CN101413749B - 一种单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法，将原料天然气通过冷箱中的换热器，与混合冷剂换热，天然气被冷却液化；其中混合冷剂先依次经压缩机增压、冷却器冷却，然后不进行气液分离、直接进入换热器预冷，再出换热器降压降温，再回到换热器，与天然气换热使之液化，同时自身汽化成气态混合冷剂，返回压缩机进入下一循环；本方法中通过降低压缩机出口压力、或抬高压缩机出口冷却器的位置、或混合冷剂进出冷箱采用下进下出的方式等，解决气液两相流问题；无需进行混合冷剂气液分离与混合，可减少气液分离器及泵等设备投入，并简化循环流程和操作控制，同时降低生产成本。本发明还公开了用于上述方法的装置。

Description

一种单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法及装置
技术领域
本发明属于天然气、煤层气或其它富甲烷气体的液化技术领域，特别涉及一种单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法及装置。
背景技术
天然气、煤层气的主要成分是甲烷，在常温下，无法仅靠加压将其液化。需要采用天然气液化工艺将其液化，比如在常压下的甲烷在-162℃液化为LNG(液化天然气)，其体积仅为原来气态的1/625，其密度为标准状态下甲烷的600多倍、水的45％，体积能量密度为汽油的72％。因为其清洁的燃烧质量和使用的方便性，所以是优质的工业和民用燃料，同时又十分有利于输送和储存。
目前常见的天然气液化制冷流程有级联式制冷循环、混合冷剂制冷循环和膨胀器制冷循环。级联式制冷循环虽然单元能耗最低，节能效果最好，但是流程复杂，操作控制复杂，设备多，投资最大，适用于大型LNG***；膨胀器制冷循环流程简单，调节灵活，易于开停车，易于操作，投资较低，但单位能耗高，适用于小型LNG***。混合冷剂制冷循环是采用混合冷剂进行压缩节流制冷，其流程复杂程度、设备数量、控制难易程度、投资额、单位能耗则介于二者之间，主要适用于大中型LNG***。目前混合冷剂制冷循环的流程经改进后，由于设备数量减少、流程简化、能耗很低、控制更简单，可适合于各种规模的LNG***。尤其是由美国BVPI开发的PRICO制冷技术，它无需多级分液多次节流后混合返回压缩机，在一定程度上简化了流程，减少了设备数量和投资。但是，其冷却器放置于地面上，经压缩机压缩后的混合冷剂进入冷却器后，在冷却器中部分液化从而(在冷却器之后的管道中)产生气液两相；为了解决混合冷剂气液两相流的问题，该技术在冷却器后仍设有气液分离器对气液进行分离，将分离出的液体冷剂用泵送至冷箱入口处与分离器分离出的气体冷剂混合后再进入冷箱，这种方法仍然增加了设备数量(如分离器、泵等)和控制点，其循环流程及操作控制等仍然较为复杂，设备数量的增加也导致投入成本的增加，从而导致整个生产过程成本的增加。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种无需进行混合冷剂气液分离与混合的单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法，减少设备投入，简化循环流程和操作控制，降低生产成本。同时，本发明还提供了一种用于上述单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法的装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法，将原料天然气通过冷箱中的换热器，与换热器中的混合冷剂换热，原料天然气被冷却至-135～-160℃液化成为LNG，再经天然气节流阀降压后送去储存；其中：混合冷剂需先依次经压缩机增压、冷却器冷却，然后不进行气液分离、直接进入冷箱中的换热器预冷，再出换热器、经混合冷剂节流阀降压降温，再回到冷箱中的换热器，在换热器中与原料天然气换热使之液化，并在提供天然气液化冷量的同时使自身汽化成气态混合冷剂，气态混合冷剂则返回压缩机进入下一个循环；其中，混合冷剂经压缩机增压、冷却器冷却后，仍然会由于部分液化而产生气液两相，为了实现不增加分离器和泵等设备而解决气液两相流问题，本发明技术方案中可采用下述三种方法之任意一种或多种：
(1)、降低压缩机出口压力至0.8～2.0MPa，以改变气液两相流中两相体积比，使气液两相体积比为0.0001～0.01；即通过增大两相流中气液体积比使混合冷剂可以在管道中稳定流动；
(2)、抬高压缩机出口冷却器的位置使之高于冷箱的位置，不仅使压缩机出口至冷却器进口的管道不出现两相流，同时经冷却器冷却后的气液两相可顺利流至冷箱，不需要增加气液分离器及泵等设备；
(3)、天然气进出冷箱采用下进上出、混合冷剂进出冷箱采用下进下出的方式；依靠天然气和混合冷剂自身的压力，顺利送入冷箱中，也可解决气液两相流问题。
混合冷剂可选用现有技术中天然气液化方法中常用的混合冷剂，如由N2和选自C1至C5的碳氢化合物等多种组分组成的混合冷剂。
上述单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法中：
混合冷剂经压缩机增压后，其压力可增至0.8～2.0MPa，温度为80～150℃，成为高温高压混合冷剂气体；
高温高压混合冷剂气体经冷却器冷却后，其温度可冷却至25～50℃；
经增压、冷却后的混合冷剂进入冷箱中的换热器预冷(与已经节流冷至液态的混合冷剂换热而达到预冷目的)至-145～-160℃，成为低温液态混合冷剂；再出换热器、经混合冷剂节流阀节流膨胀降压降温至压力为0.2～0.5MPa、温度为-148～-163℃；
降压降温后的液态混合冷剂在换热器中与原料天然气换热使原料天然气温度降至-135～-160℃而液化，同时也使从压缩机和冷却器压缩冷却后刚进入的混合冷剂预冷，自身则吸收二者的热量温度升高到常温而汽化成气态混合冷剂，气态混合冷剂通过管道出冷箱返回压缩机，进行下一周期的循环。
用于上述单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法的装置，其组成为：
主要包括制冷循环***和天然气液化***，制冷循环***主要由压缩机、冷却器、冷箱(其中主要设备为换热器)、混合冷剂节流阀(可位于冷箱内，也可位于冷箱外)等通过管道连接形成(在冷却器出口后，不需要设置气液分离器和泵等)一个封闭的制冷循环***；其中的冷箱(包括其中的换热器等)，还通过天然气进出管道及天然气节流阀等连接成天然气液化***。必要时(如没有在天然气预处理***中除去重烃而需要在液前先行除去重烃时)，天然气液化***还可以包括重烃分离器；
其中，为了实现在冷却器后不设置气液分离器和泵等而解决气液两相流问题，上述装置可采用下述方案之一：
(1)压缩机出口的冷却器，其位置可以抬高至高于冷箱的位置，不仅使天然气液化过程中压缩机出口至冷箱进口的管道不出现两相流，同时经冷却器冷却后的气液两相可顺利流至冷箱，不需要增加气液分离器及泵等设备；
(2)供天然气进出冷箱的管道可采用下进上出的连接方式，同时供混合冷剂进出冷箱的管道，采用下进下出的方式与冷箱连接；依靠天然气和混合冷剂自身的压力，顺利进出冷箱，也可解决气液两相流问题。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法，无需进行混合冷剂气液分离与混合，可减少气液分离器及泵等设备投入，并简化循环流程和操作控制，同时降低生产成本。
附图说明
图1为本发明(不带重烃分离模块的)单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法的原理示意图，也做为实施例1单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法的流程示意图。
图2为本发明具有重烃分离模块的单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法的原理示意图，也做为实施例2单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法的流程示意图。
图3为本发明(不带重烃分离模块的)实施例3单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法的流程示意图。
图1～3中，11是脱除了杂质的天然气，12是LNG(液化天然气)，13是重烃；21是高温高压的混合冷剂气体，22是冷却后的混合冷剂，23是被液化的混合冷剂，24是低温低压的混合冷剂，25是出自冷箱的混合冷剂；31是换热器，311是预冷换热器，312是主冷换热器，32是压缩机，33是冷却器，34是混合冷剂节流阀，35是天然气节流阀，36是重烃分离器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。
下述各实施例中，单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法所采用的装置均包括由压缩机32、冷却器33、换热器31和混合冷剂节流阀34、天然气节流阀35等通过管道连接形成的封闭的制冷循环***和天然气液化***。
混合冷剂为由N2和选自C1至C5的碳氢化合物等多种组分组成的混合冷剂。
实施例1
本实施例采用的装置(不带重烃分离模块)示意图如图1所示，主要包括制冷循环***和天然气液化***，制冷循环***由压缩机32、冷却器33、冷箱(其中主要设备为换热器31)、混合冷剂节流阀34(位于冷箱内)等通过管道连接形成一个封闭的制冷循环***；其冷箱中的换热器31，还和天然气节流阀35等通过天然气进出管道连接成天然气液化***；冷却器33的位置在冷箱顶部(冷箱外)。
采用的混合冷剂由5％ N2、35％ CH4、26％ C2H4、16％ C3H8、18％ C5H12组成。
本实施例单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法包括如下主要步骤(其流程如图1所示)：
a、出自冷箱的混合冷剂25通过压缩机32增压至1.6Mpa，温度约为140℃，成为高温高压的混合冷剂气体21；
b、高温高压的混合冷剂气体21通过冷却器33冷却至40℃，得冷却后的混合冷剂22，然后将冷却后的混合冷剂22送去冷箱入口；通过抬高冷却器33位置，将其布置在冷箱顶部，使压缩机32出口至冷却器33进口的管道不出现两相流，仅在冷却器33至冷箱入口较短管道内出现，而此处管道中气液两相均向下流动，对冷箱入口气液分布没有影响；
c、将冷却后的混合冷剂22进入冷箱中的换热器31进一步冷却至约-145℃而液化，成为被液化的混合冷剂23；
d、被液化的混合冷剂23通过混合冷剂节流阀34减压0.3Mpa降温至-148℃，成为低温低压的混合冷剂24，然后返回换热器31提供冷量，对原料天然气11和刚从冷却器33冷却后进入冷箱的混合冷剂22进行冷却；混合冷剂24吸收了这两股流体的热量后，其温度升高至常温而气化成气态混合冷剂25，然后出冷箱返回压缩机32进入下一个循环；
e、经预处理***脱除了杂质的天然气11温度约40℃，压力约2.3Mpa；通过冷箱中的换热器31，与被液化的混合冷剂24换热，被冷却至约-146℃液化成为LNG 12，经天然气节流阀35降压至0.5Mpa后送到LNG贮槽。
实施例2
本实施例采用的装置(具有重烃分离模块)示意图如图2所示，主要包括制冷循环***和天然气液化***，制冷循环***由压缩机32、冷却器33、冷箱(其中主要设备为换热器，包括预冷换热器311和主冷换热器312)、混合冷剂节流阀34(位于冷箱内)等通过管道连接形成一个封闭的制冷循环***；其冷箱中的预冷换热器311和主冷换热器312，还和重烃分离器36、天然气节流阀35等通过天然气进出管道连接成天然气液化***。
采用的混合冷剂由5％ N2、35％ CH4、26％ C2H4、16％ C3H8、18％ C5H12组成。
本实施例单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法包括如下主要步骤(其流程如图2所示)：
a、出自冷箱的混合冷剂25通过压缩机32增压至1.3Mpa，温度约为137℃，成为高温高压的混合冷剂气体21；
b、高温高压的混合冷剂气体21通过冷却器33冷却至38℃，得冷却后的混合冷剂22，然后将冷却后的混合冷剂22送去冷箱入口；为了防止两相流在管道中的不稳定流动，该实施例中采用了降低压缩机出口压力为1.3Mpa以改变液气两相流中两相体积比的方法，此时其值为0.00615，可使混合冷剂在管道中稳定流动；
c、将冷却后的混合冷剂22依次进入冷箱中的预冷换热器311和主冷换热器312，进一步冷却到约-146℃而液化，成为被液化的混合冷剂23；
d、被液化的混合冷剂23通过混合冷剂节流阀35减压0.3Mpa降温至-148℃，成为低温低压的混合冷剂24，然后返回换热器依次经过主冷换热器312和预冷换热器311，提供冷量，在主换热器312中对经过重烃分离后的天然气和经过预冷换热器预冷的混合冷剂进行冷却，在预冷换热器中对原料天然气11和刚从冷却器33冷却后进入冷箱的混合冷剂22进行冷却，混合冷剂24吸收热量后温度升高至常温而气化成气态混合冷剂25，然后出冷箱返回压缩机32进入下一个循环；
e、经预处理***脱除了其它杂质的天然气11，温度约为40℃，压力约2.5Mpa。通过冷箱中的预冷换热器311预冷、重烃分离器36分离除去重烃13、及主冷换热器312冷却后，被冷却至约-146℃液化成为LNG 12，经降压至0.5Mpa后送到LNG贮槽。
实施例3
本实施例采用的装置(不带重烃分离模块)示意图如图3所示，主要包括制冷循环***和天然气液化***，制冷循环***由压缩机32、冷却器33、冷箱(其中主要设备为换热器31)、混合冷剂节流阀34(位于冷箱内)等通过管道连接形成一个封闭的制冷循环***；其冷箱中的换热器31，还和天然气节流阀35等通过天然气进出管道连接成天然气液化***；其中，天然气进出冷箱的管道采用下进上出的连接方式，同时供混合冷剂进出冷箱的管道采用下进下出的方式与冷箱连接。
采用的混合冷剂由8％ N2、30％ CH4、28％ C2H4、16％ C3H8、18％ C5H12组成。
本实施例单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法包括如下主要步骤(其流程如图3所示)：
a、出自冷箱的混合冷剂25通过压缩机32增压至2.0Mpa，温度约为150℃，成为高温高压的混合冷剂气体21；
b、高温高压的混合冷剂气体21通过冷却器33冷却至38℃，得冷却后的混合冷剂22，然后将冷却后的混合冷剂22送去冷箱入口；为了防止两相流在管道中的不稳定流动，混合冷剂进出冷箱采用下进下出的方式，从冷箱下部进入，经换热器31预冷后，再经混合冷剂节流阀34减压降温至-148℃，成为低温低压的混合冷剂24，然后返回换热器31提供冷量对原料天然气11进行冷却；混合冷剂24吸收热量被气化成气态混合冷剂25，气态混合冷剂25仍从冷箱下部出来，返回压缩机32进入下一个循环；
c、经预处理***脱除了杂质的原料天然气11，温度约为40℃，压力约2.0Mpa；通过冷箱中的换热器31，与被液化的混合冷剂24换热，被冷却至约-146℃液化成为LNG 12，经天然气节流阀35降压至0.5Mpa后送到LNG贮槽。
在本发明的核心基础上，还可以根据体系的总体设计和原料气的组成而采取不同的温度、压力操作参数。
由于在制冷循环中制冷剂不可避免的损耗，因此需要定期进行补充；在正常开停车或者事故状态下，需要充入或者排放混合冷剂，由此而必须的分离、混合操作不影响本发明特征的表达。
压缩冷却过程中可以是一级压缩一级冷却，也可以多台压缩机多级压缩多级冷却或者一台压缩机多级压缩多级冷却。一级压缩节省投资，多级压缩节能降耗。无论采用何种压缩模式，只要制冷剂循环不存在分流、混合的操作，则不影响本发明的特征表达。
脱除原料天然气中的水、酸性气体和汞。重烃可以在预处理***中通过分子筛脱除，或者通过独立的预冷***冷却后使重烃冷凝而被分离脱除；也可不设独立的预冷***，而通过冷箱中的预冷器冷却而脱除重烃。采用后者时，重烃分离自天然气流线，而混合冷剂没有分流或混合，因此不影响本发明的特征表达。
如果原料天然气含氮高而需要脱氮，则还可在天然气流线上增加脱氮模块。脱氮过程中的分离操作发生于天然气流线上，混合冷剂没有分流或混合，因此也不影响本发明的特征表达。

Claims (4)

1.一种单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法，将原料天然气通过冷箱中的换热器，与换热器中的混合冷剂换热，原料天然气被冷却至-135～-160℃液化成为LNG，再经天然气节流阀降压后送去储存；其中：混合冷剂先依次经压缩机增压、冷却器冷却，然后不进行气液分离、直接进入冷箱中的换热器预冷，再出换热器、经混合冷剂节流阀降压降温，再回到冷箱中的换热器，在换热器中与原料天然气换热使之液化，并在提供天然气液化冷量的同时使自身汽化成气态混合冷剂，气态混合冷剂则返回压缩机进入下一个循环；其中，为了解决气液两相流问题，采用下述三种方法之任意一种或多种：
(1)、降低压缩机出口压力至0.8～2.0MPa，以改变气液两相流中两相体积比，使气液两相体积比为0.0001～0.01；
(2)、抬高压缩机出口冷却器的位置使之高于冷箱的位置；
(3)、天然气进出冷箱采用下进上出、混合冷剂进出冷箱采用下进下出的方式。
2.根据权利要求1所述的单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法，其特征在于：所述的单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法中：
混合冷剂经压缩机增压后，其压力增至0.8～2.0MPa，温度为80～150℃，成为高温高压混合冷剂气体；
高温高压混合冷剂气体经冷却器冷却后，其温度冷却至25～50℃；
经增压、冷却后的混合冷剂进入冷箱中的换热器预冷至-145～-160℃，成为低温液态混合冷剂；再出换热器、经混合冷剂节流阀节流膨胀降压降温至压力为0.2～0.5MPa、温度为-148～-163℃；
降压降温后的液态混合冷剂在换热器中与原料天然气换热使原料天然气温度降至-135～-160℃而液化，同时也使从压缩机和冷却器压缩冷却后刚进入的混合冷剂预冷，自身则吸收二者的热量温度升高到常温而汽化成气态混合冷剂，气态混合冷剂通过管道出冷箱返回压缩机，进行下一周期的循环。
3.一种用于权利要求1所述的单级混合冷剂制冷循环液化天然气的方法的装置，其组成为：
包括制冷循环***和天然气液化***，制冷循环***主要由压缩机、冷却器、冷箱、混合冷剂节流阀通过管道连接形成封闭的制冷循环***，冷箱中主要设备为换热器；所述的冷箱，还通过天然气进出管道及天然气节流阀连接成天然气液化***；
其中，为了解决气液两相流问题，所述的装置还采用下述方案之一：
(1)压缩机出口的冷却器，其位置抬高至高于冷箱的位置；
(2)供天然气进出冷箱的管道采用下进上出的连接方式，同时供混合冷剂进出冷箱的管道，采用下进下出的方式与冷箱连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的天然气液化***中还包括重烃分离器。
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