技术领域本发明涉及一种天然气液化系统及其液化方法。
背景技术：
FLNG(FloatingLiquefiedNaturalGas又称LNG-FPSO，浮式液化天然气装置)，是集海上液化天然气的生产、储存、装卸和外运为一体的新型浮式生产装置，应用于海上气田的开采具有投资成本低、建造周期短、开发风险小、便于迁移和安全性高等特点。天然气液化工艺，作为FLNG的核心技术，对装置的建造、运营费用，运行稳定性和整个系统的安全性影响巨大，在满足生产需求、市场需求以及控制成本的前提下，应用于FLNG的天然气液化技术及相关设备的选择对于减小投资风险、增强方案的可行性至关重要。基于海上作业的特殊标准，由于级联式液化工艺所需设备数量较多，紧凑性不高，制冷剂的储存量较大，因此用于海上天然气液化有一定的困难。而混合制冷剂液化工艺和氮膨胀液化工艺海上适应性较好。目前应用于FLNG的主要液化技术是混合制冷剂液化流程和氮膨胀液化流程。混合制冷剂液化流程工艺效率高，功耗小，但对混合冷剂组分变化比较敏感，可以通过合理设计和布置，使其能够适应海上特殊的环境，也是FLNG项目较为常见的液化流程。
技术实现要素：
本发明的目的在于，归结现有液化技术的特点，寻求设计并提供一种操作方便，液化效率高，安全性高，可用于中到大型规模的天然气液化工艺方法，将混合制冷循环与氮气膨胀制冷循环结合形成天然气液化工艺。为实现上述目的，本发明提供一种混合制冷剂预冷氮气膨胀的天然气液化系统，包括天然气管路、混合制冷剂循环管路以及氮气制冷循环管路，其中：所述天然气管路依次经过第一阶段换热器、第二阶段换热器以及过冷段换热器；所述混合制冷剂循环管路包括制冷剂压缩机以及与所述制冷剂压缩机相连的所述第一阶段换热器、所述第二阶段换热器；所述氮气制冷循环管路包括氮气压缩机以及与所述氮气压缩机相连的所述过冷段换热器；其特征在于：还设有氮气换热器，其与所述混合制冷剂循环管路相连，且其连接在所述氮气压缩机与所述过冷段换热器之间。所述的混合制冷剂预冷氮气膨胀的天然气液化系统，其中：所述天然气管路中还设有脱重烃塔以及气液分离器，所述脱重烃塔设置在所述第一阶段换热器与所述第二阶段换热器之间，所述气液分离器设置在所述第二阶段换热器与所述过冷段换热器之间。所述的混合制冷剂预冷氮气膨胀的天然气液化系统，其中：所述天然气管路在经过所述过冷段换热器之后连接有液体膨胀机。所述的混合制冷剂预冷氮气膨胀的天然气液化系统，其中：所述制冷剂压缩机的出口连接所述第一阶段换热器、第二阶段换热器，再连接混合制冷剂J-T阀，从所述混合制冷剂J-T阀分为两路，其中一路连接所述第二阶段换热器，另一路连接所述换热器，这两路又均通过所述第一阶段换热器返回至制冷剂压缩机的入口。本发明还提供一种混合制冷剂预冷氮气膨胀的天然气液化方法，其特征在于，所述方法包括同时进行的以下三个过程：天然气的处理过程：经过预处理的天然气进入第一阶段换热器，再进入第二阶段换热器，接着进入过冷段换热器，成为LNG；混合制冷剂循环过程：低压下的混合制冷剂经过压缩和冷却后，部分混合制冷剂冷凝变为液体后进入所述第一阶段换热器和所述第二阶段换热器换热并被冷凝为液体，再经过混合制冷剂J-T阀降压和减温后汽化返回所述第二阶段换热器，另一部分制冷剂经过所述混合制冷剂J-T阀降压和减温后进入氮气换热器，为所述氮气换热器提供部分冷量后，上述两个部分的制冷剂最终都经过所述第一阶段换热器后返回混合制冷剂压缩机，并将天然气和高压的制冷剂冷凝为液体；氮气膨胀制冷循环过程：氮气经压缩和冷却后进入所述氮气换热器，与从所述过冷段换热器返回的低温氮气换热，高压氮气经换热降温，进入氮气膨胀机减压降温后，进入所述过冷段换热器，与LNG换热，再返回上述氮气换热器并与高压氮气换热升温后回到氮气压缩机。所述的混合制冷剂预冷氮气膨胀的天然气液化方法，其中，天然气的处理过程中：经过第一阶段换热器换热的天然气进入脱重烃塔，塔顶气体进入所述第二阶段换热器进一步降温，然后进入气液分离器，分离后的液相回流到上述脱重烃塔的塔顶，分离后的气相部分再进入所述过冷段换热器。本发明通过增加氮气换热器，并使其连接混合制冷剂循环管路以及氮气制冷循环管路，能够有效降低能耗。具体来说，本专利的优点在于：1.提出了一种混合制冷剂预冷与氮气膨胀制冷相结合的天然气液化流程，相比传统的双氮膨胀液化流程，有效降低了液化流程的能耗，可使LNG产品的能耗降低为0.322kWh/Nm3，传统的双氮膨胀液化流程能耗为0.56kWh/Nm3；2.天然气脱重烃塔顶气体进入液化段换热器进一步降温，然后气液分离，液相回到脱重烃塔塔顶回流，天然气液化后降压过程采用液体膨胀机回收能量，降低液化能耗。膨胀机以J-T阀作为备用；3.该专利流程中，混合制冷剂预冷过程与氮气膨胀制冷过程为两个独立的制冷循环，由各自的压缩机、冷却器和换热器组成；4.混合制冷剂中含有甲烷至戊烷的轻烃组成，不含有氮气、丙烷以及碳六以上的组分；5.氮气膨胀由混合制冷剂循环预冷，大大提高了氮气膨胀循环的制冷效率。并且膨胀机输出的能量也可作为压缩机的能量输入，这样也有利于进一步降低能耗。附图说明图1是本发明提供的天然气液化系统的结构原理图。附图标记说明：101为经过预处理的天然气，102为经过第一阶段换热器201、202的天然气，103为液相，104为低压下的气态混合制冷剂，105为低温氮气，106为经过混合制冷剂J-T阀209降压减温后的混合制冷剂；201、202为第一阶段换热器，203为第二阶段换热器，204为氮气换热器，205为过冷段换热器，206为脱重烃塔，207为氮气膨胀机，208为液体膨胀机，209为混合制冷剂J-T，210、211为混合制冷剂一级、二级压缩机，212、213、214为氮气一级、二级、三级压缩机，BOG为闪蒸汽，LNG为液化天然气产品；具体实施方式本发明提供的天然气液化系统，其结构与工作过程如图1所示：在天然气的处理过程中，经过预处理的天然气101进入第一阶段换热器201、202，经过换热的天然气102进入脱重烃塔206，塔顶气体进入第二阶段换热器203进一步降温，然后进入气液分离器，分离后的液相103回流到上述脱重烃塔206的塔顶，在此过程中，压力为4MPaG(表压)的天然气在第二阶段换热器203中由混合制冷剂的汽化制冷作用下被液化，液化后的天然气离开第二阶段换热器203的温度为-80～-100℃左右，其进入上述气液分离器，气相部分再进入过冷段换热器205并冷却至-150℃左右，经液体膨胀机208减压至储罐压力，降温至-155℃左右；在混合制冷剂循环过程中，低压下的混合制冷剂104经过压缩和冷却后，部分混合制冷剂冷凝变为液体后进入第一阶段换热器201、202和第二阶段换热器203换热并被冷凝为液体，温度为-80～-100℃左右，再经过混合制冷剂J-T阀209降压和减温后汽化返回第二阶段换热器203，另一部分制冷剂经过上述混合制冷剂J-T阀209降压和减温后进入氮气换热器204，为氮气换热器提供部分冷量后，上述两个部分的制冷剂最终都经过第一阶段换热器201、202后返回混合制冷剂一级压缩机210、二级压缩机211，并将天然气和高压的制冷剂分别冷凝为液体；在氮气膨胀制冷循环中，氮气经压缩和冷却后进入氮气换热器204，与从过冷段换热器205返回的低温氮气105换热，低温氮气的温度大概为-93℃左右，氮气换热器204中引入一部分经过混合制冷剂J-T阀209降压减温后的混合制冷剂106补充换热，提高氮气之间的换热效果；高压氮气经换热降温，进入氮气膨胀机207减压降温后，进入过冷段换热器205，与LNG换热，将LNG冷却至-150℃左右，再返回上述氮气换热器205并与高压氮气换热升温后回到氮气一级压缩机212、二级压缩机212、三级压缩机213。由此可知，本发明中的混合制冷剂预冷氮气膨胀的天然气液化系统，包括天然气管路、混合制冷剂循环管路以及氮气制冷循环管路，其中：所述天然气管路依次经过第一阶段换热器201、202、第二阶段换热器203以及过冷段换热器205；所述混合制冷剂循环管路包括制冷剂压缩机210、211及其连接所述第一阶段换热器201、202、所述第二阶段换热器203；所述氮气制冷循环管路包括氮气压缩机212、213、214及其连接的所述过冷段换热器205；主要特点在于：还设有氮气换热器204，其与所述混合制冷剂循环管路相连，且其连接在所述氮气压缩机212、213、214与所述过冷段换热器205之间，通过增加氮气换热器204，并使其连接混合制冷剂循环管路以及氮气制冷循环管路，能够有效降低能耗。