C3/MRC液化工藝中丙烷壓縮機控制方式優選

潘紅宇， 李順麗， 李玉星， 朱建魯

(中國石油大學(華東)儲運與建設工程學院，山東 青島 266580)

C3/MRC液化工藝中丙烷壓縮機控制方式優選

潘紅宇， 李順麗， 李玉星， 朱建魯

(中國石油大學(華東)儲運與建設工程學院，山東 青島 266580)

通過動態仿真技術分別模擬了大回流、逐級回流和末級回流三種回流方式應用在C3/MRC液化工藝中丙烷壓縮機的適應性。在此基礎上分別添加高壓處控制和低壓處控制，比較了當改變控制器的設定值時丙烷系統所受到的影響以及控制器的響應速度。結果表明：丙烷壓縮機采用逐級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定性與較快的響應速度。

液化工藝；C3/MRC；壓縮機；控制方式；動態仿真

0 引 言

液化天然氣(LNG)的主要成分是甲烷，其體積約為同質量氣態天然氣體積的1/625，燃燒后對空氣污染非常小，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，分別為級聯式液化流程、混合制冷劑液化流程和帶膨脹機的液化流程[3]。實際生產中最常用的是丙烷預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。

丙烷預冷混合制冷劑液化工藝中丙烷制冷劑系統用于對混合制冷劑和天然氣預冷，而混合制冷劑系統用于對天然氣深冷、液化和過冷，丙烷制冷劑系統所能提供的冷量占整個系統所提供的總冷量的1/3左右，混合制冷劑壓縮機的負荷大大減輕，增加了單條生產線的生產能力[5]，所以丙烷預冷系統對降低整個工藝系統的比功耗有著重大影響。其中丙烷壓縮機的回流方式和控制方式的選擇尤為重要。目前壓縮機的主要控制方式可分為三類，分別為大回流、逐級回流和末級回流，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用于C3/MRC液化工藝，可能無法獲得很好的適應性。為此，本文針對丙烷壓縮機的回流方式及控制方式進行動態仿真分析，以找出最適合丙烷預冷混合制冷劑液化工藝丙烷壓縮機的回流方式及控制方式，進而為實際生產提供一定的指導。

1 丙烷壓縮機大回流控制

大回流是指壓縮機的回流管線從第三級壓縮機的出口連接至第一級壓縮機的入口的回流方式。這種回流方式可以分別在高壓處和低壓處添加控制。圖1所示為壓縮機大回流控制的工藝流程，其中一級入口、二級入口、三級入口為丙烷三級節流換熱后回流壓縮機的入口，大回流中的閥門是回流控制閥，4個儲罐為壓縮機進出口緩沖罐。

圖1 丙烷壓縮機大回流控制流程圖Fig.1 Flow chart of the overall reflux mode for propane compressor

添加高壓處控制時，通過控制閥門開度(op)來控制第三級壓縮機出口緩沖罐的壓力。這種控制方式的優點是可以較穩定地控制第三級壓縮機的出口壓力；缺點是它并不能控制一、二級壓縮機的進出口壓力，同時由于有外部流的加入，會影響控制系統的穩定性。添加低壓處控制時，通過控制閥門開度來控制第一級壓縮機入口緩沖罐的壓力，這種控制方式的優點是可以較穩定地控制第一級壓縮機的入口壓力；缺點是無法控制第二、三級壓縮機的進出口壓力，同時由于有外部流的加入，會影響控制系統的穩定性。

圖2顯示了丙烷壓縮機大回流控制在設定值(sp)改變后的響應。

圖2 大回流控制響應Fig.2 Response for overall reflux

從圖2(a)可以看出在10 min時，壓力控制的sp由1 273 kPa調至1 276 kPa，第三級壓縮機出口緩沖罐的壓力實測值(pv)經過一段時間波動后，在29.17 min時才穩定至1 276 kPa，閥門開度穩定在1.19%。這是由于sp增大后，壓力控制調節回流閥門開度增大，使得回流管線流量增大，理論上第三級壓縮機出口緩沖罐的壓力應該減小，但由于存在外部流加入的擾動(三級入口、二級入口)，其壓力反而增大，最終穩定下來。可以看出雖然這種控制方式可以控制丙烷壓縮機系統的出口壓力，但無法有效控制丙烷壓縮機系統的入口壓力和級間壓力，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，壓力控制的sp由112.82 kPa降低至110 kPa，第一級壓縮機入口緩沖罐的壓力經過較長時間波動后，在133.33 min時才穩定至110 kPa。這是由于sp減小后，壓力控制調節大回流回流閥門開度增大，回流流量增加，所以導致第一級壓縮機入口緩沖罐的壓力持續下降直至穩定。可以看出雖然這種控制方式可以控制丙烷壓縮機系統，但所需時間較長，同樣不是一種合適的控制方式。

通過模擬結果可以看出，壓縮機的大回流控制并不適合丙烷預冷混合制冷劑液化工藝。

2 丙烷壓縮機逐級回流控制

逐級回流是指壓縮機的回流管線從第三級壓縮機的出口連接至第三級壓縮機的入口、第二級壓縮機的出口連接至第二級壓縮機的入口、第一級壓縮機的出口連接至第一級壓縮機的入口的回流方式。這種回流方式可以分別在高壓處和低壓處添加控制。圖3為壓縮機逐級回流控制的工藝流程圖，其中一級入口、二級入口、三級入口為丙烷三級節流換熱后回流壓縮機的入口，三級回流中3個閥門分別為一級回流控制閥、二級回流控制閥、三級回流控制閥，4個儲罐為壓縮機進出口緩沖罐。

圖3 丙烷壓縮機逐級回流控制流程圖Fig.3 Flow chart of the gradual reflux mode for propane compressor

添加低壓處控制時，分別通過控制閥門開度來控制三個壓縮機入口的緩沖罐壓力。這種控制方式的優點是可以很好地控制壓縮機入口的壓力并使其基本保持穩定，保證各級壓縮比在設計范圍之內；缺點是可能造成丙烷系統出現紊亂。添加高壓處控制時，則是分別通過控制閥門開度來控制三個壓縮機出口的緩沖罐壓力。這種控制方式的優點是可以很好地控制壓縮機出口的壓力并使其基本保持穩定，保證丙烷系統不超壓，對丙烷預冷和混合制冷劑制冷的部分影響較小；缺點是所需的控制時間相對較長，且當丙烷流量減小時，壓縮機入口壓力會降低，增加壓縮比。

圖4顯示了丙烷壓縮機逐級回流低壓控制在改變第三級壓力控制的sp時出現控制失效的情況。

圖4 丙烷壓縮機低壓處控制失效圖Fig.4 Failure of low pressure control for propane compressor

從圖4可以看出在10 min時，將第三級壓力控制的sp由485 kPa調低到480 kPa，第二級的控制閥門開度會在104.17 min時達到100%并保持穩定，第一級的控制閥門開度會在140 min時達到100%并保持穩定，但此時第一、二級壓力控制的pv并未達到sp設置的480 kPa，并且將第三級壓力控制的sp調回485 kPa時，第一、二級壓力控制仍處于失效狀態。這種情況是由于控制方案選擇不合理造成的。

圖5顯示了丙烷壓縮機逐級回流高壓控制在各級sp改變后的響應。

圖5 逐級回流壓力控制sp改變的響應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，將第三級壓力控制的sp由1 300 kPa調至1 295 kPa，第三級壓縮機入口緩沖罐壓力經過一段時間的波動后，在266.67 min時穩定在1 295 kPa，閥門開度穩定在61.3%。這是因為第三級壓力控制的sp增大后，壓力控制調節第三級回流閥門開度增大，回流流量增加，第三級壓縮機出口緩沖罐壓力持續增大直至穩定。

由圖5(b)可以看出在10 min時，將第二級壓力控制的sp由487 kPa調至485 kPa，第二級壓縮機入口緩沖罐壓力經過一段時間的波動后，在70 min時穩定在485 kPa，閥門開度穩定在8.77%。這是因為第二級壓力控制的sp增大后，壓力控制調節第三級回流閥門開度增大，回流流量增加，第二級壓縮機出口緩沖罐壓力持續增大直至穩定。

由圖5(c)可以看出在10 min時，將第一級壓力控制的sp由252.8 kPa調至251 kPa，第一級壓縮機入口緩沖罐壓力經過一段時間的波動后，在33.3 min時穩定在251kPa，閥門開度穩定在20%。這是因為第一級壓力控制的sp增大后，壓力控制調節第一級回流閥門開度增大，回流流量增加，第一級壓縮機出口緩沖罐壓力持續增大直至穩定。

通過模擬結果可以看出，在選用逐級回流時，采用高壓處控制效果要優于低壓處控制。

3 丙烷壓縮機末級回流控制

末級回流是指壓縮機的回流管線從第三級壓縮機的出口分別連接至第三級壓縮機的入口、第二級壓縮機的入口、第一級壓縮機的入口的回流方式。這種回流方式可以分別在高壓處和低壓處添加控制。圖6所示為壓縮機從三級出口分別回流到一級、二級、三級壓縮機入口的控制方式，其中一級入口、二級入口、三級入口為丙烷三級節流換熱后回流壓縮機的入口，三級回流中3個閥門分別為一級回流控制閥、二級回流控制閥、三級回流控制閥，4個儲罐為丙烷壓縮機進出口緩沖罐。

圖6 丙烷壓縮機第三級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，分別通過控制閥門開度來控制三個壓縮機入口的緩沖罐壓力；添加高壓處控制時，分別通過控制閥門開度來控制三個壓縮機出口的緩沖罐壓力。其中高壓處的控制方式是不合理的，因為第三級壓力控制(即控制第三級壓縮機出口緩沖罐的壓力)是通過控制回流至第二級壓縮機出口緩沖罐的流量來調節的，但是這樣會導致第二級壓力控制的變化，同理會影響第一級壓力控制。

圖7顯示了丙烷壓縮機第三級出口回流低壓處控制在各級sp改變后的響應。

圖7 第三級出口回流壓力控制sp改變的響應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，將第三級壓力控制的sp由481.26 kPa升至485 kPa，第三級壓縮機入口緩沖罐壓力經過一段時間的波動后，在76.67 min時穩定在485 kPa，閥門開度穩定在8%。這是因為第三級壓力控制的sp增大后，壓力控制調節第三級回流閥門開度增大，回流流量增加，第三級壓縮機入口緩沖罐壓力持續增大直至穩定。

由圖7(b)可以看出在10 min時，將第二級壓力控制的sp由250 kPa升至255 kPa，第二級壓縮機入口緩沖罐壓力經過一段時間的波動后，在58.33 min時穩定在485 kPa，閥門開度穩定在14.7%。這是因為第二級壓力控制的sp增大后，壓力控制調節第二級回流閥門開度增大，回流流量增加，第二級壓縮機入口緩沖罐壓力持續增大直至穩定。

由圖7(c)可以看出在10 min時，將第一級壓力控制的sp由112.61 kPa升至115 kPa，第一級壓力控制會出現回流閥閥門開度持續增大、第一級壓縮機入口緩沖罐的壓力持續下降的現象，此時控制失效。控制失效的原因在于在回流回路中有外部流進入，影響了壓力控制的調節。

通過模擬結果可以看出，壓縮機的末級出口回流壓力控制并不適合丙烷預冷混合制冷劑液化工藝。

4 回流方式與控制方式比較

綜合上述動態仿真結果，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，丙烷壓縮機采用逐級回流高壓處控制的方式是最優方案。

表1 丙烷壓縮機回流方式及控制方式比較Table 1 Comparison of reflux modes and control modes for propane compressor

5 結 語

對丙烷預冷混合制冷劑液化工藝進行動態仿真，比較了壓縮機大回流、逐級回流和末級回流三種回流方式用于丙烷壓縮機系統時的適應性，并比較了在高壓處控制和低壓處控制分別應用于上述三種回流方式時丙烷系統的響應。通過改變控制器設定值的方式，監測上述回流方式和控制方式應用于各個系統時的穩定性和響應速度，得出丙烷預冷混合制冷劑液化工藝中丙烷壓縮機的最優控制方式和回流方式。通過比較可知，丙烷壓縮機采用逐級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定性與較快的響應速度。

[1] 顧安忠.天然氣液化技術[M].北京:機械工業出版社，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(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