CN103398545A - 一种原料气多级压力节流的生产液化天然气的*** - Google Patents
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Abstract
一种原料气经多级压缩节流生产液化LNG的***,由通过管路串接的n级压缩冷却单元、预冷换热器、n个主冷换热器、n个节流阀、n个分配阀和闪蒸罐组成;n为2~4正整数;原料气经多级压缩冷却后,依次经过n个主冷换热器,并在每个主冷换热器后分出一部分气流经节流后反向流过之前的主冷换热器及预冷换热器回收冷量,最后回到多级压缩机单元相应压力入口;原料气经最后一个主冷换热器后全部节流入闪蒸罐,闪蒸罐底部流出的液化天然气,一部分为LNG产品,其余同闪蒸气一起回流过各换热器回收冷量后回到首级压缩机入口;预冷采用常规制冷技术成熟可靠;低温部分冷量由天然气自身节流产生;多级压力节流可降低压缩回热过程的不可逆损失。
Description
技术领域
本发明涉及气体液化领域,特别涉及一种原料气多级压力节流的生产液化天然气的***。
背景技术
天然气是一种优质、高效的清洁能源和化工原料,具有热值高,燃烧产物对环境污染少等优点,被认为是优质洁净燃料。随着世界经济的发展,煤和石油等化石燃料的使用所带来的环境问题日益严重,天然气作为洁净能源的消费量急剧增长,广泛应用于国民经济建设的各个领域。
由于天然气的产地往往不在工业或人口集中的地区,其产地和消费地的分离的状况使其运输和储存称为必须解决的问题。作为天然气的一种重要应用形式,液化天然气(LNG)的比体积仅为标准状态下甲烷的1/625,在输送和储存上具有明显优势;因其在运输、利用和环保等方面具有其他燃料无可比拟的优点,LNG已经成为一门迅猛发展的新兴产业。LNG技术除了用来解决天然气运输、储存问题外,还常用于天然气使用时的调峰装置上。天然气作为城市民用燃气或发电厂的燃料,不可避免回油需要量的波动,这就要求供应商具有调峰作用。另外,液化天然气还可用做汽车、船舶等交通运输工具的燃料。
天然气的液化流程根据制冷工质的不同可分为带制冷剂的液化流程和天然气自身液化流程。其中带制冷剂的液化流程,通过制冷剂循环产生冷量,将原料气冷却至液化温度,如级联式液化流程,混合制冷剂液化流程,氮膨胀液化流程等,这类流程中天然气本身不作为制冷工质,仅吸收制冷循环产生的冷量而达到液化。而天然气自身液化流程中,原料天然气本身也为制冷工质,通过高压原料气自身的膨胀产生冷量使天然气液化。目前已有的天然气自身液化技术中均利用膨胀机作为高压天然气的压降部件,如:CN1264848A的专利中高压原料气在预冷换热器中得到预冷后分成两部分,一部分节流,另一部分膨胀至同一低压,节流后的液相部分为LNG产品,气相部分同膨胀后的部分共同回到原料气压缩机入口,该流程只有一个低压级其低温段换热器内换热温差较大。CN1082183的专利的液化方法使用的是原料气多级压缩,高压原料气分成几部分分别膨胀至多个中间压力后回到多级压缩机组相应压力入口。这类技术在低温区均含有膨胀机,设备复杂投资高,维护保养不方便。
另外,多级压缩多级节流制冷技术在闭式制冷循环中也有应用,如普冷领域的两级压缩两级节流制冷循环,主要目的是解决实现低温时压缩机压比过大的问题。本发明人申请号201210526647.9的专利采用多级压缩多级节流至中间压力的制冷流程,流程采用闭式循环并且制冷工质为混合制冷剂。
与现有技术相比,本发明的***预冷部分采用常规制冷手段,原料气压缩采用常用的天然气压缩机,技术均成熟可靠;低温部分冷量由高压天然气自身节流产生,结构简单,无运动部件,可靠性高;多级压力节流降低了压缩和回热过程的不可逆损失,效率高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原料气经多级压缩节流生产液化LNG的***,该***预冷部分采用常规制冷手段,技术成熟可靠;低温部分冷量由高压天然气自身节流产生,可使用成熟的天然气压缩机,可靠性高;***多级压缩及节流减小不可逆损失,可达到较高的效率。
本发明技术方案如下:
本发明提供的原料气经多级压缩节流生产液化天然气(LNG)的***,其由通过管路串接的n级压缩冷却单元、预冷换热器PHX、n个主冷换热器(HXn,HXn-1,…,HX1)、n个节流阀(Vn,Vn-1,…,V1)、n个分配阀(Tn,Tn-1,…,T1)和一个闪蒸罐FT组成;所述n为2~4正整数;所述n级压缩冷却单元中的第一级压缩冷却单元由第一压缩机C1和第一后冷却器AC1组成,第二级压缩冷却单元由第二压缩机C2和第二后冷却器AC2组成,以此类推,第n级压缩冷却单元由第n压缩机Cn和第n后冷却器ACn组成;
所述的预冷换热器PHX、n个主冷换热器(HXn,HXn-1,…,HX1)和闪蒸罐FT依次通过管路串接于所述第n级压缩冷却单元的第n后冷却器ACn的出口处;
经过n级压缩冷却单元的压缩冷却后的高压原料气流M0,首先流过预冷换热器PHX,然后进入第n主冷换热器HXn,并由第n主冷换热器HXn流出,之后经装于第n主冷换热器HXn出口处的第n分配阀Tn的分配,有一部分流体Mn被分离出,该流体Mn经装于该流体Mn管路上的第n节流阀Vn节流压降后反向依次流过第n个主冷换热器HXn及预冷换热器PHX,最后回流到第n个压缩机Cn的入口;第n分配阀Tn流出的另一股流体M0n进入第n-1主冷换热器HXn-1,并由第n-1主冷换热器HXn-1流出,之后经装于第n-1主冷换热器HXn-1出口处的第n-1分配阀Tn-1的分配,有一部分流体Mn-1被分离出来,该流体Mn-1经装于该流体Mn-1管路上的第n-1节流阀Vn-1节流压降后反向依次流过第n-1主冷换热器HXn-1、第n主冷换热器HXn及预冷换热器PHX,最后回到第n-1级压缩机Cn-1的入口;依次类推直到高压原料气流流入第1主冷换热器HX1;流出第1主冷换热器HX1的高压原料气流经装于第1主冷换热器HX1出口处的第1节流阀V1节流压降后进入闪蒸罐FT,并由闪蒸罐FT底部流出,该流出的气体为液化原料气;该液化原料气装于闪蒸罐FT底端出口处的第一分配阀T1分配后,大部分液化原料气作为LNG产品进入储罐收藏,另一部分液化原料气M1和闪蒸罐FT顶部出来的气体同时反向流过全部n个主冷换热器(HX1,…,HXn)及预冷换热器PHX回收冷量后流回到第1个压缩机C1的入口。
所述原料气的进口根据原料气压力的不同位于n级压缩冷却单元中任意一级压缩冷却单元的压缩机的进口或出口处。
所述天然气为经过净化处理的富含甲烷的天然气、煤层气和页岩气。
所述预冷换热器PHX还包含一股预冷流体PM;该预冷流体PM将预冷换热器PHX出口温度冷却至-30℃~-60℃。所述经过n级压缩冷却单元的压缩冷却后的高压原料气流M0的压力为6.0~8.0MPa。所述预冷换热器PHX及n个主冷换热器均为多通道的回热式换热器。
本发明提供的原料气经多级压缩节流生产液化LNG的***具有以下优点:
本发明的原料气经多级压缩节流生产液化LNG的***,其原料气压缩机可采用成熟的天然气压缩机,廉价易得,维修保养方便;预冷***产用常规制冷手段,技术成熟,可靠性高;低温部分冷量由高压天然气自身节流产生,结构简单,无运动部件,可靠性高;能够充分利用多级压缩机提供的多个压力级改善回热换热器中冷热流体的热当量匹配问题,减小回热换热器内高低温流体温差,减小回热过程不可逆损失,提高***效率。
附图说明
图1是本发明的结构(流程)示意图;
图2是本发明的实施例1采用3级压力的原料气节流生产液化天然气的***;
图3是本发明的实施例2采用2级压力的原料气节流生产液化天然气的***;
图4是本发明的实施例3采用4级压力的原料气节流生产液化天然气的***。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进行进一步说明本发明:
实施例1
如图2所示,本实施例中原料气为天然气,主要成分为甲烷,经净化处理后其杂质含量满足通用液化指标;原料气进入液化***的压力为3.1MPa,温度为20℃。
本实施例中的n=3,即n级压缩冷却单元为3级压缩冷却单元(由第一级压缩机C1和第一级后冷却器CA1组成的第一级压缩冷却单元,由第二级压缩机C2和第二级后冷却器CA2组成的第二级压缩冷却单元,和由第三级压缩机C3和第三级后冷却器CA3组成的第三级压缩冷却单元;
经3级压缩冷却单元压缩和冷却后的原料气流M0的压力为6MPa,温度为20℃;之后原料气流M0流经预冷换热器PHX,在预冷换热器PHX中被冷却至-60℃,然后进入第三主冷换热器;原料气流M0在第三主冷换热器HX3中被冷却至-90℃,然后经第三分配阀T3分离成第三支流M3及M03,其中第三支流M3经第三节流阀V3节流至3.1MPa后,反向流过第三主冷换热器HX3及预冷换热器PHX后进入第三压缩机C3的入口重新循环;而M03进入第二主冷换热器HX2,在其中被冷却至-115℃,然后经第二分配阀T2分离成第二支流M2及M02,其中第二支流M2经第二节流阀V2节流至1.44MPa后,反向依次流过第二主冷换热器HX2、第三主冷换热器HX3及预冷换热器PHX后进入第二压缩机C2的入口重新循环;而M02进入第一主冷换热器HX1,在其中被冷却至-140℃,然后经第一节流阀V1节流至0.4MPa后进入闪蒸罐FT,由闪蒸罐底部出来的液体经第一分配阀T1分离成第一支流M1及LNG,其中第一支流M1同闪蒸罐FT顶部出来的气相流体一同反向依次流经第一主冷换热器HX1、第二主冷换热器HX2、第三主冷换热器HX3及预冷换热器PHX后进入第一压缩机C1的入口重新循环;而LNG作为液化产品进入储罐(后续***)。
本实施例1的***采用预冷方式为常规的复叠式制冷***,高温级制冷工质为R22,制冷温度为-20℃,低温级预冷工质为R23制冷温度为-65℃,预冷***通过预冷换热器PHX为主冷***提供预冷冷量。
本实施例1中第三支路M3的流量为M0的71%,第二支路M2的流量为M0的10%,第一支路M1的流量为M0的4%,LNG流量为M0的15%。原料气液化比功耗为0.30kWh/Nm3。
本实施例1中的预冷换热器PHX采用常规的两级复叠式制冷***,将原料气预冷至-60℃,压缩机可采用常规天然气压缩机,技术成熟,易实施,采用节流降压,冷箱内无运动部件,***可靠性高。
实施例2
本实施例2中原料气为天然气,主要成分为甲烷,经净化处理后其杂质含量满足通用液化指标;原料气进入液化***的压力为,0.44MPa,温度为20℃。
如图3,本实施例中的n=2,即n级压缩冷却单元为2级压缩冷却单元(由第一级压缩机C1和第一级后冷却器CA1组成的第一级压缩冷却单元,由第二级压缩机C2和第二级后冷却器CA2组成的第二级压缩冷却单元;
本实施例2的***采用的预冷方式及预冷温度与实施例1中的相同。
经2级压缩冷却单元压缩和冷却后的原料气流M0的压力为6MPa,温度为20℃;之后原料气流M0流经预冷换热器PHX,在预冷换热器PHX中被冷却至-60℃,然后进入第二主冷换热器;原料气流M0在第二主冷换热器HX3中被冷却至-110℃,然后经第二分配阀T2分离成第二支流M2及M02,其中第三支流M2经第三节流阀V2节流至1.2MPa后,反向流过第二主冷换热器HX2及预冷换热器PHX后进入第二压缩机C2的入口重新循环;而M02进入第一主冷换热器HX1,在其中被冷却至-140℃,然后经第一节流阀V1节流至0.44MPa后进入闪蒸罐FT,由闪蒸罐底部出来的液体经第一分配阀T1分离成第一支流M1及LNG,其中第一支流M1同闪蒸罐FT顶部出来的气相流体一同反向依次流经第一主冷换热器HX1、第二主冷换热器HX2及预冷换热器PHX后进入第一压缩机C1的入口重新循环;而LNG作为液化产品进入储罐(后续***)。
本实施例2中第1压缩机C1入口压力0.44MPa,第2压缩机C2入口压力1.6MPa,第2压缩机C3出口压力6.0MPa。第2支路M2的流量为M0的65%,第1支路M1的流量为M0的14%,LNG流量为M0的20.16%。原料气液化比功耗为0.47kWh/Nm3。
本实施例2中的***与实施例1相比,少一级压缩及节流,***设备更少,更简单,但由于节流级数减少,回热换热器内换热温差更大,效率略低于实施例1。同时由于进口原料气压力低,为原料气增压也增加了部分功耗。
实施例3
本实施例3中原料气为煤层气,主要成分为甲烷,经净化处理后其杂质含量满足通用液化指标;原料气进入液化***的压力为4.0MPa,温度为20℃。
如图4,本实施例中的n=4,即n级压缩冷却单元为4级压缩冷却单元(由第一级压缩机C1和第一级后冷却器CA1组成的第一级压缩冷却单元,由第二级压缩机C2和第二级后冷却器CA2组成的第二级压缩冷却单元,由第三级压缩机C3和第三级后冷却器CA3组成的第三级压缩冷却单元,和由第四级压缩机C4和第四级后冷却器CA4组成的第四级压缩冷却单元;
本实施例3中***的预冷方式选用R22制冷双级压缩循环,预冷温度为-30℃。
经4级压缩冷却单元压缩和冷却后的原料气流M0的压力为8MPa,温度为20℃;之后原料气流M0流经预冷换热器PHX,在预冷换热器PHX中被冷却至-30℃,然后进入第四主冷换热器;原料气流M0在第四主冷换热器HX4中被冷却至-70℃,然后经第四分配阀T4分离成第四支流M4及M04,其中第四支流M4经第四节流阀V4节流至4MPa后,反向流过第四主冷换热器HX4及预冷换热器PHX后进入第四压缩机C4的入口重新循环;而M04进入第三主冷换热器HX3,在其中被冷却至-95℃,然后经第三分配阀T3分离成第三支流M3及M03,其中第三支流M3经第三节流阀V3节流至2MPa后,反向流过第三主冷换热器HX3,第四主冷换热器HX4及预冷换热器PHX后进入第三压缩机C3的入口重新循环;而M03进入第二主冷换热器HX2,在其中被冷却至-115℃,然后经第二分配阀T2分离成第二支流M2及M02,其中第二支流M2经第二节流阀V2节流至1MPa后,反向依次流过第二主冷换热器HX2、第三主冷换热器HX3,第四主冷换热器HX4及预冷换热器PHX后进入第二压缩机C2的入口重新循环;而M02进入第一主冷换热器HX1,在其中被冷却至-140℃,然后经第一节流阀V1节流至0.4MPa后进入闪蒸罐FT,由闪蒸罐底部出来的液体经第一分配阀T1分离成第一支流M1及LNG,其中第一支流M1同闪蒸罐FT顶部出来的气相流体一同反向依次流经第一主冷换热器HX1、第二主冷换热器HX2、第三主冷换热器HX3,第四主冷换热器HX4及预冷换热器PHX后进入第一压缩机C1的入口重新循环;而LNG作为液化产品进入储罐(后续***)。
本实施例3中第1压缩机C1入口压力0.4MPa,C1出口压力1.0MPa,第2压缩机C2出口压力2.0MPa,第3压缩机C3出口压力4.0MPa,第4压缩机C4出口压力8.0MPa,第4支路M4的流量为M0的61.44%,第3支路M3的流量为M0的14%,第2支路M2的流量为M0的4.5%,第1支路M1的流量为M0的3.5%,产品LNG流量为M0的16%。原料气液化比功耗为0.26kWh/Nm3。
本实施例3中的***与实施例1相比,多一级压缩及节流,***设备更少,由于节流级数增加,回热换热器内换热温差更小,效率高于实施例1。
Claims (6)
1.一种原料气经多级压缩节流生产液化LNG的***,其由通过管路串接的n级压缩冷却单元、一个预冷换热器(PHX)、n个主冷换热器(HXn,HXn-1,…,HX1)、n个节流阀(Vn,Vn-1,…,V1)、n个分配阀(Tn,Tn-1,…,T1)和一个闪蒸罐(FT)组成;所述n为2~4正整数;所述n级压缩冷却单元中的第一级压缩冷却单元由第一压缩机(C1)和第一后冷却器(AC1)组成,第二级压缩冷却单元由第二压缩机(C2)和第二后冷却器(AC2)组成,以此类推,第n级压缩冷却单元由第n压缩机(Cn)和第n后冷却器(Can)组成;
所述的预冷换热器(PHX)、n个主冷换热器(HXn,HXn-1,…,HX1)和闪蒸罐(FT)依次通过管路串接于所述第n级压缩冷却单元的第n后冷却器(Can)的出口处;
经过n级压缩冷却单元的压缩冷却后的高压原料气流(M0),首先流过预冷换热器(PHX),然后进入第n主冷换热器(HXn),并由第n主冷换热器(HXn)流出,之后经装于第n主冷换热器(HXn)出口处的第n分配阀(Tn)的分配,有一部分流体(Mn)被分离出,该流体(Mn)经装于该流体(Mn)管路上的第n节流阀(Vn)节流压降后反向依次流过第n个主冷换热器(HXn)及预冷换热器(PHX),最后回流到第n个压缩机(Cn)的入口;第n分配阀(Tn)流出的另一股流体(M0n)进入第n-1主冷换热器(HXn-1),并由第n-1主冷换热器(HXn-1)流出,之后经装于第n-1主冷换热器(HXn-1)出口处的第n-1分配阀(Tn-1)的分配,有一部分流体(Mn-1)被分离出来,该流体(Mn-1)经装于该流体(Mn-1)管路上的第n-1节流阀(Vn-1)节流压降后反向依次流过第n-1主冷换热器(HXn-1)、第n主冷换热器(HXn)及预冷换热器(PHX),最后回到第n-1级压缩机(Cn-1)的入口;依次类推,直到高压原料气流流入第1主冷换热器(HX1);流出第1主冷换热器(HX1)的高压原料气流经装于第1主冷换热器(HX1)出口处的第1节流阀(V1)节流压降后进入闪蒸罐(FT),并由闪蒸罐FT底部流出,该流出的气体为液化原料气;该液化原料气装于闪蒸罐(FT)底端出口处的第一分配阀(T1)分配后,大部分液化原料气作为LNG产品进入储罐收藏,另一部分液化原料气(M1)和闪蒸罐(FT)顶部出来的气体同时反向流过全部n个主冷换热器(HX1,…,HXn)及预冷换热器(PHX)回收冷量后流回到第一压缩机(C1)的入口。
2.按权利要求1所述的原料气经多级压缩节流生产液化LNG的***,其特征在于,所述原料气的进口位于n级压缩冷却单元中任意一级压缩冷却单元的压缩机的进口或出口处。
3.按权利要求1所述的原料气经多级压缩节流生产液化LNG的***,其特征在于,所述原料气为经过净化处理的富含甲烷的天然气、煤层气或页岩气。
4.按权利要求1所述的原料气经多级压缩节流生产液化LNG的***,其特征在于,所述预冷换热器(PHX)还包含一股预冷流体(PM);该预冷流体(PM)将预冷换热器(PHX)出口温度冷却至-30℃~-60℃。
5.按权利要求1所述的原料气经多级压缩节流生产液化LNG的***,其特征在于,所述经过n级压缩冷却单元的压缩冷却后的高压原料气流(M0)的压力为6.0~8.0MPa。
6.按权利要求1所述的原料气经多级压缩节流生产液化LNG的***,其特征在于,所述预冷换热器(PHX)及n个主冷换热器均为多通道的回热式换热器。
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