一种基于丙烷、异丁烷混合预冷的天然气液化系统的制作方法

本发明属于天然气液化工艺，具体涉及一种基于丙烷、异丁烷混合预冷的天然气液化系统。

背景技术：

随着全球对低碳减排的需要，天然气作为清洁的化石燃料应用在越来越多的领域。而对于许多小型天然气气田、油田伴生气、煤层气，这些天然气资源往往散布在偏远地区。尽管这些天然气资源储量较少，但回收这些零散天然气仍具有一定的经济价值。小型撬装式液化工艺可将天然气液化为液化天然气(lng)，然后使用运输车将lng运输至大型天然气配送中心。由于撬装式液化设备是由多个工作组件组装而成的，所以液化设备在气田开采完成后可以通过卡车运输到其他气田，这将大大降低开采和运输成本。因此，与铺设管道运输相比，液化工艺回收边远地区回收零散天然气资源成本更低。然而，小型撬装式液化工艺的液化制冷成本占液化天然气项目总成本的42％，现有液化工艺成本高，能耗较大，工艺繁琐，因此液化工艺的低能耗与小型撬装设备的运营成本和投资回报密切相关，急需对现有液化工艺进行改进，以使得液化成本进一步降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于丙烷、异丁烷混合预冷的天然气液化系统，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于丙烷、异丁烷混合预冷的天然气液化系统，包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一气液分离器、第二气液分离器、第三气液分离器、混合制冷剂压缩撬和混合预冷剂压缩撬；

混合预冷剂压缩撬的预冷出口连接第一换热器的第一冷流股入口，混合预冷剂压缩撬的预冷入口连接第一换热器的第一冷流股出口；

待液化天然气连接第一换热器的第一热流股入口，第一换热器的第一热流股出口连接第一气液分离器的入口，第一气液分离器的气相流股出口连通第二换热器的第一热流股入口，第二换热器的第一热流股出口连接第三换热器的第一热流股入口，第三换热器的第一热流股出口连接第三气液分离器的入口，第三气液分离器的气相流股出口连接第三换热器的第一冷流股入口，第三换热器的第一冷流股出口连接第二换热器的第一冷流股入口，第二换热器的第一冷流股出口连接第一换热器的第二冷流股入口，第一换热器的第二冷流股出口连接储气罐，第一气液分离器的的液相流股出口连接储液罐，第三气液分离器的液相流股出口连接储液罐；

混合制冷剂压缩撬的制冷出口连接第一换热器的第二热流股入口，第一换热器的第二热流股出口连接第二气液分离器入口，第二气液分离器的液相流股出口连通第二换热器的第二热流股入口，第二换热器的第二热流股出口连通第二换热器的第二冷流股入口，第二换热器的第二冷流股出口连通第一换热器的第三冷流股入口，第一换热器的第三冷流股出口连通混合制冷剂压缩撬的制冷入口；第二气液分离器的气相流股出口连通第二换热器的第三热流股入口，第二换热器的第三热流股出口连接第三换热器的第二热流股入口，第三换热器的第二热流股出口连接第三换热器的第二冷流股入口，第三换热器的第二冷流股出口连接第二换热器的第二冷流股入口。

进一步的，第三换热器的第一热流股出口与第三气液分离器的入口之间设有第一节流阀。

进一步的，第三换热器的第二热流股出口与第三换热器的第二冷流股入口之间设有第二节流阀。

进一步的，第三换热器的第二冷流股出口与第二换热器的第二冷流股入口之间设有混合器，第三换热器的第二冷流股出口连接混合器入口，混合器出口连接第二换热器的第二冷流股入口，第二换热器的第二热流股出口连接混合器入口。

进一步的，第二换热器的第二热流股出口与混合器入口之间设有第三节流阀。

进一步的，第一换热器、第二换热器和第三换热器均采用多股流换热器。

进一步的，混合制冷剂压缩撬包括第一混合制冷剂压缩机、第二混合制冷剂压缩机、第一循环机和第二循环机，第一循环机的入口连接第一换热器的第三冷流股出口，第一循环机的出口连接第一混合制冷剂压缩机入口，第一混合制冷剂压缩机出口连接第二循环机入口，第二循环机出口连接第二混合制冷剂压缩机入口，第二混合制冷剂压缩机出口连接第一换热器的第二热流股入口。

进一步的，混合制冷剂压缩撬中混合制冷剂按质量分数计包括：甲烷25-30％，乙烷25-30％，丙烷5-10％，异丁烷30-38％，氮1-10％。

进一步的，混合预冷剂压缩撬包括第一混合预冷剂压缩机、第二混合预冷剂压缩机、第三循环机和第四循环机，第三循环机的入口连接第一换热器的第一冷流股出口，第三循环机的出口连接第一混合预冷剂压缩机入口，第一混合预冷剂压缩机出口连接第四循环机入口，第四循环机出口连接第二混合预冷剂压缩机入口，第二混合预冷剂压缩机出口通过第四节流阀连接第一换热器的第一冷流股入口。

进一步的，混合预冷剂压缩撬中混合预冷剂采用丙烷和异丁烷的混合物，其中异丁烷质量占比为50％-60％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于丙烷、异丁烷混合预冷的天然气液化系统，包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一气液分离器、第二气液分离器、第三气液分离器、混合制冷剂压缩撬和混合预冷剂压缩撬；采用混合制冷剂压缩撬和混合预冷剂压缩撬配合三级换热器，利用混合制冷剂压缩撬对待液化天然气进行预液化分离，提高待液化天然气的分离效率和速度，然后通过混合预冷剂压缩撬与第一换热器、第二换热器、第三换热器以及混合制冷剂压缩撬预冷剂的冷却循环，实现对一级分离后的气相天然气进行液化，利用混合预冷剂压缩撬进行预冷，降低了混合预冷剂压缩撬的功率损耗，通过一级分离液相天然气，然后利用混合预冷剂和混合制冷剂在第一换热器、第二换热器和第三换热器中进行能量交换，结构简单，降低了混合制冷剂的能量损耗，提高了液化效率，同时降低了液化成本。

进一步的，通过设置节流阀，平衡各换热器之间压力，提高能量交换率。

进一步的，在混合制冷剂压缩撬和混合预冷剂压缩撬中分别添加按比例设置的混合制冷剂和混合预冷剂，能够提高混合制冷剂的冷却效率，降低整体液化过程中的功耗。

附图说明

图1为本发明实施例中系统结构示意图。

图2为本发明实施例中混合制冷剂压缩过程示意图。

图3为本发明实施例中混合预冷剂压缩过程示意图。

图中，1、第一换热器；2、第二换热器；3、第三换热器；4、第一气液分离器；5、第二气液分离器；6、第三气液分离器；7、混合制冷剂压缩撬；8、混合预冷剂压缩撬；9、第一节流阀；10、第二节流阀；11、第三节流阀；12、混合器；13、第一混合制冷剂压缩机；14、第二混合制冷剂压缩机；15、第一循环机；16、第二循环机；17、第一混合预冷剂压缩机；18、第二混合预冷剂压缩机；19、第三循环机；20、第四循环机；21、第四节流阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种基于丙烷、异丁烷混合预冷的天然气液化系统，包括液化撬、混合制冷剂压缩撬7和混合预冷剂压缩撬8；

液化撬包括第一换热器1、第二换热器2、第三换热器3、第一气液分离器4、第二气液分离器5和第三气液分离器6；

混合预冷剂压缩撬8的预冷出口连接第一换热器1的第一冷流股入口，混合预冷剂压缩撬8的预冷入口连接第一换热器1的第一冷流股出口；

待液化天然气连接第一换热器1的第一热流股入口，第一换热器1的第一热流股出口连接第一气液分离器4的入口，第一气液分离器4的气相流股出口连通第二换热器2的第一热流股入口，第二换热器2的第一热流股出口连接第三换热器3的第一热流股入口，第三换热器3的第一热流股出口连接第三气液分离器6的入口，第三气液分离器6的气相流股出口连接第三换热器3的第一冷流股入口，第三换热器3的第一冷流股出口连接第二换热器2的第一冷流股入口，第二换热器2的第一冷流股出口连接第一换热器1的第二冷流股入口，第一换热器1的第二冷流股出口连接储气罐，第一气液分离器4的的液相流股出口连接储液罐，第三气液分离器6的液相流股出口连接储液罐；

混合制冷剂压缩撬7的制冷出口连接第一换热器1的第二热流股入口，第一换热器1的第二热流股出口连接第二气液分离器5入口，第二气液分离器5的液相流股出口连通第二换热器2的第二热流股入口，第二换热器2的第二热流股出口连通第二换热器2的第二冷流股入口，第二换热器2的第二冷流股出口连通第一换热器1的第三冷流股入口，第一换热器1的第三冷流股出口连通混合制冷剂压缩撬7的制冷入口；第二气液分离器5的气相流股出口连通第二换热器2的第三热流股入口，第二换热器2的第三热流股出口连接第三换热器3的第二热流股入口，第三换热器3的第二热流股出口连接第三换热器3的第二冷流股入口，第三换热器3的第二冷流股出口连接第二换热器2的第二冷流股入口。

第三换热器3的第一热流股出口与第三气液分离器6的入口之间设有第一节流阀9；第三换热器3的第二热流股出口与第三换热器3的第二冷流股入口之间设有第二节流阀10；

第三换热器3的第二冷流股出口与第二换热器2的第二冷流股入口之间设有混合器12，第三换热器3的第二冷流股出口连接混合器12入口，混合器12出口连接第二换热器2的第二冷流股入口，第二换热器2的第二热流股出口连接混合器12入口；第二换热器2的第二热流股出口与混合器12入口之间设有第三节流阀11。

第一换热器1、第二换热器2和第三换热器3均采用多股流换热器。

如图2所示，混合制冷剂压缩撬7包括第一混合制冷剂压缩机13和第二混合制冷剂压缩机14，制冷剂通过第一循环机15进入第一混合制冷剂压缩机13冷却加压，然后利用第二循环机16将一级制冷加压后的制冷剂进行二级制冷加压后传输至第一换热器1的第二热流股入口。混合制冷剂压缩撬7的入口混合制冷剂压力为170kpa，经过两级加压中间冷却加压后输出压力为3000kpa～4500kpa。混合制冷剂压缩撬7的混合制冷剂制冷进入第一换热器1，流股冷却后通过第二气液分离器5分离出气相流股和液相流股，气相流股和液相流股分别进入第二换热器2换热，经过第二换热器2换热后，第二换热器2的第二热流股出口流股经过第三节流阀11节流，由第二换热器2的第三热流股出口流出的流股进入第三换热器3；流出第三换热器3第二热流股出口的流股5经过第二节流阀节流冷却并流入第三换热器3的第二冷流股入口，第三换热器3的第二冷流股出口流出的流股与经过第三节流阀11节流的流股混合成后依次流经第二换热器2、第一换热器1回到混合制冷剂压缩撬入口。

如图3所示，混合预冷剂压缩撬8包括第一混合预冷剂压缩机17和第二混合预冷剂压缩机18，混合预冷剂通过第三循环机19进入第一混合预冷剂压缩机17冷却加压，然后利用第四循环机20将一级预冷加压后的混合预冷剂输入第二混合预冷剂压缩机18进行二级预冷加压后传输至第一换热器1的第一冷流股入口。

混合制冷剂的按质量分数计包括：甲烷25-30％，乙烷25-30％，丙烷5-10％，异丁烷30-38％，氮1-10％；

预冷剂丙烷和异丁烷的质量分数：丙烷40～50％，异丁烷50％～60％。

混合预冷剂采用丙烷和异丁烷的混合物，其中异丁烷质量占比为50％-60％；混合预冷剂经过两级压缩并节流后，进入第一换热器hx1预冷原料天然气；混合预冷剂预冷过程中，将异丁烷组分质量占从10％增加到70％，当异丁烷组分超过60％时，压缩机入口将出现液相，当异丁烷组分超过65％时，将在换热器hx1中发生温度交叉。而当异丁烷组分质量占低于50％时，功耗增加，因此，可知，过多的异丁烷组分会导致压缩过程出现液相，而过少的异丁烷组分并不能达到降低功耗的目的，因此，本申请采用丙烷和异丁烷按照比例混合，异丁烷质量占比为50％-60％。

经过该工艺液化50000nm³/d天然气，单位功耗为0.301kw·h/kg,这比同水平下的丙烷预冷混合制冷剂功耗需求降低了18.0％。

混合预冷剂经过两级压缩加压至2500kpa～3000kpa，随后经过节流阀降压至200kpa进入第一换热器1作为预冷冷源。

优选的，当混合制冷剂的中组分按质量分数计为：甲烷26.22％，乙烷28.01％，丙烷7.15％，异丁烷36.3％，氮12.32％，混合预冷剂中丙烷质量占比为41.64％时，本申请天然气液化效率最高，且功耗比最低。

实施例：

如图1至图3所示，采用丙烷和异丁烷混合预冷的混合制冷剂液化工艺，

混合预冷剂压缩撬输出的混合预冷剂进入第一换热器1，待液化天然气流入第一换热器1进行预冷，预冷后的温度为-35℃～-60℃，液态的重烃组分作为lpg产物被分离，而气态的ng2进入第二换热器2和第三换热器3液化冷却，气相流股进入第二换热器2降温至-100℃～-130℃，流出第一节流阀的流股ng5的压力为200kpa，温度为113k，经过第三气液分离器6分离后，液相为lng产品，分离出的低温气相bog流经第三换热器3，第二换热器2和第一换热器1作为上述换热器的冷量补充。

170kpa的混合制冷剂流经混合制冷剂压缩撬，经过两级加压中间冷却,混合制冷剂进入第一换热器1，冷却后通过第二气液分离器5分离出气相流股和液相流股，气相流股和液相流股分别进入第二换热器2换热，气相部分依次流经第二换热器2、第三换热器3后经过节流阀节流降温作为第三换热器3的冷流股，液相流股经过第二换热器2后进入第三节流阀11节流降温，并与第三换热器3流出的混合制冷剂流股混合再依次流第二换热器2和第一换热器1，后返回至混合制冷剂压缩机入口。本发明在保证液化率较高的基础上，最大限度地降低系统能耗。