专利名称：带预冷的双复合冷剂制冷系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种天然气液化工艺，尤其是涉及一种带预冷的双复合冷剂制冷系统及方法。
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。而大于50X 104t/a的液化天然气工厂都选的带预冷的混合冷剂制冷循环液化工艺及多级混合冷剂制冷液化流程。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/MRC)、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。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种带预冷的双复合冷剂制冷系统及方法，采用预冷剂预冷和两个混合冷剂制冷，在预冷系统中天然气、混合冷剂MRl、混合冷剂MR2在预冷剂中被冷却，四个不同工作压力的预冷剂在四个不同的预冷换热器中被气化和换热；从预冷换热器出来的天然气、混合冷剂MRl和混合冷剂MR2进入液化主低温换热器液化，冷量由混合冷剂MRl节流提供；从液化主低温换热器出来的天然气、混合冷剂MR2进入过冷主低温换热器过冷。液化和过冷主低温换热器由若干台板翅式换热单元并联组成，原料天然气在液化换热器中液化并在过冷换热器过冷至-150°C _163°C，然后节流进入LNG 储 iip。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种带预冷的双复合冷剂制冷系统，包括由多级预冷剂蒸发器、预冷剂压缩机、预冷剂冷却器和预冷剂分离器依次连接构成的预冷剂预冷系统；由MRl压缩机、MRl冷却器、多级预冷剂蒸发器和液化主低温换热器依次连接构成的混合制冷剂MRl制冷系统；由MR2压缩机、MR2冷却器、多级预冷剂蒸发器、液化主低温换热器、过冷主低温换热器和MR2分离器依次连接构成的混合制冷剂MR2制冷系 统。本发明还提供了一种带预冷的双复合冷剂制冷方法，包括如下步骤
步骤一、预冷剂预冷系统将天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷MR2剂预冷至_35°C 从四级预冷剂蒸发器出来的预冷剂蒸气经预冷剂压缩机增压至I. 32MPa. g后经预冷剂冷却器水冷至40°C，然后经预冷剂分离器进行气液分离，再通过一级J-T阀节流，压力降至O. 630MPa. g后进入高压预冷剂蒸发器，对天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进行冷却；高压预冷剂蒸发器蒸发的预冷剂回到预冷剂压缩机增压进行循环，液态预冷剂通过二级J-T阀节流，压力降至O. 305MPa. g后进入中压预冷剂蒸发器，对天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进行冷却；中压预冷剂蒸发器蒸发的预冷剂回到预冷剂压缩机增压进行循环，液态预冷剂通过三级J-T阀节流，压力降至O. 244MPa. g后进入低压预冷剂蒸发器，对天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进行冷却；低压预冷剂蒸发器蒸发的预冷剂回到预冷剂压缩机增压进行循环，液态预冷剂通过四级J-T阀节流，压力降至O. 02IMPa.g后进入低低压预冷剂蒸发器，对天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进行冷却；低低压预冷剂蒸发器蒸发的预冷剂回到预冷剂压缩机I增压进行循环；经预冷剂预冷系统预冷后的天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进入混合制冷剂MRl制冷系统；
步骤二、混合制冷剂MRl制冷系统将天然气和混合制冷剂MR2冷却至-100 _120°C 混合制冷剂MRl经MRl压缩机增压至4. O 4. 5MPa后经MRl冷却器水冷至40°C，进入预冷剂预冷系统冷却到-35 °C后进入液化主低温换热器的液化段，当MRl冷却到-100 _120°C后出液化主低温换热器，通过五级J-T阀节流，压力降至O. 3 O. 5MPa后再进入液化主低温换热器，为MR1、MR2和天然气提供冷量，混合制冷剂MRl复热至-38°C -40°C后出液化主低温换热器，直接进入MRl压缩机循环制冷；经混合制冷剂MRl制冷系统冷却后的天然气和混合制冷剂MR2进入混合制冷剂MR2制冷系统；
步骤三、混合制冷剂MR2制冷系统将天然气过冷至_150°C以下
混合制冷剂MR2经MR2压缩机增压至4. O 4. 5MPa后经MR2冷却器水冷至40°C，进入预冷剂预冷系统冷却到_35°C后进入过冷主低温换热器的液化段，当MR2冷却到-155°C以下后出过冷主低温换热器，通过六级J-T阀节流，压力降至O. 3 O. 5MPa后再进入过冷主低温换热器，为MR2和天然气提供冷量，混合冷剂MR2复热至-110°C _120°C后出过冷主低温换热器，经MR2分离器进行气液分离后，进入MR2压缩机11循环制冷；
经混合制冷剂MR2制冷系统过冷后的天然气通过七级J-T阀节流进入LNG储罐。与现有技术相比，本发明的积极效果是净化天然气在四个蒸发器和两个换热器中温度逐渐降低，直至液化；液化过程所需的冷量由预冷剂、混合冷剂MR1、混合冷剂MR2三个系统提供，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，从而体现出本专利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、天然气液化过程能耗低
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。采用本发明的带预冷的双复合冷剂制冷工艺进行天然气液化，整个换热过程温差较为均勻，无传热瓶颈，有效能损失小，节能明显。2、液化过程换热器采用板翅式换热器
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。3、制冷压缩的大型化
LNG规模大型化的瓶颈主要受压缩机功率的限制，采用该工艺方案混合冷剂压缩MRl和混合冷剂压缩机MR2的功率能做到同样的大，采用本发明工艺可以最大做到千万吨的LNG装置。
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中
图I本发明的的系统原理示意图。
具体实施例方式本发明采用多级预冷剂蒸发器进行预冷，且预冷采用的级数(即预冷剂蒸发器的个数)越多越节约能耗。但是从操作和经济投资上看四级是最为合理的。采用四级预冷比采用三级预冷预冷压缩机的功率能节约10%。因此，本发明将以四级预冷剂蒸发器为例进行详细说明
一种带预冷的双复合冷剂制冷系统，如图I所示，包括预冷剂压缩机I、预冷剂冷却器
2、预冷剂分离器3、高压预冷剂蒸发器4、中压预冷剂蒸发器5、低压预冷剂蒸发器6、低低压预冷剂蒸发器7、MRl压缩机8、MRl冷却器9、液化主低温换热器10、MR2压缩机11、MR2冷却器12、MR2分离器13、过冷主低温换热器14、一级J-T阀15、二级J-T阀16、三级J-T阀17、四级J-T阀18、五级J-T阀19、六级J-T阀20、七级J-T阀21等，其中
O四级预冷剂蒸发器(包括依次连接的高压预冷剂蒸发器4、中压预冷剂蒸发器5、低压预冷剂蒸发器6和低低压预冷剂蒸发器7 )、预冷剂压缩机I、预冷剂冷却器2、预冷剂分离器3依次连接构成预冷剂预冷系统，其中
四级预冷剂蒸发器的蒸气出口均接入预冷剂压缩机1，预冷剂压缩机I的出口依次与预冷剂冷却器2、预冷剂分离器3、一级J-T阀15、高压预冷剂蒸发器4、二级J-T阀16、中压预冷剂蒸发器5、三级J-T阀17、低压预冷剂蒸发器6、四级J-T阀18和低低压预冷剂蒸发器7连接；
2)MRl压缩机8、MRl冷却器9、四级预冷剂蒸发器和液化主低温换热器10依次连接，构成混合制冷剂MRl制冷系统；
3)MR2压缩机11、MR2冷却器12、四级预冷剂蒸发器、液化主低温换热器10、过冷主低温换热器14和MR2分离器13依次连接，构成混合制冷剂MR2制冷系统。所述液化主低温换热器10和过冷主低温换热器14为板翅式换热器。本发明还提供了一种带预冷的双复合冷剂制冷方法，包括如下步骤步骤一、预冷剂预冷系统将天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷MR2剂预冷至_35°C 从四级预冷剂蒸发器出来的预冷剂蒸气经预冷剂压缩机I增压至I. 32MPa. g后经预冷剂冷却器2水冷至40°C，然后经预冷剂分离器3进行气液分离，再通过一级J-T阀15节流，压力降至O. 630MPa. g后进入高压预冷剂蒸发器4，对天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进行冷却；高压预冷剂蒸发器4蒸发的预冷剂回到预冷剂压缩机I增压进行循环，液态预冷剂通过二级J-T阀16节流，压力降至O. 305MPa. g后进入中压预冷剂蒸发器5，对天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进行冷却；中压预冷剂蒸发器5蒸发的预冷剂回到预冷剂压缩机I增压进行循环，液态预冷剂通过三级J-T阀17节流，压力降至O. 244MPa. g后进入低压预冷剂蒸发器6，对天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进行冷却；低压预冷剂蒸发器6蒸发的预冷剂回到预冷剂压缩机I增压进行循环，液态预冷剂通过四级J-T阀18节流，压力降至O. 021MPa. g后进入低低压预冷剂蒸发器7，对天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进行冷却；低低压预冷剂蒸发器7蒸发的预冷剂回到预冷剂压缩机I增压进行循环；
经预冷剂预冷系统预冷后的天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进入混合制冷剂MRl制冷系统；
步骤二、混合制冷剂MRl制冷系统将天然气和混合制冷剂MR2冷却至-100 _120°C 混合制冷剂MRl为液化段的制冷剂，由乙烯、丙烷、甲烷组成。混合制冷剂MRl经MRl压缩机8增压至4. O 4. 5MPa后经MRl冷却器9水冷至40°C，进入预冷剂预冷系统冷却到_35°C后进入液化主低温换热器10的液化段，当MRl冷却到-100 _120°C后出液化主低温换热器10，通过五级J-T阀19节流，压力降至O. 3
O.5MPa后再进入液化主低温换热器10，为MR1、MR2和天然气提供冷量，混合制冷剂MRl复热至-38°C -40°C后出液化主低温换热器10，直接进入MRl压缩机8循环制冷；
经混合制冷剂MRl制冷系统冷却后的天然气和混合制冷剂MR2进入混合制冷剂MR2制冷系统；
步骤三、混合制冷剂MR2制冷系统将天然气过冷至_150°C以下
混合制冷剂MR2为过冷段的制冷剂，由乙烯、氮气、甲烷组成。混合制冷剂MR2经MR2压缩机11增压至4. O 4. 5MPa后经MR2冷却器12水冷至40°C，进入预冷剂预冷系统冷却到_35°C后进入过冷主低温换热器14的液化段，当MR2冷却到_155°C以下后出过冷主低温换热器14，通过六级J-T阀20节流，压力降至O. 3
O.5MPa后再进入过冷主低温换热器14，为MR2和天然气提供冷量，混合冷剂MR2复热至-110°c -120°c后出过冷主低温换热器14，经MR2分离器13进行气液分离后，进入MR2压缩机11循环制冷；
经混合制冷剂MR2制冷系统过冷后的天然气通过七级J-T阀21节流进入LNG储罐。本发明工艺的基本原理是较低温度级的循环将热量转给相邻的较高温度级的循环。第一级预冷剂制冷循环为天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2提供冷量；第二级混合制冷剂MRl循环为天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2提供冷量；第三级混合制冷剂MR2循环为天然气及混合制冷剂MR2自身提供冷量。通过四个蒸发器和两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
1.一种带预冷的双复合冷剂制冷系统，其特征在于包括由多级预冷剂蒸发器、预冷剂压缩机、预冷剂冷却器和预冷剂分离器依次连接构成的预冷剂预冷系统；由MRl压缩机、MRl冷却器、多级预冷剂蒸发器和液化主低温换热器依次连接构成的混合制冷剂MRl制冷系统；由MR2压缩机、MR2冷却器、多级预冷剂蒸发器、液化主低温换热器、过冷主低温换热器和MR2分离器依次连接构成的混合制冷剂MR2制冷系统。
2.根据权利要求I所述的带预冷的双复合冷剂制冷系统，其特征在于所述多级预冷剂蒸发器为四级预冷剂蒸发器，包括依次连接的高压预冷剂蒸发器、中压预冷剂蒸发器、低压预冷剂蒸发器和低低压预冷剂蒸发器。
3.根据权利要求I所述的带预冷的双复合冷剂制冷系统，其特征在于所述液化主低温换热器和过冷主低温换热器为板翅式换热器。
4.一种带预冷的双复合冷剂制冷方法，其特征在于包括如下步骤 步骤一、预冷剂预冷系统将天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷MR2剂预冷至_35°C 从四级预冷剂蒸发器出来的预冷剂蒸气经预冷剂压缩机增压至I. 32MPa. g后经预冷剂冷却器水冷至40°C，然后经预冷剂分离器进行气液分离，再通过一级J-T阀节流，压力降至O. 630MPa. g后进入高压预冷剂蒸发器，对天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进行冷却；高压预冷剂蒸发器蒸发的预冷剂回到预冷剂压缩机增压进行循环，液态预冷剂通过二级J-T阀节流，压力降至O. 305MPa. g后进入中压预冷剂蒸发器，对天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进行冷却；中压预冷剂蒸发器蒸发的预冷剂回到预冷剂压缩机增压进行循环，液态预冷剂通过三级J-T阀节流，压力降至O. 244MPa. g后进入低压预冷剂蒸发器，对天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进行冷却；低压预冷剂蒸发器蒸发的预冷剂回到预冷剂压缩机增压进行循环，液态预冷剂通过四级J-T阀节流，压力降至O. 02IMPa.g后进入低低压预冷剂蒸发器，对天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进行冷却；低低压预冷剂蒸发器蒸发的预冷剂回到预冷剂压缩机I增压进行循环；经预冷剂预冷系统预冷后的天然气、混合制冷剂MRl和混合制冷剂MR2进入混合制冷剂MRl制冷系统； 步骤二、混合制冷剂MRl制冷系统将天然气和混合制冷剂MR2冷却至-100 _120°C 混合制冷剂MRl经MRl压缩机增压至4. O 4. 5MPa后经MRl冷却器水冷至40°C，进入预冷剂预冷系统冷却到-35 °C后进入液化主低温换热器的液化段，当MRl冷却到-100 _120°C后出液化主低温换热器，通过五级J-T阀节流，压力降至O. 3 O. 5MPa后再进入液化主低温换热器，为MR1、MR2和天然气提供冷量，混合制冷剂MRl复热至-38°C -40°C后出液化主低温换热器，直接进入MRl压缩机循环制冷；经混合制冷剂MRl制冷系统冷却后的天然气和混合制冷剂MR2进入混合制冷剂MR2制冷系统； 步骤三、混合制冷剂MR2制冷系统将天然气过冷至_150°C以下 混合制冷剂MR2经MR2压缩机增压至4. O 4. 5MPa后经MR2冷却器水冷至40°C，进入预冷剂预冷系统冷却到_35°C后进入过冷主低温换热器的液化段，当MR2冷却到-155°C以下后出过冷主低温换热器，通过六级J-T阀节流，压力降至O. 3 O. 5MPa后再进入过冷主低温换热器，为MR2和天然气提供冷量，混合冷剂MR2复热至-110°C _120°C后出过冷主低温换热器，经MR2分离器进行气液分离后，进入MR2压缩机11循环制冷；经混合制冷剂MR2制冷系统过冷后的天然气通过七级J-T阀节流进入LNG储罐。
全文摘要
本发明公开了一种带预冷的双复合冷剂制冷系统及方法，净化天然气在四个蒸发器和两个换热器中温度逐渐降低，直至液化；液化过程所需的冷量由预冷剂、混合冷剂MR1、混合冷剂MR2三个系统提供，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，从而体现出本专利在操作上的灵活性和对原料的适应性。本发明的优点是天然气液化过程能耗低；大型液化工厂国产化不再受主换热器的形式限制；制冷压缩的大型化，采用本发明可以最大做到千万吨的LNG装置。
文档编号F25J1/02GK102927791SQ201210501710
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者刘家洪, 孙林, 宋德琦, 蒲黎明, 龙增兵, 陆永康, 陈运强, 法玉晓, 郭成华, 仲文旭, 陈磊, 许涛, 钟志良, 琚宜林 申请人:中国石油集团工程设计有限责任公司