混合冷剂内循环方法、天然气液化方法及液化装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种天然气液化方法，具体设及一种用于液化天然气的混合冷剂内循 环方法。本发明还设及一种采用该混合冷剂内循环方法的天然气液化方法W及一种利用该 天然气液化方法的液化装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，液化天然气(LNG)产业在世界范围内快速发展，仅在中国先后有超过数十 个LNG液化装置建成投产，运些装置从不到10万标方/天到500万标方/天规模不等。从装置 选择的液化流程上来，从的或是甲烧膨胀机循环、单回路混合冷剂循环到传统的级联式循 环等都有采用。不同的液化流程主要体现在不同的冷剂循环回路和流程设备的配置上，而 该配置将对液化装置的热力循环效率、设备布置、装置对气源的适应性、装置的可靠性、操 作弹性及稳定性、W及固定投资费用均产生影响。一般而言，随着液化流程复杂程度的增 加，LNG的比能耗会下降，运行成本会下降；而流程设备数量的增加 W及流程回路的增加会 造成固定设备投资费用增加，因而增加了单位产品的成本。因此，液化流程的选择要结合原 料气条件，综合考虑装置循环效率、设备投资和装置操作性及长期运行成本等各种因素，例 如比能耗、流程复杂性W及可靠性的影响。对于基本负荷型LNG工厂，近几年海外新建装置 的发展趋势是装置规模更加大型化，其单线产能鲜有200万吨/年W下的。对于运一类型的 装置，多级复叠的丙烷预冷循环与多组分混合冷剂循环相结合的工艺由于较好的能耗指标 和成熟的工程化应用使得其成为首选的液化技术。但是，由于其复杂的回路配置、更大的占 地面积及极高的投资规模使得其在单线产能100万吨/年W下的装置中从未采用。而在中国 近几年新建装置的发展趋势上看(单线规模全在50万吨/年W下），对于运种规模的装置，从 全世界的范围来看，单循环混合制冷剂循环工艺(SMR)由于工艺简单、装置工程化应用成熟 及能耗相对合理等优点而成为世界及中国已建和在建中小型天然气液化装置的主要选项， 其中的单回路混合冷剂整体循环液化工艺由于具有数个工程化应用而在中国的LNG装置中 得到了较多的应用。
[0003] 如图1所示，单回路混合冷剂整体循环液化工艺属于单循环混合制冷工艺（SMR)， 制冷剂由氮气、甲烧、乙締、丙烷及异戊烧按一定比例混合而成，混合冷剂采用两段压缩，冷 剂换热器(冷箱)采用侣制针焊板翅式换热器忍体。
[0004] 混合冷剂的循环为:来自冷剂吸入罐的混合冷剂(T = 23 °C，P = 0.26MPa)经冷剂压 缩机一段压缩后(T = 127°C，P = 1.64M化），依次进入一段冷却器、分离器进行冷却，分离为 气相冷剂和低压液相冷剂;气相冷剂进入冷剂压缩机二段进行再压缩至4MPa，低压液相冷 剂经累送至二段冷却器前与高压高溫冷剂混合，再依次进入二段冷却器、分离器进行冷却， 分离为气相冷剂和高压液相冷剂;气相冷剂直接进入冷箱C通道顶部入口，高压液相冷剂经 累增压后亦进入冷箱C通道顶部与气相冷剂汇合，形成气液混合冷剂;常溫、高压的气液混 合冷剂在向下流动的过程中被逐步冷却、相变，在冷箱底部J-T阀前冷凝成液相后经过J-T 阀进行节流膨胀，节流后的部分冷剂蒸发并产生溫降后返回进入冷箱D通道底部；同时，在 向上流动的过程中吸收原料气和高压冷剂侧的热负荷逐步升溫气化，在冷箱顶部保证混合 冷剂气化后经冷剂吸入罐后返回到压缩机一段入口，完成整个混合冷剂循环过程。
[0005] 净化后的常溫天然气、中压（约4M化左右)进入冷箱上段(通道A)预冷后引至重控 分离罐进行重组分分离后，返回至冷箱下段(通道B)逐步被液化及过冷，在冷箱B通道底部 引出冷箱，经压力控制阀降压后引至LNG储罐常压低溫储存。
[0006] 单回路混合冷剂整体循环液化工艺的特点在于:其单个换热器忍体采用一个回路 及一个J-T阀，在回路中，混合制冷剂经过两级压缩及部分冷凝后，高压的气相及液相冷剂 经各自的管路进入冷箱后在主换热器内部混合，之后经过该单一的冷箱换热器通道预冷、 经J-T阀膨胀节流后，低压混合冷剂经冷箱换热器返流通道吸热升溫后返流主冷剂压缩机 吸气端，其制冷剂的基本组成为氮气、甲烧、乙締、丙烷、异戊烧的混合物。该工艺的优点是： 冷箱主换热器结构简单，当原料天然气组分及其他主要运行参数与设计值较一致时能耗数 据相对于装置投资也较为合理。
[0007] 但是该工艺存在W下不足之处：
[0008] 1、缺乏直接的物理手段对冷箱主换热器的冷却"溫度区间"进行调节，W使得升溫 曲线更佳的匹配降溫曲线从而降低功耗;运一点在实际运行工况偏离设计值时尤其明显： 如环境或是冷却介质溫度发生明显变化，或是原料气组分、压力等发生变化而需要重新匹 配冷热负荷时，此时的冷剂组分及气液相循环量等运行参数都会偏离设计值，因而需要重 新优化W降低单位产品运行功耗。由于该工艺冷剂气液相在同一个换热器忍体通道内内预 冷、节流膨胀后升溫提供冷量，其主冷箱换热器内部各部分冷热流体间的换热溫差很难W 直观的手段准确控制，而运一点在换热器热端尤其明显，其对应的结果是在偏离设计点工 况下冷箱上部换热热力学不可逆损失(火用损失）增加，造成压缩机功耗增加，折算为单位 产品能耗增加，装置0PEX上升。运一问题可从目前多个运行的装置中的数据对比中得到证 实。
[0009] 2、同样由于高压气液相冷剂进入冷箱后在主换热器内同一通道混合的原因，单回 路混合冷剂整体循环工艺无可避免地需要引入高压混合冷剂累及级间冷剂累共计至少四 台动设备。运会带来W下的问题：（1)对整个装置的可靠性带来不利影响；意外原因（可能仅 是单纯的仪表故障)造成的冷剂累尤其是高压段冷剂累联锁停车会对装个装置带来严重影 响：由于所有进入循环的液相冷剂都是通过该累进入主冷箱换热器，突然停累会使得系统 的液相冷剂供应立即停止，而热负荷无法快速匹配冷剂循环的运一瞬间变化，会造成"冷 箱"内的"持液"迅速大量蒸发，换热器内部溫度剧烈变化并迅速升溫，大量过热状态的冷剂 使得冷剂压缩机入口压力快速上升直至压缩机驱动机过载保护停车，同时冷箱换热器则需 要经受由于短时间的溫度剧烈变化造成的热应力冲击而增加了设备损坏的潜在风险。运一 问题已在国内多个采用该工艺的装置中发生过，而且其过程通常可能在几分钟间完成，运 使得即使W可能达到的最快速度现场排除停累故障，重新启动（同样的错误联锁使得备用 累启动存在同样的问题)冷剂累也无法跟上系统的快速响应，使得该冷剂累成为系统非正 常停车的一个常见的故障源之一，从而影响了整个装置的可靠性；（2)由于该冷剂累的介质 是饱和状态下的液化控，出于防止"气蚀"等考虑，运些累都对安装高度等有严苛的要求，其 结果是高压及段间的冷剂罐的安装高度相应提高，重力自流的要求使得压缩机级间及高压 冷剂冷凝器及压缩机本身的安装高度都需要提高，运无疑增加了装置立面布置的难度及抬 高了安装结构的造价，运一问题在海上浮式天然气液化(FLNG)的布置方面会更加突出；（3) 对装置试车及装置的现场安全造成不利影响；运些冷剂累结构上都采用多级立式结构，因 而多级的叶轮均安装在地坪下"筒"内，运些低点往往会成为系统干燥吹扫时的"死区"及污 染源而加大公用系统的消耗及影响开车进度;此外，清洁度的要求需要在累入口安装法兰 连接的短节，运无疑引入了液化控的潜在泄露点而给装置安全性带来不利影响。
[0010] 3、单回路混合冷剂整体循环工艺在设计负荷及工况下冷箱换热器内的两相流动 稳定有效，即高压侧顺重力而行，J-T阀后低压侧相变及逐步气化返流。但是动态地来看，尤 其对于冷箱中多忍体并列联接的装置而言，冷剂稳定连续的流动并非总能得W保证，在装 置低负荷时尤其如此。运一点可W通过国内多个有多换热器忍体冷箱的装置开车过程中发 生的换热器忍体"淹没"现象来说明：随开车过程的进行，各个主换热器忍体逐步冷却，各J- T阀前后溫度降低到特定工艺要求值时，需要引入液相冷剂进入循环，但是此时混合介质本 身组分的变化及介质流动(低负荷下受压缩机防喘振阀动作影响使得进入"大回路"的冷剂 循环量与J-T的调控关系变得复杂，而前者通常是独立于工艺控制，仅取决于压缩机喘振特 性曲线）和换热的相互作用使得系统动态变得复杂，此时进入换热器中的液相重组分的量 是成为关键的敏感因素，而目前该工艺缺乏直接的手段对开车过程中进入各个换热器忍体 的该流量进行准确预测。其结果是在低负荷下由于"过量"的液相冷剂进入换热器，却由于 缺乏合适的换热流动条件返回压缩机入口，造成重冷剂"滞留"换热器内部无法带出，低压 侧冷剂通道流动阻力大大增加，流动急剧恶化，在极端情况下换热器忍体内溫度梯度消失， J-T阀后无相变发生，此时J-T阀开度完全失去调节作用，大量液相冷剂"滞留"换热器忍体 内，即发生通常操作人员所说的换热器忍体被"淹没"。需要指出的一点是该问题在多换热 器忍的冷箱装置中会更加突出。究其原因，是由于尽管设计中可W采用对称布局等考虑，但 是真正做到到各个忍体的管路及附件系统阻力特性完全一样在实际装置中比较困难，此 夕h由于各个忍体的最终的冷剂流量控制主要取决于各自单一的J-T阀，因而各个忍体冷却 同步的差异也会改变整个系统的动态特性。运些因素都会造成(尤其在低负荷，低液相冷剂 流量下）的"偏流"现象，也即冷剂分布问题，运在一定程度也是造成换热器"淹没"的原因之 〇
[0011] 冷箱换热器"淹没"造成冷却进程停滞，压缩机自循环而无谓耗功，而在流动情况 改善时又会由于瞬时的循环量大大增加造成换热器快速降溫，从而增加了设备损坏的潜在 风险。运些问题在装置初次开车时由于缺乏对系统实际动态特性的掌握而更加突出，运会 使得装置开车难度提高，同时使得装置低负荷下运行稳定性变差。
【发明内容】
[0012] 本发明所要解决的技术问题是提供一种用于液化天然气的混合冷剂内循环方法， 它可W提高整体循环的热效率，降低冷剂压缩机功耗;省去所有用于液相混合冷剂输送的 冷剂累;提高整