天然氣液化工藝控制結構設計與優化

＊莊秀娜 顧偲雯 平麗

（1.山東省日照市嵐山區政務服務中心 山東 276807 2.常州工學院光電工程學院 江蘇 213032 3.大連理工大學化工學院 遼寧 116024 4.日照市農業農村局 山東 276827）

天然氣是一種熱值高、清潔環保的能源，對其有效的開發利用是我國能源結構低碳化轉型的關鍵。液化天然氣因其體積較小，進而節約儲運的空間與成本，為此，進行天然氣液化設備的探究具有重要的理論意義和實際應用價值。在天然氣液化工藝中，混合制冷液化工藝由于設備個數較少應用最為廣泛，其關鍵組成部分為采用丙烷進行預冷并結合混合制冷循環（C3MR）技術，該循環過程主要包括兩個部分，即先采用丙烷進行預冷循環處理，然后再執行混合制冷循環[1]。首先，丙烷預冷循環通過多級壓縮，將天然氣和混合制冷劑預冷到-35℃，隨后，通過混合制冷循環技術可以進一步將天然氣冷卻到-150℃。在混合制冷循環技術中，混合制冷劑的操作壓力約為40～60bar[2-3]。

現有研究主要聚焦于天然氣液化工藝過程的穩態模擬研究，涉及到該過程的性能如何能夠提升，總體的工藝流程與操作運行過程中各個參數如何優化等[4-5]。所謂穩態模擬是指工藝操作參數不隨時間發生變化，但實際過程中由于外部干擾的存在，操作參數往往隨時間發生變化，僅僅經過穩態過程的模擬不能夠獲得相關的流程工藝，在外部操作條件發生波動的時候，相關的動態變化特征是如何變化的。因此，通過引入動態模擬，在建立過程的數學模型時，應盡可能考慮到時間變量的影響，這樣在求解動態模型時，需要求解包含時間變化量的常微分方程，最終可獲得所研究的動態特性[6]。

天然氣液化工藝流程非常復雜，實際過程中往往會有相關的外部擾動變量來影響系統的性能，對操作運行的穩定性和相應產品純度等性能有一定影響。此時需要安裝多個控制回路，但安裝的控制設備在調節這些擾動影響的變量時，它們回到最初設定值的過程需要消耗能量，違背了優化意圖。因此當某個工藝過程包含多個操作變量及控制變量時，如何選擇控制結構非常重要[7]。

早期，Melaaen等人[8]針對天然氣液化工藝流程，詳細研究了如何構建動態模擬模型，構建了管式換熱器的有效簡化模型，在此基礎上，他們對液化天然氣換熱器進行了動態模擬計算，明確了初始值的選擇對結果有很大影響。2006年挪威科技大學相關學者[9]通過采用Aspen HYSYS軟件對循環制冷工藝過程進行了動態模擬以及相應的動態響應過程的分析，他們提出了通過使用壓縮機轉速可以有效地控制產品的溫度。隨后，Honeywell公司也對該工藝過程進行了動態過程的模擬，提出動態模擬可以有效評價工藝流程的準確性，并指出了工藝過程如何才能更有效設計的改進方向[10]。在這之后，Finn等人[11]對天然氣液化工藝流程的控制操作系統也進行了數學建模，以及如何對該流程進行模擬優化。

針對我國在液化天然氣工藝流程的動態模擬研究，很多學者通過使用Aspen HYSYS軟件對液化天然氣工藝流程中的板翅式換熱器和混合制冷循環過程進行了模擬，通過優化分析，得到了在不同擾動條件下，各個變量相應的動態響應[12-13]。通過以上研究，我們發現，現有的研究主要對不同擾動條件下的動態響應結果進行了分析，沒有考慮到控制結構系統如何優化設計。

針對控制結構的優化設計，Shinskey等人[14]對蒸汽壓縮制冷循環進行了研究，通過調節冷凝和蒸發的溫度差，這樣可以有效協調換熱器的面積和過程的功耗。基于此，Husnil等人[15-16]對混合制冷循環過程進行了較為詳細的穩態模擬和過程優化。根據穩態模型優化得到的結果，確定了預冷循環工藝過程，并將深冷工藝流程作為獨立的研究對象，進一步研究了混合制冷劑進出口溫度，主要考察它們對系統能源消耗量有何影響，并且通過深入優化得到了最優的控制結構。但如何選擇控制結構往往比較復雜，需要對其進行驗證，因而需要優化選擇DMR工藝的動態結構，進而獲得相應的最優控制結構[17]。

針對天然氣液化裝置液化工藝中關鍵參數波動引起工藝性能變化的問題，本文對預冷工藝流程中關鍵的操作和設計變量，尤其是壓縮機的轉速，進行了嚴格的控制，將不同生產條件下的多個運行變量和控制變量組成多輸入多輸出匹配的過程系統，基于穩態優化所得到的結果，以及通過進行動態特點探索，進一步結合靜態相對增益矩陣和該矩陣對應的條件數的定量計算，從而獲得最佳的控制結構。最后通過動態模擬過程證明我們所提出的控制結構，在應對不同生產工況出現的波動時具有很好的適應性。

1.動態天然氣液化工藝流程的建立

建立動態天然氣液化工藝流程時，首先通過自由度分析，目的是可以獲得哪些變量是被控變量，哪些變量是操作變量。過程系統自由度（DOF）Nss是采用液化工藝流程中總的變量數，即操作變量，再減去無穩態效應變量數，即無關變量，也就是，Nss=NMV-N0[18]。通過計算可以得出，整個工藝流程所涉及到的自由度是9。針對我們所研究的混合制冷循環工藝過程，計算得到2個控制變量，分別是壓縮機的出口壓力，混合制冷劑的出口溫度。通過調節壓縮機轉速、冷卻水流量可以控制以上2個操作變量。另外，針對所研究的二級丙烷預冷循環工藝過程，計算得到4個控制變量，分別是丙烷壓縮機的出口壓力，流程中每一級的丙烷流量（一共2級），丙烷流股的出口溫度。以上4個操作變量可以通過調節閥門、壓縮機轉速和冷卻水流量進行控制。通過上述計算，對所得到的6個操作變量進行控制操作之后，我們就可以將深冷工藝過程和預冷工藝過程分開討論，此時，深冷工藝過程就可以作為獨立的研究對象，流程圖如圖1所示。

通過自由度分析確定最終剩余自由度是3，包括混合制冷劑氣流量、天然氣流量及液相流量，即將這三個物理量選為操作變量。

天然氣液化工藝流程的控制目標包括溫度控制和天然氣產量的控制，這樣我們在研究天然氣液化工藝過程的控制問題時，需要考慮兩種情況：（1）液化天然氣產量是由生產計劃、上游生產過程以及下游的液化控制過程中所涉及到的不相關的流股變量進行控制：即固定液化天然氣產量情況；（2）對液化天然氣產量進行調節，這樣通過操作變量的變化來控制液化工藝，即為不固定產量情況。

而據文獻可得，混合制冷劑入口溫度（即熱端溫度）與出口溫度（即冷端溫度）的溫差（TD）為C3MR液化工藝的最大化安全操作與能量合理利用的控制變量。為了保證恒定安全裕度，本文選擇該溫度差作為相關的控制變量，從而實現制冷循環工藝過程的優化控制。

通過上述分析可知，我們所研究的工藝過程，最終考慮的控制變量包括：多流股換熱器出口溫度（T）和混合制冷劑入口溫度（即熱端溫度）與出口溫度（即冷端溫度）的差值；操作變量包括：氣相與液相混合制冷劑流量以及天然氣流量。

2.天然氣液化工藝的動態模型特點分析

針對動態模型的特點分析，天然氣液化工藝包括兩部分：一是分析工藝的固有特性，即操作變量變化時，控制變量可以根據自身結構和參數自行進行調節，不返回初始值；二是在過程中引入控制結構，考慮全過程模型的特點及所有參數之間的關聯性，并將該性質關聯于工藝過程的控制結構。本文的工藝過程動態模型的特點分析通過下述兩種工況進行研究：（1）操作變量—控制變量之間的交互作用；（2）運行過程中操作變量不發生變化時，只是在天然氣進料狀態發生一定的波動情況時，分析考察控制變量將產生何種響應。

(1)操作變量與控制變量交互作用

針對運行過程中操作參數對工藝過程性能的影響，增大過程某一個流股流量的1%，不改變剩余兩個流量，考察所需要的控制變量，對應的響應曲線情況。我們發現，增大混合制冷劑流量，此時將會使得混合制冷劑和天然氣之間的傳熱推動力增大，這樣會降低天然氣的最終溫度。混合制冷劑的液相流量增加1%，進出口溫差則會增大。如果將混合制冷劑的氣相流量增大，溫度降低，溫差會略有增加，但是其對應的響應程度不太強烈。當混合制冷劑的氣相流量發生變化時，此時整個工藝流程不易達到穩定。若天然氣的初始流量增大，通過流程操作之后，該天然氣流股最終的目標溫度則會升高，相應的溫差TD則會降低。

(2)固定操作變量時進料條件對控制變量的影響

固定上述操作變量的流量時，若天然氣進料條件改變，控制變量會產生相應的響應，為此我們研究了下述三種情況。

情況A：天然氣溫度——增加了2℃；

情況B：天然氣壓力——增加了60kPa；

情況C：天然氣組成改變——甲烷減少0.015，乙烷增加0.015。

當天然氣和混合制冷劑的流量都不發生改變時，各控制變量對應不同擾動工況的響應曲線，如果我們提高了天然氣的進料溫度，則傳熱能力升高，從而使得冷流股的出口溫度進一步升高，TD減小，影響了整個循環的溫度變化。該過程會涉及到各個變量之間復雜的交互影響，變量之間的交互作用最終使得天然氣的出口溫度進一步降低，相應的冷流股出口溫度則會升高，此時得到的結果與穩態模型優化的結果是較為一致的。如果進一步提高天然氣的進口壓力，此時會產生與前述流程相反的響應效果。如果我們將天然氣組分中甲烷含量調低一些，將乙烷含量調高一些，這樣也將導致溫差TD增加。

3.控制結構優化與設計

如上所述，天然氣的產量根據實際情況既可以保持不變，也可以當做操作變量，因此針對控制結構的選擇，需要討論兩種工況：

（1）若天然氣產量不變，整個過程涉及2個操作變量—MRL流量與MRV流量，2個控制變量T、TD，由此得到的配對關系有2種（TD-MRL，T-MRV）和（T-MRL，TD-MRV）。

表1 工況1操作變量和控制變量

（2）若天然氣產量當作操作變量，該過程涉及3個操作變量和2個控制變量，潛在配對關系存在6種，即（T-MRV，TD-MRL；T-MRL，TD-MRV；T-NG，TD-MRV；T-MRV，TD-NG；T-NG，TD-MRL；T-MRL，TD-NG），如表2所示。

表2 工況2操作變量和控制變量

基于穩態模型計算，根據所建立的模型，本文獲得的變量間穩態增益如表3所示，計算所得到的條件數如表4所示，相對增益矩陣定量地描述了多變量系統中控制回路之間的交互作用[19-20]。另外，由于本文研究的控制結構較小，在控制結構對比分析時采用穩態相對增益矩陣，如表5所示。

表3 穩態增益矩陣的結果

表4 奇異值分解的結果

表5 相對增益矩陣

由上述結果分析可知：①針對天然氣產量不發生變化的情況，配對關系包括兩種情況，通過相對增益矩陣的求解得到最優的控制結構為T-MRV，TD-MRL，見圖2。該控制結構中，MRV的流量調節來控制T，MRL的流量調節來控制TD，從而降低過程能耗，提高系統安全性。②針對天然氣的產量發生變化的情況，此時會存在6種配對關系，我們通過對所得到的穩態增益矩陣進行奇異值分解，然后緊接著求解該矩陣對應的條件數k，此時就可以明確MRL、MRV為操作變量時，MRL、MRV就是最優的操作變量，得到的最優控制結構也是T-MRV，TD-MRL。為此，我們也分析了T-NG，TD-MRL的控制結構，以此結果作為對照，進一步明確T-MRV，TD-MRL控制結構的有效性。根據圖3，我們所得到的控制結構可以調節MRL流量，通過這樣的操作可以實現液化天然氣出口溫度的控制；另外，通過調節天然氣的流量來控制混合制冷劑的出口溫度。

4.結論

本文將丙烷預冷制冷過程中的深冷動態工藝作為研究對象，重點考察了該過程控制結構的優化設計與選擇問題。通過定性分析，明確MRV、MRL、NG是操作變量，TD、T是控制變量。隨后，通過穩態增益矩陣的定量計算，并結合條件數識別潛在的控制結構：（1）針對天然氣產量固定時，最優控制結構配對為（T-MRV，TD-MRL）；（2）天然氣產量變化時，最優控制結構仍為（T-MRV，TD-MRL）。最后通過Aspen HYSYS建立相應的動態模型，進一步證明了我們所提出的控制結構，在應對不同生產工況出現的波動時具有很好的適應性。