专利名称：三循环复叠式制冷天然气液化系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种天然气液化工艺，尤其是涉及一种三循环复叠式制冷天然气液化系统及方法。
背景技术：
LNG具有清洁环保的性能，在无天然气管道到达地区的中小城镇城市燃气、工业燃料、城市燃气调峰及事故应急、燃气汽车、高档瓷器加工等诸多应用领域迅速推广。但受到国际原油价格的影响，天然气价格不断攀升，天然气液化厂效益天然气液化工厂原料成本不断增加，从而导致液化工厂利润空间不断下降。近年来国内外天然气液化厂已向大型化 、规模化方向发展，目前单套最大液化能力已到达780万吨/年。能耗低、建设成本相对较低、又能应用于大规模的液化工艺是未来的我国液化技术的发展方向。目前国内外天然气液化工艺大致可分为以下三种
O阶式制冷循环；2)混合冷剂制冷循环，又细分为带或不带预冷的单级混合冷剂循环和多级混合冷剂循环；3)膨胀制冷，又细分为带或不带预冷的单级膨胀制冷和多级膨胀制冷。以上工艺因各自的特点而适应于不同处理规模的天然气液化厂。带膨胀制冷循环的天然气液化工艺因装置能耗过高，单套装置处理量小，近年来逐渐被单级混合冷剂制冷循环液化技术替代。单级混合冷剂制冷循环液化工艺是目前国内外50X 104t/a以下处理规模的液化厂的主流工艺。而带丙烷预冷的混合冷剂制冷循环液化工艺(C3/MR)及多级混合冷剂制冷液化流程，多用于天然气以上的中大型基本负荷型天然气液化装置。阶式制冷循环液化流程能耗低、适用于IOOXlO4Va以上超大型天然气液化装置。从以上分析可以看出，带丙烷预冷的混合冷剂制冷循环液化工艺(C3/MR)、多级混合冷剂制冷液化流程以及阶式制冷循环液化流程能适用于大型或超大型天然气液化工艺。但受到国外天然气液化技术和关键设备的垄断、我国大型液化厂建设成本无法得到有效的控制。开发一种能适用于大型又能使用我国自主化设备的天然气液化工艺已非常必要。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种三循环复叠式制冷天然气液化系统及方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种三循环复叠式制冷天然气液化系统，丙烯压缩机、丙烯储罐、一级J-T阀、高压丙烯蒸发器、中压丙烯蒸发器、低压丙烯蒸发器、低低压丙烯蒸发器依次连接，高压丙烯蒸发器、中压丙烯蒸发器、低压丙烯蒸发器、低低压丙烯蒸发器的丙烯蒸发出口均分别与丙烯压缩机连接，高压丙烯蒸发器的液态丙烯出口通过二级J-T阀与中压丙烯蒸发器的液态丙烯进口相连，中压丙烯蒸发器的液态丙烯出口通过三级J-τ阀与低压丙烯蒸发器的液态丙烯进口相连，低压丙烯蒸发器的液态丙烯出口通过四级J-τ阀与低低压丙烯蒸发器的液态丙烯进口相连；乙烯储罐、五级J-T阀、高压乙烯蒸发器、中压乙烯蒸发器、低压乙烯蒸发器依次连接，高压乙烯蒸发器、中压乙烯蒸发器、低压乙烯蒸发器的乙烯蒸发出口均分别与乙烯压缩机连接；乙烯压缩机、乙烯冷却器、高压丙烯蒸发器依次连接，高压乙烯蒸发器的液态乙烯出口通过六级J-T阀与中压乙烯蒸发器的液态乙烯进口相连，中压乙烯蒸发器的液态乙烯出口通过七级J-T阀与低压乙烯蒸发器的液态乙烯进口相连；天然气过冷器、配方冷剂压缩机、配方冷剂冷却器依次连接。本发明还提供了一种三循环复叠式制冷天然气液化方法，包括如下步骤
1)预冷系统对天然气、配方冷剂和乙烯进行预冷，冷却至-36°C后，进入液化制冷系
统 从高压丙烯蒸发器、中压丙烯蒸发器、低压丙烯蒸发器、低低压丙烯蒸发器四级丙烯蒸发器出来的丙烯冷剂经丙烯压缩机增压至I. 68MPa. g后经丙烯冷却器、丙烯储罐水冷至40°C，通过一级J-T阀节流，压力降至O. 78MPa. g后进入高压丙烯蒸发器，对天然气、配方冷剂和乙烯进行冷却；高压丙烯蒸发器蒸发的丙烯回到丙烯压缩机增压进行循环，液态丙烯通过二级J-T阀节流，压力降至O. 39MPa. g后进入中压丙烯蒸发器，对天然气、配方冷剂和乙烯进行冷却；中压丙烯蒸发器蒸发的丙烯回到丙烯压缩机增压进行循环，液态丙烯通过三级J-T阀节流，压力降至O. 13MPa.g后进入低压丙烯蒸发器，对天然气、配方冷剂和乙烯进行冷却；低压丙烯蒸发器蒸发的丙烯回到丙烯压缩机增压进行循环，液态丙烯通过四级J-T阀节流，压力降至O. 03MPa. g后进入低低压丙烯蒸发器，对天然气、配方冷剂和乙烯进行冷却，低低压丙烯蒸发器蒸发的丙烯回到丙烯压缩机增压进行循环；
2)液化制冷系统将天然气、配方冷剂冷却至-95 -85°C
作为液化制冷系统制冷剂的乙烯经乙烯压缩机增压至I. 82MPa. g后经乙烯冷却器水冷至40°C，进入丙烯预冷系统冷却到_36°C并液化；_36°C液态乙烯出低低压丙烯蒸发器后进入乙烯储罐，经五级J-T阀节流，压力降至O. 64MPa. g后进入高压乙烯蒸发器，对天然气和配方冷剂进行冷却；高压乙烯蒸发器蒸发的乙烯回到乙烯压缩机增压进行循环，液态乙烯经六级J-T阀节流，压力降至O. 26MPa. g后进入中压乙烯蒸发器，对天然气和配方冷剂进行冷却；中压乙烯蒸发器蒸发的乙烯回到乙烯压缩机增压进行循环，液态乙烯通过七级J-T阀节流，压力降至O. 02MPa. g后进入低压乙烯蒸发器，对天然气和配方冷剂进行冷却，低压乙烯蒸发器蒸发的乙烯回到乙烯压缩机增压进行循环；
3)过冷系统为天然气和配方冷剂提供冷量
配方冷剂首先在天然气过冷器中冷却到-150°C左右后出天然气过冷器，经节流阀降温降压，压力降至IOOkPa,温度降至-155°C后，再进入天然气过冷器为天然气和自身过冷提供冷量；液化制冷系统已液化的天然气在这一级中过冷至_155°C，过冷后的天然气节流后温度降至_163°C，进入LNG储罐储存；配方冷剂给出冷量后出天然气过冷器，此时温度为-ioo°c，再进入配方冷剂压缩机进行循环。与现有技术相比，本发明的积极效果是本发明中净化天然气在七个换热器和一个板翅换热器中温度逐渐降低，直至液化；液化过程所需的冷量由丙烯、乙烯、配方冷剂三个系统提供，系统调节手段丰富，能够为天然气液化过程提供相匹配的冷量，从而体现出该方法在操作上的灵活性和对原料的适应性。与现有技术相比，具有以下优点
I、本工艺只需设置3台制冷压缩机即可实现对天然气高达8阶以上的冷凝，尽可能的降低了工艺过程的传热温差，从而降低了液化过程中的能耗；对于天然气液化而言，影响能耗的主要因素为制冷温度和制冷换热过程的换热温差。在相同的制冷温度工况下，换热温差越大，制冷系统的能耗越高。采用本发明的三循环复叠式制冷天然气液化工艺进行天然气液化，丙烯在4个不同的蒸发压力，乙烯在3个不同的蒸发压力下蒸发，分别分成4个和3个温度等级冷却天然气，各个压力下的蒸发制冷剂进入相应的压缩机压缩。最后采用以甲烷为主，配以乙烯或氮气等组分作为过冷剂为天然气和自身的冷却提供冷量。整个换热过程温差较为均匀，无传热瓶颈，有效能损失小，节能明显。比目前普遍使用C3/MR工艺能耗低约5%。同时与原始的阶式制冷工艺相比，制冷压缩机数量较少，简化了工艺流程；
2、本工艺预冷段和液化段冷剂压缩机均为单组份压缩机，设计更容易，采购更方便，压缩机运行更稳定，并可采用国产化设备，有效降低了液化厂建设投资。冷剂压缩机丙烯压缩机最低吸气温度为-40 _35°C，乙烯压缩机最低吸气温度为-iorc，对于丙烯压缩机和乙烯压缩机在国内低温行业已经广泛运用，因此该压缩机很容易采购，实现国产化。在传统的阶式制冷工艺中的甲烷压缩机最低吸气温度为_150°C，国产设备无法使用，限制了该工艺的推广。采用本发明的天然气液化工艺，过冷段采用以甲烷为主的配方冷齐U，配方冷剂压缩机的最低吸气温度提高到-100°C，采用一级进气，此工况的压缩机在国内低温行业中已有成熟业绩，解决了国内大型LNG工厂国产化的瓶颈。3、过冷段采用配方冷剂，可灵活地调节液化天然气过冷温度，操作适应性更好。4、液化过程换热器选择范围大，可采用冷箱结构，也可采用管壳式结构，或两者相结合的结构。国内外LNG工厂的主换热器设备主要是绕管换热器和板翅式换热器，绕管换热器现世界生产商只有APCI和LINDE两家，价格较高，而板翅式换热器在国内的生产厂家较多。国外大型LNG工厂中的主换热器都采用的绕管。采用本发明的天然气液化工艺，主换热器采用管壳式结构和板翅式换热器，大型液化工厂国产化不再受主换热器的形式限制。
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中
图I是本发明的系统原理示意图。
具体实施例方式一种三循环复叠式制冷天然气液化系统，如图I所示，包括丙烯压缩机I、乙烯压缩机2、配方冷剂压缩机3、高压丙烯蒸发器4、中压丙烯蒸发器5、低压丙烯蒸发器6、低低压丙烯蒸发器7、高压乙烯蒸发器8、中压乙烯蒸发器9、低压乙烯蒸发器10、天然气过冷器
11、丙烯冷却器12、乙烯冷却器13、配方冷剂冷却器14、丙烯储罐15、乙烯储罐16、一级J-T阀17、二级J-T阀18、三级J-T阀19、四级J-T阀20、五级J-T阀21、六级J-T阀22、七级J-T阀23，其中 丙烯压缩机I、丙烯冷却器12、丙烯储罐15、一级J-T阀17、高压丙烯蒸发器4、中压丙烯蒸发器5、低压丙烯蒸发器6、低低压丙烯蒸发器7依次连接；高压丙烯蒸发器4、中压丙烯蒸发器5、低压丙烯蒸发器6、低低压丙烯蒸发器7的丙烯蒸发出口均分别与丙烯压缩机I连接；高压丙烯蒸发器4的液态丙烯出口通过二级J-T阀18与中压丙烯蒸发器5的液态丙烯进口相连，中压丙烯蒸发器5的液态丙烯出口通过三级J-T阀19与低压丙烯蒸发器6的液态丙烯进口相连，低压丙烯蒸发器6的液态丙烯出口通过四级J-T阀20与低低压丙烯蒸发器7的液态丙烯进口相连。上述连接方式构成本发明的第一级制冷系统(亦叫预冷系统、丙烯制冷循环系统)，用于对天然气、配方冷剂和乙烯剂进行预冷。乙烯储罐16、五级J-T阀21、高压乙烯蒸发器8、中压乙烯蒸发器9、低压乙烯蒸发器10依次连接；高压乙烯蒸发器8、中压乙烯蒸发器9、低压乙烯蒸发器10的乙烯蒸发出口均分别与乙烯压缩机2连接；乙烯压缩机2、乙烯冷却器13、高压丙烯蒸发器4依次连接；高压乙烯蒸发器8的液态乙烯出口通过六级J-T阀22与中压乙烯蒸发器9的液态乙烯进口相连，中压乙烯蒸发器9的液态乙烯出口通过七级J-T阀23与低压乙烯蒸发器10的液态乙烯进口相连。上述连接方式构成本发明的第二级制冷系统(亦叫液化制冷系统、乙烯制冷循环系统)，用于将天然气、配方冷剂在这一级中冷却至-95 -85°C。天然气过冷器11 (可为板翅式换热器或管壳式换热器)、配方冷剂压缩机3、配方冷剂冷却器14依次连接。上述连接方式构成本发明的第三级制冷系统(亦叫过冷系统、配方冷剂制冷循环系统)，用于为天然气及自身提供冷量。一种三循环复叠式制冷天然气液化方法，包括如下步骤 1)预冷系统对天然气、配方冷剂和乙烯进行预冷，冷却至-36°C后，进入液化制冷系
统
从高压丙烯蒸发器4、中压丙烯蒸发器5、低压丙烯蒸发器6、低低压丙烯蒸发器7四级丙烯蒸发器出来的丙烯蒸气经丙烯压缩机I增压至I. 68MPa. g后经丙烯冷却器12、丙烯储罐15水冷至40°C，通过一级J-T阀17节流，压力降至O. 78MPa. g后进入高压丙烯蒸发器4，对天然气、配方冷剂和乙烯进行冷却；高压丙烯蒸发器4蒸发的丙烯回到丙烯压缩机I增压进行循环，部分液态丙烯通过二级J-T阀18节流，压力降至O. 39MPa. g后进入中压丙烯蒸发器5，对天然气、配方冷剂和乙烯进行冷却；中压丙烯蒸发器5蒸发的丙烯回到丙烯压缩机I增压进行循环，液态丙烯通过三级J-T阀19节流，压力降至O. 13MPa. g后进入低压丙烯蒸发器6，对天然气、配方冷剂和乙烯进行冷却；低压丙烯蒸发器6蒸发的丙烯回到丙烯压缩机I增压进行循环，液态丙烯通过四级J-T阀20节流，压力降至O. 03MPa. g后进入低低压丙烯蒸发器7，对天然气、配方冷剂和乙烯进行冷却，低低压丙烯蒸发器7蒸发的丙烯回到丙烯压缩机I增压进行循环；
2)液化制冷系统将天然气、配方冷剂冷却至-95 -85°C
作为液化制冷系统制冷剂的乙烯经乙烯压缩机2增压至I. 82MPa.g后经乙烯冷却器13水冷至40°C，进入预冷系统冷却到_36°C并液化；_36°C液态乙烯出低低压丙烯蒸发器7后进入乙烯储罐16，经五级J-T阀21节流，压力降至O. 64MPa. g后进入高压乙烯蒸发器8，对天然气和配方冷剂进行冷却；高压乙烯蒸发器8蒸发的乙烯回到乙烯压缩机2增压进行循环，液态乙烯经六级J-T阀22节流，压力降至O. 26MPa. g后进入中压乙烯蒸发器9，对天然气和配方冷剂进行冷却；中压乙烯蒸发器9蒸发的乙烯回到乙烯压缩机2增压进行循环，液态乙烯通过七级J-T阀23节流，压力降至O. 02MPa. g后进入低压乙烯蒸发器10，对天然气和配方冷剂进行冷却，低压乙烯蒸发器蒸发的乙烯回到乙烯压缩机2增压进行循环；3)过冷系统为天然气和配方冷剂提供冷量
以甲烷为主的配方冷剂作为过冷系统的制冷剂，将液化制冷系统已液化的天然气过冷至_155°C，过冷后的天然气节流后温度降至_163°C，进入LNG储罐储存；配方冷剂首先在天然气过冷器11中冷却到_150°C左右后出天然气过冷器11，经节流阀降温降压，压力降至IOOkPa,温度降至-155°C后，再进入 天然气过冷器11为天然气和自身过冷提供冷量；配方冷剂给出冷量后出天然气过冷器11 (温度为-100°C)，再进入配方冷剂压缩机3增压进行循环。所述配方冷剂以甲烷为主，并配一定量的乙烯和氮气的混合气体，其中甲烷的体积含量为60% 75%，乙烯为15% 35%，氮气为5% 15%。本发明的工作原理是较低温度级的循环将冷量转给相邻的较高温度级的循环。第一级丙烯制冷循环为天然气、制冷剂乙烯和配方冷剂提供冷量；第二级乙烯制冷循环为天然气和配方冷剂提供冷量；第三级配方冷剂制冷循环为天然气及自身提供冷量。通过七个换热器和一个板翅式换热器冷却，天然气的温度逐渐降低，直至液化。
权利要求
1.一种三循环复叠式制冷天然气液化系统，其特征在于丙烯压缩机、丙烯储罐、一级J-T阀、高压丙烯蒸发器、中压丙烯蒸发器、低压丙烯蒸发器、低低压丙烯蒸发器依次连接，高压丙烯蒸发器、中压丙烯蒸发器、低压丙烯蒸发器、低低压丙烯蒸发器的丙烯蒸发出口均分别与丙烯压缩机连接，高压丙烯蒸发器的液态丙烯出口通过二级J-T阀与中压丙烯蒸发器的液态丙烯进口相连，中压丙烯蒸发器的液态丙烯出口通过三级J-T阀与低压丙烯蒸发器的液态丙烯进口相连，低压丙烯蒸发器的液态丙烯出口通过四级J-T阀与低低压丙烯蒸发器的液态丙烯进口相连；乙烯储罐、五级J-T阀、高压乙烯蒸发器、中压乙烯蒸发器、低压乙烯蒸发器依次连接，高压乙烯蒸发器、中压乙烯蒸发器、低压乙烯蒸发器的乙烯蒸发出口均分别与乙烯压缩机连接；乙烯压缩机、乙烯冷却器、高压丙烯蒸发器依次连接，高压乙烯蒸发器的液态乙烯出口通过六级J-T阀与中压乙烯蒸发器的液态乙烯进口相连，中压乙烯蒸发器的液态乙烯出口通过七级J-T阀与低压乙烯蒸发器的液态乙烯进口相连；天然气过冷器、配方冷剂压缩机、配方冷剂冷却器依次连接。
2.根据权利要求I所述的三循环复叠式制冷天然气液化系统，其特征在于在丙烯压缩机和丙烯储罐之间设置有丙烯冷却器。
3.根据权利要求I所述的三循环复叠式制冷天然气液化系统，其特征在于所述丙烯蒸发器、乙烯蒸发器为管壳式换热器，天然气过冷器为板翅式换热器或管壳式换热器。
4.一种三循环复叠式制冷天然气液化方法，其特征在于包括如下步骤 .1)预冷系统对天然气、配方冷剂和乙烯进行预冷，冷却至-36°C后，进入液化制冷系统 从高压丙烯蒸发器、中压丙烯蒸发器、低压丙烯蒸发器、低低压丙烯蒸发器四级丙烯蒸发器出来的丙烯冷剂经丙烯压缩机增压至I. 68MPa. g后经丙烯冷却器、丙烯储罐水冷至.40°C，通过一级J-T阀节流，压力降至0. 78MPa. g后进入高压丙烯蒸发器，对天然气、配方冷剂和乙烯进行冷却；高压丙烯蒸发器蒸发的丙烯回到丙烯压缩机增压进行循环，液态丙烯通过二级J-T阀节流，压力降至0. 39MPa. g后进入中压丙烯蒸发器，对天然气、配方冷剂和乙烯进行冷却；中压丙烯蒸发器蒸发的丙烯回到丙烯压缩机增压进行循环，液态丙烯通过三级J-T阀节流，压力降至0. 13MPa.g后进入低压丙烯蒸发器，对天然气、配方冷剂和乙烯进行冷却；低压丙烯蒸发器蒸发的丙烯回到丙烯压缩机增压进行循环，液态丙烯通过四级J-T阀节流，压力降至0. 03MPa. g后进入低低压丙烯蒸发器，对天然气、配方冷剂和乙烯进行冷却，低低压丙烯蒸发器蒸发的丙烯回到丙烯压缩机增压进行循环； .2)液化制冷系统将天然气、配方冷剂冷却至-95 -85°C 作为液化制冷系统制冷剂的乙烯经乙烯压缩机增压至I. 82MPa. g后经乙烯冷却器水冷至40°C，进入丙烯预冷系统冷却到_36°C并液化；_36°C液态乙烯出低低压丙烯蒸发器后进入乙烯储罐，经五级J-T阀节流，压力降至0. 64MPa. g后进入高压乙烯蒸发器，对天然气和配方冷剂进行冷却；高压乙烯蒸发器蒸发的乙烯回到乙烯压缩机增压进行循环，液态乙烯经六级J-T阀节流，压力降至0. 26MPa. g后进入中压乙烯蒸发器，对天然气和配方冷剂进行冷却；中压乙烯蒸发器蒸发的乙烯回到乙烯压缩机增压进行循环，液态乙烯通过七级J-T阀节流，压力降至0. 02MPa. g后进入低压乙烯蒸发器，对天然气和配方冷剂进行冷却，低压乙烯蒸发器蒸发的乙烯回到乙烯压缩机增压进行循环； . 3)过冷系统为天然气和配方冷剂提供冷量配方冷剂首先在天然气过冷器中冷却到-150°C左右后出天然气过冷器，经节流阀降温降压，压力降至IOOkPa,温度降至-155°C后，再进入天然气过冷器为天然气和自身过冷提供冷量；液化制冷系统已液化的天然气在这一级中过冷至_155°C，过冷后的天然气节流后温度降至_163°C，进入LNG储罐储存；配方冷剂给出冷量后出天然气过冷器，此时温度为-ioo°c，再进入配方冷剂压缩机进行循环。
5.根据权利要求4所述的三循环复叠式制冷天然气液化方法，其特征在于所述丙烯蒸发器、乙烯蒸发器为管壳式换热器，天然气过冷器为板翅式换热器或管壳式换热器。
6.根据权利要求4所述的三循环复叠式制冷天然气液化方法，其特征在于所述配方冷剂由体积含量为60% 75%的甲烧、15% 35%的乙烯、5% 15%的氮气组成。
全文摘要
本发明公开了一种三循环复叠式制冷天然气液化系统及方法，通过较低温度级的循环将热量转给相邻的较高温度级的循环第一级丙烯制冷循环为天然气、制冷剂乙烯和配方冷剂提供冷量；第二级乙烯制冷循环为天然气和配方冷剂提供冷量；第三级配方冷剂制冷循环为天然气及自身提供冷量。通过七个换热器和一个板翅式换热器冷却，天然气的温度逐渐降低，直至液化。本发明中净化天然气在七个换热器和一个板翅换热器中温度逐渐降低，直至液化；液化过程所需的冷量由丙烯、乙烯、配方冷剂三个系统提供，系统调节手段丰富，能够为天然气液化过程提供相匹配的冷量，从而体现出该方法在操作上的灵活性和对原料的适应性。
文档编号F25J1/02GK102628634SQ20121012492
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月26日 优先权日2012年4月26日
发明者仲文旭, 冼祥发, 刘家洪, 刘红清, 孙林, 宋光红, 宋德琦, 汪宏伟, 法玉晓, 琚宜林, 田广新, 胡平, 胡益武, 蒲黎明, 郑颖, 郭成华, 陆永康, 陈运强, 黄勇, 龙增兵 申请人:中国石油集团工程设计有限责任公司