CN102564056B

CN102564056B - Lng低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备

Info

Publication number: CN102564056B
Application number: CN201110381579.7A
Authority: CN
Inventors: 张周卫; 汪雅红; 张小卫; 庞凤皎; 吴金群; 彭光前; 杨智超; 张鹏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-27
Filing date: 2011-11-27
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2031-11-27
Also published as: CN102564056A

Abstract

本发明属天然气低温液化技术领域，涉及LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热器及混合制冷剂制冷技术，应用N₂、CH₄、C₂H₄、C₃H₈、C₄H₁₀、异C₄H₁₀混合制冷剂在多股流螺旋缠绕管式换热器内将36℃、6.1MPa天然气通过三级制冷过程逐步冷却至－164℃液化并过冷；应用多股流缠绕管式换热器逐步过冷N₂、CH₄、C₂H₄、C₃H₈、C₄H₁₀、异C₄H₁₀，再分别节流并预冷天然气管束及混合制冷剂管束，达到一级天然气预冷、二级天然气液化及三级天然气过冷目的；其结构紧凑，换热效率高，可用于36℃～－164℃气体带相变低温换热领域，解决LNG低温液化技术难题，提高LNG系统低温换热效率。

Description

LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备

技术领域

本发明属天然气低温液化技术领域，涉及LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热器及混合制冷剂制冷技术，应用N₂、CH₄ 、C₂H₄、C₃H₈、C₄H₁₀、异C₄H₁₀混合制冷剂在多股流螺旋缠绕管式换热器内将36℃、6.1MPa天然气通过三级制冷过程逐步冷却至－164℃液化并过冷；应用多股流缠绕管式换热器逐步过冷N₂、CH₄ 、C₂H₄、C₃H₈、C₄H₁₀、异C₄H₁₀，再分别节流并预冷天然气管束及混合制冷剂管束，达到一级天然气预冷、二级天然气液化及三级天然气过冷目的；其结构紧凑，换热效率高，可用于36℃～－164℃气体带相变低温换热领域，解决LNG低温液化技术难题，提高LNG系统低温换热效率。

背景技术

大型混合制冷剂天然气液化流程主要包括三个阶段，第一个阶段是将压缩后的天然气进行预冷，即将36℃天然气预冷至－53℃，第二个阶段是将天然气从－53℃冷却至－120℃，为低温液化做准备，第三个阶段是将－120℃天然气冷却至－164℃并液化，三个过程可采用不同制冷工艺、不同制冷剂及不同换热设备，换热工艺流程复杂，换热器数量众多，给系统维护管理及过程控制带来严重不便。为了减少混合制冷剂天然气液化系统低温过程中的换热器数量，减少低温绝热防护面积，便于换热器维护，本发明采用整体换热方式，将三段制冷过程主换热器、工艺流程中的回热换热器、各段预冷换热器融合为一整体，延长换热器高度达60～80米，通过一个完整的多股流混合制冷剂螺旋缠绕管式换热器直接将天然气从36℃冷却至－164℃液化并过冷，使换热效率得到明显提高，管理过程更加方便。另外，由于普通列管式换热器采用管板连接平行管束方式，结构简单，自收缩能力较差，一般为单股流换热，换热效率较低，体积较大，温差较小，难以将天然气在一个流程内冷却并液化。本发明根据LNG混合制冷剂低温液化特点，采用三段式整体螺旋缠绕管式换热器做为主换热设备，应用不同的制冷剂分段制冷再融合为一整体的方法，重点针对N₂、CH₄ 、C₂H₄、C₃H₈、C₄H₁₀、异C₄H₁₀制冷剂制冷工艺流程，研究开发温区介于36℃～－53℃、－53℃～－120℃、－120℃～－164℃之间的制冷工艺技术及装备，解决混合制冷剂LNG低温液化核心技术问题，即LNG低温液化多股流螺旋缠绕管式主换热器结构及混合制冷剂工艺流程问题。

发明内容

本发明主要针对天然气在36℃～－53℃、－53℃～－120℃、－120℃～－164℃三级制冷问题，采用具有换热效率高、换热温差大、具有自紧收缩调整功能的多股流螺旋缠绕管式换热器做为主换热设备，应用N₂、CH₄ 、C₂H₄、C₃H₈、C₄H₁₀、异C₄H₁₀混合制冷剂先预冷后节流的制冷工艺流程，控制相变制冷流程，进而控制天然气预冷温度及压力，提高换热效率，解决LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式换热器结构及工艺流程问题。

本发明的技术解决方案：

LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备，包括LNG三级出口1、LNG三级出口管束2、N₂—CH₄三级节流后进口3、三级筒体4、耳座5、N₂—CH₄三级预冷进口管束6、N₂—CH₄三级进口7、圆台型过渡筒体8、C₂H₄二级节流后进口9、N₂—CH₄二级预冷出口10、C₂H₄二级过冷出口11、N₂—CH₄二级预冷出口管束12、二级筒体13、二级下支撑圈14、N₂—CH₄二级预冷进口管束15、N₂—CH₄二级预冷进口16、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级混合制冷剂节流后进口17、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷出口18、N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷出口19、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷出口管束20、N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷出口管束21、一级上支撑圈22、一级中心筒23、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口管束24、N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口管束25、N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口26、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口27、N₂—CH₄ —C₂H₄—C₃H₈—C₄H₁₀—异C₄H₁₀混合制冷剂一级蒸气出口28、一级下封头29、C₃H₈一级过冷进口30、天然气一级预冷进口31、天然气一级预冷进口管束32、C₃H₈一级过冷进口管束33、一级下支撑圈34、一级筒体35、天然气一级预冷出口管束36、C₃H₈一级过冷出口管束37、天然气一级预冷出口38、C₃H₈一级过冷出口39、C₃H₈一级节流后进口40、天然气二级液化进口41、C₂H₄二级过冷进口42、天然气二级液化进口管束43、C₂H₄二级过冷进口管束44、二级中心筒45、二级上支撑圈46、天然气二级液化出口管束47、C₂H₄二级过冷出口管束48、天然气二级液化出口49、天然气三级过冷进口50、天然气三级过冷进口管束51、三级下支撑圈52、三级中心筒53、三级上支撑圈54、N₂—CH₄三级预冷出口管束55、N₂—CH₄三级预冷出口56、三级上封头57，其特征在于：天然气一级预冷进口管束32、N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口管束25、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口管束24、C₃H₈一级过冷进口管束33绕一级中心筒23缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于一级筒体35内；一级中心筒23一端安装一级上支撑圈22，一端安装一级下支撑圈34，一级上支撑圈22固定于一级筒体35上部，一级下支撑圈34固定于一级筒体35下部，天然气一级预冷进口管束32、N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口管束25、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口管束24、C₃H₈一级过冷进口管束33缠绕于一级上支撑圈22与一级下支撑圈34之间；天然气二级液化进口管束43、N₂—CH₄二级预冷进口管束15、C₂H₄二级过冷进口管束44绕二级中心筒45缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于二级筒体13内；二级中心筒45一端安装二级上支撑圈46，一端安装二级下支撑圈14，二级上支撑圈46固定于二级筒体13上部，二级下支撑圈14固定于二级筒体13下部，天然气二级液化进口管束43、N₂—CH₄二级预冷进口管束15、C₂H₄二级过冷进口管束44缠绕于二级上支撑圈46与二级下支撑圈14之间；天然气三级过冷进口管束51、N₂—CH₄三级预冷进口管束6绕三级中心筒53缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于三级筒体4内；三级中心筒53一端安装三级上支撑圈54，一端安装三级下支撑圈52，三级上支撑圈54固定于三级筒体4上部，三级下支撑圈52固定于三级筒体4下部，天然气三级过冷进口管束51、N₂—CH₄三级预冷进口管束6缠绕于三级上支撑圈54与三级下支撑圈52之间；一级筒体35上部左侧安装N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷出口19，右侧安装天然气一级预冷出口38，上部中间左下方安装C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷出口18、上部中间左上方安装C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级混合制冷剂节流后进口17，上部中间右下方安装C₃H₈一级过冷出口39，上部中间右上方安装C₃H₈一级节流后进口40，下部左侧安装N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口26，下部右侧安装天然气一级预冷进口31，下部中间左侧安装C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口27，下部中间右侧安装C₃H₈一级过冷进口30；二级筒体13上部左侧安装N₂—CH₄二级预冷出口10，右侧安装天然气二级液化出口49，上部中间下方安装C₂H₄二级过冷出口11、上部中间上方安装C₂H₄二级节流后进口9，下部左侧安装N₂—CH₄二级预冷进口16，下部右侧安装天然气二级液化进口41，下部中间安装C₂H₄二级过冷进口42；三级筒体4上部左侧安装N₂—CH₄节流后进口3，右侧安装N₂—CH₄三级预冷出口56，下部左侧安装N₂—CH₄二级预冷进口16，下部右侧安装天然气三级过冷进口50，中部安装耳座5；N₂—CH₄—C₂H₄—C₃H₈—C₄H₁₀—异C₄H₁₀混合制冷剂一级蒸气出口28连接一级下封头29、一级下封头29连接一级筒体35，一级筒体35连接二级筒体13，二级筒体13连接圆台型过渡筒体8，圆台型过渡筒体8连接三级筒体4，三级筒体4连接三级上封头57，三级上封头57连接LNG出口1。

C₄H₁₀—异C₄H₁₀混合制冷剂在36℃、0.9MPa时进入C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口27，再分配于C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口管束24各支管，C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口管束24经螺旋缠绕后在一级筒体35内被节流后的C₄H₁₀—异C₄H₁₀、C₃H₈、N₂—CH₄—C₂H₄混合气体过冷，温度降低至－53℃、压力降低至0.6MPa，再流至C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷出口18，经安装于C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷出口18与C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级混合制冷剂节流后进口17之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至0.3MPa，温度变为－52.85℃，再经C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级混合制冷剂节流后进口17进入一级筒体35，与节流后的C₃H₈、N₂—CH₄—C₂H₄混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气一级预冷进口管束32、N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口管束25、C₃H₈一级过冷进口管束33、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口管束24后，在26℃、0.3MPa时经N₂—CH₄ —C₂H₄—C₃H₈—C₄H₁₀—异C₄H₁₀混合制冷剂一级蒸气出口28流出一级制冷装置并返回进气压缩机压缩。

C₃H₈制冷剂在36℃、2.18MPa时进入C₃H₈一级过冷进口30，再分配于C₃H₈一级过冷进口管束33各支管，C₃H₈一级过冷进口管束33经螺旋缠绕后在一级筒体35内被节流后的C₃H₈、C₄H₁₀—异C₄H₁₀、N₂—CH₄—C₂H₄混合气体过冷，温度降至－53℃、压力降至1.88MPa，再流至C₃H₈一级过冷出口39，经安装于C₃H₈一级过冷出口39与C₃H₈一级节流后进口40之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至0.3MPa，温度变为－52.29℃，再经C₃H₈一级节流后进口40进入一级筒体35，与节流后的C₄H₁₀—异C₄H₁₀、N₂—CH₄—C₂H₄混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气一级预冷进口管束32、N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口管束25、C₃H₈一级过冷进口管束33、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口管束24后，在26℃、0.3MPa时经N₂—CH₄ —C₂H₄—C₃H₈—C₄H₁₀—异C₄H₁₀混合制冷剂一级蒸气出口28流出一级制冷装置并返回进气压缩机压缩。

N₂—CH₄—C₂H₄混合气体在36℃、2.18MPa时进入N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口26，再分配于N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口管束25各支管，N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口管束25经螺旋缠绕后在一级筒体35内被节流后的C₄H₁₀—异C₄H₁₀、C₃H₈、来自二级的N₂—CH₄—C₂H₄混合气体预冷，预冷后C₂H₄被液化，形成N₂—CH₄气体与C₂H₄液体的气液两相流，温度降低至－53℃、压力降低至1.88MPa，经N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷出口19后进入气液分离器，分离后的C₂H₄与N₂—CH₄两股流制冷剂分别进入二级制冷装置。

C₂H₄制冷剂在－53℃、1.88MPa时通过C₂H₄二级过冷进口42进入二级制冷装置，再分配于C₂H₄二级过冷进口管束44各支管，C₂H₄二级过冷进口管束44经螺旋缠绕后在二级筒体13内被节流后的C₂H₄、来自一级的－130℃、0.3MPa的N₂—CH₄混合制冷剂过冷，温度降低至－120℃、压力降低至1.58MPa，再流至C₂H₄二级过冷出口11，经安装于C₂H₄二级过冷出口11与C₂H₄二级节流后进口9之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至0.3MPa，温度变为－119.4℃，再经C₂H₄二级节流后进口9进入二级筒体13与来自三级的N₂—CH₄混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气二级液化进口管束43、N₂—CH₄二级预冷进口管束15、C₂H₄二级过冷进口管束44后，在－63℃、0.3MPa时离开二级制冷装置并进入一级制冷装置。

N₂—CH₄混合气体在－53℃、1.88MPa时通过N₂—CH₄二级预冷进口16进入二级制冷装置，再分配于N₂—CH₄二级预冷进口管束15各支管，N₂—CH₄二级预冷进口管束15经螺旋缠绕后在二级筒体13内被节流后的C₂H₄、来自三级的N₂—CH₄混合制冷剂预冷，预冷后CH₄被液化并形成N₂气体与CH₄液体两相流，温度降低至－120℃、压力降低至1.58MPa，再经N₂—CH₄二级预冷出口10流出二级制冷装置；N₂—CH₄混合制冷剂在－120℃及1.58MPa时通过N₂—CH₄三级进口7进入三级制冷装置，再分配于N₂—CH₄三级预冷进口管束6各支管，N₂—CH₄三级预冷进口管束6经螺旋缠绕后在三级筒体4内被节流后的N₂—CH₄混合制冷剂预冷并液化；制冷剂完全液化后流至N₂—CH₄三级预冷出口56，温度降低至－164℃、压力降低至1.38MPa，再经安装于N₂—CH₄三级预冷出口56与N₂—CH₄三级节流后进口3之间的节流阀节流，节流后压力降低至0.3MPa，氮温度变为－185℃，处于气液两相状态，甲烷温度变为－163.5℃，节流后的混合制冷剂为气液两相，经N₂—CH₄三级节流后进口3进入三级筒体4并向下流动冷却天然气三级过冷进口管束51、N₂—CH₄三级预冷进口管束6后，在－130℃、0.3MPa时N₂—CH₄混合气流出三级制冷装置并进入二级制冷装置。

天然气在36℃、6.1MPa时进入天然气一级预冷进口31，在天然气一级预冷进口31内分配于天然气一级预冷进口管束32各支管，天然气一级预冷进口管束32经螺旋缠绕后在一级筒体35内与节流后C₄H₁₀—异C₄H₁₀、C₃H₈及来自二级的N₂—CH₄—C₂H₄混合气体进行换热，温度降至－53℃、压力降至5.8MPa时，再经天然气一级预冷出口38流出一级制冷装置；天然气在－53℃、5.8MPa时通过天然气二级液化进口41进入二级制冷装置，再分配于天然气二级液化进口管束43各支管，天然气二级液化进口管束43经螺旋缠绕后在二级筒体13内与节流后的C₂H₄、来自一级的N₂—CH₄混合气体进行换热，温度降至－120℃、压力降至5.5MPa时液化，液化后经天然气二级液化出口49流出二级制冷装置；天然气在－120℃、5.5MPa时通过天然气三级过冷进口50进入三级制冷装置，再分配于天然气三级过冷进口管束51各支管，天然气三级过冷进口管束51经螺旋缠绕后在三级筒体4内与节流后的N₂—CH₄混合制冷剂进行换热，温度降低至－164℃、压力降低至5.3MPa时完全液化并过冷，过冷后经LNG出口1流出三级制冷装置，节流降压后送入LNG贮罐。

方案所涉及的原理问题：

首先，传统的LNG低温液化系统一般采用多个独立的制冷系统，应用多个不同的换热器对各个温区进行独立换热并逐步冷却天然气，如级联式LNG液化系统，换热器数量较多，液化工艺流程分级独立，各个制冷系统按温区独立运行，管理系统庞大，各系统容易出现问题，影响成套工艺流程的运行。为解决这一问题，本发明将主换热器内天然气温度变化过程分为36℃～－53℃、－53℃～－120℃、－120℃～－164℃三个区间，采用三段式整体多股流螺旋缠绕管式换热器，完成三个温度区间由高至低的换热过程，并重点研究开发36℃～－53℃、－53℃～－120℃、－120℃～－164℃三个区间低温换热工艺流程及换热器总体结构与进出口参数，并采用N₂、CH₄ 、C₂H₄、C₃H₈、C₄H₁₀、异C₄H₁₀混合制冷剂制冷工艺，解决三段式整体多股流螺旋缠绕管式换热器的结构及换热工艺流程问题。三段制冷过程相对独立但又有机结合成为整体，与整体式主换热器换热原理一致，便于主换热器分拆后运输及现场拼装。其次，一段采用近1：1的C₄H₁₀—异C₄H₁₀混合制冷剂制冷工艺，节流前过冷至－53℃，可使一段制冷温度低于其饱和蒸发温度26℃，产生较进口低10℃的传热温差推动力。C₄H₁₀—异C₄H₁₀冷剂进口为0.9MPa、36℃时，C₂H₄处于液相状态，当压力达到0.6MPa、温度达到－53℃时，C₄H₁₀—异C₄H₁₀过冷并具有较大显热，再节流后可得到更大制冷量。另外，一段还采用C₃H₈制冷剂制冷工艺，即C₃H₈节流前过冷至－53℃，节流至0.3 MPa时饱和蒸发温度为－14℃，使一级制冷过程中具有－14℃与26℃两个蒸发温度，可降低传热过程熵增量。N₂—CH₄—C₂H₄混合制冷剂主要用于二、三段制冷过程，节流前须经36℃～－53℃、－53℃～－120℃、－120℃～－164℃三段低温预冷过程，在一级制冷过程中，N₂—CH₄—C₂H₄混合制冷剂预冷过程与天然气液化、C₃H₈过冷、C₄H₁₀—异C₄H₁₀过冷同时进行，所以一段须采用四股流低温换热过程。二段采用C₂H₄制冷剂制冷工艺后，节流前须对C₂H₄进行过冷，冷剂进口为1.88MPa、－53℃时，C₂H₄处于液相状态，当压力达到1.58MPa、温度达到－120℃时，C₂H₄过冷并具有较大显热，再节流后可得到更大制冷量。N₂—CH₄混合制冷剂主要用于三段制冷过程，节流前须经－53℃～－120℃、－120℃～－164℃两段低温预冷过程，在二段制冷过程中，N₂—CH₄混合制冷剂预冷过程与天然气液化及C₂H₄过冷过程同时进行，所以须采用三股流低温换热过程。三段采用N₂—CH₄混合制冷剂制冷工艺后，节流前须对制冷剂进行预冷并液化，冷剂进口为1.58MPa、－120℃时，N₂—CH₄混合制冷剂中甲烷已经被液化，氮仍未达到饱和，处于气相状态，当压力达到1.38MPa、预冷温度达到－164℃时，氮达到饱和并被液化，液化后再节流可得到更大的制冷量，预冷过程与天然气液化及过冷过程同时进行，所以，须采用两股流低温换热过程。采用非共沸N₂—CH₄混合制冷剂后，可使饱和液氮节流后冷剂进口温度达到－185℃，产生足够的传热温差推动力，同时，甲烷在过冷状态下节流至－163.5℃过冷状态，可继续利用其显热，达到饱和温度－146℃时再蒸发，使三级液化过程具有三个低温换热温度，包括两个蒸发温度，以此降低传热过程熵增量，减少传热过程损失。传统的列管式换热器由于采用了两块大管板连接平行管束结构，体积较大，换热温差较小，易分区，管间距较大，自收缩能力较差，一般适用于单股流换热，换热效率较低，难以将天然气在一个流程内冷却并液化，不易完成多股流均匀换热过程。本发明开发了可承受压力6.1MPa、温度－185℃的9Ni钢多股流螺旋缠绕管式低温换热器，可完成高压低温工况下多股流换热过程及LNG低温液化过程。

本发明的技术特点：

本发明主要针对 LNG低温液化多股流螺旋缠绕管式换热装备，采用具有体积小、换热效率高、换热温差大、具有自紧收缩调整功能的多股流螺旋缠绕管式换热器做为主换热设备，应用N₂、CH₄ 、C₂H₄、C₃H₈、C₄H₁₀、异C₄H₁₀混合制冷剂先预冷后节流的制冷工艺流程，控制相变制冷流程，进而控制天然气液化温度及压力，提高换热效率，解决天然气在36℃～－164℃间三段制冷问题；三段式多股流螺旋缠绕管式换热器具有结构紧凑，多种介质带相变传热，传热系数大，可解决大型LNG低温液化过程中分段式混合制冷剂预冷、天然气低温液化技术难题，提高系统换热及液化效率；应用三段式LNG低温液化过程后，LNG主换热器可分为三个独立的换热区间，分段进行加工制造、运输及现场拼装； LNG低温液化多股流螺旋缠绕管式主换热器可合理分配液化段及过冷段的热负荷，使液化段和过冷段相对协调，可结合大型换热器的载荷分配以及换热管强度特性，采用辅助中心筒缠绕螺旋盘管的方式，从理论上保证缠绕过程均匀且强度符合设计要求；合理选择了换热器进出口位置及物料、采用多个小管板侧置的方法可使换热器结构更加紧凑，换热过程得到优化；螺旋缠绕管式换热器管外介质逆流并横向交叉掠过缠绕管，换热器层与层之间换热管反向缠绕，即使雷诺数较低，其依然为湍流形态，换热系数较大；由于是多种介质带相变换热过程，对不同介质之间的压差和温差限制要求较小，生产装置操作难度降低，安全性得以提高；螺旋缠绕管式换热器耐高压且密封可靠、热膨胀可自行补偿，易实现大型LNG液化作业。

附图说明

图1所示为LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备的主要部件结构及位置关系。

具体实施方式

将混合制冷剂压缩机中段冷凝中分离出的36℃、0.9MPa C4H₁₀—异C₄H₁₀混合制冷剂打入进口27，再分配于C₄H₁₀—异C₄H₁₀过冷管束24各支管，管束24经螺旋缠绕后在筒体35内被节流后的C₄H₁₀—异C₄H₁₀、C₃H₈、N₂—CH₄—C₂H₄混合气体过冷，温度降低至－53℃、压力降低至0.6MPa，再流至出口18，经安装于出口18与进口17之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至0.3MPa，温度变为－52.85℃，再经进口17进入筒体35，与节流后的C₃H₈、N₂—CH₄—C₂H₄混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气管束32、N₂—CH₄ —C₂H₄管束25、C₃H₈管束33、C₄H₁₀—异C₄H₁₀管束24后，在26℃、0.3MPa时经出口28流出一级制冷段并返回进气压缩机压缩。

将混合制冷剂压缩机末段冷凝中分离出的36℃、2.18MPa C₃H₈制冷剂打入进口30，再分配于C₃H₈过冷管束33各支管，管束33经螺旋缠绕后在筒体35内被节流后的C₃H₈、C₄H₁₀—异C₄H₁₀、N₂—CH₄—C₂H₄混合气体过冷，温度降至－53℃、压力降至1.88MPa，再流至出口39，经安装于出口39与进口40之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至0.3MPa，温度变为－52.29℃，再经进口40进入筒体35，与节流后的C₄H₁₀—异C₄H₁₀、N₂—CH₄—C₂H₄混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气管束32、N₂—CH₄ —C₂H₄管束25、C₃H₈管束33、C₄H₁₀—异C₄H₁₀管束24后，在26℃、0.3MPa时经出口28流出一级制冷段并返回进气压缩机压缩。

将混合制冷剂压缩机末段冷凝器中分离出的36℃、2.18MPa N₂—CH₄—C₂H₄混合气体打入N₂—CH₄—C₂H₄预冷进口26，再分配于预冷管束25各支管，管束25经螺旋缠绕后在一级筒体35内被节流后的C₄H₁₀—异C₄H₁₀、C₃H₈、来自二级的N₂—CH₄—C₂H₄混合气体预冷，预冷后C₂H₄被液化，形成N₂—CH₄气体与C₂H₄液体的气液两相流，温度降低至－53℃、压力降低至1.88MPa，经出口19后进入气液分离器，分离后的C₂H₄与N₂—CH₄两股流制冷剂分别进入二级预冷段。

将一段制冷末端气液分离器分离出的液态C₂H₄制冷剂在－53℃、1.88MPa时通过进口42打入二级预冷段，再分配于C₂H₄过冷管束44各支管，管束44经螺旋缠绕后在二级筒体13内被节流后的C₂H₄、来自一级的－130℃、0.3MPa的N₂—CH₄混合制冷剂过冷，温度降低至－120℃、压力降低至1.58MPa，再流至出口11，经安装于出口11与进口9之间的节流阀节流为过冷液体，节流后压力降至0.3MPa，温度变为－119.4℃，再经进口9进入二级筒体13与来自三级的N₂—CH₄混合气体混合，混合后向下流动冷却天然气管束43、N₂—CH₄预冷管束15、C₂H₄过冷管束44后，在－63℃、0.3MPa时经二级制冷段并进入一级制冷段。

将一段制冷末端气液分离器分离出的气态N₂—CH₄混合气体在－53℃、1.88MPa时通过进口16进入二级预冷段，再分配于预冷管束15各支管，管束15经螺旋缠绕后在二级筒体13内被节流后的C₂H₄、来自三级的N₂—CH₄混合制冷剂预冷，预冷后CH₄被液化并形成N₂气体与CH₄液体两相流，温度降低至－120℃、压力降低至1.58MPa，再经出口10流出二级预冷段；N₂—CH₄混合制冷剂在－120℃及1.58MPa时通过进口7进入三级预冷段，再分配于预冷管束6各支管，管束6经螺旋缠绕后在三级筒体4内被节流后的N₂—CH₄混合制冷剂预冷并液化；制冷剂完全液化后流至出口56，温度降低至－164℃、压力降低至1.38MPa，再经安装于出口56与进口3之间的节流阀节流，节流后压力降低至0.3MPa，氮温度变为－185℃，处于气液两相状态，甲烷温度变为－163.5℃，节流后的混合制冷剂为气液两相，经进口5进入三级筒体4并向下流动冷却天然气管束51、预冷N₂—CH₄管束6后，在－130℃、0.3MPa时N₂—CH₄混合气流出三级制冷段并进入二级制冷段。

将原料气压缩机末端冷凝器出口的36℃、6.1MPa天然气打入进口31，在进口31内分配于天然气螺旋管束32各支管，管束32经螺旋缠绕后在一级筒体35内与节流后C₄H₁₀—异C₄H₁₀、C₃H₈及来自二级的N₂—CH₄—C₂H₄混合气体进行换热，温度降至－53℃、压力降至5.8MPa时，再经出口38流出一级预冷段；天然气在－53℃、5.8MPa时通过进口41进入二级液化段，再分配于天然气螺旋管束43各支管，管束43经螺旋缠绕后在二级筒体13内与节流后的C₂H₄、来自一级的N₂—CH₄混合气体进行换热，温度降至－120℃、压力降至5.5MPa时液化，液化后经出口49流出二级液化段；天然气在－120℃、5.5MPa时通过进口50进入三级过冷段，再分配于天然气螺旋管束51各支管，管束51经螺旋缠绕后在三级筒体4内与节流后的N₂—CH₄混合制冷剂进行换热，温度降低至－164℃、压力降低至5.3MPa时完全液化并过冷，过冷后经LNG出口1流出三级制冷段，节流降压后送入LNG贮罐。

Claims

1.LNG低温液化混合制冷剂多股流螺旋缠绕管式主换热装备，包括LNG三级出口（1）、LNG三级出口管束（2）、N₂—CH₄三级节流后进口（3）、三级筒体（4）、耳座（5）、N₂—CH₄三级预冷进口管束（6）、N₂—CH₄三级进口（7）、圆台型过渡筒体（8）、C₂H₄二级节流后进口（9）、N₂—CH₄二级预冷出口（10）、C₂H₄二级过冷出口（11）、N₂—CH₄二级预冷出口管束（12）、二级筒体（13）、二级下支撑圈（14）、N₂—CH₄二级预冷进口管束（15）、N₂—CH₄二级预冷进口（16）、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级混合制冷剂节流后进口（17）、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷出口（18）、N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷出口（19）、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷出口管束（20）、N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷出口管束（21）、一级上支撑圈（22）、一级中心筒（23）、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口管束（24）、N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口管束（25）、N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口（26）、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口（27）、N₂—CH₄—C₂H₄—C₃H₈—C₄H₁₀—异C₄H₁₀混合制冷剂一级蒸气出口（28）、一级下封头（29）、C₃H₈一级过冷进口（30）、天然气一级预冷进口（31）、天然气一级预冷进口管束（32）、C₃H₈一级过冷进口管束（33）、一级下支撑圈（34）、一级筒体（35）、天然气一级预冷出口管束（36）、C₃H₈一级过冷出口管束（37）、天然气一级预冷出口（38）、C₃H₈一级过冷出口（39）、C₃H₈一级节流后进口（40）、天然气二级液化进口（41）、C₂H₄二级过冷进口（42）、天然气二级液化进口管束（43）、C₂H₄二级过冷进口管束（44）、二级中心筒（45）、二级上支撑圈（46）、天然气二级液化出口管束（47）、C₂H₄二级过冷出口管束（48）、天然气二级液化出口（49）、天然气三级过冷进口（50）、天然气三级过冷进口管束（51）、三级下支撑圈（52）、三级中心筒（53）、三级上支撑圈（54）、N₂—CH₄三级预冷出口管束（55）、N₂—CH₄三级预冷出口（56）、三级上封头（57），其特征在于：天然气一级预冷进口管束（32）、N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口管束（25）、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口管束（24）、C₃H₈一级过冷进口管束（33）绕一级中心筒（23）缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于一级筒体（35）内；一级中心筒（23）一端安装一级上支撑圈（22），一端安装一级下支撑圈（34），一级上支撑圈（22）固定于一级筒体（35）上部，一级下支撑圈（34）固定于一级筒体（35）下部，天然气一级预冷进口管束（32）、N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口管束（25）、C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口管束（24）、C₃H₈一级过冷进口管束（33）缠绕于一级上支撑圈（22）与一级下支撑圈（34）之间；天然气二级液化进口管束（43）、N₂—CH₄二级预冷进口管束（15）、C₂H₄二级过冷进口管束（44）绕二级中心筒（45）缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于二级筒体（13）内；二级中心筒（45）一端安装二级上支撑圈（46），一端安装二级下支撑圈（14），二级上支撑圈（46）固定于二级筒体（13）上部，二级下支撑圈（14）固定于二级筒体（13）下部，天然气二级液化进口管束（43）、N₂—CH₄二级预冷进口管束（15）、C₂H₄二级过冷进口管束（44）缠绕于二级上支撑圈（46）与二级下支撑圈（14）之间；天然气三级过冷进口管束（51）、N₂—CH₄三级预冷进口管束（6）绕三级中心筒（53）缠绕，缠绕后的螺旋盘管安装于三级筒体（4）内；三级中心筒（53）一端安装三级上支撑圈（54），一端安装三级下支撑圈（52），三级上支撑圈（54）固定于三级筒体（4）上部，三级下支撑圈（52）固定于三级筒体（4）下部，天然气三级过冷进口管束（51）、N₂—CH₄三级预冷进口管束（6）缠绕于三级上支撑圈（54）与三级下支撑圈（52）之间；一级筒体（35）上部左侧安装N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷出口（19），右侧安装天然气一级预冷出口（38），上部中间左下方安装C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷出口（18）、上部中间左上方安装C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级混合制冷剂节流后进口（17），上部中间右下方安装C₃H₈一级过冷出口（39），上部中间右上方安装C₃H₈一级节流后进口（40），下部左侧安装N₂—CH₄—C₂H₄一级预冷进口（26），下部右侧安装天然气一级预冷进口（31），下部中间左侧安装C₄H₁₀—异C₄H₁₀一级过冷进口（27），下部中间右侧安装C₃H₈一级过冷进口（30）；二级筒体（13）上部左侧安装N₂—CH₄二级预冷出口（10），右侧安装天然气二级液化出口（49），上部中间下方安装C₂H₄二级过冷出口（11）、上部中间上方安装C₂H₄二级节流后进口（9），下部左侧安装N₂—CH₄二级预冷进口（16），下部右侧安装天然气二级液化进口（41），下部中间安装C₂H₄二级过冷进口（42）；三级筒体（4）上部左侧安装N₂—CH₄节流后进口（3），右侧安装N₂—CH₄三级预冷出口（56），下部左侧安装N₂—CH₄二级预冷进口（16），下部右侧安装天然气三级过冷进口（50），中部安装耳座（5）；N₂—CH₄—C₂H₄—C₃H₈—C₄H₁₀—异C₄H₁₀混合制冷剂一级蒸气出口（28）连接一级下封头（29）、一级下封头（29）连接一级筒体（35），一级筒体（35）连接二级筒体（13），二级筒体（13）连接圆台型过渡筒体（8），圆台型过渡筒体（8）连接三级筒体（4），三级筒体（4）连接三级上封头（57），三级上封头（57）连接LNG出口（1）。