一种双膨胀制冷工艺的天然气液化系统的制作方法与工艺

本发明涉及天然气液化系统领域，特别是关于一种双膨胀制冷工艺的天然气液化系统。

背景技术：
LNG(LiquefiedNaturalGas)，即液化天然气，是将经过处理后的常压下气态的天然气冷却至-162℃，使之凝结成液体。LNG的体积约为其气态体积的1/625，大大节约了储运空间和成本，而且具有热值大、性能高等特点。因此，LNG是一种清洁、高效的能源。天然气的液化工艺主要有三类，分别是阶式液化工艺、混合制冷剂液化工艺和膨胀机制冷液化工艺。阶式液化工艺采用多级制冷循环，不同制冷剂在不同温度下蒸发以获得不同温度水平冷量，使得天然气逐级冷却，达到液化的目的；阶式液化工艺的优点是能耗低，但其工艺复杂，设备多，维护不便。混合制冷剂液化工艺是目前国内外LNG装置最常采用的工艺，利用混合制冷剂在换热器内的变温特性，使其能与混合组分的天然气相匹配，从而达到降低冷热流体间换热温差的目的；其缺点是混合制冷剂的准确配比较为困难，而且压缩机等设备容易泄露，进而导致混合制冷剂组分偏离设计参数，造成系统效率下降。膨胀机制冷液化工艺相较前两种液化工艺，能耗较高，但系统流程简单、体积小、操作方便、投资成本低，对原料气组分变化适应性强，在液化量较小的中小型天然气液化工厂应用较为广泛。现有的天然气的液化工艺，包括氮气膨胀制冷液化工艺、丙烷预冷氮膨胀天然气液化工艺、无预冷双级氮膨胀天然气液化工艺、带预冷的氮甲烷单膨胀天然气液化系统、膨胀式可燃气体液化装置及流程等，上述现有膨胀机制冷液化工艺存在灵活性差、能耗高、低负荷运行效率低，难于适用气源参数波动大、操作弹性大的天然气液化装置。

技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种灵活性强、能耗低、易于工程化的双膨胀制冷工艺的天然气液化系统。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双膨胀制冷工艺的天然气液化系统，其特征在于：包括预冷模块、液化模块和过冷模块；所述预冷模块的天然气出口连接所述液化模块的天然气入口，所述液化模块的天然气出口连接所述过冷模块的天然气入口；所述过冷模块的过冷制冷剂出口连接所述液化模块的过冷制冷剂入口，所述液化模块的液化制冷剂出口连接所述预冷模块的液化制冷剂入口。所述预冷模块由预冷换热器组成，所述预冷换热器包括原料预冷段天然气入口、预冷段天然气出口、预冷段液化制冷剂入口、预冷段液化制冷剂出口、预冷制冷剂入口和预冷制冷剂出口；所述预冷段天然气入口连接外部天然气管路，所述预冷段天然气出口连接所述液化模块的入口，所述预冷段液化制冷剂入口连接所述液化模块出口，所述预冷段液化制冷剂出口连接所述液化模块中的入口，所述预冷制冷剂入口连接外部预冷制冷系统PCR的出口，所述预冷制冷剂出口连接所述预冷制冷系统PCR的入口。所述液化模块包括液化段压缩机、液化段一级冷却器、液化段二级冷却器、液化段止回阀、液化段二级缓冲罐、液化段透平膨胀机、液化段三级冷却器、分流器、液化段换热器、混合器、液化段一级缓冲罐和重烃分离器；其中，所述液化段压缩机设置有液化段一级压缩机入口、液化段一级压缩机出口、液化段二级压缩机入口和液化段二级压缩机出口；所述液化段透平膨胀机设置有液化段压缩机入口、液化段压缩机出口、液化段膨胀机入口和液化段膨胀机出口；所述液化段换热器设置有液化段第一天然气入口、液化段第一天然气出口、液化段第二天然气入口、液化段第二天然气出口、液化段过冷制冷剂入口、液化段过冷制冷剂出口、液化段过冷制冷剂低压入口、液化段过冷制冷剂低压出口、液化段液化制冷剂入口、液化段液化制冷剂出口、液化段液化制冷剂低压入口和液化段液化制冷剂低压出口；所述液化段一级压缩机入口连接所述液化段一级缓冲罐的出口，所述液化段一级压缩机出口连接所述液化段一级冷却器的入口，所述液化段二级压缩机入口连接所述液化段一级冷却器的出口，所述液化段二级压缩机出口连接所述液化段二级冷却器的入口；所述液化段二级冷却器的出口通过所述液化段第一止回阀连接所述液化段二级缓冲罐的入口，所述液化段二级缓冲罐的出口连接所述液化段透平膨胀机的所述液化段压缩机入口，所述液化段透平膨胀机的所述液化段压缩机出口连接所述液化段三级冷却器的入口，所述液化段三级冷却器的出口连接所述分流器的入口，所述分流器的其中一出口为所述液化模块的液化制冷剂高压出口，连接所述预冷模块的所述预冷段液化制冷剂入口，另一出口连接所述液化段换热器的所述液化段液化制冷剂入口，所述液化段换热器的所述液化段液化制冷剂出口连接所述混合器的入口，所述混合器的出口连接所述液化段透平膨胀机的所述液化段膨胀机入口，所述液化段透平膨胀机的所述液化段膨胀机出口连接所述液化段换热器的所述液化段液化制冷剂低压入口，所述液化段换热器的所述液化段液化制冷剂低压出口连接所述液化段一级缓冲罐的入口；所述液化段换热器的所述液化段第一天然气入口连接所述预冷模块的所述预冷段天然气出口；所述液化段换热器的所述液化段第一天然气出口连接所述重烃分离器的入口，所述重烃分离器的其中一出口与外界连通，另一出口连接所述液化段换热器的所述液化段第二天然气入口；所述液化段换热器的所述液化段第二天然气出口连接所述过冷模块的所述过冷段天然气入口；所述液化段换热器的所述液化段过冷制冷剂入口为所述液化模块的过冷制冷剂高压入口，连接所述过冷模块出口，所述液化段换热器的所述液化段过冷制冷剂出口为所述液化模块的过冷制冷剂高压出口，连接所述过冷模块入口；所述液化段换热器的所述液化段过冷制冷剂低压入口为所述液化模块的过冷制冷剂低压入口，连接所述过冷模块的出口，所述液化段换热器的所述液化段过冷制冷剂低压出口为所述液化模块的过冷制冷剂低压出口连接所述过冷模块。所述过冷模块包括过冷段压缩机、过冷段一级冷却器、过冷段二级冷却器、过冷段止回阀、过冷段二级缓冲罐、过冷段透平膨胀机、过冷段三级冷却器、过冷段换热器、过冷段第三控制阀门和过冷段一级缓冲罐；其中，所述过冷段压缩机设置有过冷段一级压缩机入口、过冷段一级压缩机出口、过冷段二级压缩机入口和过冷段二级压缩机出口；所述过冷段透平膨胀机设置有过冷段压缩机入口、过冷段压缩机出口、过冷制冷剂高压入口和过冷制冷剂低压出口；所述过冷段换热器设置有过冷段天然气入口、过冷段天然气出口、过冷段过冷制冷剂低压入口和过冷段过冷制冷剂低压出口；所述过冷段压缩机的所述过冷段一级压缩机入口连接所述过冷段一级缓冲罐的出口，所述过冷段压缩机的所述过冷段一级压缩机出口连接所述过冷段一级冷却器的入口，所述过冷段压缩机的所述过冷段二级压缩机入口连接所述过冷段一级冷却器的出口，所述过冷段压缩机的所述过冷段二级压缩机出口连接所述液化段二级冷却器的入口，所述过冷段二级冷却器的出口通过所述过冷段止回阀连接所述过冷段二级缓冲罐的入口，所述过冷段二级缓冲罐的出口连接所述过冷段透平膨胀机的所述过冷段压缩机入口，所述过冷段透平膨胀机的所述过冷段压缩机出口连接所述过冷段三级冷却器的入口，所述过冷段三级冷却器的出口连接所述液化模块的所述液化段过冷制冷剂入口；所述过冷段换热器的所述过冷段天然气入口为所述过冷模块的天然气高压入口，连接所述液化模块的所述液化段第二天然气出口，所述过冷段换热器的所述过冷段天然气出口通过所述过冷段第三控制阀门连接LNG储罐；所述过冷段透平膨胀机的所述过冷制冷剂高压入口为所述过冷模块的过冷制冷剂高压入口，连接所述液化模块的所述液化段过冷制冷剂出口；所述过冷段透平膨胀机的所述过冷制冷剂低压出口连接所述过冷段换热器的所述过冷段过冷制冷剂低压入口，所述过冷段换热器的所述过冷段过冷制冷剂低压出口为所述过冷模块的过冷制冷剂低压出口，连接所述液化段换热器的所述液化段过冷制冷剂低压入口，所述液化段换热器的所述液化段过冷制冷剂低压出口连接所述过冷段一级缓冲罐的入口。所述预冷制冷系统PCR采用丙烷、氨、二氧化碳或氟利昂制冷系统。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明包括预冷模块、液化模块和过冷模块，采用液化模块和过冷模块两套独立膨胀制冷系统，液化模块膨胀制冷系统提供液化冷量，过冷模块膨胀制冷系统提供过冷冷量；两套膨胀制冷系统可以在低负荷或一套故障时只开启一套制冷系统，增大装置的连续运行能力，也提高装置的操作弹性；双膨胀制冷的天然气液化系统增加预冷模块后，增大装置的处理能力，降低能耗。2、本发明由于液化系统流程精简、结构紧凑，模块化设计，因此易于工程化，施工现场安装时只需对预留管路进行连接，大大降低了系统的投资成本和维护费用。本发明可以广泛应用于制冷及低温中的天然气液化过程中。附图说明图1是本发明模块化结构示意图；图2是本发明的预冷模块的结构示意图；图3是本发明的液化模块的结构示意图；图4是本发明的过冷模块的结构示意图；图5是本发明的整体结构的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明的双氮膨胀天然气液化系统包括预冷模块1、液化模块2和过冷模块3；预冷模块1的天然气出口连接液化模块2的天然气入口，液化模块2的天然气出口连接过冷模块3的天然气入口；过冷模块3的过冷制冷剂出口连接液化模块2的过冷制冷剂入口，液化模块2的液化制冷剂出口连接预冷模块1的液化制冷剂入口；其中，预冷模块1用于为液化模块2中的制冷剂和天然气进行预冷，并分担一部分液化负荷；液化模块2用于为天然气进行冷却和液化，并为过冷模块3中的制冷剂提供冷量；过冷模块3为液化模块2液化后的天然气进行继续冷却。在一个优选的实施例中，如图2所示，预冷模块1由预冷换热器1-1组成，预冷换热器1-1包括原料预冷段天然气入口A1、预冷段天然气出口A2、预冷段液化制冷剂入口B1、预冷段液化制冷剂出口B2、预冷制冷剂入口C1和预冷制冷剂出口C2；预冷段天然气入口A1连接外部天然气管路，预冷段天然气出口A2连接液化模块2的入口，预冷段液化制冷剂入口B1连接液化模块2出口，预冷段液化制冷剂出口B2连接液化模块2中的入口，预冷制冷剂入口C1连接外部预冷制冷系统PCR的出口，预冷制冷剂出口C2连接预冷制冷系统PCR的入口；其中，预冷制冷系统PCR为外部系统，用于为预冷换热器1-1提供冷量，可以采用丙烷、氨、二氧化碳或氟利昂制冷系统。在一个优选的实施例中，如图3所示，液化模块2包括液化段压缩机2-1、液化段一级冷却器2-2、液化段二级冷却器2-3、液化段止回阀2-4、液化段二级缓冲罐2-5、液化段透平膨胀机2-6、液化段三级冷却器2-7、分流器2-8、液化段换热器2-9、混合器2-10、液化段一级缓冲罐2-11和重烃分离器2-12；其中，液化段压缩机2-1设置有液化段一级压缩机入口E1、液化段一级压缩机出口E2、液化段二级压缩机入口E3和液化段二级压缩机出口E4；液化段透平膨胀机2-6设置有液化段压缩机入口E5、液化段压缩机出口E6、液化段膨胀机入口E7和液化段膨胀机出口E8；液化段换热器2-9设置有液化段第一天然气入口A3、液化段第一天然气出口A4、液化段第二天然气入口A5、液化段第二天然气出口A6、液化段过冷制冷剂入口D1、液化段过冷制冷剂出口D2、液化段过冷制冷剂低压入口D5、液化段过冷制冷剂低压出口D6、液化段液化制冷剂入口B3、液化段液化制冷剂出口B4、液化段液化制冷剂低压入口B5和液化段液化制冷剂低压出口B6；液化段一级压缩机入口E1连接液化段一级缓冲罐2-11的出口，液化段一级压缩机出口E2连接液化段一级冷却器2-2的入口，液化段二级压缩机入口E3连接液化段一级冷却器2-2的出口，液化段二级压缩机出口E4连接液化段二级冷却器2-3的入口；液化段二级冷却器2-3的出口通过液化段第一止回阀2-4连接液化段二级缓冲罐2-5的入口，液化段二级缓冲罐2-5的出口连接液化段透平膨胀机2-6的液化段压缩机入口E5，液化段透平膨胀机2-6的液化段压缩机出口E6连接液化段三级冷却器2-7的入口，液化段三级冷却器2-7的出口连接分流器2-8的入口，分流器2-8的其中一出口为液化模块2的液化制冷剂高压出口，连接预冷模块1的预冷段液化制冷剂入口B1，另一出口连接液化段换热器2-9的液化段液化制冷剂入口B3，液化段换热器2-9的液化段液化制冷剂出口B4连接混合器2-10的入口，混合器2-10的出口连接液化段透平膨胀机2-6的液化段膨胀机入口E7，液化段透平膨胀机2-6的液化段膨胀机出口E8连接液化段换热器2-9的液化段液化制冷剂低压入口B5，液化段换热器2-9的液化段液化制冷剂低压出口B6连接液化段一级缓冲罐2-11的入口；液化段换热器2-9的液化段第一天然气入口A3连接预冷模块1的预冷段天然气出口A2；液化段换热器2-9的液化段第一天然气出口A4连接重烃分离器2-12的入口，重烃分离器2-12的其中一出口与外界连通，另一出口连接液化段换热器2-9的液化段第二天然气入口A5；液化段换热器2-9的液化段第二天然气出口A6连接过冷模块3的过冷段天然气入口A7；液化段换热器2-9的液化段过冷制冷剂入口D1为液化模块2的过冷制冷剂高压入口，连接过冷模块3出口，液化段换热器2-9的液化段过冷制冷剂出口D2为液化模块2的过冷制冷剂高压出口，连接过冷模块3入口；液化段换热器2-9的液化段过冷制冷剂低压入口D5为液化模块2的过冷制冷剂低压入口，连接过冷模块3的出口，液化段换热器2-9的液化段过冷制冷剂低压出口D6为液化模块2的过冷制冷剂低压出口连接过冷模块3。在一个优选的实施例中，如图4所示，过冷模块3包括过冷段压缩机3-1、过冷段一级冷却器3-2、过冷段二级冷却器3-3、过冷段止回阀3-4、过冷段二级缓冲罐3-5、过冷段透平膨胀机3-6、过冷段三级冷却器3-7、过冷段换热器3-8、过冷段第三控制阀门3-9和过冷段一级缓冲罐3-10；其中，过冷段压缩机3-1设置有过冷段一级压缩机入口F1、过冷段一级压缩机出口F2、过冷段二级压缩机入口F3和过冷段二级压缩机出口F4；过冷段透平膨胀机3-6设置有过冷段压缩机入口F5、过冷段压缩机出口F6、过冷制冷剂高压入口F7和过冷制冷剂低压出口F8；过冷段换热器3-8设置有过冷段天然气入口A7、过冷段天然气出口A8、过冷段过冷制冷剂低压入口D3和过冷段过冷制冷剂低压出口D4；过冷段压缩机3-1的过冷段一级压缩机入口F1连接过冷段一级缓冲罐3-10的出口，过冷段压缩机3-1的过冷段一级压缩机出口F2连接过冷段一级冷却器3-2的入口，过冷段压缩机3-1的过冷段二级压缩机入口F3连接过冷段一级冷却器3-2的出口，过冷段压缩机3-1的过冷段二级压缩机出口F4连接液化段二级冷却器3-3的入口，过冷段二级冷却器3-3的出口通过过冷段止回阀3-4连接过冷段二级缓冲罐3-5的入口，过冷段二级缓冲罐3-5的出口连接过冷段透平膨胀机3-6的过冷段压缩机入口F5，过冷段透平膨胀机3-6的过冷段压缩机出口F6连接过冷段三级冷却器3-7的入口，过冷段三级冷却器3-7的出口连接液化模块2的液化段过冷制冷剂入口D1；过冷段换热器3-8的过冷段天然气入口A7为过冷模块3的天然气高压入口，连接液化模块2的液化段第二天然气出口A6，过冷段换热器3-8的过冷段天然气出口A8通过过冷段第三控制阀门3-9连接LNG储罐；过冷段透平膨胀机3-6的过冷制冷剂高压入口F7为过冷模块3的过冷制冷剂高压入口，连接液化模块2的液化段过冷制冷剂出口D2；过冷段透平膨胀机3-6的过冷制冷剂低压出口F8连接过冷段换热器3-8的过冷段过冷制冷剂低压入口D3，过冷段换热器3-8的过冷段过冷制冷剂低压出口D4为过冷模块3的过冷制冷剂低压出口，连接液化段换热器2-9的液化段过冷制冷剂低压入口D5，液化段换热器2-9的液化段过冷制冷剂低压出口D6连接过冷段一级缓冲罐3-10的入口。如图5所示，下面对本发明的双膨胀制冷工艺的的天然气液化系统工作原理进行详细说明，具体过程为：净化处理后的原料天然气进入预冷换热器1-1内冷却后，输送到液化段换热器2-9进一步冷却，冷却后的天然气输送到重烃分离器2-12进行重烃分离，其中，将分离出的液相重烃排至外界，分离后的气相天然气经液化段换热器2-9继续冷却和液化后输送到过冷段换热器3-8进行继续冷却，液化后的天然气进行调压后得到液化天然气产品(LNG)，并将得到的液化天然气产品输送至外界LNG储罐。液化模块2为天然气进行冷却和液化，并为过冷模块3的制冷剂提供冷量；液化制冷剂在液化段压缩机2-1内进行一级压缩后进入液化段一级冷却器2-2冷却，冷却后回到液化段压缩机2-1进行二级压缩，二级压缩后进入液化段二级冷却器2-3再次冷却，冷却后的制冷剂通过液化段二级缓冲罐2-5进入液化段透平膨胀机2-6的增压机进行压缩，并将压缩后的制冷剂输送到液化段三级冷却器2-7冷却，冷却后的制冷剂进入分流器2-8进行分流；分流后的一部分制冷剂进入预冷换热器1-1中进行冷却，另一部分制冷剂进入液化段换热器2-9进行冷却降温，经预冷换热器1-1和液化段换热器2-9输出的制冷剂进入混合器2-10进行混合，混合后的制冷剂进入液化段透平膨胀机2-6进行膨胀降压制冷，膨胀降压后的制冷剂进入液化段换热器2-9，为液化段换热器2-9提供冷量，温度升高后的制冷剂经液化段二级缓冲罐2-5重新回到液化段压缩机2-1，完成液化模块2的循环。过冷模块3为液化模块2液化后的天然气进行继续冷却，过冷段制冷剂在过冷段压缩机3-1内进行一级压缩后，进入过冷段一级冷却器3-2冷却，冷却后回到过冷段压缩机3-1进行二级压缩，完成二级压缩后进入过冷段二级冷却器3-3进行冷却，冷却后的制冷剂通过过冷段二级缓冲罐3-5进入过冷段透平膨胀机3-6的增压端进行增压，再进入过冷段三级冷却器3-7进行冷却，冷却后的制冷剂进入液化段换热器2-9中继续冷却后，输送回到过冷段透平膨胀机3-6的膨胀入口，制冷剂在过冷段膨胀机3-6内膨胀后进入过冷段换热器3-8，为过冷段换热器3-8提供冷量，温度升高后的制冷剂进入液化段换热器2-9，经过在液化段换热器2-9内换热后的制冷剂通过一级缓冲罐3-10重新回到过冷段压缩机3-1，完成过冷模块3的循环。其中，原料天然气和液化模块2制冷剂采用独立制冷循环预冷，液化模块2和过冷模块3采用独立膨胀制冷循环。当系统低负荷或一套制冷模块发生故障时，系统的运行方式可以组合为预冷模块1+液化模块2+过冷模块3，或预冷模块1+液化模块2，或预冷模块1+过冷模块3，或液化模块2+过冷模块3，或独立液化模块2，或独立过冷模块3。下面通过具体实施例对本发明的双膨胀制冷工艺的天然气液化系统的工作过程进行详细说明。本实施中所采用的天然气摩尔组分为0.41％N2+89.39％CH4+10.07％C2H6+0.13％C3H8，压力为3.9MPa，温度为45.0℃，流量为50000Nm3/h，制冷剂采用氮气，天然气的液化流程的具体步骤如下：1)将净化处理后的天然气输送预冷换热器1-1，被预冷制冷剂丙烷预冷至-34.0℃；2)将经过步骤1)冷却后的天然气进入液化段换热器2-9，冷却至-50℃后进入重烃分离器2-12进行分离，将分离得到的重烃排除到外界，并将分离得到的气相天然气再次输送到液化段换热器2-9冷却至-120℃；3)将经过步骤2)得到的天然气输送到过冷段换热器3-8冷却至-155℃，并将压力降为0.12MPa，温度降为-158.8℃，得到液化天然气产品，并将液化天然气产品输送到LNG储罐。4)液化段氮气经过液化段压缩机2-1两级压缩增压至2.79MPa，被液化段一级冷却器2-2和液化段二级冷却器2-3冷却后，经过液化段透平膨胀机2-6增压至3.95MPa，被液化段三级冷却器2-7冷后进入分流器2-8分流，一部分氮气进入预冷换热器1-1进行冷却，冷却至-34.0℃，另一部分氮气进入液化段换热器2-9中进行冷却，冷却至-52℃；预冷后的两部分氮气经混合器2-10混合后，进入液化段透平膨胀机2-6膨胀降压至0.72MPa，温度降为-115.8℃后返回液化段换热器2-9提供冷量，并使自身温度升高至34.2℃后的氮气重新进入液化段压缩机2-1完成液化段氮气循环。5)过冷段氮气经过过冷段压缩机3-1两级压缩增压至22.5MPa，被过冷段一级冷却器3-2和过冷段二级冷却器3-3冷却后，经过过冷段透平膨胀机3-6增压至24.5MPa，被过冷段三级冷却器3-7冷却至后，进入过冷段换热器3-8冷却至-120℃；进入过冷段透平膨胀机3-6膨胀降压至0.72MPa，温度降为-158.1℃后，返回过冷段换热器3-8和液化段换热器2-9提供冷量，温度升高至34.5℃后的氮气重新进入过冷段氮压缩机3-1完成过冷段氮气循环。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。