CN101893367A - 一种利用混合制冷剂液化天然气的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用混合制冷剂液化天然气的方法，包括：将混合制冷剂直接压缩后进行气液分离，分离后的高压气相混合制冷剂和高压液相混合制冷剂分别从所述冷箱换热器的不同换热器流道流过，并从所述冷箱换热器不同位置流出后分别经气液分离后，再在所述冷箱换热器的同一换热器流道内混合后，从下而上流出所述冷箱换热器。本发明中将高压气相冷剂和高压液相冷剂分别通过不同的换热器流道，并分别采用两个节流阀进行降温为冷箱换热器不同温区提供冷量，提高了装置运行效率；同时，通过抬高混合制冷剂压缩机后冷却器和气液分离器的位置，省去了泵等设备投入，减少了故障点，并降低了工艺流程控制和现场操作维护难度。

Description

一种利用混合制冷剂液化天然气的方法
技术领域
本发明涉及天然气、煤层气或其它富甲烷气体的液化技术领域，特别涉及一种利用混合制冷剂液化天然气的方法。
背景技术
天然气的主要成分是甲烷，根据地下储层的具体情况，天然气还包括少量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等以及水、氢气、氮气、二氧化碳和其它气体。
大多数天然气是以气体形式存在的。将天然气从井口输送到气体处理装置，并由该处送往天然气用户的最常见方法是用高压气体输送管线。但是当天然气源远离目标市场和气源相对不足时，管线输送的成本很高，在此情况下必须或希望将天然气液化为液化天然气(LNG，Liquefied Natural Gas)后进行输送和使用。天然气液化后，其体积仅为原来气态的1/625，其密度为标准状态下甲烷的600多倍、水的45％，体积能量密度为汽油的72％，因为其使用的安全、环保、经济和方便性，目前已成为优质的工业和民用燃料。
目前常见的天然气液化制冷流程有级联式制冷循环、混合制冷剂制冷循环和膨胀制冷循环。级联式循环利用多种渐进式排列的单组分制冷剂和热交换器来将天然气降低至液化温度，相比而言级联式制冷循环流程复杂，不利于操作控制，设备多，投资较大，适用于大型LNG系统；膨胀制冷循环将原料气或冷却工质从高压膨胀至低压来相应降低温度，膨胀制冷循环流程简单，调节灵活，易于开停车和操作，投资较低，但单位能耗较高。混合制冷剂循环是利用多元混合制冷压缩节流进行制冷，其流程复杂程度、设备数量、控制难易度、投资额、单位能耗介于级联式和膨胀式之间，并且装置规模适应程度较宽。
对于混合制冷循环中适用于中小规模的天然气液化系统，美国BVPI开发的
Figure BSA00000228634600011
技术最具代表性，它只有一个混合制冷剂循环，在一定程度上简化了流程，减少了设备数量和投资。但其混合制冷剂增压过程较为复杂，需要两次进行气液分离，除压缩机外，还需要两台制冷剂泵来提升液相混合制冷剂压力，设备较多，同时流程控制点和故障点增加，自动控制程度较低，导致开车调试、操作过程也较为复杂，投资也有所提高。此外，该流程中分离后的气液两相混合冷剂需要在冷箱换热器中再次混合，节流后的气液两相混合制冷剂直接返回冷箱换热器，存在两相均匀分布的问题，同时也增加了冷箱换热的制造难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用混合制冷剂液化天然气的方法，以减少或避免前面所提到的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种利用混合制冷剂液化天然气的方法，该方法用于将原料天然气和所述混合制冷剂在冷箱换热器中换热，将所述原料天然气液化为液化天然气，该方法包括如下步骤：
将所述混合制冷剂直接压缩后冷却为高压气液两相混合制冷剂；
将所述高压气液两相混合制冷剂气液分离为高压气相混合制冷剂和高压液相混合制冷剂；
将所述高压气相混合制冷剂和所述高压液相混合制冷剂分别从所述冷箱换热器的不同换热器流道自上而下流过，并从所述冷箱换热器不同位置流出后成为两股低压两相混合制冷剂；
所述两股低压两相混合制冷剂分别经气液分离后，再在所述冷箱换热器的同一换热器流道内混合后，从下而上流出所述冷箱换热器。
优选地，上述方法进一步包括如下步骤，使所述高压气相混合制冷剂自上而下流过冷箱换热器，从冷箱底部流出经过节流降压降温后再自下而上返回冷箱提供冷量；同时，使所述高压液相混合制冷剂自上而下流过所述冷箱换热器并从中部位置抽出经过节流降压降温再次返回冷箱；所述高压液相混合制冷剂经过节流后返回冷箱换热器与高压气相混合制冷剂节流后返回的低压制冷剂混合后再向上流动为上部冷箱换热器提供冷量；最后流出所述冷箱换热器后再返回压缩机进行循环压缩。
优选地，所述混合制冷剂采用直接压缩，无需进行压缩过程中的中间冷却和气液分离。
优选地，其中压缩机的入口压力为0.16MPaG，压缩机的出口压力为1.5～2.0MPaG。
优选地，压缩机入口温度约为30℃，压缩机的出口温度为130～150℃。
优选地，所述混合制冷剂经过压缩后进入冷却器，冷却至环境温度，并经过气液分离器成为高压气相混合制冷剂和高压液相混合制冷剂。
优选地，所述冷却器和气液分离器的位置高于冷箱换热器顶部。
优选地，所述混合制冷剂由氮气、甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷和异己烷组成，其摩尔百分比的组分构成为：7％N2、20％CH4、32％C2H4、26％C3H8、10％i-C5H12、5％异己烷。
优选地，所述高压气相混合制冷和高压液相混合制冷剂自上而下流过冷箱换热器并分别从冷箱换热器底部和中部流出，经过两个节流阀降温降压后成为低压两相混合制冷剂，再返回冷箱换热器为不同换热温区提供冷量。
优选地，所述低压两相混合制冷剂分别经过气液分离后再分别返回冷箱换热器，在冷箱换热器流道内再进行混合。
优选地，所述原料天然气经过所述冷箱换热器冷却至-40～-50℃时抽出进入一重烃分离器，经重烃分离后的气相再返回所述冷箱换热器继续降温，直到成为合格的液化天然气产品。
优选地，所述重烃分离后的天然气经过所述冷箱换热器再次降温之后流出的温度为-140～-155℃，然后经过至少一个节流阀节流降压后的温度为-155～-165℃。
本发明所提供的利用混合制冷剂液化天然气的方法中，通过降低压缩机出口压力的方式避免了压缩过程中的中间冷却和气液分离，可减少气液分离器、冷剂循环泵等设备投入和故障点，并降低了工艺流程控制和现场操作维护难度，同时避免了传统工艺流程装置停车后再启时因压缩机入口压力超高导致冷剂排放问题；提出了一种带有添加剂的混合冷剂配方，进一步提高了装置运行效率；同时将高压气相混合制冷剂和高压液相混合制冷剂分别流经不同的换热流道，并通过各自的节流降压降温，节流后的低压混合制冷剂经过气液分离后再分别返回冷箱换热器为不同换热温区提供冷量，增强了换热效果，提高了装置的运行效率，同时解决了换热器流道两相均匀分布的问题，降低了冷箱换热器的制造和操作难度。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的利用混合制冷剂液化天然气的工艺流程原理示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。
图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的利用混合制冷剂液化天然气的工艺流程原理示意图，如图所示，经过预处理合格的原料天然气101进入冷箱换热器31，在冷箱换热器31中，原料天然气101与混合制冷剂进行热交换，将原料天然气101液化为液化天然气(LNG，Liquefied Natural Gas)。
在一个具体实施例中，该冷箱换热器31可以为铝制板翅式换热器，也可为绕管式换热器。
原料天然气101进入冷箱换热器31后，被冷却至-40℃～-50℃时从冷箱换热器31中引出成为天然气流102。在该温度下，天然气流102中若含有过多的重组分，则会以液体形式析出，为了防止天然气流102在更低温度区域对冷箱换热器31造成冻堵，设置有一个重烃分离器11，对液相重烃进行分离，分离出的重烃104排出液化装置后进行综合回收利用，脱除重烃后的天然气流103重新返回冷箱换热器31进行降温。
天然气103经过冷箱换热器31再次降温之后，从冷箱换热器31底部流出的天然气105已经全部液化，温度达到-140～-155℃。
之后，天然气105经过至少一个节流阀12节流降压后成为所需的液化天然气106，此时的液化天然气106的温度达到-155～-165℃，达到储存要求，然后进入LNG(液化天然气)储罐进行储存。
下面参照图1详细说明混合制冷剂的制冷过程，如图所示，首先，低压气相常温混合制冷剂201进入一压缩机入口缓冲罐21，从缓冲罐21顶部流出的混合制冷剂202进入混合制冷剂压缩机22。
经压缩之后的混合制冷剂203压力达到1.5～2.0MPa，温度为130～150℃，然后进入冷却器23。
经过冷却器23冷却之后的混合制冷剂204的温度为30～40℃，为气液两相状态。
之后，将混合制冷剂204经过一个气液分离器24对其进行气液分离。冷却器23和气液分离器24的位置均高于冷箱换热器31顶部。
从气液分离器24顶部流出的高压气相制冷剂205从冷箱换热器31顶部流入，进入冷箱换热器31之后均匀分布在各换热流道并自上而下流经换热器31的流道，高压气相制冷剂205在流动过程中与天然气一起被返流的制冷剂213进行冷却。冷却后的制冷剂211流出冷箱换热器31的时候会吸收冷量全部液化，温度为-140～-155℃，然后经过节流阀26进行节流降压降温，节流后的低压混合制冷剂212压力为3～4bara，温度为-158～-160℃，低压混合制冷剂212再经过气液分离器28进行气液分离，分离后的低压气相混合制冷剂213和低压液相混合制冷剂214分别返回冷箱换热器31，在冷箱换热器31内混合后再向上流动提供冷量。
从气液分离器24底部流出的高压液相制冷剂206从冷箱换热器31顶部流入，高压液相混合制冷剂206进入冷箱换热器31后均匀分布在换热器31的各流道并自上而下流出换热器31，流出的混合制冷剂207从冷箱换热器31中部位置抽出，然后经过节流阀25进行节流降压降温，节流后的低压混合制冷剂208压力为3～4bara，低压混合制冷剂208再经过气液分离器27进行气液分离，分离后的低压气相混合制冷剂209和低压液相混合制冷剂210分别返回冷箱换热器31，在冷箱换热器31内进行混合后与向上流动的制冷剂213汇合后再继续向上流动，为冷箱换热器31的上部空间提供冷量。
从冷箱换热器31顶部流出的低压返流制冷剂201被温度较高的天然气和制冷剂加热至常温，然后再次进行循环压缩，即完成一个循环过程，混合制冷剂周而复始循环提供连续冷量，对原料天然气进行液化。
在本发明的一个具体实施例中，所采用的混合制冷剂由氮气、甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷和异己烷组成，其摩尔百分比的分别为：7％、20％、32％、26％、10％、5％。
本发明所提供的利用混合制冷剂液化天然气的方法中，经过气液分离的高压气相混合制冷剂和高压液相混合制冷剂分别流经不同的换热器流道，并且从冷箱换热器的不同位置抽出进行节流降压降温，节流后的混合制冷剂再经过气液分离后分别返回冷箱换热器为不同的换热温区提供冷量。提高了设备的换热效率和装置的液化效率，同时解决了两相均匀分布的问题，也降低了冷箱换热器的制造难度和操作难度。
另一方面，在本发明中，混合制冷剂采用直接压缩，避免了压缩机过程中的中间冷却和气液分离，大大简化了冷剂的增压过程，同时避免了传统工艺流程装置停车后再启时因压缩机入口压力超高导致冷剂排放问题。
传统的制冷剂压缩方式是将制冷剂经过一段压缩之后进行冷却，一直冷却到常温，这样就会有液体析出，在进入二段压缩之前需要进行气液分离，分离出的气体通过二段压缩提升到更高压力。液相需要泵提升压力，提升压力后两者混合再冷却到常温，再经过气液分离后分别进入冷箱换热器。在本发明的上述实施例中，共节省了一台气液分离器、一台中间冷却器和两台冷剂泵，使得冷剂循环中除了压缩机以外再无动设备，减少了投资和故障点，关键是对混合制冷剂压缩过程的操作控制大大简化。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种利用混合制冷剂液化天然气的方法，该方法用于将原料天然气和所述混合制冷剂在冷箱换热器中换热，将所述原料天然气液化为液化天然气，其特征在于，该方法包括如下步骤：
将所述混合制冷剂直接压缩后冷却为高压气液两相混合制冷剂；
将所述高压气液两相混合制冷剂气液分离为高压气相混合制冷剂和高压液相混合制冷剂；
将所述高压气相混合制冷剂和所述高压液相混合制冷剂分别从所述冷箱换热器的不同换热器流道自上而下流过，并从所述冷箱换热器不同位置流出后成为两股低压两相混合制冷剂；
所述两股低压两相混合制冷剂分别经气液分离后，再在所述冷箱换热器的同一换热器流道内混合后，从下而上流出所述冷箱换热器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中进一步包括如下步骤，使所述高压气相混合制冷剂自上而下流过冷箱换热器，从冷箱底部流出经过节流降压降温后再自下而上返回冷箱提供冷量；同时，使所述高压液相混合制冷剂自上而下流过所述冷箱换热器并从中部位置抽出经过节流降压降温再次返回冷箱；所述高压液相混合制冷剂经过节流后返回冷箱换热器与高压气相混合制冷剂节流后返回的低压制冷剂混合后再向上流动为上部冷箱换热器提供冷量；最后流出所述冷箱换热器后再返回压缩机进行循环压缩。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述节流后的低压混合制冷剂分别经过气液分离后再分别返回冷箱换热器，在冷箱换热器流道内再进行混合。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述混合制冷剂采用直接压缩，无需进行压缩过程中的中间冷却和气液分离。
5.根据权利要求4所述的方法，其中压缩机的入口压力为0.16MPaG，压缩机的出口压力为1.5～2.0MPaG，压缩机入口温度约为30℃，压缩机的出口温度为130～150℃。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述高温高压的混合制冷剂经过冷却器后被冷却至环境温度，变成气液两相状态，再经过气液分离器后成为高压气相混合制冷剂和高压液相混合制冷剂。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述冷却器和气液分离器的位置高于冷箱顶部。
8.根据权利要求1-6之一所述的方法，其中，所述混合制冷剂由如下摩尔百分比的组分构成：7％N2、20％CH4、32％C2H4、26％C3H8、10％i-C5H12、5％异己烷。
9.根据权利要求1-7之一所述的方法，其中，所述原料天然气经过所述冷箱换热器冷却至-40～-50℃时抽出进入一重烃分离器，经重烃分离后的气相再返回所述冷箱换热器继续降温，直到成为合格的液化天然气产品。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述重烃分离后的天然气经过所述冷箱换热器再次降温之后流出的温度为-140～-155℃，然后经过至少一个节流阀节流降压后的温度为-155～-165℃。
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