专利名称：Lng低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备的制作方法
技术领域：
本发明属天然气低温液化技术领域，涉及LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热器及混合制冷剂制冷技术，应用N2、CH4、C2H4, C3H8, C4H1(1、异C4Hltl混合制冷剂在多股流螺旋缠绕管式换热器内将36°C、6. IMI^a天然气通过三级制冷过程逐步冷却至一 164°C液化并过冷；应用多股流缠绕管式换热器逐步过冷N2、CH4、C2H4, C3H8, C4Hltl、异C4H1。， 再分别节流并预冷天然气管束及混合制冷剂管束，达到一级天然气预冷、二级天然气液化及三级天然气过冷目的；其结构紧凑，换热效率高，可用于36°C 一 164°C气体带相变低温换热领域，解决LNG低温液化技术难题，提高LNG系统低温换热效率。
背景技术：
大型混合制冷剂天然气液化流程主要包括三个阶段，第一个阶段是将压缩后的天然气进行预冷，即将36°C天然气预冷至一 53°C，第二个阶段是将天然气从一 53°C冷却至一 120°C，为低温液化做准备，第三个阶段是将一 120°C天然气冷却至一 164 °C并液化， 三个过程可采用不同制冷工艺、不同制冷剂及不同换热设备，换热工艺流程复杂，换热器数量众多，给系统维护管理及过程控制带来严重不便。为了减少混合制冷剂天然气液化系统低温过程中的换热器数量，减少低温绝热防护面积，便于换热器维护，本发明采用整体换热方式，将三段制冷过程主换热器、工艺流程中的回热换热器、各段预冷换热器融合为一整体，延长换热器高度达60 80米，通过一个完整的多股流混合制冷剂螺旋缠绕管式换热器直接将天然气从36°C冷却至一 164°C液化并过冷，使换热效率得到明显提高，管理过程更加方便。另外，由于普通列管式换热器采用管板连接平行管束方式，结构简单，自收缩能力较差，一般为单股流换热，换热效率较低，体积较大，温差较小，难以将天然气在一个流程内冷却并液化。本发明根据LNG混合制冷剂低温液化特点，采用三段式整体螺旋缠绕管式换热器做为主换热设备，应用不同的制冷剂分段制冷再融合为一整体的方法，重点针对N2、 CH4、C2H4, C3H8, C4Hltl、异C4Hltl制冷剂制冷工艺流程，研究开发温区介于36°C 一 53°C、— 53°C 一 120°C、一 120°C 一 164°C之间的制冷工艺技术及装备，解决混合制冷剂LNG低温液化核心技术问题，即LNG低温液化多股流螺旋缠绕管式主换热器结构及混合制冷剂工艺流程问题。
发明内容
本发明主要针对天然气在36°C 一 53°C、一 53°C 一 120°C、一 120°C 一 164°C 三级制冷问题，采用具有换热效率高、换热温差大、具有自紧收缩调整功能的多股流螺旋缠绕管式换热器做为主换热设备，应用N2、CH4、C2H4, C3H8, C4H1(1、异C4Hltl混合制冷剂先预冷后节流的制冷工艺流程，控制相变制冷流程，进而控制天然气预冷温度及压力，提高换热效率，解决LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式换热器结构及工艺流程问题。本发明的技术解决方案
LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备，包括LNG三级出口 1、LNG三级出口管束2j2_CH4三级节流后进口 3、三级筒体4、耳座5、N2_CH4三级预冷进口管束6、 N2-CH4三级进口 7、圆台型过渡筒体8、C2H4 二级节流后进口 9、N2-CH4 二级预冷出口 10、 C2H4 二级过冷出口 11、N2-CH4 二级预冷出口管束12、二级筒体13、二级下支撑圈14、N — CH4 二级预冷进口管束15j2_CH4 二级预冷进口 16、C4H1(1—异C4H10 一级混合制冷剂节流后进口 17、C4H1Q—异 C4Hltl —级过冷出口 18、N2—CH4 —C2H4 —级预冷出口 19、C4H1(1—异 C4H10 — 级过冷出口管束20、N2—CH4_C2H4—级预冷出口管束21、一级上支撑圈22、一级中心筒23、 C4Hltl—异 C4Hltl —级过冷进口管束 24、N2—CH4 — C2H4 —级预冷进口管束 25、N2-CH4 —C2H4 — 级预冷进口 26、C4Hltl—异 C4Hltl —级过冷进口 27、N2-CH4 一C2H4 — C3H8 — C4Hltl—异 C4Hltl 混合制冷剂一级蒸气出口 28、一级下封头^、C3H8—级过冷进口 30、天然气一级预冷进口 31、 天然气一级预冷进口管束32、C3H8—级过冷进口管束33、一级下支撑圈34、一级筒体35、天然气一级预冷出口管束36、C3H8 —级过冷出口管束37、天然气一级预冷出口 38、C3H8 —级过冷出口 39、C3H8 —级节流后进口 40、天然气二级液化进口 41、C2H4 二级过冷进口 42、天然气二级液化进口管束43、C2H4 二级过冷进口管束44、二级中心筒45、二级上支撑圈46、天然气二级液化出口管束47、C2H4 二级过冷出口管束48、C2H4 二级过冷出口管束48、天然气二级液化出口 49、天然气三级过冷进口 50、天然气三级过冷进口管束51、三级下支撑圈52、三级中心筒53、三级上支撑圈54、N2-CH4三级预冷出口管束55、N2-CH4三级预冷出口 56、三级上封头57，其特征在于天然气一级螺旋管束32j2_CH4_C2H4 —级螺旋管束25、C4H1(1—异 C4H10 一级螺旋管束M、C3H8 —级螺旋管束33绕一级中心筒23缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于一级筒体35内；中心筒35 —端安装一级上支撑圈22，一端安装一级下支撑圈34，上支撑圈22固定于筒体35上部，下支撑圈34固定于筒体35下部，天然气螺旋管束32、N2_CH4_ C2H4螺旋管束25、C4Hltl—异C4H10螺旋管束24、C3H8螺旋管束33缠绕于上支撑圈22与下支撑圈34之间；天然气二级螺旋管束43、N2-CH4 二级螺旋管束15、C2H4 二级螺旋管束44绕二级中心筒45缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于二级筒体13内；中心筒13 —端安装二级上支撑圈46，一端安装二级下支撑圈14，上支撑圈46固定于二级筒体13上部，下支撑圈14固定于二级筒体13下部，天然气螺旋管束43、N2-CH4螺旋管束15、C2H4螺旋管束44缠绕于上支撑圈46与下支撑圈14之间；天然气三级螺旋管束51j2_CH4三级螺旋管束6绕三级中心筒53缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于三级筒体4内；中心筒53 —端安装三级上支撑圈 54，一端安装三级下支撑圈52，上支撑圈M固定于三级筒体4上部，下支撑圈52固定于三级筒体4下部，天然气螺旋管束51、N2-CH4螺旋管束6缠绕于上支撑圈M与下支撑圈52 之间；一级筒体35上部左侧安装N2_CH4_C2H4出口 19，右侧安装天然气出口 38，上部中间左下方安装C4Hltl—异C4Hltl出口 18、上部中间左上方安装C4Hltl—异C4Hltl节流后进口 17，上部中间右下方安装C3H8出口 39，上部中间右上方安装节流后C3H8进口 40，下部左侧安装N2_ CH4_C2H4进口 26，下部右侧安装天然气进口 31，下部中间左侧安装C4Hltl—异C4Hltl进口 27， 下部中间右侧安装C3H8进口 30 ；二级筒体13上部左侧安装N2_CH4出口 10，右侧安装天然气出口 49，上部中间下方安装C2H4出口 11、上部中间上方安装C2H4节流后进口 9，下部左侧安装队_014进口 16，下部右侧安装天然气进口 41，下部中间安装C2H4进口 42 ；三级筒体4 上部左侧安装N2_CH4节流后进口 3，右侧安装N2_CH4出口 56，下部左侧安装N2_CH4进口 16，下部右侧安装天然气进口 50，中部安装耳座5 ；混合制冷剂出口 28连接封头四、封头四连接一级筒体35，一级筒体35连接二级筒体13，二级筒体13连接过渡段8，过渡段8连接
6三级筒体4，三级筒体4连接封头57，封头57连接LNG出口 1。C4Hltl—异C4Hltl混合制冷剂在36 °C、0. 9MPa时进入进口 27，再分配于C4Hltl—异C4H10 过冷管束M各支管，管束M经螺旋缠绕后在筒体35内被节流后的C4Hltl—异C4H1Q、C3H8, N2-CH4-C2H4混合气体过冷，温度降低至一 53°C、压力降低至0. 6MPa，再流至出口 18，经安装于出口 18与进口 17之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至0. 3MPa，温度变为一 52. 850C，再经进口 17进入筒体35，与节流后的C3H8、N2-CH4-C2H4混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气管束32、N2-CH4 -C2H4管束25、C3H8管束33、C4Hltl—异C4H10管束24 后，在^°C、0. 3MPa时经出口 28流出一级制冷装置并返回进气压缩机压缩。C3H8制冷剂在36 °C、2· 18ΜΙ^时进入进口 30，再分配于C3H8过冷管束33各支管，管束33经螺旋缠绕后在筒体35内被节流后的C3H8、C4H1Q—异C4Hltl為一CH4 — C2H4混合气体过冷，温度降至一 53 °C、压力降至1. 88MPa,再流至出口 39，经安装于出口 39与进口 40之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至0. 3MPa，温度变为一 52. ^°C，再经进口 40进入筒体35，与节流后的C4Hltl—异C4H1(1、N2-CH4-C2H4混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气管束 32、N2—CH4 -C2H4 管束 25、C3H8 管束 33、C4H1(1—异 C4H10 管束 M 后，在 ^°C、0. 3MPa 时经出口 28流出一级制冷装置并返回进气压缩机压缩。N2-CH4-C2H4 混合气体在 36 °C、2. 18MPa 时进入 N2-CH4 — C2H4 预冷进口 26，再分配于预冷管束25各支管，管束25经螺旋缠绕后在一级筒体35内被节流后的C4Hltl—异 C4H10, C3H8、来自二级的N2—CH4_C2H4混合气体预冷，预冷后C2H4被液化，形成N2-CH4气体与C2H4液体的气液两相流，温度降低至一 53°C、压力降低至1. 88MPa，经出口 19后进入气液分离器，分离后的C2H4与N2_CH4两股流制冷剂分别进入二级预冷段。C2H4制冷剂在一 53°C、1. 88MPa时通过进口 42进入二级预冷段，再分配于C2H4过冷管束44各支管，管束44经螺旋缠绕后在二级筒体13内被节流后的C2H4、来自一级的一 1300C >0. 3MPa的N2-CH4混合制冷剂过冷，温度降低至一 120°C、压力降低至1. 58MPa，再流至出口 11，经安装于出口 11与进口 9之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至 0. 3MPa,温度变为一 119. 4°C，再经进口 9进入二级筒体13与来自三级的混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气管束43、N2-CH4预冷管束15、C2H4过冷管束44后，在一 63°C、0. 3MPa时离开二级制冷段并进入一级制冷段。N2-CH4混合气体在一 53°C、1. 88MPa时通过进口 16进入二级预冷段，再分配于预冷管束15各支管，管束15经螺旋缠绕后在二级筒体13内被节流后的C2H4、来自三级的 N2-CH4混合制冷剂预冷，预冷后CH4被液化并形成队气体与CH4液体两相流，温度降低至一 120°C、压力降低至1. 58MPa，再经出口 10流出二级预冷段A2-CH4混合制冷剂在一 120°C 及1. 58MPa时通过进口 7进入三级预冷段，再分配于混合制冷剂预冷管束6各支管，管束6 经螺旋缠绕后在三级筒体4内被节流后的N2_CH4混合制冷剂预冷并液化；制冷剂完全液化后流至出口 56，温度降低至一 164°C、压力降低至1.38MPa，再经安装于出口 56与进口 3 之间的节流阀节流，节流后压力降低至0. 3MPa，氮温度变为一 185°C，处于气液两相状态， 甲烷温度变为一 163. 5°C，节流后的混合制冷剂为气液两相，经进口 5进入三级筒体4并向下流动冷却天然气管束51、N2_CH4预冷管束6后，在一 130°C、0. 3MPa时混合气流出三级制冷段并进入二级制冷段。天然气在36°C、6. IMPa时进入天然气进口 31，在进口 31内分配于天然气螺旋管
7束32各支管，管束32经螺旋缠绕后在一级筒体35内与节流后C4Hltl—异C4H10, C3H8及来自二级的N2_CH4_C2H4混合气体进行换热，温度降至一 53 °C、压力降至5. 8MPa时，再经出口 38流出一级预冷段；天然气在一 53°C、5. SMPa时通过进口 41进入二级液化段，再分配于天然气螺旋管束43各支管，管束43经螺旋缠绕后在二级筒体13内与节流后的C2H4、来自一级的N2-CH4混合气体进行换热，温度降至一 120°C、压力降至5. 5MPa时液化，液化后经出口 49流出二级液化段；天然气在一 120°C、5. 5MPa时通过进口 50进入三级过冷段，再分配于天然气螺旋管束51各支管，管束51经螺旋缠绕后在三级筒体4内与节流后的N2_CH4混合制冷剂进行换热，温度降低至一 164°C、压力降低至5. 3MPa时完全液化并过冷，过冷后经 LNG出口 1流出三级制冷段，节流降压后送入LNG贮罐。
方案所涉及的原理问题
首先，传统的LNG低温液化系统一般采用多个独立的制冷系统，应用多个不同的换热器对各个温区进行独立换热并逐步冷却天然气，如级联式LNG液化系统，换热器数量较多， 液化工艺流程分级独立，各个制冷系统按温区独立运行，管理系统庞大，各系统容易出现问题，影响成套工艺流程的运行。为解决这一问题，本发明将主换热器内天然气温度变化过程分为36°C 一 53°C、一 53°C 一 120°C、一 120°C 一 164 °C三个区间，采用三段式整体多股流螺旋缠绕管式换热器，完成三个温度区间由高至低的换热过程，并重点研究开发 36°C 一 53°C、— 53°C 一 120°C、— 120°C 一 164°C三个区间低温换热工艺流程及换热器总体结构与进出口参数，并采用N2、CH4、C2H4, C3H8, C4Hltl、异C4Hltl混合制冷剂制冷工艺， 解决三段式整体多股流螺旋缠绕管式换热器的结构及换热工艺流程问题。三段制冷过程相对独立但又有机结合成为整体，与整体式主换热器换热原理一致，便于主换热器分拆后运输及现场拼装。其次，一段采用近1 :1的C4Hltl—异C4H10混合制冷剂制冷工艺，节流前过冷至一 53°C，可使一段制冷温度低于其饱和蒸发温度^TC,产生较进口低10°C的传热温差推动力。C4Hltl—异C4H10冷剂进口为0. 9MPa、36°C时，C2H4处于液相状态，当压力达到0. 6MPa、温度达到一 53°C时，C4Hltl—异C4Hltl过冷并具有较大显热，再节流后可得到更大制冷量。另外， 一段还采用C3H8制冷剂制冷工艺，即C3H8节流前过冷至一 53°C，节流至0. 3 MPa时饱和蒸发温度为一 14°C，使一级制冷过程中具有一 141与^TC两个蒸发温度，可降低传热过程熵增量。N2_CH4_C2H4混合制冷剂主要用于二、三段制冷过程，节流前须经36°C 一 53°C、一 53°C 一 120°C、一 120°C 一 164°C三段低温预冷过程，在一级制冷过程中，N2—CH4—C2H4 混合制冷剂预冷过程与天然气液化、C3H8过冷、C4Hltl—异C4H10过冷同时进行，所以一段须采用四股流低温换热过程。二段采用C2H4制冷剂制冷工艺后，节流前须对C2H4进行过冷，冷剂进口为1.88MPa、一 53°C时，C2H4处于液相状态，当压力达到1. 58MPa、温度达到一 120°C时， C2H4过冷并具有较大显热，再节流后可得到更大制冷量。N2_CH4混合制冷剂主要用于三段制冷过程，节流前须经一 53°C 一 120°C、一 120°C 一 164°C两段低温预冷过程，在二段制冷过程中，N2-CH4混合制冷剂预冷过程与天然气液化及C2H4过冷过程同时进行，所以须采用三股流低温换热过程。三段采用N2_CH4混合制冷剂制冷工艺后，节流前须对制冷剂进行预冷并液化，冷剂进口为1. 58MPa、一 120°C时，合制冷剂中甲烷已经被液化，氮仍未达到饱和，处于气相状态，当压力达到1.38MPa、预冷温度达到一 164°C时，氮达到饱和并被液化，液化后再节流可得到更大的制冷量，预冷过程与天然气液化及过冷过程同时进行， 所以，须采用两股流低温换热过程。采用非共沸混合制冷剂后，可使饱和液氮节流后冷剂进口温度达到一 185°C，产生足够的传热温差推动力，同时，甲烷在过冷状态下节流至一 163. 5°C过冷状态，可继续利用其显热，达到饱和温度一 146°C时再蒸发，使三级液化过程具有三个低温换热温度，包括两个蒸发温度，以此降低传热过程熵增量，减少传热过程损失。传统的列管式换热器由于采用了两块大管板连接平行管束结构，体积较大，换热温差较小，易分区，管间距较大，自收缩能力较差，一般适用于单股流换热，换热效率较低，难以将天然气在一个流程内冷却并液化，不易完成多股流均勻换热过程。本发明开发了可承受压力6. IMPa、温度一 185°C的9Ni钢多股流螺旋缠绕管式低温换热器，可完成高压低温工况下多股流换热过程及LNG低温液化过程。本发明的技术特点
本发明主要针对LNG低温液化多股流螺旋缠绕管式换热装备，采用具有体积小、换热效率高、换热温差大、具有自紧收缩调整功能的多股流螺旋缠绕管式换热器做为主换热设备，应用N2、CH4、C2H4, C3H8, C4H1(1、异C4Hltl混合制冷剂先预冷后节流的制冷工艺流程，控制相变制冷流程，进而控制天然气液化温度及压力，提高换热效率，解决天然气在36°C 一 164°C间三段制冷问题；三段式多股流螺旋缠绕管式换热器具有结构紧凑，多种介质带相变传热，传热系数大，可解决大型LNG低温液化过程中分段式混合制冷剂预冷、天然气低温液化技术难题，提高系统换热及液化效率；应用三段式LNG低温液化过程后，LNG主换热器可分为三个独立的换热区间，分段进行加工制造、运输及现场拼装；LNG低温液化多股流螺旋缠绕管式主换热器可合理分配液化段及过冷段的热负荷，使液化段和过冷段相对协调， 可结合大型换热器的载荷分配以及换热管强度特性，采用辅助中心筒缠绕螺旋盘管的方式，从理论上保证缠绕过程均勻且强度符合设计要求；合理选择了换热器进出口位置及物料、采用多个小管板侧置的方法可使换热器结构更加紧凑，换热过程得到优化；螺旋缠绕管式换热器管外介质逆流并横向交叉掠过缠绕管，换热器层与层之间换热管反向缠绕，即使雷诺数较低，其依然为湍流形态，换热系数较大；由于是多种介质带相变换热过程，对不同介质之间的压差和温差限制要求较小，生产装置操作难度降低，安全性得以提高；螺旋缠绕管式换热器耐高压且密封可靠、热膨胀可自行补偿，易实现大型LNG液化作业。
图1所示为LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备的主要部件结构及位置关系。
具体实施例方式将混合制冷剂压缩机中段冷凝中分离出的36°C、0. 9MPa C4H1(1—异C4H10混合制冷剂打入进口 27，再分配于C4Hltl—异C4H10过冷管束M各支管，管束M经螺旋缠绕后在筒体 35内被节流后的C4Hltl—异C4Hltl、C3H8、N2—CH4—C2H4混合气体过冷，温度降低至一 53°C、压力降低至0. 6MPa，再流至出口 18，经安装于出口 18与进口 17之间的节流阀节流为过冷液体， 节流后压力降至0. 3MPa，温度变为一 52. 85°C，再经进口 17进入筒体35，与节流后的C3H8、 N2-CH4-C2H4混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气管束32、N2_CH4 — C2H4管束25、 C3H8管束33、C4Hltl—异C4H10管束M后，在^°C、0. 3MPa时经出口 28流出一级制冷段并返回进气压缩机压缩。
将混合制冷剂压缩机末段冷凝中分离出的36°C、2. ISMPa C3H8制冷剂打入进口 30，再分配于C3H8过冷管束33各支管，管束33经螺旋缠绕后在筒体35内被节流后的C3H8、 C4Hltl—异C4Hltl、N2-CH4 — C2H4混合气体过冷，温度降至一 53°C、压力降至1. 88MPa，再流至出口 39，经安装于出口 39与进口 40之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至0. 3MPa, 温度变为一 52. ^°C，再经进口 40进入筒体35，与节流后的C4Hltl—异C4H10, N2-CH4-C2H4 混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气管束32、N2-CH4 -C2H4管束25、C3H8管束33、 C4Hltl—异C4H10管束M后，在^°C、0. 3MPa时经出口 28流出一级制冷段并返回进气压缩机压缩。将混合制冷剂压缩机末段冷凝器中分离出的36°C、2. ISMPa N2-CH4-C2H4混合气体打入N2_CH4_C2H4预冷进口 26，再分配于预冷管束25各支管，管束25经螺旋缠绕后在一级筒体35内被节流后的C4Hltl—异C4H1Q、C3H8、来自二级的N2_CH4_C2H4混合气体预冷， 预冷后C2H4被液化，形成N2-CH4气体与C2H4液体的气液两相流，温度降低至一 53°C、压力降低至1. 88MPa,经出口 19后进入气液分离器，分离后的C2H4与N2_CH4两股流制冷剂分别进入二级预冷段。将一段制冷末端气液分离器分离出的液态C2H4制冷剂在一 53°C、1. 88MPa时通过进口 42打入二级预冷段，再分配于C2H4过冷管束44各支管，管束44经螺旋缠绕后在二级筒体13内被节流后的C2H4、来自一级的一 130°C、0. 3MPa的N2-CH4混合制冷剂过冷，温度降低至一 120°C、压力降低至1.58MPa，再流至出口 11，经安装于出口 11与进口 9之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至0. 3MPa，温度变为一 119. 4°C，再经进口 9进入二级筒体13与来自三级的混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气管束43、N2_CH4 预冷管束15、C2H4过冷管束44后，在一 63°C、0. 3MPa时经二级制冷段并进入一级制冷段。将一段制冷末端气液分离器分离出的气态N2_CH4混合气体在一 53°C、1. SSMI3a时通过进口 16进入二级预冷段，再分配于预冷管束15各支管，管束15经螺旋缠绕后在二级筒体13内被节流后的C2H4、来自三级的N2_CH4混合制冷剂预冷，预冷后CH4被液化并形成 N2气体与CH4液体两相流，温度降低至一 120°C、压力降低至1. 58MPa，再经出口 10流出二级预冷段；N2_CH4混合制冷剂在一 120°C及1. 58MPa时通过进口 7进入三级预冷段，再分配于预冷管束6各支管，管束6经螺旋缠绕后在三级筒体4内被节流后的混合制冷剂预冷并液化；制冷剂完全液化后流至出口 56，温度降低至一 164°C、压力降低至1. 38MPa, 再经安装于出口 56与进口 3之间的节流阀节流，节流后压力降低至0. 3MPa，氮温度变为一 185°C，处于气液两相状态，甲烷温度变为一 163. 5°C，节流后的混合制冷剂为气液两相，经进口 5进入三级筒体4并向下流动冷却天然气管束51、预冷管束6后，在一 130°C、 0. 3MPa时N2_CH4混合气流出三级制冷段并进入二级制冷段。将原料气压缩机末端冷凝器出口的36°C、6. IMI^a天然气打入进口 31，在进口 31内分配于天然气螺旋管束32各支管，管束32经螺旋缠绕后在一级筒体35内与节流后C4Hltl+ 异C4H1Q、C3H8及来自二级的N2—CH4_C2H4混合气体进行换热，温度降至一 53°C、压力降至 5. 8MPa时，再经出口 38流出一级预冷段；天然气在一 53°C、5. 8MPa时通过进口 41进入二级液化段，再分配于天然气螺旋管束43各支管，管束43经螺旋缠绕后在二级筒体13内与节流后的C2H4、来自一级的N2-CH4混合气体进行换热，温度降至一 120°C、压力降至5. 5MPa 时液化，液化后经出口 49流出二级液化段；天然气在一 120°C、5. 5MPa时通过进口 50进入三级过冷段，再分配于天然气螺旋管束51各支管，管束51经螺旋缠绕后在三级筒体4内与节流后的队一巩混合制冷剂进行换热，温度降低至一 164°C、压力降低至5. 3MPa时完全液化并过冷，过冷后经LNG出口 1流出三级制冷段，节流降压后送入LNG贮罐。
权利要求
1. LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备，包括LNG三级出口 1、LNG 三级出口管束2j2_CH4三级节流后进口 3、三级筒体4、耳座5j2_CH4三级预冷进口管束 6、N2_CH45级进口 7、圆台型过渡筒体8、C2H4 二级节流后进口 9、N2_CH4 二级预冷出口 10、 C2H4 二级过冷出口 11、N2-CH4 二级预冷出口管束12、二级筒体13、二级下支撑圈14、N — CH4 二级预冷进口管束15j2_CH4 二级预冷进口 16、C4H1(1—异C4H10 一级混合制冷剂节流后进口 17、C4H1Q—异 C4Hltl —级过冷出口 18、N2—CH4 —C2H4 —级预冷出口 19、C4H1(1—异 C4H10 — 级过冷出口管束20、N2—CH4_C2H4—级预冷出口管束21、一级上支撑圈22、一级中心筒23、 C4Hltl—异 C4Hltl —级过冷进口管束 24、N2—CH4 — C2H4 —级预冷进口管束 25、N2-CH4 —C2H4 — 级预冷进口 26、C4Hltl—异 C4Hltl —级过冷进口 27、N2-CH4 一C2H4 — C3H8 — C4Hltl—异 C4Hltl 混合制冷剂一级蒸气出口 28、一级下封头^、C3H8—级过冷进口 30、天然气一级预冷进口 31、 天然气一级预冷进口管束32、C3H8—级过冷进口管束33、一级下支撑圈34、一级筒体35、天然气一级预冷出口管束36、C3H8 —级过冷出口管束37、天然气一级预冷出口 38、C3H8 —级过冷出口 39、C3H8 —级节流后进口 40、天然气二级液化进口 41、C2H4 二级过冷进口 42、天然气二级液化进口管束43、C2H4 二级过冷进口管束44、二级中心筒45、二级上支撑圈46、天然气二级液化出口管束47、C2H4 二级过冷出口管束48、C2H4 二级过冷出口管束48、天然气二级液化出口 49、天然气三级过冷进口 50、天然气三级过冷进口管束51、三级下支撑圈52、三级中心筒53、三级上支撑圈54、N2-CH4三级预冷出口管束55、N2-CH4三级预冷出口 56、三级上封头57，其特征在于天然气一级螺旋管束32j2_CH4_C2H4 —级螺旋管束25、C4H1(1—异 C4H10 一级螺旋管束M、C3H8 —级螺旋管束33绕一级中心筒23缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于一级筒体35内；中心筒35 —端安装一级上支撑圈22，一端安装一级下支撑圈34，上支撑圈22固定于筒体35上部，下支撑圈34固定于筒体35下部，天然气螺旋管束32、N2_CH4_ C2H4螺旋管束25、C4Hltl—异C4H10螺旋管束24、C3H8螺旋管束33缠绕于上支撑圈22与下支撑圈34之间；天然气二级螺旋管束43、N2-CH4 二级螺旋管束15、C2H4 二级螺旋管束44绕二级中心筒45缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于二级筒体13内；中心筒13 —端安装二级上支撑圈46，一端安装二级下支撑圈14，上支撑圈46固定于二级筒体13上部，下支撑圈14固定于二级筒体13下部，天然气螺旋管束43、N2-CH4螺旋管束15、C2H4螺旋管束44缠绕于上支撑圈46与下支撑圈14之间；天然气三级螺旋管束51j2_CH4三级螺旋管束6绕三级中心筒53缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于三级筒体4内；中心筒53 —端安装三级上支撑圈 54，一端安装三级下支撑圈52，上支撑圈M固定于三级筒体4上部，下支撑圈52固定于三级筒体4下部，天然气螺旋管束51、N2-CH4螺旋管束6缠绕于上支撑圈M与下支撑圈52 之间；一级筒体35上部左侧安装N2_CH4_C2H4出口 19，右侧安装天然气出口 38，上部中间左下方安装C4Hltl—异C4Hltl出口 18、上部中间左上方安装C4Hltl—异C4Hltl节流后进口 17，上部中间右下方安装C3H8出口 39，上部中间右上方安装节流后C3H8进口 40，下部左侧安装N2_ CH4_C2H4进口 26，下部右侧安装天然气进口 31，下部中间左侧安装C4Hltl—异C4Hltl进口 27， 下部中间右侧安装C3H8进口 30 ；二级筒体13上部左侧安装N2_CH4出口 10，右侧安装天然气出口 49，上部中间下方安装C2H4出口 11、上部中间上方安装C2H4节流后进口 9，下部左侧安装队_014进口 16，下部右侧安装天然气进口 41，下部中间安装C2H4进口 42 ；三级筒体4 上部左侧安装N2_CH4节流后进口 3，右侧安装N2_CH4出口 56，下部左侧安装N2_CH4进口 16，下部右侧安装天然气进口 50，中部安装耳座5 ；混合制冷剂出口 28连接封头四、封头四连接一级筒体35，一级筒体35连接二级筒体13，二级筒体13连接过渡段8，过渡段8连接三级筒体4，三级筒体4连接封头57，封头57连接LNG出口 1。
2.根据权利要求1所述的LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备， 其特征在于=C4Hltl—异C4H10混合制冷剂在36°C、0. 9MPa时进入进口 27，再分配于C4Hltl—异 C4H10过冷管束M各支管，管束M经螺旋缠绕后在筒体35内被节流后的C4Hltl—异C4H1Q、 C3H8^N2-CH4-C2H4混合气体过冷，温度降低至一 53°C、压力降低至0. 6MPa,再流至出口 18， 经安装于出口 18与进口 17之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至0. 3MPa，温度变为一 52. 85°C，再经进口 17进入筒体；35，与节流后的C3H8、N2-CH4-C2H4混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气管束32、N2-CH4 -C2H4管束25、C3H8管束33、C4Hltl—异C4H10管束M后，在^°C、0. 3MPa时经出口 28流出一级制冷装置并返回进气压缩机压缩。
3.根据权利要求1所述的LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备， 其特征在于=C3H8制冷剂在36°C、2. ISMPa时进入进口 30，再分配于C3H8过冷管束33各支管，管束33经螺旋缠绕后在筒体35内被节流后的C3H8、C4Hltl—异C4Hltl、N2-CH4-C2H4混合气体过冷，温度降至一 53 °C、压力降至1. 88MPa，再流至出口 39，经安装于出口 39与进口 40 之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至0. 3MPa，温度变为一 52. ^°C，再经进口 40 进入筒体35，与节流后的C4Hltl—异C4H10, N2-CH4-C2H4混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气管束32、N2—CH4 -C2H4管束25、C3H8管束33、C4H1(1—异C4H10管束M后，在^°C、 0. 3MPa时经出口 28流出一级制冷装置并返回进气压缩机压缩。
4.根据权利要求1所述的LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备， 其特征在于A2 — CH4 — C2H4混合气体在36°C、2. 18MPa时进入N2-CH4 — C2H4预冷进口 26， 再分配于预冷管束25各支管，管束25经螺旋缠绕后在一级筒体35内被节流后的C4Hltl—异 C4H10, C3H8、来自二级的N2—CH4_C2H4混合气体预冷，预冷后C2H4被液化，形成N2-CH4气体与C2H4液体的气液两相流，温度降低至一 53°C、压力降低至1. 88MPa，经出口 19后进入气液分离器，分离后的C2H4与N2_CH4两股流制冷剂分别进入二级预冷段。
5.根据权利要求1所述的LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备， 其特征在于=C2H4制冷剂在一 53°C、1. 88MPa时通过进口 42进入二级预冷段，再分配于C2H4 过冷管束44各支管，管束44经螺旋缠绕后在二级筒体13内被节流后的C2H4、来自一级的一 1300C >0. 3MPa的N2-CH4混合制冷剂过冷，温度降低至一 120°C、压力降低至1. 58MPa，再流至出口 11，经安装于出口 11与进口 9之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至 0. 3MPa,温度变为一 119. 4°C，再经进口 9进入二级筒体13与来自三级的混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气管束43、N2-CH4预冷管束15、C2H4过冷管束44后，在一 63°C、0. 3MPa时离开二级制冷段并进入一级制冷段。
6.根据权利要求1所述的LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备， 其特征在于A2—CH4混合气体在一 53°C、1. 88MPa时通过进口 16进入二级预冷段，再分配于预冷管束15各支管，管束15经螺旋缠绕后在二级筒体13内被节流后的C2H4、来自三级的N2_CH4混合制冷剂预冷，预冷后CH4被液化并形成队气体与CH4液体两相流，温度降低至一 120°C、压力降低至1. 58MPa，再经出口 10流出二级预冷段；N2_CH4混合制冷剂在一 120°C及1. 58MPa时通过进口 7进入三级预冷段，再分配于混合制冷剂预冷管束6各支管， 管束6经螺旋缠绕后在三级筒体4内被节流后的混合制冷剂预冷并液化；制冷剂完全液化后流至出口 56，温度降低至一 164°C、压力降低至1. 38MPa，再经安装于出口 56与进口 3之间的节流阀节流，节流后压力降低至0. 3MPa，氮温度变为一 185°C，处于气液两相状态，甲烷温度变为一 163. 5°C，节流后的混合制冷剂为气液两相，经进口 5进入三级筒体4 并向下流动冷却天然气管束51、N2_CH4预冷管束6后，在一 130°C、0. 3MPa时N2-CH4混合气流出三级制冷段并进入二级制冷段。
7.根据权利要求1所述的LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备， 其特征在于天然气在36°C、6. IMPa时进入天然气进口 31，在进口 31内分配于天然气螺旋管束32各支管，管束32经螺旋缠绕后在一级筒体35内与节流后C4Hltl—异C4H10, C3H8及来自二级的N2_CH4_C2H4混合气体进行换热，温度降至一 53°C、压力降至5. 8MPa时，再经出口 38流出一级预冷段；天然气在一 53°C、5. SMPa时通过进口 41进入二级液化段，再分配于天然气螺旋管束43各支管，管束43经螺旋缠绕后在二级筒体13内与节流后的C2H4、来自一级的队一014混合气体进行换热，温度降至一 120°C、压力降至5. 5MPa时液化，液化后经出口 49流出二级液化段；天然气在一 120°C、5. 5MPa时通过进口 50进入三级过冷段，再分配于天然气螺旋管束51各支管，管束51经螺旋缠绕后在三级筒体4内与节流后的混合制冷剂进行换热，温度降低至一 164°C、压力降低至5. 3MPa时完全液化并过冷，过冷后经LNG出口 1流出三级制冷段，节流降压后送入LNG贮罐。
全文摘要
本发明属天然气低温液化技术领域，涉及LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热器及混合制冷剂制冷技术，应用N2、CH4、C2H4、C3H8、C4H10、异C4H10混合制冷剂在多股流螺旋缠绕管式换热器内将36℃、6.1MPa天然气通过三级制冷过程逐步冷却至－164℃液化并过冷；应用多股流缠绕管式换热器逐步过冷N2、CH4、C2H4、C3H8、C4H10、异C4H10，再分别节流并预冷天然气管束及混合制冷剂管束，达到一级天然气预冷、二级天然气液化及三级天然气过冷目的；其结构紧凑，换热效率高，可用于36℃～－164℃气体带相变低温换热领域，解决LNG低温液化技术难题，提高LNG系统低温换热效率。
文档编号F28D7/02GK102564056SQ201110381579
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月27日 优先权日2011年11月27日
发明者吴金群, 庞凤皎, 张周卫, 张小卫, 张鹏, 彭光前, 杨智超, 汪雅红 申请人:张周卫