CN104089463A - 一种混合冷剂气液分流式节流制冷的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混合冷剂气液分流式节流制冷的方法和系统，结合传统制冷工艺的优点，同时该方法将混合冷剂压缩机级间以及出口的混合冷剂逐级进行气液分离，并将分离后的各股混合冷剂物流直接通入冷箱不同流道中过冷节流，其中，气相物流节流后首先复热至-120～-40℃再与节流后的液相物流逐一混合为冷箱提供冷量，最终复热至-32～45℃流出冷箱送至压缩机入口进入下一制冷循环。本发明的方法增加了混合冷剂制冷过程的温度梯度，使能量效率接近传统阶式制冷工艺的同时，又能保证类似单循环制冷工艺的流程简洁性。本发明的方法能耗低，工艺简单，变工况适应能力高，可操作性强。

Description

一种混合冷剂气液分流式节流制冷的方法和系统
技术领域
本发明涉及液化天然气生产领域，特别涉一种混合冷剂气液分流式节流制冷的方法和系统。
背景技术
天然气作为一种清洁、优质的能源，其需求量正随着我国经济的发展和环境保护要求的提高迅速扩大。由于液化天然气(LNG)在天然气存储及运输中具有的巨大优势，液化天然气正逐渐成为天然气需求的首选。
LNG发展的核心问题在于天然气液化技术。目前，国内外通常采用的天然气液化工艺大致有三种：级联式循环工艺、混合冷剂循环工艺和膨胀机循环工艺。级联式循环工艺以ConocoPhillips建立的双重制冷COPOC技术最为成功，该工艺的能耗低，工艺流程极其复杂、投资高。以混合冷剂循环为核心的天然气液化工艺流程大大简化、设备少、投资省，但能耗则相对增高。膨胀机循环工艺流程最为简单、设备也少且投资最省，然而该工艺能耗在所有技术中最高，仅能在少部分小型液化装置和海上浮动液化装置中得到应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的方法将混合冷剂压缩机级间以及出口的混合冷剂逐级进行气液分离，并将分离后的各混合冷剂物流直接通入冷箱不同流道中过冷节流以提供冷量，从而提供了一种既增加混合冷剂制冷过程的温度梯度，使能量效率接近传统阶式制冷工艺，又保证类似单循环制冷工艺的流程简洁性的混合冷剂气液分流式节流制冷的方法。
本发明的方法通过混合冷剂的压缩与逐级气液分离以及分流节流提供冷量，工艺包括以下步骤：
1)压缩与分流：来自冷箱的低压的混合冷剂I进入混合冷剂压缩机14一段进行压缩增压至400～1000kPa，然后经一段出口冷却器8冷却至35～45℃得到混合冷剂II；混合冷剂II经二段入口缓冲罐9进入混合冷剂压缩机14二段进行压缩增压至900～2400kPa，然后经二段出口冷却器10冷却至35～45℃送入三段入口分离器11，分离后得到液相的混合冷剂III和气相的混合冷剂IV；混合冷剂IV进入混合冷剂压缩机14三段进行压缩增压至2200～4500kPa，然后经三段出口冷却器12冷却至-30～45℃送入三段出口分离器13，分离后得到液相的混合冷剂V和气相的混合冷剂VI；
2)节流制冷：将步骤1得到的混合冷剂III通入冷箱的第一流道A预冷至-120～-40℃，之后经第一节流阀V1节流至200～500kPa得到混合冷剂VII，混合冷剂VII进入第一分离器2进行气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第一静态混合器5；将步骤1得到的混合冷剂V冷箱的第二流道B预冷至-120～-40℃，然后经第二节流阀V2节流得到混合冷剂VIII，混合冷剂VIII进入第二分离器3进行气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第二静态混合器6；将步骤1得到的混合冷剂VI通入冷箱的第三流道C预冷至-140～-165℃，之后经第三节流阀V3节流至205～550kPa得到混合冷剂IX，混合冷剂IX进入第三分离器4气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第三静态混合器7混合，之后进入冷箱第四流道D提供冷量，复热至-120～-40℃后与来自第二静态混合器6的混合冷剂混合得到混合冷剂X，继续通入第五流道E复热至-110～-35℃与来自第一静态混合器5的混合冷剂混合得到混合冷剂XI，之后通入冷箱第六流道F继续提供冷量，复热至-32～45℃后通至混合冷剂压缩机14入口进入下一循环。
上述的技术方案中，步骤2得到的混合冷剂VIII比混合冷剂VII压力高0～35kPa。
上述的技术方案中，步骤2得到的混合冷剂IX比混合冷剂VII高5～75kPa。
本发明还提供了一种混合冷剂气液分流式节流制冷的系统，包括：混合冷剂压缩机14、一段出口冷却器8、二段入口缓冲罐9、二段出口冷却器10、三段入口分离器11、三段出口冷却器12、三段出口分离器13、冷箱1的第一流道A、第二流道B、第三流道C、第四流道D、第五流道E、第六流道F、第一分离器2、第二分离器3、第三分离器4、第一节流阀V1、第二节流阀V2、第三节流阀V3、第一静态混合器5、第二静态混合器6以及第三静态混合器7，其中，混合冷剂压缩机14一段的入口与冷箱1的第六流道F出口连接、出口依次连接一段出口冷却器8和二段入口缓冲罐9，混合冷剂压缩机14二段的入口与二段入口缓冲罐9的顶部出口连接、出口依次连接二段出口冷却器10和三段入口分离器11，混合冷剂压缩机14三段的入口与三段入口分离器11的顶部出口连接、出口依次连接三段出口冷却器12和三段出口分离器13，冷箱第一流道A的入口与三段入口分离器11的底部液相出口连接、出口依次连接第一节流阀V1和第一分离器2，第一分离器2的气相出口和液相出口均与位于冷箱第六流道F入口的第一静态混合器5连接；冷箱第二流道B的入口与三段出口分离器13的底部液相出口连接、出口依次连接第二节流阀V2和第二分离器3，第二分离器3的气相出口和液相出口均与位于冷箱第五流道E入口的第二静态混合器6连接；冷箱第三流道C的入口与三段出口分离器13的顶部气相出口连接、出口依次连接第三节流阀V3和第三分离器4，第三分离器4的气相出口和液相出口均与位于冷箱第四流道D入口的第三静态混合器7连接；冷箱第四流道D与第五流道E、第六流道F依次连接，冷箱第六流道F的出口与混合冷剂压缩机14的入口连接。
上述的混合冷剂气液分流式节流制冷的系统中，一段出口冷却器8、二段出口冷却器10和三段出口冷却器12为空冷器或管壳式换热器。
上述的混合冷剂气液分流式节流制冷的系统中，混合冷剂压缩机14为离心式、往复式或者螺杆式压缩机。
本发明的技术方案通过将混合冷剂压缩机级间以及出口的混合冷剂逐级进行气液分离，并将分离后的各混合冷剂物流直接通入冷箱不同流道中过冷节流以提供冷量，从而增加了混合冷剂制冷过程的温度梯度，使能量效率接近传统阶式制冷工艺，又保证类似单循环制冷工艺的流程简洁性，能量效率高，工艺简便，投资省，可操作性强。
本发明的优点和积极作用在于：
1)采用的单循环混合冷剂气液分流节流制冷的形式，将混合冷剂的气相和液相单独节流以提供冷量，提高了工艺的能量效率，降低了能耗，比传统的单循环制冷工艺节能2％～5％。
2)采用的单循环混合冷剂气液分流节流制冷的形式，简化了天然气液化工艺流程，投资省，操作费用低，节约成本，从而产生明显的经济效益。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
a.本发明的混合冷剂气液分流式节流制冷系统。
图中代号含义如下：
1.冷箱
2.第一分离器
3.第二分离器
4.第三分离器
5.第一静态混合器
6.第二静态混合器
7.第三静态混合器
8.一段出口冷却器
9.二段入口缓冲罐
10.二段出口冷却器
11.三段入口分离器
12.三段出口冷却器
13.三段出口分离器
14.混合冷剂压缩机
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明做详细地说明
实施例1
本实施例的具体工艺流程请参见图1。
一种混合冷剂气液分流式节流制冷的系统，包括：混合冷剂压缩机14、一段出口冷却器8、二段入口缓冲罐9、二段出口冷却器10、三段入口分离器11、三段出口冷却器12、三段出口分离器13、冷箱1的第一流道A、第二流道B、第三流道C、第四流道D、第五流道E、第六流道F、第一分离器2、第二分离器3、第三分离器4、第一节流阀V1、第二节流阀V2、第三节流阀V3、第一静态混合器5、第二静态混合器6以及第三静态混合器7，其中，混合冷剂压缩机14一段的入口与冷箱1的第六流道F出口连接、出口依次一段出口冷却器8和二段入口缓冲罐9，混合冷剂压缩机14二段的入口与二段入口缓冲罐9的顶部出口连接、出口依次连接二段出口冷却器10和三段入口分离器11，混合冷剂压缩机14三段的入口与三段入口分离器11的顶部出口连接、出口依次连接三段出口冷却器12和三段出口分离器13，冷箱第一流道A的入口与三段入口分离器11的底部液相出口连接、出口依次连接第一节流阀V1和第一分离器2，第一分离器2的气相出口和液相出口均与位于冷箱第六流道F入口的第一静态混合器5连接；冷箱第二流道B的入口与三段出口分离器13的底部液相出口连接、出口依次连接第二节流阀V2和第二分离器3，第二分离器3的气相出口和液相出口均与位于冷箱第五流道E入口的第二静态混合器6连接；冷箱第三流道C的入口与三段出口分离器13的顶部气相出口连接、出口依次连接第三节流阀V3和第三分离器4，第三分离器4的气相出口和液相出口均与位于冷箱第四流道D入口的第三静态混合器7连接；冷箱第四流道D与第五流道E、第六流道F依次连接，冷箱第六流道F的出口与混合冷剂压缩机14的入口连接。上述的一段出口冷却器8、二段出口冷却器10和三段出口冷却器12为管壳式换热器，混合冷剂压缩机7为往复式压缩机。
来自冷箱的低压的混合冷剂I以8596kg/h的流量进入混合冷剂压缩机14一段进行压缩增压至785kPa，然后经一段出口冷却器8冷却至35℃得到混合冷剂II；混合冷剂II经二段入口缓冲罐9进入混合冷剂压缩机14二段进行压缩增压至1800kPa，然后经二段出口冷却器10冷却至35℃送入三段入口分离器11，分离后得到液相的混合冷剂III和气相的混合冷剂IV；混合冷剂III进入混合冷剂压缩机14三段进行压缩增压至4000kPa，然后经三段出口冷却器12冷却至35℃送入三段出口分离器13，分离后得到液相的混合冷剂V和气相的混合冷剂VI。将混合冷剂III通入冷箱的第一流道A预冷至-100℃，之后经第一节流阀V1节流至400kPa得到混合冷剂VII，混合冷剂VII进入第一分离器2进行气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第一静态混合器5；将混合冷剂V冷箱的第二流道B预冷至-100℃，然后经第二节流阀V2节流至420kPa得到混合冷剂VIII，混合冷剂VIII进入第二分离器3进行气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第二静态混合器6；将混合冷剂VI通入冷箱的第三流道C预冷至-165℃，之后经第三节流阀V3节流至475kPa得到混合冷剂IX，混合冷剂IX进入第三分离器4气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第三静态混合器7混合，之后进入冷箱第四流道D提供冷量，复热至-80℃后与来自第二静态混合器6的混合冷剂混合得到的混合冷剂X；混合冷剂X再进入冷箱第五流道E继续复热至-75℃与来自第一静态混合器5的混合冷剂混合得到的混合冷剂XI，将其通入冷箱第六流道F继续复热至30℃后通至混合冷剂压缩机14入口进入下一循环。
在上述循环过程中，经预处理后脱酸脱水后的天然气经冷箱第七流道G和第八流道H由40℃冷却至-162℃得到流量为1515kg/h的LNG。
实施例2
本实施例的具体工艺流程请参见图1。
如图所示装置，其中一段出口冷却器8、二段出口冷却器10和三段出口冷却器12为空冷器，混合冷剂压缩机7为离心式压缩机。
来自冷箱的低压的混合冷剂I以171920kg/h的流量进入混合冷剂压缩机14一段进行压缩增压至1000kPa，然后经一段出口冷却器8冷却至45℃得到混合冷剂II；混合冷剂II经二段入口缓冲罐9进入混合冷剂压缩机14二段进行压缩增压至2400kPa，然后经二段出口冷却器10冷却至45℃送入三段入口分离器11，分离后得到液相的混合冷剂III和气相的混合冷剂IV；混合冷剂III进入混合冷剂压缩机14三段进行压缩增压至4500kPa，然后经三段出口冷却器12冷却至45℃送入三段出口分离器13，分离后得到液相的混合冷剂V和气相的混合冷剂VI。将混合冷剂III通入冷箱的第一流道A预冷至-40℃，之后经第一节流阀V1节流至500kPa得到混合冷剂VII，混合冷剂VII进入第一分离器2进行气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第一静态混合器5；将混合冷剂V冷箱的第二流道B预冷至-40℃，然后经第二节流阀V2节流至535kPa得到混合冷剂VIII，混合冷剂VIII进入第二分离器3进行气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第二静态混合器6；将混合冷剂VI通入冷箱的第三流道C预冷至-140℃，之后经第三节流阀V3节流至555kPa得到混合冷剂IX，混合冷剂IX进入第三分离器4气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第三静态混合器7混合，之后进入冷箱第四流道D提供冷量，复热至-40℃后与来自第二静态混合器6的混合冷剂混合得到的混合冷剂X；混合冷剂X再进入冷箱第五流道E继续复热至-35℃与来自第一静态混合器5的混合冷剂混合得到的混合冷剂XI，将其通入冷箱第六流道F继续复热至45℃后通至混合冷剂压缩机14入口进入下一循环。
在上述循环过程中，经预处理后脱酸脱水后的天然气经冷箱第七流道G和第八流道H由48℃冷却至-145℃得到流量为30500kg/h的LNG。
实施例3
本实施例的具体工艺流程请参见图1。
如图所示装置，其中一段出口冷却器8和二段出口冷却器10为空冷器，三段出口冷却器12为管壳式换热器，混合冷剂压缩机7为螺杆式压缩机。
来自冷箱的低压的混合冷剂I以17200kg/h的流量进入混合冷剂压缩机14一段进行压缩增压至400kPa，然后经一段出口冷却器8冷却至40℃得到混合冷剂II；混合冷剂II经二段入口缓冲罐9进入混合冷剂压缩机14二段进行压缩增压至900kPa，然后经二段出口冷却器10冷却至40℃送入三段入口分离器11，分离后得到液相的混合冷剂III和气相的混合冷剂IV；混合冷剂III进入混合冷剂压缩机14三段进行压缩增压至2200kPa，然后经三段出口冷却器12冷却至-30℃送入三段出口分离器13，分离后得到液相的混合冷剂V和气相的混合冷剂VI。将混合冷剂III通入冷箱的第一流道A预冷至-120℃，之后经第一节流阀V1节流至200kPa得到混合冷剂VII，混合冷剂VII进入第一分离器2进行气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第一静态混合器5；将混合冷剂V冷箱的第二流道B预冷至-120℃，然后经第二节流阀V2节流至200kPa得到混合冷剂VIII，混合冷剂VIII进入第二分离器3进行气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第二静态混合器6；将混合冷剂VI通入冷箱的第三流道C预冷至-155℃，之后经第三节流阀V3节流至205kPa得到混合冷剂IX，混合冷剂IX进入第三分离器4气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第三静态混合器7混合，之后进入冷箱第四流道D提供冷量，复热至-120℃后与来自第二静态混合器6的混合冷剂混合得到的混合冷剂X；混合冷剂X再进入冷箱第五流道E继续复热至-110℃与来自第一静态混合器5的混合冷剂混合得到的混合冷剂XI，将其通入冷箱第六流道F继续复热至-32℃后通至混合冷剂压缩机14入口进入下一循环。
在上述循环过程中，经预处理后脱酸脱水及预冷后的天然气经冷箱第七流道G和第八流道H由-30℃冷却至-162℃得到流量为3000kg/h的LNG。

Claims (6)

1.一种混合冷剂气液分流式节流制冷的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)压缩与分流：来自冷箱的低压的混合冷剂I进入混合冷剂压缩机(14)一段进行压缩增压至400～1000kPa，然后经一段出口冷却器(8)冷却至35～45℃得到混合冷剂II；混合冷剂II经二段入口缓冲罐(9)进入混合冷剂压缩机(14)二段进行压缩增压至900～2400kPa，然后经二段出口冷却器(10)冷却至35～45℃送入三段入口分离器(11)，分离后得到液相的混合冷剂III和气相的混合冷剂IV；混合冷剂IV进入混合冷剂压缩机(14)三段进行压缩增压至2200～4500kPa，然后经三段出口冷却器(12)冷却至-30～45℃送入三段出口分离器(13)，分离后得到液相的混合冷剂V和气相的混合冷剂VI；
2)节流制冷：将步骤1)得到的混合冷剂III通入冷箱的第一流道(A)预冷至-120～-40℃，之后经第一节流阀(V1)节流至200～500kPa得到混合冷剂VII，混合冷剂VII进入第一分离器(2)进行气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第一静态混合器(5)；将步骤1)得到的混合冷剂V冷箱的第二流道(B)预冷至-120～-40℃，然后经第二节流阀(V2)节流得到混合冷剂VIII，混合冷剂VIII进入第二分离器(3)进行气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第二静态混合器(6)；将步骤1)得到的混合冷剂VI通入冷箱的第三流道(C)预冷至-140～-165℃，之后经第三节流阀(V3)节流至205～550kPa得到混合冷剂IX，混合冷剂IX进入第三分离器(4)气液分离，得到的气相物流和液相物流一并进入第三静态混合器(7)混合，之后进入冷箱第四流道(D)提供冷量，复热至-120～-40℃后与来自第二静态混合器(6)的混合冷剂混合得到混合冷剂X，继续通入第五流道(E)复热至-110～-35℃与来自第一静态混合器(5)的混合冷剂混合得到混合冷剂XI，之后通入冷箱第六流道(F)继续提供冷量，复热至-32～45℃后通至混合冷剂压缩机(14)入口进入下一循环。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)得到的混合冷剂VIII比混合冷剂VII压力高0～35kPa。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)得到的混合冷剂IX比混合冷剂VII高5～75kPa。
4.一种混合冷剂气液分流式节流制冷的系统，其特征在于，该系统包括：混合冷剂压缩机(14)、一段出口冷却器(8)、二段入口缓冲罐(9)、二段出口冷却器(10)、三段入口分离器(11)、三段出口冷却器(12)、三段出口分离器(13)、冷箱(1)的第一流道(A)、第二流道(B)、第三流道(C)、第四流道(D)、第五流道(E)、第六流道(F)、第一分离器(2)、第二分离器(3)、第三分离器(4)、第一节流阀(V1)、第二节流阀(V2)、第三节流阀(V3)、第一静态混合器(5)、第二静态混合器(6)以及第三静态混合器(7)，其中，混合冷剂压缩机(14)一段的入口与冷箱(1)的第六流道(F)出口连接、出口依次连接一段出口冷却器(8)和二段入口缓冲罐(9)，混合冷剂压缩机(14)二段的入口与二段入口缓冲罐(9)的顶部出口连接、出口依次连接二段出口冷却器(10)和三段入口分离器(11)，混合冷剂压缩机(14)三段的入口与三段入口分离器(11)的顶部出口连接、出口依次连接三段出口冷却器(12)和三段出口分离器(13)，冷箱第一流道(A)的入口与三段入口分离器(11)的底部液相出口连接、出口依次连接第一节流阀(V1)和第一分离器(2)，第一分离器(2)的气相出口和液相出口均与位于冷箱第六流道(F)入口的第一静态混合器(5)连接；冷箱第二流道(B)的入口与三段出口分离器(13)的底部液相出口连接、出口依次连接第二节流阀(V2)和第二分离器(3)，第二分离器(3)的气相出口和液相出口均与位于冷箱第五流道(E)入口的第二静态混合器(6)连接；冷箱第三流道(C)的入口与三段出口分离器(13)的顶部气相出口连接、出口依次连接第三节流阀(V3)和第三分离器(4)，第三分离器(4)的气相出口和液相出口均与位于冷箱第四流道(D)入口的第三静态混合器(7)连接；冷箱第四流道(D)与第五流道(E)、第六流道(F)依次连接，冷箱第六流道(F)的出口与混合冷剂压缩机(14)的入口连接。
5.根据权利要求4所述的混合冷剂气液分流式节流制冷的系统，其特征在于，一段出口冷却器(8)、二段出口冷却器(10)和三段出口冷却器(12)为空冷器或管壳式换热器。
6.根据权利要求4所述的混合冷剂气液分流式节流制冷的系统，其特征在于，混合冷剂压缩机(14)为离心式、往复式或者螺杆式压缩机。
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