潘紅宇 李順麗 李玉星 朱建魯

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院 青島 266580)

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丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝控制方式優(yōu)選

潘紅宇 李順麗 李玉星 朱建魯

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院 青島 266580)

丙烷預(yù)冷混合制冷劑流程是目前最常用的天然氣液化流程，該流程結(jié)合了級(jí)聯(lián)式液化流程與混合制冷劑流程液化流程的優(yōu)點(diǎn)，既高效又簡(jiǎn)單。由于實(shí)際情況中存在外界因素的干擾，需要控制器來(lái)維持液化裝置的穩(wěn)定，因此需要針對(duì)液化工藝的控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)分別模擬了液位控制、溫度控制和串級(jí)控制應(yīng)用在丙烷預(yù)冷混合制冷劑工藝各系統(tǒng)中的適應(yīng)性，在此基礎(chǔ)上通過(guò)改變控制器的設(shè)定值得出液化工藝系統(tǒng)的響應(yīng)以及恢復(fù)穩(wěn)定所需要的響應(yīng)時(shí)間，從而得出各個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)的控制方式。結(jié)果表明：在丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝中，丙烷預(yù)冷系統(tǒng)采用液位控制或串級(jí)控制，混合制冷劑系統(tǒng)采用液位控制，天然氣系統(tǒng)采用串級(jí)控制時(shí)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和較快的響應(yīng)速度。

制冷劑；液化工藝；控制；動(dòng)態(tài)仿真

液化天然氣[1](liquefied natural gas，LNG)，主要成分是甲烷，體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/625，燃燒后對(duì)空氣污染非常小，而且放出的熱量大，所以液化天然氣是一種比較先進(jìn)的能源。液化天然氣流程按照制冷方式可分為三大類[2]：級(jí)聯(lián)式液化流程、混合制冷劑液化流程、帶膨脹機(jī)的液化流程。實(shí)際生產(chǎn)中，最常用的是丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝[3]，這是因?yàn)樵谠摴に囍斜橹评鋭┫到y(tǒng)用于對(duì)混合制冷劑和天然氣預(yù)冷，而混合制冷劑系統(tǒng)用于對(duì)天然氣深冷、液化和過(guò)冷，丙烷制冷劑系統(tǒng)[4]所能提供的冷量占整個(gè)系統(tǒng)所提供的總冷量的1/3左右，混合制冷劑壓縮機(jī)的負(fù)荷大大減輕，增加了單條生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力，且該流程具有較低的比功耗，適應(yīng)天然氣液化裝置大型化的需要，所以丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝得到廣泛的使用。

天然氣液化裝置運(yùn)行時(shí)，外界條件時(shí)刻變化，此時(shí)需要控制系統(tǒng)來(lái)維持液化裝置的穩(wěn)定，因此選擇合理的控制方式在液化工藝中極為重要，而動(dòng)態(tài)仿真是驗(yàn)證液化工藝中控制器穩(wěn)定性的重要方法。國(guó)外對(duì)液化工藝的動(dòng)態(tài)仿真起步較早，文獻(xiàn)[5-7]中建立了液化工藝中主要設(shè)備的動(dòng)態(tài)模型，并對(duì)液化工藝進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，但僅僅局限于液化工藝的動(dòng)態(tài)仿真，并沒(méi)有就液化工藝中的控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，文獻(xiàn)[8-10]對(duì)單級(jí)混合制冷劑液化工藝和多級(jí)混合制冷劑液化工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)仿真。挪威科技大學(xué)[11-13]對(duì)混合制冷劑液化工藝的動(dòng)態(tài)仿真做了大量的工作，以挪威建設(shè)的大型天然氣液化裝置為基礎(chǔ)，建立了混合制冷劑液化工藝中的主要設(shè)備及控制器的動(dòng)態(tài)模型，并對(duì)級(jí)聯(lián)式混合制冷劑液化工藝、單級(jí)混合制冷劑液化工藝和多級(jí)混合制冷劑液化工藝進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真和控制方式的研究，但是并沒(méi)有針對(duì)丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝的控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。相對(duì)來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)對(duì)混合制冷劑液化工藝的動(dòng)態(tài)仿真起步較晚，關(guān)于液化工藝控制方式方面的研究?jī)?nèi)容較少，主要集中在上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)。上海交通大學(xué)[14-15]從上世紀(jì)90年代開(kāi)始從事天然氣液化相關(guān)技術(shù)的研究，主要采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行液化工藝的分析和研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[16]主要針對(duì)混合制冷劑循環(huán)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究、流程操作特性和適應(yīng)性研究。

圖1所示為丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝，在工藝系統(tǒng)中，混合制冷劑和丙烷制冷劑系統(tǒng)均可以采用液位控制、溫度控制和串級(jí)控制的控制方式，天然氣系統(tǒng)可采用溫度控制和串級(jí)控制的控制方式。但是這些控制方式所適用的工藝和環(huán)境不盡相同，當(dāng)需要改變控制的設(shè)定值來(lái)對(duì)工藝系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，控制的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度對(duì)整個(gè)液化工藝有重大影響，所以需要對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。在控制器中，SP代表設(shè)定值，PV代表實(shí)測(cè)值，OP代表控制閥門的開(kāi)度。

圖1 丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝流程圖Fig.1 The flow diagram of propane pre-cooling mixed refrigerant liquefaction process

1 液位控制

液位控制通常是通過(guò)節(jié)流閥來(lái)控制緩沖罐的液位，達(dá)到控制工藝系統(tǒng)的一種控制方式，具有非線性，滯后，耦合等特征，能夠很好模擬工業(yè)過(guò)程特征。

在丙烷制冷劑系統(tǒng)中，液位控制通過(guò)控制丙烷節(jié)流閥的開(kāi)度來(lái)控制丙烷緩沖罐的液位。圖2所示為液位控制在丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝中的應(yīng)用效果，圖2(a)所示為改變丙烷制冷劑液位控制的SP時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)，從圖中可以看出，10 min時(shí)，將液位控制的SP由60%降低至50%，節(jié)流閥后緩沖罐的液位經(jīng)過(guò)短時(shí)間的波動(dòng)后，在15 min時(shí)穩(wěn)定在50%，閥門開(kāi)度穩(wěn)定在37.08%。這是由于液位控制操作節(jié)流閥開(kāi)度減小，從而流量減小，節(jié)流閥后緩沖罐的液位波動(dòng)減小直至穩(wěn)定。

在混合制冷劑系統(tǒng)中，液位控制通過(guò)控制混合制冷劑節(jié)流閥的開(kāi)度來(lái)控制混合制冷劑緩沖罐的液位。圖2(b)所示為改變混合制冷劑液位控制的SP時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)，從圖中可以看出，10 min時(shí)，將液位控制的SP由50%升至60%，節(jié)流閥前緩沖罐的液位經(jīng)過(guò)短時(shí)間的波動(dòng)后，在12 min時(shí)穩(wěn)定在60%，閥門開(kāi)度穩(wěn)定在50.8%。這是由于液位控制操作節(jié)流閥開(kāi)度增大，從而流量增加，節(jié)流閥前緩沖罐的液位波動(dòng)增加直至穩(wěn)定。

圖2 液位控制Fig.2 Level control

圖3 溫度控制Fig.3 Temperature control

2 溫度控制

溫度控制通常是通過(guò)節(jié)流閥來(lái)控制關(guān)鍵區(qū)域的溫度，達(dá)到控制工藝系統(tǒng)的一種控制方式，具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大的優(yōu)點(diǎn)。

在丙烷制冷劑系統(tǒng)中，溫度控制通過(guò)控制丙烷節(jié)流閥的開(kāi)度來(lái)控制天然氣預(yù)冷段出口后的溫度。圖3所示為溫度控制在丙烷預(yù)冷混合制冷劑工藝中的應(yīng)用效果，圖3(a)所示為是改變丙烷制冷劑溫度控制的SP時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)，從圖中可以看出在10 min時(shí)，將溫度控制的SP由5.231 ℃升至6 ℃，換熱器出口天然氣的溫度經(jīng)過(guò)短時(shí)間的波動(dòng)后，在35 min時(shí)穩(wěn)定在6 ℃，閥門開(kāi)度穩(wěn)定在46.2%。這是由于溫度控制的SP增大后，換熱器出口天然氣溫度上升，換熱器的換熱量減少，所需丙烷制冷劑的流量減少，所以溫度控制調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度減小，流量減少，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。

在混合制冷劑系統(tǒng)中，溫度控制通過(guò)控制混合制冷劑節(jié)流閥的開(kāi)度來(lái)控制天然氣出液化段后的溫度。圖3(b)所示為改變混合制冷劑溫度控制SP時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)，從圖中可以看出，10 min時(shí)，將溫度控制的SP由-64.63 ℃升至-62 ℃，換熱器出口天然氣溫度在18 min時(shí)穩(wěn)定在-62 ℃左右，但在60 min時(shí)，天然氣溫度持續(xù)上升，同時(shí)閥門開(kāi)度也持續(xù)上升，直至75 min時(shí)閥門開(kāi)度達(dá)到100%并保持不變，此時(shí)天然氣溫度仍然沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定，控制失效。這說(shuō)明溫度控制對(duì)混合制冷劑節(jié)流閥系統(tǒng)并不合適。

在天然氣系統(tǒng)中，溫度控制通過(guò)控制LNG節(jié)流閥的開(kāi)度來(lái)控制天然氣出過(guò)冷段后的溫度。圖3(c)所示為改變LNG溫度控制SP時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)，從圖中可以看出，30 min時(shí)，將天然氣入口壓力由5000 kPa升至6000 kPa，LNG節(jié)流閥前溫度會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)，且振幅越來(lái)越小，1000 min時(shí)才逐漸穩(wěn)定在-151 ℃左右，同時(shí)閥門開(kāi)度穩(wěn)定在46%。可以看出溫度控制雖然可以控制天然氣末端節(jié)流閥，但所需時(shí)間很長(zhǎng)，并不是一種合適的控制方式。

3 串級(jí)控制

串級(jí)控制通常由兩級(jí)控制組成，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的控制系統(tǒng)，具有對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)，能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，可有效提高系統(tǒng)的工作頻率。3.1 丙烷串級(jí)控制

圖4所示為串級(jí)控制在丙烷系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，其中主控制通過(guò)控制預(yù)冷段換熱器出口天然氣溫度來(lái)控制流量控制的SP，次級(jí)控制是通過(guò)控制丙烷制冷劑節(jié)流閥開(kāi)度來(lái)控制丙烷流量。

圖4 丙烷制冷劑串級(jí)控制SP改變的響應(yīng)Fig.4 The response graph to SP changes of propane refrigerant cascade control

從圖中可以看出，10 min時(shí)，將溫度控制的SP從5.231 ℃降為4.5 ℃，可知系統(tǒng)最初會(huì)出現(xiàn)短暫的波動(dòng)，25 min時(shí)溫度控制的換熱器出口天然氣的溫度穩(wěn)定在4.5 ℃左右，閥門開(kāi)度穩(wěn)定在62%，而流量控制的換熱器入口丙烷流量穩(wěn)定在555 kmol/h，閥門開(kāi)度穩(wěn)定在50.4%，此時(shí)主控制與次級(jí)控制均處于穩(wěn)定。溫度控制的SP下降導(dǎo)致?lián)Q熱器出口天然氣的溫度下降，換熱器的換熱量上升，所需的丙烷流量上升，所以溫度控制會(huì)調(diào)節(jié)流量控制SP上升，從而調(diào)節(jié)換熱器入口丙烷的流量，使其上升直到達(dá)到新的平衡。

3.2 混合制冷劑串級(jí)控制

圖5所示為串級(jí)控制在混合制冷劑系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，其中主控制通過(guò)控制液化段換熱器出口天然氣溫度來(lái)控制流量控制的SP，次級(jí)控制是通過(guò)控制混合制冷劑節(jié)流閥開(kāi)度來(lái)控制混合制冷劑流量。

從圖中可以看出，10 min時(shí)，將溫度控制的SP從-64.63 ℃升為-62 ℃，可知在25 min時(shí)溫度控制穩(wěn)定至-62 ℃，此時(shí)換熱器入口混合制冷劑流量也基本穩(wěn)定在3800 kmol/h左右，但在45 min時(shí)換熱器出口天然氣的溫度開(kāi)始持續(xù)波動(dòng)上升，導(dǎo)致?lián)Q熱器入口混合制冷劑的流量也開(kāi)始波動(dòng)下降，58.33 min時(shí)主控制閥門開(kāi)度達(dá)到100%，86.67 min時(shí)次級(jí)控制閥門開(kāi)度達(dá)到100%，此時(shí)換熱器出口天然氣溫度和換熱器入口混合制冷劑流量仍然沒(méi)有穩(wěn)定，控制失效。所以這種控制并不合適。

圖5 混合制冷劑串級(jí)控制SP改變的響應(yīng)Fig.5 The response graph to SP changes of mixed refrigerant cascade control

圖6 LNG串級(jí)控制SP改變的響應(yīng)Fig.6 The response graph to SP changes of LNG cascade control

3.3 天然氣串級(jí)控制

圖6所示為串級(jí)控制在天然氣系統(tǒng)中的應(yīng)用效果。其中主控制通過(guò)控制過(guò)冷段換熱器出口天然氣溫度來(lái)控制流量控制的SP，次級(jí)控制通過(guò)控制LNG節(jié)流閥開(kāi)度來(lái)控制天然氣入口流量。

從圖中可以看出，30 min時(shí),將天然氣入口壓力由5000 kPa升至6000 kPa，LNG節(jié)流閥前的溫度在經(jīng)歷小幅波動(dòng)后，在383.33 min才穩(wěn)定在-151.33 ℃，閥門開(kāi)度穩(wěn)定在41.14%，同時(shí)天然氣流量穩(wěn)定在9100 kmol/h，閥門開(kāi)度穩(wěn)定在46%，此時(shí)系統(tǒng)完全穩(wěn)定?？芍?jí)控制可以很好的控制LNG節(jié)流閥，且所需時(shí)間較短，是一種合適的控制方式。

4 結(jié)論

本文采用Aspen HYSYS軟件對(duì)丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，模擬了液位控制、溫度控制和串級(jí)控制應(yīng)用在丙烷預(yù)冷混合制冷劑工藝各系統(tǒng)中的適應(yīng)性，在此基礎(chǔ)上通過(guò)改變控制器的設(shè)定值，得出液化工藝系統(tǒng)的響應(yīng)以及恢復(fù)穩(wěn)定所需的響應(yīng)時(shí)間，模擬外界因素?cái)_動(dòng)時(shí)的液化工藝裝置的響應(yīng)和穩(wěn)定時(shí)間，通過(guò)比較得出各個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)的控制方式。

在丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝中，丙烷預(yù)冷系統(tǒng)采用液位控制或串級(jí)控制，混合制冷劑系統(tǒng)采用液位控制，天然氣系統(tǒng)采用串級(jí)控制時(shí)，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和較快的響應(yīng)速度。

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Optimization in the Control Modes of Propane Pre-cooling and Mixed-refrigerant Process

Pan Hongyu Li Shunli Li Yuxing Zhu Jianlu

(College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum(East China), Qingdao, 266580, China)

Propane pre-cooling and mixed-refrigerant process, an efficient and simple process and a combination of cascading liquefaction and mixed-refrigerant liquefaction processes, is the most common natural gas liquefaction process by now. Due to the interference of external factors in the actual situation, it is necessary to maintain the stability of liquefaction plant by the controller. Hence the dynamic simulation analysis for the liquefaction process control system is needed. In this paper, the flexibility of liquid level control, temperature control and cascade control in the systems of propane pre-cooling and mixed-refrigerant process is simulated respectively by dynamic simulation, and then the response of liquefaction process and the responding time to stability can be known by changing the settings of controller. In this way, the optimal control mode of each system has been got. It indicates that the systems have better stability and faster responding speed when the propane pre-cooling system adopts liquid level control or cascade control, mixed refrigerant process applies the liquid level control, and the gas system uses cascade control.

refrigerant; liquefaction process; control; dynamic simulation

0253- 4339(2016) 02- 0053- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.053

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-006-07)資助項(xiàng)目。(The project was supported by the National Science and Technology Major Project of China (No. 2011ZX05026-006-07).)

2015年4月20日

TB61+2； TB61+1

A

簡(jiǎn)介

潘紅宇，男，碩士研究生，中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，15275265020, E-mail: pwsxyppyf@126.com。研究方向：天然氣液化工藝。

About the corresponding authorPan Hongyu, male, master graduate, College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum (East China), +86 15275265020, E-mail: pwsxyppyf@126.com. Research fields: natural gas liquefaction process.