天然气液化系统的制作方法

本申请涉及天然气加工与处理技术领域，具体而言，涉及一种天然气液化系统。

背景技术：

在天然气液化工艺流程中，制冷方式分为两种，一种是由外部制冷剂提供冷量，一般有混合冷剂，氮气膨胀，氮甲烷膨胀制冷；另一种是甲烷自身膨胀或者节流制冷，这个工艺不需要外部制冷剂，流程简单，但是能耗比较高。

利用自身膨胀(节流)的制冷工艺虽然流程简单，但是电耗较高，而在天然气液化工厂中，电费是工厂最大的运行费用，约占整个运行成本的80％。

技术实现要素：

本申请提供一种天然气液化系统，增加了外在的冷源，使得天然气在节流前的温度更低，在相同的能耗下，能够得到更多的产品，即能够大大降低能耗，使上述问题得到改善。

根据本申请一方面实施例的天然气液化系统，包括原料压缩装置、冷箱、lng节流阀、气液分离装置、预冷换热器及冷媒循环回路；原料压缩装置的出口与冷箱的第一入口通过第一管段相连，冷箱的第一入口与冷箱的第一出口通过第二管段相连，冷箱的第一出口与气液分离装置的入口通过第三管段相连，lng节流阀设置在第三管段上，第一管段或第二管段通过预冷换热器与冷媒循环回路进行热交换。

根据本申请实施例的天然气液化系统，通过第一管段、第二管段及第三管段实现天然气从原料压缩装置到气液分离装置的输送。在第一管段上设置预冷换热器，通过预冷换热器实现第一管段与冷媒循环回路的热交换，天然气能够在预冷后进入第二管段，从而提高天然气在第二管段内的热交换效率(获得较低的温度)；或在第二管段上设置预冷换热器，通过预冷换热器实现第二管段与冷媒循环回路的热交换，天然气在第二管段内流动时，能够获得更多的热交换的冷量，从而使得天然气流出第二管段时(进入分离节流前)具有较低的温度。相当于，天然气在预冷换热器的作用下温度降低，而温度降低的天然气再经过第二管段后会获得更低的温度，天然气在第二管段的热交换效率更高，从冷箱的第一出口流出的天然气由气态转变为液态，低温的液态天然气进入lng节流阀(降压后，部分液态天然气转化为气态天然气)，在相同的能耗下，节流后得到的液体天然气的量更多，能够通过气液分离装置获得更多的产品(液化天然气)；另外，由气液分离装置分离出的需要返回原料压缩装置的气体的量较少。通过上述的结构设置，在分离节流前降低天然气的温度能够大大降低系统的能耗。

另外，根据本申请实施例的天然气液化系统还具有如下附加的技术特征：

根据本申请的一些实施例，第二管段通过预冷换热器与冷媒循环回路进行热交换，预冷换热器设置在冷箱的外部。

在上述实施方式中，预冷换热器位于冷箱的外部，第二管段被预冷换热器分为两部分，一部分位于冷箱内，一部分位于冷箱外，相当于，预冷换热器及冷媒循环回路外接于冷箱，便于预冷换热器与冷媒循环回路的安装、维护及更换。当天然气在流经第二管段时，预冷换热器的设置，为第二管段提供冷媒循环回路带来的冷量，从而提高天然气在第二管段内热交换的效率，天然气在流出第二管段时能够获得较低的温度。

根据本申请的一些实施例，冷媒循环回路上设置有冷媒压缩机、冷媒冷却器及冷媒节流阀，冷媒压缩机的冷媒入口与预冷换热器的冷媒出口相连，冷媒冷却器的冷媒入口与冷媒压缩机的冷媒出口相连，冷媒冷却器的冷媒出口与预冷换热器的冷媒入口通过冷媒节流阀相连，冷媒冷却器包括冷却介质入口和冷却介质出口，冷却介质入口与冷却介质出口分别用于与外部冷却介质相连。

在上述实施方式中，冷媒压缩机、冷媒冷却器、冷媒节流阀及预冷换热器构成的冷媒循环回路，冷媒在该循环回路中循环流动，能够为第一管段或第二管段内的天然气提供热量交换，从而对天然气进行预冷，起到对天然气降温的效果。

根据本申请的一些实施例，气液分离装置的液体出口通过第四管段与产品收集装置相连，气液分离装置的气体出口与冷箱的第二入口通过第五管段相连，冷箱的第二入口与冷箱的第二出口通过第六管段相连，冷箱的第二出口与原料压缩装置的回气口通过第七管段相连。

在上述实施方式中，气液分离装置的液体出口流出的液态天然气经第四管段进入产品收集装置，便于实现液态天然气的收集。气液分离装置的气体出口流出的气态天然气经第五管段、第六管段及第七管段回到原料压缩装置，便于实现气态天然气的回收，气态天然气回到原料压缩装置后，混合原料天然气再进行液化作业，从而进一步获得更多的液态天然气。

根据本申请的一些实施例，气液分离装置包括串联设置的多级气液分离器，每级气液分离器的液体出口与下级气液分离器通过过渡管段相连，过渡管段上设置有过渡节流阀。

在上述实施方式中，通过多级气液分离器实现多级分离，提高了分离效率及分离精度。

根据本申请的一些实施例，冷箱设置有多个第二入口和多个第二出口，每级气液分离器的气体出口与一个第二入口对应设置，原料压缩装置包括串联设置的多个压缩气缸，一个第二出口与一个压缩气缸对应设置，第二出口与对应的压缩气缸的回气口通过第七管段相连，每个压缩气缸的出口管段上设置有原料冷却器。

在上述实施方式中，每级气液分离器的气体出口对应一个第二入口，每个第二出口对应一个压缩气缸，不同压力的气态天然气回到不同的压缩气缸内，从而实现不同压力的循环天然气与对应的压缩气缸匹配，合理利用压缩气缸的功效。另外，在压缩气缸的出口设置原料冷却器，能够对压缩气缸输出的气体进行降温，避免因原料压缩装置输出的气体的温度过高，而提高冷箱的能耗。

根据本申请的一些实施例，原料压缩装置包括一台多级增压压缩机，多级增压压缩机包括串联设置的多个压缩气缸，多个压缩气缸构成多级压缩气缸。

在上述实施方式中，通过一台多级增压压缩机实现对天然气进行多级增压，提高了系统的结构紧凑性，节约安装空间。

根据本申请的一些实施例，原料压缩装置包括串联设置的多台压缩机，每台压缩机包括一个压缩气缸。

在上述实施方式中，多台压缩机的设置能够增加原料压缩装置与气液分离装置的匹配效果，便于实现对压缩机的更换与维修，提高了维修效率。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的天然气液化系统的一种结构示意图；

图2为本申请实施例提供的天然气液化系统的另一种结构示意图。

图标：100-天然气液化系统；1-原料压缩装置；11-压缩气缸；12-原料冷却器；2-冷箱；21-第一入口；22-第一出口；23-第二入口；24-第二出口；31-lng节流阀；4-气液分离装置；41-气液分离器；42-过渡管段；43-过渡节流阀；5-预冷换热器；6-冷媒循环回路；61-冷媒压缩机；62-冷媒冷却器；621-冷却介质入口；622-冷却介质出口；63-冷媒节流阀；64-第八管段；65-第九管段；66-第十管段；71-第一管段；72-第二管段；73-第三管段；74-第四管段；75-第五管段；76-第六管段；77-第七管段。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面参考图描述根据本申请一方面实施例的天然气液化系统100。

如图1所示，根据本申请实施例的天然气液化系统100，包括：原料压缩装置1、冷箱2、lng节流阀31、气液分离装置4、预冷换热器5及冷媒循环回路6。

具体而言，原料压缩装置1的作用为对天然气进行增压，从而得到高压天然气。冷箱2包括第一入口21和第一出口22，第一入口21(原料天然气或者高压常温天然气的入口)与原料压缩装置1的出口通过第一管段71相连，冷箱2的第一出口22(预冷处理后的天然气的出口)与冷箱2的第一入口21通过第二管段72相连；冷箱2的第一出口22与气液分离装置4的入口通过第三管段73相连，第三管段73上设置有lng节流阀31。原料天然气经原料压缩装置1的压缩之后经第一管段71及第一入口21进入冷箱2内；天然气在第二管段72内进行预冷，从而使得第一出口22流出的天然气具有较低的温度，冷箱2流出的低温天然气(全液态)在第三管段73内流经lng节流阀31时，高压天然气转换为低压天然气，部分液态天然气转化为气态天然气。在第一管段71或第二管段72上设置预冷换热器5，通过预冷换热器5实现第一管段71或第二管段72与冷媒循环回路6的热交换，天然气能够在预冷换热器5及冷箱2的两级预冷后获得较低的温度，从而使得天然气流出第二管段72时(进入lng节流阀31前)具有较低的温度。

根据本申请实施例的天然气液化系统100，通过第一管段71、第二管段72及第三管段73实现天然气从原料压缩装置1到气液分离装置4的输送。通过设置预冷换热器5，由于预冷换热器5与冷媒循环回路6连通，第二管段72内的天然气经预冷换热器5的一次预冷后变为低温天然气，低温天然气再在冷箱2的作用下进行二次预冷，从而比单纯依靠气态返流低温天然气(主要是甲烷气)提供冷量液化冷箱2内的原料天然气增加了制冷量(或者说降低了液化相同天然气所需的电耗)，天然气变为液态天然气。液态天然气在分离节流前具有较低的温度，在流经lng节流阀31后，由于天然气的压力由高压变为了低压，部分液态天然气转化为气态天然气(节流前天然气的温度越低，节流后得到的液态天然气的量越多)，此时流入气液分离装置4的液态天然气中掺杂较少的气态天然气。整个系统的结构设置，减少了气液分离装置4分离出的需要返回原料压缩装置1的气态天然气的量，从而降低了整个系统的能耗。增加冷媒循环回路6，进一步地降低了节流前天然气的温度。

根据本申请的一些实施例，气液分离装置4的液体出口通过第四管段74与产品收集装置相连，气液分离装置4的气体出口与冷箱2的第二入口23通过第五管段75相连，天然气在经气液分离装置4的分离后，分离出的液态天然气经第四管段74流入产品收集装置进出储存，分离出的气态天然气经第五管段75进入冷箱2。冷箱2的第二入口23与冷箱2的第二出口24通过第六管段76相连，在冷箱2的内部，一个第二入口23与一个第二出口24对应一个第六管段76，由于气液分离装置4分离出的气态天然气具有较低的温度，在冷箱2内能够进行热交换，为冷箱2提供冷能。冷箱2的第二出口24与原料压缩装置1的回气口通过第七管段77相连，气液分离装置4的气体出口流出的气态天然气经第五管段75、第六管段76及第七管段77回到原料压缩装置1，便于实现气态天然气的回收，气态天然气回到原料压缩装置1后，混合原料天然气再进行液化作业，从而进一步获得更多的液态天然气。

根据本申请的一些实施例，预冷换热器5设置于冷箱2的外部，部分第二管段72位于冷箱2的外部，如图1所示，第二管段72通过预冷换热器5与冷媒循环回路6进行热交换。预冷换热器5及冷媒循环回路6外接于冷箱2，便于预冷换热器5与冷媒循环回路6的安装、维护及更换。当天然气流经第二管段72时，天然气先在冷箱2的作用下进行一次预冷(温度变为0℃～-10℃)，天然气的温度降低，低温的天然气继续流动进入预冷换热器5进行二次预冷(温度变为-40℃～-50℃)，进一步降温的天然气继续流动进入冷箱2，在冷箱2的作用下进行三次预冷(温度变为-80～-100℃左右)，从而使得从第一出口22流出的天然气经三次预冷后具有较低的温度。预冷换热器5的设置，相当于增加了天然气的热交换流程(冷量交换，温度降低)，预冷换热器5与第二管段72进行热交换，能够合理利用冷箱2的预冷作用，提高冷箱2的使用效率。

根据本申请的一些实施例，如图2所示，第一管段71通过预冷换热器5与冷媒循环回路6进行热交换，经原料压缩装置1输出的天然气经过预冷换热器5的预冷后进入冷箱2，在冷箱2内进行热交换获得更低的温度，使得lng节流阀31分离节流后获得更多量的液态天然气。根据实际情况，选取不同的预冷换热器5的位置，从而降低整个系统的能耗。

如图1所示，冷媒循环回路6上设置有冷媒压缩机61、冷媒冷却器62及冷媒节流阀63，冷媒压缩机61的冷媒入口与预冷换热器5的冷媒出口通过第八管段64相连，冷媒冷却器62的冷媒入口与冷媒压缩机61的冷媒出口通过第九管段65相连，冷媒冷却器62的冷媒出口与预冷换热器5的冷媒入口通过第十管段66相连，冷媒节流阀63安装于在冷媒冷却器62与预冷换热器5之间的第十管段66上。冷媒冷却器62还包括冷却介质入口621和冷却介质出口622，冷却介质入口621与冷却介质出口622相连，冷却介质能够从冷却介质入口621流到冷却介质出口622，从而对冷媒冷却器62进行降温，冷却介质入口621与冷却介质出口622分别用于与外部冷却介质相连。冷却介质可以采用循环水，即冷却介质入口621与冷却介质出口622分别与冷却水箱(图中未标出)相连构成水循环回路，在冷却水箱内设置水泵，从而使得冷却水在水循环回路中循环，从而降低冷媒冷却器62的温度。冷却介质也可以采用空气，在冷却介质入口621处设置风扇(图中未标出)，风扇通电工作，对冷媒冷却器62吹风，从而通过空气在冷却介质入口621和冷却介质出口622之间流动而带动冷媒冷却器62的热量，对冷媒冷却器62进行降温。

冷媒经冷媒压缩机61的压缩后经第九管段65、冷媒冷却器62、第十管段66(冷媒节流阀63)、预冷换热器5及第八管段64后回到冷媒压缩机61，构成冷媒循环回路6，冷媒的循环流动在预冷换热器5处能够进行热交换，从而使得与预冷换热器5相连的第一管段71或第二管段72能够获得冷量，对第一管段71或第二管段72内的天然气预冷。冷媒可以采用氟利昂、丙烷、丙烯或氨等常规制冷剂，也可以是混合制冷剂(丙烷、甲烷、乙烯及氮气的混合物)，用户可以根据实际情况选取。

如图1所示，气液分离装置4包括串联设置的多级气液分离器41，每级气液分离器41的液体出口与下级气液分离器41通过过渡管段42相连，构成多级分离结构，从而使得进入气液分离装置4的天然气经过多级分离，提高了系统的分离效率及分离精度；过渡管段42上设置有过渡节流阀43，与lng节流阀31配合，使得进入每级气液分离器41的天然气都经过节流处理。

根据本申请的一些实施例，冷箱2设置有多个第二入口23和多个第二出口24，每个第二入口23与一个第二出口24通过第六管段76相连；原料压缩装置1包括串联设置的多个压缩气缸11，一个第二出口24与一个压缩气缸11对应设置，第二出口24与对应的压缩气缸11的回气口通过第七管段77相连。经气液分离装置4分离出的气态天然气经冷箱2后通过第七管段77流入原料压缩装置1，根据气态天然气的压力选取不同的压缩气缸11匹配，合理利用压缩气缸11的功效。在压缩气缸11的出口管段上设置原料冷却器12，对压缩气缸11流出的天然气进行降温，避免因原料压缩装置1输出的气体的温度过高，而提高冷箱2的能耗。

需要指出的是，原料冷却器12与冷媒冷却器62的结构原理相同，也可以采用水冷或者空冷的结构形式。

可选地，为了更好地匹配多级气液分离器41，多个压缩气缸11的数量比多级气液分离器41的数量多一个。如图1所示，气液分离装置4包括四级气液分离器41，原料压缩装置1包括五个压缩气缸11，随着天然气在气液分离装置4中的流动，第四级气液分离器41分离出的气态天然气的压力最低，故而第四级气液分离器41分离出的气态天然气输送至第二级压缩气缸11(根据原料气的流动方向，逐个区分为第一级至第五级压缩气缸11)内，第三级气液分离器41与第三级压缩气缸11匹配，第二级气液分离器41与第四级压缩气缸11匹配，第一级气液分离器41与第五级压缩气缸11匹配。在本申请的其他实施方式中，根据第四级气液分离器41分离出的气态天然气的压力，第四级气液分离器41还可以与第一级压缩气缸11匹配。

根据本申请的一些实施例，原料压缩装置1包括一台多级增压压缩机，多级增压压缩机包括串联设置的多个压缩气缸11，多个压缩气缸11构成多级压缩气缸11。通过一台多级增压压缩机实现对天然气进行多级增压，提高了系统的结构紧凑性，节约安装空间。如图1所示，原料压缩装置1包括一台五级增压压缩机，气液分离装置4的四级气液分离器41与其中的四个增压压缩气缸11匹配。

根据本申请的一些实施例，原料压缩装置1包括串联设置的多台压缩机，每台压缩机包括一个压缩气缸11，多台压缩机的设置能够增加原料压缩装置1与气液分离装置4的匹配效果，便于实现对压缩机的更换与维修，提高了维修效率。

可选地，如图2所示，原料压缩装置1包括一台两级增压压缩机，该两级增压压缩机包括串联设置的第一级增压压缩机和第二级增压压缩机，第一级增压压缩机的入口与原料天然气的气源连通。气液分离装置4包括一级气液分离器41，该一级气液分离器41分离出的气态天然气经第七管段77流入第二级增压压缩机的回气入口，与从第一级增压压缩机流出的天然气汇合进入第二级增压压缩机。根据实际工况的不同，用户可以选取不同形式的原料压缩装置1和气液分离装置4，以满足用户的不同使用需求。

下面参照附图描述根据本申请的天然气液化系统100的液化天然气流程。

如图1所示，原料气罐送出的原料气进入原料压缩装置1内，经原料压缩装置1的增压(原料冷却器12进行降温，使得天然气降至常温)，天然气变为高压常温气体，高压常温的天然气进入冷箱2，在冷箱2及预冷换热器5(冷媒循环回路6)的作用下预冷，天然气变为高压低温天然气(气液混合物)，随着天然气的流动，高压低温天然气经lng节流阀31后，天然气变为低压低温液态天然气(掺杂少量的气态天然气)，天然气进入气液分离装置4后，液态天然气流入产品收集装置储存，而分离出的气态天然气则经冷箱2后返回原料压缩装置1内，并与原料天然气混合再进行液化作业，从而进一步获得更多的液态天然气。

预冷换热器5及冷媒循环回路6的设置，增加了天然气在冷箱2的热交换效率，使得冷箱2流出的天然气具有较低的温度，在相同的能耗下，节流后得到的液体天然气的量更多，能够通过气液分离装置4获得更多的产品(液化天然气)；另外，由气液分离装置4分离出的需要返回原料压缩装置1的气体的量较少。通过上述的结构设置，在分离节流前降低天然气的温度能够大大降低系统的能耗。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。

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