混合冷劑兩路節流的單循環天然氣液化裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種混合冷劑兩路節流的單循環天然氣液化裝置，包括冷箱，冷箱中設置有板翅式換熱器，板翅式換熱器具有相互獨立的天然氣預冷通道、天然氣液化過冷通道、重冷劑返流通道、低壓冷劑返流通道、液相冷劑預冷通道、高壓冷劑預冷通道；重冷劑返流通道、低壓冷劑返流通道、液相冷劑預冷通道及高壓冷劑預冷通道形成一冷劑循環系統；冷劑循環系統內采用混合冷劑作為液化循環的工質。本實用新型可以在提高液化裝置熱效率、降低單位產品功耗的同時省去了通常的單循環混合冷劑天然氣液化裝置中必備的混合冷劑泵。
【專利說明】
混合冷劑兩路節流的單循環天然氣液化裝置
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種天然氣液化設備，具體涉及一種混合冷劑兩路節流的單循環 天然氣液化裝置。
【背景技術】
[0002] 近年來，液化天然氣(LNG)產業在世界范圍內快速發展，僅在中國先后有超過數十 個LNG液化裝置建成投產，這些裝置從不到10萬標方/天到500萬標方/天規模不等。從裝置 選擇的液化流程上來，從N2或是甲烷膨脹機循環、單回路混合冷劑循環到傳統的級聯式循 環等都有采用。不同的液化流程主要體現在不同的冷劑循環回路和流程設備的配置上，而 該配置將對液化裝置的熱力循環效率、設備布置、裝置對氣源的適應性、裝置的可靠性、操 作彈性及穩定性、以及固定投資費用均產生影響。一般而言，隨著液化流程復雜程度的增 加，LNG的比能耗會下降，運行成本會下降；而流程設備數量的增加以及流程回路的增加會 造成固定設備投資費用增加，因而增加了單位產品的成本。因此，液化流程的選擇要結合原 料氣條件，綜合考慮裝置循環效率、設備投資和裝置操作性及長期運行成本等各種因素，例 如比能耗、流程復雜性以及可靠性的影響。對于基本負荷型LNG工廠，近幾年海外新建裝置 的發展趨勢是裝置規模更加大型化，其單線產能鮮有200萬噸/年以下的。對于這一類型的 裝置，多級復疊的丙烷預冷循環與多組分混合冷劑循環相結合的工藝由于較好的能耗指標 和成熟的工程化應用使得其成為首選的液化技術。但是，由于其復雜的回路配置、更大的占 地面積及極高的投資規模使得其在單線產能100萬噸/年以下的裝置中從未采用。而在中國 近幾年新建裝置的發展趨勢上看(單線規模全在50萬噸/年以下），對于這種規模的裝置，從 全世界的范圍來看，單循環混合制冷劑循環工藝(SMR)由于工藝簡單、裝置工程化應用成熟 及能耗相對合理等優點而成為世界及中國已建和在建中小型天然氣液化裝置的主要選項， 其中的單回路混合冷劑整體循環液化工藝由于具有數個工程化應用而在中國的LNG裝置中 得到了較多的應用。
[0003] 如圖1所示，單回路混合冷劑整體循環液化工藝屬于單循環混合制冷工藝（SMR)， 制冷劑由氮氣、甲烷、乙烯、丙烷及異戊烷按一定比例混合而成，混合冷劑采用兩段壓縮，冷 劑換熱器(冷箱)采用鋁制釬焊板翅式換熱器芯體。
[0004] 混合冷劑的循環為:來自冷劑吸入罐的混合冷劑(T = 23 °C，P = 0.26MPa)經冷劑壓 縮機一段壓縮后(T = 127°C，P = 1.64MPa)，依次進入一段冷卻器、分離器進行冷卻，分離為 氣相冷劑和低壓液相冷劑;氣相冷劑進入冷劑壓縮機二段進行再壓縮至4MPa，低壓液相冷 劑經栗送至二段冷卻器前與高壓高溫冷劑混合，再依次進入二段冷卻器、分離器進行冷卻， 分離為氣相冷劑和高壓液相冷劑;氣相冷劑直接進入冷箱C通道頂部入口，高壓液相冷劑經 栗增壓后亦進入冷箱C通道頂部與氣相冷劑匯合，形成氣液混合冷劑;常溫、高壓的氣液混 合冷劑在向下流動的過程中被逐步冷卻、相變，在冷箱底部J-T閥前冷凝成液相后經過J-T 閥進行節流膨脹，節流后的部分冷劑蒸發并產生溫降后返回進入冷箱D通道底部；同時，在 向上流動的過程中吸收原料氣和高壓冷劑側的熱負荷逐步升溫氣化，在冷箱頂部保證混合 冷劑氣化后經冷劑吸入罐后返回到壓縮機一段入口，完成整個混合冷劑循環過程。
[0005] 凈化后的常溫天然氣、中壓（約4MPa左右)進入冷箱上段(通道A)預冷后引至重烴 分離罐進行重組分分離后，返回至冷箱下段(通道B)逐步被液化及過冷，在冷箱B通道底部 引出冷箱，經壓力控制閥降壓后引至LNG儲罐常壓低溫儲存。
[0006] 單回路混合冷劑整體循環液化工藝的特點在于:其單個換熱器芯體采用一個回路 及一個J-T閥，在回路中，混合制冷劑經過兩級壓縮及部分冷凝后，高壓的氣相及液相冷劑 經各自的管路進入冷箱后在主換熱器內部混合，之后經過該單一的冷箱換熱器通道預冷、 經J-T閥膨脹節流后，低壓混合冷劑經冷箱換熱器返流通道吸熱升溫后返流主冷劑壓縮機 吸氣端，其制冷劑的基本組成為氮氣、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷的混合物。該工藝的優點是： 冷箱主換熱器結構簡單，當原料天然氣組分及其他主要運行參數與設計值較一致時能耗數 據相對于裝置投資也較為合理。
[0007] 但是該工藝存在以下不足之處：
[0008] 1、缺乏直接的物理手段對冷箱主換熱器的冷卻"溫度區間"進行調節，以使得升溫 曲線更佳的匹配降溫曲線從而降低功耗;這一點在實際運行工況偏離設計值時尤其明顯： 如環境或是冷卻介質溫度發生明顯變化，或是原料氣組分、壓力等發生變化而需要重新匹 配冷熱負荷時，此時的冷劑組分及氣液相循環量等運行參數都會偏離設計值，因而需要重 新優化以降低單位產品運行功耗。由于該工藝冷劑氣液相在同一個換熱器芯體通道內內預 冷、節流膨脹后升溫提供冷量，其主冷箱換熱器內部各部分冷熱流體間的換熱溫差很難以 直觀的手段準確控制，而這一點在換熱器熱端尤其明顯，其對應的結果是在偏離設計點工 況下冷箱上部換熱熱力學不可逆損失(火用損失）增加，造成壓縮機功耗增加，折算為單位 產品能耗增加，裝置0ΡΕΧ上升。這一問題可從目前多個運行的裝置中的數據對比中得到證 實。
[0009] 2、同樣由于高壓氣液相冷劑進入冷箱后在主換熱器內同一通道混合的原因，單回 路混合冷劑整體循環工藝無可避免地需要引入高壓混合冷劑栗及級間冷劑栗共計至少四 臺動設備。這會帶來以下的問題：（1)對整個裝置的可靠性帶來不利影響；意外原因（可能僅 是單純的儀表故障)造成的冷劑栗尤其是高壓段冷劑栗聯鎖停車會對裝個裝置帶來嚴重影 響：由于所有進入循環的液相冷劑都是通過該栗進入主冷箱換熱器，突然停栗會使得系統 的液相冷劑供應立即停止，而熱負荷無法快速匹配冷劑循環的這一瞬間變化，會造成"冷 箱"內的"持液"迅速大量蒸發，換熱器內部溫度劇烈變化并迅速升溫，大量過熱狀態的冷劑 使得冷劑壓縮機入口壓力快速上升直至壓縮機驅動機過載保護停車，同時冷箱換熱器則需 要經受由于短時間的溫度劇烈變化造成的熱應力沖擊而增加了設備損壞的潛在風險。這一 問題已在國內多個采用該工藝的裝置中發生過，而且其過程通常可能在幾分鐘間完成，這 使得即使以可能達到的最快速度現場排除停栗故障，重新啟動（同樣的錯誤聯鎖使得備用 栗啟動存在同樣的問題)冷劑栗也無法跟上系統的快速響應，使得該冷劑栗成為系統非正 常停車的一個常見的故障源之一，從而影響了整個裝置的可靠性；（2)由于該冷劑栗的介質 是飽和狀態下的液化烴，出于防止"氣蝕"等考慮，這些栗都對安裝高度等有嚴苛的要求，其 結果是高壓及段間的冷劑罐的安裝高度相應提高，重力自流的要求使得壓縮機級間及高壓 冷劑冷凝器及壓縮機本身的安裝高度都需要提高，這無疑增加了裝置立面布置的難度及抬 高了安裝結構的造價，這一問題在海上浮式天然氣液化(FLNG)的布置方面會更加突出；（3) 對裝置試車及裝置的現場安全造成不利影響；這些冷劑栗結構上都采用多級立式結構，因 而多級的葉輪均安裝在地坪下"筒"內，這些低點往往會成為系統干燥吹掃時的"死區"及污 染源而加大公用系統的消耗及影響開車進度;此外，清潔度的要求需要在栗入口安裝法蘭 連接的短節，這無疑引入了液化烴的潛在泄露點而給裝置安全性帶來不利影響。
[0010] 3、單回路混合冷劑整體循環工藝在設計負荷及工況下冷箱換熱器內的兩相流動 穩定有效，即高壓側順重力而行，J-T閥后低壓側相變及逐步氣化返流。但是動態地來看，尤 其對于冷箱中多芯體并列聯接的裝置而言，冷劑穩定連續的流動并非總能得以保證，在裝 置低負荷時尤其如此。這一點可以通過國內多個有多換熱器芯體冷箱的裝置開車過程中發 生的換熱器芯體"淹沒"現象來說明：隨開車過程的進行，各個主換熱器芯體逐步冷卻，各J-T閥前后溫度降低到特定工藝要求值時，需要引入液相冷劑進入循環，但是此時混合介質本 身組分的變化及介質流動(低負荷下受壓縮機防喘振閥動作影響使得進入"大回路"的冷劑 循環量與J-T的調控關系變得復雜，而前者通常是獨立于工藝控制，僅取決于壓縮機喘振特 性曲線）和換熱的相互作用使得系統動態變得復雜，此時進入換熱器中的液相重組分的量 是成為關鍵的敏感因素，而目前該工藝缺乏直接的手段對開車過程中進入各個換熱器芯體 的該流量進行準確預測。其結果是在低負荷下由于"過量"的液相冷劑進入換熱器，卻由于 缺乏合適的換熱流動條件返回壓縮機入口，造成重冷劑"滯留"換熱器內部無法帶出，低壓 側冷劑通道流動阻力大大增加，流動急劇惡化，在極端情況下換熱器芯體內溫度梯度消失， J-T閥后無相變發生，此時J-T閥開度完全失去調節作用，大量液相冷劑"滯留"換熱器芯體 內，即發生通常操作人員所說的換熱器芯體被"淹沒"。需要指出的一點是該問題在多換熱 器芯的冷箱裝置中會更加突出。究其原因，是由于盡管設計中可以采用對稱布局等考慮，但 是真正做到到各個芯體的管路及附件系統阻力特性完全一樣在實際裝置中比較困難，此 外，由于各個芯體的最終的冷劑流量控制主要取決于各自單一的J-T閥，因而各個芯體冷卻 同步的差異也會改變整個系統的動態特性。這些因素都會造成(尤其在低負荷，低液相冷劑 流量下）的"偏流"現象，也即冷劑分布問題，這在一定程度也是造成換熱器"淹沒"的原因之 〇
[0011] 冷箱換熱器"淹沒"造成冷卻進程停滯，壓縮機自循環而無謂耗功，而在流動情況 改善時又會由于瞬時的循環量大大增加造成換熱器快速降溫，從而增加了設備損壞的潛在 風險。這些問題在裝置初次開車時由于缺乏對系統實際動態特性的掌握而更加突出，這會 使得裝置開車難度提高，同時使得裝置低負荷下運行穩定性變差。 【實用新型內容】
[0012] 本實用新型所要解決的技術問題是提供一種混合冷劑兩路節流的單循環天然氣 液化裝置，它可以提高整體循環的熱效率，降低冷劑壓縮機功耗;省去所有用于液相混合冷 劑輸送的冷劑栗;提高整個裝置的安全性、可靠性及降低設備布置難度及開車難度。
[0013] 為解決上述技術問題，本實用新型混合冷劑兩路節流的單循環天然氣液化裝置的 技術解決方案為：
[0014] 包括冷箱50,冷箱50中設置有板翅式換熱器，板翅式換熱器具有相互獨立的天然 氣預冷通道41、天然氣液化過冷通道45、重冷劑返流通道32、低壓冷劑返流通道37、液相冷 劑預冷通道28、高壓冷劑預冷通道52;所述天然氣預冷通道41的出口端通過管線連接重烴 分離罐43的入口；重烴分離罐43的頂部出口通過管線連接所述天然氣液化過冷通道45的入 口端，天然氣液化過冷通道45的出口端通過管線連接壓力調節閥47的入口端;所述低壓冷 劑返流通道37出口端的管線與重冷劑返流通道32出口端的管線匯合后通過管線連接冷劑 壓縮機分離罐10;冷劑壓縮機分離罐10的頂部通過管線連接一級冷劑壓縮機12的入口； 一 級冷劑壓縮機12的出口通過管線連接壓縮機級間冷卻器14的入口，壓縮機級間冷卻器14的 出口端的管線與壓力調節閥24出口端的管線匯合后通過管線連接混合冷劑級間分離罐16 的入口；混合冷劑級間分離罐16的頂部出口通過管線連接二級冷劑壓縮機18的入口，二級 冷劑壓縮機18的出口通過管線連接混合冷劑高壓冷凝器20的入口，混合冷劑高壓冷凝器20 的出口通過管線連接混合冷劑高壓冷凝罐22的入口；混合冷劑級間分離罐16的底部出口通 過管線連接液相冷劑預冷通道28的入口端，液相冷劑預冷通道28的出口端通過管線連接液 相冷劑J-T閥30的入口端，液相冷劑J-T閥30的出口端通過管線連接重冷劑返流通道32的入 口端;混合冷劑高壓冷凝罐22的頂部出口通過管線連接高壓冷劑預冷通道52的入口端，高 壓冷劑預冷通道52的出口端通過管線連接氣相冷劑J-T閥35的入口端，氣相冷劑J-T閥35的 出口端通過管線連接低壓冷劑返流通道37的入口端;混合冷劑高壓冷凝罐22的底部出口通 過管線連接壓力調節閥24的入口端;從而使重冷劑返流通道32、低壓冷劑返流通道37、液相 冷劑預冷通道28及高壓冷劑預冷通道52形成一冷劑循環系統;冷劑循環系統內采用混合冷 劑作為液化循環的工質。
[0015]所述一級冷劑壓縮機12的入口吸氣的熱力學狀態為溫度20±5°C，壓力2.5土 0 · 5bar; -級冷劑壓縮機12的排氣壓力為17~20bar。
[0016] 所述二級冷劑壓縮機18的排氣壓力為37~42bar。
[0017] 所述壓縮機級間冷卻器14的冷卻形式為水冷、空冷、蒸發式空冷或混合式。
[0018] 所述混合冷劑高壓冷凝器20的冷卻形式為水冷、空冷、蒸發式空冷或混合式。
[0019]所述壓力調節閥47的出口端通過管線連接LNG儲存單元。
[0020]所述冷箱50為膨脹珍珠巖保冷冷箱。
[0021] 本實用新型可以達到的技術效果是：
[0022] 本實用新型通過改進的混合冷劑組成及液化系統參數的優化，可以在提高液化裝 置熱效率、降低單位產品功耗的同時省去了通常的單循環混合冷劑天然氣液化裝置中必備 的混合冷劑栗，即簡化裝置配置(降低CAPEX)的同時也節省了運行成本(降低0ΡΕΧ)。
[0023] 本實用新型利用兩段節流單循環混合冷劑回路，有助于解決現有的單回路混合冷 劑整體循環工藝液化裝置開車可能出現的換熱器"淹沒"及可能的可靠性下降等缺點，提高 了裝置的安全性、可操作性及在線率。由于省去了多臺對安裝條件及運行工況要求苛刻的 冷劑多級離心栗，減少了動設備臺數，裝置布置方面可以更加簡潔緊湊，使得該實用新型在 設備布置、安裝空間受限的裝置(如海上浮式LNG裝置等)方面具有獨特的優勢。
[0024] 本實用新型在冷箱內板翅式換熱器的熱端設立單獨的一級"重冷劑"節流，這就從 根本上杜絕了高壓氣液相冷劑進入冷箱后在主換熱器內同一通道混合這一問題，使得多數 的重冷劑無需進入換熱器冷端深冷部分，同時結合冷劑組分優化，可以使得冷劑換熱曲線 在換熱器熱端也更好的匹配熱流體曲線。其意義在于，通過主冷箱換熱器熱端部分的直接 的調節手段即獨立的冷箱換熱器通道及單獨的J-T閥與冷劑組分調整相結合，可以在降低 主壓縮機功耗的同時(冷劑壓縮機功耗節省2%以上）省去所有的冷劑栗(包括級間栗及增 壓栗），因而各個栗及所有與其相連接的控制回路、管路及管件等全部省去，各栗所消耗的 用電消耗也全部省去。同時由于來自冷劑栗的液化烴泄露點等不在存在，裝置的安全性也 得到改善。這些對全工廠的安全高效生產、提高經濟效益、節約資源等都具有重要意義。
【附圖說明】
[0025] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明：
[0026] 圖1是現有技術單回路混合冷劑整體循環液化工藝的流程示意圖；
[0027] 圖2是本實用新型混合冷劑兩路節流的單循環天然氣液化裝置的示意圖。
[0028]圖中附圖標記說明：
[0029] 10為冷劑壓縮機分離罐，
[0030] 11為第一管線， 12為一級冷劑壓縮機，
[0031] 13為第一非低溫管線， 14為壓縮機級間冷卻器，
[0032] 15為第二管線， 16為混合冷劑級間分離罐，
[0033] 17為第一常溫管線， 18為二級冷劑壓縮機，
[0034] 19為第二非低溫管線， 20為混合冷劑高壓冷凝器，
[0035] 21為第二常溫管線， 22為混合冷劑高壓冷凝罐，
[0036] 23為第三常溫管線， 24為壓力調節閥，
[0037] 25為第三管線， 26為第四管線，
[0038] 27為第四常溫管線， 28為液相冷劑預冷通道，
[0039] 29為第一低溫管線， 30為液相冷劑J-T閥，
[0040] 31為第二低溫管線， 32為重冷劑返流通道，
[00411 33為第五常溫管線， 34為第三低溫管線，
[0042] 35為氣相冷劑J-T閥， 36為第四低溫管線，
[0043] 37為低壓冷劑返流通道， 38為第六常溫管線，
[0044] 39為第七常溫管線， 40為第八常溫管線，
[0045] 41為天然氣預冷通道， 42為第五管線，
[0046] 43為重烴分離罐， 44為第五低溫管線，
[0047] 45為天然氣液化過冷通道，46為第六低溫管線，
[0048] 47為壓力調節閥， 48為第七低溫管線，
[0049] 49為第八低溫管線， 50為冷箱，
[0050] 51為第六管線， 52為高壓冷劑預冷通道。
【具體實施方式】
[0051] 如圖2所示，本實用新型混合冷劑兩路節流的單循環天然氣液化裝置，包括膨脹珍 珠巖保冷冷箱50,冷箱50中設置有板翅式換熱器，板翅式換熱器具有相互獨立的天然氣預 冷通道41、天然氣液化過冷通道45、重冷劑返流通道32、低壓冷劑返流通道37、液相冷劑預 冷通道28、高壓冷劑預冷通道52;
[0052]天然氣預冷通道41的入口端連接第八常溫管線40，天然氣預冷通道41的出口端通 過第五管線42連接重烴分離罐43的入口；
[0053]重烴分離罐43的底部出口連接第七低溫管線48的入口端，第七低溫管線48的出口 端連接后續處理設備；重烴分離罐43的頂部出口連接第五低溫管線44的入口端，第五低溫 管線44的出口端連接天然氣液化過冷通道45的入口端，天然氣液化過冷通道45的出口端經 第六低溫管線46連接壓力調節閥47的入口端，壓力調節閥47的出口端經第八低溫管線49連 接LNG儲存單元；
[0054]低壓冷劑返流通道37的出口端連接第六常溫管線38的入口端，第六常溫管線38的 出口端與第五常溫管線33的出口端匯合后連接第七常溫管線39的入口端;第七常溫管線39 的出口端連接冷劑壓縮機分離罐10;
[0055]冷劑壓縮機分離罐10的頂部通過第一管線11連接一級冷劑壓縮機12的入口； 一級 冷劑壓縮機12的出口經第一非低溫管線13連接壓縮機級間冷卻器14的入口，壓縮機級間冷 卻器14的出口連接第二管線15的入口端，第二管線15的出口端與第三管線25的出口端匯合 后，經第六管線51連接混合冷劑級間分離罐16的入口；
[0056] 一級冷劑壓縮機12的入口吸氣的熱力學狀態為溫度約20 °C，壓力約2 · 5bar; -級 冷劑壓縮機12的排氣壓力為17~20bar;
[0057]冷劑壓縮機分離罐10用于分離非正常工況下的混合冷劑低壓返流中的液體夾帶； [0058]混合冷劑級間分離罐16的頂部出口經第一常溫管線17連接二級冷劑壓縮機18的 入口，二級冷劑壓縮機18的出口經第二非低溫管線19連接混合冷劑高壓冷凝器20的入口， 混合冷劑高壓冷凝器20的出口經第二常溫管線21連接混合冷劑高壓冷凝罐22的入口； [0059]二級冷劑壓縮機18的排氣壓力為37~42bar;
[0060] 混合冷劑級間分離罐16的底部出口經第四常溫管線27連接液相冷劑預冷通道28 的入口端，液相冷劑預冷通道28的出口端經第一低溫管線29連接液相冷劑J-T閥30的入口 端，液相冷劑J-T閥(焦耳-湯姆遜節流膨脹閥）30的出口端經第二低溫管線31連接重冷劑返 流通道32的入口端，重冷劑返流通道32的出口端連接第五常溫管線33的入口端；
[0061] 混合冷劑高壓冷凝罐22的頂部出口經第四管線26連接高壓冷劑預冷通道52的入 口端，高壓冷劑預冷通道52的出口端經第三低溫管線34連接氣相冷劑J-T閥35的入口端，氣 相冷劑J-T閥35的出口端經第四低溫管線36連接低壓冷劑返流通道37的入口端；
[0062]混合冷劑高壓冷凝罐22的底部出口通過第三常溫管線23連接壓力調節閥24的入 口，壓力調節閥24的出口連接第三管線25的入口端。
[0063] 本實用新型中，混合冷劑級間分離罐16與混合冷劑高壓冷凝罐22之間的所有液相 輸送均不需要混合冷劑栗。
[0064] 本實用新型的整個混合冷劑循環回路中有兩個J-T閥30、35(即混合冷劑級間分離 罐16的液相冷劑J-T閥30和混合冷劑高壓冷凝罐22的氣相冷劑J-T閥35)，經過兩個J-T閥 30、35節流后的低壓混合冷劑經各自的返流通道28、37返流吸熱后在填充有膨脹珍珠巖的 保冷冷箱50外（即第七常溫管線39)進行混合，之后返回一級冷劑壓縮機12的入口側的混合 冷劑級間分離罐16。
[0065] 本實用新型天然氣液化方法包括以下步驟：
[0066]第一步，天然氣的預處理；
[0067]對以甲烷為主要組分的原料天然氣進行預處理，脫除其中的酸性氣、水分、汞等雜 質組分，得到合格的干燥凈化天然氣；
[0068]第二步，天然氣的氣液相分離；
[0069] 使經過預處理的天然氣在溫度約35°C、壓力約42bar(此溫度、壓力范圍可在較大 的范圍內變化）的條件下，從第八常溫管線40進入膨脹珍珠巖保冷冷箱50中的板翅式換熱 器的天然氣預冷通道41，天然氣在天然氣預冷通道41內被預冷至-50~-70°C，經過第五管 線42進入重烴分離罐43，在重烴分離罐43內進行天然氣的氣液相分離；
[0070] 可以根據凈化合格的原料天然氣的組分，調節重烴分離罐43內的天然氣預冷溫度 來實現原料天然氣"重經"組分的脫除，以防止出現低溫段換熱器"凍堵"的現象；
[0071] 第三步，天然氣的氣液相處理；
[0072] 液相處理:重烴分離罐43內的液相天然氣（即液態烴)從重烴分離罐43底部的第七 低溫管線48流出;根據原料天然氣的具體情況及規格要求，再進行升溫、閃蒸或精餾等后續 處理；
[0073]氣相處理:重烴分離罐43內的氣相天然氣（即脫除了 "重組分"的氣相)從重烴分離 罐43頂部的第五低溫管線44流出后，進入冷箱50中的板翅式換熱器的天然氣液化過冷通道 45,在天然氣液化過冷通道45內被進一步冷卻、液化及過冷至溫度約-152°C、壓力約41bar (視具體項目要求及組分等參數優化情況而可細微調整以達最優）；之后經第六低溫管線46 流出，經壓力調節閥47降壓至約1. lbar后，再經第八低溫管線49流出液化裝置，最后進入 LNG儲存單元。
[0074]本實用新型中冷劑循環的流程如下：
[0075]冷箱50中的低壓冷劑返流通道37內返流的混合冷劑在溫度約21°C，壓力約2.5bar 經第七常溫管線39進入冷劑壓縮機分離罐10,在冷劑壓縮機分離罐10內分離可能存在的液 相（正常工況下為全氣相，非正常工況下才可能有低壓冷劑返流液相夾帶發生）后，經第一 管線11進入一級冷劑壓縮機12,此時混合冷劑的溫度約20°C，壓力約2.5bar;混合冷劑經一 級冷劑壓縮機12壓縮至排氣壓力在17~20bar之間(視工藝參數優化結果而定）；
[0076] 經過一級壓縮后的混合冷劑經第一非低溫管線13進入壓縮機級間冷卻器14,由壓 縮機級間冷卻器14冷卻至約33°C(可根據實際工程項目現場條件而改變），之后經第二管線 15進入混合冷劑級間分離罐16進行混合冷劑的氣液分離；
[0077] 壓縮機級間冷卻器14可采用水冷、空冷、蒸發式空冷或混合式等各種形式；
[0078]本實用新型采用混合冷劑作為液化循環的工質;混合冷劑由甲烷、氮氣、乙烯或乙 烷、丙烷及正丁烷等組成;各組分的摩爾含量則由原料天然氣的組分及項目現場條件等參 數進行整體優化后選定;其中，甲烷在15~40 %之間，氮氣在1~13 %之間，乙烯在20~40% 之間，乙烷特性區別于乙烯，需結合具體項目實際來綜合確定，丙烷在15~35%之間，正丁 烷在15~35%之間；
[0079] 混合冷劑級間分離罐16中的氣相冷劑（占總冷劑循環量的大多數)經第一常溫管 線17進入二級冷劑壓縮機18,由二級冷劑壓縮機18壓縮至排氣壓力為37~42bar(需結合具 體項目實際的整體參數優化結果來確定該排氣壓力最優值）；
[0080] 經過二級壓縮后的混合冷劑經第二非低溫管線19進入混合冷劑高壓冷凝器20,由 混合冷劑高壓冷凝器20冷卻至約33°C (該溫度可根據實際工程項目現場條件而改變）；之后 經第二常溫管線21進入混合冷劑高壓冷凝罐22,在混合冷劑高壓冷凝罐22中進行混合冷劑 的二次氣液分離；
[0081]混合冷劑高壓冷凝器20可采用水冷、空冷、蒸發式空冷或混合式等各種形式；
[0082]混合冷劑高壓冷凝罐22中的液相冷劑進入第三常溫管線23,流經壓力調節閥24 后，壓力降至17~20bar(根據二級冷劑壓縮機18的排氣壓力變化而變化），然后進入第三管 線25,與來自壓縮機級間冷卻器14的冷劑混合后，經第六管線51再次進入混合冷劑級間分 離罐16進行氣液分離；
[0083]第六管線51中的介質為混合了來自第三管線25的經過二級冷劑壓縮機18壓縮后 并在混合冷劑高壓冷凝罐22中冷凝的液相冷劑；
[0084]混合冷劑級間分離罐16中的液相冷劑經第四常溫管線27進入冷箱50中的板翅式 換熱器的液相冷劑預冷通道28，液相冷劑在液相冷劑預冷通道28內被預冷至-38 °C~-45 °C、壓力約16bar下（需結合具體項目實際的整體參數優化結果來確定該溫度、壓力最優值） 出冷箱50,從第一低溫管線29經液相冷劑J-T閥30節流至約2.8bar，然后經第二低溫管線31 返回冷箱50中的板翅式換熱器的重冷劑返流通道32,升溫、氣化吸熱后經第五常溫管線33 與來自低壓冷劑返流通道37的返流冷劑相混合；
[0085]混合冷劑高壓冷凝罐22中的氣相冷劑經第四管線26進入冷箱50中的板翅式換熱 器的高壓冷劑預冷通道52,經高壓冷劑預冷通道52被預冷至約-152Γ (視組分等參數優化 情況而可細微調整以達最優），后經第三低溫管線34通過氣相冷劑J-T閥35節流至約3.3bar 后，經第四低溫管線36返回冷箱50中的板翅式換熱器的低壓冷劑返流通道37,升溫、氣化吸 熱后出冷箱50并進入第六常溫管線38,然后與來自第五常溫管線33的低壓返流重冷劑混合 后，經第七常溫管線39返回冷劑壓縮機分離罐10,完成混合冷劑的熱力循環過程;此時冷劑 全部為氣態，熱力學狀態為溫度約21°C，壓力約2 · 5bar。
[0086] 實施例
[0087] 以中國內蒙古某日處理量約為100萬標方/天的天然氣液化裝置為例來進行單回 路混合冷劑整體循環液化工藝與本實用新型混合冷劑兩路節流的單循環液化工藝的性能 比較：
[0088]該處原料天然氣的進氣溫度為38°C、壓力45bar，原料天然氣的摩爾組分為：甲烷 95.5 %、乙烷0.73%、丙烷0.13 %、異丁烷0.12%、正丁烷0.055 %、正戊烷450ppm、異戊烷 198ppm及C6+(含C6及芳經）的重組分1200ppm;對于該原料天然氣，兩種液化工藝的性能比 對結果如表1所示：
[0089]
[0090] 表 1
[0091] 綜合分析以上工程案例不難發現，本實用新型有以下不可替代的優點：
[0092] 1、通過主冷箱換熱器熱端部分的直接的調節手段即獨立的冷箱換熱器通道及單 獨的J-T閥與冷劑組分優化相結合，可以降低主壓縮機功耗2%以上；
[0093] 2、從根本上杜絕了高壓氣、液相冷劑進入冷箱后在主換熱器內同一通道混合這一 問題，從而可以省去所有的冷劑栗(包括級間栗及增壓栗），因而各個栗及所有與其相連接 的控制回路、管路及管件(及其產生的潛在泄露點）等全部省去，各栗所消耗的用電也全部 省去;這一方面降低了裝置的投資，也可節省運行費用，同時增加了裝置的安全性；
[0094] 3、單獨的液相冷劑換熱通道和J-T閥設置可以幫助杜絕單回路混合冷劑整體循環 工藝中開車過程中可能出現的混合冷劑兩相流動、換熱惡化造成的換熱器"淹沒"問題，降 低了開車難度及對換熱器設備潛在損壞的風險；
[0095] 4、省去了四臺液態飽和烴的多級離心栗，使得整個裝置的可靠性得以提高，減少 了可能的意外停車；同時降低了整個裝置立面布置的難度及所需的鋼結構，可以使整個裝 置布置更加簡潔、緊湊且安全;這一點對于對設備布置、安裝空間受限的裝置(如海上浮式 LNG裝置等)有著重要意義。
【主權項】
1. 一種混合冷劑兩路節流的單循環天然氣液化裝置，其特征在于:包括冷箱(50)，冷箱 (50)中設置有板翅式換熱器，板翅式換熱器具有相互獨立的天然氣預冷通道(41)、天然氣 液化過冷通道（45)、重冷劑返流通道（32)、低壓冷劑返流通道（37)、液相冷劑預冷通道 (28)、高壓冷劑預冷通道(52); 所述天然氣預冷通道(41)的出口端通過管線連接重烴分離罐(43)的入口；重烴分離罐 (43)的頂部出口通過管線連接所述天然氣液化過冷通道(45)的入口端，天然氣液化過冷通 道(45)的出口端通過管線連接壓力調節閥(47)的入口端； 所述低壓冷劑返流通道(37)出口端的管線與重冷劑返流通道(32)出口端的管線匯合 后通過管線連接冷劑壓縮機分離罐(10);冷劑壓縮機分離罐（10)的頂部通過管線連接一級 冷劑壓縮機(12)的入口；一級冷劑壓縮機(12)的出口通過管線連接壓縮機級間冷卻器(14) 的入口，壓縮機級間冷卻器(14)的出口端的管線與壓力調節閥（24)出口端的管線匯合后通 過管線連接混合冷劑級間分離罐（16)的入口；混合冷劑級間分離罐（16)的頂部出口通過管 線連接二級冷劑壓縮機（18)的入口，二級冷劑壓縮機(18)的出口通過管線連接混合冷劑高 壓冷凝器(20)的入口，混合冷劑高壓冷凝器(20)的出口通過管線連接混合冷劑高壓冷凝罐 (22)的入口；混合冷劑級間分離罐(16)的底部出口通過管線連接液相冷劑預冷通道(28)的 入口端，液相冷劑預冷通道(28)的出口端通過管線連接液相冷劑J-T閥（30)的入口端，液相 冷劑J-T閥（30)的出口端通過管線連接重冷劑返流通道(32)的入口端;混合冷劑高壓冷凝 罐(22)的頂部出口通過管線連接高壓冷劑預冷通道(52)的入口端，高壓冷劑預冷通道(52) 的出口端通過管線連接氣相冷劑J-T閥（35)的入口端，氣相冷劑J-T閥（35)的出口端通過管 線連接低壓冷劑返流通道(37)的入口端;混合冷劑高壓冷凝罐(22)的底部出口通過管線連 接壓力調節閥（24)的入口端;從而使重冷劑返流通道(32)、低壓冷劑返流通道(37)、液相冷 劑預冷通道(28)及高壓冷劑預冷通道(52)形成一冷劑循環系統;冷劑循環系統內采用混合 冷劑作為液化循環的工質。2. 根據權利要求1所述的混合冷劑兩路節流的單循環天然氣液化裝置，其特征在于:所 述一級冷劑壓縮機（12)的入口吸氣的熱力學狀態為溫度20 ± 5°C，壓力2 · 5 ±0 · 5bar; -級 冷劑壓縮機(12)的排氣壓力為17~20bar。3. 根據權利要求1所述的混合冷劑兩路節流的單循環天然氣液化裝置，其特征在于:所 述二級冷劑壓縮機(18)的排氣壓力為37~42bar。4. 根據權利要求1所述的混合冷劑兩路節流的單循環天然氣液化裝置，其特征在于:所 述壓縮機級間冷卻器(14)的冷卻形式為水冷、空冷、蒸發式空冷或混合式。5. 根據權利要求1所述的混合冷劑兩路節流的單循環天然氣液化裝置，其特征在于:所 述混合冷劑高壓冷凝器(20)的冷卻形式為水冷、空冷、蒸發式空冷或混合式。6. 根據權利要求1所述的混合冷劑兩路節流的單循環天然氣液化裝置，其特征在于:所 述壓力調節閥(47)的出口端通過管線連接LNG儲存單元。7. 根據權利要求1所述的混合冷劑兩路節流的單循環天然氣液化裝置，其特征在于:所 述冷箱(50)為膨脹珍珠巖保冷冷箱。
【文檔編號】F25J1/02GK205593290SQ201620206031
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年3月17日
【發明人】楊曉東, 楊德譜
【申請人】楊曉東, 楊德譜