专利名称：一种两段式单循环混合制冷剂天然气液化工艺及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种天然气液化工艺及设备，尤其涉及一种两段式单循环混合制冷剂天然气液化工艺及设备。
背景技术：
天然气是一种优质洁净的化石能源，天然气经液化后，体积约为原来的1/625，因而便于储存与运输。与管道气相比，液化天然气(LNG)在零散气田、边际气田的开发、煤层气的利用、海上天然气的开发利用和海外天然气的引进方面，有着不可替代的作用。
天然气液化有级联式制冷循环、混合制冷剂制冷循环和膨胀机制冷循环三种。其中混合制冷剂循环(MRC)流程相对简单，且能量利用效率高、能耗低，因而采用最为普遍。 尤其是单循环混合制冷剂液化工艺(SMR)在中小型液化装置中应用十分广泛。但是单循环混合制冷剂液化工艺为了保持较高的液化效率，其冷剂中通常含有较多的重组分，因而在分段压缩中间冷却时会有部分液体冷剂冷凝出来。为了处理这一部分冷剂，可采用加冷剂泵的方法，但会增加运动部件，使工艺流程变得复杂。
BV PRICOi工艺是一种现有的液化工艺，该工艺是采用两段压缩冷却，中间冷却后冷剂为气液两相，其中，气相制冷剂进入二段压缩机入口，液相制冷剂则通过一专门设置的冷剂泵提升其压力并与二段压缩机出口的冷剂重新混合。由于这一工艺段间冷却后的气液两相冷剂需分别处理，液相制冷剂需冷剂泵输送，其工艺流程比较复杂。
中国专利申请20101025^12. 7公开了一种利用混合制冷剂液化天然气的方法， 中国实用新型专利200920099685. 4公开了一种简化的混合制冷剂液化流程的设备。上述方法及设备同样是采用两段压缩冷却，中间冷却后冷剂为气液两相，其中气相制冷剂进入二段压缩机入口，液相制冷剂则设置一单独的流道进入冷箱，并通过单独的J-T阀节流制冷。同时，在上述的技术方案中，压缩机二段压缩冷却后的冷剂同样也为气液两相，需要设置第二气液分离罐，并一般仍需要一个较小的冷剂泵将第二气液分离器得到的液相制冷剂送至冷箱顶部，其液化工艺也比较复杂。
中国实用新型专利200920092366. 0公开了一种三段混合制冷天然气液化装置， 该装置同样是采用两段压缩冷却，中间冷却后冷剂为气液两相，其中气相制冷剂进入二段压缩机入口，液相制冷剂则设置一单独的流道进入冷箱，并通过单独的J-T阀节流制冷。同时该专利公开的技术方案中，压缩机二段压缩冷却后的冷剂同样也为气液两相，需要设置第二气液分离罐，该专利又为第二气液分离罐得到的气、液两相冷剂分别设置了流道，并分别采用独立的J-T阀节流制冷，因而一共有三个冷剂流道，三个J-T阀，其工艺也比较复杂。
中国实用新型专利201020218282. X公开了一种采用单一混合工质制冷来液化天然气的装置，该装置采用的是三级压缩，流程更加复杂。发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种天然气液化工艺，在保持单循环混合制冷剂工艺较高能量效率水平的基础上，提供一种工艺流程更为简化、可以减少或消除气液两相混合冷剂流量分配问题的工艺流程。本发明还提供了一种天然气液化工艺设备，采用铝制钎焊式板翅式低温换热器作为冷箱，该设备能够用于本发明所提供的上述天然气液化工艺。为达到上述目的，本发明首先提供了一种两段式单循环混合制冷剂天然气液化工艺，其包括以下步骤对混合制冷剂进行两段压缩冷却之后，进行一次气液分离，得到气相制冷剂和液相制冷剂，其中，第一段压缩冷却之后，混合制冷剂为气态；使液相制冷剂进入冷箱冷却后节流降温，并返回冷箱提供高温位的冷量；使气相制冷剂进入冷箱冷却至低温后节流降温，返回冷箱首先提供低温位的冷量，然后与节流后返回冷箱的液相制冷剂汇合，共同提供高温位的冷量；对提供了高温位的冷量之后的混合制冷剂进行两段压缩冷却，进行下一个循环；天然气进入冷箱冷却后，再经过节流得到液化天然气产品。根据本发明的具体技术方案，优选地，上述天然气液化工艺可以包括以下具体步骤对混合制冷剂进行两段压缩冷却之后，进行一次气液分离，得到气相制冷剂和液相制冷剂，其中，第一段压缩冷却之后，混合制冷剂为气态；使液相制冷剂进入冷箱冷却至-50°C至_65°C后节流降温，并返回冷箱，与节流后返回的气相制冷剂混合后，一起提供高温位段的冷量；使气相制冷剂进入冷箱冷却至-151°C至-162°C后节流降温，返回冷箱首先提供低温位的冷量，其被复温至-50°C至_65°C后，与节流后返回的液相制冷剂汇合，共同提供高温位的冷量；对提供了高温位的冷量之后的混合制冷剂进行两段压缩冷却，进行下一个循环；天然气进入冷箱冷却到-151°C或者更低的温度，再经过节流得到液化天然气产
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ΡΠ O在上述天然气液化工艺中，混合制冷剂在冷箱中提供了冷量之后，即完成一个制冷循环，然后重新进行两段压缩开始下一个制冷循环。优选地，所采用的混合制冷剂的摩尔百分比组成为甲烷、16-22%，乙烯或乙烷、33-39%，丙烷、15-21%，异戊烷、12-18%， 氮、8-14% ；所有组分的摩尔百分比之和满足100%。更优选地，所述混合制冷剂的摩尔百分比组成为甲烷、18. 89%，乙烯或乙烷、36. 08%，丙烷、18. 37%，异戊烷、15. 42%，氮、 11. 24%。根据原料天然气的组成的不同，混合制冷剂的组成可以在上述范围内变化。在上述天然气液化工艺中，优选地，所采用的两段压缩冷却是指将混合制冷剂压缩至600-1000kPa(优选为847kPa)，再冷却至25°C _45°C或室温，此时，混合制冷剂全部为气相，然后二次压缩至3500-4500kPa(优选为4080kPa)，再冷却至25°C _45°C或室温。混合制冷剂经过两段压缩冷却，其中，中间进行冷却(第一段冷却)之后，混合制冷剂仍保持为气相，不需要进行气液分离，也就省去了气相制冷剂和液相制冷剂分别处理的困难。同时， 在两段压缩冷却过程中，中间冷却温度可以根据实际工况进行调整，可以通过对冷却介质的控制来调整中间冷却温度。当工况出现异常时，在经过第一段的压缩冷却之后，可能会产生极少量的液相制冷剂，对于这部分少量的液相制冷剂，只要设置一电加热器对其进行加热使其气化就可以，也可以将少部分来自第二压缩机出口的气相制冷剂引过来对这部分液相制冷剂进行加热使其气化。
在上述天然气液化工艺中，优选地，气相制冷剂在节流后的压力控制为 350-450kPa，更优选为 420kPa。
在上述天然气液化工艺中，优选地，天然气、气相制冷剂和液相制冷剂均从冷箱的顶部进入，在冷箱中由上向下流动并且温度逐渐降低。冷箱的上部为高温位(或称高温位段)，下部为低温位(或称低温位段)。天然气在进入冷箱之前，可以根据常规的方式进行净化预处理，去除其中的杂质。
本发明还提供了一种天然气液化设备，其包括第一吸入罐、第一压缩机、第一冷却器、第二吸入罐、第二压缩机、第二冷却器、气液分离罐、冷箱、第一节流阀、第二节流阀，其中，
上述冷箱具有四个流道，分别为第一流道、第二流道、第三流道和第四流道；
第一吸入罐的出口与第一压缩机的入口通过管道连接；
第一压缩机的出口与第一冷却器的入口通过管道连接；
第一冷却器的出口与第二吸入罐的入口通过管道连接；
第二吸入罐的出口与第二压缩机的入口通过管道连接；
第二压缩机的出口与第二冷却器的入口通过管道连接；
第二冷却器的出口与气液分离罐的入口通过管道连接；
气液分离罐的气体出口与冷箱的第二流道的入口通过管道连接，气液分离罐的液体出口与冷箱的第三流道的入口通过管道连接；
第二流道的出口与第四流道末端的入口通过管道连接，并且二者之间的管道上设有第一节流阀，第一节流阀位于冷箱的外部；
第三流道的出口与第四流道中部的入口通过管道连接，并且二者之间的管道上设有第二节流阀，第二节流阀位于冷箱的外部；
第四流道的出口与第一吸入罐的入口通过管道连接；
冷箱的第一流道为天然气输送管道。
在上述天然气液化设备中，各个具体装置可以采用本领域所通常采用的装置，其中，第一压缩机和第一冷却器用于对混合制冷剂进行第一段压缩冷却；第二压缩机和第二冷却器用于对混合制冷剂进行第二段压缩冷却；气液分离罐用于对经过两段压缩冷却的混合制冷剂进行气液分离；冷箱用于混合制冷剂与天然气的冷热交换，以使天然气液化；第一节流阀和第二节流阀分别用于对气相制冷剂和液相制冷剂进行节流降温。
在上述天然气液化设备中，优选地，冷箱的第一流道的入口处连接有天然气输入管道，并且，该天然气输入管道上设有天然气净化装置和第三节流阀，冷箱的第一流道的出口处连接有天然气输出管道，并且，该天然气输出管道上设有产品阀。
在上述天然气液化设备中，优选地，所采用的冷箱为板翅式冷箱，该板翅式冷箱的核心部件为铝制钎焊式板翅式低温换热器。本发明所提供的两段式单循环混合制冷剂天然气液化工艺及设备适合于采用板翅式冷箱，但也可以采用其它结构型式的冷箱。
在上述天然气液化设备中，优选地，所采用的压缩机(第一压缩机、第二压缩机) 为压缩离心式混合制冷剂压缩机。
在上述天然气液化设备中，优选地，所采用的冷却器(第一冷却器、第二冷却器) 为空气冷却器和/或水冷却器等。在上述天然气液化设备中，优选地，冷箱分为高温位段和低温位段，第一流道、第二流道和第四流道在高温位段和低温位段均有分布，第三流道仅分布于高温位段，第四流道的末端出口位于低温位段末端，第四流道的中部入口位于低温位段和高温位段之间。高温位段位于冷箱的上部，在该区域，天然气的温度较高。低温位段位于冷箱的下部，在该区域，天然气的温度相对高温位段有所降低。高温位段的高温是相对于低温位段的低温而言的，实际上，两段的温度均在常温以下。在上述天然气液化设备中，优选地，该天然气液化设备还包括一冷剂贮存器，其连接于第四流道的出口与第一吸入罐的入口之间的管道上，该冷剂贮存器用于向设备中添加或补充混合制冷剂。在正常工况下，经过第一段压缩冷却的混合制冷剂为纯气相制冷剂。为了防止异常工况下此处产生的少量的液体进入混合制冷剂的第二压缩机并对压缩机产生损坏，在此处设置的第二吸入罐可以将少量液体分离，对整个工艺及设备予以保护；工艺流程中并不需要为液体制冷剂再额外设置流程和循环，仅在该第二吸入罐罐底设置一小型的电加热器或设置一直径较小的管线将第二压缩机出口处高温的气相制冷剂通入使异常情况下产生的极少量的液体冷剂气化即可。即在上述天然气液化设备中，优选地，第二吸入罐设有一电加热器，当第二吸入罐中有液相制冷剂积聚时用于对其加热使其气化，或者，第二吸入罐通过管道与所述第二压缩机的出口连接，当第二吸入罐中有液相制冷剂积聚时用于引入离开第二压缩机出口处的少量气相制冷剂用于对第二吸入罐中的液相制冷剂进行加热使其气化。经过两段压缩冷却后的气相制冷剂和液相制冷剂经过气液分离后，分别输送至冷箱顶部的对应流道入口，并分别采用两个节流阀控制，这样既避免了采用冷剂泵输送液相制冷剂，与此同时，仅采用两段冷却的流程，仅采用一次气液分离就可以分为两股制冷剂， 与现有的需要两次气液分离的液化工艺以及三段式单循环混合制冷剂液化工艺相比，其能耗水平相当而工艺流程更加简单。本发明所提供的天然气液化工艺及设备的流程比较简单，投资比较低，同时具有液化率高、能耗低等优点。
图1为实施例1提供的天然气液化设备的结构示意图。主要附图标号说明第一吸入罐1第一压缩机2第--冷却器3
第二吸入罐4第二压缩机5第二二冷却器6
气液分离罐7板翅式冷箱8第--节流阀9
第二节流阀10净化器11第三三节流阀12
产品阀13储存器1具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种两段式单循环混合制冷剂天然气液化设备，其结构如图1所示，该天然气液化设备包括第一吸入罐1、第一压缩机2、第一冷却器3、第二吸入罐4、第二压缩机5、第二冷却器6、气液分离罐7、板翅式冷箱8、第一节流阀9、第二节流阀10，其中
板翅式冷箱8采用铝制钎焊式板翅式低温换热器，其设有四个流道，如图1所示， 最左侧为第一流道(天然气输送管道)，然后由左向右依次为第二流道、第三流道、第四流道；
第一压缩机2和第二压缩机5均采用两段压缩离心式混合制冷机压缩机；
第一冷却器3和第二冷却器6均采用空冷器；
第一吸入罐1的出口与第一压缩机2的入口通过管道连接；
第一压缩机2的出口与第一冷却器3的入口通过管道连接；
第一冷却器3的出口与第二吸入罐4的入口通过管道连接；
第二吸入罐4的出口与第二压缩机5的入口通过管道连接；
第二压缩机5的出口与第二冷却器6的入口通过管道连接；
第二冷却器6的出口与气液分离罐7的入口通过管道连接；
气液分离罐7的气体出口与板翅式冷箱8的第二流道的入口通过管道连接，气液分离罐7的液体出口与板翅式冷箱8的第三流道的入口通过管道连接；
第二流道的出口与第四流道末端的入口通过管道连接，并且二者之间的管道上设有第一节流阀9，第一节流阀9位于板翅式冷箱8的外部；
第三流道的出口与第四流道中部的入口通过管道连接，并且二者之间的管道上设有第二节流阀10，第二节流阀10位于板翅式冷箱8的外部；
第四流道的出口与第一吸入罐1的入口通过管道连接；
板翅式冷箱8的第一流道的入口处连接有天然气输入管道，并且，该天然气输入管道上设有天然气净化器11和第三节流阀12，板翅式冷箱8的第一流道的出口处连接有天然气输出管道，并且，该天然气输出管道上设有产品阀13以及储存器14。
实施例2
本实施例提供了一种两段式单循环混合制冷剂天然气液化工艺，其是采用实施例 1提供的设备进行天然气液化的工艺，包括以下具体步骤
将压力为3501tfa至450kPa(优选为420kPa)的混合制冷剂由第一压缩机2压缩至 600kPa至IOOOkPa范围内(优选为847kPa)，再由第一冷却器3冷却至25°C至45°C (与环境温度有关)，再由第二吸入罐4吸入，然后进入第二压缩机5压缩至3500kPa至4500kPa (优选为4080kPa)，再由第二冷却器6冷却至25°C至45°C (与环境温度有关)；
此时混合制冷剂为气液两相，输入气液分离罐7进行气液分离后，得到气相制冷剂和液相制冷剂，二者分别处理液相制冷剂通过板翅式冷箱8的第三流道进入板翅式冷箱8中，并在预冷至-50°C至_65°C后离开板翅式冷箱8，经过第二节流阀10节流降温后返回板翅式冷箱8，与节流后返回的气相制冷剂混合后，一起提供高温位段的冷量；气相制冷剂在离开气液分离罐8之后，通过板翅式冷箱8的第二流道进入板翅式冷箱8中，并在冷却至_151°C至_162°C后离开板翅式冷箱8，经过第一节流阀9节流降温后，返回板翅式冷箱8 提供低温位段的冷量，自身被复温至与液相制冷剂预冷温度相同的温度(_50°C至_65°C范围内)，与节流后返回的液相制冷剂汇合，共同提供高温位段的冷量；
复温后的混合制冷剂返回第一吸入罐1，完成一次制冷循环，并开始进入下一次制冷循环；
原料气在净化器11净化去除杂质并经过第三节流阀12后，通过板翅式冷箱8的第一流道进入板翅式冷箱8，与制冷剂换热，原料气被冷却至-151°C至-162°C并液化，通过产品阀13节流后得到LNG产品，进入储存器(例如LNG贮罐)14，完成天然气液化过程。
在上述工艺中，所采用的混合制冷剂的摩尔百分比组成为甲烷、16-22% (优选为18. 89% )，乙烯或乙烷、3-39% (优选为36. 08% )，丙烷、15-21% (优选为18.37% )， 异戊烷、12-18% (优选为15.42% )，氮、8-14% (优选为11. % )。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种两段式单循环混合制冷剂天然气液化工艺，其包括以下步骤对混合制冷剂进行两段压缩冷却之后，进行一次气液分离，得到气相制冷剂和液相制冷剂，其中，第一段压缩冷却之后，混合制冷剂为气态；使液相制冷剂进入冷箱冷却后节流降温，并返回冷箱提供高温位的冷量； 使气相制冷剂进入冷箱冷却至低温后节流降温，返回冷箱首先提供低温位的冷量，然后与节流后返回冷箱的液相制冷剂汇合，共同提供高温位的冷量；对提供了高温位的冷量之后的混合制冷剂进行两段压缩冷却，进行下一个循环； 天然气进入冷箱冷却后，再经过节流得到液化天然气产品；其中，所述混合制冷剂的摩尔百分比组成为甲烷、16-22%，乙烯或乙烷、33-39%，丙烷、15-21%，异戊烷、12-18%，氮、8-14%，所有组分的摩尔百分比之和满足100% ；所述两段压缩冷却是指将混合制冷剂压缩至600-1000kPa，再冷却至25°C _45°C或室温，然后二次压缩至:3500-4500kPa，再冷却至25°C _45°C或室温。
2.根据权利要求1所述的天然气液化工艺，其中，该工艺包括以下步骤对混合制冷剂进行两段压缩冷却后，进行一次气液分离，得到气相制冷剂和液相制冷剂，其中，第一段压缩冷却之后，混合制冷剂为气态；使液相制冷剂进入冷箱冷却至-50°C至_65°C后节流降温，并返回冷箱，与节流后返回的气相制冷剂混合后，一起提供高温位段的冷量；使气相制冷剂进入冷箱冷却至-151°C至-162°C后节流降温，返回冷箱首先提供低温位的冷量，其被复温至-50°C至_65°C后，与节流后返回的液相制冷剂汇合，共同提供高温位的冷量；对提供了高温位的冷量之后的混合制冷剂进行两段压缩冷却，进行下一个循环； 天然气进入冷箱冷却到-151°C或者更低的温度，再经过节流得到液化天然气产品。
3.根据权利要求1或2所述的天然气液化工艺，其中，所述气相制冷剂在节流后的压力控制为 350-450kPa。
4.根据权利要求1或2所述的天然气液化工艺，其中，所述天然气、所述气相制冷剂和所述液相制冷剂均从所述冷箱的顶部进入，在所述冷箱中由上向下流动并且温度逐渐降低。
5.一种天然气液化设备，其包括第一吸入罐、第一压缩机、第一冷却器、第二吸入罐、第二压缩机、第二冷却器、气液分离罐、冷箱、第一节流阀、第二节流阀，其中，所述冷箱具有四个流道，分别为第一流道、第二流道、第三流道和第四流道； 所述第一吸入罐的出口与所述第一压缩机的入口通过管道连接； 所述第一压缩机的出口与所述第一冷却器的入口通过管道连接； 所述第一冷却器的出口与所述第二吸入罐的入口通过管道连接； 所述第二吸入罐的出口与所述第二压缩机的入口通过管道连接； 所述第二压缩机的出口与所述第二冷却器的入口通过管道连接； 所述第二冷却器的出口与所述气液分离罐的入口通过管道连接； 所述气液分离罐的气体出口与所述冷箱的第二流道的入口通过管道连接，所述气液分离罐的液体出口与所述冷箱的第三流道的入口通过管道连接；所述第二流道的出口与所述第四流道末端的入口通过管道连接，并且二者之间的管道上设有第一节流阀，所述第一节流阀位于所述冷箱的外部；所述第三流道的出口与所述第四流道中部的入口通过管道连接，并且二者之间的管道上设有第二节流阀，所述第二节流阀位于所述冷箱的外部；所述第四流道的出口与所述第一吸入罐的入口通过管道连接；所述冷箱的第一流道为天然气输送管道。
6.根据权利要求5所述的天然气液化设备，其中，所述冷箱的第一流道的入口处连接有天然气输入管道，并且，该天然气输入管道上设有天然气净化装置和第三节流阀，所述冷箱的第一流道的出口处连接有天然气输出管道，并且，该天然气输出管道上设有产品阀。
7.根据权利要求5所述的天然气液化设备，其中，所述冷箱分为高温位段和低温位段， 所述第一流道、第二流道和第四流道在所述高温位段和低温位段均有分布，所述第三流道仅分布于所述高温位段，所述第四流道的末端出口位于低温位段末端，所述第四流道的中部入口位于所述低温位段和高温位段之间。
8.根据权利要求5所述的天然气液化设备，其中，所述冷箱为板翅式冷箱，该板翅式冷箱的核心部件为铝制钎焊式板翅式低温换热器，所述压缩机为压缩离心式混合制冷剂压缩机，所述冷却器为空气冷却器或水冷却器。
9.根据权利要求5所述的天然气液化设备，其中，该天然气液化设备还包括一冷剂贮存器，其连接于所述第四流道的出口与所述第一吸入罐的入口之间的管道上。
10.根据权利要求5所述的天然气液化设备，其中，所述第二吸入罐设有一电加热器， 当第二吸入罐中有液相制冷剂积聚时用于对其加热使其气化，或者，所述第二吸入罐通过管道与所述第二压缩机的出口连接，当第二吸入罐中有液相制冷剂积聚时用于引入离开第二压缩机出口处的少量气相制冷剂用于对第二吸入罐中的液相制冷剂进行加热使其气化。
全文摘要
本发明涉及一种两段式单循环混合制冷剂天然气液化工艺及设备。上述工艺包括以下步骤对混合制冷剂进行两段压缩冷却，第一段压缩冷却之后，混合制冷剂为气态，第二段压缩冷却后进行一次气液分离，得到气相制冷剂和液相制冷剂；使液相制冷剂进入冷箱冷却后节流降温，返回冷箱提供高温位的冷量；使气相制冷剂进入冷箱冷却至低温后节流降温，返回冷箱提供低温位的冷量，然后与节流后返回冷箱的液相制冷剂汇合，提供高温位的冷量；对提供了冷量的混合制冷剂进行两段压缩冷却，进行下一个循环；天然气进入冷箱冷却后，经过节流得到液化天然气产品。本发明还提供了一种用于上述工艺的天然气液化设备。上述工艺流程简单，具有液化率高、能耗低等优点。
文档编号F25J1/02GK102492505SQ20111039389
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年12月1日
发明者孙恒, 马文华 申请人:中国石油大学(北京)