一种容积式压缩膨胀制冷的可燃气体液化装置的制作方法

本实用新型涉及节能与环保技术领域，尤其涉及一种容积式压缩膨胀制冷的可燃气体液化装置，其利用制冷剂压缩、预冷膨胀过程，为可燃气体液化提供冷量，达到回收有用资源和节能减排的目的。

背景技术：

我国的能源消费结构中煤炭占70.4％，而石油和天然气分别只占19.7％和3.3％，这与煤炭占28.6％、石油占35.6％、天然气占23.8％的世界能源消费结构相比存在很大的差距。我国以煤炭为主的能源消费结构(技术装备、能源政策等都是以煤炭为主)导致环境的严重污染,部分地区酸雨严重,雾霾天气时有发生(特别是北方供暖季节)，这些已经威胁到人类的健康，也极大地威胁到经济和社会的可持续发展。近年来国家下大力气以降低碳排放、实现低碳发展为目标调整能源结构，正在逐步实现由以煤为主的单一结构向以煤为主、多能互补结构的转变。我国能源中长期发展规划明确指出：“十二五”期间能源供给选择：“一降(煤炭)、一稳(石油)、多升(天然气、水电、核电、风电等)”。

天然气是当今世界能源消耗中的重要组成部分，它与煤炭、石油并称为世界能源的三大支柱。天然气作为一种清洁优质能源，既可以补充我国的能源短缺问题，又有突出的环境效益。我国是一个多煤少气的国家，2014年天然气生产总量为17280万吨标准煤，消费总量为24282万吨标准煤，依靠大中型常规天然气资源的开发利用已不能满足我国经济和社会长期稳定发展的需要。

我国煤层气储量与常规天然气资源相当，在30～35×10¹²m³左右，开采和充分利用煤层气资源，一方面可为缓解我国部分地区的“用气荒”现象，另一方面也可以有效减少煤矿瓦斯爆炸事故。此外，我国常规天然气约超过50％分布在西部地区。在非常规天然气资源中，分布在西部地区的煤层气资源量约占总资源量的30％，因此，开展天然气开发利用技术的研究和推动后续产业的发展，对于加快西部地区的发展也具有重要意义。

常规天然气中小型天然气田分布较分散；非常规天然气田的单井产量低，稳产期短，气源分散，以上原因导致常规的集中式的天然气液化装置建厂方案和管道集输方案的经济效益差。小型可移动式天然气液化装置由于具有组装简便、部署机动的特点，可以实现小型天然气气源和非常规天然气的液化，天然气液化后其体积是原来的1/625，利用天然气罐车运输可以大大降低天然气的运输成本，所以开发小型可移动式天然气液化装置对我国天然气的开采具有战略价值和重要意义。

我国对小型可移动式天然气液化技术的研究起步晚，国外的天然气液化技术对外进行技术封锁，因此很有必要深入开展天然气液化技术的研究，为我国边远常规小型天然气田和非常规天然气的液化提供技术支持。

基本天然气液化流程有级联式、混合制冷剂式、带膨胀机的天然气液化流程。级联式天然气液化流程比较复杂，设备多，很难实现小型撬装化的要求，且因维修不便，目前已很少采用这种液化流程。混合制冷剂天然气液化流程中混合制冷剂的配比与原料气的压力和成分相关，制配工作比较繁琐，且混合制冷剂的泄露会对系统产生较大影响，使液化效率降低；环境温度也会对混合制冷剂组成也有较大影响。带膨胀机的天然气液化流程中制冷剂一般多含有N₂，需要通过其他途径制取。故本实用新型提出采用其他制冷剂(比如空气)的膨胀式可燃气体液化装置及流程。

技术实现要素：

针对上述问题中存在的不足之处，本实用新型提供一种容积式压缩膨胀制冷的可燃气体液化装置。

为实现上述目的，本实用新型提供一种容积式压缩膨胀制冷的可燃气体液化装置，包括：制冷剂净化预处理单元，制冷剂压缩单元，多股流换热器，制冷剂膨胀单元，可燃气体净化预处理单元和可燃气体储罐；

所述制冷剂净化预处理单元、制冷剂压缩单元、多股流换热器、制冷剂膨胀单元依次通过进出口首尾相连，所述制冷剂膨胀单元的出口与所述多股流换热器相连，组成制冷剂回路；

所述可燃气体净化预处理单元、多股流换热器、可燃气体储罐依次通过进出口首尾相连，组成可燃气液化回路；

所述制冷剂压缩单元由多台制冷剂压缩机依次连接组成，每台所述制冷剂压缩机上带有由第一油气分离器、第一油气冷却器组成的油冷却循环回路；

所述制冷剂膨胀单元由多台膨胀机依次连接组成，每台所述膨胀机上带有由第二油气分离器、油加热器组成的油润滑循环回路。

作为本实用新型的进一步改进，还包括：可燃气体压缩单元；

所述可燃气体压缩单元连接在所述可燃气体净化预处理单元与多股流换热器之间；

所述可燃气体压缩单元由一台可燃气体压缩机或多台可燃气体压缩机依次连接组成，每台所述可燃气体压缩机带有由第三油气分离器、第二油气冷却器组成的油冷却循环回路。

作为本实用新型的进一步改进，所述制冷剂压缩机和可燃气体压缩机的驱动动力为燃气发电机或电动机。

作为本实用新型的进一步改进，还包括：节流装置；

所述节流装置连接在所述多股流换热器与可燃气体储罐之间。

作为本实用新型的进一步改进，所述制冷剂压缩机和可燃气体压缩机为容积式螺杆压缩机，容积式螺杆压缩机的压比为3～20。

作为本实用新型的进一步改进，所述膨胀机为容积式螺杆膨胀机。

作为本实用新型的进一步改进，所述多股流换热器为绕管式换热器、管壳式换热器或板翅式换热器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供了一种容积式压缩膨胀制冷的可燃气体液化装置，该装置可以实现可燃气的液化，将大量存在于我国边远地区的常规小型天然气田和非常规天然气田(煤层气、油田伴生气、页岩气、致密气、垃圾填埋气)中的可燃气资源液化，减少运输成本；同时对一次能源的充分利用，减少了目前因直接燃烧或排放而造成的大气环境污染。

附图说明

图1为本实用新型两级压缩两级膨胀可燃气体两级压缩的膨胀式液化装置及流程示意图；

图2为本实用新型两级压缩两级膨胀可燃气体一级压缩的膨胀式液化装置及流程示意图；

图3为本实用新型两级压缩三级膨胀可燃气体一级压缩的膨胀式液化装置及流程示意图；

图4为本实用新型两级压缩三级膨胀可燃气体两级压缩的膨胀式液化装置及流程示意图；

图5为本实用新型三级压缩三级膨胀可燃气体两级压缩的膨胀式液化装置及流程示意图；

图6为本实用新型三级压缩两级膨胀可燃气体两级压缩的膨胀式液化装置及流程示意图；

图7为本实用新型三级压缩两级膨胀可燃气体一级压缩的膨胀式液化装置及流程示意图；

图8为本实用新型三级压缩三级膨胀可燃气体一级压缩的膨胀式液化装置及流程示意图；

图9为本实用新型两级压缩两级膨胀可燃气体无压缩的膨胀式液化装置及流程示意图；

图10为本实用新型两级压缩三级膨胀可燃气体无压缩的膨胀式液化装置及流程示意图；

图11为本实用新型三级压缩两级膨胀可燃气体无压缩的膨胀式液化装置及流程示意图；

图12为本实用新型三级压缩三级膨胀可燃气体无压缩的膨胀式液化装置及流程示意图。

图中：

1、制冷剂净化预处理单元；2、制冷剂压缩单元；3、多股流换热器；4、制冷剂膨胀单元；5、可燃气体净化预处理单元；6、可燃气体压缩单元；7、节流装置；8、可燃气体储罐；2-1、2-5、2-9，制冷剂压缩机；2-2、2-6、2-10，第一油气分离器；2-3、2-7、2-11，第一油气冷却器；4-1、4-4、4-7，膨胀机；4-2、4-5、4-8，第二油气分离器；4-3、4-6、4-9，油加热器；6-1、6-5，可燃气体压缩机；6-2、6-6第三油气分离器；6-3、6-7，第二油气冷却器；2-4、2-8、2-12、6-4、6-8，燃气发电机或电动机。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细描述：

如图1-12所示，本实用新型提供一种容积式压缩膨胀制冷的可燃气体液化装置，包括：制冷剂净化预处理单元1，制冷剂压缩单元2，多股流换热器3，制冷剂膨胀单元4，可燃气体净化预处理单元5，可燃气体压缩单元6，节流装置7和可燃气体储罐8；其中：

制冷剂净化预处理单元1、制冷剂压缩单元2、多股流换热器3、制冷剂膨胀单元4依次通过进出口首尾相连，制冷剂膨胀单元4的出口与多股流换热器3相连，组成制冷剂回路；

可燃气体净化预处理单元5、可燃气体压缩单元6、多股流换热器3、节流装置7、可燃气体储罐8依次通过进出口首尾相连，组成可燃气液化回路；

制冷剂压缩单元2由多台制冷剂压缩机2-1、2-5、2-9依次连接组成，每台制冷剂压缩机上带有由第一油气分离器2-2、2-6、2-10，第一油气冷却器2-3、2-7、2-11组成的油冷却循环回路；

制冷剂膨胀单元4由多台膨胀机4-1、4-4、4-7依次连接组成，每台膨胀机上带有由第二油气分离器4-2、4-5、4-8，油加热器4-3、4-6、4-9组成的油润滑循环回路，油加热器的设置可防止油冻堵；

可燃气体压缩单元6由一台可燃气体压缩机或多台可燃气体压缩机6-1、6-5依次连接组成，每台可燃气体压缩机带有由第三油气分离器6-2、6-6，第二油气冷却器6-3、6-7组成的油冷却循环回路。

优选的，制冷剂压缩机2-1、2-5、2-9和可燃气体压缩机6-1、6-5为容积式螺杆压缩机，容积式螺杆压缩机的压比为3～20。

优选的，膨胀机4-1、4-4、4-7为容积式螺杆膨胀机，膨胀机也可以由节流装置代替。

优选的，制冷剂净化预处理单元1采用吸附剂实现制冷剂中除去水分、CO₂及其他杂质的的净化功能，吸附剂可以是分子筛，也可以是硅胶，还可以是活性氧化铝等。

优选的，可燃气体净化预处理单元5采用吸附剂实现可燃气体的脱水、脱硫和脱酸等净化功能，吸附剂可以是分子筛，也可以是硅胶，还可以是活性氧化铝等。

优选的，制冷剂压缩机2-1、2-5、2-9的驱动动力为燃气发电机或电动机2-4、2-8、2-12，压缩机可以同轴布置由一台燃气发电机或电动机驱动，也可以单独布置，由各自的动力驱动；可燃气体压缩单元6的可燃气体压缩机6-1、6-5的驱动动力为燃气发电机或电动机6-4、6-8，压缩机可以同轴布置由一台燃气发电机或电动机驱动，也可以单独布置，由各自的动力驱动。

优选的，多股流换热器3的形式为绕管式换热器，也可以是管壳式换热器，还可以是板翅式换热器。

优选的，可燃气体储罐8可以具有气液分离功能，也可以没有气液分离功能。

优选的，装置可以不包含可燃气体压缩单元6。

优选的，待液化的可燃气体依次经过可燃气体净化预处理单元5、可燃气体压缩单元6、多股流换热器3、节流装置7流入可燃气体储罐8，也可以不连接节流装置7，经过液化的可燃气体直接进入可燃气体储罐8，带压储存。

优选的，制冷剂膨胀单元4中膨胀机的膨胀功可以带动发电机发电。

本实用新型还提供一种容积式压缩膨胀制冷的可燃气体液化装置的使用方法，包括：

待液化的可燃气体经过可燃气体净化预处理单元5的脱水、脱硫、脱酸处理后流入可燃气体压缩单元6，之后流入多股流换热器3吸收冷量液化，再经过节流装置7降压，最后液化的可燃气体流入可燃气体储罐8；制冷工质制冷剂先流入制冷剂净化预处理单元1除去水、CO₂杂质，其次流入制冷剂压缩单元2进行压缩，再次流入多股流换热器3进行预冷，然后流入制冷剂膨胀单元4进行膨胀降温降压，最后流入多股流换热器3为液化可燃气体提供冷量。

实施例1：

如图1所示，本实用新型的液化装置为两级压缩两级膨胀可燃气体两级压缩的膨胀式液化装置；本实施例是针对较低压力的待液化可燃气体进行液化处理，低压可燃气体进入可燃气体净化预处理单元5，除去可燃气体中的水分及酸性气体等杂质，使其达到液化的标准。净化后的可燃气体进入可燃气体压缩单元6进行压缩冷却，压缩单元由两台压缩机6-1，6-5构成，压缩单元将可燃气体压缩到3～5MPa(此压力值随多股流换热器3中的夹点温差、环境温度、膨胀机等熵效率的不同而变化)，然后进入多股流换热器3进行热量交换，温度降低至-110℃，再经节流装置7降压至2MPa，此时可燃气体已经全部液化，最后进入液化可燃气储罐8储存，待运。

本实施例中液化可燃气体的冷量来自制冷剂的膨胀制冷；常压的空气首先进入制冷剂净化预处理单元1中进行净化处理，除去空气中的水分、CO₂等杂质；其次进入制冷剂压缩单元2，经过两台压比为6的压缩机2-1、2-5，再次进入多股流换热器3进行预冷，温度降为0℃，然后进入制冷剂膨胀单元4进行膨胀降温，经过两台膨胀机4-1、4-4后，温度降为低温；最后低温制冷剂进入多股流换热器3为液化可燃气体提供冷量，然后排放到大气中。

本实施例中，制冷剂压缩机2-1、2-5的驱动由各自的电机驱动，实现空气的压缩和可燃气体的加压。经模拟计算，此流程的可燃气体液化率为100％，储存压力为2MPa，储存温度为-110℃，过冷度为5℃，比功耗为7～16kWh·kmol^-1(与可燃气体是否需要加压相关)。

实施例2：

如图2所示，本实用新型的液化装置为两级压缩两级膨胀可燃气体一级压缩的膨胀式液化装置，本实例具体实施方式与实施例1相似，所不同的是可燃气体压缩单元6由二级压缩6-1、6-5变为一级压缩6-1，此种情况适用于可燃气体初始压力较大的情况。

实施例3：

如图3所示，本实用新型的液化装置为两级压缩三级膨胀可燃气体一级压缩的膨胀式液化装置，本实例具体实施方式与实施例2相似，所不同的是制冷剂膨胀单元4由二级膨胀4-1、4-4变为三级膨胀4-1、4-4、4-7，此种情况适用于制冷剂膨胀单元4中膨胀机4-1、4-4、4-7膨胀比较小的情况。

实施例4：

如图4所示，本实用新型的液化装置为两级压缩三级膨胀可燃气体两级压缩的膨胀式液化装置，本实例具体实施方式与实施例3相似，所不同的是可燃气体压缩单元6由一级压缩6-1变为二级压缩6-1、6-5。

实施例5：

如图5所示，本实用新型的液化装置为三级压缩三级膨胀可燃气体两级压缩的膨胀式液化装置，本实例具体实施方式与实施例4相似，所不同的是制冷剂压缩单元2由二级压缩2-1、2-5变为三级压缩2-1、2-5、2-9，此种情况适用于制冷剂压缩单元2中压缩机2-1、2-5、2-9压比较小的情况。

实施例6：

如图6所示，本实用新型的液化装置为三级压缩两级膨胀可燃气体两级压缩的膨胀式液化装置，本实例具体实施方式与实施例5相似，所不同的是制冷剂膨胀单元4由三级膨胀4-1、4-4、4-7变为二级膨胀4-1、4-4。

实施例7：

如图7所示，本实用新型的液化装置为三级压缩两级膨胀可燃气体一级压缩的膨胀式液化装置，本实例具体实施方式与实施例6相似，所不同的是可燃气体压缩单元6由二级压缩6-1、6-5变为一级压缩6-1。

实施例8：

如图8所示，本实用新型的液化装置为三级压缩三级膨胀可燃气体一级压缩的膨胀式液化装置，本实例具体实施方式与实施例7相似，所不同的是制冷剂膨胀单元4由二级膨胀4-1、4-4变为三级膨胀4-1、4-4、4-7。

实施例9：

如图9所示，本实用新型的液化装置为两级压缩两级膨胀可燃气体无压缩的膨胀式液化装置，本实例具体实施方式与实施例2相似，所不同的是没有可燃气体压缩单元6，因为当可燃气的开采压力较大时就不需进行增压处理。

实施例10：

如图10所示，本实用新型的液化装置为两级压缩三级膨胀可燃气体无压缩的膨胀式液化装置，本实例具体实施方式与实施例3相似，所不同的是没有可燃气体压缩单元6。

实施例11：

如图11所示，本实用新型的液化装置为三级压缩两级膨胀可燃气体无压缩的膨胀式液化装置，本实例具体实施方式与实施例7相似，所不同的是没有可燃气体压缩单元6。

实施例12：

如图12所示，本实用新型的液化装置为三级压缩三级膨胀可燃气体无压缩的膨胀式液化装置，本实例具体实施方式与实施例8相似，所不同的是没有可燃气体压缩单元6。

本实用新型提供了一种容积式压缩膨胀制冷的可燃气体液化装置，该装置可以实现可燃气的液化，将大量存在于我国边远地区的常规小型天然气田和非常规天然气田(煤层气、油田伴生气、页岩气、致密气、垃圾填埋气)中的可燃气资源液化，减少运输成本；同时对一次能源的充分利用，减少了目前因直接燃烧或排放而造成的大气环境污染。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。