Control Structure Design and Dynamic Simulation of Mixed Fluid Cascade Natural Gas Liquefaction Process

Document Type : Original Article

Authors

Institute of Liquefied Natural Gas (I-LNG), School of Chemical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran

20.1001.1.25885596.2020.5.1.1.1

Abstract

Mixed fluid cascade natural gas liquefaction process control system is designed and analyzed in this study. The specific energy consumption (SEC) of this process is 0.2647 kWh/kg LNG. After steady state simulation and sizing the process components, a control structure is designed to control the whole process. In addition, dynamic simulation is carried out and performance of the controllers is investigated. By dynamic simulation, specific energy consumption is reduced to 0.2574 kWh/kg LNG, which means the designed control structure can stably and accurately control the process. To validate the performance and stability of the control structure, changes in the flow rate and temperature of the feed gas are inflicted as a disturbance to the process.

Keywords

Main Subjects

Article Title [فارسی]

طراحی ساختار کنترلی و شبیه‌سازی دینامیک فرآیند مبرد آمیخته چند مرحله‌ای مایع‌سازی گاز طبیعی

Authors [فارسی]

  • طلیعه رمضانی
  • زهرا نرگسی
  • علی پالیزدار
  • علی وطنی

کارشناس ارشد تحقیق و توسعه (مهندس فرآیند)، انستیتو گاز طبیعی مایع (I-LNG)، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

Abstract [فارسی]

در این مقاله سامانه کنترلی فرآیند مبرد آمیخته چند مرحله‌ای مایع‌سازی گاز طبیعی طراحی شده و بررسی گردیده است. مصرف ویژه انرژی (SEC) این فرآیند برابر با kWh/kg LNG 2647/0 می‌باشد. پس از شبیه‌سازی استاتیک (پایا) فرآیند مذکور و تعیین اندازه تجهیزات موجود در آن، به‌منظور کنترل کل فرآیند یک ساختار کنترلی طراحی گردید. علاوه بر این، شبیه‌سازی دینامیک (پویا) فرآیند انجام شد و عملکرد کنترلرها مورد بررسی قرار گرفت. با شبیه‌سازی دینامیک، مقدار مصرف ویژه انرژی فرآیند به kWh/kg LNG 2574/0 کاهش یافت؛ که این موضوع نشان دهنده آن است که ساختار کنترلی طراحی شده می‌تواند فرآیند را به‌صورت پایدار و صحیح کنترل نماید. به‌منظور اعتبارسنجی عملکرد و پایداری ساختار کنترلی، تغییرات در دبی جریان و دمای خوراک گازی به‌عنوان اغتشاش به فرآیند وارد گردید.

Keywords [فارسی]

  • گاز طبیعی مایع (LNG)
  • فرآیند MFC
  • کنترل فرآیند
  • شبیه‌سازی دینامیک
[1].       Petroleum, B., 2018 BP Energy Outlook. 2018, BP London, UK.
[2].       Mokhatab, S., et al., Handbook of liquefied natural gas. 2013: Gulf Professional Publishing.
[3].       Shukri, T., LNG technology selection. Hydrocarbon engineering, 2004. 9(2): p. 71-76.
[4].       LNG Technology, The Linde. Group: "http://www.linde-engineering.com/internet.global.lindeengineering.global/en/images/LNG_1_1_e_13_150dpi19_4577.pdf".
[5].       Vatani, A., M. Mehrpooya, and A. Palizdar, Energy and exergy analyses of five conventional liquefied natural gas processes. International Journal of Energy Research, 2014. 38(14): p. 1843-1863.
[6].       Song, K., et al. Dynamic simulation of natural gas liquefaction process. in 22nd European Symposium on Computer Aided Process Engineering. 2012. Elsevier.
[7].       Khan, M.S., et al. Robust control of Propane Pre-cooled mixed refrigerant process for natural gas liquefaction. in Control Automation and Systems (ICCAS), 2010 International Conference on. 2010. IEEE.
[8].       Vatani, A., M. Mehrpooya, and A. Palizdar, Advanced exergetic analysis of five natural gas liquefaction processes. Energy Conversion and Management, 2014. 78: p. 720-737.
[9].       Jacobsen, M.G., Optimal Operation of Cooling Cycle/LNG Process. 2007, Norwegian University of Science and Technology.
[10].     Stephenson, G. and L. Wang, Dynamic simulation of liquefied natural gas processes. Hydrocarbon Processing, 2010.
[11].     Husnil, Y.A., C. Park, and M. Lee. Simulation based Heuristics Approach for Plantwide Control of Propane Precooled Mixed Refrigerant in Natural Gas Liquefaction Process. in 11th International Symposium on Process Systems Engineering-PSE2012. 2012. Elsevier.
[12].     Husnil, Y.A., G. Yeo, and M. Lee, Plant-wide control for the economic operation of modified single mixed refrigerant process for an offshore natural gas liquefaction plant. Chemical Engineering Research and Design, 2014. 92(4): p. 679-691.
[13].     Singh, A. and M. Hovd. Dynamic modeling and control structure design for a liquefied natural gas process. in American Control Conference, 2007. ACC'07. 2007. IEEE.
[14].     Venkatarathnam, G. and K.D. Timmerhaus, Cryogenic mixed refrigerant processes. 2008: Springer.
[15].     "Aspen HYSYS Simulation Basis" manual. 2010. Aspen Technology, Inc.
[16].     Alabdulkarem, A., et al., Optimization of propane pre-cooled mixed refrigerant LNG plant. Applied Thermal Engineering, 2011. 31(6–7): p. 1091-1098.
[17].     Waldmann, I. Evaluation of process systems for floating LNG production units. in Tekna conference. 2008.
[18].     Mandler, J.A., Modelling for control analysis and design in complex industrial separation and liquefaction processes. Journal of process control, 2000. 10(2): p. 167-175.
[19].     "Aspen HYSYS Unit Operations Guide" manual. 2010. Aspen Technology, Inc.
[20].     GPSA Engineering Data Book. 2004: GPSA.
[21].     Stephanopoulos, G., Chemical process control: An Introduction to Theory and Practice. 1984: Prentice-Hall.
[22].     Skogestad, S., Control structure design for complete chemical plants. Computers & Chemical Engineering, 2004. 28(1): p. 219-234.
[23].     Larsson, T. and S. Skogestad, Plantwide control-A review and a new design procedure. Modeling, Identification and Control, 2000. 21(4): p. 209-240.
[24].     "Aspen HYSYS Dynamics" manual. 2010. Aspen Technology, Inc.
[25].     Mehrpooya, M., A. Vatani, and S. Mousavian, Optimum design of integrated liquid recovery plants by variable population size genetic algorithm. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2010. 88(6): p. 1054-1064.