CN107166871A - 采用双级混合制冷剂循环的液化天然气蒸发气再液化*** - Google Patents

采用双级混合制冷剂循环的液化天然气蒸发气再液化*** Download PDF

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Abstract

采用双级混合制冷剂循环的液化天然气蒸发气再液化***，包括高温区混合制冷剂(MR2)循环、低温区混合制冷剂(MR1)循环和BOG喷射制冷液化循环，采用带喷射器的双级混合制冷剂***，两级混合制冷剂制冷循环通过合理的组分配比、压力和温度设定，以较小的耗功量使压缩后的BOG再液化；同时引入喷射器，利用高压液态天然气引射储罐中的BOG，减小了节流过程中的不可逆损失，节省了耗功，进一步降低了***的单位液化耗功量，节能效果显著。

Description

采用双级混合制冷剂循环的液化天然气蒸发气再液化***
技术领域
本发明属于液化天然气技术领域，具体涉及采用双级混合制冷剂循环的液化天然气蒸发气再液化***。
背景技术
液化天然气(liquefied natural gas，LNG)是一种常压贮存于-162℃的低温液体燃料，其主要成分是甲烷，体积为气态时的1/625，便于长途运输和贮存。由于LNG的常压贮存温度为-162℃，在其输运及贮存过程中，难免有热量从环境漏入，使部分LNG汽化产生蒸发气(boil-off gas，BOG)，并使容器压力升高，当压力高于安全压力时，BOG将被排放至大气中，不仅造成温室气体排放，经济损失也十分可观，因此如何合理回收BOG成为LNG贮存环节亟待解决的热点问题。
目前，BOG的处理工艺多为再冷凝工艺，该工艺结合LNG外输，利用高压过冷的LNG使压缩后的BOG冷凝，之后再泵送至汽化器，回收了LNG的冷量，大大节省了BOG加压的耗功。然而，当LNG储罐外输负荷较小或长时间无LNG外输时，不断产生的BOG将被火炬排空，以维持***运行的安全压力。因此，该工艺无法从根本上有效的解决BOG的处理问题，需考虑采用独立的低温制冷***将BOG再液化后送回储罐中。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了采用双级混合制冷剂循环的液化天然气蒸发气再液化***，使其单位液体产品能耗更低，可以有效降低BOG再液化的耗功。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
采用双级混合制冷剂循环的液化天然气蒸发气再液化***，包括换热器HX1，换热器HX1的出口c与第一级高温制冷剂压缩机C6入口连接，第一级高温制冷剂压缩机C6出口和第五冷却器5入口连接，第五冷却器5出口和第二级高温制冷剂压缩机C7入口连接，第二级高温制冷剂压缩机C7出口与第六冷却器6入口连接，第六冷却器6出口与换热器HX1的入口e连接，和入口e连通的换热器HX1的出口f与高温制冷剂节流阀V2入口相连，高温制冷剂节流阀V2出口与换热器HX1的入口d连接，入口d和出口c连通，构成高温区混合制冷剂(MR2)循环；
换热器HX1的出口a与第一级低温制冷剂压缩机C4入口连接，第一级低温制冷剂压缩机C4出口与第三冷却器3入口连接，第三冷却器3出口与第二级低温制冷剂压缩机C5入口连接，第二级低温制冷剂压缩机C5出口和第四冷却器4入口连接，第四冷却器4出口与换热器HX1的入口g连接，和入口g连通的换热器HX1的出口h与换热器HX2的入口m连接，和入口m连通的换热器HX2的出口n与低温制冷剂节流阀V1入口连接，低温制冷剂节流阀V1出口与换热器HX2的入口l连接，和入口l连通的换热器HX2的出口k与换热器HX1的入口b连接，入口b和换热器HX1的出口a连通，构成低温区混合制冷剂(MR1)循环；
换热器HX1的出口j与换热器HX2的入口o连接，和入口o连通的换热器HX2的出口p与过冷器HX3的入口s连接，和入口s连通的过冷器HX3的出口t和喷射器E0主流体入口u连接，喷射器E0的被引射流体入口v与储罐BOG出口相连，喷射器E0的出口w与气液分离器S0入口x连接，气液分离器S0的液相出口y与BOG节流阀V0入口相连，BOG节流阀V0出口与LNG储罐连接；气液分离器的气相出口z和过冷器HX3的入口r连接，和入口r连通的过冷器HX3的出口q与第一级BOG压缩机C1入口连接，第一级BOG压缩机C1出口与第二级BOG压缩机C2的入口相连，第二级BOG压缩机C2的出口和第一冷却器1的入口连接，第一冷却器1的出口与第三级BOG压缩机C3入口连接，第三级BOG压缩机C3出口与第二冷却器2入口连接，第二冷却器2出口与换热器HX1的入口i相连，入口i和换热器HX1的出口j连通，至此构成BOG喷射制冷液化循环。
所述的高温区混合制冷剂包含异丁烷、丙烷和乙烷，所述低温区混合制冷剂包含丙烷、乙烯和甲烷。
所述的高温区混合制冷剂(MR2)循环进入换热器HX1前实现全部冷凝，所述的低温区混合制冷剂(MR1)循环进入换热器HX2前实现部分冷凝。
所述的BOG喷射制冷液化循环在进入过冷器HX3前实现全部液化。
本发明的有益效果为：
本发明用于对储罐中的BOG再液化回收处理，采用一种带喷射器的双级混合制冷剂***，其优点在于两级混合制冷剂制冷循环通过合理的组分配比、压力和温度设定，以较小的耗功量使压缩后的BOG再液化。同时，该***引入喷射器，利用高压液态天然气引射储罐中的BOG，减小了节流过程中的不可逆损失，节省了耗功，进一步降低了***的单位液化耗功量，节能效果显著。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述：
参照图1，采用双级混合制冷剂循环的液化天然气蒸发气再液化***，包括换热器HX1，换热器HX1的出口c与第一级高温制冷剂压缩机C6入口连接，第一级高温制冷剂压缩机C6出口和第五冷却器5入口连接，第五冷却器5出口和第二级高温制冷剂压缩机C7入口连接，第二级高温制冷剂压缩机C7出口与第六冷却器6入口连接，第六冷却器6出口与换热器HX1的入口e连接，和入口e连通的换热器HX1的出口f与高温制冷剂节流阀V2入口相连，高温制冷剂节流阀V2出口与换热器HX1的入口d连接，入口d和出口c连通，构成高温区混合制冷剂(MR2)循环。
第一级高温制冷剂压缩机C6吸入从换热器HX1排出的低压制冷剂蒸气MR2-1后，压缩后进入第五冷却器5中间冷却后进入第二级高温制冷剂压缩机C7压缩至最高压力，随后高压的制冷剂MR2-4进入第六冷却器6中被冷却至环境温度，之后高压的制冷剂MR2-5流入换热器HX1被过冷至状态MR2-6后在高温制冷剂节流阀V2中节流，并返流回换热器HX1为其提供冷量；在换热器HX1中吸收高压天然气、高压低温混合制冷剂MR1及自身冷却过程释放的热量，并被气化复温后，低压的制冷剂MR2-1被第一级高温制冷剂压缩机C6吸入，进入下一次MR2循环。
换热器HX1的出口a与第一级低温制冷剂压缩机C4入口连接，第一级低温制冷剂压缩机C4出口与第三冷却器3入口连接，第三冷却器3出口与第二级低温制冷剂压缩机C5入口连接，第二级低温制冷剂压缩机C5出口和第四冷却器4入口连接，第四冷却器4出口与换热器HX1的入口g连接，和入口g连通的换热器HX1的出口h与换热器HX2的入口m连接，和入口m连通的换热器HX2的出口n与低温制冷剂节流阀V1入口连接，低温制冷剂节流阀V1出口与换热器HX2的入口l连接，和入口l连通的换热器HX2的出口k与换热器HX1的入口b连接，入口b和换热器HX1的出口a连通，构成低温区混合制冷剂(MR1)循环。
第一级低温制冷剂压缩机C4吸入由换热器HX1排出的低压制冷剂MR1-1，压缩后MR1-2进入第三冷却器3中冷却后进入第二级低温制冷剂压缩机C5被压缩至最高压力，随后高压的制冷剂MR1-4进入第四冷却器4中被冷却至环境温度，之后进入换热器HX1中被返流的高温区混合制冷剂MR2预冷，再进入换热器HX2中被过冷后在低温制冷剂节流阀V1中节流，并返流依次通过换热器HX2、换热器HX1为其提供冷量；制冷剂在换热器HX1中完全气化复温为MR1-1后被第一级低温制冷剂压缩机C4吸入，进入下一次MR1循环。
换热器HX1的出口j与换热器HX2的入口o连接，和入口o连通的换热器HX2的出口p与过冷器HX3的入口s连接，和入口s连通的过冷器HX3的出口t和喷射器E0主流体入口u连接，喷射器E0的被引射流体入口v与储罐BOG出口相连，喷射器E0的出口w与气液分离器S0入口x连接，气液分离器S0的液相出口y与BOG节流阀V0入口相连，BOG节流阀V0出口与LNG储罐连接；气液分离器的气相出口z和过冷器HX3的入口r连接，和入口r连通的过冷器HX3的出口q与第一级BOG压缩机C1入口连接，第一级BOG压缩机C1出口与第二级BOG压缩机C2的入口相连，第二级BOG压缩机C2的出口和第一冷却器1的入口连接，第一冷却器1的出口与第三级BOG压缩机C3入口连接，第三级BOG压缩机C3出口与第二冷却器2入口连接，第二冷却器2出口与换热器HX1的入口i相连，入口i和换热器HX1的出口j连通，至此构成BOG喷射制冷液化循环。
从过冷器HX3排出的低压BOG M0经多级压缩中间冷却后，成为常温高压天然气M5，随后依次进入换热器HX1、换热器HX2分别被前述MR2循环和MR1循环提供的冷量冷却并液化，之后进入过冷器HX3被来自气液分离器S0的返流低温BOG M10过冷后，进入喷射器E0作为主流体M8引射来自储罐中的BOG，在喷射器E0出口产生低温气液两相混合物M9，之后进入气液分离器S0中两相分离，气体部分M10返流进入过冷器HX3过冷前述的高压天然气M7，液体部分在BOG节流阀V0节流调压后返回储罐中。
所述的换热器HX1和换热器HX2为多股流换热器，在换热器HX1中，高温区混合制冷剂、低温区混合制冷剂和BOG的同时进行换热；在换热器HX2中，低温区混合制冷剂和BOG的同时进行换热。
由于液化天然气蒸发气体组分以甲烷(CH4)为主，所述的高温区混合制冷剂(MR2)由异丁烷、丙烷和乙烷组成，所述的低温区混合制冷剂(MR1)由丙烷、乙烯和甲烷组成；所述的冷却器均采用水冷冷却器，各物流流出冷却器的温度均为30℃。所述换热器HX1和HX2为多股流换热器，其热侧和冷侧通道入口端及出口端的各物流温度应保持一致。
高温区混合制冷剂(MR2)循环采用两级压缩中间冷却，所述高温区混合制冷剂(MR2)在第六冷却器6中实现全部冷凝，经换热器HX1过冷后流入高温制冷剂节流阀V2，节流至0.105MPa，获得温度低于-50℃的两相流体，返流回换热器HX1气化吸热。所述高温区混合制冷剂(MR2)在换热器HX1中完全气化并过热至高于20℃后，被第一级高温制冷剂压缩机C6吸入。
低温区混合制冷剂(MR1)循环类似于高温区混合制冷剂循环，同样采用两级压缩中间冷却，所述高压的低温区混合制冷剂(MR1)在第四冷却器4中被冷却至30℃，经换热器HX1预冷至-50℃左右，实现部分冷凝后进入换热器HX2；所述低温区混合制冷剂(MR1)在换热器HX2中实现全部冷凝并过冷后进入低温制冷剂节流阀V1，节流至0.105MPa，获得温度低于-120℃的两相流体，依次返流回换热器HX2和HX1气化吸热，为其提供冷量；所述低温区混合制冷剂(MR1)经换热器HX1过热至高于20℃后，被第一级低温制冷剂压缩机C4吸入。
BOG再液化循环采用三级压缩中间冷却，将BOG压缩至高压，在冷却器被冷却至30℃，经换热器HX1预冷至-50℃左右，在换热器HX2中实现完全冷凝并过冷至-120℃，经过冷器HX3进一步被过冷至-130℃以下；所述低温高压的液相BOG进入喷射器，作为主流体引射来自储罐中的低压BOG；在喷射器出口获得的低温低压的两相流体进入气液分离器，其中气相部分经过冷器HX3回收冷量后被第一级BOG压缩机C1吸入，液相部分经BOG节流阀V0节流至0.107MPa后返回储罐中。
采用流程模拟计算的方法说明图1所示的实施方案，结果列于表1中。假定天然气物流由纯甲烷组成，天然气循环的最高压力为4MPa(即第三级BOG压缩机C3的出口压力)，来自LNG储罐的天然气蒸发气(BOG)压力为0.107MP、温度为-125℃；返回储罐的天然气压力为0.107MPa、温度为-160.9℃。高温区混合制冷剂(MR2)由异丁烷、丙烷和乙烷组成，其摩尔分数分别为0.4697、0.3310和0.1993，而低温区混合制冷剂(MR1)由丙烷、乙烯和甲烷组成，其摩尔分数分别为0.1862、0.6906和0.1232。本领域技术人员可确定该闭式混合制冷剂循环中制冷剂的组成，使对于各种不同的原料气组成、压力和温度条件下，液化天然气蒸发气再液化流程所需耗功量最小。计算结果表明，所需高温区和低温区混合制冷剂循环的压力最高不超过2MPa。
该实施例是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
表1实施例主要参数

Claims (4)

1.采用双级混合制冷剂循环的液化天然气蒸发气再液化***，包括换热器HX1，其特征在于：换热器HX1的出口c与第一级高温制冷剂压缩机C6入口连接，第一级高温制冷剂压缩机C6出口和第五冷却器5入口连接，第五冷却器5出口和第二级高温制冷剂压缩机C7入口连接，第二级高温制冷剂压缩机C7出口与第六冷却器6入口连接，第六冷却器6出口与换热器HX1的入口e连接，和入口e连通的换热器HX1的出口f与高温制冷剂节流阀V2入口相连，高温制冷剂节流阀V2出口与换热器HX1的入口d连接，入口d和出口c连通，构成高温区混合制冷剂(MR2)循环；
换热器HX1的出口a与第一级低温制冷剂压缩机C4入口连接，第一级低温制冷剂压缩机C4出口与第三冷却器3入口连接，第三冷却器3出口与第二级低温制冷剂压缩机C5入口连接，第二级低温制冷剂压缩机C5出口和第四冷却器4入口连接，第四冷却器4出口与换热器HX1的入口g连接，和入口g连通的换热器HX1的出口h与换热器HX2的入口m连接，和入口m连通的换热器HX2的出口n与低温制冷剂节流阀V1入口连接，低温制冷剂节流阀V1出口与换热器HX2的入口l连接，和入口l连通的换热器HX2的出口k与换热器HX1的入口b连接，入口b和换热器HX1的出口a连通，构成低温区混合制冷剂(MR1)循环；
换热器HX1的出口j与换热器HX2的入口o连接，和入口o连通的换热器HX2的出口p与过冷器HX3的入口s连接，和入口s连通的过冷器HX3的出口t和喷射器E0主流体入口u连接，喷射器E0的被引射流体入口v与储罐BOG出口相连，喷射器E0的出口w与气液分离器S0入口x连接，气液分离器S0的液相出口y与BOG节流阀V0入口相连，BOG节流阀V0出口与LNG储罐连接；气液分离器的气相出口z和过冷器HX3的入口r连接，和入口r连通的过冷器HX3的出口q与第一级BOG压缩机C1入口连接，第一级BOG压缩机C1出口与第二级BOG压缩机C2的入口相连，第二BOG压缩机C2的出口和第一冷却器1的入口连接，第一冷却器1的出口与第三级BOG压缩机C3入口连接，第三级BOG压缩机C3出口与第二冷却器2入口连接，第二冷却器2出口与换热器HX1的入口i相连，入口i和换热器HX1的出口j连通，至此构成BOG喷射制冷液化循环。
2.根据权利要求1所述的采用双级混合制冷剂循环的液化天然气蒸发气再液化***，其特征在于：所述的高温区混合制冷剂包含异丁烷、丙烷和乙烷，所述低温区混合制冷剂包含丙烷、乙烯和甲烷。
3.根据权利要求1所述的采用双级混合制冷剂循环的液化天然气蒸发气再液化***，其特征在于：所述的高温区混合制冷剂(MR2)循环进入换热器HX1前实现全部冷凝，所述的低温区混合制冷剂(MR1)循环进入换热器HX2前实现部分冷凝。
4.根据权利要求1所述的采用双级混合制冷剂循环的液化天然气蒸发气再液化***，其特征在于：所述的BOG喷射制冷液化循环在进入过冷器HX3前实现全部液化。
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