СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК F25J1/02 

Область техники, которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу охлаждения углеводородного потока и к устройству для его осуществления.

Уровень техники

Примером такого охлаждаемого углеводородного потока является поток природного газа. Охлаждение может включать в себя сжижение углеводородного потока, в результате чего получают сжиженный углеводородный поток, такой как поток сжиженного природного газа (СПГ) в том случае, когда охлаждаемым углеводородным потоком является поток природного газа.

Природный газ является ценным источником топлива, будучи в то же время источником различных углеводородных соединений. Часто и по разным причинам оказывается желательным сжижать природный газ на установке сжиженного природного газа у или вблизи источника потока природного газа. Одна из причин этого состоит в том, что природный газ легче хранить и транспортировать на большие расстояния в жидкой, а не в газообразной форме, поскольку в жидкой форме он занимает небольшой объем и не требует хранения под высоким давлением.

Как правило, природный газ, содержащий предпочтительно метан, поступает на установку получения СПГ при повышенных давлениях и предварительно обрабатывается с целью получения очищенного сырьевого потока, пригодного для сжижения при криогенных температурах. Очищенный газ обрабатывается на нескольких стадиях охлаждения с использованием теплообменников для постепенного снижения его температуры до тех пор, пока не произойдет сжижение. Жидкий природный газ после этого дополнительно охлаждают и расширяют до конечного атмосферного давления, которое удобно для хранения и транспортировки.

Наряду с метаном природный газ, как правило, включает в себя некоторое количество более тяжелых углеводородов и примесей, включающих (но не ограничивающих собой) диоксид углерода, серу, сероводород и другие соединения серы, азот, гелий, воду, другие неуглеводородные кислые газы, этан, пропан, бутаны, C₅₊-углеводороды и ароматические углеводороды. Эти и другие обычные или известные более тяжелые углеводороды и примеси либо делают невозможными, либо создают помехи для обычных известных способов сжижения метана, в частности наиболее эффективных способов сжижения метана. Наиболее известные или предложенные способы сжижения углеводородов, в частности сжижения природного газа, основаны на как можно большем снижении уровней содержания по меньшей мере большей части более тяжелых углеводородов и примесей перед проведением процесса сжижения.

Более тяжелые по сравнению с метаном углеводороды и обычно этан, как правило, конденсируются и извлекаются из потока природного газа в виде газоконденсатных жидкостей (ГКЖ). Метан обычно отделяют от ГКЖ в промывной колонне высокого давления, после чего ГКЖ фракционируют в ряду специализированных перегонных колонн, получая ценные углеводородные продукты, либо в виде потоков продуктов как таковых, либо для их использования в процессе сжижения, например в качестве компонента хладагента.

Параллельно с этим метан из промывной колонны далее сжижают, получая СПГ.

В патентной заявке США №2003/0046953 раскрыт способ регулирования производства СПГ, который делает возможным непрерывное максимальное использование имеющейся мощности для проведения цикла охлаждения, поскольку оператор при этом может вручную менять задаваемое значение скорости потока одного из хладагентов и отношение скоростей потоков тяжелого смешанного хладагента к легкому смешанному хладагенту.

Описанный выше способ не может предотвратить переохлаждения теплообменника ниже его минимальных температурных пределов или избежать избыточного механического напряжения (тепловых шоков) теплообменника, возникающего при слишком быстром падении температуры. В случае его возникновения в теплообменнике могут появиться утечки.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение имеет целью решение этой и других проблем, связанных с охлаждением углеводородного потока.

В своем первом аспекте настоящее изобретение предлагает способ охлаждения углеводородного потока в теплообменнике, включающий по меньшей мере следующие стадии:

(a) обеспечение углеводородного потока;

(b) теплообмен углеводородного потока в первом теплообменнике с по меньшей мере одним потоком хладагента, характеризующимся скоростью потока хладагента, в результате чего получают углеводородный поток, характеризующийся скоростью углеводородного потока, и по меньшей мере один возвратный поток хладагента;

(c) ввод первого заданного значения для скорости потока хладагента; и

(d) доводка скорости потока хладагента и скорости углеводородного потока до достижения заданного значения, при этом:

(1) если первое заданное значение больше скорости потока хладагента, то скорость углеводородного потока повышают, прежде чем повысить скорость потока хладагента;

(2) если первое заданное значение меньше скорости потока хладагента, то скорость потока хладагента понижают, прежде чем понизить скорость углеводородного потока; и

(3) если скорость углеводородного потока снижается, то уменьшают скорость потока хладагента.

В своем втором аспекте настоящее изобретение предлагает устройство для управления теплообменником, содержащее по меньшей мере:

- первый теплообменник, имеющий первый вход для углеводородного потока и первый выход для охлажденного углеводородного потока, по меньшей мере второй вход для по меньшей мере одного потока хладагента и второй выход для возвратного потока хладагента;

- регулятор скорости потока хладагента для измерения сигнала, пропорционального скорости потока хладагента для по меньшей мере одного потока хладагента для создания сигнала скорости потока хладагента, который передается на высокоуровневый селектор, причем указанный регулятор скорости потока хладагента управляет клапаном хладагента для регулирования скорости потока хладагента;

- регулятор скорости углеводородного потока для измерения сигнала, пропорционального скорости углеводородного потока для создания сигнала скорости углеводородного потока, который передается на низкоуровневый селектор, причем указанный регулятор скорости углеводородного потока управляет клапаном углеводородного потока для регулирования скорости углеводородного потока;

- задатчик скорости потока для ввода заданного значения с целью создания сигнала заданного значения, который передается на низкоуровневый селектор и на высокоуровневый селектор;

- низкоуровневый селектор, передающий наиболее низкий сигнал заданного значения и сигнал скорости углеводородного потока на регулятор скорости потока хладагента; и

- высокоуровневый селектор, передающий наиболее высокий сигнал заданного значения и сигнал скорости потока хладагента на регулятор скорости углеводородного потока.

Краткое описание чертежей

Далее описаны варианты осуществления и примеры настоящего изобретения, которые даются лишь в качестве иллюстрации со ссылками на прилагаемые не ограничивающие изобретения чертежи, из которых:

фиг.1 - схематическое представление технологической схемы устройства для охлаждения углеводородного потока, включающего средство для осуществления одного из вариантов осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 - схема управления для способа охлаждения углеводородного потока согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

фиг.3 - схема управления для способа охлаждения углеводородного потока согласно еще одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Как уже было указано, переохлаждение теплообменника может быть предотвращено путем доводки скорости потока хладагента и углеводородного потока следующим образом, пока не будет достигнуто заданное значение:

(1) если первое заданное значение больше скорости потока хладагента, то скорость углеводородного потока повышают, прежде чем повысить скорость потока хладагента;

(2) если первое заданное значение меньше скорости потока хладагента, то скорость потока хладагента понижают, прежде чем понизить скорость углеводородного потока; и

(3) если скорость углеводородного потока снижается, то уменьшают скорость потока хладагента.

Таким образом гарантируется то, что в углеводородном потоке все время будет иметься достаточное количество углеводородов для приема холода от хладагента в потоке хладагента, что предотвратит переохлаждение теплообменника.

Предпочтительно, чтобы указанные операции выполнялись автоматически, т.е. без или с минимальным ручным вмешательством после введения первого заданного значения, например с помощью полностью автоматической системы управления.

На фиг.1 представлено устройство для охлаждения, предпочтительно сжижения, углеводородного потока 45. Углеводородным потоком может быть любой пригодный для охлаждения газовый поток, но обычно им является поток природного газа, поступающий из коллектора природного газа или нефтяного коллектора. В альтернативном случае поток природного газа может быть также получен из какого-либо другого источника, в том числе из синтетического источника, такого как процесс Фишера-Тропша.

Обычно поток природного газа в основном состоит из метана. Предпочтительно, чтобы сырьевой поток содержал по меньшей мере 60 мол. % метана и, более предпочтительно, по меньшей мере 80 мол. % метана.

В зависимости от источника природный газ может содержать различные количества более тяжелых, чем метан, углеводородов, таких как этан, пропан, бутаны и пентаны, а также некоторые ароматические углеводороды. Природный газ может также содержать и неуглеводородные вещества, такие как H₂O, N₂, CO₂, H₂S и другие серосодержащие соединения, и т.п.

При необходимости углеводородный поток, содержащий природный газ, перед его использованием может быть подвергнут предварительной обработке. Эта предварительная обработка может включать в себя удаление нежелательных компонентов, таких как CO₂ и H₂S или другие операции, такие как предварительное охлаждение, предварительное воздействие давлением и т.п. Поскольку эти операции хорошо известны специалистам в данной области, далее они в заявке обсуждаться не будут.

Наряду с метаном природный газ содержит различные количества этана, пропана и более тяжелых углеводородов. Состав меняется в зависимости от типа и местонахождения газа. Более тяжелые, чем метан, углеводороды обычно удаляют из природного газа с разной степенью полноты по разным причинам, например, в случае C₅₊-углеводородов, имеющих температуры замерзания выше температур сжижения метана, это может привести к закупориванию ими деталей установки сжижения метана. C₂-C₄-углеводороды могут использоваться в качестве источника сжиженного нефтяного газа (СНГ).

Таким образом, углеводородный поток 45 представляет собой композицию, частично, в значительной степени или полностью очищенную с целью уменьшения и/или удаления одного или более соединений или веществ, включая (но не ограничиваясь ими) серу, серосодержащие соединения, диоксид углерода, воду и C₂₊-углеводороды.

Если углеводородный поток 45 содержит природный газ, он может быть предварительно обработан для отделения более тяжелых углеводородов и примесей, таких как диоксид углерода, азот, гелий, вода, сера и серосодержащие соединения, включая (но не ограничиваясь ими) кислые газы.

Углеводородный поток 45 может быть предварительно охлажден на стадии предварительного охлаждения с целью снижения температуры углеводородного потока. Подача холода на стадии предварительного охлаждения специалистам в данной области известна. Предварительное охлаждение может быть частью процесса сжижения или отдельным процессом. Охлаждение углеводородного сырьевого потока, в результате которого образуется углеводородный поток 45, может включать в себя снижение температуры сырьевого потока ниже 0°C, например в диапазоне от -10 до -70°C, в результате которого образуется охлажденный сырьевой углеводородный поток.

Охлажденный сырьевой углеводородный поток может быть направлен в сепаратор типа колонны стабилизации конденсата, обычно работающей при избыточном давлении в известном из уровня техники режиме. Колонна стабилизации конденсата производит смешанный углеводородный головной поток, предпочтительно имеющий температуру ниже 0°C и поток тяжелого конденсата.

Выражение «смешанный углеводородный поток» в рамках представлений заявки относится к потоку, содержащему метан (C₁) и по меньшей мере 5 мол. % одного или более углеводородов, выбранных из группы, содержащей: этан (C₂), пропан (C₃), бутаны (C₄) и C₅₊-углеводороды. Как правило, доля метана в смешанном углеводородном потоке составляет 30-50 мол. % наряду со значительными фракциями этана и пропана, каждая из которых составляет, например, 5-10 мол. %.

При отделении газоконденсатной жидкости (ГКЖ) желательно выделять метан из смешанного углеводородного потока для его последующего охлаждения, например для сжижения на СПГ-установке, получая при этом по меньшей мере C₂₊-поток, при необходимости один или более из C₂-потока, C₃-потока, C₄-потока и C₅₊-потока.

По меньшей мере одну из фракций (желательно все) из смешанного углеводородного потока направляют в систему получения ГКЖ. Система получения ГКЖ, как правило, включает в себя один или более газожидкостных сепараторов, таких как перегонные колонны, для разделения смешанного углеводородного потока по меньшей мере на C₁-поток и один или более C₂₊-потоков, обычно при низком давлении, например в диапазоне от 20 до 35 бар. Одним из примеров подходящего газожидкостного сепаратора является деметанизатор, предназначенный для получения обогащенного метаном головного потока и одного или более жидких потоков со дна или вблизи дна, обогащенных C₂₊-углеводородами.

Поскольку смешанный углеводородный поток обычно образуется из исходного углеводородного потока под высоким давлением, от 40 до 70 бар, может возникнуть необходимость его расширения перед первым газожидкостным сепаратором, например, с целью понижения его температуры.

Первый газожидкостной сепаратор предназначен для разделения жидкой и паровой фаз, в результате чего образуются головной поток C₁ (далее называемый углеводородным потоком 45) и донный поток С₂₊. Головной поток C₁ (углеводородный поток 45) может все еще содержать небольшое (<10 мол. %) количество C₂₊-углеводородов, но предпочтительно содержит >80 мол. %, более предпочтительно >95 мол. % метана. Донный поток C₂ может содержать >90 или >95 мол. % этана и более тяжелых углеводородов и может быть затем фракционирован или использован как-либо иначе с помощью известных в технике способов, предназначенных для потоков ГКЖ.

На фиг.1 показана схема охлаждения, предпочтительно сжижения, углеводородного потока, такого как природный газ. Углеводородный поток 45 проходит через главную стадию 1 охлаждения, включающую в себя первый теплообменник 50, в результате чего образуется охлажденный, предпочтительно сжиженный углеводородный поток 55, который может быть сжиженным природным газом.

Главная стадия 1 охлаждения включает в себя по меньшей мере один, предпочтительно криогенный, первый теплообменник 50. Первый теплообменник 50 может быть пластинчато-ребристым или кожухотрубным теплообменником, более предпочтительно испарительным теплообменником. Первый теплообменник 50 имеет межтрубное пространство 51. В межтрубном пространстве могут быть расположены три пучка труб 53, 57, 59. Главная стадия 1 охлаждения, кроме того, включает контур 100 хладагента, содержащий в себе компрессор 110 хладагента, подходящее приводное устройство 120 для хладагента, холодильник 130 для хладагента и сепаратор 140.

Для углеводородного потока 45 и потока хладагента на главной стадии 1 охлаждения могут использоваться различные варианты компоновки. Такие варианты известны из уровня техники. В их число входят один или более теплообменников 50, при необходимости с разными уровнями давления и при необходимости расположенные внутри одного аппарата, такого как показанный криогенный теплообменник.

В показанном на фиг.1 варианте осуществления углеводородный поток 45 пропускается через первый теплообменник 50 в первом пучке 53 труб. Первый теплообменник 50 снижет температуру углеводородного потока 45, в результате чего образуется охлажденный, предпочтительно сжиженный углеводородный поток 55, такой как поток СПГ, температура которого может быть приблизительно равной или ниже -90°C, предпочтительно ниже -120°C.

Сжиженный углеводородный поток 55 может быть направлен в расширяющее устройство, такое как клапан 60 для охлажденного углеводородного потока, который является клапаном, регулирующим скорость потока, перед которым при необходимости может находиться турбодетандер (не показан) и который предназначен для регулирования скорости охлажденного углеводородного потока 55. Клапан 60 для охлажденного углеводородного потока может снижать давление охлажденного углеводородного потока 55 с целью, например, хранения потока СПГ при приблизительно атмосферном давлении.

Для отвода тепла от углеводородного потока 45 в первом теплообменнике 50 используется по меньшей мере один из потоков хладагента: 145а и 145b. Хладагент, предпочтительно смешанный хладагент, циркулирует в контуре 100 хладагента. На фиг.1 показан замкнутый цикл хладагента.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения смешанный хладагент для контура 100 хладагента содержит:

>30 мол. % соединения, выбранного из группы, состоящей из этана и этилена или их смеси; и

>30 мол. % соединения, выбранного из группы, состоящей из пропана и пропилена или из их смеси.

Обычно вторым хладагентом может быть любая подходящая смесь компонентов, включающая два или более из азота, метана, этана, этилена, пропана, пропилена, бутана, пентана и т.д.

Газообразный хладагент выводится из межтрубного пространства 51 первого теплообменника 50 в качестве возвратного потока 105 хладагента. Его сжимают с помощью компрессора 110 для хладагента с образованием сжатого потока 115 хладагента. Компрессор 110 для хладагента приводится в действие от какого-либо подходящего приводного устройства, в частности привода 120 для компрессора хладагента.

Сжатый поток 115 хладагента направляется в холодильник 130, например воздушный холодильник, в котором тепло сжатия отводится вместе с теплом, поглощенным в первом теплообменнике 50, и смешанный хладагент может, таким образом, быть частично сконденсированным, образуя охлажденный сжатый поток 135 хладагента. Охлаждение и частичная конденсация сжатого потока 135 хладагента могут также проводиться в одном или более теплообменниках.

Охлажденный сжатый поток 135 хладагента подается в сепаратор 140, который разделяет охлажденный сжатый поток 135 хладагента на одну или более фракций. На фиг.1 показан охлажденный сжатый поток 135 хладагента, разделенный на две фракции: входящий поток 143 хладагента и второй входящий поток 147 хладагента. Предпочтительно сепаратор 140 разделяет охлажденный сжатый поток 135 хладагента на донный тяжелый смешанный хладагент (ТСХ) 143 и головной легкий смешанный хладагент (ЛСХ) 147. Если сепаратором 140 является газожидкостной сепаратор, то фракция ТСХ может быть жидким продуктом, а фракция ЛСХ может быть парообразным продуктом.

Входящий поток 143 хладагента, который может быть первым или тяжелым смешанным хладагентом, пропускается через первый теплообменник 50 во втором пучке 57 труб, в которых он может быть переохлажден. Входящий второй поток 147 хладагента, который может быть вторым или легким смешанным хладагентом, пропускается через первый теплообменник 50 в третьем пучке 59 труб, в которых он может быть сжижен или переохлажден.

Первый или тяжелый смешанный хладагент выходит из второго пучка 57 труб как охлажденный поток 145 хладагента. Охлажденный поток 145 хладагента расширяется в детандере 150 хладагента с образованием расширенного потока 145а хладагента. Детандер 150 хладагента может приводиться в действие с помощью подходящего приводного устройства 160 для детандера. Расширенный поток 145а хладагента может быть пропущен через клапан 170 хладагента, который может регулировать скорость расширенного потока 145a хладагента, в результате чего образуется поток 145b хладагента, являющийся регулируемым потоком. Поток 145b хладагента подается в межтрубное пространство 51 первого теплообменника 50 через второй вход 176 для охлаждения углеводородного потока 45 в первом пучке 53 труб.

Аналогичным образом, второй или легкий смешанный хладагент выходит из третьего пучка 59 труб как охлажденный второй поток 185 хладагента. Охлажденный второй поток 185 хладагента расширяется во втором детандере 190 хладагента с образованием расширенного второго потока 185а хладагента. Второй детандер 190 хладагента может приводиться в действие с помощью подходящего второго приводного устройства 200 для детандера. Расширенный второй поток 185a хладагента может быть пропущен через клапан 210 хладагента, который может регулировать скорость расширенного охлажденного второго потока 185a хладагента, в результате чего образуется поток 185b хладагента, являющийся регулируемым потоком. Второй поток 185b хладагента подается в межтрубное пространство 51 первого теплообменника 50 через третий вход 216 для охлаждения углеводородного потока 45 в первом пучке 53 труб.

Способ охлаждения углеводородного потока 45 регулируется следующим образом:

Скорость потока хладагента, FR1, соответствующая скорости потока хладагента 145b, измеряется с помощью регулятора FC1 (340) скорости потока хладагента. На фиг.1 показан регулятор 340 скорости потока хладагента, установленный для измерения скорости FR1 потока хладагента для охлажденного потока 145 хладагента. Однако регулятор 340 скорости потока хладагента мог бы быть установлен и для измерения скорости любого из потоков 143, 145, 145a, 145b при условии, что регулятор 340 скорости потока выдает сигнал, пропорциональный скорости FR1 потока хладагента, который подается в межтрубное пространство 51 первого теплообменника 50 для охлаждения углеводородного потока 45, например скорости FR1 потока 145b хладагента, который подается в межтрубное пространство 51 первого теплообменника 50 через второй вход 176 для охлаждения углеводородного потока 45.

Скорость углеводородного потока, FR2, соответствующая скорости потока охлажденного углеводородного потока 55, измеряется с помощью регулятора FC2 (350) скорости углеводородного потока. На фиг.1 показан регулятор 350 скорости охлажденного углеводородного потока, установленный для измерения скорости FR2 охлажденного углеводородного потока 55. Однако регулятор 350 скорости углеводородного потока мог бы быть установлен и для измерения скорости FR2 углеводородного потока 45 или любого другого углеводородного потока при условии, что регулятор 350 скорости потока выдает сигнал, пропорциональный скорости FR2 углеводородного потока, проходящего через первый теплообменник 50.

Измерение скорости потока может производиться с помощью любого подходящего известного из уровня техники аппарата, блока или прибора. Не ограничивающие изобретения примеры включают измерительные диафрагмы, трубки Вентури, расходомерные сопла, расходомеры с переменным проходным сечением, направляющие трубки, калориметры, турбинные счетчики, счетчики Кориолиса, ультразвуковые допплеровские измерители течений и вихревые счетчики.

Регуляторы скорости потока также регулируют работу средства для регулирования скорости потока, предпочтительно клапана, например клапана с пневматическим, гидравлическим или электрическим приводом.

Выбирается первое заданное значение, SP1, для скорости FR1 потока хладагента и вводится в задатчик HC (300) скорости потока. Первое заданное значение SP1, хотя и задаваемое через скорость FR1 потока хладагента, соответствует требуемому выводу охлажденного углеводородного потока 55, которым предпочтительно является поток СПГ, из первого теплообменника 50.

Переохлаждение первого теплообменника 50 может возникать тогда, когда из хладагента подается больше объема холода, чем требуется для охлаждения углеводорода. Чтобы предотвратить переохлаждение первого теплообменника 50, скорость FR1 потока хладагента и скорость FR2 углеводородного потока доводят в соответствии с приведенным ниже методом перекрестного ограничения.

В том случае, когда первое заданное значение SP1 для скорости потока хладагента больше измеряемой скорости FR1 потока хладагента, т.е. когда требуется увеличить выход охлажденного углеводорода из первого теплообменника 50, то прежде чем повысить скорость FR1 потока хладагента, повышают скорость FR2 углеводородного потока.

Переохлаждения первого теплообменника 50 можно избежать, если повышение скорости FR1 потока хладагента производится после повышения скорости FR2 углеводородного потока. Однако если учесть время реакции системы, то чтобы предотвратить переохлаждение углеводородного потока, промежуток времени между повышением скорости FR2 углеводородного потока и повышением скорости FR1 потока хладагента должен быть как можно более коротким.

В том случае, когда первое заданное значение SP1 для скорости потока хладагента меньше измеряемой скорости FR1 потока хладагента, т.е. когда требуется уменьшить выход охлажденного углеводорода из первого теплообменника 50, прежде чем понизить скорость FR2 углеводородного потока, снижают скорость FR1 потока хладагента.

Переохлаждения первого теплообменника 50 можно избежать, если снижение скорости FR2 углеводородного потока производится после снижения скорости FR1 потока хладагента. Однако если учесть время реакции системы, то чтобы предотвратить переохлаждение углеводородного потока, промежуток времени между понижением скорости FR1 потока хладагента и понижением скорости FR2 углеводородного потока должен быть как можно более коротким.

В том случае, когда скорость FR2 углеводородного потока снижается, например во время перерыва в работе, когда потребитель холодного углеводородного потока 55 выводится из работы, либо же выводится из работы источник углеводородного потока 45, то скорость FR1 потока хладагента также следует понизить.

Отношение [скорость потока хладагента]/[скорость углеводородного потока] на стадии (d) может поддерживаться на предварительно заданном уровне или ниже его. Предпочтительно скорость FR1 потока хладагента доводят пропорционально скорости FR2 углеводородного потока, поддерживая тем самым постоянство температуры охлажденного углеводородного потока 55.

Регулятор 340 скорости потока хладагента может регулировать скорость FR1 потока хладагента, управляя клапаном 170 потока хладагента. В одном из альтернативных вариантов (не показан) скорость FR1 потока хладагента могла бы регулироваться наличием регулирующего клапана на любом из потоков 143 или 145 при условии, что регулирующий клапан воздействует на скорость потока хладагента, подаваемого в межтрубное пространство 52 первого теплообменника 50.

Аналогичным образом, регулятор FC2 охлажденного углеводородного потока может регулировать скорость охлажденного углеводородного потока 55 (и, соответственно, скорость углеводородного потока 45), управляя клапаном 60 охлажденного углеводорода. В одном из альтернативных вариантов (не показан) скорость охлажденного углеводородного потока 55 могла бы регулироваться наличием регулирующего клапана в углеводородном потоке 45.

Из системы, показанной на фиг.1, становится очевидно, что следует также регулировать и скорость FR3 второго потока хладагента. На фиг.1 показан второй регулятор FC3 (360) скорости потока хладагента, который управляет вторым клапаном 210 потока хладагента для регулирования скорости FR3 второго потока 185b хладагента. Второй клапан 210 потока хладагента показан после второго детандера 190 хладагента, но он может быть помещен и в другом втором потоке хладагента, например 147 или 185, при условии возможности регулирования скорости потока второго хладагента, подаваемого в межтрубное пространство 51 первого теплообменника 50.

Скорость FR3 второго потока 185b подстраивают к и пропорционально скорости FR1 потока хладагента. Регулятор 330 хладагента может использоваться для регулировки положения клапана 210 второго потока хладагента на основании данных, получаемых регулятором FC1 первого потока хладагента. Регулятор FC3 второго потока хладагента измеряет скорость FR3 второго потока хладагента с целью того, чтобы гарантировать отдачу системой нужного объема холода на первый теплообменник 50.

Система перекрестно-ограничительного регулирования, которая может быть использована в описываемом в заявке способе, может быть автоматической. На фиг.1 показаны регуляторы скорости потока: FC1 (340), FC2 (350) и FC3 (360) для управления регулирующими скорость потока клапанами 170, 60 и 210 соответственно. Первое заданное значение SP1 для скорости FR1 потока первого хладагента вводится в задатчик HC (300) скорости потока. Задатчик 300 скорости потока принимает вводимое первое заданное значение SP1 и передает его на низкоуровневый селектор (L-Sel) 310 и высокоуровневый селектор (H-Sel) 320.

Низкоуровневый селектор 310 принимает скорость охлажденного углеводородного потока в виде сигнала от регулятора 350 скорости охлажденного углеводородного потока. Высокоуровневый селектор 320 принимает скорость потока хладагента в виде сигнала от регулятора FC1 скорости потока хладагента.

Ниже более детально обсуждается конструкция и работа высокоуровневого и низкоуровневого селекторов 310, 320 в соответствии с фиг.2. На фиг.2 представлена схема управления для описанного в заявке способа охлаждения углеводорода. В этом варианте осуществления может быть использована представленная на фиг.1 главная стадия 1 охлаждения. На фиг.2 из соображений простоты показаны только охлажденный углеводородный поток 55 и соответствующий регулирующий клапан 60, охлажденный поток 45 хладагента, компрессор 150 хладагента, сжатый поток 145a хладагента, регулирующий клапан 170 и поток 145b хладагента, которые показаны на фиг.1. Однако могут также присутствовать и дополнительные детали из фиг.1.

Первое заданное значение SP1 для скорости FR1 потока хладагента вводится в задатчик НС (300) скорости потока, который генерирует сигнал заданного значения (SPS), предаваемый на низкоуровневый селектор 310 и высокоуровневый селектор 320.

Регулятор 340 скорости потока хладагента генерирует сигнал FS1 скорости потока хладагента, который пропорционален скорости FR1 потока 145b хладагента. Сигнал FS1 скорости потока хладагента передается на высокоуровневый селектор 320. Высокоуровневый селектор 320 принимает также сигнал SPS первого заданного значения от задатчика 300 скорости потока.

Регулятор 340 скорости потока хладагента управляет клапаном 170 потока хладагента для регулирования скорости потока 145b хладагента.

Регулятор 350 скорости углеводородного потока генерирует сигнал FS2 скорости углеводородного потока, который пропорционален скорости FR2 охлажденного углеводородного потока 55. Сигнал FS2 скорости углеводородного потока передается на низкоуровневый селектор 310. Низкоуровневый селектор 310 принимает также сигнал SPS первого заданного значения от задатчика 300 скорости потока.

Регулятор 350 скорости охлажденного углеводородного потока управляет клапаном 60 охлажденного углеводородного потока для регулирования скорости охлажденного углеводородного потока 55.

Низкоуровневый селектор 310 запрограммирован на пропускание наиболее низкого из сигналов SPS заданного значения и сигнала FS2 скорости углеводородного потока к регулятору 340 первого потока хладагента. В этом случае увеличение первого заданного значения SPS приведет к повышению скорости FR1 потока хладагента только после повышения скорости FR2 углеводородного потока.

Высокоуровневый селектор 320 запрограммирован на пропускание наиболее высокого из сигналов SPS заданного значения и сигнала FS1 скорости потока хладагента к регулятору 350 углеводородного потока. В этом случае уменьшение заданного значения SPS приведет к снижению скорости FR2 углеводородного потока только после снижения скорости FR1 потока хладагента.

Таким образом, предложен способ охлаждения углеводородного потока, в котором осуществляется перекрестно-ограничительное регулирование между скоростью FR2 углеводородного потока и скоростью FR1 потока хладагента, благодаря чему предотвращается переохлаждение первого теплообменника 50.

На фиг.3 представлена схема управления для описанного в заявке способа охлаждения углеводорода, в которой температура TC2 охлажденного углеводородного потока 55 может поддерживаться путем регулировки отношения скорости FR1 потока 145b хладагента, например тяжелого смешанного хладагента, к скорости FR2 охлажденного углеводородного потока 55. Совершенно очевидно, что в вариантах осуществления фиг.1 и фиг.2 возможность регулирования этого отношения отсутствовала и, следовательно, оно было фиксированным.

Охлажденный углеводородный поток 55 снабжен регулятором температуры TC2 (370). Регулятор 370 температуры измеряет температуру охлажденного углеводородного потока 55 и посылает сигнал TS2, который пропорционален температуре.

Температура TC2 охлажденного углеводородного потока может регулироваться с помощью ввода в регулятор 370 температуры заданного значения температуры TSP. Температура TC2 охлажденного углеводородного потока 55 может быть понижена путем снижения скорости FR2 охлажденного углеводородного потока 55 по сравнению со скоростью FR1 потока хладагента. Аналогичным образом, температура TC2 охлажденного углеводородного потока 55 может быть повышена путем повышения скорости FR2 охлажденного углеводородного потока 55 по отношению к скорости FR1 потока хладагента.

Сигнал TS2 от регулятора температуры 370 может модулировать сигнал от высокоуровневого селектора 320 к регулятору FC2 охлажденного углеводородного потока либо для повышения, либо для снижения скорости охлажденного углеводородного потока 55 по отношению к немодулированному сигналу. Однако модулирование, проводимое в отношении сигнала от регулятора FC2 охлажденного углеводородного потока к низкоуровневому селектору 310, имеет обратный эффект по сравнению с модулированием, проводимым в отношении сигнала от высокоуровневого селектора 320, в результате чего сигнал FS2 скорости охлажденного углеводородного потока, принимаемый низкоуровневым селектором 310, соответствует сигналу от регулятора FC2 охлажденного углеводородного потока, который бы возник, если бы он не был модулированным регулятором ТС2 температуры охлажденного углеводородного потока. В результате этого работа низкоуровневого селектора 310 и, следовательно, регулятора FC1 скорости потока хладагента не зависит от регулятора TC2 температуры охлажденного углеводородного потока.

На фиг.3 показана одна из возможностей, с помощью которой сигнал TS2 от регулятора 370 температуры может модулировать сигнал от высокоуровневого селектора 320. Система характеризуется некоторым отношением скорости охлажденного углеводородного потока (СПГ) к потоку хладагента (ТСХ), в результате чего образуется охлажденный углеводородный поток 55 при определенной температуре. На фиг.3 это отношение показано как (СПГ)/(ТСХ). Чтобы иметь возможность регулировать температуру охлажденного углеводородного потока 55, следует изменить данное отношение скорости потока охлажденного углеводородного потока 55 к потоку хладагента. Чтобы оценить сигнал от высокоуровневого селектора 320, можно использовать параметр b, выводимый из сигнала TS2 от регулятора 370 температуры.

Например, параметр c, выводимый из сигнала, подаваемого на регулятор 350 углеводородного потока, может быть определен как функция параметра a, выводимого из сигнала от высокоуровневого селектора 320, отношения скорости потока охлажденного углеводородного потока (СПГ) к скорости потока хладагента (ТСХ), т.е. (СПГ/ТСХ), и коэффициента масштабирования (b/100), определяемого из параметра b, выводимого из сигнала от регулятора 370 температуры. Когда параметр b превышает 100, например когда параметр b находится в диапазоне от >100 до 150, соответственно увеличится параметр с сигнала, подаваемого на регулятор 350 скорости потока углеводорода.

Аналогичным образом, параметр е, выводимый из сигнала, подаваемого на низкоуровневый селектор 310 может быть определен как функция параметра d, выводимого из сигнала от регулятора 350 скорости углеводородного потока, отношения скорости потока хладагента (ТСХ) к скорости потока охлажденного углеводородного потока (СПГ), т.е. (ТСХ/СПГ), и обратного значения коэффициента масштабирования b/100, т.е. 100/b, определяемого из параметра b, выводимого из сигнала от регулятора 370 температуры.

Чтобы поддерживать отношение хладагента ко второму хладагенту, такому как отношение ТСХ к ЛСХ, скорость какого-либо из вторых потоков FR3 хладагента можно менять пропорционально скорости FR1 потока хладагента. В еще одном варианте осуществления на фиг.3 показан обводной поток 225 хладагента, который проходит в обход детандера 150 хладагента. Обводной поток 225 хладагента регулируется байпасным клапаном 230 хладагента, в результате чего создается регулируемый обводной поток 225a хладагента. Регулируемый обводной поток 225a хладагента может быть объединен с потоком 145b хладагента для образования объединенного потока 245 хладагента. Байпасный клапан 230 хладагента может управляться сигналом от регулятора 340 скорости потока хладагента, чтобы позволить охлажденному потоку 145 хладагента двигаться в обход детандера 150 хладагента.

Специалисту в данной области несложно понять, что настоящее изобретение может быть различным образом модифицировано без отхода от объема прилагаемой формулы изобретения.

В способе и устройстве для охлаждения углеводородного потока охлаждаемый углеводородный поток (45) подвергается теплообмену в первом теплообменнике (50) с по меньшей мере одним потоком хладагента (145b, 185b), характеризующимся скоростью (FR1) первого потока хладагента, в результате чего образуется охлажденный углеводородный поток (55), характеризующимся скоростью (FR2) охлажденного углеводородного потока, и по меньшей мере один возвратный поток (105) хладагента. Скорость (FR1) потока первого хладагента и скорость (FR2) потока охлажденного углеводородного агента регулируются до достижения первого заданного значения (SP1) для скорости (FR1) потока первого хладагента. Если первое заданное значение (SP1) больше скорости (FR1) потока хладагента, то скорость (FR2) углеводородного потока повышают, прежде чем повысить скорость (FR1) потока хладагента, если первое заданное значение (SP1) меньше скорости потока хладагента, то скорость (FR1) потока хладагента понижают, прежде чем понизить скорость (FR2) углеводородного потока, и если скорость (FR2) углеводородного потока снижается, то уменьшают скорость (FR1) потока хладагента. Технический результат - предотвращение переохлаждения теплообменника. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ охлаждения углеводородного потока в теплообменнике, включающий по меньшей мере следующие стадии:
(a) обеспечение углеводородного потока;
(b) теплообмен углеводородного потока в первом теплообменнике с по меньшей мере одним потоком хладагента, характеризующимся скоростью потока хладагента, в результате чего получают охлажденный углеводородный поток, характеризующийся скоростью углеводородного потока, и по меньшей мере один возвратный поток хладагента;
(c) ввод первого заданного значения для скорости потока хладагента; и
(d) доводка скорости потока хладагента и скорости углеводородного потока до достижения заданного значения, при этом:
(d1) если первое заданное значение больше скорости потока хладагента, то скорость углеводородного потока повышают, прежде чем повысить скорость потока хладагента;
(d2) если первое заданное значение меньше скорости потока хладагента, то скорость потока хладагента понижают, прежде чем понизить скорость углеводородного потока; и
(d3) если скорость углеводородного потока снижается, то уменьшают скорость потока хладагента.

2. Способ по п.1, в котором доводка скорости потока хладагента и скорости углеводородного потока на стадии (d) осуществляется автоматически.

3. Способ по п.1, в котором:
- скорость потока хладагента измеряется с помощью регулятора скорости потока хладагента, который генерирует сигнал скорости потока хладагента, который передается на высокоуровневый селектор, причем указанный регулятор скорости потока хладагента управляет клапаном, регулирующим скорость потока хладагента;
- скорость углеводородного потока измеряется с помощью регулятора скорости углеводородного потока, который генерирует сигнал скорости углеводородного потока, который передается на низкоуровневый селектор, причем указанный регулятор скорости углеводородного потока управляет клапаном, регулирующим скорость углеводородного потока;
- первое заданное значение вводится в задатчик скорости потока, который генерирует сигнал заданного значения, который передается на низкоуровневый селектор и на высокоуровневый селектор;
- наиболее низкий сигнал заданного значения и сигнал скорости углеводородного потока передаются на регулятор скорости потока хладагента с использованием низкоуровневого селектора; и
- наиболее высокий сигнал заданного значения и сигнал скорости потока хладагента передаются на регулятор скорости углеводородного потока с использованием высокоуровневого селектора.

4. Способ по п.1, в котором поток хладагента выбирают из группы, содержащей поток тяжелого смешанного хладагента и поток легкого смешанного хладагента, предпочтительно поток хладагента представляет собой поток тяжелого смешанного хладагента.

5. Способ по п.1, дополнительно включающий на стадии (b) теплообмен углеводородного потока со вторым потоком хладагента, характеризующимся скоростью второго потока хладагента, в первом теплообменнике.

6. Способ по п.5, в котором скорость второго потока хладагента определяется в пропорции к скорости потока хладагента.

7. Способ по п.5, дополнительно включающий:
- управление клапаном, регулирующим скорость второго потока хладагента, с использованием регулятора скорости второго потока хладагента; и
- прием наиболее низкого сигнала заданного значения и сигнала скорости охлажденного углеводородного потока от низкоуровневого селектора регулятором хладагента; и
- подстраивание скорости второго потока хладагента относительно скорости потока хладагента путем передачи сигнала регулятора хладагента от регулятора хладагента на регулятор скорости второго потока хладагента.

8. Способ по п.5, в котором второй поток хладагента представляет собой поток легкого смешанного хладагента, когда поток хладагента представляет собой поток тяжелого смешанного хладагента, или второй поток хладагента представляет собой поток тяжелого смешанного хладагента, когда поток хладагента представляет собой поток легкого смешанного хладагента.

9. Способ по п.1, дополнительно включающий стадии:
(i) охлаждение входящего потока хладагента в первом теплообменнике для создания охлажденного потока хладагента;
(ii) расширение охлажденного потока хладагента в детандере хладагента для создания расширенного потока хладагента;
(iii) пропускание расширенного потока хладагента через клапан хладагента для создания потока хладагента; и
(iv) направление потока хладагента ко второму выходу первого теплообменника.

10. Способ по п.9, дополнительно включающий стадии:
(v) подача возвратного потока хладагента в компрессор хладагента для создания сжатого потока хладагента;
(vi) охлаждение сжатого потока хладагента в холодильнике для создания охлажденного сжатого потока хладагента; и
(vii) разделение охлажденного сжатого потока хладагента в сепараторе, в результате чего образуется по меньшей мере один входящий поток хладагента.

11. Способ по п.10, в котором в результате разделения охлажденного сжатого потока хладагента на стадии (vii) дополнительно образуется второй входящий поток хладагента, причем этот способ включает следующие стадии:
(viii) охлаждение второго входящего потока хладагента в первом теплообменнике для создания охлажденного второго потока хладагента;
(ix) расширение охлажденного второго потока хладагента в детандере хладагента для создания расширенного второго потока хладагента;
(x) пропускание расширенного второго потока хладагента через клапан второго хладагента для создания второго потока хладагента; и
(xi) направление второго потока хладагента к третьему выходу первого теплообменника.

12. Способ по п.1, в котором по меньшей мере один возвратный поток хладагента выводят из первого теплообменника в виде газообразного хладагента и который включает:
- сжатие газообразного хладагента с получением сжатого потока хладагента;
- частичную конденсацию сжатого потока хладагента с получением охлажденного сжатого потока хладагента;
- подачу охлажденного сжатого потока хладагента в газожидкостной сепаратор;
- разделение охлажденного сжатого потока хладагента на поток тяжелого смешанного хладагента в жидкой форме и головной поток легкого смешанного хладагента в парообразной форме,
причем по меньшей мере один поток хладагента представляет собой указанный поток тяжелого смешанного хладагента.

13. Способ по любому из пп.1-12, в котором углеводородный поток представляет собой поток природного газа и охлажденный углеводородный поток представляет собой поток сжиженного природного газа (СПГ).

14. Устройство для управления теплообменником, включающее в себя по меньшей мере:
- первый теплообменник, имеющий первый вход для углеводородного потока и первый выход для охлажденного углеводородного потока, по меньшей мере второй вход для по меньшей мере одного потока хладагента и второй выход для возвратного потока хладагента;
- регулятор скорости потока хладагента для измерения сигнала, пропорционального скорости потока хладагента, для по меньшей мере одного потока хладагента для создания сигнала скорости потока хладагента, который передается на высокоуровневый селектор, причем указанный регулятор скорости потока хладагента управляет клапаном, регулирующим скорость потока хладагента;
- регулятор скорости охлажденного углеводородного потока для измерения сигнала, пропорционального скорости охлажденного углеводородного потока для создания сигнала скорости охлажденного углеводородного потока, который передается на низкоуровневый селектор, причем указанный регулятор скорости охлажденного углеводородного потока управляет клапаном, регулирующим скорость охлажденного углеводородного потока;
- задатчик скорости потока для ввода заданного значения для создания сигнала заданного значения, который передается на низкоуровневый селектор и на высокоуровневый селектор;
- низкоуровневый селектор, передающий наиболее низкий сигнал заданного значения и сигнал скорости углеводородного потока на регулятор скорости потока хладагента; и
- высокоуровневый селектор, передающий наиболее высокий сигнал заданного значения и сигнал скорости потока хладагента на регулятор скорости углеводородного потока.

15. Устройство по п.14, дополнительно включающее:
- третий вход для второго потока хладагента в первом теплообменнике;
- регулятор скорости второго потока хладагента, который управляет клапаном, регулирующим скорость второго потока хладагента; и
- регулятор хладагента, который принимает наиболее низкий сигнал заданного значения и сигнал скорости охлажденного углеводородного потока от низкоуровневого селектора и подстраивает скорость второго потока хладагента относительно скорости потока хладагента путем передачи сигнала регулятора хладагента на регулятор скорости второго потока хладагента.