СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СОСТАВА ХЛАДАГЕНТА В ЦИКЛЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШАННОГО ХЛАДАГЕНТА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
METHOD OF CONTROLLING COMPOSITION OF COOLANT IN CYCLE OF PRELIMINARY MIXED COOLANT DURING PRODUCTION OF LIQUEFIED NATURAL GAS

Изобретение относится к системам управления компрессионных холодильных машин, а именно к регулированию состава хладагента в цикле предварительного смешанного хладагента при производстве сжиженного природного газа.
Из международной заявки WO 2012125018 известен способ управления процессом сжижения природного газа с помощью установки, работающей на смешанном хладагенте, заключающийся в периодическом измерении текущих параметров указанного процесса и регулировании состава хладагента в основном криогенном теплообменнике (ОКТ) с целью достижения оптимальных параметров процесса. Существо способа заключается в использовании «системы управления на инструкциях» в форме программного кода, обеспечивающей поддержание желаемого температурного профиля ОКТ.
Недостатками известного способа являются недостаточные точность и скорость регулирования для условий с быстро меняющейся температурой окружающей среды. Кроме того, в известном способе сжижение природного газа осуществляется с использованием одного контура смешанного хладагента.
При сжижении природного газа по технологии с двойным смешанным хладагентом (Double Mixed Refrigerant – DMR), описанной, например, в монографии Е.Б. Федоровой «Современное состояние и развитие мировой индустрии сжиженного природною газа: технологии и оборудование». М., РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2011, с. 80 – 82, используются два потока циркулирующего смешанного хладагента: в контуре предварительного охлаждения и в контуре сжижения. Упрощенная схема производства сжиженного природного газа по технологии DMR показана на фиг. 1. Как показано на фиг. 1, предварительный смешанный хладагент (ПСХ) сжимается в двухступенчатом компрессоре К3 с воздушным охлаждением и поступает в трубный пучок теплообменника Т1. На выходе из теплообменника Т1 ПСХ разделяется на два потока. Первый поток дросселируется в устройстве Д5 и направляется в межтрубное пространство теплообменника Т1 для охлаждения потоков, поднимающихся по трубным пучкам. Второй поток направляется в теплообменник Т2 для дальнейшего охлаждения, дросселирования в устройстве Д4 и образования потока охлаждения теплообменника Т2. Выходящие из нижней части теплообменников Т1 и Т2 потоки газа направляются в компрессор К3.
Очищенный природный газ и смешанный хладагент (СХ) основного цикла сжижения охлаждаются в цикле предварительного охлаждения до температуры от –50 до –80 °С, проходя последовательно снизу-вверх по трубным пучкам теплообменников Т1 и Т2.
СХ, состоящий преимущественно из метана и этана с добавлением некоторого количества пропана и азота, охлаждается в теплообменнике Т1 и частично конденсируется в теплообменнике Т2, после чего разделяется в сепараторе С1 и двумя потоками, жидким и газовым, поступает снизу в трубные пучки основного криогенного теплообменника ТЗ. Хладагент основного цикла сжижения, выйдя из нижней части теплообменника ТЗ, подается на всасывание в двухступенчатый компрессор К1,2, где сжимается, охлаждается и возвращается в теплообменник Т1.
В основном криогенном теплообменнике ТЗ природный газ при движении по трубным пучкам снизу-вверх сжижается и переохлаждается до температуры –153°С. После основного криогенного теплообменника сжатый и сжиженный газ расширяется в устройстве Д1 до 0,12-0,13 МПа, охлаждается до температуры –101°С и направляется в резервуар для хранения.
Хладагент цикла предварительного охлаждения (ПСХ) представляет собой смесь этана и пропана с добавлением небольших количеств метана. Использование смешанного хладагента в цикле предварительного охлаждения делает процесс более гибким и эффективным в условиях низких температур окружающего воздуха. Процесс может быть легко адаптирован к изменению внешней температуры путем изменения соотношения компонентов в ПСХ.
Однако регулирование состава хладагента в цикле предварительного смешанного хладагента для минимизации температуры цикла исходя из текущей температуры окружающей среды крайне сложно осуществить из-за ограниченных расходов газовых подпиток. Для столь большого по объёму цикла, как ПСХ, данная ситуация с подпитками вызывает ограничения по скорости изменения состава компонентов ПСХ. В связи с изменением оптимальной композиции ПСХ вслед за изменением температуры окружающей среды и с учетом ограниченной скорости изменения состава ПСХ даже при дневных колебаниях температуры зачастую состав не будет оптимальным.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является разработка способа регулирования состава предварительного смешанного хладагента, позволяющего оптимизировать состав предварительного хладагента в зависимости от температуры окружающей среды, обеспечивая точное и устойчивое регулирование. Технический результат заключается в повышении эффективности цикла предварительного охлаждения за счет поддержания оптимального состава предварительного смешанного хладагента, минимизируя тем самым температуру охлаждаемого продукта при производстве СПГ.
Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в способе регулирования состава хладагента в цикле предварительного смешанного хладагента при производстве сжиженного природного газа регулирование осуществляют с учетом температур, полученных из прогноза погоды, при этом способ включает в себя этапы, на которых измеряют концентрацию каждого компонента предварительного смешанного хладагента; измеряют температуру окружающей среды; рассчитывают требуемую концентрацию каждого компонента для измеренной и каждой из температур, полученных из прогноза погоды, на основании заранее определенной для указанного цикла зависимости оптимальной концентрации каждого компонента от температуры окружающей среды; для каждой из температур, полученных из прогноза погоды, рассчитывают промежуток времени, необходимый для изменения концентрации каждого компонента в соответствующую сторону при переходе к следующей из температур, полученных из прогноза погоды, используя максимально возможную для указанного цикла скорость изменения концентрации каждого компонента как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения; и сравнивают измеренную концентрацию каждого компонента с требуемой и изменяют концентрацию каждого компонента с учетом рассчитанных промежутков времени и того, в какую сторону изменяются концентрации компонентов в течение этих промежутков времени.
Концентрацию каждого компонента в сторону увеличения изменяют путем введения в цикл этого компонента, а в сторону уменьшения – путем введения в цикл остальных компонентов.
Компонентами предварительно смешанного хладагента являются метан, этан и пропан.
Суточный прогноз погоды предпочтительно получают с данными о температуре через каждый час.
Предпочтительно из рассчитанных промежутков времени выбирают такие промежутки времени, которые превышают промежуток времени между двумя смежными значениями температуры из прогноза погоды, а сравнение измеренной концентрации каждого компонента с требуемой осуществляют с учетом величин выбранных промежутков времени.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана упрощенная схема производства сжиженного природного газа по технологии DMR;
на фиг. 2 – график, показывающий изменение по времени расчетной концентрации этана, концентрации этана в предварительно смешанном хладагенте при регулировании без учета прогноза погоды и при регулировании с учетом прогноза погоды согласно изобретению.
Основной задачей регулирования состава ПСХ является минимизация температуры цикла, исходя из текущей температуры окружающей среды. Минимизируемая таким образом температура является температурой природного газа (ПГ), который покидает цикл ПСХ. Она так же показывает количество работы, сэкономленной в цикле СХ для сжижения ПГ, что в свою очередь позволяет при той же максимальной загрузке компрессора СХ произвести больше продукта (то есть сжижать больше ПГ).
Необходимо понимать, что чем легче состав ПСХ, тем эффективней цикл ПСХ, потому что в теплообменниках Т1 и Т2 (фиг. 1) достигается более холодная температура при понижении давления исходя из диаграмм фазового состояния. Однако с другой стороны более легкий состав ПСХ приводит к повышению давления в сепараторе С1 и компрессору ПСХ необходимо больше мощности, т.к. при той же массе ПСХ его объём возрастает, и важно не перевести вспомогательный мотор компрессора ПСХ (не показан) из производящего в потребляющий мощность (данный переход негативно влияет на общую эффективность процесса, перевешивая выигрыш от облегчения состава ПСХ). Вспомогательный мотор компрессора ПСХ необходим для того что бы утилизировать переизбытки энергии, вырабатываемой газовой турбиной (условно не показана) при вращении компрессора К3 или же, наоборот, помогать газовой турбине, если энергии не хватает для поддержания заданной частоты оборотов компрессора. Для максимизации производства энергия для вспомогательных моторов СХ и ПСХ берется из общей системы питания, однако данная мощность лимитирована, и обычно она вся идет на вспомогательный мотор компрессора СХ как с общей сети, так и со вспомогательного мотора компрессора ПСХ. Именно по этой причине необходимо поддерживать вспомогательный мотор компрессора ПСХ в режиме выработки энергии путем поддержания оптимального состава ПСХ. Мощность турбин так же непостоянна и зависит в том числе от температуры воздуха. Чем выше температура окружающей среды, тем меньшую мощность вырабатывают турбины.
Таким образом, оптимальная концентрация компонентов ПСХ зависит от температуры окружающей среды. Эта зависимость для каждого из компонентов ПСХ может быть получена опытным путем для конкретной установки по производству сжиженного природного газа.
Важно отметить, что предпочтительным для цикла ПСХ является добавление компонентов, т.е. для понижения концентрации какого-либо компонента ПСХ необходимо добавлять другие два. Добавление компонентов ПСХ может осуществляться посредством открытия подпиток. Для этана и пропана могут использоваться как газовые, так и жидкостные подпитка, а для метана – только газовая. В процессе добавления лишняя жидкость, создающая избыточный уровень в сепараторе (условно не показан) на выкиде компрессора ПСХ (К3), дренируется (в установку фракционирования), что также помогает снизить концентрацию компонента, а избыточные компоненты, находящиеся в газовой фазе в этом же сепараторе (преимущественно метан), создают избыточное давление и отводятся в цикл СХ.
Температура окружающей среды может значительно меняться, особенно в осенней и весенний периоды, когда перепад температуры за небольшой период времени может доходить до 15 °C. Из-за этого регулирование состава ПСХ в зависимости только от текущей температуры окружающей среды с учетом ограниченной скорости изменения состава ПСХ приводит к тому, что состав ПСХ не будет оптимальным.
Для достижения оптимальных концентраций компонентов в ПСХ или, по крайней мере, приближения к ним, регулирование состава ПСХ согласно изобретению осуществляют с учетом температур, полученных из прогноза погоды.
Прогноз погоды предпочтительно получают в виде данных о почасовой температуре на сутки вперед, например, с 5 утра до 5 утра следующего дня. Прогноз погоды может обновляться каждые 12 часов.
Измеряют концентрацию каждого компонента ПСХ и температуру окружающей среды и рассчитывают требуемую концентрацию каждого компонента для измеренной и каждой из температур, полученных из прогноза погоды, на основании заранее определенной для указанного цикла зависимости оптимальной концентрации каждого компонента от температуры окружающей среды.
Пример изменения рассчитанной концентрации этана по времени с учетом допустимых отклонений в 1% показан на фиг. 2.
Затем для каждой из температур, полученных из прогноза погоды, рассчитывают промежуток времени, необходимый для изменения концентрации каждого компонента в соответствующую сторону (в сторону увеличения и в сторону уменьшения концентрации) при переходе к следующей из температур, полученных из прогноза погоды, (в частности, к температуре для следующего часа), используя максимально возможную для цикла ПСХ скорость изменения концентрации каждого компонента как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Указанные скорости могут быть определены расчетным или опытным путем.
Из рассчитанных промежутков времени выбирают такие промежутки времени, которые превышают промежуток времени между двумя смежными значениями температуры из прогноза погоды, в частности, промежутки времени, превышающие 1 час (для почасового прогноза погоды).
После этого сравнивают измеренную концентрацию каждого компонента с требуемой и изменяют концентрацию каждого компонента с учетом выбранных промежутков времени и того, в какую сторону изменяются концентрации компонентов в течение этих промежутков времени.
При этом учитывается, на какую величину выбранные промежутки времени превышают промежуток времени между двумя смежными значениями температуры из прогноза погоды (1 час), и начинают заранее изменять концентрацию соответствующего компонента с учетом величины указанного превышения, а также в зависимости от того, в какую сторону изменяется концентрация компонента, сравнение с требуемой концентрацией осуществляют либо с нижним ее допустимым пределом, либо с верхним.
Как показано на фиг. 2, регулирование состава хладагента в цикле предварительного смешанного хладагента, в частности, для этана, в соответствии со способом согласно изобретению по сравнению с регулированием без учета прогноза погоды позволяет добиться того, что концентрация этана значительно меньше выходит за границы допустимых значений оптимальной его концентрации.