一种用于液化天然气的液化系统的制作方法

本实用新型涉及液化液化天然气技术领域，特别涉及一种用于液化天然气的液化系统。

背景技术：

传统液化天然气技术常采用MRC(Mixed Refrigerant Cycle，混合制冷剂循环)工艺，但有以下缺点：MRC压缩机、MRC换热器等制造技术及专利控制在国外厂家或极少数国内厂家手里，其价格高，配套慢，且基本都是根据用户工况进行的非标设计。采用MRC工艺的设备，由于其制冷剂为非共沸的混合物，制冷剂泄露后需要经常用色谱仪质谱仪等检测组分，进行合理配比，故对操作人员要求较高。

传统的级联式液化天然气工艺，能耗低，制冷剂为纯物质，无配比问题，但系统比MRC工艺复杂很多，一次性投资也比MRC工艺高，占地面积也较大。由于其复杂性，其稳定性等也会受到影响。

另外，几乎所有的LNG(Liquefied Natural Gas，液化天然气)设备制造厂家都会在设计时考虑设备的液化率，追求进入设备气体的较大液化率是他们的出发点，而忽视天然气的整体合理利用。

本实用新型旨在解决：

1、能够利用普冷领域中几乎所有现有的标准化材料，如制冷压缩机、传统的板式换热器、膨胀阀等等，极大地降低了一次性投资成本；

2、利用现成的单元化和模块化设备，操作简便，撬装化程度高，自动化程度高，对操作人员的依赖少；

3、制冷剂为纯物质，无配比问题，减少了对操作人员的依赖；

重视天然气的合理利用，而不是单追求进入设备天然气的液化率。例如可以先利用天然气的压力能和冷能后分一部分天然气用于发电。

传统级联式液化天然气技术可见附图1，该流程用9个主换热器实现天然气的液化，第一主换热器～第三主换热器由一个密闭的丙烷制冷系统提供冷量，使丙烷在高、中、低三个压力下蒸发，以获得三个不同的制冷温度，即丙烷制冷系统有三个吸气压力。但是对应的，丙烷压缩机如果不特殊定制，就需要有三台不同进排气压力的压缩机来实现。

对于第二制冷剂循环(对应四、五、六主换热器)，采用乙烯制冷剂组成一个闭合回路，其制冷压缩系统如果不特殊定制，也是需要有三台进排气压力不同的乙烯压缩机来实现。

同样，对于第三制冷剂循环(对应第七、八、九主换热器)，采用甲烷作为制冷剂组成一个闭合回路，其制冷压缩系统如果不特殊定制，也是需要由三台进排气压力不同的甲烷压缩机来实现。

另一方面，对于主换热器一、二、三，每个换热器内都是采用了4种不同压力或种类的介质换热，需要采用特殊的LNG专用多股流换热器；不仅如此，对于主换热器四～九，其换热器虽然为3种介质流股，但是至少冷侧都采用了低温气体和待蒸发液体同时进入换热器的设计，这种LNG专用换热器也不是普冷领域采用的板式换热器可以解决的。

本实用新型的方案便是针对上述问题对现有液化天然气液化系统进行的改进。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的不足，本实用新型提供一种用于液化天然气的液化系统，具有制冷压缩机和换热器无需特殊定制，投资成本低、稳定性好、换热效果佳等特点。

为了达到上述实用新型目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种用于液化天然气的液化系统，包括混合器、第一换热器、第二换热器、第三换热器、高温级制冷压缩机组、中温级制冷压缩机组、低温级节流阀组、LNG节流阀组、LNG储罐、分流器、天然气压缩机组，其中：

所述第一换热器、第二换热器和第三换热器内部均设有三股流道，自上而下分别为第一流道、第二流道和第三流道；

所述混合器的输出端连接所述第一换热器的第二流道，所述第一换热器的第二流道与第二换热器的第二流道相连，所述第二换热器的第二流道自此分为两路：

一路和所述第三换热器的第二流道依次相连，所述第三换热器的第二流道再与所述LNG节流阀组相连后连接至所述LNG储罐；

另一路经所述低温级节流阀组后与第三换热器的第三流道相连，并依次反向经过所述第三换热器的第一流道、第二换热器的第一流道及第一换热器的第一流道后连接至所述分流器，所述分流器再分成两路输出，一路用于直接发电或作为净化部分吹扫气之后进行发电，另一路与所述天然气压缩机组连接后再接至所述混合器的输入端；

所述高温级制冷压缩机组连接于所述第一换热器的第三流道两端，用于使得天然气降温；

所述中温级制冷压缩机组连接于所述第二换热器的第三流道两端，用于使得天然气进一步降温。

进一步的，所述高温级制冷压缩机组包括高温级制冷压缩机、高温级风冷凝器、第一高温级节流阀组、第一中冷换热器和第一中冷节流阀组，其中：

所述第一中冷换热器内部设有两股流道；

所述高温级制冷压缩机、高温级风冷凝器、第一中冷节流阀组和第一中冷换热器内部一流道依次进行闭合连接，形成第一高温级循环回路；

所述高温级制冷压缩机、高温级风冷凝器、第一中冷换热器内部另一流道、第一高温级节流阀组和第一换热器的第三流道依次进行闭合连接，形成第二高温级循环回路。

进一步的，还包括第四换热器和第一预冷节流阀组，其中：

所述第四换热器设置有三股流道，自上而下分别为第一流道、第二流道和第三流道；

所述第四换热器设置于所述混合器和第一换热器之间，所述混合器的输出端经所述第四换热器的第二流道正向连接至所述第一换热器的第二流道，所述第一换热器的第一流道经所述第四换热器的第一流道反向连接至所述分流器；

所述高温级制冷压缩机、高温级风冷凝器、第一预冷节流阀组和第四换热器的第三流道依次进行闭合连接，形成第三高温级循环回路。

进一步的，所述高温级制冷压缩机组还包括第二高温级节流阀组和中温级蒸发冷凝器，其中：

所述高温级制冷压缩机、高温级风冷凝器、第一中冷换热器内部另一流道、第二高温级节流阀组和中温级蒸发冷凝器依次进行闭合连接，形成第四高温级循环回路。

进一步的，所述中温级制冷压缩机组包括中温级制冷压缩机、中温级风冷凝器、中温级节流阀组、第二中冷换热器和第二中冷节流阀组，其中：

所述第二中冷换热器内部设有两股流道；

所述中温级制冷压缩机、中温级风冷凝器、中温级蒸发冷凝器、第二中冷节流阀组和第二中冷换热器内部一流道依次进行闭合连接，形成第一中温级循环回路；

所述中温级制冷压缩机、中温级风冷凝器、中温级蒸发冷凝器、第二中冷换热器内部另一流道、中温级节流阀组和第二换热器的第三流道依次进行闭合连接，形成第二中温级循环回路。

进一步的，还包括第五换热器和第二预冷节流阀组，其中：

所述第五换热器设置有三股流道，自上而下分别为第一流道、第二流道和第三流道；

所述第五换热器设置于所述第一换热器和第二换热器之间，所述第一换热器的第二流道经所述第五换热器的第二流道正向连接至所述第二换热器的第二流道，所述第二换热器的第一流道经所述第五换热器的第一流道反向连接至所述第一换热器的第二流道；

所述中温级制冷压缩机、中温级风冷凝器、中温级蒸发冷凝器、第二预冷节流阀组和第五换热器第三流道依次进行闭合连接，形成第三中温级循环回路。

优选的，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器和/或第五换热器为钎焊板式换热器。

进一步的，所述高温级制冷压缩机组采用R404A、R290、R507A、R744或R22制冷剂。

优选的，所述高温级制冷压缩机组采用R404A、R507A制冷剂。

进一步的，所述中温级制冷压缩机组采用R23、R508B或R1150制冷剂。

优选的，所述中温级制冷压缩机组采用R23制冷剂。

本实用新型由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

(1)普冷领域的制冷压缩机，基本上都带有中冷器(或叫经济器)，制冷压缩机标准化设计得可以在两个蒸发温度下提供冷量，即每台压缩机都固定有两个吸气压力(中压压力和低压压力)，所以本专利申请中的制冷压缩机，可以从普冷领域的制冷压缩机中直接采购使用，不需要像传统工艺一样特殊设计制冷机，或者每个循环采用3台制冷机，大大节约了制冷机的投资成本。

(2)普冷领域常用的板式换热器，一般都可以设计为三个流道，由于现今板式换热器制造技术的进步，其普遍的承压可以接受6.4MPa，故完全满足于LNG液化工艺中的压力要求，不需要像传统工艺那样采用专门设计的LNG换热器，大大节约了换热器的投资成本。

(3)把传统的三阶式LNG特殊制冷工艺，改成两阶+天然气压缩的传统工艺，使特殊设备变成了一般设备，传统的实现起来比较困难的甲烷制冷循环，用技术非常成熟的天然气压缩机组替代，提高了稳定性，且天然气压缩机组完全可以模块化定制，不像甲烷制冷循环系统，无论是从甲烷制冷压缩机，还是制冷系统的其他辅件，都要特殊定制，从而减少了投资，简化了控制，化繁为简。

(4)本专利申请中的制冷剂为纯物质，添加方便，而且只有高温级和中温级两种制冷剂，减少了泄露隐患。而传统的MRC工艺为混合工质，泄露后配比复杂，传统阶式制冷也需要有三种制冷剂，且制冷压缩机多，泄露点多。

(5)传统MRC工艺为根据原料气组分和压力定制的，当原料气组分和压力产生变化后，混合工质和特殊的LNG换热器都难以匹配原设计，故收率会急剧降低，而本工艺采用普冷领域的复叠式工艺，制冷区间在较大范围内都能保持很好的能效比。换热器也采用传统普冷领域的板式换热器，换热效果经大范围验证，能保持更好的适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是现有技术中级联式液化天然气的液化系统结构图；

图2是本实用新型中一种用于液化天然气的液化系统的整体结构示意图。

【主要符号说明】

1-混合器；

2-第一换热器；

3-第二换热器；

4-第三换热器；

5-高温级制冷压缩机组；

51-高温级制冷压缩机；

52-高温级风冷凝器；

53-第一高温级节流阀组；

54-第一中冷换热器；

55-第一中冷节流阀组；

56-第一预冷节流阀组；

57-第二高温级节流阀组；

6-中温级制冷压缩机组；

61-中温级蒸发冷凝器；

62-中温级制冷压缩机；

63-中温级风冷凝器；

64-中温级节流阀组；

65-第二中冷换热器；

66-第二中冷节流阀组；

67-第二预冷节流阀组；

7-低温级节流阀组；

8-LNG节流阀组；

9-LNG储罐；

10-分流器；

11-天然气压缩机组；

12-第四换热器；

13-第五换热器。

具体实施方式

以下将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本实用新型的一部分实例，并不是全部的实例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

如图2所示，本实用新型公开了一种用于液化天然气的液化系统，包括混合器1、第一换热器2、第二换热器3、第三换热器4、高温级制冷压缩机组5、中温级制冷压缩机组6、低温级节流阀组7、LNG节流阀组8、LNG储罐9、分流器10、天然气压缩机组11，其中：

所述第一换热器2、第二换热器3和第三换热器4内部均设有三股流道，自上而下分别为第一流道、第二流道和第三流道；

所述混合器1的输出端连接所述第一换热器2的第二流道，所述第一换热器2的第二流道与第二换热器3的第二流道相连，所述第二换热器3的第二流道自此分为两路：

一路和所述第三换热器4的第二流道依次相连，所述第三换热器4的第二流道再与所述LNG节流阀组8相连后连接至所述LNG储罐9；

另一路经所述低温级节流阀组7后与第三换热器4的第三流道相连，并依次反向经过所述第三换热器4的第一流道、第二换热器3的第一流道及第一换热器2的第一流道后连接至所述分流器10，所述分流器10再分成两路输出，一路用于直接发电或作为净化部分吹扫气之后进行发电，另一路与所述天然气压缩机组11连接后再接至所述混合器1的输入端；

所述高温级制冷压缩机组5连接于所述第一换热器2的第三流道两端，用于使得天然气降温；

所述中温级制冷压缩机组6连接于所述第二换热器3的第三流道两端，用于使得天然气进一步降温。

具体实施例中，所述高温级制冷压缩机组5包括高温级制冷压缩机51、高温级风冷凝器52、第一高温级节流阀组53、第一中冷换热器54和第一中冷节流阀组55，其中：

所述第一中冷换热器54内部设有两股流道；

所述高温级制冷压缩机51、高温级风冷凝器52、第一中冷节流阀组55和第一中冷换热器54内部一流道依次进行闭合连接，形成第一高温级循环回路；

所述高温级制冷压缩机51、高温级风冷凝器52、第一中冷换热器54内部另一流道、第一高温级节流阀组53和第一换热器2的第三流道依次进行闭合连接，形成第二高温级循环回路。

优选实施例中，液化系统还包括第四换热器12和第一预冷节流阀组56，其中：

所述第四换热器12设置有三股流道，自上而下分别为第一流道、第二流道和第三流道；

所述第四换热器12设置于所述混合器1和第一换热器2之间，所述混合器1的输出端经所述第四换热器12的第二流道正向连接至所述第一换热器2的第二流道，所述第一换热器2的第一流道经所述第四换热器12的第一流道反向连接至所述分流器10；

所述高温级制冷压缩机51、高温级风冷凝器52、第一预冷节流阀组56和第四换热器12的第三流道依次进行闭合连接，形成第三高温级循环回路。

进一步的，所述高温级制冷压缩机组5还包括第二高温级节流阀组57和中温级蒸发冷凝器61，其中：

所述高温级制冷压缩机51、高温级风冷凝器52、第一中冷换热器54内部另一流道、第二高温级节流阀组57和中温级蒸发冷凝器61依次进行闭合连接，形成第四高温级循环回路。

具体实施例中，所述中温级制冷压缩机组6包括中温级制冷压缩机62、中温级风冷凝器63、中温级节流阀组64、第二中冷换热器65和第二中冷节流阀组66，其中：

所述第二中冷换热器65内部设有两股流道；

所述中温级制冷压缩机62、中温级风冷凝器63、中温级蒸发冷凝器61、第二中冷节流阀组66和第二中冷换热器65内部一流道依次进行闭合连接，形成第一中温级循环回路；

所述中温级制冷压缩机62、中温级风冷凝器63、中温级蒸发冷凝器61、第二中冷换热器65内部另一流道、中温级节流阀组64和第二换热器3的第三流道依次进行闭合连接，形成第二中温级循环回路。

优选实施例中，液化系统还包括第五换热器13和第二预冷节流阀组67，其中：

所述第五换热器13设置有三股流道，自上而下分别为第一流道、第二流道和第三流道；

所述第五换热器13设置于所述第一换热器2和第二换热器3之间，所述第一换热器2的第二流道经所述第五换热器13的第二流道正向连接至所述第二换热器3的第二流道，所述第二换热器3的第一流道经所述第五换热器13的第一流道反向连接至所述第一换热器2的第二流道；

所述中温级制冷压缩机62、中温级风冷凝器63、中温级蒸发冷凝器61、第二预冷节流阀组67和第五换热器13第三流道依次进行闭合连接，形成第三中温级循环回路。

优选的，所述第一换热器2、第二换热器3、第三换热器4、第四换热器12和/或第五换热器13为钎焊板式换热器。

本实施例中，所述高温级制冷压缩机组采用R404A、R290、R507A、R744或R22制冷剂。优选的，所述高温级制冷压缩机组采用R404A、R507A制冷剂。

本实施例中，所述中温级制冷压缩机组采用R23、R508B或R1150制冷剂。优选的，所述中温级制冷压缩机组采用R23制冷剂。

具体工艺流程：

首先，将压力在2.5MPa～6.0MPa之间且经过脱硫、脱碳、脱水等净化后的天然气在混合器1中与天然气压缩机组11排出的气体混合后进入第四换热器12，第四换热器12由高温级制冷压缩机组51中的第三高温级循环回路提供冷量，经第四换热器12后冷却至10～-15℃后，再进入第一换热器2，第一换热器2由高温级制冷压缩机组中的第二高温级循环回路提供冷量，经第一换热器2后降温至-15～-35℃；高温级制冷压缩机组中的第四循环回路通过中温级蒸发冷凝器61，用于冷凝高压的中温级制冷剂，与中温级组成复叠式制冷系统。

其次，高温级制冷压缩机51吸入中压和低压的制冷剂，排出的高温高压气体在高温级风冷凝器52中冷凝，分成三部分：

一部分制冷剂经过第一预冷节流阀组56节流降压成中温中压的液体，然后在第四换热器12中蒸发，与天然气进行换热，经第四换热器12后冷却至10～-15℃；

另一部分制冷剂经过第一中冷节流阀组55节流降压成中温中压的液体，并在第一中冷换热器54中吸收第三部分高压制冷剂的热量使高压制冷剂进一步过冷；

从第四换热器12出来的中压制冷剂与从第一中冷换热器54出来的中压制冷剂混合后回到高温级制冷压缩机51的中压回气通道，完成中压制冷循环。

从高温级风冷凝器52出来的第三部分高压制冷剂，经第一中冷换热器54进一步过冷后分成两股，一部分经第一高温级节流阀组53节流后使制冷剂变成低温低压的液体，然后进入第一换热器2中吸收天然气的热量，经第一换热器2后降温至-15～-35℃，然后变成低压的气体；

经第一中冷换热器54过冷后的另一部分制冷剂经第二高温级节流阀组57节流后变成低温低压的液体，然后进入中温级制冷压缩机组6中的中温级蒸发冷凝器61，吸收中温级制冷剂的热量后，变成低压气体；

上述两组低压气体混合后，回到高温级制冷压缩机51的低压回气通道，完成低压级制冷剂的循环。

同样，中温级制冷压缩机62吸入中压和低压的中温级制冷剂，排出的高温高压气体在中温级风冷却器63中预冷至30～60℃，并在中温级蒸发冷凝器61中冷凝，然后分成三部分：

一部分制冷剂经过第二预冷节流阀组67节流降压成中温中压的液体，然后在第五换热器13中蒸发，与天然气换热，经第五换热器13后冷却至-35～-55℃；

另一部分制冷剂经过第二中冷节流阀组66节流降压成中温中压的液体，并在第二中冷换热器65中吸收第三部分高压制冷剂的热量使高压制冷剂进一步过冷；

从第五换热器13出来的中压制冷剂与从第二中冷换热器65出来的中压制冷剂混合后回到中温级制冷压缩机62的中压回气通道，完成中压制冷循环。

从中温级蒸发冷凝器61出来的第三部分高压制冷剂，经第二中冷换热器65，通过中温级节流阀组64节流后使制冷剂变成低温低压的液体，然后进入第二换热器3中吸收天然气的热量，经第二换热器3后降温至-55～-110℃，然后变成低压的气体，回到中温级制冷压缩机62的低压回气通道，完成中温级压缩机的低压级制冷剂循环。

再次，从第二换热器3出来的被冷凝至-55～-110℃的天然气，分成两股，一部分进入第三换热器4，在第三换热器4中进一步降温至-110～-140℃；一部分经低温级节流阀组7，节流后变成低温低压的天然气液体作为制冷剂，并在第三换热器4中吸收天然气的热量，使主流股的天然气进一步过冷。

接着，从第三换热器4出来的主流股的天然气，再经LNG节流阀组8降压后，流入LNG储罐9储存，LNG储罐9中排出的闪蒸汽(BOG)经冷量回收后用于发电或进入天然气压缩机组11参与再次循环。

从第三换热器4出来的作为制冷剂的天然气，被吸收热量后蒸发变成气体，然后逐步经过第三换热器4、第二换热器3、第五换热器13、第一换热器2和第四换热器12，冷量全部回收后温度也基本回到0℃左右，然后分成两股，一股作为净化系统的吹扫气或燃气发电机的能源；另一股直接进入天然气压缩机组11，在天然气压缩机组11中升压至净化后的天然气的入口压力，与净化后的天然气混合后再次进入循环。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。