СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ КРИОГЕННОГО ТЕПЛООБМЕННИКА И СПОСОБ СЖИЖЕНИЯ ПОТОКА УГЛЕВОДОРОДОВ Российский патент 2019 года по МПК F25J1/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для охлаждения криогенного теплообменника.

В различных вариантах реализации изобретения, конкретно описанных в данном документе, криогенный теплообменник подходит для сжижения потока углеводородов, такого как поток природного газа.

В другом аспекте настоящее изобретение относится к способу сжижения такого потока углеводородов.

Уровень техники

Известно несколько типов криогенных теплообменников. Такие криогенные теплообменники могут быть использованы в способах сжижения потока природного газа для производства сжиженного природного газа (СПГ). В таком случае криогенный теплообменник, как правило, способен принимать поток углеводородов, подлежащих сжижению, осуществлять теплообмен между потоком углеводородов и по меньшей мере частично испаряющимся хладагентом, тем самым по меньшей мере частично сжижая поток углеводородов и выпуская по меньшей мере частично сжиженный поток углеводородов.

В зависимости от типа углеводородов в потоке и уровня давления, при котором поток углеводородов проходит через криогенный теплообменник, типичная температура, при которой, например, начинает сжижаться природный газ, может составлять –135ºC.

Однако при подготовке к нормальному режиму охлаждения и/или сжижения потока углеводородов криогенный теплообменник должен быть охлажден, что может являться, к примеру, частью процедуры пуска установки.

Чтобы предотвратить повреждение криогенного теплообменника, включая, например, утечки, которые могут произойти в результате неравномерного распределения теплового расширения и сжатия по криогенному теплообменнику, операторы и изготовители таких криогенных теплообменников обычно рекомендуют избегать, насколько это возможно, превышения определенной заданной максимальной скорости изменения температуры во времени.

С другой стороны, чтобы минимизировать этот непроизводительный или не оптимальный производительный период криогенного теплообменника, операторы обычно хотят охлаждать криогенные теплообменники с наивысшей возможной скоростью.

В патенте США 4809154 описывается автоматизированная система управления установками по получению сжиженного природного газа с использованием смешанного хладагента, которая имеет оптимизированные функциональные параметры. Оптимизация осуществляется путем регулировки параметров, таких как наличное количество компонентов, состав, степень сжатия смешанного хладагента, а также скорости турбины компрессора, чтобы добиться наибольшей производительности каждого блока установки, потребляющего электроэнергию.

Более подробно, система управления технологическим процессом по патенту '154 США реализуется в компьютерной системе параллельной обработки, позволяющей выполнять параллельные процессы управления на нескольких процессорах, имеющих доступ к общей памяти, где хранятся значения, характеризующие текущее состояние каждого датчика и каждого контроллера, связанного с производственной установкой. Для организации работы параллельных процессов управления поддерживается очередность запросов и очередность ответов, а также таблица приоритетов, которая используется для разрешения конфликтов между параллельными циклами рабочих процессов.

Система контроллера технологического процесса по патенту '154 США может надлежащим образом работать для оптимизации или поддержания оптимального количества или качества сжиженного газа, получаемого в процессе сжижения. Однако система контроллера технологического процесса по патенту ’154 США не подходит для управления криогенным теплообменником во время начального охлаждения при пуске, так как для этого необходимо выполнять последовательность этапов, которые не могут быть обработаны с использованием системы таблиц приоритетов и очередностей запросов и ответов.

В WO2009/098278 описывается способ и устройство для охлаждения криогенного теплообменника. Охлаждение осуществляется в автоматическом режиме и обеспечивает возможность охлаждения с наивысшей возможной скоростью без превышения заданной максимальной скорости изменения температуры.

Краткое описание

Задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить устройство и способ, позволяющие более гибко и быстро охлаждать криогенный теплообменник, в частности, в ситуациях, когда работа криогенного теплообменника возобновляется после приостановки, при которой температура хладагента все еще значительно ниже температуры окружающей среды. Такая ситуация может возникнуть, например, в случае, если работа была приостановлена на относительно короткий период времени (например, для проведения технического обслуживания после вынужденного аварийного отключения компрессора, обычного перерыва или останова) или даже после более длительных приостановок (дней), во время которых проводится надлежащая обшивка для поддержания как можно более низкой температуры.

Настоящее изобретение предлагает устройство для охлаждения криогенного теплообменника для сжижения потока углеводородов, такого как поток природного газа, причем криогенный теплообменник выполнен с возможностью принимать поток углеводородов, подлежащий сжижению, и хладагент для проведения теплообмена между потоком углеводородов и хладагентом, тем самым по меньшей мере частично сжижая поток углеводородов, а также выпускать по меньшей мере частично сжиженный поток углеводородов и отработанный хладагент, прошедший через криогенный теплообменник, при этом устройство содержит

- контур рециркуляции хладагента для рециркуляции отработанного хладагента обратно в криогенный теплообменник, причем контур рециркуляции хладагента содержит по меньшей мере компрессор, рециркуляционный клапан компрессора, охладитель и первый дроссельный клапан Джоуля-Томсона;

- программируемый контроллер, выполненный с возможностью выполнения этапа (502) сравнения, включающего:

(i) прием одного или более показаний температуры хладагента, обеспечивая индикацию температуры хладагента,

(ii) сравнение одного или более показаний температуры хладагента с одним или более соответствующими заданными пороговыми значениями, и

(iii) выбор одной из процедур автоматического охлаждения криогенного теплообменника в теплом состоянии и автоматического охлаждения криогенного теплообменника в холодном состоянии на основании результатов сравнения согласно п. (ii).

После этапа (iii) программируемый контроллер выполнен с возможностью выполнения выбранной процедуры охлаждения. Следует отметить, что процедуры охлаждения в теплом и холодном состоянии являются аналогичными процедурами, которые могут включать аналогичные действия, но действия выполняются по-разному, в частности, различаются в одном из следующих аспектов: различные величины шага для открытия/закрытия клапанов, различное время открытия/закрытия клапанов, различные пороговые значения для принятия решения о дальнейшем открытии/закрытии клапанов, в частности, различные значения СИТ.

В частности, процедура охлаждения в холодном состоянии отличается от процедуры охлаждения в теплом состоянии, так как процедура охлаждения в теплом состоянии включает этап, на котором обеспечивается закрытие дроссельного клапана (закрывается автоматически или оператору выдается указание закрыть дроссельный клапан), в то время как процедура охлаждения в холодном состоянии может начинаться при открытом дроссельном клапане. Процедура охлаждения в холодном состоянии позволяет начать понижение температуры криогенного теплообменника из (все еще) холодного состояния (например, от −80°C до −130°C) до точки получения СПГ (приблизительно −165°C). Более подробно это описано ниже.

Термин процедура охлаждения в теплом состоянии используется для описания процедуры охлаждения, в которой начальная температура хладагента относительно высокая, т.е. выше заданного порогового значения, и может требоваться процедура предварительного охлаждения. Пример процедуры охлаждения в теплом состоянии подробно описан в документе WO2009/098278, который включен в данный документ посредством ссылки.

Термин процедура охлаждения в холодном состоянии используется для описания процедуры охлаждения, в которой начальная температура хладагента относительно низкая, т.е. ниже заданного порогового значения, и процедура предварительного охлаждения не требуется.

Процедура охлаждения в теплом состоянии обычно применяется при первом пуске нового устройства или в конце относительно длительного периода технического обслуживания. Однако в течение срока службы устройства должны выполняться относительно непродолжительные работы по техническому обслуживанию, по окончанию которых хладагент остается относительно холодным, то есть значительно ниже температуры окружающей среды. Вместо того, чтобы ожидать, пока хладагент достигнет температуры, позволяющей проводить процедуру охлаждения в теплом состоянии, предлагается использовать процедуру охлаждения в холодном состоянии, которая позволяет охлаждать хладагент из относительно холодной начальной точки. Это является относительно эффективным по времени. Это также повышает гибкость, так как делает возможным автоматическое охлаждение из теплого и холодного состояний.

После охлаждения криогенного теплообменника посредством описанного выше способа и/или использования описанного выше устройства, поток углеводородов может сжижаться на одном или более этапах, включающих процесс теплообмена для потока углеводородов в криогенном теплообменнике для получения сжиженного углеводородного продукта.

В другом аспекте, изобретение обеспечивает способ охлаждения криогенного теплообменника, предназначенного для сжижения потока углеводородов, такого как поток природного газа, включающий этапы, на которых

- предоставляют криогенный теплообменник, выполненный с возможностью приема потока углеводородов, подлежащего сжижению, и хладагента для проведения теплообмена между потоком углеводородов и хладагентом, тем самым по меньшей мере частично сжижая поток углеводородов, а также выпуска по меньшей мере частично сжиженного потока углеводородов и отработанного хладагента, прошедшего через криогенный теплообменник,

- обеспечивают контур рециркуляции хладагента для рециркуляции отработанного хладагента обратно в криогенный теплообменник, содержащий по меньшей мере компрессор, рециркуляционный клапан компрессора, охладитель и первый дроссельный клапан;

- выполняют этап (502) сравнения, включающий:

(i) прием входных сигналов, представляющих сигналы датчиков по одному или более показаний температуры хладагента, обеспечивая индикации температуры хладагента,

(ii) сравнение одного или более показаний температуры хладагента с одним или более соответствующими заданными пороговыми значениями, и

(iii) выбор одной из процедур автоматического охлаждения криогенного теплообменника в теплом состоянии и автоматического охлаждения криогенного теплообменника в холодном состоянии на основании результатов сравнения согласно п. (ii).

Краткое описание графических материалов

Настоящее изобретение проиллюстрировано здесь только в качестве примера, со ссылкой на варианты реализации и прилагаемые схематические графические материалы, не имеющие ограничительного характера, на которых:

фиг. 1 схематически иллюстрирует устройство криогенного теплообменника в соответствии с одним вариантом реализации изобретения;

фиг. 2 схематически иллюстрирует устройство криогенного теплообменника в соответствии с другим вариантом реализации изобретения;

фиг. 3 схематически иллюстрирует блок-схему автоматического охлаждения криогенного теплообменника по фиг. 1 или фиг. 2;

фиг. 4 схематически иллюстрирует устройство основного криогенного теплообменника в соответствии с другим вариантом реализации изобретения, использованного для проведения испытания;

фиг. 5 схематически иллюстрирует схему по фиг. 4 с обозначением точек контроля температур и давлений;

фиг. 6 иллюстрирует блок-схему автоматического охлаждения криогенного теплообменника по фиг. 4 или фиг. 5

Подробное описание изобретения

В целях настоящего описания, для линии (трубопровода), а также для потока, проходящего по этой линии (трубопроводу), будет присвоен одинаковый ссылочный номер. Одинаковые ссылочные номера обозначают аналогичные компоненты, потоки или линии (трубопроводы).

Описаны способы и устройства, использующие программируемый контроллер, который выполнен с возможностью приема входных сигналов, таких как пользовательский ввод и данные измерений, для обработки входных сигналов и формирования управляющих сигналов, таких как выходные данные и сигналы управления клапанами.

Программируемый контроллер может быть выполнен в виде компьютера, содержащего устройство ввода/вывода для приема/передачи сигналов, запоминающее устройство, выполненное с возможностью хранения данных, и процессор, выполненный с возможностью коммуникации с устройством ввода/вывода и запоминающим устройством (считывания, записи). Указанный процессор выполнен с возможностью считывать и исполнять строки программы, например, хранящиеся в запоминающем устройстве, чтобы выполнять описанный способ. Запоминающее устройство также может (частично) располагаться в виде отдельного блока, доступного программируемому контроллеру.

Программируемый контроллер может быть встроен в распределенную систему управления (РСУ), в которой, например, модули обеспечивают вывод через интерфейс сервера, такой как OLE (встраиваемых и компонуемых объектов), для управления процессом (OPC), который может осуществлять связь между компьютерной программой и различными интерфейсными блоками, которые могут присутствовать в РСУ. При такой компоновке РСУ может вернуть управление, не дожидаясь передачи управления программируемым контроллером, что может быть необходимо во время чрезвычайных ситуаций или подобных случаев.

Автоматическое охлаждение криогенного теплообменника обеспечивает преимущество, состоящее в охлаждении криогенного теплообменника с наивысшей возможной скоростью без превышения заданной максимальной скорости изменения температуры. При охлаждении криогенного теплообменника при ручном управлении оператор обычно должен поддерживать более широкие границы между скоростью изменения температуры и указанным максимумом.

Кроме того, благодаря автоматизации, описанной в данном документе, обеспечивается даже еще более эффективное по времени охлаждение.

Кроме того, раскрытые в данном документе способы и устройства могут также быть использованы для устранения ситуации, при которой один или более пространственных градиентов температуры в криогенном теплообменнике или вокруг него превышают рекомендуемое максимальное значение (значения).

Преимущества описанных в данном документе способов и устройств более выражены для охлаждения противоточных криогенных теплообменников, предпочтительно с использованием внешнего хладагента, в которых испаряющийся хладагент протекает противотоком по отношению к потоку или потокам, которые должны охлаждаться в криогенном теплообменнике от испаряющегося хладагента, чем для охлаждения прямоточных криогенных теплообменников.

Как будет понятно специалисту в данной области техники, максимальная скорость изменения температуры и/или максимальный пространственный градиент температуры обычно зависит от типа и/или конкретной конструкции теплообменника, который подвергается охлаждению. Конкретные рекомендации касательно таких значений может предоставить изготовитель.

Если криогенный теплообменник содержит межтрубное пространство для испарения хладагента и трубное пространство для автоматического охлаждения хладагента, выбранный пространственный градиент температуры может отражать перепад температур между межтрубным пространством криогенного теплообменника и трубным пространством, содержащим хладагент.

Существуют и другие предпочтительные градиенты температуры, которые используются, например, в схемах, в которых ниже по потоку от охладителя и выше по потоку от первого дроссельного клапана предусмотрен жидкостно-паровой сепаратор в контуре рециркуляции хладагента для получения частично сконденсированного хладагента и разделения потока частично сконденсированного хладагента на жидкую тяжелую фракцию хладагента и газообразную легкую фракцию хладагента, а также для выпуска жидкой тяжелой фракции хладагента через выход для жидкости и выпуска газообразной легкой фракции хладагента через выход для газа, причем эти фракции проходят к криогенному теплообменнику, в котором первый дроссельный клапан выполнен с возможностью управления проходом одной из этих фракций, предпочтительно, легкой фракции хладагента.

В такой схеме выбранный пространственный градиент температуры может отражать один или более из следующих параметров: перепад температуры в криогенном теплообменнике между отработанным хладагентом на выходе для газа и хладагентом на входе для газообразного хладагента; и перепад температур в криогенном теплообменнике между отработанным хладагентом на выходе для жидкости и хладагентом на входе для жидкого хладагента.

Другие возможные управляемые переменные включают переменные, характеризующие рабочие условия одного или более компрессоров, такие как условия помпажа. Так называемый параметр отклонения помпажа может быть определен на основе данных датчиков для количественной оценки отклонения между помпажом и фактическими рабочими условиями компрессора. Типичные данные датчика, которые принимаются во внимание при определении параметра отклонения помпажа, содержат поток через соответствующую ступень компрессора и входное и выпускное давление на соответствующей ступени.

Для автоматического охлаждения криогенного теплообменника, одна или более регулируемых переменных могут включать в себя один или оба из следующих: настройку первого дроссельного клапана, которая представляет собой значение степени открытия первого дроссельного клапана; и настройку рециркуляционного клапана компрессора, которая представляет собой значение степени закрытия рециркуляционного клапана компрессора. Степень открытия первого дроссельного клапана непосредственно влияет на скорость охлаждения криогенного теплообменника, потому что это один из факторов, определяющих эффект Джоуля-Томсона, возникающий при прохождении потока хладагента через дроссельный клапан, который определяет охлаждающую способность хладагента. Степень закрытия рециркуляционного клапана компрессора также оказывает влияние на скорость охлаждения криогенного теплообменника, так как она также влияет на эффект Джоуля-Томсона в первом дроссельном клапане, поскольку это один из способов регулировки давления и расхода хладагента.

Конечно же, имеются и другие регулируемые переменные, с помощью которых можно регулировать давление и/или скорость потока хладагента, например, частота вращения ротора компрессора. Таким образом, частота вращения ротора компрессора может также использоваться как одна из регулируемых переменных. Однако, в отличие от скорости, клапан, который оказывает относительно непосредственное влияние на давление, является очень удобным элементом для манипулирования управляющей последовательностью.

Способы и устройства, описанные в данном документе, могут использоваться в способах сжижения потока углеводородов, такого как поток природного газа. В таком случае, после охлаждения криогенного теплообменника следует нормальная работа, при которой поток углеводородов до его сжижения охлаждается в криогенном теплообменнике, предпочтительно с последующим переохлаждением в криогенном теплообменнике или в последующем теплообменнике.

Поток природного газа желательно сжижать по ряду причин. Например, хранить и транспортировать на большие расстояния природный газ легче в жидком, чем в газообразном состоянии, поскольку он занимает меньший объем и для его хранения не требует высокого давления.

Обычно природный газ, содержащий преимущественно метан, поступает на завод по СПГ при повышенных давлениях и предварительно обрабатывается для получения очищенного исходного сырья, подходящего для сжижения при криогенных температурах. Очищенный газ обрабатывается посредством множества стадий охлаждения с использованием теплообменников для постепенного снижения его температуры, пока не будет достигнуто сжижение. Затем жидкий природный газ, если требуется, дополнительно охлаждается и расширяется, посредством одного или более этапов расширения до конечного атмосферного давления, подходящего для хранения и транспортировки. Выделяющийся на каждом этапе расширения пар может использоваться в качестве источника заводского топливного газа.

Отмечено, что в заявке США 2006/0213223 A1 описывается установка для сжижения и способ получения сжиженного природного газа. Управление установкой может быть полностью или частично автоматизировано, например, с использованием соответствующего компьютера, программируемой логической схемы (ПЛК), с использованием схем с замкнутым контуром и разомкнутым контуром, с использованием пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) управления. Однако в заявке США 2006/0213223 не предложена компьютерная программа или алгоритм, как описано в настоящей заявке.

Как схематично проиллюстрировано на фиг. 1, предлагается криогенный теплообменник 1, выполненный с возможностью приема, через трубопровод 2 и входное отверстие 7 для потока углеводородов, потока углеводородов, который должен быть сжижен, чтобы обеспечить обмен теплом между потоком углеводородов и по меньшей мере частично испаряющимся хладагентом 3. В результате теплообмена поток углеводородов может быть сжижен по меньшей мере частично. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере частично сжиженный поток углеводородов выпускался через выход 8 для потока углеводородов и подавался в трубопровод 4. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на чертеже, трубопровод 2 и трубопровод 4 соединяются посредством трубного пространства 29. Однако возможны и теплообменники других типов.

Криогенный теплообменник 1 содержит входное отверстие 5 для поступающего извне хладагента и выходное отверстие 6 для отработанного хладагента, который прошел через криогенный теплообменник. Контур рециркуляции 10 хладагента предусмотрен для рециркуляции отработанного хладагента обратно к входному отверстию 5. Контур рециркуляции 10 хладагента содержит по меньшей мере компрессор 11, рециркуляционный клапан 12 компрессора, охладитель 13 и первый дроссельный клапан 14 (первый клапан Джоуля-Томсона).

В практических вариантах реализации изобретения дроссельный клапан может использоваться в сочетании с детандером. Однако, в частности в процессе охлаждения теплообменника, для регулирования предпочтительно используют дроссельный клапан.

В практических вариантах реализации изобретения компрессор может содержать множество ступеней сжатия, например 15 ступеней сжатия или более. Ряд этих ступеней, например 15 из этих ступеней, могут быть выполнены в виде осевого компрессора или центробежного компрессора, размещенного в одном корпусе. Каждая ступень может содержать специальный рециркуляционный клапан и/или один рециркуляционный клапан может совместно использоваться любым количеством последующих ступеней. Несколько компрессоров или компрессорных корпусов могут располагаться последовательно один за другим для образования компрессорной линии. За каждым корпусом (или ступенью компрессора) может следовать любое количество дополнительных охладителей (или промежуточных охладителей) и дополнительных паросепараторов для удаления любой жидкости из сжатого пара перед прохождением сжатого пара к следующей ступени сжатия. После последней ступени сжатия поток сжатого хладагента может быть охлажден.

Однако, с целью иллюстрации настоящего изобретения, на фиг. 1 и 2 схематично изображена упрощенная компрессорная схема, только с одним компрессором и одним рециркуляционным клапаном. Далее, со ссылкой на фиг. 4-6, более подробно описан пример, содержащий две ступени сжатия.

В процессе работы отработанный (по меньшей мере частично испарившийся) хладагент выходит из теплообменника 1 через выходное отверстие 6 и по меньшей мере часть его поступает к всасывающему отверстию компрессора 11 через трубопровод 25.

Газообразная часть потока отработанного хладагента в трубопроводе 25 сжимается, чтобы вырабатывался поток сжатого хладагента 16, который затем охлаждается в одном или более охладителях, проиллюстрированных в данном документе как охладитель 13, тем самым по меньшей мере частично конденсируя поток сжатого хладагента 16 с образованием потока по меньшей мере частично сконденсированного хладагента 17. Поток по меньшей мере частично сконденсированного хладагента 17 расширяется через первый дроссельный клапан 14 и затем подается в теплообменник 1 через входное отверстие 5.

Как проиллюстрировано на фиг. 1, поток хладагента проходит через теплообменник 1 прямоточно с потоком углеводородов (слева направо). Однако указанный поток может быть направлен противоточно, как, например, проиллюстрировано на фиг. 2.

На фиг. 2 проиллюстрировано альтернативное устройство криогенного теплообменника, которое содержит те же элементы, что и в варианте реализации по фиг. 1, и, кроме того, содержит трубное пространство 15 хладагента для автоматического охлаждения хладагента. В теплообменнике 1 происходит теплообмен как потока углеводородов 2, так и хладагента, с испаряющимся хладагентом. Поток сжатого хладагента 16 затем охлаждается в одном или более охладителях, проиллюстрированных в данном документе как охладитель 13, с последующим охлаждением в теплообменнике 1, поступая через трубное пространство 15, тем самым по меньшей мере частично конденсируя поток сжатого хладагента 16 с образованием потока по меньшей мере частично сконденсированного хладагента 17. Автоматически охлажденный поток по меньшей мере частично сконденсированного хладагента 17 выходит из теплообменника через выходное отверстие 18 и подается через первый дроссельный клапан 14 до его поступления через входное отверстие 5 в теплообменник 1, где он имеет возможность по меньшей мере частично испаряться.

При необходимости может быть обеспечена система подпитки хладагента, которая способна изменять наличное количество хладагента, в частности, в случае смешанного хладагента.

Настоящее изобретение относится к устройству или способу охлаждения криогенного теплообменника, предназначенного для сжижения потока углеводородов 2, 7, 29, 8, 4, такого как поток природного газа, причем криогенный теплообменник 1 выполнен с возможностью принимать подлежащий сжижению поток углеводородов и хладагент для проведения теплообмена между потоком углеводородов и хладагентом, тем самым по меньшей мере частично сжижая поток углеводородов, а также выпускать по меньшей мере частично сжиженный поток углеводородов и отработанный хладагент, прошедший через криогенный теплообменник, при этом устройство содержит

- контур рециркуляции хладагента для рециркуляции отработанного хладагента обратно в криогенный теплообменник, причем контур рециркуляции хладагента содержит по меньшей мере компрессор 11, рециркуляционный клапан 12 компрессора, охладитель 13 и первый дроссельный клапан 14;

В контуре рециркуляции хладагента может циркулировать однокомпонентный хладагент, такой как метан, этан, пропан, или азот; или многокомпонентный смешанный хладагент, иногда называемый просто как смешанный хладагент (СХ), на основе двух или более компонентов. Эти компоненты предпочтительно могут выбираться из группы, включающей: азот, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутан и пентан.

Контур хладагента может содержать любое количество отдельных линий или потоков хладагента для охлаждения различных потоков углеводородов, а также любое количество общих элементов или признаков, включая компрессоры, охладители, детандеры и т.д. Некоторые потоки хладагента могут быть общими, а некоторые потоки могут быть разделены.

В конкретном варианте реализации настоящего изобретения, описанный способ охлаждения криогенного теплообменника является частью способа сжижения потока углеводорода, такого как природный газ из сырьевого потока. Аналогично, описанное в данном документе устройство может использоваться в таком способе сжижения потока углеводородов.

Поток углеводородов может быть любым подходящим углеводородсодержащим, предпочтительно метансодержащим, потоком, который должен сжижаться, но, обычно, извлекается из потока природного газа, полученного из природного газа или нефтяного пласта. В качестве альтернативы, поток природного газа также может быть получен из другого источника, также включающего синтетический источник, такой как процесс Фишера-Тропша.

Обычно природный газ состоит в основном из метана. Предпочтительно, сырьевой поток содержит по меньшей мере 60 мол.% метана, более предпочтительно, по меньшей мере 80 мол.% метана.

Сырьевой поток углеводородов может быть сжижен посредством прохода нескольких стадий охлаждения. Может использоваться любое количество стадий охлаждения и на каждой стадии охлаждения может использоваться один или более теплообменников, а также, при необходимости, каждая стадия охлаждения может включать один или более этапов, уровней или секций. На каждой стадии охлаждения могут использоваться два или более теплообменников, соединенных последовательно, параллельно или в их комбинации.

В данной области техники известны подходящие теплообменники различных типов, способные охлаждать и сжижать сырьевой поток углеводородов, и настоящее изобретение может быть применено к любому из них. Примерами теплообменников такого типа являются теплообменники, выпускаемые фирмами Air Products and Chemicals Inc. и Linde AG, которые обычно содержат один, два, три или более связок.

В данной области техники известны различные устройства подходящих теплообменников, способных охлаждать и сжижать сырьевой поток, такой как поток углеводородов, например природный газ, включая устройства с однокомпонентным смешанным хладагентом (ОСХ), устройства с двухкомпонентным смешанным хладагентом (ДСХ), устройства с пропановым смешанным хладагентом (C₃-СХ), на основе трех или более циклов, такие как, например, так называемое устройство APX, выпускаемое фирмой Air Products & Chemicals Inc. на основе циклов C₃-СХ-N₂, и каскадные устройства, включая устройства с циклом переохлаждения. Настоящее изобретение может применяться к любому теплообменнику в любом из таких устройств и других подходящих устройствах с некоторыми незначительными модификациями, доступными специалисту в данной области техники.

В различных устройствах охлаждение и сжижение сырьевого потока углеводородов включает в себя две (или более) стадии охлаждения, включающие стадию предварительного охлаждения и стадию основного охлаждения. Обычно на стадии предварительного охлаждения поток углеводородов охлаждают до температуры ниже 0°С, например, до температуры в диапазоне от -10°С до -35°С, а на второй стадии, которая может называться основной криогенной стадией, поток углеводородов охлаждают от температуры в диапазоне от -10°С до -35°С до температуры в диапазоне от -145°C до -160°C или даже -170°C для сжижения потока углеводородов.

Настоящее изобретение может содержать один или более других или дополнительных контуров хладагента, например, на стадии предварительного охлаждения. Любые другие или дополнительные контуры хладагента могут при необходимости соединяться и/или совмещаться с контуром хладагента для охлаждения потока углеводородов.

Как указано выше, в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения, для охлаждения теплообменника 1 предусмотрены устройство и способ. Такое охлаждение требуется перед использованием теплообменника для фактического сжижения потока углеводородов. Процедурами охлаждения можно управлять с помощью программируемого контроллера. В зависимости от температуры хладагента могут использоваться различные процедуры охлаждения.

Фиг. 3 схематично иллюстрирует блок-схему, представляющую этапы, которые могут быть выполнены. После того, как на этапе 501 генерируется сигнал пуска (см. фиг. 3), выполняется этап сравнения 502, который включает:

(i) прием одного или более показаний температуры хладагента, обеспечивая индикацию температуры хладагента,

(ii) сравнение одного или более показаний температуры хладагента с одним или более соответствующими заданными пороговыми значениями, и

(iii) выбор одной из процедур автоматического охлаждения криогенного теплообменника в теплом состоянии 503 или автоматического охлаждения криогенного теплообменника в холодном состоянии 504 на основании результатов сравнения согласно п. (ii).

Этап 502 может включать проверку состояния, например, проверку того, что распределенной системой управления (РСУ) генерируется соответствующий сигнал пуска и/или проверку наличия heartbeat-сигнала, то есть проверку того, что все соответствующие программные модули еще активны.

Этап (i) может включать получение одного или более показаний температуры хладагента, содержащих по меньшей мере одну из индикаций температуры хладагента

- на стороне впуска дроссельного клапана 14;

- на стороне выпуска дроссельного клапана 14;

- на входной стороне криогенного теплообменника 1;

- в точке внутри криогенного теплообменника 1;

- на стороне выпуска криогенного теплообменника 1.

Для каждого принятого показания температуры хладагента может быть предусмотрен один или более подходящих датчиков температуры, дающих индикацию температуры хладагента в месте своего расположения.

Показания температуры хладагента могут быть получены путем непосредственного измерения температуры хладагента.

Этап (i) может дополнительно включать получение показания разности температур между межтрубным пространством и трубным пространством теплообменника и/или температурой внизу теплообменника. Эти температуры могут использоваться в ходе всей процедуры. Все действия могут иметь проверку состояния, включая проверку разности температур.

Для каждого принятого показания температуры хладагента имеется заданное пороговое значение, и каждое принятое показание температуры хладагента сравнивается с соответствующим пороговым значением. Сравнение заключается в определении того, является ли принятое значение больше или меньше порогового значения.

Например, температуру хладагента на входной стороне криогенного теплообменника можно сравнить с пороговым значением -50°С, чтобы определить, температура выше или ниже -50°С. В качестве альтернативы, заданное пороговое значение может принимать любое подходящее значение, например, -80°С или -130°С.

Если температура ниже порогового значения, выбирается процедура автоматического охлаждения в холодном состоянии 504, а если температура выше порогового значения, выбирается процедура охлаждения в теплом состоянии 503.

Согласно еще одному примеру, температуру хладагента можно сравнить с первым и вторым пороговым значением, чтобы определить, находится ли температура между первым и вторым пороговым значением. Например, температуру хладагента на стороне выпуска криогенного теплообменника можно сравнить с первым пороговым значением -15°С и со вторым пороговым значением -55°С, чтобы определить, находится ли температура между -15°С и -55°C или нет. Это нужно для предотвращения появления слишком больших разностей температур между хладагентом и теплообменником. Разумеется, точные значения зависят от типа используемого теплообменника.

В данном документе процедура охлаждения в теплом состоянии подробно не описывается. Подробное описание процедуры охлаждения в теплом состоянии приведено в документе WO2009/098278. Процедура охлаждения в теплом состоянии включает те же этапы, что и процедура охлаждения в холодном состоянии, но процедуры охлаждения в теплом и холодном состоянии не являются идентичными, о чем более подробно описано ниже.

Первым действием процедуры охлаждения в холодном состоянии является действие определения начальных состояний 505, при котором определяются начальные состояния. Это действие может использовать сведения о критических и некритических начальных состояниях, которые могут храниться в памяти, доступной программируемому контроллеру.

В случае возникновения критического состояния программируемый контроллер прерывает процедуру. Процедура может быть возобновлена и/или повторно начата после того, как критическое состояние было устранено или подтверждено, а начальные состояния были подтверждены оператором либо вручную, либо путем выполнения процедуры автоматического управления для восстановления начального состояния. В случае некритического начального состояния может выдаваться предупреждение. Это действие 505 может далее инициировать мониторинг критических параметров. Только после того, как все критические параметры находятся в пределах заданных диапазонов, начинается следующее действие (этап начального открытия 506).

Примерами критических начальных состояний являются состояния, при которых:

- первый дроссельный клапан 14 закрыт недостаточно (например, открыт более чем на 0,1% или на другую подходящую величину);

- давление в контуре хладагента ниже, чем давление на выходе из компрессора 11;

- компрессор 11 не находится в режиме «онлайн» и не работает, что определяется путем измерения скорости компрессора (например, компрессор работает по меньшей мере при скорости 3400 об/мин или при другой подходящей скорости) и проверки того, что на компрессорах открыты впускной и выпускной клапаны;

- давление хладагента слишком высокое (например, выше 20 бар изб. (2 МПа) или другой подходящей величины);

- направляющая заслонка на входе компрессора (НЗВ) открыта.

Примерами некритических начальных состояний являются состояния, при которых:

- имеются различия фактических температур, например, температуры хладагента непосредственно выше по потоку и температуры непосредственно ниже по потоку от первого дроссельного клапана 14, и/или перепадов температур;

- рециркуляционные клапаны компрессора открыты не полностью (например, открыты менее чем на 99% или менее чем на любую другую подходящую величину);

- давление сжатого хладагента ниже заданной минимальной величины (так как это может слишком замедлить процессы охлаждения). Как правило, подходящая минимальная величина составляет 18 бар изб. (1,8 МПа).

Процедура охлаждения в теплом и холодном состоянии включает в себя этап начального открытия 506, этап начального открытия 506 включает инициирование начального открытия первого дроссельного клапана 14, при этом этап начального открытия первого дроссельного клапана 14 согласно процедуре автоматического охлаждения в теплом состоянии 503 отличается от этапа начального открытия первого дроссельного клапана 14 согласно процедуре автоматического охлаждения в холодном состоянии 504.

Согласно варианту реализации изобретения начальное открытие первого дроссельного клапана больше в процедуре автоматического охлаждения в теплом состоянии 503, чем в процедуре автоматического охлаждения в холодном состоянии 504.

Например, начальное открытие, инициированное на дроссельном клапане 14 согласно процедуре автоматического охлаждения в холодном состоянии 503, может быть в диапазоне 1 – 2%, при этом начальное открытие, инициированное на дроссельном клапане согласно процедуре автоматического охлаждения в теплом состоянии 504 может быть в диапазоне 3 – 5%.

В процедуре автоматического охлаждения в теплом состоянии 503 дроссельный клапан 14 первоначально открывается относительно сильно, чтобы проверить, возникает ли эффект Джоуля-Томсона.

Открытие клапана выражается в %, которые отражают положение плунжера клапана (подвижной части клапана) относительно его седла клапана (неподвижной части клапана). Понятно, что 0% означает, что клапан полностью закрыт (плунжер клапана на седле клапана), 100% означает, что клапан полностью открыт (плунжер клапана наиболее удален от седла клапана). Понятно, что соотношение между открытием клапана (%) и расходом зависит от типа используемого клапана (например, шарового крана, дискового клапана, клапана типа линейного вентиля, клапана типа быстро открывающегося вентиля) и поэтому может отличаться от соотношения 1:1.

Согласно альтернативному варианту реализации изобретения этап начального открытия 506 первого дроссельного клапана 14 в процедуре автоматического охлаждения в теплом состоянии 503 включает инициирование заданного начального открытия первого дроссельного клапана 14 (например, 3 – 5%), при этом этап начального открытия 506 первого дроссельного клапана 14 в процедуре автоматического охлаждения в холодном состоянии 504 включает определение текущего открытия первого дроссельного клапана 14 и инициирование определенного текущего открытия первого дроссельного клапана 14.

Это позволяет начать процедуру охлаждения в холодном состоянии без регулирования уставки первого дроссельного клапана. В любом случае, заданное начальное открытие процедуры охлаждения в холодном состоянии меньше, чем заданное начальное открытие процедуры охлаждения в теплом состоянии.

Согласно варианту реализации изобретения этап начального открытия 506 процедуры охлаждения в холодном состоянии 504 также включает открытие рециркуляционного клапана компрессора 12.

В этом заключается отличие от процедуры охлаждения в теплом состоянии 503, в которой рециркуляционный клапан компрессора 12 остается закрытым или быстро закрывается на этапе начального открытия процедуры охлаждения в теплом состоянии. В процедуре охлаждения в холодном состоянии рециркуляционный клапан компрессора 12 может быть уже открытым во время этапа начального открытия 506 процедуры охлаждения в холодном состоянии 504.

Открытие рециркуляционного клапана компрессора в качестве части этапа начального открытия 506 будет выполняться, главным образом, в случае непродолжительного аварийного отключения. Обычно рециркуляционный клапан компрессора на этапе начального открытия 506 будет закрыт.

Согласно варианту реализации изобретения программируемый контроллер выполнен с возможностью выполнения, в качестве части этапа начального открытия 506, этапа СИТ, включающего регулировку открытия первого дроссельного клапана 14 на основании определенной скорости изменения температуры (СИТ) хладагента, текущего через первый дроссельный клапан 14, в соответствии со схемой регулировки, при этом процедура автоматического охлаждения в теплом состоянии 503 и процедура автоматического охлаждения в холодном состоянии 504 имеют различные схемы регулировки.

Обе процедуры охлаждения в теплом и холодном состоянии 503, 504 включают сравнимые этапы СИТ, но на обоих этапах СИТ используются различные состояния для принятия решения о том, как регулировать открытие дроссельного клапана 14.

Согласно варианту реализации изобретения, определение скорости изменения температуры (СИТ) хладагента, текущего через первый дроссельный клапан 14, осуществляется путем сравнения двух показаний температуры хладагента, полученных в соответствующие первый t₁ и второй t₂ моменты времени, первый и второй моменты времени разделяются заданным интервалом времени, причем заданный интервал времени согласно процедуре охлаждения в холодном состоянии 504 меньше, чем заданный интервал времени согласно процедуре охлаждения в теплом состоянии 503.

Интервал времени согласно процедуре охлаждения в холодном состоянии может составлять меньше, чем 50% от интервала времени согласно процедуре охлаждения в теплом состоянии.

Интервал времени согласно процедуре охлаждения в холодном состоянии обычно может составлять 2 минуты, при этом интервал времени согласно процедуре охлаждения в теплом состоянии обычно может составлять 5 минут. Следовательно, в соответствии с этим примером, СИТ согласно процедуре охлаждения в теплом состоянии 503 рассчитывается следующим образом: СИТ_тепл.(t) = (T_t-5-T_t)*12 [°C/ч], где СИТ согласно процедуре охлаждения в холодном состоянии 504 рассчитывается следующим образом: СИТ_хол.(t) = (T_t-2-T_t)*30 [°C/ч], где t_i – время в минутах и Т – температура.

Определенная СИТ сравнивается с заданным пороговым значением СИТ для предотвращения слишком быстрого охлаждения. Например, в соответствии с процедурой охлаждения в холодном состоянии 503 заданное пороговое значение СИТ может составлять 28°C. В схеме регулировки может быть прописано, что если значение СИТ_хол. превышает заданное пороговое значение СИТ, например, составляет выше 28°С, первый дроссельный клапан 14 будет закрыт с определенным заданным значением закрытия (например, 0,5%) и будет инициировано заданное время ожидания (например, 5 минут), прежде чем продолжить открытие первого дроссельного клапана 14 с заданным значением открытия (например, 0,2%), причем заданное значение закрытия больше заданного значения открытия.

Измерения температуры, используемые для определения соответствующей скорости изменения температуры (СИТ), могут быть получены путем измерения температуры хладагента в одном или более следующих местах:

- на стороне впуска дроссельного клапана 14;

- на стороне выпуска дроссельного клапана 14;

- на входной стороне криогенного теплообменника 1;

- в точке внутри криогенного теплообменника 1;

- на стороне выпуска криогенного теплообменника 1.

Согласно варианту реализации изобретения, схема регулировки процедуры охлаждения в холодном состоянии включает ожидание в течение заданного интервала времени между инициированием начального открытия первого дроссельного клапана и началом этапа СИТ. Этап СИТ включает (как было описано выше) регулировку открытия первого дроссельного клапана 14 на основании контролируемой скорости изменения температуры (СИТ) хладагента, текущего через первый дроссельный клапан 14.

Ожидание в течение заданного интервала времени обеспечивает постепенное уменьшение перепада давления. Большой перепад давления приведет к усилению эффекта Дж.-Т. и дальнейшее слишком быстрое открытие может привести к чрезмерно высокой СИТ.

Окончание этапа начального открытия 506 может быть установлено посредством определения СИТ и проверки, что ее величина меньше заданной величины или находится в пределах заданного диапазона.

После окончания этапа начального открытия 506 процедура автоматического охлаждения в холодном состоянии переходит к выполнению этапа регулировки 507, который одновременно включает в себя:

- регулировку и закрытие рециркуляционного клапана (509) и

- дополнительную регулировку первого дроссельного клапана (508).

Как будет описано более подробно ниже со ссылкой на фиг. 4-6, действие 509 может включать регулировку и закрытие множества рециркуляционных клапанов (509) и/или действие 508 может включать дополнительную регулировку множества дроссельных клапанов, в частности, первого и второго дроссельного клапана.

В действии 508 первый дроссельный клапан 14 дополнительно регулируется. В частности, в варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 2, сильное охлаждение может вызвать конденсацию хладагента. Предпочтительно, непосредственно перед конденсацией движения клапана замедляются, и в момент обнаружения конденсации клапан может частично закрываться, чтобы избежать слишком высокой скорости охлаждения, которая, в противном случае, возникнет из-за резкого увеличения расхода вследствие конденсации (нередко увеличение на 100 т/сут (тонн в сутки) за 10 с). После обнаружения конденсации клапан можно нормально открыть и оставить открытым до тех пор, пока связанный с открытием клапана эффект Дж.-Т. не уменьшится. Эффект Дж.-Т. может контролироваться при дальнейшем открытии дроссельного клапана, например, исходя из разности температур хладагента выше по потоку от дроссельного клапана и хладагента ниже по потоку от дроссельного клапана. Можно предположить, что эффект Дж.-Т. присутствует, если разность температур превышает 8°C.

Конденсация может быть обнаружена по отклонению от одного или обоих показаний температуры и расхода на дроссельном клапане. Для хладагента, который течет через первый дроссельный клапан 14, может использоваться температура хладагента ниже по потоку от дроссельного клапана 14 и/или расход через дроссельный клапан, который, в свою очередь, может оцениваться по перепаду давлений в дроссельном клапане 14.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения, степень закрытия дроссельного клапана 14 не может быть больше минимальной степени открытия, соответствующей степени открытия при запуске этого модуля.

Изменение эффекта Дж.-Т. при дополнительном открытии дроссельного клапана может быть незначительным. Однако в то же время давление хладагента увеличивается, так как одновременно выполняется действие 509 регулировки рециркуляционного клапана 12 для достижения целевого отклонения давления компрессора (или количества ступеней сжатия). Этот модуль контролирует отклонение давления компрессора 11 и закрывает рециркуляционный клапан 12, если отклонение давления превышает заданное максимальное отклонение. Подходящее заданное максимальное отклонение составляет 0,3.

Если имеется множество рециркуляционных клапанов, например, на множестве ступеней компрессора, каждый рециркуляционный клапан можно регулировать отдельно (но одновременно), принимая во внимание специальный параметр отклонения давления для соответствующей ступени, через которую каждый конкретный рециркуляционный клапан регулирует рециркуляцию.

Поскольку закрытие рециркуляционного клапана 12 влияет на давление всасывания компрессора, предпочтительно, это давление регулируется так, чтобы оно не опускалось ниже рекомендованного предела, например, ниже 1,8 бар изб. (0,18 МПа). Закрытие рециркуляционного клапана также снижает давление всасывания. Поэтому закрытие рециркуляционного клапана является условным во избежание снижения давления всасывания ниже заданного целевого значения. Задача состоит в том, чтобы поддерживать линейное изменение (повышение) выпускного давления за счет постоянного закрытия рециркуляционных клапанов, контролируя при этом отклонение давления. Когда отклонение давления составляет меньше рассмотренного минимального уровня (например, 0,1), действие модуля прекращается. Однако отклонение давления контролируется в ходе всей процедуры окончательного охлаждения и, когда допустимое отклонение давления и давление всасывания находятся в пределах заданного диапазона, рециркуляционные клапаны закрываются.

Когда температура криогенного теплообменника 1 достигает рабочей температуры, генерируется сигнал окончания. Это может являться частью действий 508 и 509, каждое действие может генерировать отдельный сигнал окончания, или, в качестве части одного из действий или отдельным действием, может генерироваться единичный сигнал окончания (не проиллюстрировано). Когда инициируется сигнал(ы) окончания, программируемый контроллер может завершить процедуру автоматического охлаждения в холодном состоянии (действие 510 на фиг. 3).

Действие окончания 510 может полностью закрывать рециркуляционный клапан 12, насколько это возможно, при условии, что отклонение давления не препятствует этому. Если отклонение давления препятствует дальнейшему закрытию рециркуляционного клапана, когда величина отклонения давления слишком мала (обычно, ниже 0,1), может генерироваться и выдаваться предупредительное сообщение, чтобы уведомить оператора, что может потребоваться регулировка НЗВ. Перемещение НЗВ дает такой же эффект, что и закрытие рециркуляционного клапана 12. Однако любое перемещение НЗВ может быть ограничено молекулярной массой проходящего хладагента, которая должна превышать заданное минимальное значение. Минимальная молекулярная масса типичного СХ составляет 24 г/моль. Очевидно, что такой предупредительный сигнал не может применяться как дополнительная функция, если на используемом компрессоре отсутствует НЗВ.

Так как перемещение НЗВ считается последним средством, предполагается только уведомлять оператора о возможной необходимости перемещения НЗВ вместо того, чтобы пытаться выполнить какое-либо перемещение НЗВ под управлением автоматической процедуры, как описано в данном документе.

Как только рециркуляционный клапан закрывается полностью или в достаточной степени, управление может передаваться оператору и/или предоставляться выходное состояние или генерироваться сигнал оповещения оператора, чтобы информировать оператора о возможности продолжения нормальной работы криогенного теплообменника, или тому подобное. В качестве альтернативы может быть запущена последующая процедура управления или тому подобное, например, обычное управление работой, такое как расширенное управление производственным процессом, как описано, например, в патенте США 7266975 и/или патенте США 6272882, или любым модулем другого типа.

Фиг. 4 иллюстрирует крупногабаритный криогенный теплообменник 100, встроенный в систему различных теплообменников предварительного охлаждения, обслуживаемых таким дополнительным контуром хладагента, а также другое оборудование, которое может применяться в установке по сжижению углеводородов. Дополнительный контур хладагента может в дальнейшем упоминаться как «контур хладагента предварительного охлаждения» или «цикл хладагента предварительного охлаждения». Аналогично, элементы, такие как компрессоры и хладагент, могут также упоминаться как «компрессор хладагента предварительного охлаждения» или «хладагент предварительного охлаждения».

Криогенный теплообменник 100 по этому варианту реализации изобретения в дальнейшем будет называться основным криогенным теплообменником 100, чтобы отличать его от любых других теплообменников, присутствующих в варианте реализации изобретения. Основной криогенный теплообменник 100 содержит теплый конец 33, холодный конец 50 и среднюю часть 27. Стенка основного криогенного теплообменника 100 образует межтрубное пространство 110. В межтрубном пространстве 110 располагается:

- первое трубное пространство 29, проходящее от теплого конца 33 к холодному концу 50, предпочтительно, проходящее между входом для потока углеводородов 7 и выходом для потока углеводородов 8;

- второе трубное пространство 28, проходящее от теплого конца 33, предпочтительно, от входа для газообразного хладагента 49a на теплом конце 33 к средней части 27; и

- третье трубное пространство 15, проходящее от теплого конца 33, предпочтительно, от входа для жидкого хладагента 49b на теплом конце 33 к холодному концу 50.

Для сжатия хладагента предусмотрена компрессорная линия хладагента, символически проиллюстрированная в данном документе, содержащая первый и второй компрессоры 30 и 31. Каждый из этих компрессоров снабжен несколькими рециркуляционными клапанами, которые в данном документе схематично представлены рециркуляционными клапанами 130 и 131 в рециркуляционной линии, соединяющей выход компрессора, ниже по потоку от соответствующих охладителей, с всасывающим отверстием на стороне низкого давления.

Первый компрессор хладагента 30 приводится в действие подходящим двигателем, например, газовой турбиной 35, которая снабжена вспомогательным двигателем 36 для пуска, и второй компрессор хладагента 31 приводится в действие подходящим двигателем, например, газовой турбиной 37, снабженной вспомогательным двигателем (не проиллюстрировано). В качестве альтернативы, компрессоры 30 и 31 могут приводиться в действие на одном валу общим двигателем.

В процессе нормальной работы, после охлаждения основного криогенного теплообменника, газообразный, предпочтительно, богатый метаном сырьевой поток углеводородов подается при повышенном давлении по питающему трубопроводу 20 к первому трубному пространству 29 теплого конца 33 основного криогенного теплообменника 100. Сырьевой поток углеводородов проходит через первое трубное пространство 29, где он охлаждается, сжижается и, необязательно, переохлаждается смешанным хладагентом (СХ), испаряющимся в межтрубном пространстве 110, образуя отработанный хладагент. Результирующий сжиженный поток углеводородов удаляется из основного криогенного теплообменника 100 на его холодном конце 50 через трубопровод 40. Течением потока углеводородов через систему можно управлять, например, с использованием спускного клапана 44, предусмотренного в трубопроводе 40.

Поток 40 может, если требуется, проходить через соответствующую концевую испарительную систему, где давление снижается до давления хранения и/или транспортировки. В конечном счете, сжиженный поток углеводородов подается в виде потока продукта в хранилище, где он хранится в виде сжиженного продукта, или, необязательно, непосредственно направляется на транспортировку.

В процессе нормальной работы и во время охлаждения основного криогенного теплообменника отработанный хладагент удаляется из межтрубного пространства 110 основного криогенного теплообменника 100 на его теплом конце 33 через трубопровод 25 и проходит к паросепаратору 56.

К паросепаратору 56 также подводится подпиточный регулирующий трубопровод хладагента 65, чтобы, необязательно, добавлять компоненты хладагента к потоку отработанного хладагента. Добавление различных компонентов хладагента регулируется одним или более клапанами, обычно одним клапаном на компонент. В данном документе эти клапаны схематично представлены как клапан 66.

Испарившаяся фракция 55 отработанного хладагента, которая выходит из верхней части паросепаратора 56, сжимается в компрессорах хладагента 30 и 31 для получения потока сжатого хладагента, который удаляется через трубопровод 32. Возможны и другие устройства компрессора хладагента.

Теплота сжатия удаляется из жидкости, проходящей между двумя компрессорами хладагента 30 и 31 по трубопроводу 38 в естественный охладитель 23, который может содержать воздушный охладитель и/или водяной охладитель, и/или естественный охладитель любого другого типа. Аналогично, между двумя последовательными компрессорными ступенями компрессора может быть предусмотрен промежуточный теплообменник (не проиллюстрировано).

Поток сжатого хладагента в трубопроводе 32 охлаждается в воздушном охладителе 42 и частично конденсируется в одном или более теплообменниках предварительного охлаждения (проиллюстрировано ссылочными номерами 43 и 41) за счет цикла хладагента предварительного охлаждения, который будет описан более подробно ниже. Теплообменники предварительного охлаждения 41, 43 могут работать при различных давлениях и/или использовать хладагенты различного состава.

Поток частично сконденсированного хладагента 39 затем проходит и вводится в сепаратор жидкость/пар через впускное устройство, которые проиллюстрированы в данном документе как сепараторный резервуар 45 и впускное устройство 46. В сепараторном резервуаре 45 поток частично сконденсированного хладагента разделяется на жидкую, тяжелую фракцию хладагента (ТФХ) и на газообразную, легкую фракцию хладагента (ЛФХ). Каждый из этих потоков может отдельно регулироваться дроссельным клапаном или подобным устройством, при этом первый дроссельный клапан 58 регулирует поток парообразного (легкого) хладагента, а второй дроссельный клапан 51 регулирует поток жидкого (тяжелого) хладагента.

Жидкая тяжелая фракция хладагента удаляется из сепараторного резервуара 45 через трубопровод 47, а газообразная легкая фракция хладагента удаляется через трубопровод 48. Тяжелая фракция хладагента переохлаждается во втором трубном пространстве 28 основного криогенного теплообменника 100 для получения потока переохлажденного тяжелого хладагента 54. Поток переохлажденного тяжелого хладагента удаляется из основного криогенного теплообменника 100 через трубопровод 54 с возможностью расширения в дроссельном устройстве, содержащем второй дроссельный клапан 51. Дроссельное устройство может дополнительно содержать динамический детандер (не проиллюстрировано), соединенный последовательно со вторым дроссельным клапаном 51, которым не нужно управлять во время любой процедуры охлаждения основного криогенного теплообменника.

Поток переохлажденного тяжелого хладагента при пониженном давлении вводится через трубопровод 52 и форсунку 53 в межтрубное пространство 110 основного криогенного теплообменника 100 в его средней части 27. Поток тяжелого хладагента имеет возможность испаряться в межтрубном пространстве 110 при пониженном давлении, тем самым охлаждая жидкости в трубных пространствах 29, 28 и 15.

Газообразная легкая фракция хладагента, удаленная из сепараторного резервуара 45 через трубопровод 48, проходит в третье трубное пространство 15 в основном криогенном теплообменнике 100, где она охлаждается, сжижается и переохлаждается для получения потока переохлажденного легкого хладагента 57. Поток переохлажденного легкого хладагента удаляется из основного криогенного теплообменника 100 через трубопровод 57 с возможностью расширения в дроссельном устройстве, содержащем первый дроссельный клапан 58. При пониженном давлении он вводится через трубопровод 59 и форсунку 60 в межтрубное пространство 110 основного криогенного теплообменника 100 на его холодном конце 50. Поток легкого хладагента имеет возможность испаряться в межтрубном пространстве 110 при пониженном давлении, тем самым охлаждая жидкости в трубных пространствах 29, 28 и 15.

Необязательно (не проиллюстрировано), из потока газообразного легкого хладагента 48 может отбираться дополнительный боковой поток, который может охлаждаться, сжижаться и переохлаждаться за счет одного или более других холодных потоков в одном или более других теплообменниках, отличных от основного криогенного теплообменника 100. Например, он может охлаждаться, сжижаться и переохлаждаться за счет холодного выделяемого пара, образующегося при мгновенном испарении потока 40 в дополнительной концевой системе испарения. Дополнительный переохлажденный боковой поток может повторно объединяться с потоком легкого хладагента в трубопроводе 57 или 59, и в этом случает ему требуются вспомогательные дроссельные средства, такие как первый вспомогательный дроссельный клапан. Более подробное описание такой возможности приведено в патенте США 6272882.

Теплообменники предварительного охлаждения 41, 43 работают с использованием хладагента предварительного охлаждения, который может быть многокомпонентным хладагентом или однокомпонентным хладагентом. В данном примере использовался пропан. Испарившийся пропан сжимается в компрессоре предварительного охлаждения 127, который приводится в действие подходящим двигателем, таким как газовая турбина 128. Также предусмотрен рециркуляционный клапан компрессора хладагента предварительного охлаждения 129, который в данном документе символически проиллюстрирован на линии, соединяющей всасывающее входное отверстие на стороне низкого давления первой ступени компрессора с промежуточным уровнем давления. Однако линия рециркуляции, необязательно, может быть предусмотрена во всех или в выбранных ступенях сжатия.

Затем сжатый пропан конденсируется в воздушном охладителе 130 и, после этого, конденсированный сжатый пропан при повышенном давлении проходит через трубопроводы 135 и 136 в теплообменники 43 и 41, которые расположены последовательно друг с другом. Перед поступлением в теплообменник 43 конденсированному пропану позволяют расширяться до промежуточного давления посредством дроссельного вентиля 138. Там пропан частично испаряется под действием тепла многокомпонентного хладагента в трубопроводе 32, а результирующая испарившаяся газообразная фракция проходит через трубопровод 141 к впускному отверстию на стороне промежуточного давления компрессора пропана 127. Жидкая фракция проходит через трубопровод 145 к теплообменнику 41. Перед поступлением в теплообменник 41 пропану позволяют расширяться до низкого давления посредством дроссельного вентиля 148. Испарившийся пропан проходит через трубопровод 150 к впускному отверстию на стороне низкого давления компрессора пропана 127.

Специалисту в данной области техники понятно, что паросепараторы или подобные устройства могут быть предусмотрены в любом трубопроводе, который соединяется с впуском компрессора, чтобы избежать подачи в компрессор негазообразной фазы. Также может быть предусмотрен экономайзер.

В настоящем примере проиллюстрированы два теплообменника предварительного охлаждения, работающие при двух уровнях давления. Тем не менее, может использоваться любое количество теплообменников предварительного охлаждения и соответствующих уровней давления.

Для получения потока углеводородов 20 также может использоваться цикл хладагента предварительного охлаждения, например, как описано ниже. Углеводородное сырье, в настоящем примере сырьевой природный газ, проходит при повышенном давлении через питающий трубопровод 90. Сырьевой природный газ, который обычно представляет собой многокомпонентную смесь метана и более тяжелых компонентов, частично конденсируется по меньшей мере в одном теплообменнике 93.

В настоящем примере указанный теплообменник работает примерно при том же уровне давления, как и теплообменник предварительного охлаждения 43, используя боковой поток 137 хладагента предварительного охлаждения, отобранный из трубопровода 135. Хотя это не проиллюстрировано на фиг. 4, трубопровод 137 соединяется с трубопроводом 137a. До поступления в теплообменник 93 хладагент предварительного охлаждения имеет возможность расширяться посредством клапана 139 до, приблизительно, промежуточного давления. Результирующая испарившаяся газообразная фракция проходит через трубопроводы 140a и 140 к трубопроводу 141, где она повторно объединяется с газообразной фракцией, отобранной из теплообменника предварительного охлаждения 43. Жидкая фракция хладагента предварительного охлаждения отбирается из теплообменника 93 в трубопровод 151 и подается в теплообменник 91 после расширения посредством клапана 152 до, приблизительно, низкого давления. Затем испарившийся хладагент предварительного охлаждения по трубопроводам 153a и 153 поступает в трубопровод 150.

Отмечено, что теплообменники 43 и 93 и/или теплообменники 41 и 91 могут быть выполнены в виде комбинированных теплообменников, содержащих отдельные пространства для природного газа и для хладагента в трубопроводе 32.

Частично сконденсированное сырье 92 вводится, например, через впускное устройство 94, в сепаратор газ/жидкость 95, который может быть предусмотрен, например, в виде скрубберной колонны или подобного устройства. В скрубберной колонне 95 частично сконденсированное сырье разделяется для получения обогащенного метаном газообразного верхнего потока 97 и жидкого, обедненного метаном нижнего потока 115.

Газообразный верхний поток 97 по трубопроводу 97, через теплообменник 91, проходит к верхнему сепаратору 102. В теплообменнике 100 газообразный верхний поток частично конденсируется за счет хладагента предварительного охлаждения, поступающего по трубопроводу 151, и частично сконденсированный верхний поток вводится в верхний сепаратор 102 через впускное устройство 103. В верхнем сепараторе 102 частично сконденсированный верхний поток разделяется на газообразный поток 20 (который, по существу, обеднен компонентами C5+ и/или относительно обогащен метаном по сравнению с сырьевым потоком) и жидкий нижний поток 105. Газообразный поток 20 образует углеводородное сырье и при повышенном давлении поступает в трубопровод 20.

По меньшей мере часть жидкого нижнего потока 105 может вводиться через трубопровод 105 и форсунку 106 в скрубберную колонну 95 в качестве обратного потока. Трубопровод 105 снабжен регулятором расхода (не проиллюстрирован) и/или насосом 108.

Если обратный поток должен быть меньше, чем количество жидкости в частично сконденсированном газообразном верхнем потоке 105, то избыток может передаваться в трубопровод 20 через байпасный трубопровод (не проиллюстрирован) и регулятор расхода (не проиллюстрирован). Если же обратный поток слишком малый, то из внешнего источника (не проиллюстрирован) в обратный поток может быть добавлена внешняя среда обратного потока, соответственно, бутан, подходящим образом в трубопровод 105.

Жидкий нижний поток, обогащенный C3+, удаляется из скрубберной колонны 95 по трубопроводу 115. Далее он может удаляться из технологического процесса, направляться на линию фракционирования и/или хранение/транспортировку и/или ребойлер любым способом, известным специалисту в данной области техники.

Перед началом нормальной работы основной криогенный теплообменник, как описано выше, должен быть охлажден до рабочей температуры. Описываемые в данном документе способы и устройства обеспечивают автоматическое охлаждение основного криогенного теплообменника. Это демонстрируется следующим.

В процессе охлаждения ряд температур, скоростей изменения температуры и перепадов температуры в различных точках в основном криогенном теплообменнике и вокруг него могут контролироваться программируемым контроллером. Это позволяет программируемому контроллеру определять изменение температурного профиля во времени. Фиг. 5 иллюстрирует точки в основном криогенном теплообменнике 100 и вокруг него, где при испытании предусмотрены температурные датчики (TR20, TR25, TR33, TR40, TR47, TR48, TR52, TR54, TR57, TR59) и дифференциальные датчики температуры (TDR2547, TDR2548, TDR2715, TDR5254, TDR5759) в дополнение к другим температурным датчикам и дифференциальным датчикам температуры, которые в данном документе не описываются, поскольку их рассмотрение менее существенно для описанной автоматизации.

Схема на фиг. 5 соответствует схеме по фиг. 4, но ссылочные номера опущены, чтобы выделить ссылочные номера, соответствующие различным проиллюстрированным датчикам. Температурные датчики обозначены кодом «TR» с последующим числом, соответствующим ссылочному номеру, присвоенному компоненту, потоку или линии (трубопроводу), где предусмотрен датчик. Для дифференциальных датчиков температуры используется код TDR с последующими двумя двузначными числами, соответствующими ссылочным номерам, присвоенным компонентам, потокам или линиям (трубопроводам), между которыми предусмотрен дифференциальный датчик. Температурные датчики и дифференциальные датчики температуры генерируют сигналы датчиков, которые могут приниматься и контролироваться программируемым контроллером, который может использовать один или более сигналов в качестве управляемых параметров.

В верхней части основного криогенного теплообменника 100 температуры в трубопроводах 57 и 59 выше по потоку и ниже по потоку от первого дроссельного клапана 58 контролировали с использованием температурных датчиков TR57 и TR59. Также контролировали разность этих температур, что может использоваться для определения фактического эффекта Дж.-Т. в первом дроссельном клапане.

Измеряли разность температур (TDR2715) межтрубного пространства в средней части 27 основного теплообменника и трубного пространства 15 в средней части 27 основного теплообменника. Кроме того, с использованием датчика TR33 измеряли температуру межтрубного пространства вблизи теплого конца 33, а также температуру отработанного хладагента, отбираемого из теплообменника по трубопроводу 25 (TR25).

Температура на входе тяжелой жидкой фракции хладагента может измеряться с использованием датчика TR47, температура на входе потока углеводородов сразу выше по потоку от основного криогенного теплообменника 100 может измеряться с использованием датчика TR20, а температура на выходе потока углеводородов сразу ниже по потоку от основного криогенного теплообменника 100 может измеряться с использованием датчика TR40.

Все измерения температуры стабильны и надежны при наличии прямого потока. Поэтому измерения могут быть время от времени ненадежными, например, в начале охлаждения, когда заторможенный газ возвращается на температурный датчик. Контроль зависит от начальных состояний, к примеру, от режимов давления. Температура, указывающая на окончание охлаждения, представляет собой температуру, измеренную датчиком TR40 на линии отвода углеводородного продукта. Однако в начале охлаждения, когда поток углеводородов чрезвычайно слабый, эти измерения могут быть ненадежными. Поэтому, вместо этого, в начале охлаждения может контролироваться другая температура, соответственно, температура ЛФХ, измеренная датчиком TR59 ниже по потоку от первого дроссельного клапана 58. Однако в конце охлаждения контрольной температурой будет температура, измеренная датчиком TR40.

В процессе охлаждения несколько давлений и перепадов давления в различных точках схемы могут контролироваться программируемым контроллером. На фиг. 5 проиллюстрированы наиболее подходящие датчики давления (PR32, PR54, PR55, PR57, PR150) с использованием кода PR с последующим числом, которое соответствует ссылочному номеру, присвоенному компоненту или линии (трубопроводу), где предусмотрен датчик. Наиболее важные давления, которые должны контролироваться, включают давление всасывания компрессора предварительного охлаждения PR150 в трубопроводе 150, давление всасывания компрессора 30 смешанного хладагента (PR55) в трубопроводе 55; и давление на выходе компрессора смешанного хладагента PR32 в трубопроводе 32.

Эти датчики давления генерируют сигналы датчиков, которые могут приниматься и контролироваться программируемым контроллером, который может использовать один или более сигналов в качестве управляемых параметров.

После длительного отключения устройства давление в схеме может влиять на процедуру охлаждения, в частности, если схема была в полной рециркуляции в течение нескольких дней. При полном охлаждении основного криогенного теплообменника 100 незначительные изменения высокого давления могут иметь большие последствия. Кроме того, перед охлаждением можно контролировать давления, измеренные датчиками PR57 и PR54 (давление в трубах ЛФХ и ТФХ выше по потоку от первого (58) и второго (51) дроссельных клапанов, соответственно). Если эти давления слишком высокие, любое действие клапана может иметь более быструю динамику, поэтому в качестве начального состояния система должна иметь уровень давления, который меньше заданного начального максимального значения давления (при испытании использовали давление 20 бар изб. (2 МПа)).

Для потоков ЛФХ и ТФХ могут быть рассчитаны расходы, чтобы использовать их в качестве управляемых параметров или по меньшей мере параметров, которые будут отслеживаться. Такие расчеты могут быть основаны на разнице в давлении и номинальном открытии первого (58) или второго (51) дроссельных клапанов, соответственно. Для этого могут использоваться измерения давлений до первого и второго дроссельных клапанов как на контуре ЛФХ, так и на контуре ТФХ (датчиками PR57 и PR54, соответственно), и измерения давления всасывания (датчиком PR55) контура хладагента перед подачей к компрессору.

Среднеквадратичное отклонение измерений потока при малой степени открытия дроссельного клапана может быть довольно большим, что может привести к ошибкам его использовании в качестве отслеживаемого параметра. Линейная модель потоков ЛФХ и ТФХ была рассчитана как линейная модель с использованием для всех измерений метода наименьших квадратов при значительной степени открытия клапана. Согласно этой модели оценочные потоки будут определяться как:

F_ЛФХ = K_ЛФХ·X₅₈·√(PR57 – PR55); и

F_ТФХ= K_ТФХ·X₅₁·√(PR54 – PR55),

где F_ЛФХ (F_ТФХ) – расход ЛФХ в трубопроводе 48 (расход ТФХ в трубопроводе 47); Х₅₈ (X₅₁) – степень открытия первого (второго) дроссельного клапана 58 (51), соответственно; и K_ЛФХ (K_ТФХ) – константа, соответствующая тангенсу угла наклона в линейной модели, рассчитанной по методу наименьших квадратов. Было обнаружено, что линейная модель, рассчитанная по методу наименьших квадратов, удовлетворяет требуемой точности. Однако вместо этого могут использоваться другие типы функций. В частности, для расчета потока ТФХ может применяться квадратичная функция, в то время как для потока ЛФХ была обнаружена характерная форма, напоминающая функцию квадратного корня.

Непосредственно перед выполнением автоматического охлаждения основной криогенный теплообменник 100 был предварительно охлажден при ручном управлении до температуры между около –25°C и около –35°C. Другие задачи, которые были завершены на данном этапе вручную, но также могут быть автоматизированы и введены в структуру модуля, как описано, включают:

- регулировку уровня в любом потоке газоконденсатной жидкости (жидкого природного газа, обычно состоящего из молекул, имеющих массу, сопоставимую с пропаном и выше) в экстракционной колонне (например, скрубберной колонне);

- регулировку температуры потока 20;

- сброс давления в контуре хладагента, а именно в трубных пространствах 15, 28;

- регулировку оттаивания смеси газ/холодный газ, используемой для охлаждения труб контура хладагента в температурном диапазоне от около –25°C до около –35°C.

Дальнейшее охлаждение основного криогенного теплообменника до рабочей температуры, составляющей ниже около -155°C, в данном документе до рабочей температуры около -160°C, было достигнуто с использованием способа и устройства автоматического охлаждения. Дальнейшее охлаждение может далее в описании упоминаться как «окончательное охлаждение».

Таким образом, как описано выше, этап (i) может включать получение одного или более показаний температуры хладагента, содержащих по меньшей мере одно из показаний температуры хладагента для жидкой, тяжелой фракции хладагента (ТФХ) и/или для газообразной, легкой фракции хладагента (ЛФХ)

- на стороне впуска дроссельного клапана 14;

- на стороне выпуска дроссельного клапана 14;

- на входной стороне криогенного теплообменника 1;

- в точке внутри криогенного теплообменника 1;

- на стороне выпуска криогенного теплообменника 1.

Таким образом, с учетом варианта реализации изобретения, описанного выше со ссылкой на фиг. 4 и 5, согласно варианту реализации изобретения контур рециркуляции хладагента для рециркуляции отработанного хладагента обратно в криогенный теплообменник содержит множество ступеней сжатия, причем каждая ступень сжатия содержит рециркуляционный клапан компрессора (130, 131) и этап регулировки (507) включает регулировку и закрытие множества рециркуляционных клапанов (509а, 509b).

Таким образом, с учетом варианта реализации изобретения, описанного выше со ссылкой на фиг. 4-6, согласно варианту реализации изобретения ниже по потоку от охладителя 42 и выше по потоку от первого дроссельного клапана предусмотрен сепаратор жидкость/пар 45 в контуре рециркуляции хладагента для получения частично сконденсированного хладагента и разделения потока частично сконденсированного хладагента на жидкую тяжелую фракцию хладагента (ТФХ) и газообразную легкую фракцию хладагента (ЛФХ), а также для выпуска жидкой тяжелой фракции хладагента через выход для жидкости и выпуска газообразной легкой фракции хладагента через выход для газа, причем эти фракции проходят к криогенному теплообменнику, в котором первый дроссельный клапан выполнен с возможностью управления проходом одной из этих фракций, предпочтительно, легкой фракции хладагента и в котором второй дроссельный клапан выполнен с возможностью управления проходом другой из этих фракций, предпочтительно, тяжелой фракции хладагента.

Далее, со ссылкой на фиг. 6, будет описана блок-схема автоматического охлаждения криогенного теплообменника по фиг. 4 или фиг. 5.

Подобно описанному выше варианту реализации изобретения со ссылкой на фиг. 3, после того, как на этапе 501 генерируется сигнал пуска, выполняется этап сравнения 502, который включает:

(i) прием одного или более показаний температуры хладагента, обеспечивая индикацию температуры хладагента,

(ii) сравнение одного или более показаний температуры хладагента с одним или более соответствующими заданными пороговыми значениями, и

(iii) на основании результатов сравнения согласно п. (ii), выбор одной из процедур автоматического охлаждения криогенного теплообменника в теплом состоянии 503 или автоматического охлаждения криогенного теплообменника в холодном состоянии 504.

В данном документе процедура охлаждения в теплом состоянии 503 более подробно не описывается. Дается ссылка на документ WO2009/098278, в котором приведено подробное описание процедуры охлаждения в теплом состоянии.

Процедура охлаждения в холодном состоянии 504 начинается с определения начальных состояний в ходе действия 505, преимущественно таким же образом, как описано выше. Примерами критических начальных состояний являются состояния, при которых:

- присутствует избыток тяжелых компонентов в углеводородном сырье (например, в линии 20) при регулировке потока углеводородов (обычно допускается максимальное содержание C5+ в количестве 0,08 мол.%);

- первый и второй дроссельные клапаны (58, 51) закрыты недостаточно (при испытании степень открытия клапанов составляла более 1%);

- давление в контуре хладагента (ЛФХ и ТФХ) ниже, чем давление на выходе из компрессора 31;

- один или более компрессоров хладагента 30, 31 и компрессор хладагента предварительного охлаждения 127 не находятся в режиме «онлайн» и не работают (что, например, контролируется по скорости компрессора);

- впускной и выпускной клапаны на этих компрессорах не открыты;

- давление хладагента на выходе из компрессора 31 слишком высокое (при испытании использовалось максимальное давление 20 бар изб. (2 МПа));

давление всасывания компрессора хладагента предварительного охлаждения 127 находится вне заданного диапазона давления (соответственно диапазон составляет примерно 0,5 бар изб. (0,05 МПа));

- любая имеющаяся НЗВ закрыта недостаточно.

Примерами некритических начальных состояний являются состояния, при которых:

- показания датчика TDR5759 являются слишком небольшими (обычная минимальная величина, рекомендованная для спирального теплообменника фирмы Air Products and Chemicals Inc, составляет 25°C);

- один или более рециркуляционных клапанов компрессора хладагента (например, 130, 131) открыты недостаточно (при испытании использовали степень открытия менее 99%);

- давление на выходе компрессора 31 ниже заданного минимального значения (при испытании использовали давление 18 бар изб. (1,8 МПа)).

Когда определены начальные состояния и устранены причины появления возможных предупреждений, инициируются действия 506 и 511.

В ходе действия начального открытия 506 первый дроссельный клапан 58 для управления потоком парообразного (легкого) хладагента и второй дроссельный клапан 51 для управления потоком жидкого (тяжелого) хладагента устанавливаются на начальное открытие (506а), причем начальное открытие согласно процедуре автоматического охлаждения в теплом состоянии 503 отличается от этапа начального открытия первого дроссельного клапана 14 согласно процедуре автоматического охлаждения в холодном состоянии 504. Предпочтительно, начальные открытия дроссельных клапанов больше в процедуре автоматического охлаждения в теплом состоянии 503, чем в процедуре автоматического охлаждения в холодном состоянии 504.

Следуя за действием 506a, действие 506b инициирует время ожидания, как описано выше.

Этап начального открытия может включать инициирование начального открытия первого и второго дроссельного клапана, при этом этап начального открытия первого и второго дроссельных клапанов (51, 58) согласно процедуре автоматического охлаждения в теплом состоянии отличается от этапа начального открытия первого и второго дроссельных клапанов (51, 58) согласно процедуре автоматического охлаждения в холодном состоянии.

В частности, начальное открытие первого и второго дроссельных клапанов больше в процедуре автоматического охлаждения в теплом состоянии, чем в процедуре автоматического охлаждения в холодном состоянии.

Начальное открытие может дополнительно включать выполнение этапа СИТ, включающего регулировку открытия первого и второго дроссельных клапанов 51, 58 на основании определенной скорости изменения температуры (СИТ) хладагента, текущего через первый и второй дроссельные клапаны 51, 58, в соответствии со схемой регулировки, при этом процедура автоматического охлаждения в теплом состоянии 503 и процедура автоматического охлаждения в холодном состоянии 504 имеют различные схемы регулировки.

В частности, схема регулировки процедуры охлаждения в холодном состоянии может включать ожидание в течение заданного интервала времени между инициированием начального открытия первого и второго дроссельных клапанов 51, 58 и инициированием регулировки открытия первого и второго дроссельных клапанов 51, 58 на основании контролируемой скорости изменения температуры (СИТ) хладагента, текущего через первый и второй дроссельные клапаны 51, 58.

Далее, после завершения действия 506, процедура автоматического охлаждения в холодном состоянии включает выполнение этапа регулировки (507), который одновременно включает в себя:

- регулировку и закрытие рециркуляционного клапана (509) и

- дополнительную регулировку первого и второго дроссельных клапанов (508a, 508b).

Как описано выше, может иметься множество ступеней сжатия, причем каждая ступень сжатия содержит рециркуляционный клапан компрессора (130, 131), и действие 509, таким образом, может включать регулировку и закрытие множества рециркуляционных клапанов 130, 131.

Регулировка подпитки управляется действием 512, которое выполняется одновременно с действием 507 и регулирует подпитку, чтобы:

• увеличивать давление на выходе компрессора 31 при линейном изменении до целевого рабочего давления (при испытании использовали 30 бар изб. (3 МПа));

• изменять состав хладагента до получения целевого состава, который может быть конечной целью для нормальной работы основного криогенного теплообменника 100 или промежуточной целью.

В ходе процедуры охлаждения целевой состав хладагента может изменяться. Он может изменяться постепенно или ступенчато при достижении управляемым параметром заданной величины. Например, он может измениться, как только температура, измеренная датчиком TR57, опустится ниже заданного значения -135°C или -140°C.

Одновременно с действиями 506 и 507 выполняется действие 511, которое регулирует один или более рециркуляционных клапанов компрессора хладагента предварительного охлаждения, представленный в данном документе в виде рециркуляционного клапана первой ступени 129, который управляет потоком, рециркулирующим через первую ступень сжатия компрессора 127. Целью модуля является поддержание давления всасывания хладагента предварительного охлаждения (в трубопроводе 150 на фиг. 4) в пределах заданного диапазона, например, 0,25 – 0,50 бар изб. (0,025 – 0,05 МПа), но без приближения отклонения давления слишком близко к контрольной границе. Низкое давление гарантирует, что температура углеводородного сырьевого газа, входящего в основной криогенный теплообменник 100 (например, по трубопроводу 20) имеет приемлемое значение. Поэтому температуру в трубопроводе 20 не нужно контролировать или использовать в качестве условия для управления в этом модуле.

Кроме того, температуру на выходе компрессора хладагента предварительного охлаждения 127 (в трубопроводе 135) не контролировали, поскольку в автоматической процедуре охлаждения, использованной при испытании, не предусматривалась возможность управления любым параметром, который мог бы использоваться для улучшения ситуации с высокой температурой на выходе компрессора хладагента предварительного охлаждения 127. Однако это может быть реализовано без отступления от объема изобретения.

Для одного или более отслеживаемых параметров могут быть заданы некоторые предельные границы. Пересечение одной из таких границ (т.е. превышение заданного максимального и/или минимального значения) одним или более отслеживаемыми параметрами может приводить к выдаче предупредительного сигнала для оповещения оператора, или приостановке охлаждения, или аварийному прекращению охлаждения, или комбинации этих действий.

Типичными примерами таких предельных границ являются:

- заданная максимальная скорость изменения температуры (например, 28°С/час, как указано для криогенного теплообменника фирмы Air Products) при любой выбранной температуре, соответственно при одной или более температурах углеводородного продукта в месте расположения в трубном пространстве 29 и/или в выпускном трубопроводе 40; температура отработанного хладагента (например, в нижнем теплом конце межтрубного пространства 33 или в трубопроводе 25); температура хладагента на стороне выпуска первого дроссельного клапана 58 или второго дроссельного клапана 51, или на его стороне впуска; любая температура межтрубного пространства в теплообменнике 1;

- заданный максимальный пространственный градиент температуры, отражающий определенную максимальную разность температур между двумя пространственно разделенными точками в теплообменнике или вокруг него (например, максимальную разность температур 28°С), соответственно разность температур TDR2547 между легким хладагентом выше по потоку от основного криогенного теплообменника 100 и отработанным хладагентом (также возможно: TDR3347, не проиллюстрировано); разность температур TDR2548 между тяжелым хладагентом выше по потоку от основного криогенного теплообменника 100 и отработанным хладагентом (также возможно: TDR3348, не проиллюстрировано); TDR2715; и TDR5759;

- заданное максимальное содержание (0,08 мол.%) тяжелых компонентов в сырьевом потоке углеводородов, который будет заморожен в основном криогенном теплообменнике 100;

- впускной и выпускной клапаны компрессора хладагента закрыты;

- максимальное заданное давление межтрубного пространства (5 бар изб. (0,5 МПа)) на холодном конце основного криогенного теплообменника;

- обнаружение аварийного отключения;

- наличие ошибок связи в системе управления.

Очевидно, что могут использоваться другие предельные границы, например, при использовании криогенных теплообменников других типов.

Хотя это и не реализовано при испытании, предполагается, что описанные выше блок-схемы (по фиг. 6 или аналогичные для другой схемы или теплообменника) будут дополнительно включены в более крупную структуру, содержащую другие предшествующие или последующие действия или и то, и другое. Пример проиллюстрирован на фиг. 7.

Фиг. 7 иллюстрирует пример с некоторыми задачами, выполняющимися после охлаждения. Например, это могут быть промежуточные задачи, которые должны быть завершены до того, как автоматическая система управления технологическим процессом может взять на себя управление для нормальной работы. Например, модуль 401 регулирует спускной клапан 44 с целью постепенного увеличения потока углеводородов через трубопроводы 20 и 40 и трубное пространство 29.

Следовательно, другие модули могут работать параллельно с модулем 401. В качестве примера проиллюстрирован модуль 402, но также может иметься модуль для наращивания любой секции фракционирования, которая может быть предусмотрена ниже по потоку от любой экстракционной колонны природного газоконденсата для приема и дальнейшего фракционирования экстрагированных газоконденсатных жидкостей. Специалист в данной области техники сможет определить, какие регулируемые и управляемые параметры могут использоваться, в зависимости от типа применяемой схемы и оборудования.

Устройства и способы, описанные в данном документе, могут применяться к криогенным теплообменникам всякий раз, когда криогенный теплообменник необходимо охладить перед работой. Например, это может быть начальное охлаждение или охлаждение после операции технического обслуживания, или после аварийного отключения: причина, по которой температура теплообменника превышала рабочую температуру, не относится к объекту изобретения, описанному в данном документе.

Специалисту в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение может быть выполнено многими различными способами, без отступления от объема прилагаемой формулы изобретения. Изобретение было описано подробно, включая целевые значения для определенных управляемых параметров. Тем не менее, специалисту в данной области техники будет понятно, что эти целевые значения были выбраны в соответствии с определенной схемой и оборудованием, используемым для проведения испытания. Может потребоваться оптимизация таких целевых значений, когда изобретение должно осуществляться на другой схеме с использованием другого оборудования, и поэтому они не должны рассматриваться как ограничение объема настоящего изобретения.

Настоящее изобретение относится к способу и устройству охлаждения криогенного теплообменника, предназначенного для сжижения потока углеводородов, такого как поток природного газа. Способ включает прием одного или более показаний температуры хладагента, обеспечивая индикацию температуры хладагента, сравнение одного или более показаний температуры хладагента с одним или более соответствующими заданными пороговыми значениями и выбор одной из процедур автоматического охлаждения криогенного теплообменника в теплом состоянии и автоматического охлаждения криогенного теплообменника в холодном состоянии на основании результатов сравнения. Технический результат состоит в увеличении скорости охлаждения теплообменника 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для охлаждения криогенного теплообменника, предназначенного для сжижения потока углеводородов, такого как поток природного газа, причем криогенный теплообменник выполнен с возможностью принимать подлежащий сжижению поток углеводородов и хладагент для проведения теплообмена между потоком углеводородов и хладагентом, тем самым по меньшей мере частично сжижая поток углеводородов, а также выпускать по меньшей мере частично сжиженный поток углеводородов и отработанный хладагент, прошедший через криогенный теплообменник, содержащее

- контур рециркуляции хладагента для рециркуляции отработанного хладагента обратно в криогенный теплообменник, при этом контур рециркуляции хладагента содержит по меньшей мере компрессор, рециркуляционный клапан компрессора, охладитель и первый дроссельный клапан (Джоуля-Томсона);

- программируемый контроллер, выполненный с возможностью выполнения этапа сравнения (502), включающего:

(i) прием одного или более показаний температуры хладагента, обеспечивая индикацию показаний температуры хладагента,

(ii) сравнение одного или более показаний температуры хладагента с одним или более соответствующими заданными пороговыми значениями и

(iii) выбор одной из: процедуры автоматического охлаждения криогенного теплообменника в теплом состоянии и процедуры автоматического охлаждения криогенного теплообменника в холодном состоянии на основании результатов сравнения по п. (ii),

причем процедура охлаждения в теплом и холодном состоянии включает этап начального открытия, включающий инициирование начального открытия первого дроссельного клапана, при этом этап начального открытия первого дроссельного клапана согласно процедуре автоматического охлаждения в теплом состоянии отличается от этапа начального открытия первого дроссельного клапана согласно процедуре автоматического охлаждения в холодном состоянии,

программируемый контроллер выполнен с возможностью, в качестве части этапа начального открытия (506), выполнения этапа СИТ, включающего регулировку открытия первого дроссельного клапана (14) на основании определенной скорости изменения температуры (СИТ) хладагента, текущего через первый дроссельный клапан (14), в соответствии со схемой регулировки, при этом процедура автоматического охлаждения в теплом состоянии (503) и процедура автоматического охлаждения в холодном состоянии (504) включают различные схемы регулировки,

при этом процедура охлаждения в холодном состоянии отличается от процедуры охлаждения в теплом состоянии, так как процедура охлаждения в теплом состоянии включает этап, на котором первый дроссельный клапан закрыт, тогда как процедура охлаждения в холодном состоянии может начинаться при открытом первом дроссельном клапане.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что одно или более показаний температуры хладагента содержат по меньшей мере одну из индикаций температуры хладагента

- на стороне впуска дроссельного клапана;

- на стороне выпуска дроссельного клапана;

- на входной стороне криогенного теплообменника;

- в точке внутри криогенного теплообменника;

- на стороне выпуска криогенного теплообменника.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что начальное открытие первого дроссельного клапана является большим в процедуре автоматического охлаждения в теплом состоянии, чем в процедуре автоматического охлаждения в холодном состоянии.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что этап начального открытия первого дроссельного клапана в процедуре автоматического охлаждения в теплом состоянии включает инициирование заданного начального открытия первого дроссельного клапана, при этом этап начального открытия первого дроссельного клапана в процедуре автоматического охлаждения в холодном состоянии включает определение текущего открытия первого дроссельного клапана и назначение определенного текущего открытия первого дроссельного клапана.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, в котором этап начального открытия процедуры охлаждения в холодном состоянии дополнительно включает открытие рециркуляционного клапана компрессора.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что определение скорости изменения температуры (СИТ) хладагента, текущего через первый дроссельный клапан, осуществляется путем сравнения двух показаний температуры хладагента, полученных в первый и второй момент времени соответственно, при этом первый и второй момент времени разделены заданным временным интервалом, причем заданный интервал времени согласно процедуре охлаждения в холодном состоянии является меньшим, чем заданный интервал времени согласно процедуре охлаждения в теплом состоянии.

7. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что схема регулировки процедуры охлаждения в холодном состоянии включает ожидание в течение заданного интервала времени между инициированием начального открытия первого дроссельного клапана и инициированием регулировки открытия первого дроссельного клапана на основании контролируемой скорости изменения температуры (СИТ) хладагента, текущего через первый дроссельный клапан.

8. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что процедура автоматического охлаждения в холодном состоянии включает выполнение этапа регулировки (507), который одновременно включает

- регулировку и закрытие рециркуляционного клапана (509) и

- дальнейшую регулировку дроссельного клапана (508).

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что контур рециркуляции хладагента для рециркуляции отработанного хладагента обратно в криогенный теплообменник содержит множество ступеней сжатия, причем каждая ступень сжатия содержит рециркуляционный клапан компрессора (130, 131) и этап регулировки (507) включает регулировку и закрытие множества рециркуляционных клапанов (509а, 509b).

10. Устройство по любому из предшествующих пунктов,

отличающееся тем, что ниже по потоку от охладителя и выше по потоку от первого дроссельного клапана в контуре рециркуляции хладагента предусмотрен жидкостно-паровой сепаратор для получения частично сконденсированного хладагента и разделения потока частично сконденсированного хладагента на жидкую тяжелую фракцию хладагента (ТФХ) и газообразную легкую фракцию хладагента (ЛФХ), а также для выпуска жидкой тяжелой фракции хладагента через выход для жидкости и выпуска газообразной легкой фракции хладагента через выход для газа, причем эти фракции проходят к криогенному теплообменнику, в котором первый дроссельный клапан выполнен с возможностью управления проходом одной из этих фракций, предпочтительно легкой фракции хладагента, и в котором второй дроссельный клапан выполнен с возможностью управления проходом другой из этих фракций, предпочтительно тяжелой фракции хладагента.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что этап начального открытия включает инициирование начального открытия первого и второго дроссельного клапана, при этом этап начального открытия первого и второго дроссельных клапанов (51, 58) согласно процедуре автоматического охлаждения в теплом состоянии отличается от этапа начального открытия первого и второго дроссельных клапанов (51, 58) согласно процедуре автоматического охлаждения в холодном состоянии.

12. Устройство по п. 10,

отличающееся тем, что процедура автоматического охлаждения в холодном состоянии включает выполнение этапа регулировки (507), который одновременно включает

- регулировку и закрытие рециркуляционного клапана (509) и

- дальнейшую регулировку первого и второго дроссельных клапанов (508a, 508b).

13. Способ охлаждения криогенного теплообменника, предназначенного для сжижения потока углеводородов, такого как поток природного газа, включающий этапы, на которых

- предоставляют криогенный теплообменник, выполненный с возможностью приема потока углеводородов, подлежащего сжижению, и хладагента для проведения теплообмена между потоком углеводородов и хладагентом, тем самым по меньшей мере частично сжижая поток углеводородов, а также для выпуска по меньшей мере частично сжиженного потока углеводородов и отработанного хладагента, прошедшего через криогенный теплообменник,

- обеспечивают контур рециркуляции хладагента для рециркуляции отработанного хладагента обратно в криогенный теплообменник, при этом контур рециркуляции хладагента содержит по меньшей мере компрессор, рециркуляционный клапан компрессора, охладитель и первый дроссельный клапан;

- выполняют этап сравнения (502), включающий:

(i) прием от датчиков входных сигналов, представляющих сигналы одного или более показаний температуры хладагента, обеспечивающих индикацию температуры хладагента,

(ii) сравнение одного или более показаний температуры хладагента с одним или более соответствующими заданными пороговыми значениями и

(iii) выбор одной из процедур автоматического охлаждения криогенного теплообменника в теплом состоянии и автоматического охлаждения криогенного теплообменника в холодном состоянии на основании результатов сравнения согласно п. (ii),

причем процедура охлаждения в теплом и холодном состоянии включает этап начального открытия, включающий инициирование начального открытия первого дроссельного клапана, при этом этап начального открытия первого дроссельного клапана согласно процедуре автоматического охлаждения в теплом состоянии отличается от этапа начального открытия первого дроссельного клапана согласно процедуре автоматического охлаждения в холодном состоянии,

программируемый контроллер выполнен с возможностью, в качестве части этапа начального открытия (506), выполнения этапа СИТ, включающего регулировку открытия первого дроссельного клапана (14) на основании определенной скорости изменения температуры (СИТ) хладагента, текущего через первый дроссельный клапан (14), в соответствии со схемой регулировки, при этом процедура автоматического охлаждения в теплом состоянии (503) и процедура автоматического охлаждения в холодном состоянии (504) включают различные схемы регулировки,

при этом процедура охлаждения в холодном состоянии отличается от процедуры охлаждения в теплом состоянии, так как процедура охлаждения в теплом состоянии включает этап, на котором первый дроссельный клапан закрыт, тогда как процедура охлаждения в холодном состоянии может начинаться при открытом первом дроссельном клапане.

14. Способ сжижения потока углеводородов, такого как поток природного газа, включающий следующие этапы:

- охлаждение криогенного теплообменника, предназначенного для сжижения потока углеводородов в соответствии со способом по п. 13;

- последующее сжижение потока углеводородов на одном или более этапах, включающих по меньшей мере теплообмен потока углеводородов в криогенном теплообменнике.

15. Способ сжижения потока углеводородов, такого как поток природного газа, включающий следующие этапы:

- охлаждение криогенного теплообменника, предназначенного для сжижения потока углеводородов с использованием устройства по любому из пп. 1-12;

- последующее сжижение потока углеводородов на одном или более этапах, включающих по меньшей мере теплообмен потока углеводородов в криогенном теплообменнике.