适于操作LNG工厂的不同回馈控制系统，包括控制流速、液位、压力、温度变化及实际温度等回路。
液化天然气用的一种多成分冷冻剂系统的自动控制系统公开于美国专利第4，809，154号中。该系统包括测量该工厂中的多种状况，例如温度、压力、流速及成分的多个检测器，多个控制器，例如伺服控制阀，及执行该控制程式的电脑。该控制系统使该工厂在理想产率及最高可能效率下操作，或者在一最高产率同时获得在该最高产率下的最高可能效率下操作。该控制系统对工厂操作条件的改变作出反应，并接着调整不同设备，排除对理想控制器设定点所产生的偏差。
很多LNG厂位于偏远地区，厂中冷冻剂压缩机的驱动可使用现场产生的蒸汽作为动力来源的蒸汽涡轮机，或者使用工厂进料燃气及/或产品燃气的一部分加以燃烧作为动力来源的燃气涡轮机。燃气涡轮机在很多地方因为潜在较低整体成本而优于蒸汽涡轮机。周围环境温度上升对LNG厂表现为两个潜在影响(1)如果该涡轮不是在最大可获得能源下操作，则必须增加该涡轮燃烧器的燃烧进料速率，以提供维持LNG产品所需的能源;或(2)如果该涡轮是在最大可获得能源下操作，则该涡轮的动力输出将减少，而且LNG产量将随同一起下降。周围环境温度下降会引起反方向的反应，其中该燃气涡轮可获得的动力输出增加。此外，当工厂使用周围环境中的空气作为冷冻剂压缩机的中间冷却及后冷却时，如果周围环境温度上升则该冷冻系统所排出的热量会降低，此现象接着降低了用于燃气液化所能获得的冷冻量。
因为周围空气温度每天都在一最低值及一最高值中循环变动，或者可能因严重的燃气变化而变化较大，所以使用前述发明背景部分所描述的现有工艺中不同回馈控制系统是不可能使燃气液化程序达到最佳状况的。以下说明书所公开及权利要求所定义的本发明解决了此问题，并且允许-LNG厂在周围温度波动变化下仍能获得最佳操作。
本发明是关于一种燃气液化过程的操作方法，其中进料燃气在一液化系统中与至少一种冷冻剂进行非直接热交换而液化，该冷冻剂是由使用至少一个燃气涡轮驱动压缩机的冷冻系统提供，并且该冷冻系统中具有至少一个回馈控制回路。该方法包含以下步骤(a)在一给定时间，测定液化过程所在位置的周围空气的温度;
(b)确定该液化过程的最佳操作条件，包括在该给定时间所述回馈控制回路的设定点，以及在该最佳操作条件下，包括该回馈控制回路的设定点，操作该液化过程;
(c)预测一未来时间的周围空气温度;
(d)确定该液化过程在该未来时间的新的最佳操作条件，包括该回馈控制回路的新设定点，以及将该最佳操作条件调整为该新的最佳操作条件，包括将该设定点调整为该新设定点;
(e)于该新的最佳操作条件下，包括该新设定点，操作该液化过程;以及(f)在该给定时间与该未来时间两者的时间差所定出的每一时间间隔中，重复步骤(a)、(c)、(d)及(e)。
这些步骤提供了液化过程操作的一前馈控制(feedforwardcontrol)方法，该方法预先预测了周围空气温度的变化，以维持该过程的最佳操作条件。
该最佳操作条件可选择在液化进料燃气所需的比燃料消耗值为最小值的情况，或者是维持该进料燃气的液化速率而同时在此进料速率下将比燃料消耗降至最低的情况下。该最佳操作条件还可包括使所述冷冻系统中的冷冻剂具有最佳组成成分及存量。
前述预测一未来时间的周围空气温度的达成，可利用该液化厂当地的每日天气预报，或者可利用在给定时间间隔预先有规则地重复测量周围空气温度值加以外插计算(extrapolation)而达到预测。
本发明还提供了一种操作燃气液化过程的方法，其中液化该燃气所需的至少一部分冷冻由利用一个或多个燃气涡轮驱动压缩机的冷冻系统提供，该方法包含(a)压缩、冷却及部分液化-冷冻剂流，所述压缩的至少一部分是利用一燃气涡轮驱动压缩机而达成;
(b)将步骤(b)所获得的部分液化冷冻剂流分成一蒸气冷冻剂流及一液体冷冻剂流;
(c)冷却该蒸气冷冻剂流及使所产生的冷却过的蒸气冷冻剂流膨胀，从而降低该流的压力及温度，于是所产生流至少部分被液化;
(d)与一预先冷却过的进料燃气进行非直接热交换使步骤(c)所产生的冷冻剂流蒸发，从而对液化该进料燃气提供所需的一部分冷冻;
(e)将步骤(d)所产生的蒸气化的冷冻剂流送回到燃气涡轮驱动压缩机，并且重复步骤(a)到(e);
及在步骤(a)至(e)的循环操作过程中执行下列附加步骤(f)将步骤(c)中膨胀所述被冷却蒸气冷冻剂流所产生的压力降控制在一设定值，使得该燃气液化过程在一给定时间的周围空气温度下的操作具有最佳表现;
(g)预测一未来时间的周围空气温度;
(h)确定燃气涡轮驱动压缩机的新压缩比，此新压缩比使得该燃气液化过程在未来时间的周围空气温度下的操作具有最佳表现;
(i)将步骤(c)中被冷却的蒸气冷冻剂流的压力降依未来时间的预测周围温度从原设定值改变到足够产生该新压缩比的新数值;以及(j)依给定时间与未来时间两者间的差值所定出的一时间间隔重复步骤(f)到(i);
以便对该液化过程操作提供一前馈控制方法，该方法预测了未来时间的周围温度，以使该过程维持在最佳操作条件下。
上述方法还可包括以下步骤(k)进一步冷却所述液体冷冻剂流及使所产生的冷却过的液体冷冻剂流膨胀，从而降低该流的压力及温度;
(l)在一液化交换器中与预先冷却过的进料燃气进行非直接热交换而使所述进一步冷却过的液体冷冻剂流蒸发，从而对液化进料燃气提供附加冷冻;
(m)从该液化交换器取出所产生的蒸气化的冷冻剂流，并且将其送回到燃气涡轮驱动压缩机中，以及重复步骤(k)，(l)及(m)，这些步骤进一步限定出一连续的闭合回路冷冻过程;
以及在所述连续的闭合回路冷冻过程循环操作期间，在与步骤(f)到(j)进行同时，执行下列附加步骤(n)将所述进一步冷却过的液体冷冻剂流与所述蒸气冷冻剂流的质量流量比控制在一设定值，使得燃气涡轮驱动压缩机的压缩比维持在一选定值，此选定值使得在一给定时间的周围空气温度下液化进料燃气所需的比燃料消耗降至最低;
(o)确定所述进一步冷却过的液体冷冻剂流与所述蒸气冷冻剂流的新的质量流量比，此新的质量流量比用于维持在未来时间的周围空气温度下的新压缩比;
(p)将所述质量流量比依据所述未来时间的预测周围温度从原设定值改变到足够产生新压缩比的新数值;及(q)依据给定时间与未来时间两者间的差值所定出的一时间隔重复步骤(n)到(p);
以便对该液化过程操作提供一前馈控制方法，该方法预测了未来时间的周围温度，以使该过程维持在最佳操作条件下。
上述方法中，膨胀所产生的冷却过的蒸气冷冻剂流的至少一部分是借助使用一种节流阀或涡轮膨胀器而达成，并且其中所产生的压力降是借以下步骤而控制为所述设定值;
(1)测量前述所产生的蒸气化的冷冻剂流的压力，该流为燃气涡轮驱动压缩机的进料，并产生代表此压力的一个第一信号;
(2)测量燃气涡轮驱动压缩机的排气压力，并且产生代表此压力的一个第二信号;
(3)将第二信号除以第一信号而产生一代表该压缩比的第三信号，并且用此第三信号来控制所述节流阀或涡轮膨胀器，使之足够达到所述压力降低设定值的程度，其中该控制程度是使用一个第一回馈控制器而达成，此控制器将第三信号与一给定设定点比较并改变所述程度以维持该设定点。
上述所产生的压力降低还可借以下步骤而控制在所述设定值上(4)测量所述进一步冷却过的液体冷冻剂流的质量流速，并且产生代表此流速的一个第四信号;
(5)测量所述蒸气冷冻剂流的质量流速，并且产生代表此流速的一个第五信号;
(6)将第四信号除以第五信号而产生一代表该质量流量比的第六信号，并且用此第六信号来控制所述节流阀或涡轮膨胀器，使之足够达到所述压力降低设定值的程度，其中该程度是使用一个第二回馈控制器而达成，此控制器将所述第六信号与一给定设定点比较并改变所述程度以维持该设定点。
上述方法中，跨过第一个节流阀的压力降低与跨过第二个节流阀的压力降低依预测的未来时间周围空气温度及利用一监督控制计算系统执行以下步骤可被改变成所述新数值(7)测量所述闭合回路冷冻过程在所述给定时间的合适温度、压力、液位及冷冻剂成分，将该等测量值转换成合适的信号，并将这些信号送至所述监督控制计算系统;
(8)用步骤(7)的信号计算出所述闭合回路冷冻过程中的冷冻剂成分及存量;
(9)确定跨过所述第一及第二节流阀的压力降低在所述未来时间的新数值，以将液化所述进料燃气的比燃料消耗降至最低;
(10)确定所述第一及第二回馈控制器的新设定点，该等设定点为在未来时间产生跨过所述第一及第二节流阀的压力降低所需要的设定点，并且与这些设定点分别成比例地产生第七及第八信号，其中步骤(8)、(9)及(10)是借所述监督控制计算系统以实际时间进行;
(11)用所述第七信号将所述第一回馈控制器的设定点重新设定在该新设定点，以产生跨过所述第一节流阀的新的压力降低数值;
(12)用所述第八信号将所述第二回馈控制器的设定点重新设定在该新设定点，以产生跨过所述第二节流阀的新的压力降低数值;及
(13)在依据所述给定时间与所述未来时间两者间的差值所定出的一前馈控制时间间隔重复(g)、(h)、(i)、(n)、(o)及(7)到(12)等步骤。
其中，使用步骤(8)的冷冻剂存量及所述未来时间的预测周围温度模拟所述燃气液化过程确定所述压力降低的新数值，该模拟是在所述监督控制计算系统以实际时间进行。
上述压力降低的新数值是用储存在所述监督控制计算系统中的数据来确定，其中所述储存数据包含跨过所述第一及第二节流阀的压力降低数值，及在多种冷冻剂存量下的一系列周围温度下将所述液化过程的比燃料消耗降至最低所需的第一及第二节流阀的相应设定点，这些数据是借模拟该液化过程在预测的操作条件范围内的每一周围温度及冷冻剂成分与存量的稳定工作状态下或借分析该液化过程的实际操作数据而预先获得。
上述方法中，所述燃气涡轮驱动压缩机包含至少两个阶段压缩，及借与周围空气进行非直接热交换而提供至少一部分冷却的中间冷却及/或后冷却。该燃气涡轮驱动压缩机是在一固定涡轮排气温度和涡轮转子速度下操作。
冷冻剂流在被所述燃气涡轮驱动压缩机压缩后的至少一部分冷却是借与一附加蒸发冷冻剂流进行非直接热交换而提供，该附加蒸发冷冻剂流是从一附加闭合回路冷冻过程中获得。该附加闭合回路冷冻过程使用至少一个燃气涡轮驱动压缩机。预先冷却进料燃气是由具有周围温度的进料燃气(例如包含甲烷的天然气)与上述附加蒸发冷冻剂流进行非直接热交换而达到。闭合回路冷冻过程中的冷冻剂流包含一个或多个选自以下族群的成分，该族群由氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷及它们的混合物所组成;而附加蒸发冷冻剂流包含一个或多个选自以下族群的成分，该族群由氨、氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷及它们的混合物组成。
本发明亦包含由达到前述步骤所需元件所组成的一种系统，包括使该过程操作条件最佳化及重新设定该液化及冷冻系统中一或多个回馈控制回路的设定点的一监督控制系统。
本发明的一种燃气液化系统包括(a)非直接热交换机构，其使得一预冷过的燃气进料流被第一及第二蒸发冷冻剂流液化;
(b)闭合回路冷冻机构，其对所述非直接热交换机构提供了所述第一及第二蒸发冷冻剂流及从所述热交换机构移出所产生的蒸气化的冷冻剂，其中该闭合回路冷冻机构包含(1)包含至少一个燃气涡轮驱动压缩机及紧接于该压缩机的后冷却机构的压缩机构，用于将所述蒸气化的冷冻剂从所述非直接热交换机构送至所述压缩机构的第一导管机构，及使被压缩蒸气化的冷冻剂从所述压缩机构流出的第二导管机构;
(2)用于冷却及部分液化所述被压缩蒸气化的冷冻剂的第一冷却机构，该冷冻剂是由所述第二导管机构从所述压缩机构被送至所述冷却机构的;
(3)用于分离从所述第一冷却机构出来的部分液化冷冻剂的分离机构，该分离机构包含一分离容器，用于将部分液化冷冻剂从所述第一冷却机构送至所述分离机构的第三导管机构，及分别将一蒸气冷冻剂流及一液体冷冻剂流从该分离机构输送至所述非直接热交换机构的第四及第五导管机构;
(c)位于所述非直接热交换机构内以进一步冷却所述蒸气冷冻剂流的第二冷却机构，及从该第二冷却机构取出进一步被冷却的蒸气冷冻剂流的第六导管机构;
(d)用于降低所述进一步被冷却的蒸气冷冻剂流压力并因而进一步冷却该流的第一膨胀机构，及用于将从该第一膨胀机构出来的流送入所述非直接热交换器以提供所述第一蒸发冷冻剂流的第七导管机构;
(e)位于所述非直接热交换器内以进一步冷却所述液体冷冻剂流的第三冷却机构，及从该第三冷却机构取出进一步被冷却的液体冷冻剂流的第八导管机构;
(f)用于降低所述进一步被冷却的液体冷冻剂流压力并因而进一步冷却该流的第二膨胀机构，及用于将从该第二膨胀机构出来的流送入所述非直接热交换器以提供所述第二蒸发冷冻剂流的第九导管机构;
(g)依据一个第一设定点对跨过所述第一膨胀机构的压力降低程度进行控制的第一回馈控制机构;
(h)用于测量所述第一导管机构内的压力及将代表该压力的一个第一信号传送至所述第一回馈控制机构的第一压力测量及传送机构;
(i)用于测量所述第二导管机构内的压力及将代表该压力的一个第二信号传送至所述第一回馈控制机构的第二压力测量及传送机构;
(j)依据一个第二设定点对跨过所述第二膨胀机构的压力降低程度进行控制的第二回馈控制机构;
(k)用于测量所述第四导管机构内的流量及传送代表该流量的一个第三信号至所述第二回馈控制机构的第一流量及传送机构;
(l)用于测量所述第八导管机构内的流量及传送代表该流量的一个第四信号至所述第二回馈控制机构的第二流量及传送机构;
(m)将所述预冷的燃气进料流导入所述非直接热交换机构的导管机构，位于所述非直接热交换机构内以液化该预冷的燃气进料流的第四冷却机构，及从该第四冷却机构移出液化燃气产品的导管装置;
(n)包含具有以下能力的监督控制计算机构(1)计算在一给定时间所述闭合回路冷冻机构内的冷冻剂量;
(2)预测一未来时间的周围温度;
(3)计算在该未来时间所述第一及第二设定点的新数值，用于使跨过所述第一及第二膨胀机构的压力降低具有一适当值而使得液化所述预冷过的燃气进料的比燃料消耗降至最低;及(4)产生分别代表所述第一及第二设定点的新数值的第五及第六信号;
(o)用于测量合适的过程参数及从该系统的选定位置将代表这些参数的信号传送到所述监督控制计算机构的过程参数的测量及传送机构;
(p)将所述第五信号传送到所述第一回馈控制机构的传送机构及将第一设定点从在一给定时间的值改变成所述新数值的第一操纵机构;及(q)将所述第六信号传送到所述第二回馈控制机构的传送机构及将第二设定点从在一给定时间的值改变成所述新数值的第二操纵机构。
上述系统中的后冷却机构可包含用于使从所述燃气涡轮驱动离心式压缩机出来的热压缩的冷冻剂被周围空气冷却的非直接热交换机构。第一冷却机构可包含一闭合回路冷冻系统及非直接热交换器，使得被压缩的蒸气化的冷冻剂为蒸发冷冻剂所冷却并部分液化，该蒸发冷冻剂选自氨、氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷及它们的混合物所组成的族群。第一和第二膨胀机构可分别包含一节流阀，分别借第一和第二阀定位机构来控制该节流阀的打开程度，以调节其中压力降低程度;或者该第一和第二膨胀机构可分别包含一涡轮膨胀器，分别借第一和第二操作机构来控制该涡轮膨胀器的转子速度，以调节其中压力降低程度。


图1为本发明过程的简化流程方块图。
图2为一实际燃气液化厂周围空气温度随时间变化的曲线图。
图3为本发明液化过程的较详细的流程图。
任何燃气液化过程只要在预冷及液化进料燃气的冷冻系统中使用一个或多个燃气涡轮驱动压缩机，即可适用于本发明的控制系统。该进料燃气典型地为必须于偏远地方被液化以输送至他处市场的天然气。一个具有代表性的液化过程及与之相配合的回馈控制系统被描述在先前介绍过的美国专利第4，809，154号，该专利用作为本案的参考资料。
参见图1，一预先干燥过及加压的天然气进料流1，以周围温度及介于约300至1700psig(磅/吋2，合21.1至119.5kg/cm2)的压力下导入冷冻系统201中，在其中该进料流与一闭合回路冷冻系统所供给的一种第一蒸发冷冻剂进行非直接热交换而被冷却，该闭合回路冷冻系统为工艺中所熟知的，例如先前介绍过的美国专利第4，809，154号的图1所描述的系统。一类似系统亦描述在美国专利第3，763，658号中，此专利用作为本案的参考资料。此系统中的冷冻剂可选自氨、氮、甲烷、乙烷乙烯、丙烷、丙烯、丁烷及它们的混合物。温度介于约-10°F及-80°F(-23.3℃至-62.2℃)之间的冷却进料燃气由管线3流入燃气液化系统203中，在该处该进料燃气流与蒸发冷冻剂进行非直接热交换而进一步被冷却及液化，详细情形如下。最终液化燃气产品流5典型地为在介于约0.5至5psig(0.035至0.35kg/cm2)之间的压力及介于约-225至-265°F(-159.4至-165℃)之间的温度下，从燃气液化系统203中被取出。冷冻剂流7，其可包含从冷冻系统201流出的一个或多个冷冻剂流，在液化系统203中被加温及蒸发，从而液化该进料燃气;被蒸发的冷冻剂流9送回冷冻系统201而于其中被压缩、冷却、部分液化，并成为回流至该燃气液化系统203的冷冻剂。冷冻系统201利用了一个或多个离心及/或轴向压缩机，该压缩机被燃气涡轮系统203的轴15及17驱动，其中空气11及燃料13被燃烧以产生驱动该冷冻剂压缩机的轴所作的功。
此处所用“比能量”(specificpower)一词被定义为液化燃气产品的每单元生产率的该燃气涡轮的轴所作的单元马力功。“比燃料消耗”被定义为液化燃气产品的每单元生产量的该燃气涡轮燃烧的燃料单元量“最大可获得能量”一词被定义为涡轮在一给定周围条件所能允许的最高排气温度下进行操作的能量输出。一般，当比能量增加时，比燃料消耗亦增加;当比能量降低时，比燃料消耗亦降低。当-LNG厂是在一最佳稳态情况下操作，周围温度升高时会使比能量及比燃料消耗两者均上升;此上升可借本发明所描述的适当过程控制方法而降至最低。于是本发明整体目的是当周围温度随着每日或季节时间变化而变化时，将一组设定生产需求下的累积比燃料消耗降至最低。
回馈控制系统已广泛用于化学及石油制造工业，以达到控制这类大而复杂的制造工厂通常发生的不稳定变动的有效工厂操作。此等发生于工厂的不稳定变动例如是因为某些装置的操作产生混乱、工厂操作者的操作改变、周围情况改变等类情形。在回馈控制系统中，多个参数，包括压力、温度、流速、成分及过程中特定位置处的液位，必须被控制在想要的设定点，该控制的达成包括测量各参数值，决定各参数值与设定点的偏差值，及利用该偏差值控制设于该过程中其它位置上的设备(例如一个阀)，以将各测量参数与设定点间的偏差值降至最小。此等回馈控制系统所应用的特定硬件及软件为工厂制程控制领域所习知，例如可参见McGraw-Hill书局出版的化学工程师手册第五版，第22-1至22-147页。
回馈控制亦广泛地用于LNG厂的操作，此等用途的典型控制系统被详细描述于早先介绍过的美国专利第4，809，154号中。燃气涡轮系统205的操作亦为工艺中所知悉，其可包括一个或多个回馈控制元件。此回馈控制系统对工厂中变动及中等混乱产生反应，而允许能源消耗严重的LNG厂高度有效的稳定状态下操作。
对于LNG厂的操作(其中使用有燃气涡轮驱动的冷冻系统，周围空气温度是对过程最佳表现产生主要影响的一个外界因数。此影响的本质与空气温度变动时的涡轮操作条件有关。首先，如果该涡轮的输出是在小于其最大可获得能量且周围空气温度上升情形下，则该涡轮燃烧器的燃烧速率必须增加以维持能量输出及相应的LNG生产率。于是，如果该工厂中所有控制系统都在固定设定点操作，则在此生产率下的比燃料消耗将增加。第二，如果该涡轮是在最大可获得能量下输出且周围空气温度上升情形下，则该涡轮能量输出将会下降，因为不可能再增加燃烧速率。于是，如果该工厂中所有控制系统都在固定设定点操作，则对该冷冻压缩机的能量输出将会减低，可获得冷冻程度亦随着减低，同理LNG产量亦下降。此涡轮能量输出的变化亦会对压缩机速度产生影响及降低压缩机效率。周围空气温度上升的净效应为LNG产量下降及比燃料消耗的增加。周围温度的下降会产生反方向的效应，其中燃气涡轮能量输出通常会增加。当工厂使用周围空气作为压缩机中间冷却及后冷却的冷却剂时，周围温度会对工厂表现产生一附加的影响。即周围温度上升会降低从冷冻系统排出的热，于是降低了可获得的冷冻量，并因而降低了LNG产量。
因为LNG厂操作因数间的复杂相互关系及周围空气温度的连续性变化，典型地回馈控制系统不能对周围空气温度改变所导致的不稳定状态产生完全反应。于是，在周围温度变化时，该工厂表现为不能被最佳化而达到在一设定LNG生产率下使用最小比燃料消耗。本发明借使用一前馈控制系统而解决了此问题，该前馈控制系统对周围空气温度的动态变化进行预测，并且改变该冷冻、液化及/或燃气涡轮系统中的一个或多个回馈控制系统的设定点，从而控制压缩机及冷冻系统在周围温度日常上升及下降循环的一给定时段内具有最小累积比燃料消耗。
再参见图1，燃气涡轮205的进入的空气流11的温度(与周围空气温度相同)借温度测量装置19在一给定时间进行测量，借温度指示/传送器21而转换成信号23，并送至周围温度预测器209。周围温度预测器209典型地为一电脑系统，其应用一个或多个逻辑程式(algorithm)预测未来时间的周围空气温度，并且将目前及预测未来温度以多元信号29型式送至监督控制电脑207。周围温度预测器209在此是以一分开的元件表示，但也可以是监督控制电脑207所包含的一元件。未来周围温度的预测每2至60分钟重复一次，依冷冻系统201、液化系统203、及燃气涡轮系统205的动态反应时间，或其它判断标准来定。
该周围温度预测器可使用两种模式中的一种操作。第一，周围温度可基于工厂地区每天气象预报及/或每天温度变化的长时间平均值来预测，此信息以代表信号27被输入。图2示出了一LNG操作工厂地区在夏天及冬天为时三天内的实际温度变化;类似的长时间平均数据可输入并存于周围温度预测器209内作为预测用。此外，有关下雨天、暴风雨，或其它不寻常气候的特别温度数据，亦可依工厂操作者的判断而输入。在第二种操作模式中，未来时间的周围空气温度的预测，乃是在给定时间预先有规则地重复测量周围空气温度值，利用周围空气预测器209内的一合适逻辑程式加以外插获得。当预测完成后，未来周围温度是以信号29而送入监督控制电脑207中的。
监督控制电脑207可以为WileyInterscience书局(纽约)1981年出版的化工技术百科全书第13册第490页等所描述的数种型式中的任一种。本发明可利用一种位于该回馈控制回路外界的第二级控制回路、该回馈控制回路是在冷冻系统201、燃气液化系统203、及/或燃气涡轮系统205内工作。此型式监督控制系统对一个或多个外界因数产生反应，并且重新设定该内部回馈控制的设定点而获得该过程操作的想要控制。另外，本发明亦可利用可同时进行外界控制功能30个别回馈控制功能的监督控制系统的第二种型式，例如一直接数字控制系统，于是免除了在冷冻系统201、燃气液化系统203、及/或燃气涡轮系统205内操作的多个回馈控制单元。以下讨论的本发明是利用第一种型式的监督控制系统，虽然第二型式亦可代替第一种型式而被使用。
监督控制电脑207的操作需要冷冻系统201、燃气液化系统203、及燃气涡轮系统205的动态操作特性的信息，才能响应周围空气温度的外界变数来设定新的回馈控制设定点。此等动态操作特性可以借两种可互相替代的方法来测定。第一，整个液化过程的动态过程模式可以使用已知方法求出，并以一元件方式包含于监督控制电路207中，于是回馈控制的主要设定点可以对于周围空气温度及过程变数的任何组合而被即时(realtime)决定。此动态过程模式必要时可参照实际工厂操作经验加以修改或调整。未来周围空气温度如前述般被预测并输入监督控制电脑207中，对于一个或多个回馈控制器，确定出所需的设定点，这对液化过程被控制在所希望的最佳条件下。为了决定新的设定点，在冷冻系统201、燃气液化系统203、及燃气涡轮系统205中测量适当的各个过程变数，测得的值被分别转换成代表信号31、33及35，并且将此等信号与信号29一起输入到监督控制电脑207中。监督控制电脑207接着应用该过程模式中的这些过程变数与预测得到的未来周围空气温度(与信号29成比例)，决定了最佳操作条件及新的设定点。这些新的回馈控制设定点接着以代表输出信号37及/或39被传送至冷冻系统201及/或燃气液化系统203，并重新设定相对应的回馈控制设定点，以预期新的周围空气温度而使整体燃气液化过程达到最佳表现。另外，燃气涡轮系统205中的回馈控制器的设定点亦可依类似方式被改变。
第二种方法也可以用监督控制电脑207以预期周围空气温度改变而决定主要回馈控制器的新的设定点。在此方法中，整体液化过程借使用一外界过程模拟系统而被模式化，接着将合适的回馈控制设定点预测出，并对大气空气温度与液化过程操作变数所有需要的组合作成一个表格。该过程模拟系统必要时可依实际工厂经验加以修改或调整。该列表化数据储存到监督控制电脑207中，该电脑可基于一预测的未来周围空气温度及如前所测定的该液化过程变数测定值(以代表信号31、33及35而传送至监督控制电脑207)，而取出合适的新的回馈控制设定点。此等新的设定点如上所述被送回至该液化过程，以预期周围空气温度的未来变化而将液化过程控制在最佳操作情况。选择性地，该列表化数据也可借分析燃气液化过程的实际工厂操作数据而制出。
在本发明中，发现达到燃气液化过程的前馈控制最佳化最好是借助有规则地改变位于冷冻系统201内的两个关键回馈控制回路的设定点，(1)控制冷冻系统201中跨过混合冷冻剂压缩机的压缩比的回馈回路，及(2)控制从冷冻系统201流至燃气液化系统203的蒸气冷冻剂流对液态冷冻剂流的比值的回馈回路。本发明的较佳实施例示于图3的流程图中，它是图1简化方块图的详细图。参见图3，加压及干燥的进料气流1，较佳地为天然气，流入冷冻系统201，该进料流在其中的冷却区219与第一蒸发冷冻剂作非直接热交换而被冷却，第一蒸发冷冻剂由工艺中已知的一闭合回路冷冻系统提供;此系统的一个例子被描述在早先介绍过的美国专利第4，809，154的图1中。类似的系统亦被描述在美国专利第3，763，658号中，该案在此作为本案的参考资料。用于本系统的冷冻剂可选自氨、氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷及它们的混合物。冷却后的进料燃气流3的温度介于约-10°F与-80°F(-23.3℃与-62.2℃)之间，流入主液化交换器213中，其为燃气液化系统203的一部分。此冷却过的进料燃气于管圈45中与主交换器213中下流的蒸发冷冻剂流41及43作非直接热交换而被进一步冷却、液化、及过冷却。所获得的液化燃气经阀46膨胀，及在管圈47中与蒸发冷冻剂流43作非直接热交换而被进一步冷却。从管圈47流出的过冷流经阀48膨胀而产生温度约-255至-265°F(-159.4至-165℃)及压力约0.5至5psig(0.035至0.35kg/cm2)的LNG产品流5。选择性地，膨胀也可使用一涡轮膨胀器取代阀48而进行。
主液化热交换器213的冷冻由一封闭回路冷冻系统201提供，该系统含有一种具有选定组成的多成分冷冻剂(MCR)，其成分是选自氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、及丁烷。此特定MCR组成物经选择以便在热交换器213中产生最佳冷却曲线。蒸发后的MCR经管路9从热交换器213中取出，如果情况需要，补充冷冻剂经管路50被加入或以液体形式直接加入分离器221中，全部冷冻剂蒸气经管路51送回第一阶段压缩机215，在第一阶段离心式压缩机215中被压缩，而在中间冷却器216中被冷却，并在第二阶段离心式压缩机217中被进一步压缩，最后在后冷却器218中被最终冷却。选择性地，压缩机215及/或压缩机217也可为轴向式压缩机。中间冷却器216及后冷却器218可以是工艺中已知的水冷式或气冷式冷却器。加压过的MCR，典型地介于40°F及120°F(4.4℃及48.9℃)与介于400及800psig(28.1及56.2kg/cm2)之间，流经管路53进入冷却区219而于该处被冷却并部分液化至介于约-10及-80°F(-23.3及-62.2℃)间的温度，流入分离器221，并且从其中取出蒸气流57。当新冷冻剂选择性地经管路50被添加及/或以液体形式被直接加入分离器221以调整该MCR组成及分量时，冲洗流44，59及/或71选择性地从该系统被移出。MCR蒸气流61接着于主液化热交换器213内的冷却管圈63及65中被冷却至温度介于约-220至-265°F(-140至-165℃)之间，经过阀67膨胀而进一步冷却该流至介于约-225至-275°F(-143至-170.5℃)之间。选择性地，此膨胀可借助单独操作或与一膨胀阀串联的涡轮膨胀器而达成。冷却过的冷冻剂流43流入主热交换器213的顶部，并于其中往下流动而使冷却管圈47及65冷却。液态冷冻剂流69从分离器221中被取出，如果情况需要，冲洗流71亦从其中取出，而液态冷冻剂流73被回流至主热交换器213。流73于冷却管圈75中被进一步冷却，且通过阀77膨胀而进一步冷却以产生冷冻剂流41，其在主交换器213中向下流动使其中底区冷却。选择性地，此膨胀可借单独操作或与一膨胀阀串联的涡轮膨胀器而达成。
冷冻剂压缩机215及217由轴15及17而被燃气涡轮系统205驱动。燃气涡轮系统205包含两个燃气涡轮223及229，其分别包含燃烧空气压缩机225及231与膨胀涡轮227及233。选择性地，压缩机215及217也可由单一燃气涡轮的一共同轴驱动。该燃气涡轮燃烧器被包括在图3所示的膨胀涡轮227及233中而成为其中一部分，图中没有单独显示。具有周围温度的空气流11分成两流以提供空气至压缩机225及231，而燃料流13分成两流以提供燃料至膨胀涡轮227及233的燃烧器区。燃烧产物以排气流14及16从该膨胀涡轮流出。任何合适燃料均可使用于该燃气涡轮系统，在LNG厂该燃料典型地为进料燃气或LNG产品中骤沸燃气的一部分。
此前馈控制系统与早先讨论图1时所描述的相同，包含周围空气温度测量/传送元件19、21及23、周围温度预测器209、及监督控制电脑207。图3的较佳实施例所示的前馈控制系统，借改变冷冻系统201中的两个主要回馈控制回路的设定点而将液化过程控制在想要的最佳操作作状态。此等主要回馈回路的第一个如以下所述那样控制了跨过混合冷冻剂压缩机215及217的压缩比。混合冷冻剂流51在压缩机215进口处的压力由压力测量/传送装置79测量，并且以代表信号81被送至压缩比控制器235。混合冷冻剂流53在后冷却器218出口处的压力由压力测量/传送装置83测量，并且以代表信号85被送至压缩比控制器235。此回馈控制器决定了信号85除以81压缩比，并且将此比值与该控制器在一给定周围空气温度及一给定时间的设定点比较;如果此测量比值与该设定点间存在一差值，该控制器即送出一校正信号87，借助一个阀定位器机构而增加或减小控制阀67的打开程度，以控制流66的压降使之在一足够维持该压缩比于所希望的设定点的程度。选择性的，一涡轮膨胀器也可被使用以降低流66的压力，该涡轮膨胀器的速度由回馈控制器235送出的信号87并借助合适的操纵机构加以控制，以产生想要的流51对53的压力比值。
第二个主要回馈回路如下所述那样控制蒸气冷冻剂流61对液体冷冻剂流76的流量比。蒸气冷冻剂流61在主热交换器213入口处的流量由流量测量/传送装置89测量，并且以代表信号91被送至流量比控制器237。液体冷冻剂流76经主交换器213冷却后的流量由流量测量/传送装置93测量，并且以代表信号95被送至流量比控制器237。此回馈控制器决定了信号93除以信号95的流量比值，并且将此比值与该控制器在一给定周围空气温度及一给定时间的设定点比较，如果此测量比值与该设定点间存在一差值，该控制器即送出一校正信号97，借助一阀定位器机构而增加或减小控制阀77的打开程度，使之足以维持所需要的流量比设定点。选择性的，一涡轮膨胀器也可以被使用以降低流76的压力，该涡轮膨胀器的速度由回馈控制器237送出的信号97并借助合适的操纵机构控制，以产生相要的流61对76的流量比。
这两个主要回馈控制回路，通常与一个或多个附加回馈控制回路合并操作，以维持液化过程在所希望的最佳条件(对一固定周围空气温度而言)下的稳定状态操作。
当周围空气温度改变时，为了使液化过程在一固定燃气涡轮排气温度下获得最佳功能表现，本发明的前馈控制系统将按以下方式被操作。第一，如前所述，一未来时间的大气温度由周围温度预测器209预测。多元信号29，代表目前及预测的周围温度，随同代表信号31、33及35(代表监督控制电脑207所需要的主要过程变数)输入到监督控制电脑207。图3中显示的信号31、33及35代表多个过程变数(与其呈比例的形式)，此等变数是监督控制电脑207按过程控制工艺中已知方法进行的前馈控制所需的过程计算所真正需要的变数。在前述的一个操作模式中，监督控制电脑207在液化过程的一个动态过程模式中利用了这些测量过程变数，确定出已预测了周围空气温度时的主要回馈控制回路的新设定点。本发明中，监督控制电脑207确定出已预测未来周围空气温度时压缩比控制器235的一个新设定点，并且将信号37传送至压缩比控制器235而将目前的设定点改变成新的设定点。以相同方式，监督控制电脑207确定出已预测未来周围空气温度时流量比控制器237的新设定点，并且将信号39传送至流量比控制器237而将目前的设定点改变成新的设定点。于是本发明即使在周围空气温度随时间变化时仍然能使液化过程处在最佳条件下操作。该最佳条件可以选择，例如将液化进料燃气所需的比燃料消耗降至最低值，或者在最低可能比燃料消耗下将液化产品产量提高至最大值。
预先反映周围空气温度的前馈控制的一种附加的及选择性的方式是控制图3中循环混合冷冻剂流51的组成及该系统中冷冻剂的存量。由于液化过程的整体效率与主热交换器213的传热效率有部分地关连，因此控制冷冻剂的组成及存量是重要的，这样热交换器213的热交换效率才能提高至最大值。冷冻剂的组成及存量在需要时可借助在图3的流50中加入一定控制量及组成成分的补充冷冻剂，或借助直接加入补充液体至图3的分离器221中，同时从流44、59或71或者其混合流中清除一定控制量的冷冻剂而改变。当整体液化厂效率因周围空气温度被预测上升而下降时，冷冻剂51的组成及/或该系统中冷冻剂的存量可以一前馈控制模式而被改变以确保具有最高操作效率。此控制方法可配合前述前馈控制使用，其中压缩比回馈控制器235的设定点及蒸气/液体流量比回馈控制器237的设定点由监督控制电脑207基于一预期的预测周围空气温度而在有规则的时间间隔时加以改变。动态过程模式被用于监督控制电脑207，以决定未来时间周围空气温度下的最佳冷冻剂组成及存量，以及回馈控制器235及237的最佳设定点。一旦未来时间的最佳冷冻剂组成及存量被确定，该组成及存量可借流50的流量及组成成分以及流49、59、71的流量的合适的自动控制来调整改变，或借工厂操作者手动调整这些流的性质来改变。
实施例1图3的LNG过程在两个周围温度及在稳定状态下(不使用前馈控制)被模拟，以示出周围温度对过程表现的影响。冷冻系统219为一闭合回路的丙烷冷冻系统。此过程先在周围温度为31℃时被模拟，以决定稳定状态的操作条件。相同系统接着在周围温度为19℃时被模拟，以决定新的稳定状态。在这两个周围温度下，模拟过程中有多个特定操作参数基本上保持不变，例如多成分冷冻剂(MCR)存量、在主交换器213热端处的温差(流93与流61或73的温差)、及冷却进料燃气流3的温度。其它操作条件允许变化至其各自的稳定状态，于是反应了周围温度变化的影响。
模拟结果列于表1以进行比较。由于周围温度上升，结果LNG产量下降约6%，同时该产量下的冷冻剂压缩机马力消耗增加3.3%，于是，比能量消耗增加10.3%。
表1周围空气温度对LNG过程表现的影响周围空气温度，℃3119LNG产量,103磅摩尔/小时 34.4 36.6(107克分子/小时) (1.56) (1.66)液位,分离器221(图3),%5046.5MCR组成,摩尔%氮0.60.6甲烷44.244.1乙烷39.940.1丙烷15.315.2吸入压力,压缩机215(图3),psig(kg/cm2) 45(3.16) 45.5(3.20)
压出压力,压缩机217(图3)690(48.51)698(49.07)多变效率,%低压MCR压缩机215(图3)81.477.5高压MCR压缩机217(图3)80.079.2压缩机马力,103HP低压MCR31.233.9高压MCR27.830.8低压丙烷*24.823.9高压丙烷*26.718.4整体110.6107.0比能量,HP/(磅摩尔/小时)3.222.92[10-3HP/(克分子/小时)] (7.10) (6.44)＊冷却区219，图3实施例2为了表示前述第二模式的前馈控制系统的操作，预结出图3中的过程在几个MCR存量及周围空气温度为20、25及30℃时的稳定状态条件下操作的过程条件。在每一组条件下，估计出最低比能量(以BHP/MMSCFD，即以每日每百万标准立方英尺之制动马力为单位计;公制以BHP/MMSCMD，即以每日每百万标准立方米之制动马力为单位计)所需的跨过冷冻剂压缩机215及217的整体压缩比和冷冻剂流61对冷冻剂流73的流量比，并且对一固定燃气涡轮排气温度作表(表2)，及对一固定压缩机速度4500RPM作表(表3)。类似于表2所示的列表数据可输入到监督控制电脑207中，以便用于如前所述的第二操作模式。
表2在固定的燃气涡轮排气温度下代表性的最佳LNG过程操作参数NCR存量周围空气最低比能量最低比能量所需的条件磅×10-3温度,℃ BHP/MMS CFD 压缩比冷冻剂流量比(kg×10-3) (BHP/MMS CMD×104)N21.4(0.64) 20 360(1.271) 15.0 8.00C149.3(22.4)C278.9(35.8) 25 363(1.282) 14.0 8.25C344.9(20.4)30367(1.296)13.28.60N21.6(0.73) 20 358(1.264) 16.0 8.5C145.0(20.4)C275.0(34.0) 25 360(1.271) 15.2 8.7C342.0(19.1)30363(1.282)14.99.0N21.8(0.82) 20 356(1.257) 16.3 8.3C141.0(18.6)C272.0(32.7) 25 359(1.268) 15.2 8.5C340.0(18.1)30362(1.278)14.78.9
表3在固定的燃气涡轮排气温度下代表性的最佳LNG过程操作参数NCR存量周围空气最低比能量最低比能量所需的条件磅×10-3温度,℃ BHP/MMS CFD 压缩比冷冻剂流量比(kg×10-3) (BHP/MMS CMD×104)N210.0(4.54) 20 358(1.264) 13.0 7.5C130.0(13.6)C235.0(15.9) 25 361(1.275) 12.7 8.1C35.0(2.27)30364(1.285)12.56.5N29.0(4.08) 20 348(1.229) 16.0 7.7C125.0(11.3)C240.0(18.1) 25 352(1.243) 15.2 9.0C38.0(3.63)30356(1.257)14.97.1N28.0(3.63) 20 346(1.222) 16.3 8.0C130.0(13.6)C245.0(20.4) 25 350(1.236) 15.2 9.3C310.0(4.54)30354(1.250)14.77.7
在先前讨论的第二模式前馈控制中，类似于表2及3的列表化数据被存于监督控制电脑207中。对于每个时间间隔，监督控制电脑207利用合适的以代表信号31、33及35表示的冷冻系统压力、温度、液位及组成成分计算出MCR存量。周围空气温度如前述般被预测，并以信号29传送至监督控制电脑207，接着于其中利用合适的列表化数据加以内插而决定出最小比燃料消耗的压缩比及冷冻剂比，从此等比值分别确定压缩比控制器235及流量比控制器237的新设定点，分别决定及传送代表性信号37及39而重新设定预期的预测周围空气温度下这两个控制器的新设定点。在此操作模式中，该前馈控制系统预测并补偿了周围空气温度的变化，从而借降低比燃料消耗至最小值而最佳化了该LNG厂的表现。
于是本发明的具体实施例包含了具有一个或多个燃气涡轮驱动冷冻压缩机的天然气液化过程的新的有用的操作方法，其中运用了一个预测周围空气温度及重新设定一个或多个回馈控制器以降低一给定液化燃气产量的比燃料消耗使之达到最低值的前馈控制系统。对于一个使用固定设定点的回馈控制器的过程，如果周围空气温度改变，其比燃料消耗不能被降至最低值;而本发明提供了一种有效及实际的方法来重新设定该等回馈控制器的设定点，并因而使一给定液化燃气产量下的比燃料消耗能降至最低。
本发明的必要特征已于前面公开的内容中被充分完整地描述。熟悉本项工艺人士可了解本发明并作出多种改变及修饰而不偏离本发明的基本精神和不脱离所附权利要求书的范围。
权利要求
1.一种操作燃气液化过程的方法，其中进料燃气与至少一种冷冻剂进行非直接热交换而液化，该冷冻剂是由使用至少一个燃气涡轮驱动压缩机的一冷冻系统提供，该冷冻系统具有至少一个回馈控制回路，其特征在于，该方法包含以下步骤(a)在一给定时间，测定液化过程所在位置的周围空气温度；(b)确定该液化过程最佳操作条件，包括在该给定时间所述回馈控制系统的设定点，以及在包括该设定点的所述最佳操作条件下操作该液化过程；(c)预测一未来时间的周围空气温度；(d)确定所述液化过程在所述未来时间的新的最佳操作条件，包括该回馈控制系统的新设定点，以及将该最佳操作条件调整为所述新的最佳操作条件，包括将所述设定点调整为该新的设定点；(e)在所述新最佳操作条件下，包括所述新设定点，操作该液化过程；以及(f)在所述给定时间与所述未来时间两者的时间差所定出的每一时间间隔上，重复步骤(a)、(c)、(d)及(e)；以便对该液化过程操作提供一前馈控制方法，该方法预先预测了周围空气温度的变化，以使该过程维持在最佳操作条件下。
2.依据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最佳操作条件为将液化所述进料燃气的比燃料消耗降至最低。
3.依据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最佳操作条件为在维持所述进料燃气的一给定液化速率同时将在该给定液化速率下的比燃料消耗降至最低。
4.依据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述最佳操作条件包括使所述冷冻系统中的冷冻剂具有最佳组成成分及存量。
5.一种操作燃气液化过程的方法，其中液化该燃气所需的至少一部分冷冻由利用一个或多个燃气涡轮驱动压缩机的冷冻系统提供，其特征在于，该方法包含以下步骤(a)压缩、冷却及部分液化-冷冻剂流，所述压缩的至少一部分是利用一燃气涡轮驱动压缩机而达成;(b)将步骤(b)所获得的部分液化冷冻剂流分成一蒸气冷冻剂流及一液体冷冻剂流;(c)冷却该蒸气冷冻剂流及使所产生的冷却过的蒸气冷冻剂流膨胀，从而降低该流的压力及温度，于是所产生流至少部分被液化;(d)与一预先冷却过的进料燃气进行非直接热交换，使步骤(c)所产生的冷冻剂流蒸发，从而对液化该进料燃气提供所需的一部分冷冻;(e)将步骤(d)所产生的蒸气化的冷冻剂流送回到所述燃气涡轮驱动压缩机，并且重复步骤(a)到(e);及在步骤(a)至(e)的循环操作过程中执行下列附加步骤(f)将步骤(c)中膨胀所述被冷却蒸气冷冻剂流所产生的压力降控制在一设定值，使得该燃气液化过程在一给定时间的周围空气温度下的操作具有最佳表现;(g)预测一未来时间的周围空气温度;(h)确定所述燃气涡轮驱动压缩机的新压缩比，此新压缩比使得该燃气液化过程在所述未来时间的周围空气温度下的操作具有最佳表现;(i)将步骤(c)中被冷却的蒸气冷冻剂流的压力降依所述未来时间的预测周围温度从原设定值改变到足够产生所述新压缩比的新数值;以及(j)依所述给定时间与所述未来时间两者间的差值所定出的一时间间隔重复步骤(f)到(i);以便对该液化过程操作提供一前馈控制方法，该方法预测了未来时间的周围温度，以使该过程维持在最佳操作条件下。
6.依据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述最佳操作条件为将液化所述进料燃气的比燃料消耗降至最低。
7.依据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述最佳操作条件为在维持所述进料燃气的一给定液化速率同时将在该给定液化速率下的比燃料消耗降至最低。
8.依据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤(k)进一步冷却所述液体冷冻剂流及使所产生的冷却过的液体冷冻剂流膨胀，从而降低该流的压力及温度;(l)在一液化交换器中与所述预先冷却过的进料燃气进行非直接热交换而使所述进一步冷却过的液体冷冻剂流蒸发，从而对液化所述进料燃气提供附加冷冻;(m)从该液化交换器取出所产生的蒸气化的冷冻剂流，并且将其送回到所述燃气涡轮驱动压缩机中，以及重复步骤(k)，(l)及(m)，这些步骤进一步限定出一连续的闭合回路冷冻过程;以及在所述连续的闭合回路冷冻过程循环操作期间，在与步骤(f)到(j)进行同时，执行下列附加步骤(n)将所述进一步冷却过的液体冷冻剂流与所述蒸气冷冻剂流的质量流量比控制在一设定值，使得所述燃气涡轮驱动压缩机的压缩比维持在一选定值，此选定值使得在一给定时间的周围空气温度下液化所述进料燃气所需的比燃料消耗降至最低;(o)确定所述进一步冷却过的液体冷冻剂流与所述蒸气冷冻剂流的新的质量流量比，此新的质量流量比用于维持在所述未来时间的周围空气温度下的新压缩比;(p)将所述质量流量比依据所述未来时间的预测周围温度从原设定值改变到足够产生所述新压缩比的新数值;及(q)依据所述给定时间与所述未来时间两者间的差值所定出的一时间隔重复步骤(n)到(p);以便对该液化过程操作提供一前馈控制方法，该方法预测了未来时间的周围温度，以使该过程维持在最佳操作条件下。
9.依据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述最佳操作条件为将液化所述进料燃气的比燃料消耗降至最低。
10.依据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述最佳操作条件为在维持所述进料燃气的一给定液化速率同时将在该给定液化速率下的比燃料消耗降至最低。
11.依据权利要求8所述的方法，其特征在于，其中膨胀所产生的冷却过的蒸气冷冻剂流的至少一部分是借助使用一个节流阀而达成，并且其中所产生的压力降是借以下步骤而控制为所述设定值;(1)测量前述所产生的蒸气化的冷冻剂流的压力，该流为所述燃气涡轮驱动压缩机的进料，并产生代表此压力的一个第一信号;(2)测量所述燃气涡轮驱动压缩机的排气压力，并且产生代表此压力的一个第二信号;(3)将所述第二信号除以所述第一信号而产生一代表该压缩比的第三信号，并且用此第三信号来控制所述节流阀，使之打开到足够达到所述压力降低设定值的程度，其中该打开程度是使用一个第一回馈控制器而达成，此控制器将所述第三信号与一给定设定点比较并改变所述打开程度以维持该设定点。
12.依据权利要求8所述的方法，其特征在于，其中膨胀所产生的冷却过的蒸气冷冻剂流的至少一部分是使用一涡轮膨胀器而达成，并且其中所产生的压力降低是借助以下步骤而控制在所述设定值上(1)测量前述所产生的蒸气化的冷冻剂流的压力，该流为所述燃气涡轮驱动压缩机的进料，并产生代表此压力的一个第一信号;(2)测量所述燃气涡轮驱动压缩机的排气压力，并且产生代表此压力的一个第二信号;(3)将所述第二信号除以所述第一信号而产生一代表该压缩比的第三信号，并且用此第三信号来控制所述涡轮膨胀器，使之在一足够达到所述压力降低设定值的程度，其中该控制是使用一个第一回馈控制器而达成，此控制器将所述第三信号与一给定设定点比较并改变所述程度以维持该设定点。
13.依据权利要求11所述的方法，其特征在于，其中膨胀所产生的冷却过的液体冷冻剂流的至少一部分是使用一节流阀而达成，并且其中所产生的压力降低是借以下步骤而控制在所述设定值上(4)测量所述进一步冷却过的液体冷冻剂流的质量流速，并且产生代表此流速的一个第四信号;(5)测量所述蒸气冷冻剂流的质量流速，并且产生代表此流速的一个第五信号;(6)将所述第四信号除以所述第五信号而产生一代表该质量流量比的第六信号，并且用此第六信号来控制所述节流阀，使之打开到足够达到所述压力降低设定值的程度，其中该打开程度是使用一个第二回馈控制器而达成，此控制器将所述第六信号与一给定设定点比较并改变所述打开程度以维持该设定点。
14.依据权利要求12所述的方法，其特征在于，其中膨胀所产生的冷却过的液体冷冻剂流的至少一部分是使用一涡轮膨胀器而达成，并且其中所产生的压力降低是借以下步骤而控制在所述设定值上(4)测量所述进一步冷却过的液体冷冻剂流的质量流速，并且产生代表此流速的一个第四信号;(5)测量所述蒸气冷冻剂流的质量流速，并且产生代表此流速的一个第五信号;(6)将所述第四信号除以所述第五信号而产生一代表该质量流量比的第六信号，并且用此第六信号来控制所述涡轮膨胀器，使之在一足够达到所述压力降低设定值的速度，其中该控制是借助使用一个第二回馈控制器而达成，此控制器将所述第六信号与一给定设定点比较并改变所述程度以维持该设定点。
15.依据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述闭合回路冷冻过程中的冷冻剂流包含一个或多个选自以下族群的成分，该族群由氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷及它们的混合物所组成。
16.依据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述冷冻剂流在被所述燃气涡轮驱动压缩机压缩后的至少一部分冷却是借与一附加蒸发冷冻剂流进行非直接热交换而提供，该附加蒸发冷冻剂流从一附加闭合回路冷冻过程获得。
17.依据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述预先冷却进料燃气是将具有周围温度的进料燃气与所述附加蒸发冷冻剂流进行非直接热交换而获得。
18.依据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述附加闭合回路冷冻过程使用至少一个燃气涡轮驱动压缩机。
19.依据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述附加蒸发冷冻剂流包含一个或多个选自以下族群的成分，该族群由氨、氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷及它们的混合物组成。
20.依据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述进料燃气为包含甲烷的天然气。
21.依据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮驱动压缩机包含至少两个阶段压缩，及借与周围空气进行非直接热交换而提供至少一部分冷却的中间冷却及/或后冷却。
22.依据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮驱动压缩机是在一固定涡轮排气温度下工作。
23.依据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮驱动压缩机是在一固定涡轮转子速度下工作。
24.依据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述未来时间的周围空气温度是从该液化过程所在地区的每日气象预报中加以预测。
25.依据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述未来时间的周围空气温度是借助在给定时间预先有规则地重复测量周围空气温度值并进行外插法计算而预测，该测量是在所述液化过程操作所在地区进行。
26.依据权利要求13所述的方法，其特征在于，其中跨过所述第一节流阀的压力降低与跨过所述第二节流阀的压力降低依预测的未来时间周围空气温度及利用一监督控制计算系统执行以下步骤而被改变成所述新数值(7)测量所述闭合回路冷冻过程在所述给定时间的合适温度、压力、液位及冷冻剂成分，将该等测量值转换成合适的信号，并将这些信号送至所述监督控制计算系统;(8)用步骤(7)的信号计算出所述闭合回路冷冻过程中的冷冻剂成分及存量;(9)确定跨过所述第一及第二节流阀的压力降低在所述未来时间的新数值，以将液化所述进料燃气的比燃料消耗降至最低;(10)确定所述第一及第二回馈控制器的新设定点，该等设定点为在未来时间产生跨过所述第一及第二节流阀的压力降低所需要的设定点，并且与这些设定点分别成比例地产生第七及第八信号，其中步骤(8)、(9)及(10)是借所述监督控制计算系统以实际时间进行;(11)用所述第七信号将所述第一回馈控制器的设定点重新设定在该新设定点，以产生跨过所述第一节流阀的新的压力降低数值;(12)用所述第八信号将所述第二回馈控制器的设定点重新设定在该新设定点，以产生跨过所述第二节流阀的新的压力降低数值;及(13)在依据所述给定时间与所述未来时间两者间的差值所定出的一前馈控制时间间隔重复(g)、(h)、(i)、(n)、(o)及(7)到(12)等步骤。
27.依据权利要求26所述的方法，其特征在于，使用步骤(8)的冷冻剂存量及所述未来时间的预测周围温度模拟所述燃气液化过程确定所述压力降低的新数值，该模拟是在所述监督控制计算系统以实际时间进行。
28.依据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述压力降低的新数值是用储存在所述监督控制计算系统中的数据来确定，其中所述储存数据包含跨过所述第一及第二节流阀的压力降低数值，及在多种冷冻剂存量下的一系列周围温度下将所述液化过程的比燃料消耗降至最低所需的第一及第二节流阀的相应设定点，这些数据是借模拟该液化过程在预测的操作条件范围内的每一周围温度及冷冻剂成分与存量的稳定工作状态下或借分析该液化过程的实际操作数据而预先获得。
29.一种燃气液化系统，其特征在于，该系统包括(a)非直接热交换机构，其使得一预冷过的燃气进料流被第一及第二蒸发冷冻剂流液化;(b)闭合回路冷冻机构，其对所述非直接热交换机构提供了所述第一及第二蒸发冷冻剂流及从所述热交换机构移出所产生的蒸气化的冷冻剂，其中该闭合回路冷冻机构包含(1)包含至少一个燃气涡轮驱动压缩机及紧接于该压缩机的后冷却机构的压缩机构，用于将所述蒸气化的冷冻剂从所述非直接热交换机构送至所述压缩机构的第一导管机构，及使被压缩蒸气化的冷冻剂从所述压缩机构流出的第二导管机构;(2)用于冷却及部分液化所述被压缩蒸气化的冷冻剂的第一冷却机构，该冷冻剂是由所述第二导管机构从所述压缩机构被送至所述冷却机构的;(3)用于分离从所述第一冷却机构出来的部分液化冷冻剂的分离机构，该分离机构包含一分离容器，用于将部分液化冷冻剂从所述第一冷却机构送至所述分离机构的第三导管机构，及分别将一蒸气冷冻剂流及一液体冷冻剂流从该分离机构输送至所述非直接热交换机构的第四及第五导管机构;(c)位于所述非直接热交换机构内以进一步冷却所述蒸气冷冻剂流的第二冷却机构，及从该第二冷却机构取出进一步被冷却的蒸气冷冻剂流的第六导管机构;(d)用于降低所述进一步被冷却的蒸气冷冻剂流压力并因而进一步冷却该流的第一膨胀机构，及用于将从该第一膨胀机构出来的流送入所述非直接热交换器以提供所述第一蒸发冷冻剂流的第七导管机构;(e)位于所述非直接热交换器内以进一步冷却所述液体冷冻剂流的第三冷却机构，及从该第三冷却机构取出进一步被冷却的液体冷冻剂流的第八导管机构;(f)用于降低所述进一步被冷却的液体冷冻剂流压力并因而进一步冷却该流的第二膨胀机构，及用于将从该第二膨胀机构出来的流送入所述非直接热交换器以提供所述第二蒸发冷冻剂流的第九导管机构;(g)依据一个第一设定点对跨过所述第一膨胀机构的压力降低程度进行控制的第一回馈控制机构;(h)用于测量所述第一导管机构内的压力及将代表该压力的一个第一信号传送至所述第一回馈控制机构的第一压力测量及传送机构;(i)用于测量所述第二导管机构内的压力及将代表该压力的一个第二信号传送至所述第一回馈控制机构的第二压力测量及传送机构;(j)依据一个第二设定点对跨过所述第二膨胀机构的压力降低程度进行控制的第二回馈控制机构;(k)用于测量所述第四导管机构内的流量及传送代表该流量的一个第三信号至所述第二回馈控制机构的第一流量及传送机构;(l)用于测量所述第八导管机构内的流量及传送代表该流量的一个第四信号至所述第二回馈控制机构的第二流量及传送机构;(m)将所述预冷的燃气进料流导入所述非直接热交换机构的导管机构，位于所述非直接热交换机构内以液化该预冷的燃气进料流的第四冷却机构，及从该第四冷却机构移出液化燃气产品的导管装置;(n)包含具有以下能力的监督控制计算机构(1)计算在一给定时间所述闭合回路冷冻机构内的冷冻剂量;(2)预测一未来时间的周围温度;(3)计算在该未来时间所述第一及第二设定点的新数值，用于使跨过所述第一及第二膨胀机构的压力降低具有一适当值而使得液化所述预冷过的燃气进料的比燃料消耗降至最低;及(4)产生分别代表所述第一及第二设定点的新数值的第五及第六信号;(o)用于测量合适的过程参数及从该系统的选定位置将代表这些参数的信号传送到所述监督控制计算机构的过程参数的测量及传送机构;(p)将所述第五信号传送到所述第一回馈控制机构的传送机构及将第一设定点从在一给定时间的值改变成所述新数值的第一操纵机构;及(q)将所述第六信号传送到所述第二回馈控制机构的传送机构及将第二设定点从在一给定时间的值改变成所述新数值的第二操纵机构。
30.依据权利要求29所述的系统，其特征在于，所述后冷却机构包含用于使从所述燃气涡轮驱动离心式压缩机出来的热压缩的冷冻剂被周围空气冷却的非直接热交换机构。
31.依据权利要求29所述的系统，其特征在于，所述第一冷却机构包含一闭合回路冷冻系统及非直接热交换器，使得该被压缩的蒸气化的冷冻剂为蒸发冷冻剂所冷却并部分液化，该蒸发冷冻剂选自氨、氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷及它们的混合物所组成的族群。
32.依据权利要求29所述的系统，其特征在于，所述第一膨胀机构包含一节流阀，借一个第一阀定位机构来控制该阀的打开程度，以调节其中压力降低程度。
33.依据权利要求29所述的系统，其特征在于，所述第二膨胀机构包含一节流阀，借一个第二阀定位机构来控制该阀的打开程度，以调节其中压力降低程度。
34.依据权利要求29所述的系统，其特征在于，所述第一膨胀机构包含一涡轮膨胀器，借一个第一操作机构来控制该涡轮膨胀器的转子速度，以调节其中压力降低程度。
35.依据权利要求29所述的系统，其特征在于，所述第二膨胀机构包含一涡轮膨胀器，借一个第二操作机构来控制该涡轮膨胀器的转子速度，以调节其中压力降低程度。
36.依据权利要求29所述的系统，其特征在于，所述闭合回路冷冻机构含有一冷冻剂，该冷冻剂包含选自氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷及它们的混合物所组成的族群的成分。
全文摘要
一种操作液化天然气(LNG)过程的控制方法，该过程中使用了燃气涡轮驱动冷冻压缩机。一前馈控制系统借助周期性地预测一新温度及依据该新温度重新设定主要回馈控制器的设定点而补偿了周围空气温度改变对过程操作效率的影响，因而使LNG厂的操作达到最佳，并在一给定LNG产量下将比燃料消耗降至最低。
文档编号F25J1/00GK1069117SQ92109100
公开日1993年2月17日 申请日期1992年7月31日 优先权日1991年7月31日
发明者刘裕南, G·E·基纳德, D·A·扎戈诺利 申请人:气体产品与化学公司