CN101893344A - 一种混合工质双循环的低温液化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的混合工质双循环的低温液化系统,包括第一和第二制冷循环回路及原料气管路;该第一制冷循环回路使用混合制冷工质,其由依次相连并形成第一制冷循环回路的第一压缩机、第一冷凝器、主换热器及第一节流阀门组成;该第二制冷循环使用不可燃的纯工质或不可燃的混合工质,其由依次相连并形成第二制冷循环回路的第二压缩机、第二冷凝器、分布式换热器及第二节流阀门组成;该原料气管路由分布式换热器及管路组成,经除尘处理后的原料气经管路连接分布式换热器入口,分布式换热器出口为液化的原料气出口;优点在于:系统设计灵活、简单紧凑、成本低廉,运行高效,由于第二制冷循环采取不可燃工质,系统安全性高,并可实现远程输冷。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温液化系统,尤其涉及一种混合工质双循环的低温液化系统。
背景技术
采用回热措施的深冷混合工质制冷技术自20世纪70年代以来已经被广泛应用于天然气的液化,成为液化天然气(LNG)领域的主导技术。由于回热措施和采用不同沸点组元组成的多元混合工质,系统效率提高,并且可以采用单级油润滑油压缩机驱动实现低温制冷。因此该制冷技术发展迅速,已经可以用于小型撬装LNG液化装置技术上面,并大大降低了系统成本并提高了可靠性。但是由于液化天然气/煤层气的特殊性,通常要求液化装置中电机等电力设备和器件进行防爆处置,这大大增加了装置的成本。另外,深冷混合工质制冷技术也可以用于空气液化分离当中,但是其中混合制冷剂通常含有碳氢类可燃组分,在应用与空气液化分离时,一旦发生制冷剂泄漏,其中碳氢化合物和液空(液氧)接触,将会剧烈反应,带来严重安全问题。因此,含可燃成分的多元混合制冷技术直接用于低温空气液化分离系统存在严重安全隐患。
另一个方面,驱动其他流体实现制冷系统与被冷却对象进行冷量传递的载冷技术已经获得广泛应用。传统载冷循环是使载冷剂先在蒸发器中冷却降温,再被泵送到被冷却对象处,只存在冷量输送作用,而载冷剂自身无制冷效果。载冷技术经常应用在中央空调和工业制冷领域,低温下较少应用。
再一个方面,采取双混合工质制冷循环用于天然气液化的系统也已经有报道,其中发明专利CN 1330760A(国际申请号PCT/US99/30253),提供了一种双混合工质制冷天然气液化循环,其技术关键在于液化循环系统由一个含低沸点较多的低温级混合工质制冷循环和另一个由高沸点混合工质组元组成的高温级混合工质制冷循环组成,原料气和低温级混合工质系统均有高温级混合工质制冷系统预冷至某一温度,然后由低温级制冷系统继续提供冷量液化和过冷LNG。其技术核心与丙烷预冷的混合制冷剂流程一致,只不过采用了高沸点组元组成的混合制冷剂预冷代替了丙烷制冷系统。类似的技术方案还可以见美国专利US6269655。上述系统的相同之处在于:预冷和主冷两个循环系统在一个多股流换热器内实现冷量的传递,其系统非常复杂,例如第一个主换热器是个5股流换热器,具体包括主冷循环的高低压2股流体和预冷循环的高低压2股流体外加原料气一股流体,造成系统相当复杂。
还有一个方面,采用两套完整的制冷系统使其中一个制冷系统冷却另一制冷系统形成复叠制冷来实现较低温度的制冷也已经是非常成熟的技术。例如在制取-80℃温区时经常采用两个单级蒸汽压缩制冷系统实现,其中高温级采用R404A将低温级预冷至-35℃左右,而低温级采用R508B或者是R23等制冷剂实现-80℃温区制冷要求。具体结构可以参见相关教科书或者ASHARE 2002Handbook,第39章有关复叠系统的介绍。实际上有关复叠系统也可以由两个低温混合工质制冷系统耦合在一起构成,例如发明专利CN 1330760A,其实质就是两个带回热换热器的混合工质节流制冷系统复叠在一起。
类似的循环结构还可以见专利申请200580006317.5(公开号:CN 101120218A)所示,其结构可以参见图1所示,其总体循环是复叠配置的,其中较高温度级的制冷系统116通过两股流换热器108实现对低温级系统118的预冷。按照其图中所示技术方案两股流换热器108为顺流式换热器,通过节流阀106节流减压的制冷剂温度处于制冷系统116中最低点,进入两股流换热器108中实现对低温级系统118处于环境温度的制冷剂的冷却,然后温度上升,再进入可选的换热器122内对自身节流前的制冷剂进行预冷而自身温度进一步上升。在换热器122内部的热力过程可称为回热换热(recuperation),回热换热原理是低温混合制冷剂节流制冷机实现高效工作的基本热力学原理(低温技术热力学基础,机械工业出版社,1988年)。按照其说明书(说明书第13页)中的阐述,在制冷系统116当中,换热器122是可选择的部件;同时根据其权利要求及说明书中的阐述,制冷系统116和制冷系统118必需有一个是采取自动复叠循环结构,根据自动复叠制冷原理,其中必需包含回热换热器组件(其中还应包括汽液分离器,例如CN 101120218A申请书中给出的图4所述的结构),在制冷系统116中换热器122是可选的情况下,则制冷系统118中的回热换热器124是必需的。
根据上述阐述,可以发现现有技术中循环结构具有设备多,结构复杂的问题,同时还存在不尽合理的地方。例如CN 101120218A公开的技术方案中,存在以两股流换热器108的顺流换热实现对低温制冷系统118的预冷,造成温度负荷分布不合理,同时制冷系统116中还存在换热器122实现自身回热换热等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单的使用混合工质制冷的混合工质双循环的低温液化系统,与现有双混合工质制冷系统相比大大简化制冷流程结构,并且仍然保持较高效率,可用于一般的制冷液化领域,特别是可满足某些特殊场合的安全性等要求。
本发明的技术方案如下:
如图2所示,本发明提供的混合工质双循环的低温液化系统,包括第一制冷循环回路、第二制冷循环回路和原料气管路;
所述第一制冷循环回路使用混合制冷工质,其由第一压缩机CU1、第一冷凝器AC1、主换热器HX1及第一节流阀门V1组成;所述第一压缩机CU1高压出口连接第一冷凝器AC1入口,第一冷凝器AC1出口连接主换热器HX1第一高压入口,主换热器HX1第一高压出口连接第一节流阀门V1入口,第一节流阀门V1出口连接主换热器HX1低压入口,主换热器HX1低压出口连接第一压缩机CU1低压入口并形成第一制冷循环回路;
所述混合制冷工质为由氮气、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷中的两种、三种或多种组成的混合制冷工质;
所述第二制冷循环使用不可燃的纯工质或不可燃的混合工质,其由第二压缩机CU2、第二冷凝器AC2、分布式换热器HX2及第二节流阀门V2组成;所述第二压缩机CU2高压出口连接第二冷凝器AC2入口,第二冷凝器AC2出口连接主换热器HX1第二高压入口,主换热器HX1第二高压出口连接第二节流阀门V2入口,第二节流阀门V2出口连接分布式换热器HX2低压入口,分布式换热器HX2低压出口连接第二压缩机CU2低压入口并形成第二制冷循环回路;
所述不可燃的纯工质为氮气、氩气或R14;所述不可燃的混合工质为氮气、氩气和R14中任两种或三种气体的混合气体;
所述原料气管路由分布式换热器HX2及管路组成,其连接方式为:经除尘处理后的原料气经管路连接分布式换热器HX2入口,分布式换热器HX2的出口为液化的原料气出口。
下面进一步阐述本发明提出的技术方案与现有技术如CN 101120218A公开的技术方案的差别。CN 101120218A提出的循环结构中,虽然从制冷系统116的低压制冷剂角度看,换热器108和换热器122的作用均是实现对制冷剂的加热作用,但是对其实施加热的主体不同,在换热器108内是制冷系统118内的高压制冷剂,而在换热器122内是制冷系统116的高压制冷剂。另外,根据CN101120218A公开的内容,可以发现换热器108为顺流式换热器,其中最大温差发生在换热器入口,即采用制冷系统116中最低温度来冷却制冷系统118中处于环境温度状态的制冷剂,在实现低温预冷的情况下,会造成极大的热力学损失;从这个角度考虑,以制冷系统116实现对制冷系统118的低温预冷是不现实的。其最大的可能是如常规复叠制冷系统类似,采用制冷系统116将制冷系统118高压制冷剂冷却至-35℃左右,而更低制冷温度的实现由制冷系统118采用自动复叠制冷方案实现,即制冷系统118中的换热器124是必需的。
本发明的技术方案中,主换热器HX1为制冷系统的核心,其不仅仅是实现第一制冷循环高低压制冷剂的自身回热换热,而且同时实现了对第二循环制冷剂从环境温度开始到最低温度的温度分布式负荷冷却,减小了换热器内的最大换热温差,尤其是其采用较高温度的第一循环低压制冷剂冷却处于相应较高温度的第二循环高压制冷剂,而采用较低温度的第一循环低压制冷剂冷却同样处于较低温度的第二循环高压制冷剂,因此从低温热力学原理讲,可以实现温差与负荷的合理匹配,可以减小低温下较大传热温差造成的大的热力学损失,使系统具有较高的热力学效率。
由上所述,将CN101120218A的换热器108和换热器122其合并在一起构成的三股流传热结构是需要本专业领域的技术人员进行充分的热力学优化和传热学设计后才有可能实现;与本发明的主换热器HX1存在着热力学原理和传热学结构等方面的本质差异;
综上所述,本发明的双循环低温液化系统具有明显的优点:
系统设计符合低温热力学原理,避免了低温下出现较大传热温差的情况,使系统具有较高的热力学效率;系统设计更加灵活,而且由于第二制冷循环中工质运行高压可超过被液化原料气压力,这样可以抬高第一制冷循环混合工质的制冷温度,使其工作在更高效率下,确保整个系统运行高效;另外系统安全性好,由于第二制冷循环采取不可燃的安全工质,在液化如氧气类介质时可以采用氮气作为第二制冷循环的介质,提高了系统安全性;系统简单紧凑,降低了系统成本,提高了系统的经济技术性。使用第二制冷循环,在提高安全性的基础上增加了制冷量,使得系统效率更高,还可以实现远程输冷。
附图说明
附图1为现有技术CN 101120218A公开的技术方案;
附图2为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图2及实施例对本发明做进一步阐述。
附图2为本发明的结构示意图;如图2所示,本发明的混合工质双循环的低温液化系统,包括第一制冷循环回路、第二制冷循环回路和原料气管路;
所述第一制冷循环回路使用混合制冷工质,其由第一压缩机CU1、第一冷凝器AC1、主换热器HX1及第一节流阀门V1组成;所述第一压缩机CU1高压出口连接第一冷凝器AC1入口,第一冷凝器AC1出口连接主换热器HX1第一高压入口,主换热器HX1第一高压出口连接第一节流阀门V1入口,第一节流阀门V1出口连接主换热器HX1低压入口,主换热器HX1低压出口连接第一压缩机CU1低压入口并形成第一制冷循环回路;
所述混合制冷工质为由氮气、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷中的两种、三种或多种组成的混合制冷工质;
所述第二制冷循环使用不可燃的纯工质或不可燃的混合工质,其由第二压缩机CU2、第二冷凝器AC2、分布式换热器HX2及第二节流阀门V2组成;所述第二压缩机CU2高压出口连接第二冷凝器AC2入口,第二冷凝器AC2出口连接主换热器HX1第二高压入口,主换热器HX1第二高压出口连接第二节流阀门V2入口,第二节流阀门V2出口连接分布式换热器HX2低压入口,分布式换热器HX2低压出口连接第二压缩机CU2低压入口并形成第二制冷循环回路;
所述不可燃的纯工质为氮气、氩气或R14;所述不可燃的混合工质为氮气、氩气和R14中任两种或三种气体的混合气体;
所述原料气管路由分布式换热器HX2)及管路组成,其连接方式为:经简单除尘处理的原料气经管路连接分布式换热器HX2入口,分布式换热器HX2的出口为液化的原料气出口。
实施例1
使用本发明提供的混合工质双循环的低温液化系统对空气进行液化。
本实施例1的第一制冷循环回路使用的混合制冷工质为由氮气、甲烷、乙烷、丙烷以及丁烷多种组分组成,该混合制冷工质由第一压缩机CU1压缩至高温高压,进入第一冷凝器AC1冷却至常温,然后进入主换热器HX1被逐渐冷却,后经管路进入第一节流阀门V1节流后降温,成为低温低压制冷剂,然后该低温低压制冷剂进入主换热器HX1,对高压混合制冷剂进行冷却,并作为第二制冷循环回路中的循环工质,自身复温后进入压缩机完成一个制冷循环(即第一制冷循环);
本实施例1的第二制冷循环回路使用的循环工质为纯氮气(实际上第二制冷循环回路使用的循环工质也可以是氩气或R14),该纯氮气经过第二压缩机CU2压缩,进入第二冷却器AC2冷却至常温,然后进入主换热器HX1被冷却至低温并液化后进一步过冷,然后经连接管道输运至第二节流阀门V2节流后成为低压汽液两相氮气,进入分布式换热器HX2给进入的原料气提供显热和潜热冷却负荷,使原料气冷却并液化;
经过简单除尘处理后的空气(原料气)进入分布式换热器HX2,在分布式换热器HX2中被第二制冷循环回路中的低压汽液两相氮气降温冷却并被液化,液体(被液化的空气)经分布式换热器HX2出口排出。
整个系统中,第一制冷循环回路采用多元混合物作为制冷剂,为第二制冷循环回路提供冷量,最后的液态空气在第二制冷循环回路中产生;第二制冷循环回路采用纯氮作为工质,即使发生泄露,也不会因为液化空气中的液氧发生危险;因此,本系统的安全性较好,避免了液化空气或者液氧与可燃介质的可能的接触。
实施例2:使用本发明提供的使用混合工质双循环的低温液化系统对煤层气(或天然气)进行液化。
如图2所示的使用混合工质双循环的低温液化系统,第一制冷循环回路和第二制冷循环的连接方式同实施例1;本实施例2中第一制冷循环回路使用混合制冷工质为由氮气、甲烷组成的混合工质(由氮气、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷中的任两种或任三种组成的混合制冷工质均可)
经过简单除尘处理的煤层气进入分布式换热器HX2,并在分布式换热器HX2中被低温两相工质冷却和液化,液化的煤层气/天然气最终经分布式换热器HX2的出口F2排出系统。
同实施例1,第一制冷循环回路的低温两相工质作为制冷剂,为第二制冷循环回路提供冷量,最后的液态煤层气/天然气在第二制冷循环回路中产生;第二制冷循环回路的工质可采用氮气、氩气和R14组成的混合物作为循环工质;另外,可以延长第二制冷剂循环回路管路长度,以使系统中的第一制冷循环回路和第二制冷循环回路的压缩机等强电设备处于安全距离外,即将第二循环工质管路与被液化原料气的换热器冷箱放置于远离压缩机组的范围,这样可以免于对压缩机组进行防爆设计,减小系统的初投资成本。
Claims (1)
1.一种混合工质双循环的低温液化系统,包括第一制冷循环回路、第二制冷循环回路和原料气管路;
所述第一制冷循环回路使用混合制冷工质,其由第一压缩机(CU1)、第一冷凝器(AC1)、主换热器(HX1)及第一节流阀门(V1)组成;所述第一压缩机(CU1)高压出口连接第一冷凝器(AC1)入口,第一冷凝器(AC1)出口连接主换热器(HX1)第一高压入口,主换热器(HX1)第一高压出口连接第一节流阀门(V1)入口,第一节流阀门(V1)出口连接主换热器(HX1)低压入口,主换热器(HX1)低压出口连接第一压缩机(CU1)低压入口并形成第一制冷循环回路;
所述混合制冷工质为由氮气、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷中的两种、三种或多种组成的混合制冷工质;
所述第二制冷循环使用不可燃的纯工质或不可燃的混合工质,其由第二压缩机(CU2)、第二冷凝器(AC2)、分布式换热器(HX2)及第二节流阀门(V2)组成;所述第二压缩机(CU2)高压出口连接第二冷凝器(AC2)入口,第二冷凝器(AC2)出口连接主换热器(HX1)第二高压入口,主换热器(HX1)第二高压出口连接第二节流阀门(V2)入口,第二节流阀门(V2)出口连接分布式换热器(HX2)低压入口,分布式换热器(HX2)低压出口连接第二压缩机(CU2)低压入口并形成第二制冷循环回路;
所述不可燃的纯工质为氮气、氩气或R14;所述不可燃的混合工质为氮气、氩气和R14中任两种或三种气体的混合气体;
所述原料气管路由分布式换热器(HX2)及管路组成,其连接方式为:经除尘处理后的原料气经管路连接分布式换热器(HX2)入口,分布式换热器(HX2)的出口为液化的原料气出口。
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Application publication date: 20101124 Assignee: JIANGSU REFRIGERATION AND LIQUEFACTION EQUIPMENT Co.,Ltd. Assignor: Technical Institute of Physics and Chemistry Chinese Academy of Sciences Contract record no.: 2014320000442 Denomination of invention: Low-temperature liquefaction system for dual cycle of mixed working medium Granted publication date: 20120815 License type: Exclusive License Record date: 20140521 |
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