CN101644527B - 天然气液化工艺的制冷系统和液化系统 - Google Patents

天然气液化工艺的制冷系统和液化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天然气液化工艺的制冷系统和液化系统：包括原料天然气预冷换热器以及实现原料天然气液化和过冷的主低温换热器(液化换热器和过冷换热器)，所述的预冷换热器、液化换热器和过冷换热器全部采用由几个板翅式换热单元并联组成的换热系统。本发明的天然气液化工艺的制冷系统和液化系统采用板翅式换热器具有：高效紧凑，传热效率高，传热温差小，重量轻，在单位体积内有较大的换热面积等优点；同时在一个换热单元内可以布置多达15股以上的物流等优点。

Description

天然气液化工艺的制冷系统和液化系统
技术领域
本发明涉及天然气液化的生产设备，尤其是一种天然气液化工艺的制冷系统和液化系统。
背景技术
二十世纪70年代以来基本负荷型LNG装置广泛采用丙烷预冷的混合冷剂液化工艺，其中丙烷预冷采用三级预冷三级丙烷预冷系统要采用多达6台以上的管壳式换热器预冷NG（天然气）和混合冷剂。这样的设备存在以下缺点：占地面积大，系统复杂。
天然气液化和过冷采用绕管式换热器，费用高，供货周期长。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用全板翅式换热器的天然气液化工艺的制冷系统和液化系统，在预冷系统中NG、混合冷剂以及液态丙烷制冷剂在铝板翅式换热器的通道内自上而下流动而被冷却；四个不同工作压力的低压液态丙烷在板翅式换热器内自下而上被汽化和过热。从预冷换热器出来的原料天然气和混合冷剂进入液化和过冷的主低温换热器，主低温换热器由几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约-150℃－-163℃，然后节流进入LNG贮槽。
本发明的技术方案如下：
一种天然气液化工艺的制冷系统和液化系统：包括原料天然气预冷换热器、实现原料天然气液化和过冷的主低温换热器（液化换热器和过冷换热器），其特征在于：所述的预冷换热器是一个全部由板翅式换热单元并联组成的换热系统，液化换热器和过冷换热器是另一个由板翅式换热单元并联组成的换热系统，在预冷换热器内布置有原料天然气预冷、混合冷剂换热、正流液态丙烷和反流液态丙烷四级预冷的换热部分，其中，
（1）NG、混合冷剂及液态丙烷的四级预冷过程在一个足够长的板翅式换热单元内全部实现，液态丙烷四级预冷的各级预冷中包括将正流液态丙烷中的高压丙烷液体抽出预冷换热器和将低压丙烷液体引入预冷换热器的中抽结构，在各级丙烷预冷过程中从预冷换热器抽出的高压丙烷液体经过节流阀节流后进入分离罐，经过分离罐后液态丙烷进入预冷换热器蒸发-复热给原料天然气、混合冷剂及正流液态丙烷提供冷量，然后经过换热后转化为气态并与分离罐出来的丙烷气体汇合经过管道连接至该级丙烷压缩机的入口，一至三级的丙烷压缩机的出口端均连接至下一级丙烷压缩机的入口，四级丙烷压缩机的出口端输出的丙烷经冷却-冷凝器后连接至预冷换热器正流液态丙烷通道的入口；
（2） 原料天然气和混合冷剂分别输入预冷换热器，换热后输出至液化换热器和过冷换热器；
（3）原料天然气在液化换热器中液化并在过冷换热器过冷至约-150℃－-163℃，然后节流进入LNG贮槽。
在上述方案中，采用四级预冷与三级预冷相比可以降低丙烷压缩机的功耗10%以上。
本发明的附加技术方案如下：
优选地，所述的原料天然气的预冷、液化和过冷均在板翅式换热器中实现。
优选地，NG、混合冷剂及液态丙烷的四级预冷过程在一个足够长的板翅式换热单元内全部实现。
优选地，所述的原料天然气输入一级预冷换热器预冷然后输出至脱水、脱汞装置，脱水、脱汞后再进入二,三,四级预冷换热器换热后输出至液化换热器和过冷换热器。
优选地，所述的原料天然气（含汞）一级预冷在管壳式预冷换热器中实现，钢制的换热器可以抵抗含汞NG的腐蚀；管壳式预冷换热器的液态丙烷介质入口管路连接至预冷板翅式换热器中一级（最高温度级）液态丙烷过冷后节流阀的出口，而气态丙烷介质出口连至末级丙烷压缩机的入口分离器。
优选地，对原料气采用干燥前的预冷到约23℃。可以减少吸附剂的用量同时降低再生功耗60%以上
优选地，在各级丙烷压缩机入口均设分离器，可以防止在启动及异常工况下液体进入压缩机，而对叶轮造成损坏。
优选地，丙烷汽液分离罐的安装高度与节流后液态丙烷进板翅式换热器的进口端有适当的高差，再通过丙烷蒸发通道的丙烷流量的控制从而控制复热后气相丙烷的温度，达到丙烷压缩机各段入口温度的控制。
优选地，混合冷剂采用两级节流制冷循环，从预冷换热器出来的两相混合冷剂，先经气液分离器分离，气相和液相分别进入液化换热器（E802）的不同通道内冷却、液化或过冷，过冷的液相混合冷剂节流后的汽液两相作为液化换热器的冷流，提供冷量；气相经液化换热器和过冷换热器后变为过冷的液体，在过冷器冷端引出后节流制冷依次作为过冷换热器和液化换热器的冷流，提供冷量，然后由过冷换热器输出与上述节流后的汽液两相混合冷剂汇合后进入液化换热器，在液化换热器复热后进入混合冷剂压缩机的入口分离器。该设置可以使系统的制冷功耗降低5%；并且，混合冷剂压缩机入口处有分离器，混合冷剂经过混合冷剂压缩机入口处的分离器分离，气态进入混合冷剂压缩机入口。可以防止压缩机在启动及异常工况下液体进入压缩机，而对叶轮产生损坏。
优选地，气相低压混合冷剂在-38～-40℃进入混合冷剂压缩机的入口。以提高液化工艺流程的效率，降低制冷功耗5%以上。
优选地，在液化换热器和过冷换热器中，液化和过冷的液态混合冷剂节流后设置分离罐，气相和液相分别从不同的位置进入板翅式换热器单元的同一个换热通道，在换热器内部入口处经过一个汽液混合结构，进入换热器的每个隔层。
上述的丙烷预冷换热器和主低温换热器，可以在制造厂组装成2～4个并联的整体冷箱，结构紧凑，有利于控制安装的质量同时也将现场的安装工作量减少到最小。
本发明的有益效果是：采用全板翅式换热器具有高效紧凑，传热效率高，传热温差小，轻巧，适应性大，在单位体积内有较大的换热面积；同时在一个换热单元内可以布置多达15股以上的物流等优点。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明实施例1天然气（含汞）液化工艺的制冷系统和液化系统的系统连接图。
图2是本发明实施例2天然气（不含汞）液化工艺的制冷系统和液化系统的系统连接图。
具体实施方式
本发明的具体实施例1，如图1所示，一种天然气液化工艺的制冷系统和液化系统，包括原料天然气、混合冷剂及液态丙烷预冷的预冷换热器以及实现原料天然气液化和过冷的主低温换热器（液化换热器和过冷换热器），其中，
（1）所述的原料天然气（含汞）一级预冷在管壳式预冷换热器中实现，钢制的换热器可以抵抗含汞NG的腐蚀；管壳式预冷换热器的液态丙烷介质入口管路连接至预冷板翅式换热器一级（最高温度级）液态丙烷过冷后节流阀的出口，而气态丙烷介质出口连至末级丙烷压缩机的入口分离器，经过一级预冷的原料天然气经过脱汞后进入二级预冷换热器，NG、混合冷剂及液态丙烷的四级预冷过程在一个足够长的板翅式换热单元（预冷换热器）内全部实现，在各级预冷中包括将高压丙烷液体的抽出板翅式换热器和低压丙烷液体的引入板翅式换热器由单元的中抽结构来实现，在各级丙烷液体抽出板翅式换热器后进行节流，节流后的丙烷进入分离罐，经过分离罐后液态丙烷进入板翅式换热器蒸发-复热为原料天然气、混合冷剂及正流液态丙烷提供冷量，然后连接至丙烷压缩机的入口，气态丙烷经过管道连接至丙烷压缩机的入口，丙烷压缩机的出口端经末级冷却器冷却后连接至板翅式换热器上的液态丙烷入口。
（2） 从预冷换热器出来的原料天然气和混合冷剂进入液化和过冷的主低温换热器，主低温换热器由几台板翅式换热单元并联组成。
（3）原料天然气在液化换热器E-802中液化并在过冷换热器E-803过冷至约-150℃－-163℃，然后节流进入LNG储槽。
下面结合其工作中换热介质的流动详细说明上述实施例的连接和工作关系，本实施例主要用于含汞的NG（原料天然气）液化工艺，从脱碳系统来的原料天然气与再生气汇合后，经分离器分离出游离水后，经列管式天然气预冷换热器H502预冷到约23℃, 经天然气分离器V-502干燥器脱水后分成两股，一股作再生气，另一股进入预冷换热器E-801预冷至-35℃，在液化换热器E-802中液化并在过冷换热器E-803过冷至约-150℃－-163℃，然后节流进入LNG储槽。
预冷循环采用丙烷作冷剂，分为四个温度等级制冷，丙烷由丙烷压缩机增压后经冷却－冷凝器E-602冷凝为液体，再经预冷换热器E-801过冷到约21℃后抽出分成二股，一股经节流进入丙烷分离器V-601分离，分离后的液体返回预冷换热器E-801复热以提供冷量，并与丙烷分离器V-601分离的气体汇，再和丙烷压缩机第三段增压冷却的气体汇合，然后进入丙烷分离器V-608，再进入丙烷压缩机第四段增压，另一股经预冷换热器E-801进一步冷却到约1℃，然后又分成二股，一股经节流进入丙烷分离器V-602分离，分离后的液体返回预冷换热器E-801复热以提供冷量，并与丙烷分离器V-602分离的气体汇合，再和丙烷压缩机第二段增压的气体汇合，然后进入丙烷分离器V-607，再进入丙烷压缩机第三段增压，另一股经预冷换热器E-803进一步冷却到约-17℃；然后又分成二股，一股经节流进入丙烷分离器V-603分离，分离后的液体返回预冷换热器E-801复热以提供冷量，并与丙烷分离器V-603分离的气体汇合，再和丙烷压缩机第一段增压的气体汇合，然后进入丙烷分离器V-606，再进入丙烷压缩机第二段增压，另外一股经预冷换热器E-804进一步冷却到约-35℃节流，然后进入丙烷分离器V-604分离，分离后的液体返回预冷换热器E-801复热以提供冷量，并与丙烷分离器V-604分离的气体汇合进入丙烷分离器V-605，然后进入丙烷压缩机第一段增压。
主制冷循环采用混合制冷剂作冷剂，低压混合冷剂由混合冷剂压缩机增压冷却后进入预冷换热器E-801后，进入分离器V-702分离，液相经液化换热器E-802过冷后再节流，然后进入分离器V-704；气相经液化换热器E-802和过冷换热器E-803冷却后节流，然后进入分离器V-703，然后返回过冷换热器E-803复热，复热后进入分离器V-704。从分离器V-704出来气—液返回液化换热器E-802复热后进入压缩机入口缓冲分离器V-705，混合冷剂在约-38℃下进入混合冷剂压缩机压缩。
本发明的具体实施2，如图2所示，一种天然气液化工艺的制冷系统和液化系统，包括原料天然气、混合冷剂及液态丙烷预冷的预冷换热器以及实现原料天然气液化和过冷的主低温换热器（液化换热器和过冷换热器），其中，
（1）NG、混合冷剂及液态丙烷的四级预冷过程在一个足够长的板翅式换热单元内全部实现，在各级预冷中包括将高压丙烷液体的抽出板翅式换热器和低压丙烷液体的引入板翅式换热器由单元的中抽结构来实现，在各级丙烷液体抽出板翅式换热器后进行节流，节流后的丙烷进入分离罐，经过分离罐后液态丙烷进入板翅式换热器蒸发-复热为原料天然气、混合冷剂及正流液态丙烷提供冷量，然后连接至丙烷压缩机的入口，气态丙烷经过管道连接至丙烷压缩机的入口，丙烷压缩机的出口端经末级冷却器冷却后连接至板翅式换热器上的液态丙烷入口。
（2） 从预冷换热器出来的原料天然气和混合冷剂进入液化和过冷的主低温换热器，主低温换热器由几台板翅式换热单元并联组成。
（3）原料天然气在液化换热器E-802中液化并在过冷换热器E-803过冷至约-150℃－-163℃，然后节流进入LNG储槽。
下面结合其工作中换热介质的流动详细说明上述实施例的连接和工作关系，本实施例主要用于不含汞的NG（原料天然气）液化工艺，从脱碳系统来的原料天然气与再生气汇合后，经分离器分离出游离水后，经预冷换热器E-801预冷到约23℃抽出，经天然气分离器V-502、干燥器脱水后分成两股，一股作再生气，另一股进入预冷换热器E-801预冷至-35℃，在液化换热器E-802中液化并在过冷换热器E-803过冷至约-150℃－-163℃，然后节流进入LNG储槽。
预冷循环采用丙烷作冷剂，分为四个温度等级制冷，丙烷由丙烷压缩机增压后经冷却器E-602冷凝为液体，再经预冷换热器E-801过冷到约21℃后抽出分成二股，一股经节流进入丙烷分离器V-601分离，分离后的液体返回预冷换热器E-801复热以提供冷量，并与丙烷分离器V-601分离的气体汇，再和丙烷压缩机第三段增压冷却的气体汇合，然后进入丙烷分离器V-608，再进入丙烷压缩机第四段增压，另一股经预冷换热器E-801进一步冷却到约1℃，然后又分成二股，一股经节流进入丙烷分离器V-602分离，分离后的液体返回预冷换热器E-801复热以提供冷量，并与丙烷分离器V-602分离的气体汇合，再和丙烷压缩机第二段增压的气体汇合，然后进入丙烷分离器V-607，再进入丙烷压缩机第三段增压，另一股经预冷换热器E-803进一步冷却到约-17℃；然后又分成二股，一股经节流进入丙烷分离器V-603分离，分离后的液体返回预冷换热器E-801复热以提供冷量，并与丙烷分离器V-603分离的气体汇合，再和丙烷压缩机第一段增压的气体汇合，然后进入丙烷分离器V-606，再进入丙烷压缩机第二段增压，另外一股经预冷换热器E-804进一步冷却到约-35℃节流，然后进入丙烷分离器V-604分离，分离后的液体返回预冷换热器E-801复热以提供冷量，并与丙烷分离器V-604分离的气体汇合进入丙烷分离器V-605，然后进入丙烷压缩机第一段增压。
主制冷循环采用混合制冷剂作冷剂，低压混合冷剂由混合冷剂压缩机增压冷却后进入预冷换热器E-801后，进入分离器V-702分离，液相经液化换热器E-802过冷后再节流，然后进入分离器V-704；气相经液化换热器E-802和过冷换热器E-803冷却后节流，然后进入分离器V-703，然后返回过冷换热器E-803复热，复热后进入分离器V-704。从分离器V-704出来气—液返回液化换热器E-802复热后进入压缩机入口缓冲分离器V-705，混合冷剂在约-38℃下进入混合冷剂压缩机压缩。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种天然气液化工艺的制冷系统和液化系统：包括原料天然气预冷换热器、实现原料天然气液化和过冷的液化换热器和过冷换热器，其特征在于：所述的预冷换热器是一个全部由板翅式换热单元并联组成的换热系统，液化换热器和过冷换热器是另一个由板翅式换热单元并联组成的换热系统，在预冷换热器内布置有原料天然气预冷、混合冷剂换热、正流液态丙烷和反流液态丙烷四级预冷的换热部分，其中，
（1）液态丙烷四级预冷的各级预冷中包括将正流液态丙烷中的高压丙烷液体抽出预冷换热器和将低压丙烷液体引入预冷换热器的中抽结构，在各级丙烷预冷过程中从预冷换热器抽出的高压丙烷液体经过节流阀节流后进入分离罐，经过分离罐后液态丙烷进入预冷换热器蒸发-复热给原料天然气、混合冷剂及正流液态丙烷提供冷量，然后经过换热后转化为气态并与分离罐出来的丙烷气体汇合经过管道连接至该级丙烷压缩机的入口，一至三级的丙烷压缩机的出口端均连接至下一级丙烷压缩机的入口，四级丙烷压缩机的出口端输出的丙烷经冷却-冷凝器后连接至预冷换热器正流液态丙烷通道的入口；
（2）原料天然气和混合冷剂分别输入预冷换热器，换热后输出至液化换热器和过冷换热器；
（3）原料天然气在液化换热器中液化并在过冷换热器过冷至约-150℃－-163℃，然后节流进入LNG贮槽。
2.根据权利要求1所述的天然气液化工艺的制冷系统和液化系统，其特征在于：所述的原料天然气输入预冷换热器预冷然后输出至脱水、脱汞装置，脱水、脱汞后再进入预冷换热器换热后输出至液化换热器和过冷换热器。
3.根据权利要求2所述的天然气液化工艺的制冷系统和液化系统，其特征在于：对原料天然气采用干燥前预冷到约23℃。
4.根据权利要求3所述的天然气液化工艺的制冷系统和液化系统，其特征在于：在各级丙烷压缩机入口均设分离器。
5.根据权利要求4所述的天然气液化工艺的制冷系统和液化系统，其特征在于：所述的原料天然气输入至进行一级预冷的管壳式换热器后输出至脱水、脱汞装置，脱水、脱汞后再进入二,三,四级预冷换热器换热后输出至液化换热器和过冷换热器，管壳式换热器的液态丙烷介质入口管路连接至四级液态丙烷预冷后分离罐的液态丙烷的出口，而管壳式换热器的气态丙烷介质出口连至四级丙烷压缩机的入口分离器。
6.根据权利要求4或5所述的天然气液化工艺的制冷系统和液化系统，其特征在于：丙烷分离罐的安装高度比节流后液态丙烷进板翅式换热器的进口端高。
7.根据权利要求1所述的天然气液化工艺的制冷系统和液化系统，其特征在于：混合冷剂为两级节流制冷循环，从预冷换热器出来的两相混合冷剂，先经气液分离器分离，气相和液相分别进入液化换热器的不同通道内冷却、液化和过冷，其中液相的混合冷剂经过过冷后由液化换热器输出至节流阀，节流后的汽液两相作为液化换热器提供冷量的冷流再输入液化换热器中；气相的混合冷剂经液化换热器液化后进入过冷换热器，过冷后变为过冷的液体，在过冷换热器冷端引出后经过节流阀作为过冷换热器提供冷量的冷流，再输入过冷换热器，然后由过冷换热器输出与上述节流后的汽液两相混合冷剂汇合后进入液化换热器，在液化换热器复热后进入混合冷剂压缩机的入口分离器。
8.根据权利要求7所述的天然气液化工艺的制冷系统和液化系统，其特征在于：气相低压混合冷剂在-38～-40℃进入混合冷剂压缩机的入口。
9.根据权利要求1所述的天然气液化工艺的制冷系统和液化系统，其特征在于：在液化换热器和过冷换热器中，液化和过冷的液态混合冷剂节流后设置分离罐，气相和液相分别从不同的位置进入板翅式换热器单元的同一个换热通道，在换热器内部入口处经过一个汽液混合结构，进入换热器的每个隔层。
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