混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)天然氣液化裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)天然氣液化裝置，包括冷箱，冷箱中設(shè)置有板翅式換熱器，板翅式換熱器具有相互獨立的天然氣預(yù)冷通道、天然氣液化過冷通道、重冷劑返流通道、低壓冷劑返流通道、液相冷劑預(yù)冷通道、高壓冷劑預(yù)冷通道；重冷劑返流通道、低壓冷劑返流通道、液相冷劑預(yù)冷通道及高壓冷劑預(yù)冷通道形成一冷劑循環(huán)系統(tǒng)；冷劑循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)采用混合冷劑作為液化循環(huán)的工質(zhì)。本實用新型可以在提高液化裝置熱效率、降低單位產(chǎn)品功耗的同時省去了通常的單循環(huán)混合冷劑天然氣液化裝置中必備的混合冷劑泵。
【專利說明】
混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)天然氣液化裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型涉及一種天然氣液化設(shè)備，具體涉及一種混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán) 天然氣液化裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，液化天然氣(LNG)產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)快速發(fā)展，僅在中國先后有超過數(shù)十 個LNG液化裝置建成投產(chǎn)，這些裝置從不到10萬標(biāo)方/天到500萬標(biāo)方/天規(guī)模不等。從裝置 選擇的液化流程上來，從N2或是甲烷膨脹機(jī)循環(huán)、單回路混合冷劑循環(huán)到傳統(tǒng)的級聯(lián)式循 環(huán)等都有采用。不同的液化流程主要體現(xiàn)在不同的冷劑循環(huán)回路和流程設(shè)備的配置上，而 該配置將對液化裝置的熱力循環(huán)效率、設(shè)備布置、裝置對氣源的適應(yīng)性、裝置的可靠性、操 作彈性及穩(wěn)定性、以及固定投資費用均產(chǎn)生影響。一般而言，隨著液化流程復(fù)雜程度的增 加，LNG的比能耗會下降，運行成本會下降；而流程設(shè)備數(shù)量的增加以及流程回路的增加會 造成固定設(shè)備投資費用增加，因而增加了單位產(chǎn)品的成本。因此，液化流程的選擇要結(jié)合原 料氣條件，綜合考慮裝置循環(huán)效率、設(shè)備投資和裝置操作性及長期運行成本等各種因素，例 如比能耗、流程復(fù)雜性以及可靠性的影響。對于基本負(fù)荷型LNG工廠，近幾年海外新建裝置 的發(fā)展趨勢是裝置規(guī)模更加大型化，其單線產(chǎn)能鮮有200萬噸/年以下的。對于這一類型的 裝置，多級復(fù)疊的丙烷預(yù)冷循環(huán)與多組分混合冷劑循環(huán)相結(jié)合的工藝由于較好的能耗指標(biāo) 和成熟的工程化應(yīng)用使得其成為首選的液化技術(shù)。但是，由于其復(fù)雜的回路配置、更大的占 地面積及極高的投資規(guī)模使得其在單線產(chǎn)能100萬噸/年以下的裝置中從未采用。而在中國 近幾年新建裝置的發(fā)展趨勢上看(單線規(guī)模全在50萬噸/年以下），對于這種規(guī)模的裝置，從 全世界的范圍來看，單循環(huán)混合制冷劑循環(huán)工藝(SMR)由于工藝簡單、裝置工程化應(yīng)用成熟 及能耗相對合理等優(yōu)點而成為世界及中國已建和在建中小型天然氣液化裝置的主要選項， 其中的單回路混合冷劑整體循環(huán)液化工藝由于具有數(shù)個工程化應(yīng)用而在中國的LNG裝置中 得到了較多的應(yīng)用。
[0003] 如圖1所示，單回路混合冷劑整體循環(huán)液化工藝屬于單循環(huán)混合制冷工藝（SMR)， 制冷劑由氮氣、甲烷、乙烯、丙烷及異戊烷按一定比例混合而成，混合冷劑采用兩段壓縮，冷 劑換熱器(冷箱)采用鋁制釬焊板翅式換熱器芯體。
[0004] 混合冷劑的循環(huán)為:來自冷劑吸入罐的混合冷劑(T = 23 °C，P = 0.26MPa)經(jīng)冷劑壓 縮機(jī)一段壓縮后(T = 127°C，P = 1.64MPa)，依次進(jìn)入一段冷卻器、分離器進(jìn)行冷卻，分離為 氣相冷劑和低壓液相冷劑;氣相冷劑進(jìn)入冷劑壓縮機(jī)二段進(jìn)行再壓縮至4MPa，低壓液相冷 劑經(jīng)栗送至二段冷卻器前與高壓高溫冷劑混合，再依次進(jìn)入二段冷卻器、分離器進(jìn)行冷卻， 分離為氣相冷劑和高壓液相冷劑;氣相冷劑直接進(jìn)入冷箱C通道頂部入口，高壓液相冷劑經(jīng) 栗增壓后亦進(jìn)入冷箱C通道頂部與氣相冷劑匯合，形成氣液混合冷劑;常溫、高壓的氣液混 合冷劑在向下流動的過程中被逐步冷卻、相變，在冷箱底部J-T閥前冷凝成液相后經(jīng)過J-T 閥進(jìn)行節(jié)流膨脹，節(jié)流后的部分冷劑蒸發(fā)并產(chǎn)生溫降后返回進(jìn)入冷箱D通道底部；同時，在 向上流動的過程中吸收原料氣和高壓冷劑側(cè)的熱負(fù)荷逐步升溫氣化，在冷箱頂部保證混合 冷劑氣化后經(jīng)冷劑吸入罐后返回到壓縮機(jī)一段入口，完成整個混合冷劑循環(huán)過程。
[0005] 凈化后的常溫天然氣、中壓（約4MPa左右)進(jìn)入冷箱上段(通道A)預(yù)冷后引至重?zé)N 分離罐進(jìn)行重組分分離后，返回至冷箱下段(通道B)逐步被液化及過冷，在冷箱B通道底部 引出冷箱，經(jīng)壓力控制閥降壓后引至LNG儲罐常壓低溫儲存。
[0006] 單回路混合冷劑整體循環(huán)液化工藝的特點在于:其單個換熱器芯體采用一個回路 及一個J-T閥，在回路中，混合制冷劑經(jīng)過兩級壓縮及部分冷凝后，高壓的氣相及液相冷劑 經(jīng)各自的管路進(jìn)入冷箱后在主換熱器內(nèi)部混合，之后經(jīng)過該單一的冷箱換熱器通道預(yù)冷、 經(jīng)J-T閥膨脹節(jié)流后，低壓混合冷劑經(jīng)冷箱換熱器返流通道吸熱升溫后返流主冷劑壓縮機(jī) 吸氣端，其制冷劑的基本組成為氮氣、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷的混合物。該工藝的優(yōu)點是： 冷箱主換熱器結(jié)構(gòu)簡單，當(dāng)原料天然氣組分及其他主要運行參數(shù)與設(shè)計值較一致時能耗數(shù) 據(jù)相對于裝置投資也較為合理。
[0007] 但是該工藝存在以下不足之處：
[0008] 1、缺乏直接的物理手段對冷箱主換熱器的冷卻"溫度區(qū)間"進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使得升溫 曲線更佳的匹配降溫曲線從而降低功耗;這一點在實際運行工況偏離設(shè)計值時尤其明顯： 如環(huán)境或是冷卻介質(zhì)溫度發(fā)生明顯變化，或是原料氣組分、壓力等發(fā)生變化而需要重新匹 配冷熱負(fù)荷時，此時的冷劑組分及氣液相循環(huán)量等運行參數(shù)都會偏離設(shè)計值，因而需要重 新優(yōu)化以降低單位產(chǎn)品運行功耗。由于該工藝?yán)鋭庖合嘣谕粋€換熱器芯體通道內(nèi)內(nèi)預(yù) 冷、節(jié)流膨脹后升溫提供冷量，其主冷箱換熱器內(nèi)部各部分冷熱流體間的換熱溫差很難以 直觀的手段準(zhǔn)確控制，而這一點在換熱器熱端尤其明顯，其對應(yīng)的結(jié)果是在偏離設(shè)計點工 況下冷箱上部換熱熱力學(xué)不可逆損失(火用損失）增加，造成壓縮機(jī)功耗增加，折算為單位 產(chǎn)品能耗增加，裝置0ΡΕΧ上升。這一問題可從目前多個運行的裝置中的數(shù)據(jù)對比中得到證 實。
[0009] 2、同樣由于高壓氣液相冷劑進(jìn)入冷箱后在主換熱器內(nèi)同一通道混合的原因，單回 路混合冷劑整體循環(huán)工藝無可避免地需要引入高壓混合冷劑栗及級間冷劑栗共計至少四 臺動設(shè)備。這會帶來以下的問題：（1)對整個裝置的可靠性帶來不利影響；意外原因（可能僅 是單純的儀表故障)造成的冷劑栗尤其是高壓段冷劑栗聯(lián)鎖停車會對裝個裝置帶來嚴(yán)重影 響：由于所有進(jìn)入循環(huán)的液相冷劑都是通過該栗進(jìn)入主冷箱換熱器，突然停栗會使得系統(tǒng) 的液相冷劑供應(yīng)立即停止，而熱負(fù)荷無法快速匹配冷劑循環(huán)的這一瞬間變化，會造成"冷 箱"內(nèi)的"持液"迅速大量蒸發(fā)，換熱器內(nèi)部溫度劇烈變化并迅速升溫，大量過熱狀態(tài)的冷劑 使得冷劑壓縮機(jī)入口壓力快速上升直至壓縮機(jī)驅(qū)動機(jī)過載保護(hù)停車，同時冷箱換熱器則需 要經(jīng)受由于短時間的溫度劇烈變化造成的熱應(yīng)力沖擊而增加了設(shè)備損壞的潛在風(fēng)險。這一 問題已在國內(nèi)多個采用該工藝的裝置中發(fā)生過，而且其過程通?？赡茉趲追昼婇g完成，這 使得即使以可能達(dá)到的最快速度現(xiàn)場排除停栗故障，重新啟動（同樣的錯誤聯(lián)鎖使得備用 栗啟動存在同樣的問題)冷劑栗也無法跟上系統(tǒng)的快速響應(yīng)，使得該冷劑栗成為系統(tǒng)非正 常停車的一個常見的故障源之一，從而影響了整個裝置的可靠性；（2)由于該冷劑栗的介質(zhì) 是飽和狀態(tài)下的液化烴，出于防止"氣蝕"等考慮，這些栗都對安裝高度等有嚴(yán)苛的要求，其 結(jié)果是高壓及段間的冷劑罐的安裝高度相應(yīng)提高，重力自流的要求使得壓縮機(jī)級間及高壓 冷劑冷凝器及壓縮機(jī)本身的安裝高度都需要提高，這無疑增加了裝置立面布置的難度及抬 高了安裝結(jié)構(gòu)的造價，這一問題在海上浮式天然氣液化(FLNG)的布置方面會更加突出；（3) 對裝置試車及裝置的現(xiàn)場安全造成不利影響；這些冷劑栗結(jié)構(gòu)上都采用多級立式結(jié)構(gòu)，因 而多級的葉輪均安裝在地坪下"筒"內(nèi)，這些低點往往會成為系統(tǒng)干燥吹掃時的"死區(qū)"及污 染源而加大公用系統(tǒng)的消耗及影響開車進(jìn)度;此外，清潔度的要求需要在栗入口安裝法蘭 連接的短節(jié)，這無疑引入了液化烴的潛在泄露點而給裝置安全性帶來不利影響。
[0010] 3、單回路混合冷劑整體循環(huán)工藝在設(shè)計負(fù)荷及工況下冷箱換熱器內(nèi)的兩相流動 穩(wěn)定有效，即高壓側(cè)順重力而行，J-T閥后低壓側(cè)相變及逐步氣化返流。但是動態(tài)地來看，尤 其對于冷箱中多芯體并列聯(lián)接的裝置而言，冷劑穩(wěn)定連續(xù)的流動并非總能得以保證，在裝 置低負(fù)荷時尤其如此。這一點可以通過國內(nèi)多個有多換熱器芯體冷箱的裝置開車過程中發(fā) 生的換熱器芯體"淹沒"現(xiàn)象來說明：隨開車過程的進(jìn)行，各個主換熱器芯體逐步冷卻，各J-T閥前后溫度降低到特定工藝要求值時，需要引入液相冷劑進(jìn)入循環(huán)，但是此時混合介質(zhì)本 身組分的變化及介質(zhì)流動(低負(fù)荷下受壓縮機(jī)防喘振閥動作影響使得進(jìn)入"大回路"的冷劑 循環(huán)量與J-T的調(diào)控關(guān)系變得復(fù)雜，而前者通常是獨立于工藝控制，僅取決于壓縮機(jī)喘振特 性曲線）和換熱的相互作用使得系統(tǒng)動態(tài)變得復(fù)雜，此時進(jìn)入換熱器中的液相重組分的量 是成為關(guān)鍵的敏感因素，而目前該工藝缺乏直接的手段對開車過程中進(jìn)入各個換熱器芯體 的該流量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。其結(jié)果是在低負(fù)荷下由于"過量"的液相冷劑進(jìn)入換熱器，卻由于 缺乏合適的換熱流動條件返回壓縮機(jī)入口，造成重冷劑"滯留"換熱器內(nèi)部無法帶出，低壓 側(cè)冷劑通道流動阻力大大增加，流動急劇惡化，在極端情況下?lián)Q熱器芯體內(nèi)溫度梯度消失， J-T閥后無相變發(fā)生，此時J-T閥開度完全失去調(diào)節(jié)作用，大量液相冷劑"滯留"換熱器芯體 內(nèi)，即發(fā)生通常操作人員所說的換熱器芯體被"淹沒"。需要指出的一點是該問題在多換熱 器芯的冷箱裝置中會更加突出。究其原因，是由于盡管設(shè)計中可以采用對稱布局等考慮，但 是真正做到到各個芯體的管路及附件系統(tǒng)阻力特性完全一樣在實際裝置中比較困難，此 外，由于各個芯體的最終的冷劑流量控制主要取決于各自單一的J-T閥，因而各個芯體冷卻 同步的差異也會改變整個系統(tǒng)的動態(tài)特性。這些因素都會造成(尤其在低負(fù)荷，低液相冷劑 流量下）的"偏流"現(xiàn)象，也即冷劑分布問題，這在一定程度也是造成換熱器"淹沒"的原因之 〇
[0011] 冷箱換熱器"淹沒"造成冷卻進(jìn)程停滯，壓縮機(jī)自循環(huán)而無謂耗功，而在流動情況 改善時又會由于瞬時的循環(huán)量大大增加造成換熱器快速降溫，從而增加了設(shè)備損壞的潛在 風(fēng)險。這些問題在裝置初次開車時由于缺乏對系統(tǒng)實際動態(tài)特性的掌握而更加突出，這會 使得裝置開車難度提高，同時使得裝置低負(fù)荷下運行穩(wěn)定性變差。 【實用新型內(nèi)容】
[0012] 本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)天然氣 液化裝置，它可以提高整體循環(huán)的熱效率，降低冷劑壓縮機(jī)功耗;省去所有用于液相混合冷 劑輸送的冷劑栗;提高整個裝置的安全性、可靠性及降低設(shè)備布置難度及開車難度。
[0013] 為解決上述技術(shù)問題，本實用新型混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)天然氣液化裝置的 技術(shù)解決方案為：
[0014] 包括冷箱50,冷箱50中設(shè)置有板翅式換熱器，板翅式換熱器具有相互獨立的天然 氣預(yù)冷通道41、天然氣液化過冷通道45、重冷劑返流通道32、低壓冷劑返流通道37、液相冷 劑預(yù)冷通道28、高壓冷劑預(yù)冷通道52;所述天然氣預(yù)冷通道41的出口端通過管線連接重?zé)N 分離罐43的入口；重?zé)N分離罐43的頂部出口通過管線連接所述天然氣液化過冷通道45的入 口端，天然氣液化過冷通道45的出口端通過管線連接壓力調(diào)節(jié)閥47的入口端;所述低壓冷 劑返流通道37出口端的管線與重冷劑返流通道32出口端的管線匯合后通過管線連接冷劑 壓縮機(jī)分離罐10;冷劑壓縮機(jī)分離罐10的頂部通過管線連接一級冷劑壓縮機(jī)12的入口； 一 級冷劑壓縮機(jī)12的出口通過管線連接壓縮機(jī)級間冷卻器14的入口，壓縮機(jī)級間冷卻器14的 出口端的管線與壓力調(diào)節(jié)閥24出口端的管線匯合后通過管線連接混合冷劑級間分離罐16 的入口；混合冷劑級間分離罐16的頂部出口通過管線連接二級冷劑壓縮機(jī)18的入口，二級 冷劑壓縮機(jī)18的出口通過管線連接混合冷劑高壓冷凝器20的入口，混合冷劑高壓冷凝器20 的出口通過管線連接混合冷劑高壓冷凝罐22的入口；混合冷劑級間分離罐16的底部出口通 過管線連接液相冷劑預(yù)冷通道28的入口端，液相冷劑預(yù)冷通道28的出口端通過管線連接液 相冷劑J-T閥30的入口端，液相冷劑J-T閥30的出口端通過管線連接重冷劑返流通道32的入 口端;混合冷劑高壓冷凝罐22的頂部出口通過管線連接高壓冷劑預(yù)冷通道52的入口端，高 壓冷劑預(yù)冷通道52的出口端通過管線連接氣相冷劑J-T閥35的入口端，氣相冷劑J-T閥35的 出口端通過管線連接低壓冷劑返流通道37的入口端;混合冷劑高壓冷凝罐22的底部出口通 過管線連接壓力調(diào)節(jié)閥24的入口端;從而使重冷劑返流通道32、低壓冷劑返流通道37、液相 冷劑預(yù)冷通道28及高壓冷劑預(yù)冷通道52形成一冷劑循環(huán)系統(tǒng);冷劑循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)采用混合冷 劑作為液化循環(huán)的工質(zhì)。
[0015]所述一級冷劑壓縮機(jī)12的入口吸氣的熱力學(xué)狀態(tài)為溫度20±5°C，壓力2.5土 0 · 5bar; -級冷劑壓縮機(jī)12的排氣壓力為17~20bar。
[0016] 所述二級冷劑壓縮機(jī)18的排氣壓力為37~42bar。
[0017] 所述壓縮機(jī)級間冷卻器14的冷卻形式為水冷、空冷、蒸發(fā)式空冷或混合式。
[0018] 所述混合冷劑高壓冷凝器20的冷卻形式為水冷、空冷、蒸發(fā)式空冷或混合式。
[0019]所述壓力調(diào)節(jié)閥47的出口端通過管線連接LNG儲存單元。
[0020]所述冷箱50為膨脹珍珠巖保冷冷箱。
[0021] 本實用新型可以達(dá)到的技術(shù)效果是：
[0022] 本實用新型通過改進(jìn)的混合冷劑組成及液化系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，可以在提高液化裝 置熱效率、降低單位產(chǎn)品功耗的同時省去了通常的單循環(huán)混合冷劑天然氣液化裝置中必備 的混合冷劑栗，即簡化裝置配置(降低CAPEX)的同時也節(jié)省了運行成本(降低0ΡΕΧ)。
[0023] 本實用新型利用兩段節(jié)流單循環(huán)混合冷劑回路，有助于解決現(xiàn)有的單回路混合冷 劑整體循環(huán)工藝液化裝置開車可能出現(xiàn)的換熱器"淹沒"及可能的可靠性下降等缺點，提高 了裝置的安全性、可操作性及在線率。由于省去了多臺對安裝條件及運行工況要求苛刻的 冷劑多級離心栗，減少了動設(shè)備臺數(shù)，裝置布置方面可以更加簡潔緊湊，使得該實用新型在 設(shè)備布置、安裝空間受限的裝置(如海上浮式LNG裝置等)方面具有獨特的優(yōu)勢。
[0024] 本實用新型在冷箱內(nèi)板翅式換熱器的熱端設(shè)立單獨的一級"重冷劑"節(jié)流，這就從 根本上杜絕了高壓氣液相冷劑進(jìn)入冷箱后在主換熱器內(nèi)同一通道混合這一問題，使得多數(shù) 的重冷劑無需進(jìn)入換熱器冷端深冷部分，同時結(jié)合冷劑組分優(yōu)化，可以使得冷劑換熱曲線 在換熱器熱端也更好的匹配熱流體曲線。其意義在于，通過主冷箱換熱器熱端部分的直接 的調(diào)節(jié)手段即獨立的冷箱換熱器通道及單獨的J-T閥與冷劑組分調(diào)整相結(jié)合，可以在降低 主壓縮機(jī)功耗的同時(冷劑壓縮機(jī)功耗節(jié)省2%以上）省去所有的冷劑栗(包括級間栗及增 壓栗），因而各個栗及所有與其相連接的控制回路、管路及管件等全部省去，各栗所消耗的 用電消耗也全部省去。同時由于來自冷劑栗的液化烴泄露點等不在存在，裝置的安全性也 得到改善。這些對全工廠的安全高效生產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)約資源等都具有重要意義。
【附圖說明】
[0025] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：
[0026] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)單回路混合冷劑整體循環(huán)液化工藝的流程示意圖；
[0027] 圖2是本實用新型混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)天然氣液化裝置的示意圖。
[0028]圖中附圖標(biāo)記說明：
[0029] 10為冷劑壓縮機(jī)分離罐，
[0030] 11為第一管線， 12為一級冷劑壓縮機(jī)，
[0031] 13為第一非低溫管線， 14為壓縮機(jī)級間冷卻器，
[0032] 15為第二管線， 16為混合冷劑級間分離罐，
[0033] 17為第一常溫管線， 18為二級冷劑壓縮機(jī)，
[0034] 19為第二非低溫管線， 20為混合冷劑高壓冷凝器，
[0035] 21為第二常溫管線， 22為混合冷劑高壓冷凝罐，
[0036] 23為第三常溫管線， 24為壓力調(diào)節(jié)閥，
[0037] 25為第三管線， 26為第四管線，
[0038] 27為第四常溫管線， 28為液相冷劑預(yù)冷通道，
[0039] 29為第一低溫管線， 30為液相冷劑J-T閥，
[0040] 31為第二低溫管線， 32為重冷劑返流通道，
[00411 33為第五常溫管線， 34為第三低溫管線，
[0042] 35為氣相冷劑J-T閥， 36為第四低溫管線，
[0043] 37為低壓冷劑返流通道， 38為第六常溫管線，
[0044] 39為第七常溫管線， 40為第八常溫管線，
[0045] 41為天然氣預(yù)冷通道， 42為第五管線，
[0046] 43為重?zé)N分離罐， 44為第五低溫管線，
[0047] 45為天然氣液化過冷通道，46為第六低溫管線，
[0048] 47為壓力調(diào)節(jié)閥， 48為第七低溫管線，
[0049] 49為第八低溫管線， 50為冷箱，
[0050] 51為第六管線， 52為高壓冷劑預(yù)冷通道。
【具體實施方式】
[0051] 如圖2所示，本實用新型混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)天然氣液化裝置，包括膨脹珍 珠巖保冷冷箱50,冷箱50中設(shè)置有板翅式換熱器，板翅式換熱器具有相互獨立的天然氣預(yù) 冷通道41、天然氣液化過冷通道45、重冷劑返流通道32、低壓冷劑返流通道37、液相冷劑預(yù) 冷通道28、高壓冷劑預(yù)冷通道52;
[0052]天然氣預(yù)冷通道41的入口端連接第八常溫管線40，天然氣預(yù)冷通道41的出口端通 過第五管線42連接重?zé)N分離罐43的入口；
[0053]重?zé)N分離罐43的底部出口連接第七低溫管線48的入口端，第七低溫管線48的出口 端連接后續(xù)處理設(shè)備；重?zé)N分離罐43的頂部出口連接第五低溫管線44的入口端，第五低溫 管線44的出口端連接天然氣液化過冷通道45的入口端，天然氣液化過冷通道45的出口端經(jīng) 第六低溫管線46連接壓力調(diào)節(jié)閥47的入口端，壓力調(diào)節(jié)閥47的出口端經(jīng)第八低溫管線49連 接LNG儲存單元；
[0054]低壓冷劑返流通道37的出口端連接第六常溫管線38的入口端，第六常溫管線38的 出口端與第五常溫管線33的出口端匯合后連接第七常溫管線39的入口端;第七常溫管線39 的出口端連接冷劑壓縮機(jī)分離罐10;
[0055]冷劑壓縮機(jī)分離罐10的頂部通過第一管線11連接一級冷劑壓縮機(jī)12的入口； 一級 冷劑壓縮機(jī)12的出口經(jīng)第一非低溫管線13連接壓縮機(jī)級間冷卻器14的入口，壓縮機(jī)級間冷 卻器14的出口連接第二管線15的入口端，第二管線15的出口端與第三管線25的出口端匯合 后，經(jīng)第六管線51連接混合冷劑級間分離罐16的入口；
[0056] 一級冷劑壓縮機(jī)12的入口吸氣的熱力學(xué)狀態(tài)為溫度約20 °C，壓力約2 · 5bar; -級 冷劑壓縮機(jī)12的排氣壓力為17~20bar;
[0057]冷劑壓縮機(jī)分離罐10用于分離非正常工況下的混合冷劑低壓返流中的液體夾帶； [0058]混合冷劑級間分離罐16的頂部出口經(jīng)第一常溫管線17連接二級冷劑壓縮機(jī)18的 入口，二級冷劑壓縮機(jī)18的出口經(jīng)第二非低溫管線19連接混合冷劑高壓冷凝器20的入口， 混合冷劑高壓冷凝器20的出口經(jīng)第二常溫管線21連接混合冷劑高壓冷凝罐22的入口； [0059]二級冷劑壓縮機(jī)18的排氣壓力為37~42bar;
[0060] 混合冷劑級間分離罐16的底部出口經(jīng)第四常溫管線27連接液相冷劑預(yù)冷通道28 的入口端，液相冷劑預(yù)冷通道28的出口端經(jīng)第一低溫管線29連接液相冷劑J-T閥30的入口 端，液相冷劑J-T閥(焦耳-湯姆遜節(jié)流膨脹閥）30的出口端經(jīng)第二低溫管線31連接重冷劑返 流通道32的入口端，重冷劑返流通道32的出口端連接第五常溫管線33的入口端；
[0061] 混合冷劑高壓冷凝罐22的頂部出口經(jīng)第四管線26連接高壓冷劑預(yù)冷通道52的入 口端，高壓冷劑預(yù)冷通道52的出口端經(jīng)第三低溫管線34連接氣相冷劑J-T閥35的入口端，氣 相冷劑J-T閥35的出口端經(jīng)第四低溫管線36連接低壓冷劑返流通道37的入口端；
[0062]混合冷劑高壓冷凝罐22的底部出口通過第三常溫管線23連接壓力調(diào)節(jié)閥24的入 口，壓力調(diào)節(jié)閥24的出口連接第三管線25的入口端。
[0063] 本實用新型中，混合冷劑級間分離罐16與混合冷劑高壓冷凝罐22之間的所有液相 輸送均不需要混合冷劑栗。
[0064] 本實用新型的整個混合冷劑循環(huán)回路中有兩個J-T閥30、35(即混合冷劑級間分離 罐16的液相冷劑J-T閥30和混合冷劑高壓冷凝罐22的氣相冷劑J-T閥35)，經(jīng)過兩個J-T閥 30、35節(jié)流后的低壓混合冷劑經(jīng)各自的返流通道28、37返流吸熱后在填充有膨脹珍珠巖的 保冷冷箱50外（即第七常溫管線39)進(jìn)行混合，之后返回一級冷劑壓縮機(jī)12的入口側(cè)的混合 冷劑級間分離罐16。
[0065] 本實用新型天然氣液化方法包括以下步驟：
[0066]第一步，天然氣的預(yù)處理；
[0067]對以甲烷為主要組分的原料天然氣進(jìn)行預(yù)處理，脫除其中的酸性氣、水分、汞等雜 質(zhì)組分，得到合格的干燥凈化天然氣；
[0068]第二步，天然氣的氣液相分離；
[0069] 使經(jīng)過預(yù)處理的天然氣在溫度約35°C、壓力約42bar(此溫度、壓力范圍可在較大 的范圍內(nèi)變化）的條件下，從第八常溫管線40進(jìn)入膨脹珍珠巖保冷冷箱50中的板翅式換熱 器的天然氣預(yù)冷通道41，天然氣在天然氣預(yù)冷通道41內(nèi)被預(yù)冷至-50~-70°C，經(jīng)過第五管 線42進(jìn)入重?zé)N分離罐43，在重?zé)N分離罐43內(nèi)進(jìn)行天然氣的氣液相分離；
[0070] 可以根據(jù)凈化合格的原料天然氣的組分，調(diào)節(jié)重?zé)N分離罐43內(nèi)的天然氣預(yù)冷溫度 來實現(xiàn)原料天然氣"重經(jīng)"組分的脫除，以防止出現(xiàn)低溫段換熱器"凍堵"的現(xiàn)象；
[0071] 第三步，天然氣的氣液相處理；
[0072] 液相處理:重?zé)N分離罐43內(nèi)的液相天然氣（即液態(tài)烴)從重?zé)N分離罐43底部的第七 低溫管線48流出;根據(jù)原料天然氣的具體情況及規(guī)格要求，再進(jìn)行升溫、閃蒸或精餾等后續(xù) 處理；
[0073]氣相處理:重?zé)N分離罐43內(nèi)的氣相天然氣（即脫除了 "重組分"的氣相)從重?zé)N分離 罐43頂部的第五低溫管線44流出后，進(jìn)入冷箱50中的板翅式換熱器的天然氣液化過冷通道 45,在天然氣液化過冷通道45內(nèi)被進(jìn)一步冷卻、液化及過冷至溫度約-152°C、壓力約41bar (視具體項目要求及組分等參數(shù)優(yōu)化情況而可細(xì)微調(diào)整以達(dá)最優(yōu)）；之后經(jīng)第六低溫管線46 流出，經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥47降壓至約1. lbar后，再經(jīng)第八低溫管線49流出液化裝置，最后進(jìn)入 LNG儲存單元。
[0074]本實用新型中冷劑循環(huán)的流程如下：
[0075]冷箱50中的低壓冷劑返流通道37內(nèi)返流的混合冷劑在溫度約21°C，壓力約2.5bar 經(jīng)第七常溫管線39進(jìn)入冷劑壓縮機(jī)分離罐10,在冷劑壓縮機(jī)分離罐10內(nèi)分離可能存在的液 相（正常工況下為全氣相，非正常工況下才可能有低壓冷劑返流液相夾帶發(fā)生）后，經(jīng)第一 管線11進(jìn)入一級冷劑壓縮機(jī)12,此時混合冷劑的溫度約20°C，壓力約2.5bar;混合冷劑經(jīng)一 級冷劑壓縮機(jī)12壓縮至排氣壓力在17~20bar之間(視工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果而定）；
[0076] 經(jīng)過一級壓縮后的混合冷劑經(jīng)第一非低溫管線13進(jìn)入壓縮機(jī)級間冷卻器14,由壓 縮機(jī)級間冷卻器14冷卻至約33°C(可根據(jù)實際工程項目現(xiàn)場條件而改變），之后經(jīng)第二管線 15進(jìn)入混合冷劑級間分離罐16進(jìn)行混合冷劑的氣液分離；
[0077] 壓縮機(jī)級間冷卻器14可采用水冷、空冷、蒸發(fā)式空冷或混合式等各種形式；
[0078]本實用新型采用混合冷劑作為液化循環(huán)的工質(zhì);混合冷劑由甲烷、氮氣、乙烯或乙 烷、丙烷及正丁烷等組成;各組分的摩爾含量則由原料天然氣的組分及項目現(xiàn)場條件等參 數(shù)進(jìn)行整體優(yōu)化后選定;其中，甲烷在15~40 %之間，氮氣在1~13 %之間，乙烯在20~40% 之間，乙烷特性區(qū)別于乙烯，需結(jié)合具體項目實際來綜合確定，丙烷在15~35%之間，正丁 烷在15~35%之間；
[0079] 混合冷劑級間分離罐16中的氣相冷劑（占總冷劑循環(huán)量的大多數(shù))經(jīng)第一常溫管 線17進(jìn)入二級冷劑壓縮機(jī)18,由二級冷劑壓縮機(jī)18壓縮至排氣壓力為37~42bar(需結(jié)合具 體項目實際的整體參數(shù)優(yōu)化結(jié)果來確定該排氣壓力最優(yōu)值）；
[0080] 經(jīng)過二級壓縮后的混合冷劑經(jīng)第二非低溫管線19進(jìn)入混合冷劑高壓冷凝器20,由 混合冷劑高壓冷凝器20冷卻至約33°C (該溫度可根據(jù)實際工程項目現(xiàn)場條件而改變）；之后 經(jīng)第二常溫管線21進(jìn)入混合冷劑高壓冷凝罐22,在混合冷劑高壓冷凝罐22中進(jìn)行混合冷劑 的二次氣液分離；
[0081]混合冷劑高壓冷凝器20可采用水冷、空冷、蒸發(fā)式空冷或混合式等各種形式；
[0082]混合冷劑高壓冷凝罐22中的液相冷劑進(jìn)入第三常溫管線23,流經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥24 后，壓力降至17~20bar(根據(jù)二級冷劑壓縮機(jī)18的排氣壓力變化而變化），然后進(jìn)入第三管 線25,與來自壓縮機(jī)級間冷卻器14的冷劑混合后，經(jīng)第六管線51再次進(jìn)入混合冷劑級間分 離罐16進(jìn)行氣液分離；
[0083]第六管線51中的介質(zhì)為混合了來自第三管線25的經(jīng)過二級冷劑壓縮機(jī)18壓縮后 并在混合冷劑高壓冷凝罐22中冷凝的液相冷劑；
[0084]混合冷劑級間分離罐16中的液相冷劑經(jīng)第四常溫管線27進(jìn)入冷箱50中的板翅式 換熱器的液相冷劑預(yù)冷通道28，液相冷劑在液相冷劑預(yù)冷通道28內(nèi)被預(yù)冷至-38 °C~-45 °C、壓力約16bar下（需結(jié)合具體項目實際的整體參數(shù)優(yōu)化結(jié)果來確定該溫度、壓力最優(yōu)值） 出冷箱50,從第一低溫管線29經(jīng)液相冷劑J-T閥30節(jié)流至約2.8bar，然后經(jīng)第二低溫管線31 返回冷箱50中的板翅式換熱器的重冷劑返流通道32,升溫、氣化吸熱后經(jīng)第五常溫管線33 與來自低壓冷劑返流通道37的返流冷劑相混合；
[0085]混合冷劑高壓冷凝罐22中的氣相冷劑經(jīng)第四管線26進(jìn)入冷箱50中的板翅式換熱 器的高壓冷劑預(yù)冷通道52,經(jīng)高壓冷劑預(yù)冷通道52被預(yù)冷至約-152Γ (視組分等參數(shù)優(yōu)化 情況而可細(xì)微調(diào)整以達(dá)最優(yōu)），后經(jīng)第三低溫管線34通過氣相冷劑J-T閥35節(jié)流至約3.3bar 后，經(jīng)第四低溫管線36返回冷箱50中的板翅式換熱器的低壓冷劑返流通道37,升溫、氣化吸 熱后出冷箱50并進(jìn)入第六常溫管線38,然后與來自第五常溫管線33的低壓返流重冷劑混合 后，經(jīng)第七常溫管線39返回冷劑壓縮機(jī)分離罐10,完成混合冷劑的熱力循環(huán)過程;此時冷劑 全部為氣態(tài)，熱力學(xué)狀態(tài)為溫度約21°C，壓力約2 · 5bar。
[0086] 實施例
[0087] 以中國內(nèi)蒙古某日處理量約為100萬標(biāo)方/天的天然氣液化裝置為例來進(jìn)行單回 路混合冷劑整體循環(huán)液化工藝與本實用新型混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)液化工藝的性能 比較：
[0088]該處原料天然氣的進(jìn)氣溫度為38°C、壓力45bar，原料天然氣的摩爾組分為：甲烷 95.5 %、乙烷0.73%、丙烷0.13 %、異丁烷0.12%、正丁烷0.055 %、正戊烷450ppm、異戊烷 198ppm及C6+(含C6及芳經(jīng)）的重組分1200ppm;對于該原料天然氣，兩種液化工藝的性能比 對結(jié)果如表1所示：
[0089]
[0090] 表 1
[0091] 綜合分析以上工程案例不難發(fā)現(xiàn)，本實用新型有以下不可替代的優(yōu)點：
[0092] 1、通過主冷箱換熱器熱端部分的直接的調(diào)節(jié)手段即獨立的冷箱換熱器通道及單 獨的J-T閥與冷劑組分優(yōu)化相結(jié)合，可以降低主壓縮機(jī)功耗2%以上；
[0093] 2、從根本上杜絕了高壓氣、液相冷劑進(jìn)入冷箱后在主換熱器內(nèi)同一通道混合這一 問題，從而可以省去所有的冷劑栗(包括級間栗及增壓栗），因而各個栗及所有與其相連接 的控制回路、管路及管件(及其產(chǎn)生的潛在泄露點）等全部省去，各栗所消耗的用電也全部 省去;這一方面降低了裝置的投資，也可節(jié)省運行費用，同時增加了裝置的安全性；
[0094] 3、單獨的液相冷劑換熱通道和J-T閥設(shè)置可以幫助杜絕單回路混合冷劑整體循環(huán) 工藝中開車過程中可能出現(xiàn)的混合冷劑兩相流動、換熱惡化造成的換熱器"淹沒"問題，降 低了開車難度及對換熱器設(shè)備潛在損壞的風(fēng)險；
[0095] 4、省去了四臺液態(tài)飽和烴的多級離心栗，使得整個裝置的可靠性得以提高，減少 了可能的意外停車；同時降低了整個裝置立面布置的難度及所需的鋼結(jié)構(gòu)，可以使整個裝 置布置更加簡潔、緊湊且安全;這一點對于對設(shè)備布置、安裝空間受限的裝置(如海上浮式 LNG裝置等)有著重要意義。
【主權(quán)項】
1. 一種混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)天然氣液化裝置，其特征在于:包括冷箱(50)，冷箱 (50)中設(shè)置有板翅式換熱器，板翅式換熱器具有相互獨立的天然氣預(yù)冷通道(41)、天然氣 液化過冷通道（45)、重冷劑返流通道（32)、低壓冷劑返流通道（37)、液相冷劑預(yù)冷通道 (28)、高壓冷劑預(yù)冷通道(52); 所述天然氣預(yù)冷通道(41)的出口端通過管線連接重?zé)N分離罐(43)的入口；重?zé)N分離罐 (43)的頂部出口通過管線連接所述天然氣液化過冷通道(45)的入口端，天然氣液化過冷通 道(45)的出口端通過管線連接壓力調(diào)節(jié)閥(47)的入口端； 所述低壓冷劑返流通道(37)出口端的管線與重冷劑返流通道(32)出口端的管線匯合 后通過管線連接冷劑壓縮機(jī)分離罐(10);冷劑壓縮機(jī)分離罐（10)的頂部通過管線連接一級 冷劑壓縮機(jī)(12)的入口；一級冷劑壓縮機(jī)(12)的出口通過管線連接壓縮機(jī)級間冷卻器(14) 的入口，壓縮機(jī)級間冷卻器(14)的出口端的管線與壓力調(diào)節(jié)閥（24)出口端的管線匯合后通 過管線連接混合冷劑級間分離罐（16)的入口；混合冷劑級間分離罐（16)的頂部出口通過管 線連接二級冷劑壓縮機(jī)（18)的入口，二級冷劑壓縮機(jī)(18)的出口通過管線連接混合冷劑高 壓冷凝器(20)的入口，混合冷劑高壓冷凝器(20)的出口通過管線連接混合冷劑高壓冷凝罐 (22)的入口；混合冷劑級間分離罐(16)的底部出口通過管線連接液相冷劑預(yù)冷通道(28)的 入口端，液相冷劑預(yù)冷通道(28)的出口端通過管線連接液相冷劑J-T閥（30)的入口端，液相 冷劑J-T閥（30)的出口端通過管線連接重冷劑返流通道(32)的入口端;混合冷劑高壓冷凝 罐(22)的頂部出口通過管線連接高壓冷劑預(yù)冷通道(52)的入口端，高壓冷劑預(yù)冷通道(52) 的出口端通過管線連接氣相冷劑J-T閥（35)的入口端，氣相冷劑J-T閥（35)的出口端通過管 線連接低壓冷劑返流通道(37)的入口端;混合冷劑高壓冷凝罐(22)的底部出口通過管線連 接壓力調(diào)節(jié)閥（24)的入口端;從而使重冷劑返流通道(32)、低壓冷劑返流通道(37)、液相冷 劑預(yù)冷通道(28)及高壓冷劑預(yù)冷通道(52)形成一冷劑循環(huán)系統(tǒng);冷劑循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)采用混合 冷劑作為液化循環(huán)的工質(zhì)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)天然氣液化裝置，其特征在于:所 述一級冷劑壓縮機(jī)（12)的入口吸氣的熱力學(xué)狀態(tài)為溫度20 ± 5°C，壓力2 · 5 ±0 · 5bar; -級 冷劑壓縮機(jī)(12)的排氣壓力為17~20bar。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)天然氣液化裝置，其特征在于:所 述二級冷劑壓縮機(jī)(18)的排氣壓力為37~42bar。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)天然氣液化裝置，其特征在于:所 述壓縮機(jī)級間冷卻器(14)的冷卻形式為水冷、空冷、蒸發(fā)式空冷或混合式。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)天然氣液化裝置，其特征在于:所 述混合冷劑高壓冷凝器(20)的冷卻形式為水冷、空冷、蒸發(fā)式空冷或混合式。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)天然氣液化裝置，其特征在于:所 述壓力調(diào)節(jié)閥(47)的出口端通過管線連接LNG儲存單元。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合冷劑兩路節(jié)流的單循環(huán)天然氣液化裝置，其特征在于:所 述冷箱(50)為膨脹珍珠巖保冷冷箱。
【文檔編號】F25J1/02GK205593290SQ201620206031
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年3月17日
【發(fā)明人】楊曉東, 楊德譜
【申請人】楊曉東, 楊德譜