潘紅宇, 李順麗, 李玉星, 朱建魯
(中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建設(shè)工程學(xué)院,山東 青島 266580)
C3/MRC液化工藝中丙烷壓縮機(jī)控制方式優(yōu)選
潘紅宇, 李順麗, 李玉星, 朱建魯
(中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建設(shè)工程學(xué)院,山東 青島 266580)
通過動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)分別模擬了大回流、逐級(jí)回流和末級(jí)回流三種回流方式應(yīng)用在C3/MRC液化工藝中丙烷壓縮機(jī)的適應(yīng)性。在此基礎(chǔ)上分別添加高壓處控制和低壓處控制,比較了當(dāng)改變控制器的設(shè)定值時(shí)丙烷系統(tǒng)所受到的影響以及控制器的響應(yīng)速度。結(jié)果表明:丙烷壓縮機(jī)采用逐級(jí)回流高壓處控制的方式可以滿足液化工藝所要求的良好的穩(wěn)定性與較快的響應(yīng)速度。
液化工藝;C3/MRC;壓縮機(jī);控制方式;動(dòng)態(tài)仿真
液化天然氣(LNG)的主要成分是甲烷,其體積約為同質(zhì)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[1-2]。天然氣液化流程按照制冷方式可分為三大類,分別為級(jí)聯(lián)式液化流程、混合制冷劑液化流程和帶膨脹機(jī)的液化流程[3]。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[4],該工藝在世界各地的天然氣液化廠都得到了廣泛的使用。
丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝中丙烷制冷劑系統(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、液化和過冷,丙烷制冷劑系統(tǒng)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[5],所以丙烷預(yù)冷系統(tǒng)對(duì)降低整個(gè)工藝系統(tǒng)的比功耗有著重大影響。其中丙烷壓縮機(jī)的回流方式和控制方式的選擇尤為重要。目前壓縮機(jī)的主要控制方式可分為三類,分別為大回流、逐級(jí)回流和末級(jí)回流,且每種回流方式均可以在高壓處或者低壓處添加控制。將上述回流方式及控制方式直接應(yīng)用于C3/MRC液化工藝,可能無法獲得很好的適應(yīng)性。為此,本文針對(duì)丙烷壓縮機(jī)的回流方式及控制方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析,以找出最適合丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝丙烷壓縮機(jī)的回流方式及控制方式,進(jìn)而為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)。
大回流是指壓縮機(jī)的回流管線從第三級(jí)壓縮機(jī)的出口連接至第一級(jí)壓縮機(jī)的入口的回流方式。這種回流方式可以分別在高壓處和低壓處添加控制。圖1所示為壓縮機(jī)大回流控制的工藝流程,其中一級(jí)入口、二級(jí)入口、三級(jí)入口為丙烷三級(jí)節(jié)流換熱后回流壓縮機(jī)的入口,大回流中的閥門是回流控制閥,4個(gè)儲(chǔ)罐為壓縮機(jī)進(jìn)出口緩沖罐。
圖1 丙烷壓縮機(jī)大回流控制流程圖Fig.1 Flow chart of the overall reflux mode for propane compressor
添加高壓處控制時(shí),通過控制閥門開度(op)來控制第三級(jí)壓縮機(jī)出口緩沖罐的壓力。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是可以較穩(wěn)定地控制第三級(jí)壓縮機(jī)的出口壓力;缺點(diǎn)是它并不能控制一、二級(jí)壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓力,同時(shí)由于有外部流的加入,會(huì)影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。添加低壓處控制時(shí),通過控制閥門開度來控制第一級(jí)壓縮機(jī)入口緩沖罐的壓力,這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是可以較穩(wěn)定地控制第一級(jí)壓縮機(jī)的入口壓力;缺點(diǎn)是無法控制第二、三級(jí)壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓力,同時(shí)由于有外部流的加入,會(huì)影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖2顯示了丙烷壓縮機(jī)大回流控制在設(shè)定值(sp)改變后的響應(yīng)。
圖2 大回流控制響應(yīng)Fig.2 Response for overall reflux
從圖2(a)可以看出在10 min時(shí),壓力控制的sp由1 273 kPa調(diào)至1 276 kPa,第三級(jí)壓縮機(jī)出口緩沖罐的壓力實(shí)測值(pv)經(jīng)過一段時(shí)間波動(dòng)后,在29.17 min時(shí)才穩(wěn)定至1 276 kPa,閥門開度穩(wěn)定在1.19%。這是由于sp增大后,壓力控制調(diào)節(jié)回流閥門開度增大,使得回流管線流量增大,理論上第三級(jí)壓縮機(jī)出口緩沖罐的壓力應(yīng)該減小,但由于存在外部流加入的擾動(dòng)(三級(jí)入口、二級(jí)入口),其壓力反而增大,最終穩(wěn)定下來??梢钥闯鲭m然這種控制方式可以控制丙烷壓縮機(jī)系統(tǒng)的出口壓力,但無法有效控制丙烷壓縮機(jī)系統(tǒng)的入口壓力和級(jí)間壓力,所以不是一種合適的控制方式。
從圖2(b)可以看出在10 min時(shí),壓力控制的sp由112.82 kPa降低至110 kPa,第一級(jí)壓縮機(jī)入口緩沖罐的壓力經(jīng)過較長時(shí)間波動(dòng)后,在133.33 min時(shí)才穩(wěn)定至110 kPa。這是由于sp減小后,壓力控制調(diào)節(jié)大回流回流閥門開度增大,回流流量增加,所以導(dǎo)致第一級(jí)壓縮機(jī)入口緩沖罐的壓力持續(xù)下降直至穩(wěn)定??梢钥闯鲭m然這種控制方式可以控制丙烷壓縮機(jī)系統(tǒng),但所需時(shí)間較長,同樣不是一種合適的控制方式。
通過模擬結(jié)果可以看出,壓縮機(jī)的大回流控制并不適合丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝。
逐級(jí)回流是指壓縮機(jī)的回流管線從第三級(jí)壓縮機(jī)的出口連接至第三級(jí)壓縮機(jī)的入口、第二級(jí)壓縮機(jī)的出口連接至第二級(jí)壓縮機(jī)的入口、第一級(jí)壓縮機(jī)的出口連接至第一級(jí)壓縮機(jī)的入口的回流方式。這種回流方式可以分別在高壓處和低壓處添加控制。圖3為壓縮機(jī)逐級(jí)回流控制的工藝流程圖,其中一級(jí)入口、二級(jí)入口、三級(jí)入口為丙烷三級(jí)節(jié)流換熱后回流壓縮機(jī)的入口,三級(jí)回流中3個(gè)閥門分別為一級(jí)回流控制閥、二級(jí)回流控制閥、三級(jí)回流控制閥,4個(gè)儲(chǔ)罐為壓縮機(jī)進(jìn)出口緩沖罐。
圖3 丙烷壓縮機(jī)逐級(jí)回流控制流程圖Fig.3 Flow chart of the gradual reflux mode for propane compressor
添加低壓處控制時(shí),分別通過控制閥門開度來控制三個(gè)壓縮機(jī)入口的緩沖罐壓力。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是可以很好地控制壓縮機(jī)入口的壓力并使其基本保持穩(wěn)定,保證各級(jí)壓縮比在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi);缺點(diǎn)是可能造成丙烷系統(tǒng)出現(xiàn)紊亂。添加高壓處控制時(shí),則是分別通過控制閥門開度來控制三個(gè)壓縮機(jī)出口的緩沖罐壓力。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是可以很好地控制壓縮機(jī)出口的壓力并使其基本保持穩(wěn)定,保證丙烷系統(tǒng)不超壓,對(duì)丙烷預(yù)冷和混合制冷劑制冷的部分影響較?。蝗秉c(diǎn)是所需的控制時(shí)間相對(duì)較長,且當(dāng)丙烷流量減小時(shí),壓縮機(jī)入口壓力會(huì)降低,增加壓縮比。
圖4顯示了丙烷壓縮機(jī)逐級(jí)回流低壓控制在改變第三級(jí)壓力控制的sp時(shí)出現(xiàn)控制失效的情況。
圖4 丙烷壓縮機(jī)低壓處控制失效圖Fig.4 Failure of low pressure control for propane compressor
從圖4可以看出在10 min時(shí),將第三級(jí)壓力控制的sp由485 kPa調(diào)低到480 kPa,第二級(jí)的控制閥門開度會(huì)在104.17 min時(shí)達(dá)到100%并保持穩(wěn)定,第一級(jí)的控制閥門開度會(huì)在140 min時(shí)達(dá)到100%并保持穩(wěn)定,但此時(shí)第一、二級(jí)壓力控制的pv并未達(dá)到sp設(shè)置的480 kPa,并且將第三級(jí)壓力控制的sp調(diào)回485 kPa時(shí),第一、二級(jí)壓力控制仍處于失效狀態(tài)。這種情況是由于控制方案選擇不合理造成的。
圖5顯示了丙烷壓縮機(jī)逐級(jí)回流高壓控制在各級(jí)sp改變后的響應(yīng)。
圖5 逐級(jí)回流壓力控制sp改變的響應(yīng)Fig.5 Response for the change of sp in gradual reflux pressure control
由圖5(a)可以看出在10 min時(shí),將第三級(jí)壓力控制的sp由1 300 kPa調(diào)至1 295 kPa,第三級(jí)壓縮機(jī)入口緩沖罐壓力經(jīng)過一段時(shí)間的波動(dòng)后,在266.67 min時(shí)穩(wěn)定在1 295 kPa,閥門開度穩(wěn)定在61.3%。這是因?yàn)榈谌?jí)壓力控制的sp增大后,壓力控制調(diào)節(jié)第三級(jí)回流閥門開度增大,回流流量增加,第三級(jí)壓縮機(jī)出口緩沖罐壓力持續(xù)增大直至穩(wěn)定。
由圖5(b)可以看出在10 min時(shí),將第二級(jí)壓力控制的sp由487 kPa調(diào)至485 kPa,第二級(jí)壓縮機(jī)入口緩沖罐壓力經(jīng)過一段時(shí)間的波動(dòng)后,在70 min時(shí)穩(wěn)定在485 kPa,閥門開度穩(wěn)定在8.77%。這是因?yàn)榈诙?jí)壓力控制的sp增大后,壓力控制調(diào)節(jié)第三級(jí)回流閥門開度增大,回流流量增加,第二級(jí)壓縮機(jī)出口緩沖罐壓力持續(xù)增大直至穩(wěn)定。
由圖5(c)可以看出在10 min時(shí),將第一級(jí)壓力控制的sp由252.8 kPa調(diào)至251 kPa,第一級(jí)壓縮機(jī)入口緩沖罐壓力經(jīng)過一段時(shí)間的波動(dòng)后,在33.3 min時(shí)穩(wěn)定在251kPa,閥門開度穩(wěn)定在20%。這是因?yàn)榈谝患?jí)壓力控制的sp增大后,壓力控制調(diào)節(jié)第一級(jí)回流閥門開度增大,回流流量增加,第一級(jí)壓縮機(jī)出口緩沖罐壓力持續(xù)增大直至穩(wěn)定。
通過模擬結(jié)果可以看出,在選用逐級(jí)回流時(shí),采用高壓處控制效果要優(yōu)于低壓處控制。
末級(jí)回流是指壓縮機(jī)的回流管線從第三級(jí)壓縮機(jī)的出口分別連接至第三級(jí)壓縮機(jī)的入口、第二級(jí)壓縮機(jī)的入口、第一級(jí)壓縮機(jī)的入口的回流方式。這種回流方式可以分別在高壓處和低壓處添加控制。圖6所示為壓縮機(jī)從三級(jí)出口分別回流到一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)壓縮機(jī)入口的控制方式,其中一級(jí)入口、二級(jí)入口、三級(jí)入口為丙烷三級(jí)節(jié)流換熱后回流壓縮機(jī)的入口,三級(jí)回流中3個(gè)閥門分別為一級(jí)回流控制閥、二級(jí)回流控制閥、三級(jí)回流控制閥,4個(gè)儲(chǔ)罐為丙烷壓縮機(jī)進(jìn)出口緩沖罐。
圖6 丙烷壓縮機(jī)第三級(jí)出口回流控制流程圖Fig.6 Flow chart of the 3rd stage reflux mode for propane compressor
添加低壓處控制時(shí),分別通過控制閥門開度來控制三個(gè)壓縮機(jī)入口的緩沖罐壓力;添加高壓處控制時(shí),分別通過控制閥門開度來控制三個(gè)壓縮機(jī)出口的緩沖罐壓力。其中高壓處的控制方式是不合理的,因?yàn)榈谌?jí)壓力控制(即控制第三級(jí)壓縮機(jī)出口緩沖罐的壓力)是通過控制回流至第二級(jí)壓縮機(jī)出口緩沖罐的流量來調(diào)節(jié)的,但是這樣會(huì)導(dǎo)致第二級(jí)壓力控制的變化,同理會(huì)影響第一級(jí)壓力控制。
圖7顯示了丙烷壓縮機(jī)第三級(jí)出口回流低壓處控制在各級(jí)sp改變后的響應(yīng)。
圖7 第三級(jí)出口回流壓力控制sp改變的響應(yīng)Fig.7 Response for the change of sp in the 3rd stage reflux pressure control
由圖7(a)可以看出在10 min時(shí),將第三級(jí)壓力控制的sp由481.26 kPa升至485 kPa,第三級(jí)壓縮機(jī)入口緩沖罐壓力經(jīng)過一段時(shí)間的波動(dòng)后,在76.67 min時(shí)穩(wěn)定在485 kPa,閥門開度穩(wěn)定在8%。這是因?yàn)榈谌?jí)壓力控制的sp增大后,壓力控制調(diào)節(jié)第三級(jí)回流閥門開度增大,回流流量增加,第三級(jí)壓縮機(jī)入口緩沖罐壓力持續(xù)增大直至穩(wěn)定。
由圖7(b)可以看出在10 min時(shí),將第二級(jí)壓力控制的sp由250 kPa升至255 kPa,第二級(jí)壓縮機(jī)入口緩沖罐壓力經(jīng)過一段時(shí)間的波動(dòng)后,在58.33 min時(shí)穩(wěn)定在485 kPa,閥門開度穩(wěn)定在14.7%。這是因?yàn)榈诙?jí)壓力控制的sp增大后,壓力控制調(diào)節(jié)第二級(jí)回流閥門開度增大,回流流量增加,第二級(jí)壓縮機(jī)入口緩沖罐壓力持續(xù)增大直至穩(wěn)定。
由圖7(c)可以看出在10 min時(shí),將第一級(jí)壓力控制的sp由112.61 kPa升至115 kPa,第一級(jí)壓力控制會(huì)出現(xiàn)回流閥閥門開度持續(xù)增大、第一級(jí)壓縮機(jī)入口緩沖罐的壓力持續(xù)下降的現(xiàn)象,此時(shí)控制失效??刂剖У脑蛟谟谠诨亓骰芈分杏型獠苛鬟M(jìn)入,影響了壓力控制的調(diào)節(jié)。
通過模擬結(jié)果可以看出,壓縮機(jī)的末級(jí)出口回流壓力控制并不適合丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝。
綜合上述動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果,得到各種回流方式與控制方式的比較,如表1所示。由表1可知,丙烷壓縮機(jī)采用逐級(jí)回流高壓處控制的方式是最優(yōu)方案。
表1 丙烷壓縮機(jī)回流方式及控制方式比較Table 1 Comparison of reflux modes and control modes for propane compressor
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,比較了壓縮機(jī)大回流、逐級(jí)回流和末級(jí)回流三種回流方式用于丙烷壓縮機(jī)系統(tǒng)時(shí)的適應(yīng)性,并比較了在高壓處控制和低壓處控制分別應(yīng)用于上述三種回流方式時(shí)丙烷系統(tǒng)的響應(yīng)。通過改變控制器設(shè)定值的方式,監(jiān)測上述回流方式和控制方式應(yīng)用于各個(gè)系統(tǒng)時(shí)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度,得出丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝中丙烷壓縮機(jī)的最優(yōu)控制方式和回流方式。通過比較可知,丙烷壓縮機(jī)采用逐級(jí)回流高壓處控制的方式可以滿足液化工藝所要求的良好的穩(wěn)定性與較快的響應(yīng)速度。
[1] 顧安忠.天然氣液化技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.54-63.
[2] van de Graaf J M, Pek B. The shell PMR process for large capacity LNG trains [C]. AICHE Spring Meeting, 2005.
[3] Martin P Y, Pigourier J, Fischer B. LNG process selection no easy task [J], Hydrocarbon Engineering, 2004, 9(5): 75.
[4] 徐文淵.小型液化天然氣生產(chǎn)裝置[J]. 石油與天然氣化工, 2005, 34(3): 161.
[5] Brendeng E, Hetland J. State of the art in liquefaction technologies for natural gas. In: Security of Natural Gas Supply Through Transit Countries. NATO Science Series Ⅱ: Mathematics, Physics and Chemistry. Vol. 149 [M]. Berlin: Springer, 2004. 75-102.
OptimizationintheControlModesforPropaneCompressorinC3/MRCLiquefactionProcess
PAN Hong-yu, LI Shun-li, LI Yu-xing, ZHU Jian-lu
(CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China)
The flexibility of three reflux modes including overall reflux, gradual reflux and last stage reflux for propane compressor in C3/MRC liquefaction process is simulated respectively by dynamic simulation, on which basis high pressure control and low pressure control are added, respectively. In this way, the influence on liquefaction process and the response speed of the controller by changing the settings of controller can be analyzed. It is indicated that the high pressure control of gradual reflux can meet the demand of better stability and faster response in liquefaction process.
liquefaction process; C3/MRC; compressor; control mode; dynamic simulation
2015-05-05
國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-006-07)
潘紅宇(1991—),男,碩士研究生,主要從事液化天然氣方面的研究。
TB657.8
A
2095-7297(2015)03-0157-06