Способ и устройство для управления конденсацией потока газообразных углеводородов - RU2188370C2

Описание

Настоящее изобретение относится к производству сжиженного природного газа (СПГ) из природного газа и более конкретно к способу и устройству для управления конденсацией подаваемого материала в криогенную разделительную колонну, включенную в процесс ожижения СПГ.

Ожижение природного газа посредством криогенного охлаждения применяется на отдаленных богатых месторождениях природного газа для того, чтобы превратить природный газ в транспортабельную жидкость для доставки к доступным рынкам сбыта. В обычном процессе охлаждения, используемом для охлаждения перерабатываемого потока природного газа, холодильный агент, такой как пропан, сжимается, затем конденсируется в жидкость, и жидкость подается через охладитель для теплообмена с потоком подаваемого природного газа. Цикл охлаждения затем повторяется. Часто охлаждающая среда представляет собой более чем один внешний холодильный агент, и кроме того часть или части охлажденных газов или жидкостей производятся во время процесса. Предпочтительный процесс представляет собой каскадную систему, состоящую из трех циклов охлаждения с использованием различных холодильных агентов для каждого цикла. Например, может быть использован каскад циклов с пропаном, этиленом и метаном, когда в каждом цикле осуществляется дальнейшее понижение температуры потока подаваемого природного газа до тех пор, пока газ не будет ожижен. Переохлажденная жидкость затем мгновенно испаряется или подвергается сбросу давления, чтобы получить СПГ при давлении, приблизительно равном атмосферному. Высокоэффективный процесс производства СПГ из потока природного газа проиллюстрирован и описан в патенте США 4430103, который включен здесь посредством ссылки.

В то время как природный газ состоит в основном из метана, такие газы часто содержат примесь бензина вместе с другими тяжелыми углеводородными компонентами. По техническим и экономическим причинам нет необходимости удалять примеси, такие как бензин, полностью. Понижение его концентрации, однако, является желательным. Удаление примеси из природного газа может быть осуществлено посредством охлаждения того же типа, который используется в процессе ожижения, в котором примеси конденсируются в соответствии с их температурами конденсации. За исключением того факта, что для ожижения газ должен быть охлажден до более низкой температуры, чем требуется для отделения примеси бензина, основные процессы охлаждения аналогичны как для ожижения, так и для разделения. Соответственно, с учетом примеси бензина необходимо охладить поток подаваемого природного газа только до температуры, при которой бензин будет конденсироваться в жидкость, и затем отделить жидкость от пара. Это может быть осуществлено в криогенной разделительной колонне.

В одном из таких способов бензин удаляется из потока подаваемого природного газа путем охлаждения потока газа, чтобы сконденсировать бензин в жидкое состояние. Частично сконденсированный таким образом поток газа подается на вход в криогенную разделительную колонну, называемую здесь абсорбером бензина, где бензин абсорбируется, и пары метана сохраняются для дальнейшей переработки. Для осуществления эффективной работы по производству СПГ необходимо проводить дальнейшую конденсацию подаваемого природного газа в колонне для удаления бензина, включая конденсацию тяжелых углеводородных компонентов. Сконденсированная жидкость из абсорбера бензина затем направляется под контролем уровня в колонну-стабилизатор повторного испарения, снабженную оборудованием для внешнего орошения, где пары метана отделяются от жидкости. Пары метана, выходящие из колонны-стабилизатора, сохраняются для дальнейшей переработки, и жидкость поставляется на продажу как продукты сжижения природного газа (ПСПГ).

В большинстве процессов частичной конденсации обычная практика включает конденсацию необходимой части газообразного потока путем охлаждения и частичной конденсации потока подаваемого газа в теплообменнике. Температура частично сконденсированного потока газа, выходящего из теплообменника, затем регулируется для образования необходимого количества конденсата. Хотя эта схема регулирования технически осуществима в колонне для удаления бензина, она представляется проблемной. Причиной является то, что любое изменение расхода, температуры или состава потока подаваемого природного газа влечет за собой изменение температуры частично сконденсированного потока на входе в абсорбер бензина. Например, если регулируемая температура частично сконденсированного потока является слишком низкой, будет сконденсировано слишком много жидкости и присоединенный стабилизатор будет "захлебываться". Если частично сконденсированный поток будет слишком теплым, тяжелые углеводороды будут поступать вместе с сохраненными парами метана из колонны-стабилизатора в более холодные участки установки. Это может вызвать загрязнение теплообменников ниже по потоку. Соответственно, точное управление операцией и регулирование температуры требуются для надлежащего контроля.

Задачей настоящего изобретения является использование усовершенствованного управления конденсацией, чтобы решить вышеупомянутые проблемы.

Другой задачей настоящего изобретения является использование усовершенствованных способов управления, которые снижают операционный контроль и вмешательство в него.

Еще одной задачей является повышение эффективности операции по удалению бензина из потока подаваемого природного газа.

Более конкретной задачей настоящего изобретения является повышение стабильности уровней жидкости в двух последовательно соединенных криогенных разделительных колоннах в процессе получения СПГ.

В соответствии с этим изобретением упомянутые выше и другие задачи и преимущества достигаются в способе управления потоком в теплообменник, в котором частично конденсируется поток подаваемого природного газа, поступающего в первую криогенную разделительную колонну. Управление потоком в теплообменник осуществляется в соответствии с измеренным расходом потока паров углеводородов, отводимого из второй разделительной колонны, которая примыкает к первой криогенной разделительной колонне и расположена ниже по потоку. Процесс управления включает охлаждение потока подаваемого природного газа в теплообменнике, чтобы сконденсировать, по крайней мере, примесь бензина и компоненты тяжелых углеводородов в потоке газа. Частично сконденсированный таким образом поток газа подается как входящий поток в первую разделительную колонну, которая представляет собой колонну-абсорбер бензина. Из колонны-абсорбера бензина пары метана отводятся для переработки в СПГ, и жидкость направляется под контролем уровня во вторую криогенную разделительную колонну. Вторая колонна является колонной-стабилизатором повторного испарения с орошением, в которой разделяются жидкая часть и пары углеводородов. Пар, который представляет собой в основном метан, отводится из верхней части колонны для дальнейшей переработки в СПГ, и жидкость, которая содержит более тяжелые компоненты углеводородов, отводится из нижней части для продажи как ПСПГ. Управляющее устройство для осуществления способа включает датчик расхода, такой как измерительная диафрагма, оперативно соединенный с линией отвода пара с верхней части сепаратора, расположенного ниже по потоку. Величина определенного таким образом расхода подается как измеренный параметр на вход в регулятор расхода, причем выход регулятора соединен для управления расходом в линии байпаса в обход теплообменника.

В способе и устройстве по этому изобретению используется новое сочетание контролируемых и управляемых параметров, для того, чтобы автоматически регулировать количество жидкости, подаваемое в колонну-абсорбер бензина. Это регулирование обеспечивает поддержание установленного расхода потока пара из второй разделительной колонны, который должен рециркулировать для производства СПГ. Если этот регулируемый расход потока становится избыточным, регулятор потока осуществляет открытие клапана байпаса, причем нагревается поток на входе в первую разделительную колонну и посредством этого понижается количество газообразного сырья, которое конденсируется. Наоборот, если поток пара уменьшается, клапан байпаса закрывается, посредством этого повышается количество материала, которое конденсируется.

Дополнительные задачи, преимущества и новые отличительные признаки этого изобретения станут очевидными специалистам в данной области техники из следующего описания предпочтительного воплощения, прилагаемых пунктов формулы изобретения и чертежа.

На чертеже дана упрощенная технологическая схема, иллюстрирующая последовательно соединенные разделительные колонны, включающая схему регулирования в соответствии с настоящим изобретением.

В то время как настоящее изобретение в общем применимо к криогенным конденсационным системам для удаления примесей, для простоты и ясности последующее описание ограничено криогенным охлаждением потока природного газа для удаления бензина. Это изобретение относится к способу и средству для автоматического компенсирования изменения расхода потока, температуры или состава потока подаваемого природного газа, направляемого в криогенную конденсационную систему, которая включает две последовательно соединенные разделительные колонны.

Конкретная схема регулирования показана на чертеже для иллюстрации. Однако, изобретение распространяется на различные типы структур систем управления, в которых достигаются задачи изобретения. Линии, обозначенные как сигнальные линии, которые показаны на схеме как пунктирные линии, представляют собой электрические или пневматические линии в этом предпочтительном воплощении. Обычно сигналы, выдаваемые любым преобразователем, являются электрическими. Однако, сигналы, выдаваемые датчиками расхода, являются обычно пневматическими. Преобразование этих сигналов не показано в целях упрощения, потому что оно хорошо известно специалистам в этой области техники, так что, если поток измеряется в пневматической форме, он должен быть преобразован в электрическую форму, если его нужно передать в электрической форме посредством преобразователя расхода.

Изобретение также применимо к механическим, гидравлическим или другим средствам для передачи информации. В большинстве систем регулирования используется ряд сочетаний электрических, пневматических и гидравлических сигналов. Однако, использование любых других типов передачи сигналов, совместимых с используемыми способом и оборудованием, находится в пределах объема этого изобретения. В пропорционально-интегрально-дифференциальном регуляторе (ПИД), показанном на чертеже, могут использоваться различные способы регулирования, такие как пропорциональный, пропорционально-интегральный или пропорционально-интегрально-дифференциальный. В предпочтительном воплощении используется пропорционально-интегральный способ. Однако, любой регулятор, который имеет возможность принимать два или более входных сигнала и выработать определенный масштаб выходного сигнала, характеризующий сравнение двух входных сигналов, находится в пределах объема изобретения.

Определение масштаба выходного сигнала посредством регулятора хорошо известно в области техники, относящейся к системам регулирования. По существу масштаб выходного сигнала регулятора может быть определен, чтобы характеризовать любой требуемый фактор или параметр. Примером является сопоставление в регуляторе требуемой температуры и фактической температуры. Выходной сигнал регулятора может быть сигналом, характеризующим расход потока какого-либо газа, необходимый, чтобы уравнять требуемую и фактическую температуры. С другой стороны, масштаб того же выходного сигнала может быть определен, чтобы характеризовать давление, необходимое для того, чтобы сделать требуемую и фактическую температуры равными. Если выход регулятора может иметь диапазон от 0 до 10 единиц, тогда масштаб выходного сигнала регулятора может быть определен так, что уровень выходного сигнала из 5 единиц соответствует 50% или некоторому определенному расходу потока, или некоторой определенной температуре. Средства для преобразования, используемые для измерения параметров, которые характеризуют процесс, и различные сигналы, выработанные ими, могут иметь разнообразные формы или форматы. Например, регулирующие элементы этой системы могут быть выполнены с использованием электрических аналогов, цифровой электроники, пневматического, гидравлического, механического и других подобных типов оборудования или сочетаний этих типов оборудования. Конкретная аппаратура и/или программное обеспечение, используемые в системах регулирования с обратной связью, хорошо известны в области регулирования перерабатывающей установки. См., например, "Chemical Engineering Handbook", 5 изд. McGraw-Hill, стр. от 22-1 до 22-147.

Со ссылкой конкретно на чертеж, на котором изображена упрощенная технологическая схема из двух последовательно соединенных разделительных колонн, обозначенных в целом 10 и 12. Поток природного газа подается по трубопроводу 14 в охлаждающей системе, в целом обозначенной 16. Охлаждающая система 16 представляет собой этиленовый охладитель. В этом охладителе давление жидкого этиленового холодильного агента, подаваемого по трубопроводу 20, снижается посредством клапана 22 для того, чтобы часть этиленового холодильного агента мгновенно испарилась в кожух 24 теплообменника, таким образом охлаждая жидкий этилен. Парообразная часть проходит через паровое пространство кожуха и выходит из кожуха 24 по трубопроводу 26. Жидкая часть собирается в кожухе 24, чтобы создать уровень жидкости, который поддерживается на уровне, обозначенном 30, или несколько выше него. Жидкость в кожухе 24 циркулирует посредством циркуляции в термосифоне и контактирует с трубками 32 и 34, чтобы обеспечить охлаждение путем теплообмена с подаваемым газом через стенку трубки 32. В показанном конструктивном исполнении поток природного газа по трубке 32, по крайней мере, частично конденсируется. Поток по трубке 32 может, однако, частично пройти перепуском по байпасу по трубопроводу 38, в котором содержится регулирующий клапан 40. Теплый природный газ, проходящий по трубопроводу 38, может затем быть смешан с охлажденным и частично сконденсированным природным газом, проходящим по трубопроводу 36. Регулирующий клапан 40 регулируется в соответствии с контрольным сигналом на линии 42, как будет более полно объяснено далее.

Трубопроводы 36 и 38 соединены для того, чтобы образовать трубопровод 44 для подвода частично сконденсированного природного газа в верхнюю часть вертикального цилиндрического сосуда, который представляет собой колонну-абсорбер 50 бензина. В верхней части колонны-абсорбера 50 бензина жидкий бензин абсорбируется на материале, таком, как пропан и более тяжелые углеводороды. Так как температура сырья, подаваемого в колонну 50, понижается еще больше, капли жидкости начинают падать из верхней части абсорбера. Для эффективной эксплуатации колонны 50 поток теплого сухого газа, проходящего по трубопроводу 52, проходит в колонну-абсорбер бензина 50 из нижней части и поднимается вверх, таким образом встречая по пути капли, которые перемещаются вниз над тарелками. Теплый сухой газ, предпочтительно метан, вытесняет более легкие углеводороды из падающих вниз капель. Как только в колонне 50 создается уровень жидкости, жидкость проходит в верхнюю часть колонны-стабилизатора 60 с повторным испарением. Эта жидкость проходит под контролем уровня через регулирующий клапан 54, который оперативно размещен в трубопроводе 53. Регулирующий клапан 54 управляется в соответствии с сигналом 56, который выдается регулятором 58 уровня.

В колонне-стабилизаторе 60 пары метана отделяются от жидкого сырья. Тепло подается в верхнюю часть колонны 60 через систему 62 повторного испарения. Внешнее орошение жидкостью предусмотрено для верхней части колонны 60 посредством системы 64 орошения. Система орошения включает барабан 66, в который поступает пар из верхней части колонны 60 по трубопроводу 68. Пар частично конденсируется, чтобы образовать жидкость для орошения, направляемую в колонну 60 по трубопроводу 70 под контролем уровня, который обеспечивает регулятор 69. Жидкие продукты из нижней части колонны, включающие углеводороды более тяжелые, чем этан, которые в общем обозначаются как продукты сжижения природного газа или просто ПСПГ, отводятся по трубопроводу 74 в соответствии с регулятором уровня 73.

Метан, отделенный в колонне-стабилизаторе 60, отводится по трубопроводу 80 и рециркулирует в секцию охлаждения в процессе ожижения под контролем давления, который осуществляется регулятором 86 давления. Давление в барабане орошения измеряется в трубопроводе 80 и преобразователь 82 давления, оперативно соединенный с трубопроводом 80, передает сигнал 84, пропорциональный фактическому давлению в барабане 66, на регулятор 86 давления. Регулятор 86 также снабжен сигналом 88 заданной величины, который характеризует требуемое давление в барабане 66. В соответствии с сигналами 84 и 88 регулятор давления 86 выдает выходной сигнал 90, масштаб которого определяется, чтобы характеризовать положение регулирующего клапана 82, которое требуется для поддержания фактического давления в барабане 66 по существу равным требуемому давлению, характеризуемому сигналом 88 заданной величины.

Расход потока паров метана в трубопроводе также измеряется. Преобразователь 100 расхода в сочетании с датчиком 101 расхода, который оперативно размещен в трубопроводе 80, выдает выходной сигнал 102, который характеризует фактический расход потока пара в трубопроводе 80. Сигнал 102 выдается как параметр процесса на вход в регулятор 104 расхода. Регулятор 104 расхода также снабжен сигналом 106 заданной величины, характеризующим требуемый расход потока в трубопроводе 80. Как показано на чертеже, сигналы 106 и 88 заданной величины вручную вводятся оператором. Эти сигналы заданной величины, однако, могут быть выработаны компьютером на основе расчетов, включающих множество измеренных параметров процесса и/или данных, хранящихся в памяти компьютера и передаваемых соответствующим регуляторам. В соответствии с сигналами 102 и 106 регулятор расхода 104 выдает на выходе сигнал 42, который соответствует разнице между сигналами 102 и 106. Масштаб сигнала 42 определяется, чтобы характеризовать положение регулирующего клапана 40, который оперативно размещен в трубопроводе байпаса теплообменника 38, которое требуется для того, чтобы поддерживать фактический расход потока в трубопроводе 80 по существу равным требуемому расходу потока, который характеризуется сигналом 106 заданной величины. Сигнал 42 выдается регулятором 104 потока как контрольный сигнал для регулирующего клапана 40, и управление регулирующим клапаном 40 осуществляется в соответствии с ним.

В целях краткости некоторое традиционное вспомогательное оборудование, которое требуется в промышленной эксплуатации, не включено в приведенное выше описание, поскольку оно не играет роли в объяснении изобретения. Такое дополнительное оборудование может включать насосы, дополнительные теплообменники, дополнительные измерительные и контрольные устройства и т.п.

В то время как настоящее изобретение описано в условиях настоящего предпочтительного воплощения, возможны приемлемые варианты и модификации, выполняемые специалистами в этой области техники, и такие модификации и варианты находятся в объеме описанного изобретения и прилагаемой формулы изобретения.

Реферат

В криогенной конденсационной установке, используемой для удаления бензина в процессе ожижения природного газа, в две последовательно соединенные разделительные колонны подается поток газа, предварительно охлажденный в теплообменнике до температуры, при которой конденсируется, по крайней мере, бензиновый компонент. В первой колонне бензин абсорбируется, и парожидкостная смесь разделяется, причем жидкость подается во вторую колонну. Во второй колонне создается поток пара, который отводится из верхней части и сохраняется для переработки в сжиженный природный газ, и поток из нижней части колонны, содержащий продукты сжижения природного газа. Охлаждение для конденсации газообразных углеводородов в теплообменнике регулируется посредством автоматически управляемого перепускного потока по байпасу в обход теплообменника в соответствии с измеренным расходом пара из второй разделительной колонны. Количество сконденсированной жидкости соответствует расходу потока пара, отводимого из верхней части второй разделительной колонны. Использование изобретения позволит усовершенствовать управление конденсацией и операционным контролем, а также повысить эффективность удаления бензина из потока. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула