СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОХЛАЖДЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F25J1/02 

Область техники, к которой относится изобретение

В настоящем изобретении разработан способ получения охлажденного углеводородного потока, который включает охлаждение углеводородного потока. Кроме того, настоящее изобретение относится к устройству для получения охлажденного углеводородного потока из углеводородного потока.

Уровень техники

Обычный углеводородный поток, который подлежит охлаждению, представляет собой поток природного газа. Указанный поток природного газа может быть охлажден до такой степени, что газ сжижается, и в этом случае обычно употребляется термин -Сжиженный природный газ (СПГ).

Сжижение природного газа является желательным по ряду причин. В качестве примера, природный газ в виде жидкости можно легче хранить и транспортировать на большие расстояния, чем в газообразном состоянии, поскольку жидкость имеет меньший объем, и для ее хранения нет необходимости в высоком давлении. Указанный сжиженный природный газ можно хранить при атмосферном давлении, если поддерживается криогенная температура, например, -160°С или ниже.

В патенте США №6370910 раскрыт способ сжижения потока, обогащенного метаном. Поток природного газа поступает в промывную колонну, в которой удаляются более тяжелые углеводороды для того, чтобы получить газообразный верхний поток. Этот газообразный верхний поток из промывной колонны частично конденсируется во вспомогательном теплообменнике (предварительное охлаждение). Затем поток конденсата удаляется из частично конденсированного верхнего газообразного потока, чтобы получить поток, обогащенный метаном. Затем поток, обогащенный метаном, сжижается в трубе, расположенной в основном теплообменнике, за счет косвенного теплообмена с многокомпонентным хладагентом, который испаряется при низком давлении в межтрубной зоне основного теплообменника.

Многокомпонентный хладагент может быть выведен из межтрубной зоны основного теплообменника и подвергнут сжатию. Затем сжатый многокомпонентный хладагент может частично конденсироваться при повышенном давлении хладагента в трубе, расположенной во вспомогательном (предварительное охлаждение) теплообменнике за счет косвенного теплообмена с вспомогательным (предварительное охлаждение) многокомпонентным хладагентом, испаряющимся при низком давлении в межтрубной зоне вспомогательного теплообменника. Затем частично конденсированный многокомпонентный хладагент может возвращаться в основной теплообменник.

В патенте США №6370910 раскрыт вариант осуществления, в котором стадия частичной конденсации сжатого многокомпонентного хладагента включает в себя охлаждение хладагента при повышенном давлении в трубе, расположенной в первом вспомогательном теплообменнике, за счет косвенного теплообмена со вспомогательным многокомпонентным хладагентом, испаряющимся при промежуточном давлении в межтрубной зоне первого вспомогательного теплообменника. Затем многокомпонентный хладагент дополнительно охлаждается в трубе, расположенной во втором вспомогательном теплообменнике за счет косвенного теплообмена со вспомогательным многокомпонентным хладагентом, испаряющимся при низком давлении, в межтрубной зоне второго вспомогательного теплообменника.

Одной проблемой, связанной с процессом сжижения патента США 6370910, является возможность оптимального регулирования, особенно в связи со стыковкой, обеспечивающей эксплуатацию двух вспомогательных теплообменников при различных давлениях вспомогательного многокомпонентного хладагента. Существует множество переменных процесса, которые можно подбирать или регулировать, с целью регулирования процессов охлаждения во вспомогательных теплообменниках.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении разработан способ получения охлажденного углеводородного потока, который включает охлаждение углеводородного потока. Указанный способ включает в себя, по меньшей мере, стадии:

(a) охлаждение первого потока и сжатого потока первого хладагента в первом контуре хладагента, который включает в себя первый смешанный хладагент, первым расширенным потоком первого хладагента в первом теплообменнике при первом уровне давления, чтобы получить охлажденный первый поток, первый охлажденный поток первого хладагента и первый нагретый поток первого хладагента;

(b) расширение первой части первого охлажденного потока первого хладагента в первом расширительном устройстве, чтобы получить первый расширенный поток первого хладагента;

(c) охлаждение одного или нескольких вторых потоков, и второй части первого охлажденного потока первого хладагента вторым расширенным потоком первого хладагента во втором теплообменнике, чтобы получить один или несколько охлажденных вторых потоков, дополнительно охлажденный поток первого хладагента, и второй нагретый поток первого хладагента, причем один или несколько вторых потоков включает в себя по меньшей мере охлажденный первый поток или произведенный из него зависимый поток, в результате чего углеводородный поток входит в состав одного или нескольких вторых потоков для того, чтобы получить, по меньшей мере, охлажденный углеводородный поток;

(d) расширение, по меньшей мере, первой части дополнительно охлажденного потока первого хладагента во втором расширительном устройстве, чтобы получить второй расширенный поток первого хладагента, причем указанный второй расширенный поток первого хладагента находится при меньшем давлении, чем указанный первый расширенный поток первого хладагента, и

(e) сжатие газообразных фракций первого нагретого потока первого хладагента и второго нагретого потока первого хладагента в первом компрессоре и последующее охлаждение сжатого потока из первого компрессора, чтобы получить сжатый поток первого хладагента; при этом способ дополнительно включает в себя регулирование стадий от (а) до (е) с использованием усовершенствованного регулятора технологического процесса на основе прогнозирующей модели регулирования с целью определения одновременных управляющих воздействий для ряда манипулируемых переменных с целью оптимизации, по меньшей мере, одного из набора параметров, подлежащих оптимизации, при регулировании, по меньшей мере, одного из набора контролируемых переменных, где набор манипулируемых переменных включает в себя:

- состав производственного запаса первого смешанного хладагента в первом контуре хладагента,

- настройку первого расширительного устройства, и

- настройку второго расширительно устройства, где набор контролируемых переменных включает:

- температуру, по меньшей мере, одного из одного или нескольких охлажденных вторых потоков,

- разность температур между первым нагретым потоком первого хладагента и, по меньшей мере, одним из: (i) сжатым потоком первого хладагента и (ii) первым потоком,

- разность температур между вторым нагретым потоком первого хладагента и, по меньшей мере, одним из: (i) второй частью первого охлажденного потока первого хладагента и (ii) одним из одного или нескольких вторых потоков в виде охлажденного первого потока и/или зависимого потока, произведенного из охлажденного первого потока,

- по меньшей мере, одну из переменных: (i) разность температур между первым охлажденным потоком первого хладагента и первым расширенным потоком первого хладагента и (ii) разность температур между дополнительно охлажденным потоком первого хладагента и вторым расширенным потоком первого хладагента, и

- энергию, потребляемую первым компрессором;

и где набор параметров, подлежащих оптимизации, включает в себя производительность охлажденного углеводородного потока и/или эффективность охлаждения первого контура хладагента.

В дополнительном аспекте, в изобретении разработано устройство для получения охлажденного углеводородного потока из углеводородного потока, которое содержит:

- первый контур хладагента, включающий производственный запас первого смешанного хладагента; первое расширительное устройство; второе расширительное устройство; первый компрессор и один или несколько первых охлаждающих аппаратов для того, чтобы охладить сжатый поток из первого компрессора, и таким образом, получить сжатый поток первого хладагента;

- первый теплообменник, приспособленный для охлаждения первого потока и сжатого потока первого хладагента, первым расширенным потоком первого хладагента при первом уровне давления, чтобы получить охлажденный первый поток, первый охлажденный поток первого хладагента и первый нагретый поток первого хладагента, причем первое расширительное устройство приспособлено для приема первой части первого охлажденного потока первого хладагента и получения первого расширенного потока первого хладагента;

- второй теплообменник, приспособленный для охлаждения одного или нескольких вторых потоков и второй части первого охлажденного потока первого хладагента, вторым расширенным потоком первого хладагента, чтобы получить один или несколько охлажденных вторых потоков, дополнительно охлажденный поток первого хладагента и второй нагретый поток первого хладагента, причем второе расширительное устройство приспособлено для приема, по меньшей мере, первой части дополнительно охлажденного потока первого хладагента, чтобы получить второй расширенный поток первого хладагента, при этом указанный второй расширенный поток первого хладагента находится при меньшем давлении, чем указанный первый расширенный поток первого хладагента, указанный один или несколько вторых потоков, включает в себя, по меньшей мере, охлажденный первый поток или произведенный из него зависимый поток, в результате чего углеводородный поток входит в состав одного или нескольких вторых потоков для того, чтобы получить, по меньшей мере, охлажденный углеводородный поток;

- первый компрессор, приспособленный для сжатия газообразных фракций первого нагретого потока первого хладагента и второго нагретого потока первого хладагента;

- усовершенствованный регулятор технологического процесса, включающий выполняемую компьютером программу регулирования на основе прогнозирующей модели для того, чтобы определить одновременные управляющие воздействия для набора манипулируемых переменных с целью оптимизации, по меньшей мере, одного из набора параметров, подлежащих оптимизации, при регулировании, по меньшей мере, одного из набора контролируемых переменных, где набор манипулируемых переменных включает в себя:

- состав производственного запаса первого смешанного хладагента в первом контуре хладагента,

- настройку первого расширительного устройства, и

- настройку второго расширительного устройства,

при этом набор контролируемых переменных включает:

- температуру, по меньшей мере, одного из одного или нескольких охлажденных вторых потоков,

- разность температур между первым нагретым потоком первого хладагента и, по меньшей мере, одним из: (i) сжатый поток первого хладагента и (ii) первый поток,

- разность температур между вторым нагретым потоком первого хладагента и, по меньшей мере, одним из: (i) вторая часть первого охлажденного потока первого хладагента и (ii) один из одного или нескольких вторых потоков в виде охлажденного первого потока и/или зависимого потока, произведенного из охлажденного первого потока,

- по меньшей мере, одну из переменных: (i) разность температур между первым охлажденным потоком первого хладагента и первым расширенным потоком первого хладагента и (ii) разность температур между дополнительно охлажденным потоком первого хладагента и вторым расширенным потоком первого хладагента; и

- энергию, потребляемую первым компрессором;

и где набор параметров, подлежащих оптимизации, включает производительность охлажденного углеводородного потока и/или эффективность охлаждения первого контура хладагента.

Эффективность охлаждения может быть определена как энергия, потребляемая первым компрессором, отнесенная к массе охлажденного углеводородного потока, произведенного в единицу времени.

Краткое описание чертежей

Теперь будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения только с помощью примеров, со ссылкой на сопроводительные не ограничивающие чертежи, в которых:

на фигуре 1 показана технологическая схема способа и устройства для охлаждения углеводородного потока согласно первому варианту изобретения; и

на фигуре 2 показана технологическая схема способа и устройства для охлаждения и сжижения углеводородного потока согласно второму варианту изобретения.

Осуществление изобретения

В рамках приведенного описания будут присвоены единые номера позиций для трубопроводов, а также для потоков, транспортируемых в указанных трубопроводах. Одинаковые номера позиций, используемые в различных фигурах, относятся к аналогичным трубопроводам и потокам.

Когда упоминаются термины "низкое давление"; "промежуточное давление" и "высокое давление"; они означают относительный уровень давления по сравнению с другими уровнями давления в первом контуре хладагента, в указанной последовательности.

Используемый в описании термин "настройка" применяется для указания степени открывания устройства, такого как клапан. Термин "контроль регулируемой переменной" означает сохранение значения регулируемой переменной на заранее установленном уровне (уставка) или внутри заранее установленного диапазона (диапазон уставок). Используемый в описании термин "оптимизация параметра" относится к доведению до максимума или доведению до минимума значения параметра и поддержание параметра на заранее установленном уровне.

В раскрытых в изобретении способах и устройствах углеводородный пар охлаждается, предпочтительно как часть процесса сжижения углеводородов. Процесс охлаждения контролируется с использованием усовершенствованного регулятора технологического процесса на основе прогнозирующей модели регулирования, чтобы оптимизировать производительность охлажденного углеводородного потока и/или эффективность процесса охлаждения. Уставки расширительных устройств представляют собой манипулируемые переменные.

Манипулирование настройками расширительных устройств, которые подают первый смешанный хладагент в первый и второй теплообменники, позволяет оптимизировать способ охлаждения. За счет изменения настройки расширительного устройства можно регулировать изменение давления первого смешанного хладагента во всем расширительном устройстве. В свою очередь, это корректирует изменение температуры первого хладагента во всем расширительном устройстве, обеспечивая возможность манипулирования температурой, при которой первый и второй потоки охлаждаются расширенными потоками первого хладагента.

Прогнозирующая модель контроля или регулирования на основе прогнозирующей модели, по сути, является известной методикой, которая описана, например, в Perry′s Chemical Engineers′ Handbook, 7^th Edition (Перри. Справочник инженера-химика, 7-е издание) на стр. от 8-25 до 8-27. В патенте США №6272882 указанная модель используется в процессе сжижения газообразного, обогащенного метаном сырья, чтобы получить сжиженный продукт, причем в качестве манипулируемых переменных используются величины удельного массового расхода фракций хладагента и потока, подлежащего охлаждению. Разность температур на теплом краю и в средней точке основного теплообменника в качестве контролируемых переменных позволяют оптимизировать производство сжиженного продукта.

Патент США №6272882, главным образом, относится к эксплуатации основного теплообменника, а не к теплообменнику (теплообменникам) предварительного охлаждения. Применение усовершенствованных принципов технологического контроля, раскрытых в патенте США №6272882, в котором используются различные составы и скорости потоков легких и тяжелых фракций смешанных хладагентов при одном уровне давления, невозможно для контроля смешанных хладагентов при различных уровнях давления, как в случае настоящего изобретения.

В частности, в патенте США №6272882 в качестве манипулируемых переменных используются удельные массовые расходы легкой и тяжелой фракций смешанных хладагентов. Применение указанного приема для охлаждения первого и второго потоков в настоящем изобретении могло бы привести к манипулированию массовым расходом первого смешанного хладагента. Было установлено, что манипулирование массовым расходом первого смешанного хладагента не обеспечивает приемлемой оптимизации при получении охлажденного углеводородного потока. В способе настоящего изобретения применяется скорее регулирование разности температуры в поперечнике, по меньшей мере, одного из первого и второго расширительных устройств, чем контроль массовых расходов потоков хладагента.

Преимуществом настоящего изобретения является легкость, с которой кривая охлаждения первого смешанного хладагента может быть согласована с кривыми охлаждения первого и второго потоков. В патенте США №6272882 рекомендуется использовать две композиции смешанного хладагента, а именно легкую газообразную и тяжелую жидкую фракцию, состав которых регулируется путем выделения частично конденсированного потока хладагента в разделяющем резервуаре. Однако изменение всего состава такого смешанного хладагента с целью модифицирования отдельных композиций легких и тяжелых фракций хладагента является трудным и длительным процессом.

В противоположность этому, в настоящем изобретении можно изменить кривую охлаждения первого смешанного хладагента за счет регулирования разности температур первого смешанного хладагента. Кривая охлаждения отдельной композиции смешанного хладагента может быть оптимизирована, чтобы точно соответствовать кривой охлаждения первого и второго потоков.

На фигуре 1 показан первый вариант устройства 1 для осуществления способа охлаждения углеводородного потока 50, чтобы получить охлажденный второй поток в виде охлажденного углеводородного потока 60. Указанное устройство включает в себя первый контур 100 хладагента, который содержит производственный запас первого смешанного хладагента. Первый контур 100 хладагента включает первый компрессор 105 и один или несколько первых охлаждающих аппаратов от 115а до 115с, чтобы охлаждать сжатый поток 110, выходящий из первого компрессора 105. Поток, выходящий из последнего из первых охлаждающих аппаратов (здесь: 115с), представляет собой сжатый поток 120 первого хладагента.

Кроме того, устройство на фигуре 1 содержит первый теплообменник 125. Указанный первый теплообменник 125 приспособлен для охлаждения первого потока (например, в форме потока 220 второго хладагента), а также сжатого потока 120 первого хладагента, причем каждый поток находится на трубной стороне 221 и 121 соответственно. Охлаждающая среда образуется за счет первого расширенного потока 140 первого хладагента в межтрубной зоне первого теплообменника 125. На холодном конце первого теплообменника 125 расположены выходные патрубки для получения, по меньшей мере, одного охлажденного первого потока, например, в форме охлажденного потока 230 второго хладагента, и первого охлажденного потока 130 первого хладагента 130. На теплом краю или вблизи него расположен выходной патрубок для первого нагретого потока 150 первого хладагента. Первое расширительное устройство 135 приспособлено для приема первой части 130а первого охлажденного потока 130 первого хладагента и для получения первого расширенного потока 140 первого хладагента, подаваемого в межтрубную зону первого теплообменника 125.

Кроме того, указанное устройство содержит второй теплообменник 145, приспособленный для того, чтобы охлаждать охлажденный первый поток, который может быть охлажденным потоком 230 второго хладагента, углеводородный поток 50 и вторую часть 130b первого охлажденного потока 130 первого хладагента, причем каждый поток находится на трубной стороне 231, 51 и 131 соответственно. Охлаждающая среда образуется за счет второго расширенного потока 170 первого хладагента в межтрубной зоне второго теплообменника 145. На холодном конце второго теплообменника 145 расположены выходные патрубки, чтобы получить, по меньшей мере, охлажденный углеводородный поток 60, дополнительно охлажденный первый поток (например, в форме дополнительно охлажденного потока 240 второго основного хладагента), и дополнительно охлажденный поток 160 первого хладагента. На теплом краю или вблизи него находится выходной патрубок для второго нагретого потока 180 первого хладагента. Второе расширительное устройство 165 приспособлено для приема, по меньшей мере, первой части дополнительно охлажденного потока 160 первого хладагента и для получения второго расширенного потока 170 первого хладагента, подаваемого в межтрубную зону второго теплообменника 145.

Компрессор 105 приспособлен для сжатия газообразных фракций первого нагретого потока 150 первого хладагента и второго нагретого потока 180 первого хладагента. В компрессоре имеется входной патрубок всасывающей линии низкого давления, приспособленный для приема газообразной фракции 180′ второго нагретого потока 180 первого хладагента и входной патрубок всасывающей линии промежуточного давления, приспособленный для приема газообразной фракции 150′ первого нагретого потока 150 первого хладагента. Альтернативно, можно использовать множество компрессоров.

Углеводородный поток 50 представляет собой первый из одного или нескольких вторых потоков, проходящих в один или несколько вторых теплообменников 145. Углеводородный поток 50 поступает в трубку 51 для углеводородного потока второго теплообменника 145, где поток охлаждается за счет косвенного теплообмена с первым смешанным хладагентом, испаряющимся при низком давлении в межтрубной зоне второго теплообменника 145. Предпочтительно, чтобы углеводородный поток 50 частично конденсировался во втором теплообменнике 145.

Охлажденный, предпочтительно частично конденсированный углеводород покидает второй теплообменник 145 в виде охлажденного углеводородного потока 60, который представляет собой охлажденный второй поток. Эксплуатация первого смешанного хладагента, который может быть предварительно охлажденным хладагентом в контуре хладагента предварительного охлаждения, более подробно обсуждается ниже.

Кроме того, технологическая схема на фигуре 1 раскрывает охлаждение дополнительного второго потока, например, в форме охлажденного потока 230 второго хладагента, и одного или нескольких первых потоков (например, содержащих поток 220 второго хладагента). Описанный в настоящем изобретении способ является особенно выгодным для охлаждения второго смешанного хладагента, который может быть использован при дополнительном охлаждении и предпочтительно для сжижения охлажденного углеводородного потока 60 на второй стадии охлаждения (не показана). Указанная вторая стадия охлаждения более подробно описана в связи с вариантом осуществления на фигуре 2.

Предпочтительно, второй смешанный хладагент является охлажденным, и более предпочтительно, частично конденсируется на двух стадиях. Указанный второй смешанный хладагент может проходить через один (или оба) из первых и вторых теплообменников 125,145 в первой стадии охлаждения.

Первый смешанный хладагент может проходить во второй теплообменник 125 как (первый) первый поток в форме потока 220 второго хладагента. В трубке 221 для второго хладагента в первом теплообменнике 125, второй (второй) смешанный хладагент охлаждается при повышенном давлении за счет косвенного теплообмена с первым смешанным хладагентом, испаряющимся при промежуточном давлении в межтрубной зоне первого теплообменника 125. Охлажденный второй смешанный хладагент покидает первый теплообменник 125 как охлажденный первый поток в форме охлажденного потока 230 второго хладагента.

Охлажденный поток 230 второго хладагента 230 может проходить во второй теплообменник 145 в виде (второго) второго потока 230. В трубке 231 для второго (второго) хладагента во втором теплообменнике 145, охлажденный поток второго смешанного хладагента дополнительно охлаждается, и предпочтительно, частично конденсируется при повышенном давлении за счет косвенного теплообмена с первым хладагентом, испаряющимся при низком давлении в межтрубной зоне второго теплообменника 145. Дополнительно охлажденный второй хладагент выходит из второго теплообменника 145 как (второй) охлажденный второй поток, который может находиться в форме дополнительно охлажденного потока 240 второго основного хладагента. Затем указанный дополнительно охлажденный поток 240 второго хладагента может проходить в основной теплообменник (не показан) для обеспечения охлаждения.

Вернемся к первому контуру хладагента, где первый смешанный хладагент, испарившийся при промежуточном давлении в межтрубной зоне первого теплообменника 125, выводится оттуда как первый нагретый поток 150 первого хладагента, приблизительно при промежуточном уровне давления. Первый нагретый поток 150 первого хладагента может проходить в первый каплеотбойник 155 для того, чтобы удалить жидкую фазу, до пропускания газообразных компонентов первого нагретого потока 150 первого хладагента в первый компрессор 105 в виде газообразного первого нагретого потока 150′ первого хладагента.

Первый компрессор 105 может быть двухступенчатым компрессором. Первый компрессор может быть предоставлен в форме одного или нескольких первых компрессоров (например, в последовательной конфигурации, где в одном из одного или нескольких первых компрессоров осуществляется одна или несколько ступеней сжатия, причем в следующем одном из одного или нескольких первых компрессоров осуществляется одна или несколько последующих ступеней сжатия; или в параллельной компоновке, где в каждом из параллельно расположенных компрессоров сжимается часть от общего газообразного, первого нагретого потока 150′ первого хладагента), которые вместе выполняют функцию первого компрессора. Первый компрессор 105 может быть приведен в действие первым двигателем D1, таким как газовая турбина, паровая турбина, электродвигатель или их комбинации. На второй ступени первого компрессора 105, смешанный газообразный, первый нагретый поток 150′ первого хладагента сжимается до повышенного давления, чтобы получить сжатый поток 110.

Теплота сжатия, по меньшей мере, вместе с частью тепла, поглощенного из первого и второго потоков (в качестве которых может быть использован любой из потоков 120, 50, 130b, 230) и сжатый поток 120 первого хладагента отводится с использованием одного или нескольких первых охлаждающих устройств 115, таких как аппараты 115а, 115b, охлаждаемые атмосферным воздухом, чтобы получить (первый) и (второй) охлажденные, сжатые потоки 114а, 114b первого хладагента соответственно. Большая часть теплосодержания, имеющегося в сжатом потоке 110, извлекается из потока 220 второго хладагента в виде первого потока и охлажденного потока 230 второго хладагента 230 - в виде второго потока.

Показано, что (второй) охлажденный, сжатый поток 114b первого хладагента поступает в накопитель 117 первого хладагента. Накопитель 117 первого хладагента также может быть запитан одним или несколькими компонентами свежеприготовленных потоков 116 первого хладагента. На фигуре 1 показан первый и второй компоненты свежеприготовленных потоков 116а, 116b первого хладагента, которые могут пополнять компоненты, которые были удалены (или просочились) из производственного запаса первого хладагента в первом контуре 100 хладагента. Избирательное добавление первого и второго компонентов могут изменить состав первого смешанного хладагента. С целью сохранения стабильного материального баланса первого смешанного хладагента в первом контуре хладагента, может быть предусмотрен дренажный поток первого хладагента. В качестве примера, в варианте осуществления, показанном на фигуре 1, первый хладагент может удаляться из (первого) охлажденного сжатого потока 114а первого хладагента в виде дренажного потока 119 первого хладагента. Это является предпочтительным, если желательно удалять как легкие, так и тяжелые компоненты из производственного запаса первого смешанного хладагента в первом контуре 100 хладагента.

В альтернативном варианте осуществления (не показан на фигуре 1), один или несколько дренажных потоков первого хладагента могут удаляться из накопителя 117 первого хладагента. Если дренажный поток первого хладагента представляет собой верхний поток из накопителя 117, то предпочтительно могут быть удалены легкие, парообразные компоненты первого смешанного хладагента. Если дренажный поток первого хладагента находится на дне (или вблизи дна) накопителя 117, то предпочтительно могут быть удалены тяжелые, жидкие компоненты первого смешанного хладагента. Таким образом, можно регулировать состав первого смешанного хладагента.

Первый смешанный хладагент может быть выведен из накопителя 117 первого хладагента в виде сырьевого потока 118 первого хладагента, который может быть охлажден в устройстве 115с охлаждения, таком как аппарат, охлаждаемый окружающим воздухом, чтобы получить сжатый поток 120 первого хладагента.

Сжатый поток 120 первого хладагента проходит в первый теплообменник 125 в виде (второго) первого потока. Сжатый поток 120 первого хладагента проходит через трубку 121 для (второго) первого потока в первом теплообменнике 125, в котором он охлаждается, чтобы получить первый охлажденный поток 130 первого хладагента.

Первый охлажденный поток 130 первого хладагента 130 разделяется на первую часть 130а и вторую часть 130b, например, с использованием делителя потока, такого как тройник, чтобы поддерживать состав первой и второй частей таким же, как состав первого охлажденного потока 130 первого хладагента. Первая часть 130а первого охлажденного потока 130 первого хладагента проходит через первое расширительное устройство 135, например, представляющее собой дроссель Джоуля-Томсона, к холодному концу межтрубной зоны первого теплообменника 125, в котором указанная часть может испариться при промежуточном уровне давления. Испаряющийся первый хладагент поглощает тепло из двух первых потоков (сжатый поток 120 первого хладагента и поток 220 второго хладагента), протекающих по трубкам 121 и 221.

Остальная часть первого охлажденного потока 130 первого хладагента, то есть вторая часть 130b первого охлажденного потока 130 первого хладагента, поступает во второй теплообменник 145. Вторая часть 130b проходит во вторую трубку 131 первого хладагента, расположенную во втором теплообменнике 145, в котором указанная часть охлаждается, с образованием дополнительно охлажденного потока 160 первого хладагента.

Дополнительно охлажденный поток 160 первого хладагента поступает во второе расширительное устройство 165, такое как дроссель Джоуля-Томсона, чтобы получить второй расширенный поток 170 первого хладагента. Второй расширенный поток 170 первого хладагента находится при меньшем давлении, чем первый расширенный поток 140 первого хладагента. Второй расширенный поток 170 первого хладагента проходит в холодный конец межтрубной зоны второго теплообменника 145, в котором этот поток может испариться при низком давлении. Испаряющийся первый хладагент поглощает тепло из вторых потоков (например, углеводородного потока 50 и/или охлажденного потока 230 второго хладагента), протекающих по трубкам 51 и 231, и из второй части 130b первого охлажденного потока 130 первого хладагента в трубке 131.

Испарившийся при низком давлении хладагента первый смешанный хладагент удаляется из межтрубной зоны второго теплообменника 145 в виде второго нагретого потока 180 первого хладагента. Второй нагретый поток 180 первого хладагента может проходить во второй каплеотбойник 185, с целью удаления жидкой фазы, до поступления газообразных компонентов второго нагретого потока 180 первого хладагента в первый компрессор 105, в форме газообразного второго нагретого потока 180′ первого хладагента. В двухступенчатом компрессоре 105 первый смешанный хладагент сжимается до повышенного давления, чтобы получить сжатый поток 110.

Вполне очевидно, что один или несколько первых охлаждающих аппаратов 115 могут быть аппаратами, охлаждаемыми водой, вместо аппаратов, охлаждаемых воздухом, и в случае необходимости, могут быть дополнены теплообменниками, в которых используется дополнительный хладагент. Первое и/или второе расширительные устройства 135, 165 могут быть заменены или дополнены турбодетандерами. Первый и второй теплообменники 125 и 145, соответственно, могут быть независимо выбраны из катушечных теплообменников или пластинчато-ребристыми теплообменниками, хотя приведенное выше описание сделано с конкретной ссылкой на катушечные теплообменники.

В альтернативном варианте осуществления углеводородный поток может быть охлажден как в первом, так и во втором теплообменниках. Например, на фигуре 2 описана технологическая схема, которая содержит два, то есть первый и второй, первых теплообменника 125а, 125b, причем оба работают при промежуточном давлении, и один второй теплообменник 145, эксплуатируемый при низком давлении.

Предусмотрен углеводородный поток 20 сырья, который поступает во второй первый теплообменник 125b, где поток охлаждается. Предпочтительно углеводородный поток 20 сырья подвергают предварительной обработке для того, чтобы удалить нежелательные компоненты, такие как кислые газы, которые ниже будут подробно рассмотрены. В предпочтительном варианте осуществления, второй первый теплообменник 125b может быть использован в качестве каплеотбойника для остатков воды, присутствующих в углеводородном потоке 20 сырья.

Углеводородный поток 20 сырья может находиться в трубе 21 для углеводородного потока первого теплообменника, где охлаждается первым смешанным хладагентом в межтрубной зоне второго первого теплообменника 125b при промежуточном уровне давления. Второй первый теплообменник 125b может быть котлообразным теплообменником, катушечным теплообменником или пластинчато-ребристым теплообменником, по желанию. Первый смешанный хладагент может испаряться, когда он охлаждает углеводородный поток 20 сырья, чтобы получить второй первый нагретый поток 150b первого хладагента, и охлажденный углеводородный поток 30 сырья в виде охлажденного первого потока.

Второй первый нагретый поток 150b первого хладагента обеспечивается за счет второго первого расширенного потока 140b первого хладагента, путем пропускания третьей части 130с первого охлажденного потока 130 первого хладагента через (второе) первое расширительное устройство 135b, такое как дроссель Джоуля-Томсона или турбодетандер.

Первый охлажденный поток 130 первого хладагента получается как первый охлажденный поток из другого теплообменника, в данном случае первого теплообменника 125а, который может быть катушечным теплообменником или пластинчато-ребристым теплообменником.

Первый первый теплообменник 125а охлаждает указанный первый поток (в виде потока 220 второго хладагента), а также сжатый поток 120 первого хладагента, таким же образом, как в варианте осуществления на фигуре 1.

Таким образом, в технологической схеме, показанной на фигуре 2, предусмотрены два первых потока: углеводородный поток 20 сырья и поток 220 второго хладагента, которые охлаждаются в отдельных первых теплообменниках 125а, 125b.

В этом случае, после охлаждения первый первый нагретый поток 150а первого хладагента получается в межтрубной зоне первого первого теплообменника 125а. Указанный поток может объединяться с (вторым) первым нагретым потоком 150b первого хладагента из второго первого теплообменника и поступать во входной всасывающий патрубок первого компрессора 105 на ступени промежуточного давления.

Первый компрессор 105 обеспечивает сжатый поток 110, который может проходить в один или несколько первых охлаждающих аппаратов 115, таких как аппараты, охлаждаемые окружающим воздухом или водой, в которых удаляется теплота сжатия, по меньшей мере, вместе с частью тепла, поглощенного из первого и второго потоков (например, потоков, представленных линиями 120, 50, 130b, 230), и происходит самоохлаждение первого смешанного хладагента. Первые охлаждающие аппараты 115 обеспечивают охлажденный сжатый поток 114 первого хладагента, который может проходить в первый накопитель 117. Состав производственного запаса первого смешанного хладагента может быть отрегулирован в первом накопителе 117 таким же образом, как в варианте осуществления на фигуре 1. Первый накопитель 117 обеспечивает получение сжатого потока 120 первого хладагента, поступающего в первый теплообменник 125а.

Обратимся к охлажденному углеводородному потоку 30 сырья, полученному с помощью второго первого теплообменника 125b, который может проходить в колонну 45 для извлечения газоконденсатных жидкостей (ГКЖ), такую как ректификационную колонну или промывную колонну, например, в виде колонны удаления метана, в которой получается жидкий поток остатков, такой как поток 40 газоконденсатных жидкостей внизу (или вблизи дна) колонны и верхний газообразный поток, который представляет собой углеводородный поток 50.

Углеводородный поток 50 охлаждается во втором теплообменнике 145 в виде второго потока, вместе с охлажденным потоком 230 второго хладагента, в виде дополнительного второго потока, и второй частью 130b первого охлажденного потока 130 первого хладагента таким же образом, как в варианте осуществления на фигуре 1.

Охлажденный углеводородный поток 60, который представляет собой охлажденный второй поток, полученный во втором теплообменнике 145, может проходить в первый сепаратор 65. В первом сепараторе 65 получается фракция охлажденного углеводородного потока 60 в виде верхнего потока 70, обогащенного метаном, и нижнего потока 80, обедненного метаном. Указанный нижний поток 80, обедненный метаном, может проходить в колонну 45 извлечения ГКЖ в виде потока флегмы. Нижний поток 80, обедненный метаном, может подаваться сначала в первый резервуар-каплеотбойник флегмы (не показан), чтобы удалить газообразную фракцию. Затем жидкая часть нижнего потока, обедненного метаном, может быть сжата с помощью насоса 75 для потока флегмы, чтобы получить (сжатый) нижний поток 80а, обедненный метаном, который может быть подан в колонну 45 для извлечения ГКЖ под давлением, равным (или слегка выше) рабочему давлению колонны.

Нижний поток 80, обедненный метаном, может возвращаться в верхнюю часть ректификационной колонны 45. За счет охлаждения охлажденного углеводородного потока 50 во втором теплообменнике 145, до разделения в первом сепараторе 65, может быть получен поток флегмы при пониженной температуре, по сравнению с технологической схемой, где не проводится указанное предварительное охлаждение. Температура этой флегмы определяет верхний диапазон температур охлажденного углеводородного потока 60, подаваемого в колонну 45 извлечения ГКЖ. Это позволяет повысить эффективность процесса, поскольку поток 50, обогащенный метаном и выведенный вверху колонны 45 для извлечения ГКЖ, может быть охлажден, причем предпочтительно указанный поток частично конденсируется, при существенно пониженной температуре. В результате температура на холодном конце второго теплообменника 145 может быть существенно снижена. Таким образом, температура, до которой охлаждается первый смешанный хладагент, значительно снижается, что приводит к меньшей скорости циркуляции хладагента.

Затем обогащенный метаном поток 70 может поступать в один или несколько основных теплообменников 85, в которых указанный поток может быть охлажден, при этом он частично, предпочтительно полностью, сжижается в трубке 71 для потока, обогащенного метаном основного теплообменника, за счет теплообмена с вторым хладагентом в межтрубной зоне основного теплообменника 85. Эксплуатация второго хладагента, который может быть вторым смешанным хладагентом во втором контуре хладагента, известна для специалистов в этой области техники. Пример эксплуатации второго хладагента можно найти в патенте США №6370910.

Основной теплообменник 85 может представлять собой основной криогенный теплообменник. В основном теплообменнике 85 получается, по меньшей мере, частично, предпочтительно полностью сжиженный поток в форме частично, предпочтительно полностью сжиженного углеводородного потока 90.

Давление указанного, по меньшей мере, частично, предпочтительно полностью сжиженного углеводородного потока 90 может быть снижено в концевом устройстве 87 мгновенного расширения, таком как дроссель Джоуля - Томсона и/или детандер, чтобы получить расширенный углеводородный поток 91.

Указанный расширенный углеводородный поток 91 может проходить в концевом резервуаре 95 разделения быстрым испарением, чтобы получить поток 97 концевого испарения и поток 99 сжиженного углеводородного продукта.

В предпочтительном варианте осуществления, когда углеводородный поток 20 сырья представляет собой поток природного газа, поток 99 сжиженного углеводородного продукта может быть потоком СПГ.

Описанные в изобретении способы и устройства охлаждения контролируются с использованием усовершенствованного регулятора технологического процесса. Применяемая в регуляторе модель основана на прогнозирующей модели регулирования с целью определения одновременных управляющих воздействий для ряда манипулируемых переменных с целью оптимизации, по меньшей мере, одного из набора параметров, подлежащих оптимизации, при регулировании, по меньшей мере, одного или набора контролируемых переменных.

Набор манипулируемых переменных включает в себя:

- состав производственного запаса первого смешанного хладагента в первом контуре 100 хладагента,

- настройка первого расширительного устройства 135, и

- настройка второго расширительно устройства 165.

Из первого и второго расширительных устройств 135, 165 усовершенствованный регулятор технологического процесса целесообразно может придавать больший статистический вес устройству, в котором имеется самое меньшее изменение давления в поперечнике, поскольку это обеспечивает наиболее значительное снижение температуры первого смешанного хладагента.

Настройка первого и второго расширительных устройств 135, 165 может изменяться за счет исполнительного механизма, работающего под действием управляющего сигнала от усовершенствованного регулятора технологического процесса. Кроме того, такой регулятор может выдавать команду исполнительным механизмам на одном или нескольких из: первого дренажного потока и одного или нескольких первых свежеприготовленных потоков компонента хладагента, путем управляющего сигнала, чтобы отрегулировать состав производственного запаса первого смешанного хладагента в первом контуре 100 хладагента.

Как рассмотрено выше, любое манипулирование состава производственного запаса первого смешанного хладагента может быть осуществлено с использованием первого накопителя 117 хладагента. Однако важно отметить, что, хотя состав производственного запаса первого смешанного хладагента в первом контуре 100 хладагента может изменяться, состав первого смешанного хладагента в сжатом потоке 120 первого хладагента и одного, или предпочтительно обоих, первого нагретого потока 150 первого хладагента и второго нагретого потока 180 первого хладагента является идентичным. Предпочтительно состав потока первого хладагента, проходящего через первое расширительное устройство 135, является идентичным составу потока первого хладагента, проходящего через второе расширительное устройство 165.

Набор контролируемых переменных включает одну или несколько из группы:

- температура, по меньшей мере, одного из одного или нескольких охлажденных вторых потоков (например, в форме охлажденного углеводородного потока 60 и/или дополнительно охлажденного потока 240 второго основного хладагента), предпочтительно температура охлажденного углеводородного потока 60,

- разность температур между первым нагретым потоком 150 первого хладагента и, по меньшей мере, одним из: (i) сжатым потоком 120 первого хладагента 120 и (ii) первым потоком (например, в форме углеводородного потока 20 сырья и/или потока 220 второго хладагента),

- разность температур между вторым нагретым потоком 180 первого хладагента и, по меньшей мере, одним из: (i) второй частью 130b первого охлажденного потока 130 первого хладагента и (ii) одним из одного или нескольких вторых потоков (например, в форме любого из потоков 30, 50, 230) в виде охлажденного первого потока (охлажденный углеводородный поток 30 сырья и/или охлажденный поток 230 второго хладагента) и/или потока, произведенного из охлажденного первого потока 30, который будет называться «зависимый поток»,

- по меньшей мере, один параметр из: (i) разность температур между первым охлажденным потоком 130 первого хладагента и первым расширенным потоком 140 первого хладагента и (ii) разность температур между дополнительно охлажденным потоком 160 первого хладагента и вторым расширенным потоком 170 первого хладагента, и

- энергия, потребляемая одним или несколькими первыми компрессорами 105. Поиск приведенных выше второй и третьей регулируемых переменных проводится с целью определения изменения температуры между нагретым первым хладагентом, покидающим первый или второй теплообменник и, по меньшей мере, одним из потоков, поступающих на теплый край указанного теплообменника.

Относительно указанной выше второй регулируемой переменной, определяется разность между температурой первого нагретого потока 150 первого хладагента и температурой, по меньшей мере, одного из потоков на теплом краю первого теплообменника 125. Указанный поток на теплом краю первого теплообменника 125 может быть выбран из группы, состоящей из первого потока и сжатого потока 120 первого хладагента. Предпочтительно первый поток может быть выбран из группы, состоящей из углеводородного потока 20 сырья (что обсуждалось в связи с фигурой 2) и потока 220 второго хладагента во втором контуре хладагента (не показаны). Предпочтительно, чтобы комбинации потоков, обусловливающей наименьшую разность температур, придавался относительно больший статистический вес в качестве регулируемой переменной.

Относительно указанной выше третьей регулируемой переменной, определяется разность между температурой второго нагретого потока 180 первого хладагента и температурой, по меньшей мере, одного из потоков на теплом краю второго теплообменника 145. Указанный поток на теплом краю второго теплообменника 145 может быть выбран из группы, состоящей из второй части 130b первого охлажденного потока 130 первого хладагента и одного или нескольких вторых потоков (в качестве которых может быть использован один или несколько из потоков 30, 50, 230) в форме охлажденного первого потока 30, 230 и/или зависимого потока, произведенного из охлажденного первого потока. Предпочтительно, чтобы разности температур комбинации потоков, обусловливающей наименьшую разность температур, придавался относительно больший статистический вес в качестве регулируемой переменной.

Значения температуры и разности температур, которые требуются для определения первых четырех регулируемых переменных, приведенных выше, могут измеряться датчиками температуры, регистрирующими температуру в соответствующих потоках. Сигнал от датчиков температуры может передаваться в усовершенствованный регулятор технологического процесса, который осуществляет описанный выше способ регулирования. В ответ на сигналы датчиков температуры, управляющие сигналы могут быть переданы, например, исполнительным механизмам для расширительных устройств и/или потоков дренажа первого хладагента и свежеприготовленных компонентов, с целью изменения одной или нескольких из регулируемых переменных. Аналогично, энергия, потребляемая первым компрессором (компрессорами), может быть измерена датчиками в компрессоре (компрессорах) или в соответствующем двигателе (двигателях) первого компрессора, и сигналы передаются в усовершенствованный регулятор технологического процесса.

Набор параметров, подлежащих оптимизации, включает в себя производительность охлажденного углеводородного потока и/или эффективность охлаждения первого контура хладагента.

Производительность охлажденного углеводородного потока можно определить путем измерения массового расхода, или связанной с ним характеристики, например, с использованием датчика расхода. Эффективность охлаждения первого контура хладагента можно рассчитать с использованием известных приемов на основе энергии, потребляемой первыми компрессорами, в расчете на массу охлажденного углеводородного потока 60, произведенного в единицу времени.

Важной характеристикой прогнозирующей модели регулирования является тот факт, что характер будущих изменений прогнозируется с использованием модели и доступных измерений контролируемых переменных. Как дополнительно описано в 7-м издании Справочника инженера-химика (Perry′s Chemical Engineers′ Handbook) на с. от 8-25 до 8-27, описание которого включено в изобретение как ссылка, выходные сигналы устройства управления рассчитываются таким образом, чтобы оптимизировать эксплуатационный показатель, который может быть линейной или квадратичной функцией прогнозируемых ошибок и рассчитанных будущих управляющих перемещений. В каждый момент измерения повторяются регулирующие вычисления и прогнозы, скорректированные на основе текущих измерений. Подходящей является такая модель, которая включает в себя набор эмпирических моделей постадийного отклика, отражающих воздействие постадийного отклика манипулируемой переменной на контролируемые переменные.

Оптимальное значение параметра, подлежащего оптимизации, может быть получено из отдельной стадии оптимизации, или переменная, подлежащая оптимизации, может быть включена в характеристическую функцию.

До того, как прогнозирующая модель регулирования может быть использована, сначала определяется влияние ступенчатых изменений манипулируемых переменных на переменную, подлежащую оптимизации, и на контролируемые переменные. В этой процедуре получают набор коэффициентов ступенчатого отклика. Указанный набор коэффициентов ступенчатого отклика является основой прогнозирующей модели регулирования процесса охлаждения.

В ходе обычной эксплуатации прогнозируемые значения контролируемых переменных регулярно рассчитываются для ряда последующих управляющих перемещений. Затем может быть рассчитан эксплуатационный показатель для указанных последующих управляющих перемещений. Эксплуатационный показатель может включать два выражения, из которых первое представляет собой сумму прогнозируемых ошибок всех последующих управляющих перемещений для каждого управляющего перемещения, и второе выражение представляет собой сумму всех последующих управляющих перемещений для изменения манипулируемых переменных для каждого управляющего перемещения.

Для каждой регулируемой переменной прогнозируемая ошибка представляет собой разность между прогнозируемым значением регулируемой переменной и стандартным значением регулируемой переменной. Величины прогнозируемых ошибок умножаются на весовой коэффициент, и изменения манипулируемых переменных для управляющего перемещения умножаются на коэффициент подавления перемещения. В таком случае эксплуатационный показатель был бы линейным. Альтернативно, указанные выражения могут быть суммой квадратных членов, и в этом случае эксплуатационный показатель является квадратным.

Могут быть установлены ограничения на регулируемые переменные, изменение манипулируемых переменных и на контролируемые переменные. Это приводит к отдельному набору уравнений, которые решаются одновременно с минимизацией эксплуатационного показателя.

Когда оптимизация выполняется отдельно, то параметры, подлежащие оптимизации, вводятся в качестве контролируемых переменных в прогнозируемую ошибку для каждого управляющего перемещения, причем оптимизация дает стандартное значение для контролируемых переменных.

Альтернативно, оптимизация выполняется в рамках расчета эксплуатационного показателя, и при этом получается третье слагаемое в эксплуатационном показателе с соответствующим весовым коэффициентом. В этом случае, стандартные значения контролируемых переменных представляют собой заранее установленные значения для стационарного состояния, которые остаются постоянными.

Эксплуатационный показатель минимизируется с учетом указанных ограничений, чтобы получить величины манипулируемых переменных для последующих управляющих перемещений. Однако выполняется только следующее управляющее перемещение. Затем снова начинается вычисление эксплуатационного показателя для последующих управляющих перемещений.

Модели вместе с коэффициентами ступенчатого отклика и уравнения для модели прогнозирующего регулирования могут представлять собой часть компьютерной программы, которая выполняется с целью управления процессом охлаждения. Компьютер, снабженный указанной программой, который может осуществлять контроль с помощью прогнозирующей модели, называется усовершенствованным регулятором технологического процесса. Пакеты базовых программ, в которых отсутствуют конкретная прогнозирующая модель регулирования, описанная в изобретении, являются промышленно доступными и могут быть известны специалистам в этой области техники.

Описанные в изобретении способы и устройства извлекают пользу из выгодного подбора наборов манипулируемых и контролируемых переменных.

Например, в одном варианте осуществления, когда первый смешанный хладагент содержит, по меньшей мере, метан, этан и пропан, манипулируемая переменная, которая включает в себя композицию производственного запаса первого смешанного хладагента в первом контуре 100 хладагента, может включать манипулирование одной или несколькими величинами содержания метана, этана и пропана в первом производственном запасе хладагента.

Способы и устройства, описанные в изобретении, могут быть использованы для сжижения любого углеводородного потока, однако предполагается, что они будут особенно применимы при сжижении природного газа, с целью получения сжиженного природного газа (СПГ).

Таким образом, углеводородный поток может быть любым подходящим газовым потоком, который может подвергаться охлаждению и при необходимости сжижению, но целесообразно представляет собой поток природного газа, добытый из пластов природного газа или нефтеносных пластов. Кроме того, в качестве альтернативы, поток природного газа может быть получен из другого источника, также включающего синтетический источник, такой как синтез Фишера-Тропша.

Обычно поток природного газа представляет собой углеводородную композицию, содержащую, главным образом, метан. Предпочтительно поток углеводородного сырья содержит, по меньшей мере, 50 мол.% метана, более предпочтительно, по меньшей мере, 80 мол.% метана.

Углеводородные композиции, такие как природный газ, также могут содержать неуглеводородные компоненты, такие как H₂O, N₂, СO₂, Hg, H₂S и другие сернистые соединения, и тому подобное. Если это желательно, то природный газ подвергнут предварительной обработке до охлаждения и любого сжижения. Эта предварительная обработка может включать в себя уменьшение содержания и/или удаление нежелательных компонентов, таких как СО₂ и H₂S, или другие стадии, такие как начальное охлаждение, предварительное или тому подобное. Поскольку эти стадии хорошо известны специалистам в этой области техники, механизмы указанных стадий дополнительно не обсуждаются в изобретении.

Таким образом, термин "углеводородный поток" также может включать композицию до любой обработки, причем указанная обработка включает в себя очистку, обезвоживание и/или промывку, а также любую композицию, которая частично, в значительной степени или полностью обработана для уменьшения содержания и/или удаления одного или нескольких компонентов или соединений, включая (без ограничений) серу, сернистые соединения, диоксид углерода, воду, Hg, и один или несколько высших углеводородов C₂+.

В зависимости от источника, природный газ может содержать различные количества углеводородов, более тяжелых, чем метан, такие как, в частности, этан, пропан и бутаны, и возможно, в меньшем количестве - пентаны и ароматические углеводороды. Состав газа изменяется в зависимости от типа и месторождения природного газа.

Традиционно углеводороды, более тяжелые, чем бутан, удаляются с максимально возможной эффективностью из углеводородного потока до любого существенного охлаждения по нескольким причинам, таким как различные температуры вымораживания или сжижения этих углеводородов, что может вызвать блокирование узлов установки сжижения метана. Углеводороды С₂+ могут быть выделены из потока углеводородного сырья, или их содержание снижается с помощью колонны удаления метана, в которой будет получаться верхний углеводородный поток, обогащенный метаном, и нижний, обедненный метаном поток, который содержит большую часть углеводородов С₂+. Затем указанный обедненный метаном поток может поступать в дополнительные сепараторы с целью получения потоков сжиженного нефтяного газа (СНГ) и конденсата.

После разделения полученный таким образом углеводородный поток может быть охлажден. Это показано выше, например, в виде трубопровода 50 на фигуре 2. Охлаждение может быть достигнуто с использованием различных способов, известных из уровня техники, в том числе в процессах так называемого двойного смешанного хладагента (DMR), в таких процессах, которые приведены выше (но без ограничений), например, в патентах США №№5826444; 6041619; 6105389; 7096688; 6370910; документах WO 2008/009721; WO 2008/019999; WO 2008/043806; WO 2009/007435, и включая процессы так называемого единственного смешанного хладагента (SMR), такие, которые приведены выше (но без ограничений), например, в патентах США №№6041619; 6658891; 5832745. Углеводородный поток пропускается против одного или нескольких потоков хладагента в одном или нескольких контурах хладагентов. Указанный контур хладагента может включать один или несколько компрессоров для сжатия, по меньшей мере, частично испаренного потока хладагента с целью получения сжатого потока хладагента. Затем сжатый поток хладагента может быть охлажден в охлаждающем аппарате, таком как аппарат с воздушным или водяным охлаждением, чтобы получить поток хладагента. Компрессоры могут быть приведены в действие от одной или нескольких турбин.

Охлаждение углеводородного потока может быть осуществлено в одной или нескольких стадиях. Первоначальное охлаждение, также называемое предварительным охлаждением или вспомогательным охлаждением, может быть проведено с использованием предварительного охлаждения смешанным хладагентом в контуре предварительного охлаждения хладагента, в двух или более теплообменниках предварительного охлаждения, чтобы получить охлажденный углеводородный поток. Предпочтительно охлажденный углеводородный поток частично сжижается, например, при температуре ниже 0°С.

Предпочтительно указанные теплообменники предварительного охлаждения могут быть включены в стадии предварительного охлаждения, причем любое последующее охлаждение проводится в одном или нескольких основных теплообменниках, с целью сжижения фракции углеводородного потока на одной или нескольких основных и/или вспомогательных стадиях охлаждения.

Первый и второй теплообменники, рассмотренные в приведенных выше вариантах осуществления, могут быть такими теплообменниками предварительного охлаждения на стадии предварительного охлаждения, при этом первый смешанный хладагент может быть смешанным хладагентом предварительного охлаждения.

Таким образом, описанный в изобретении способ может включать две или больше стадий охлаждения, причем на каждой стадии имеется одна или несколько ступеней, этапов и др. Например, на каждой стадии охлаждения может быть использовано от одного до пяти теплообменников. Фракция углеводородного потока и/или смешанный хладагент могут не проходить через все, и/или через часть теплообменников стадии охлаждения.

В одном варианте осуществления способ охлаждения углеводородов может включать единственную стадию охлаждения. В дополнительном варианте осуществления углеводород может охлаждаться и сжижаться в способе, который включает в себя две или три стадии охлаждения. Предпочтительно стадия предварительного охлаждения предназначается для снижения температуры сырьевого углеводородного потока ниже 0°С, обычно в диапазоне от -20°С до -70°С.

Предпочтительно, основная стадия охлаждения проводится отдельно от стадии предварительного охлаждения. То есть основная стадия охлаждения включает в себя один или несколько отдельных основных теплообменников. На основной стадии охлаждения замораживание может быть осуществлено с использованием потока второго хладагента, рассмотренного выше.

Предпочтительно основная стадия охлаждения предназначается для снижения температуры углеводородного потока, обычно, по меньшей мере, фракции углеводородного потока, охлажденного на стадии предварительного охлаждения до температуры ниже -100°С.

Теплообменники для использования на двух или больше стадиях предварительного охлаждения или любые основные теплообменники хорошо известны из уровня техники. Предпочтительно теплообменники предварительного охлаждения представляют собой кожухотрубные теплообменники.

Предпочтительно, по меньшей мере, один любой из основных теплообменников представляет собой криогенный катушечный теплообменник, известный из уровня техники. Необязательно внутри кожуха теплообменника может находиться одна или несколько секций охлаждения, причем каждая секция охлаждения может рассматриваться как стадия охлаждения или как отдельный ′теплообменник′ для других областей охлаждения.

В другом варианте осуществления, описанном в изобретении, один или оба смешанных потока хладагента предварительного охлаждения и любой смешанный поток основного хладагента может проходить через один или несколько теплообменников, предпочтительно два или больше предварительно охлаждающих и основных теплообменников, которые описаны выше, для того, чтобы получить охлажденные смешанные потоки хладагента.

Смешанный хладагент в контуре смешанного хладагента, такой как первый (например, для предварительного охлаждения) контур хладагента или любой основной контур хладагента, может образоваться из смеси двух или больше компонентов, выбранных из группы, состоящей из: азота, метана, этана, этилена, пропана, пропилена, бутанов, пентанов, и др. Настоящее изобретение может включать использование одного или нескольких других хладагентов, в отдельных или перекрывающихся контурах хладагента или других контурах охлаждения.

Используемый в изобретении смешанный хладагент или поток смешанного хладагента содержит, по меньшей мере, 5 мол.% двух различных компонентов. Более предпочтительно смешанный хладагент содержит два или больше компонентов из группы, включающей: метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутаны и пентаны. Обычно смешанный хладагент может иметь следующий состав:

Метан (С1) 0-20 мол.% Этан (С2) 5-80 мол.% Пропан (С3) 5-80 мол.% Бутаны (С4) 0-15 мол.% Вся композиция содержит 100 мол.%.

В другом варианте осуществления охлажденный углеводородный поток, такой как охлажденный поток природного газа, может быть дополнительно охлажден, чтобы получить сжиженный углеводородный поток, такой как поток СПГ.

Предпочтительно охлажденный углеводородный поток, полученный с помощью способа и устройства, описанных в изобретении, может быть использован для предоставления сжиженного углеводородного потока, который можно сохранять в одном или нескольких складских резервуарах.

После сжижения, по желанию, поток сжиженных углеводородов может быть дополнительно обработан. В качестве примера, давление полученного потока сжиженных углеводородов может быть сброшено с помощью дросселя Джоуля-Томсона или с использованием криогенного турбодетандера.

В другом варианте осуществления, описанном в изобретении, поток сжиженных углеводородов проходит через окончательный газо-жидкостный сепаратор, такой как концевой резервуар быстрого разделения испарением, чтобы получить верхний газообразный поток быстрого испарения и нижний жидкий поток, который при необходимости можно хранить в складском резервуаре в виде сжиженного продукта, такого как СПГ. Концевой газообразный поток быстрого испарения может быть сжат в соответствующем компрессоре, чтобы получить сжатый газообразный поток быстрого испарения, и охлажден, чтобы получить охлажденный газообразный поток быстрого испарения, который может поступать в один или несколько магистральных трубопроводов топливного газа или экспортироваться в виде топливного газа.

Специалист в этой области техники сможет понять, что настоящее изобретение может быть осуществлено различными путями, без отклонения от объема прилагаемой формулы изобретения.

Группа изобретений относится к способу и устройству для получения охлажденного углеводородного потока. В способе используется охлаждение, по меньшей мере, при двух последовательных уровнях давления. Причем в первом потоке и первом потоке смешанного хладагента используют части первого смешанного хладагента из потока первого смешанного хладагента в первом и втором теплообменниках; первое и второе расширительное устройства; и первый компрессор, чтобы получить поток первого смешанного хладагента. Способ охлаждения регулируется с использованием усовершенствованного регулятора технологического процесса на основе прогнозирующей модели регулирования, чтобы определить одновременные управляющие воздействия для набора манипулируемых переменных с целью оптимизации, по меньшей мере, одного из набора параметров, при регулировании, по меньшей мере, одного из набора контролируемых переменных. Набор манипулируемых переменных включает в себя: состав первого смешанного хладагента; настройку первого расширительного устройства и настройку второго расширительного устройства. Группа изобретений направлена на осуществление оптимального регулирования при различных давлениях вспомогательного многокомпонентного хладагента. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения охлажденного углеводородного потока, который включает охлаждение углеводородного потока, включающий в себя, по меньшей мере, следующие стадии:
(a) охлаждение первого потока и сжатого потока первого хладагента в первом контуре хладагента, содержащем первый компрессор и первый смешанный хладагент, первым расширенным потоком первого хладагента в первом теплообменнике при первом уровне давления, чтобы получить охлажденный первый поток, первый охлажденный поток первого хладагента и первый нагретый поток первого хладагента;
(b) расширение первой части первого охлажденного потока первого хладагента в первом расширительном устройстве, чтобы получить первый расширенный поток первого хладагента;
(c) охлаждение одного или нескольких вторых потоков, и второй части первого охлажденного потока первого хладагента вторым расширенным потоком первого хладагента во втором теплообменнике, чтобы получить один или несколько охлажденных вторых потоков, дополнительно охлажденный поток первого хладагента, и второй нагретый поток первого хладагента, причем один или несколько вторых потоков включает в себя охлажденный первый поток или произведенный из него зависимый поток, в результате чего углеводородный поток входит в состав одного или нескольких вторых потоков для того, чтобы получить, по меньшей мере, охлажденный углеводородный поток;
(d) расширение, по меньшей мере, первой части дополнительно охлажденного потока первого хладагента во втором расширительном устройстве, чтобы получить второй расширенный поток первого хладагента, причем указанный второй расширенный поток первого хладагента находится при меньшем давлении, чем указанный первый расширенный поток первого хладагента, и
(e) сжатие газообразных фракций первого нагретого потока первого хладагента и второго нагретого потока первого хладагента в первом компрессоре и последующее охлаждение сжатого потока из первого компрессора, чтобы получить сжатый поток первого хладагента; при этом
способ дополнительно включает в себя регулирование стадий от (а) до (е) с использованием усовершенствованного регулятора технологического процесса на основе прогнозирующей модели регулирования с целью определения одновременных управляющих воздействий для ряда манипулируемых переменных с целью оптимизации, по меньшей мере, одного из набора параметров, подлежащих оптимизации, при регулировании, по меньшей мере, одного из набора контролируемых переменных, где набор манипулируемых переменных включает в себя:
- состав производственного запаса первого смешанного хладагента в первом контуре хладагента,
- настройку первого расширительного устройства, и
- настройку второго расширительно устройства,
где набор контролируемых переменных включает:
- температуру, по меньшей мере, одного из одного или нескольких охлажденных вторых потоков,
- разность температур между первым нагретым потоком первого хладагента и, по меньшей мере, одним из: (i) сжатым потоком первого хладагента и (ii) первым потоком,
- разность температур между вторым нагретым потоком первого хладагента и, по меньшей мере, одним из: (i) второй частью первого охлажденного потока первого хладагента и (ii) одним из одного или нескольких вторых потоков в виде охлажденного первого потока и/или зависимого потока, произведенного из охлажденного первого потока,
- по меньшей мере, одну из переменных: (i) разность температур между первым охлажденным потоком первого хладагента и первым расширенным потоком первого хладагента и (ii) разность температур между дополнительно охлажденным потоком первого хладагента и вторым расширенным потоком первого хладагента, и
- энергию, потребляемую первым компрессором;
и где набор параметров, подлежащих оптимизации, включает в себя производительность охлажденного углеводородного потока и/или эффективность охлаждения первого контура хладагента, причем указанная эффективность охлаждения определяется как энергия, потребляемая первым компрессором, отнесенная к массе охлажденного углеводородного потока, произведенного в единицу времени.

2. Способ по п.1, в котором первый смешанный хладагент содержит, по меньшей мере, метан, этан и пропан, и где манипулирование составом первого смешанного хладагента включает манипулирование одним или несколькими из: метанового, этанового и пропанового производственного запаса первого смешанного хладагента в первом контуре хладагента.

3. Способ по п.1, в котором первый поток содержит поток углеводородного сырья, в соответствии с чем охлажденный первый поток включает в себя охлажденный поток углеводородного сырья, и где один или несколько вторых потоков включает охлажденный поток углеводородного сырья или зависимый поток, произведенный из охлажденного первого потока.

4. Способ по п.3, который дополнительно включает, до стадии (с), извлечение углеводорода из охлажденного первого потока путем фракционирования охлажденного потока углеводородного сырья в колонне извлечения газоконденсатных жидкостей, чтобы получить углеводородный поток и жидкий нижний поток.

5. Способ по п.1, в котором первый поток содержит поток второго смешанного хладагента во втором контуре хладагента, в соответствии с чем охлажденный первый поток включает в себя охлажденный поток второго хладагента, и где один или несколько вторых потоков содержит охлажденный поток второго хладагента, а также углеводородный поток, и один или несколько охлажденных вторых потоков включает дополнительно охлажденный поток второго хладагента и охлажденный углеводородный поток.

6. Способ по п.1, в котором охлаждение первого потока включает охлаждение двух или больше первых потоков в том же самом первом теплообменнике или каждого потока в отдельном первом теплообменнике высокого давления.

7. Способ по п.1, в котором охлаждение одного или нескольких вторых потоков включает охлаждение двух или больше вторых потоков в том же самом втором теплообменнике или каждого потока в отдельном втором теплообменнике.

8. Способ по п.1, в котором углеводородный поток представляет собой поток природного газа.

9. Способ по п.1, в котором состав первой части потока, расширенного на стадии (b), является практически таким же, как состав, по меньшей мере, части дополнительно охлажденного потока первого хладагента, расширенного на стадии (d).

10. Способ по любому из пп.1-9, который дополнительно включает стадию:
(h) по меньшей мере, частичного сжижения, по меньшей мере, фракции охлажденного углеводородного потока в основном теплообменнике.

11. Способ по п.10, который дополнительно включает стадию:
(f) разделение охлажденного углеводородного потока в первом сепараторе, чтобы получить фракцию в виде верхнего потока, обогащенного метаном, и нижнего потока, обедненного метаном.

12. Способ по п.11, который дополнительно включает стадию:
(g) сжатие нижнего потока, обедненного метаном, чтобы получить (сжатый) нижний поток, обедненный метаном, и пропускание указанного (сжатого) нижнего потока, обедненного метаном, в виде флегмы, в колонну извлечения газоконденсатных жидкостей.

13. Способ по п.10, в котором, по меньшей мере, частичное сжижение фракции охлажденного углеводородного потока включает в себя теплообмен потока, обогащенного метаном, с вторым хладагентом, чтобы получить, по меньшей мере, частично сжиженный углеводородный поток.

14. Способ по п.10, в котором, по меньшей мере, частичное сжижение фракции охлажденного углеводородного потока включает в себя теплообмен указанной фракции с второй частью дополнительно охлажденного потока первого хладагента, чтобы получить, по меньшей мере, частично сжиженный углеводородный поток.

15. Способ по п.10, дополнительно включающий стадию:
(i) снижения давления, по меньшей мере, частично сжиженного потока, чтобы получить поток сжиженного углеводородного продукта и газообразный поток быстрого разделения испарением.

16. Способ по любому из пп.1-9, который дополнительно включает стадию:
(h) полного сжижения, по меньшей мере, фракции охлажденного углеводородного потока в основном теплообменнике.

17. Способ по п.16, дополнительно включающий стадию:
(i) снижения давления полностью сжиженного потока, чтобы получить поток сжиженного углеводородного продукта и газообразный поток быстрого разделения испарением.

18. Устройство для получения охлажденного углеводородного потока из углеводородного потока, которое содержит:
- первый контур хладагента, содержащий производственный запас первого смешанного хладагента; первое расширительное устройство; второе расширительное устройство; первый компрессор и один или несколько первых охлаждающих аппаратов для того, чтобы охладить сжатый поток из первого компрессора и, таким образом, получить сжатый поток первого хладагента;
- первый теплообменник, приспособленный для охлаждения первого потока и сжатого потока первого хладагента, первым расширенным потоком первого хладагента при первом уровне давления, чтобы получить охлажденный первый поток, первый охлажденный поток первого хладагента и первый нагретый поток первого хладагента, причем первое расширительное устройство приспособлено для приема первой части первого охлажденного потока первого хладагента и получения первого расширенного потока первого хладагента;
- второй теплообменник, приспособленный для охлаждения одного или нескольких вторых потоков и второй части первого охлажденного потока первого хладагента, вторым расширенным потоком первого хладагента, чтобы получить один или несколько охлажденных вторых потоков, дополнительно охлажденный поток первого хладагента и второй нагретый поток первого хладагента, причем второе расширительное устройство приспособлено для приема, по меньшей мере, первой части дополнительно охлажденного потока первого хладагента, чтобы получить второй расширенный поток первого хладагента, при этом указанный второй расширенный поток первого хладагента находится при меньшем давлении, чем указанный первый расширенный поток первого хладагента, указанный один или несколько вторых потоков, включающих в себя, по меньшей мере, охлажденный первый поток или произведенный из него зависимый поток, в результате чего углеводородный поток входит в состав одного или нескольких вторых потоков для того, чтобы получить, по меньшей мере, охлажденный углеводородный поток;
- первый компрессор, приспособленный для сжатия газообразных фракций первого нагретого потока первого хладагента и второго нагретого потока первого хладагента;
- усовершенствованный регулятор технологического процесса, включающий выполняемую компьютером программу регулирования на основе прогнозирующей модели для того, чтобы определить одновременные управляющие воздействия для набора манипулируемых переменных с целью оптимизации, по меньшей мере, одного из набора параметров, подлежащих оптимизации при регулировании, по меньшей мере, одного из набора контролируемых переменных, где набор манипулируемых переменных включает в себя:
- состав производственного запаса первого смешанного хладагента в первом контуре хладагента,
- настройку первого расширительного устройства, и
- настройку второго расширительного устройства,
при этом набор контролируемых переменных включает:
- температуру, по меньшей мере, одного из одного или нескольких охлажденных вторых потоков,
- разность температур между первым нагретым потоком первого хладагента и, по меньшей мере, одним из: (i) сжатым потоком первого хладагента и (ii) первым потоком,
- разность температур между вторым нагретым потоком первого хладагента и, по меньшей мере, одним из: (i) второй частью первого охлажденного потока первого хладагента и (ii) одним из одного или нескольких вторых потоков в виде охлажденного первого потока и/или зависимого потока, произведенного из охлажденного первого потока,
- по меньшей мере, одна из переменных: (i) разности температур между первым охлажденным потоком первого хладагента и первым расширенным потоком первого хладагента и (ii) разности температур между дополнительно охлажденным потоком первого хладагента и вторым расширенным потоком первого хладагента; и
- энергию, потребляемую первым компрессором;
и где набор параметров, подлежащих оптимизации, включает производительность охлажденного углеводородного потока и/или эффективность охлаждения первого контура хладагента, причем указанная эффективность охлаждения определяется как энергия, потребляемая первым компрессором, отнесенная к массе охлажденного углеводородного потока, произведенного в единицу времени.