技术领域本发明涉及化工与低温工程技术领域，具体地，涉及一种基于板式换热器模块化混合制冷剂天然气液化系统及方法。
背景技术：
天然气与石油、煤炭作为世界上主要的化石能源，在一次能源中占有很大的比率。天然气作为一种优质清洁能源，被越来越多的国家开始重视。随着我国能源结构的不断优化和天然气消费需求的不断增长，加之我国绝大多数天然气田储量都不大的现状，我国天然气供需缺口在不断加大。据预测，到2020年我国天然气的供应缺口将达1000×108m3。另一方面，我国存在大量产储量较小的边际气田、伴生气田、煤层气田，单井储量较小，距离供气管网较远，采用管输方法不符合经济效益而没有得到有效开发利用，长期以来被点火炬放空。模块化天然气液化装置可以有效利用这些天然气资源，通过技术拓展，模块化天然气液化装置同样适合于生物燃气(包括城市垃圾填埋气)提纯与液化、海上含油田伴生气、部分焦炉煤气液化、煤层天然气(瓦斯)、页岩气开发利用等，市场前景十分广阔。天然气液化流程主要有混合制冷剂液化流程、带膨胀机液化流程以及级联式液化流程这三类。现有的天然气液化工艺主要是针对基本负荷型天然气液化工厂而设计的，我国还比较缺乏针对小型撬装式天然气液化装置而单独设计的液化流程。混合制冷剂液化流程由于能耗低的特点被广泛应用于大中型天然气液化工厂上。然而对于小型撬装式天然气液化装置而言，混合制冷剂液化流程相对复杂。经检索，专利公开号CN102477327A,名称为“一种中小型天然气液化工艺”的专利，公开了一种中小型天然气液化工艺，该工艺中混合制冷剂采用两级气液分离，共有三个换热器，流程较复杂，不适合于模块化天然气液化装置。专利公开号CN102445052A，名称为“一种用于零散起源点的沼气液化工艺及装置”的专利，采用双混合制冷循环来液化零散气源点的沼气，由于该工艺由两个单独的制冷循环构成，设备较多，流程复杂，不利于设备模块化，同时沼气的组分和天然气的组分差异较大，因此也不能应用于模块化天然气液化装置。现有天然气液化流程对于天然气净化装置的要求非常高，因为常规液化冷箱采用板翅式换热器，而板翅式换热器流道非常小，如果天然气净化装置不能把二氧化碳脱除到非常低的含量，低温下固体二氧化碳非常容易堵塞板翅式换热器的流道。天然气净化装置一般占天然气液化装置总投资的一半左右，因此如果可以发明一种液化净化一体化流程，将大大节省设备投资，同时方便设备模块化，可移动化。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于板式换热器模块化混合制冷剂天然气液化系统及方法。根据本发明提供的基于板式换热器模块化混合制冷剂天然气液化系统，包括：板式换热器液化冷箱模块、二氧化碳净化模块、混合制冷剂压缩模块以及天然气储存模块；所述板式换热器液化冷箱模块依次与二氧化碳净化模块、天然气储存模块相连构成天然气液化通路；所述混合制冷剂压缩模块与板式换热器液化冷箱模块相连构成制冷剂制冷循环回路；其中，所述天然气液化回路用于将原料天然气经过脱水、降温、去除重烃、冷却液化并降压后储存；所述制冷剂制冷循环回路用于循环利用混合制冷剂冷却天然气。优选地，所述板式换热器液化冷箱模块包括：气相制冷剂预冷器、液相制冷剂预冷器、天然气预冷换热器、重烃分离器、液相制冷剂节流装置、混合制冷剂分流器、混合制冷剂一级混合器、天然气深冷换热器、气相制冷剂节流装置、液化天然气节流阀、混合制冷剂二级混合器；其中，在所述天然气液化回路中：天然气预冷换热器的天然气出口与重烃分离器的进口相连；重烃分离器的气相出口依次与天然气深冷换热器的天然气进口、二氧化碳净化模块的进口相连；二氧化碳净化模块的液相出口依次与液化天然气节流装置、液化天然气储存模块的进口相连。优选地，所述二氧化碳净化模块包括：二氧化碳分离器，所述二氧化碳分离器为固液分离器；所述天然气储存模块包括：液化天然气储罐。优选地，所述混合制冷剂压缩模块包括：依次相连的混合制冷剂一级压缩机、一级压缩机冷却器、混合制冷剂二级压缩机、二级压缩机冷却器，其中，混合制冷剂一级压缩机的进口构成混合制冷剂压缩模块的进口，二级压缩机冷却器的出口构成混合制冷剂压缩模块的出口。优选地，在所述制冷剂制冷循环回路中：所述混合制冷剂压缩模块的出口与混合制冷剂分离器的进口相连；所述混合制冷剂分离器的两个气相出口分为两路，一路依次经过气相制冷剂预冷器、天然气深冷换热器、气相制冷剂节流装置后再次经过天然气深冷换热器并与混合制冷剂一级混合器的进口相连；另一路依次经过液相制冷剂预冷器、液相制冷剂节流装置后与混合制冷剂一级混合器的进口相连，所述混合制冷剂一级混合器的出口分为三路，分别经过气相制冷剂预冷器、液相制冷剂预冷器、天然气预冷换热器后与混合制冷剂二级混合器的进口相连；所述混合制冷剂二级混合器的出口与混合制冷剂压缩机模块的进口相连。优选地，所述气相制冷剂节流装置和液相制冷剂节流装置为节流阀或液体膨胀机。优选地，还包括制冷剂储存及配比单元、仪控单元、仪表风及PSA制氮模块以及发电机模块。根据本发明提供的基于板式换热器模块化混合制冷剂天然气液化方法，应用上述的基于板式换热器模块化混合制冷剂天然气液化系统，包括如下步骤：步骤A：原料天然气经过脱水装置脱除水分和杂质后经天然气预冷换热器降温冷却后进入重烃分离器，除去重烃后的天然气进入天然气深冷换热器冷却液化，经二氧化碳分离模块脱除天然气中的二氧化碳后通过液化天然气节流装置降压至液化天然气储存压力后进入液化天然气储罐；步骤B：混合制冷剂经混合制冷剂压缩模块增压、冷却，进入混合制冷剂气液分离器，分离出的气相制冷剂经气相制冷剂预冷器和天然气深冷换热器冷却后经气相制冷剂节流装置节流降温为天然气深冷换热器提供冷量；分离出的液相制冷剂经液相制冷剂预冷器冷却后通过液相制冷剂节流装置节流降温后与从天然气深冷换热器出来的气相制冷剂混合后经混合制冷剂分流器分为三股制冷剂分别为天然气预冷换热器、液相制冷剂预冷器以及气相制冷剂预冷器提供冷量；从所述天然气预冷换热器、液相制冷剂预冷器和气相制冷剂预冷器提供冷量后出来的混合制冷剂进入混合制冷剂第二级混合器混合后返回混合制冷剂压缩模块，完成制冷循环。优选地，所述步骤A中，原料天然气进入板式换热器液化冷箱的压力需高于4.0MPa。优选地，所述步骤A中的天然气储罐的储存压力为0.1MPa。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：1、本发明所述的基于板式换热器模块化混合制冷剂天然气液化系统提出了液化净化一体化液化工艺，大大简化了净化设备，同时便于设备模块化。2、本发明所述的基于板式换热器模块化混合制冷剂天然气液化系统采用板式换热器作为液化冷箱，一方面因为流道较大，对净化要求低于板翅式换热器冷箱；另一方面，因为板式换热器的材料为不锈钢，不会因为天然气中的汞而造成腐蚀。3、本发明所述的基于板式换热器模块化混合制冷剂天然气液化系统通过油气行业广泛采用的HYSYS软件的模拟计算，证实本液化工艺能耗低，对不同气源适应性较强，是比较适合模块化天然气液化装置的液化流程；液化工艺的日处理量为5000～50000Nm3。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为基于板式换热器模块化混合制冷剂天然气液化系统的结构示意图；图中：1为混合制冷剂一级压缩机，2为一级压缩机冷却器，3为混合制冷剂二级压缩机，4为二级压缩机冷却器，5为混合制冷剂分离器，6为气相制冷剂预冷器，7为液相制冷剂预冷器，8为天然气预冷换热器，9为重烃分离器，10为液相制冷剂节流装置，11为混合制冷剂分流器，12为混合制冷剂一级混合器，13为天然气深冷换热器，14为二氧化碳分离器，15为气相制冷剂节流装置，16为液化天然气节流阀，17为混合制冷剂二级混合器，18为液化天然气储罐。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。根据本发明提供的基于板式换热器的模块化混合制冷剂天然气液化系统，包括：板式换热器液化冷箱模块、二氧化碳净化模块、混合制冷剂压缩模块和天然气储存模块；所述板式换热器液化冷箱模块依次与二氧化碳净化模块、天然气储存模块相连构成天然气液化回路；所述混合制冷剂压缩模块与板式换热器液化冷箱模块相连构成制冷剂制冷循环回路；其中，所述天然气液化回路用于将原料天然气经过脱水、降温、去除重烃、冷却液化并降压后储存；所述制冷剂制冷循环回路用于循环利用混合制冷剂冷却天然气。所述板式换热器液化冷箱模块包括：气相制冷剂预冷器6、液相制冷剂预冷器7、天然气预冷换热器8、重烃分离器9、液相制冷剂节流装置10、混合制冷剂分流器11、混合制冷剂一级混合器12、天然气深冷换热器13、气相制冷剂节流装置15、液化天然气节流阀16、混合制冷剂二级混合器17；其中，所述天然气液化回路是指：天然气预冷换热器8的天然气出口与重烃分离器9的进口相连；重烃分离器9的气相出口依次与天然气深冷换热器13的天然气进口、二氧化碳净化模块的进口相连；二氧化碳净化模块的液相出口依次与液化天然气节流装置16、液化天然气储存模块的进口相连。所述二氧化碳净化模块包括：二氧化碳分离器14，所述二氧化碳分离器14为固液分离器。所述天然气储存模块包括：液化天然气储罐18。所述制冷剂制冷循环回路是指：所述混合制冷剂压缩模块的出口与混合制冷剂分离器5的进口相连；所述混合制冷剂分离器5的两个气相出口分为两路，一路依次经过气相制冷剂预冷器6、天然气深冷换热器13、气相制冷剂节流装置15后再次经过天然气深冷换热器13后与混合制冷剂一级混合器12的进口相连；另一路依次经过液相制冷剂预冷器7、液相制冷剂节流装置10后与混合制冷剂一级混合器12的进口相连，所述混合制冷剂一级混合器12的出口分为三路，分别经过气相制冷剂预冷器6、液相制冷剂预冷器7、天然气预冷换热器8后与混合制冷剂二级混合器17的进口相连；所述混合制冷剂二级混合器17的出口与混合制冷剂压缩机模块的进口相连。所述混合制冷剂压缩模块包括：依次相连的混合制冷剂一级压缩机1、一级压缩机冷却器2、混合制冷剂二级压缩机3、二级压缩机冷却器4，其中，混合制冷剂一级压缩机1的进口构成混合制冷剂压缩模块的进口，二级压缩机冷却器4的出口构成混合制冷剂压缩模块的出口。所述气相制冷剂节流装置15和液相制冷剂节流装置10为节流阀或液体膨胀机。根据本发明提供的基于板式换热器模块化混合制冷剂天然气液化方法，包括如下步骤：步骤A：原料天然气经过脱水装置脱除水分等杂质后经天然气预冷换热器8降温冷却后进入重烃分离器9，除去重烃后的天然气进入天然气深冷换热器13冷却液化，经二氧化碳分离模块脱除天然气中的二氧化碳后通过液化天然气节流装置16降压至液化天然气储存压力后进入液化天然气储罐18；步骤B：混合制冷剂经混合制冷剂压缩模块增压、冷却，进入混合制冷剂气液分离器5，分离出的气相制冷剂经气相制冷剂预冷器6和天然气深冷换热器13冷却后经气相制冷剂节流装置15节流降温为天然气深冷换热器13提供冷量；分离出的液相制冷剂经液相制冷剂预冷器7冷却后通过液相制冷剂节流装置10节流降温后与从天然气深冷换热器13出来的气相制冷剂混合后经混合制冷剂分流器11分为三股制冷剂分别为天然气预冷换热器8、液相制冷剂预冷器7和气相制冷剂预冷器6提供冷量；从所述天然气预冷换热器8、液相制冷剂预冷器7和气相制冷剂预冷器6提供冷量后出来的混合制冷剂进入混合制冷剂第二级混合器17混合后返回混合制冷剂压缩模块，完成制冷循环。所述步骤A中，原料天然气进入板式换热器液化冷箱的压力需高于4.0MPa。所述步骤A中的天然气储罐的储存压力为0.1MPa。所述步骤B中的混合制冷剂原料为由C1-C4碳氢化合物和N2组成的混合制冷剂。如图1所示，包括：混合制冷剂一级压缩机1，一级压缩机冷却器2，混合制冷剂二级压缩机3，二级压缩机冷却器4，混合制冷剂分离器5，气相制冷剂预冷器6，液相制冷剂预冷器7，天然气预冷换热器8，重烃分离器9，液相制冷剂节流装置10，混合制冷剂分流器11，混合制冷剂一级混合器12，天然气深冷换热器13，二氧化碳分离器14，气相制冷剂节流装置15，液化天然气节流阀16，混合制冷剂二级混合器17，液化天然气储罐18。具体地，本发明中的系统包括：天然气液化回路和混合制冷剂制冷循环回路；具体构成分别如下：天然气液化回路的具体构成为：天然气预冷换热器8、重烃分离器9、天然气深冷换热器13、二氧化碳分离器14、液化天然气节流阀16和液化天然气储罐18依次相连；所述重烃分离器9的气相出口与天然气深冷换热器13、二氧化碳分离器14的进口依次相连；所述二氧化碳分离器14液相出口与液化天然气节流阀16、液化天然气储罐18的进口依次相连。混合制冷剂制冷循环回路的具体构成为：混合制冷剂一级压缩机1、一级压缩机冷却器2、混合制冷剂二级压缩机3、二级压缩机冷却器4和混合制冷剂分离器5的进口依次相连，所述混合制冷剂5的气相出口依次与气相制冷剂预冷器6、天然气深冷换热器13和气相制冷剂节流装置15的进口相连；所述混合制冷剂5的液相出口依次与液相制冷剂预冷器7、液相制冷剂节流装置10的进口相连；所述气相制冷剂节流装置15的出口与依次天然气深冷换热器13、混合制冷剂一级混合器12的进口相连；所述液相制冷剂节流装置10的出口与混合制冷剂一级混合器12的进口相连；所述混合制冷剂一级混合器12的出口与混合制冷剂分流器11的进口相连；所述混合制冷剂分流器11的出口分别与气相制冷剂预冷器6、液相制冷剂预冷器7、天然气预冷换热器8的进口相连；天然气预冷换热器8的出口连接混合制冷剂二级混合器17的进口，混合制冷剂二级混合器17的出口与混合制冷剂一级压缩机1的进口相连。本发明的设备可以组成几个模块，便于生产运输，以及更换气源；具体如下：混合制冷剂一级压缩机1，一级压缩机冷却器2，混合制冷剂二级压缩机3，二级压缩机冷却器4构成混合制冷剂压缩模块。板式换热器液化冷箱模块包括：气相制冷剂预冷器6、液相制冷剂预冷器7、天然气预冷换热器8、重烃分离器9、液相制冷剂节流装置10、混合制冷剂分流器11、混合制冷剂一级混合器12、天然气深冷换热器13、气相制冷剂节流装置15和混合制冷剂二级混合器17。二氧化碳净化模块包括：二氧化碳分离器14。天然气储存模块包括：液化天然气储罐18构成液化。应用本发明的基于板式换热器的模块化混合制冷剂天然气液化系统液化天然气的方法具体见以下实施例：实施例天然气摩尔组分93％CH4+4％C3H8+2％N2+1％CO2、压力4.0MPa、温度40℃、流量1kmol/h；混合制冷剂流量2.68kmol/h。基于板式换热器的模块化混合制冷剂天然气液化工艺的具体步骤如下：1、天然气原料经天然气预冷换热器冷却至-40℃；2、经步骤冷却后的天然气进入重烃分离器9，从底2部得到重烃；3、经步骤2除去重烃后的天然气深冷换热器13冷却至-15℃；4、经过步骤3得到的天然气进入二氧化碳分离器14，液化天然气从二氧化碳分离器14顶部流出，固体二氧化碳从二氧化碳分离器14底部分离出来；5、经过步骤4脱除二氧化碳后的液化天然气经过液化天然气节流阀16节流降压至0.1MPa后，进入液化天然气储罐18；6、混合制冷剂原料先通过混合制冷剂一级压缩机1增压至0.83MPa后，进入一级压缩机冷却器2冷却至40℃；7、经步骤6冷却后的混合制冷剂经过混合制冷剂二级压缩机3增压至3.01MPa后，进入二级压缩机冷却器4冷却至40℃；8、经步骤7冷却后的混合制冷剂变为气液两相进入混合制冷剂分离器5，气相制冷剂经过气相制冷剂预冷器6冷却至-40℃后，再经过天然气深冷换热器13冷却至-160℃后通过气相制冷剂节流装置15降压至0.255MPa，温度降为-165.02℃，为天然气深冷换热器13提供冷量；9、经步骤7混合制冷剂分离器5分离得到的液相制冷剂经过液相制冷剂预冷器7冷却至-40℃，经过液相制冷剂节流装置10降压至0.255MPa，温度降为-48.23℃；10、经步骤8和9后的气相制冷剂和液相制冷剂在混合制冷剂一级混合器12混合后，温度变为-47.38℃，然后通过混合制冷剂分流器11分为三股制冷剂，分别为气相制冷剂预冷器6、液相制冷剂预冷器7和天然气预冷换热器8提供冷量后，温度变为36.64℃后返回混合制冷剂一级压缩机1完成制冷循环。经过模拟计算得出，该基于板式换热器的模块化混合制冷剂天然气液化工艺的单位能耗为0.332kWh/Nm3。经过二氧化碳分离器14后，液化天然气中的二氧化碳含量为500ppm，相较于原料气中二氧化碳含量1％，大部分二氧化碳均被二氧化碳分离器14分离脱除。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。