CN105698487B - 混合冷剂内循环方法、天然气液化方法及液化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于液化天然气的混合冷剂内循环方法，包括以下步骤：混合冷剂经过一级压缩、冷却后进入混合冷剂级间分离罐进行气液分离；混合冷剂级间分离罐中的气相冷剂经过二级压缩、冷却后在混合冷剂高压冷凝罐中进行混合冷剂的二次气液分离；混合冷剂级间分离罐中的液相冷剂进入冷箱预冷，节流后返回冷箱；混合冷剂高压冷凝罐中的气相冷剂进入冷箱预冷，升温、气化吸热后返回冷剂压缩机分离罐，完成混合冷剂的热力循环过程。本发明可以在提高液化装置热效率、降低单位产品功耗的同时省去了通常的单循环混合冷剂天然气液化装置中必备的混合冷剂泵。本发明还公开了一种采用混合冷剂内循环方法的天然气液化方法及液化装置。

Description

混合冷剂内循环方法、天然气液化方法及液化装置

技术领域

本发明涉及一种天然气液化方法，具体涉及一种用于液化天然气的混合冷剂内循环方法。本发明还涉及一种采用该混合冷剂内循环方法的天然气液化方法以及一种利用该天然气液化方法的液化装置。

背景技术

近年来，液化天然气(LNG)产业在世界范围内快速发展，仅在中国先后有超过数十个LNG液化装置建成投产，这些装置从不到10万标方/天到500万标方/天规模不等。从装置选择的液化流程上来，从N₂或是甲烷膨胀机循环、单回路混合冷剂循环到传统的级联式循环等都有采用。不同的液化流程主要体现在不同的冷剂循环回路和流程设备的配置上，而该配置将对液化装置的热力循环效率、设备布置、装置对气源的适应性、装置的可靠性、操作弹性及稳定性、以及固定投资费用均产生影响。一般而言，随着液化流程复杂程度的增加，LNG的比能耗会下降，运行成本会下降；而流程设备数量的增加以及流程回路的增加会造成固定设备投资费用增加，因而增加了单位产品的成本。因此，液化流程的选择要结合原料气条件，综合考虑装置循环效率、设备投资和装置操作性及长期运行成本等各种因素，例如比能耗、流程复杂性以及可靠性的影响。对于基本负荷型LNG工厂，近几年海外新建装置的发展趋势是装置规模更加大型化，其单线产能鲜有200万吨/年以下的。对于这一类型的装置，多级复叠的丙烷预冷循环与多组分混合冷剂循环相结合的工艺由于较好的能耗指标和成熟的工程化应用使得其成为首选的液化技术。但是，由于其复杂的回路配置、更大的占地面积及极高的投资规模使得其在单线产能100万吨/年以下的装置中从未采用。而在中国近几年新建装置的发展趋势上看(单线规模全在50万吨/年以下)，对于这种规模的装置，从全世界的范围来看，单循环混合制冷剂循环工艺(SMR)由于工艺简单、装置工程化应用成熟及能耗相对合理等优点而成为世界及中国已建和在建中小型天然气液化装置的主要选项，其中的单回路混合冷剂整体循环液化工艺由于具有数个工程化应用而在中国的LNG装置中得到了较多的应用。

如图1所示，单回路混合冷剂整体循环液化工艺属于单循环混合制冷工艺(SMR)，制冷剂由氮气、甲烷、乙烯、丙烷及异戊烷按一定比例混合而成，混合冷剂采用两段压缩，冷剂换热器(冷箱)采用铝制钎焊板翅式换热器芯体。

混合冷剂的循环为：来自冷剂吸入罐的混合冷剂(T＝23℃，P＝0.26MPa)经冷剂压缩机一段压缩后(T＝127℃，P＝1.64MPa)，依次进入一段冷却器、分离器进行冷却，分离为气相冷剂和低压液相冷剂；气相冷剂进入冷剂压缩机二段进行再压缩至4MPa，低压液相冷剂经泵送至二段冷却器前与高压高温冷剂混合，再依次进入二段冷却器、分离器进行冷却，分离为气相冷剂和高压液相冷剂；气相冷剂直接进入冷箱C通道顶部入口，高压液相冷剂经泵增压后亦进入冷箱C通道顶部与气相冷剂汇合，形成气液混合冷剂；常温、高压的气液混合冷剂在向下流动的过程中被逐步冷却、相变，在冷箱底部J-T阀前冷凝成液相后经过J-T阀进行节流膨胀，节流后的部分冷剂蒸发并产生温降后返回进入冷箱D通道底部；同时，在向上流动的过程中吸收原料气和高压冷剂侧的热负荷逐步升温气化，在冷箱顶部保证混合冷剂气化后经冷剂吸入罐后返回到压缩机一段入口，完成整个混合冷剂循环过程。

净化后的常温天然气、中压(约4MPa左右)进入冷箱上段(通道A)预冷后引至重烃分离罐进行重组分分离后，返回至冷箱下段(通道B)逐步被液化及过冷，在冷箱B通道底部引出冷箱，经压力控制阀降压后引至LNG储罐常压低温储存。

单回路混合冷剂整体循环液化工艺的特点在于：其单个换热器芯体采用一个回路及一个J-T阀，在回路中，混合制冷剂经过两级压缩及部分冷凝后，高压的气相及液相冷剂经各自的管路进入冷箱后在主换热器内部混合，之后经过该单一的冷箱换热器通道预冷、经J-T阀膨胀节流后，低压混合冷剂经冷箱换热器返流通道吸热升温后返流主冷剂压缩机吸气端，其制冷剂的基本组成为氮气、甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷的混合物。该工艺的优点是：冷箱主换热器结构简单，当原料天然气组分及其他主要运行参数与设计值较一致时能耗数据相对于装置投资也较为合理。

但是该工艺存在以下不足之处：

1、缺乏直接的物理手段对冷箱主换热器的冷却“温度区间”进行调节，以使得升温曲线更佳的匹配降温曲线从而降低功耗；这一点在实际运行工况偏离设计值时尤其明显：如环境或是冷却介质温度发生明显变化，或是原料气组分、压力等发生变化而需要重新匹配冷热负荷时，此时的冷剂组分及气液相循环量等运行参数都会偏离设计值，因而需要重新优化以降低单位产品运行功耗。由于该工艺冷剂气液相在同一个换热器芯体通道内内预冷、节流膨胀后升温提供冷量，其主冷箱换热器内部各部分冷热流体间的换热温差很难以直观的手段准确控制，而这一点在换热器热端尤其明显，其对应的结果是在偏离设计点工况下冷箱上部换热热力学不可逆损失(火用损失)增加，造成压缩机功耗增加，折算为单位产品能耗增加，装置OPEX上升。这一问题可从目前多个运行的装置中的数据对比中得到证实。

2、同样由于高压气液相冷剂进入冷箱后在主换热器内同一通道混合的原因，单回路混合冷剂整体循环工艺无可避免地需要引入高压混合冷剂泵及级间冷剂泵共计至少四台动设备。这会带来以下的问题：(1)对整个装置的可靠性带来不利影响；意外原因(可能仅是单纯的仪表故障)造成的冷剂泵尤其是高压段冷剂泵联锁停车会对装个装置带来严重影响：由于所有进入循环的液相冷剂都是通过该泵进入主冷箱换热器，突然停泵会使得系统的液相冷剂供应立即停止，而热负荷无法快速匹配冷剂循环的这一瞬间变化，会造成“冷箱”内的“持液”迅速大量蒸发，换热器内部温度剧烈变化并迅速升温，大量过热状态的冷剂使得冷剂压缩机入口压力快速上升直至压缩机驱动机过载保护停车，同时冷箱换热器则需要经受由于短时间的温度剧烈变化造成的热应力冲击而增加了设备损坏的潜在风险。这一问题已在国内多个采用该工艺的装置中发生过，而且其过程通常可能在几分钟间完成，这使得即使以可能达到的最快速度现场排除停泵故障，重新启动(同样的错误联锁使得备用泵启动存在同样的问题)冷剂泵也无法跟上系统的快速响应，使得该冷剂泵成为系统非正常停车的一个常见的故障源之一，从而影响了整个装置的可靠性；(2)由于该冷剂泵的介质是饱和状态下的液化烃，出于防止“气蚀”等考虑，这些泵都对安装高度等有严苛的要求，其结果是高压及段间的冷剂罐的安装高度相应提高，重力自流的要求使得压缩机级间及高压冷剂冷凝器及压缩机本身的安装高度都需要提高，这无疑增加了装置立面布置的难度及抬高了安装结构的造价，这一问题在海上浮式天然气液化(FLNG)的布置方面会更加突出；(3)对装置试车及装置的现场安全造成不利影响；这些冷剂泵结构上都采用多级立式结构，因而多级的叶轮均安装在地坪下“筒”内，这些低点往往会成为系统干燥吹扫时的“死区”及污染源而加大公用系统的消耗及影响开车进度；此外，清洁度的要求需要在泵入口安装法兰连接的短节，这无疑引入了液化烃的潜在泄露点而给装置安全性带来不利影响。

3、单回路混合冷剂整体循环工艺在设计负荷及工况下冷箱换热器内的两相流动稳定有效，即高压侧顺重力而行，J-T阀后低压侧相变及逐步气化返流。但是动态地来看，尤其对于冷箱中多芯体并列联接的装置而言，冷剂稳定连续的流动并非总能得以保证，在装置低负荷时尤其如此。这一点可以通过国内多个有多换热器芯体冷箱的装置开车过程中发生的换热器芯体“淹没”现象来说明：随开车过程的进行，各个主换热器芯体逐步冷却，各J-T阀前后温度降低到特定工艺要求值时，需要引入液相冷剂进入循环，但是此时混合介质本身组分的变化及介质流动(低负荷下受压缩机防喘振阀动作影响使得进入“大回路”的冷剂循环量与J-T的调控关系变得复杂，而前者通常是独立于工艺控制，仅取决于压缩机喘振特性曲线)和换热的相互作用使得系统动态变得复杂，此时进入换热器中的液相重组分的量是成为关键的敏感因素，而目前该工艺缺乏直接的手段对开车过程中进入各个换热器芯体的该流量进行准确预测。其结果是在低负荷下由于“过量”的液相冷剂进入换热器，却由于缺乏合适的换热流动条件返回压缩机入口，造成重冷剂“滞留”换热器内部无法带出，低压侧冷剂通道流动阻力大大增加，流动急剧恶化，在极端情况下换热器芯体内温度梯度消失，J-T阀后无相变发生，此时J-T阀开度完全失去调节作用，大量液相冷剂“滞留”换热器芯体内，即发生通常操作人员所说的换热器芯体被“淹没”。需要指出的一点是该问题在多换热器芯的冷箱装置中会更加突出。究其原因，是由于尽管设计中可以采用对称布局等考虑，但是真正做到到各个芯体的管路及附件系统阻力特性完全一样在实际装置中比较困难，此外，由于各个芯体的最终的冷剂流量控制主要取决于各自单一的J-T阀，因而各个芯体冷却同步的差异也会改变整个系统的动态特性。这些因素都会造成(尤其在低负荷，低液相冷剂流量下)的“偏流”现象，也即冷剂分布问题，这在一定程度也是造成换热器“淹没”的原因之一。

冷箱换热器“淹没”造成冷却进程停滞，压缩机自循环而无谓耗功，而在流动情况改善时又会由于瞬时的循环量大大增加造成换热器快速降温，从而增加了设备损坏的潜在风险。这些问题在装置初次开车时由于缺乏对系统实际动态特性的掌握而更加突出，这会使得装置开车难度提高，同时使得装置低负荷下运行稳定性变差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于液化天然气的混合冷剂内循环方法，它可以提高整体循环的热效率，降低冷剂压缩机功耗；省去所有用于液相混合冷剂输送的冷剂泵；提高整个装置的安全性、可靠性及降低设备布置难度及开车难度。

为解决上述技术问题，本发明用于液化天然气的混合冷剂内循环方法的技术解决方案为：

第一步，温度21±4℃，压力2.5±0.5bar的混合冷剂进入冷剂压缩机分离罐10，在冷剂压缩机分离罐10内分离可能存在的液相；

第二步，混合冷剂经管线进入一级冷剂压缩机12，经一级冷剂压缩机12进行一级压缩；经过一级压缩后的混合冷剂经管线进入压缩机级间冷却器14，由压缩机级间冷却器14冷却至33±6℃，之后经管线进入混合冷剂级间分离罐16进行混合冷剂的气液分离；

第三步，混合冷剂级间分离罐16中的气相冷剂经管线进入二级冷剂压缩机18，由二级冷剂压缩机18进行二级压缩；经过二级压缩后的混合冷剂经管线进入混合冷剂高压冷凝器20，由混合冷剂高压冷凝器20冷却至33±6℃；之后经管线进入混合冷剂高压冷凝罐22，在混合冷剂高压冷凝罐22中进行混合冷剂的二次气液分离；混合冷剂级间分离罐16中的液相冷剂经管线进入冷箱50中的板翅式换热器的液相冷剂预冷通道28，液相冷剂在液相冷剂预冷通道28内被预冷至-38℃～-45℃、压力16±2bar下出冷箱50，经液相冷剂J-T阀30节流至2.8±0.4bar，然后经管线返回冷箱50中的板翅式换热器的重冷剂返流通道32，升温、气化吸热后与来自低压冷剂返流通道37的返流冷剂相混合；

第四步，混合冷剂高压冷凝罐22中的液相冷剂流经压力调节阀24后，压力降至17～20bar，然后与来自压缩机级间冷却器14的冷剂混合后，经管线再次进入混合冷剂级间分离罐16进行分离；混合冷剂高压冷凝罐22中的气相冷剂经管线进入冷箱50中的板翅式换热器的高压冷剂预冷通道52，经高压冷剂预冷通道52被预冷至-152±4℃，后通过气相冷剂J-T阀35节流至3.3±0.3bar后，经管线返回冷箱50中的板翅式换热器的低压冷剂返流通道37，升温、气化吸热后与来自重冷剂返流通道32出口端的低压返流重冷剂混合，经管线返回冷剂压缩机分离罐10，完成混合冷剂的热力循环过程。

所述混合冷剂包括甲烷、氮气、乙烯或乙烷、丙烷、正丁烷；其中，各组分的摩尔含量为：甲烷15～40％，氮气1～13％，乙烯20～40％，丙烷15～35％，正丁烷15～35％。

本发明还提供一种采用混合冷剂内循环方法的天然气液化方法，其技术解决方案为，包括以下步骤：

第一步，天然气的预处理；

第二步，天然气的气液相分离；

使经过预处理的天然气在温度35±4℃、压力42±4bar的条件下进入冷箱50中的板翅式换热器的天然气预冷通道41，天然气在天然气预冷通道41内被预冷至-50～-70℃，然后进入重烃分离罐43，在重烃分离罐43内进行天然气的气液相分离；

第三步，天然气的气液相处理；

使重烃分离罐43内的液相天然气从重烃分离罐43底部流出；

使重烃分离罐43内的气相天然气从重烃分离罐43顶部流出，进入冷箱50中的板翅式换热器的天然气液化过冷通道45，在天然气液化过冷通道45内被进一步冷却、液化及过冷至温度-152±4℃、压力41±2bar；之后经压力调节阀47降压至1.1±0.2bar后，流出液化装置。

本发明还提供一种混合冷剂两路节流的单循环天然气液化装置，其技术解决方案为：

包括冷箱50，冷箱50中设置有板翅式换热器，板翅式换热器具有相互独立的天然气预冷通道41、天然气液化过冷通道45、重冷剂返流通道32、低压冷剂返流通道37、液相冷剂预冷通道28、高压冷剂预冷通道52；所述天然气预冷通道41的出口端通过管线连接重烃分离罐43的入口；重烃分离罐43的顶部出口通过管线连接所述天然气液化过冷通道45的入口端，天然气液化过冷通道45的出口端通过管线连接压力调节阀47的入口端；所述低压冷剂返流通道37出口端的管线与重冷剂返流通道32出口端的管线汇合后通过管线连接冷剂压缩机分离罐10；冷剂压缩机分离罐10的顶部通过管线连接一级冷剂压缩机12的入口；一级冷剂压缩机12的出口通过管线连接压缩机级间冷却器14的入口，压缩机级间冷却器14的出口端的管线与压力调节阀24出口端的管线汇合后通过管线连接混合冷剂级间分离罐16的入口；混合冷剂级间分离罐16的顶部出口通过管线连接二级冷剂压缩机18的入口，二级冷剂压缩机18的出口通过管线连接混合冷剂高压冷凝器20的入口，混合冷剂高压冷凝器20的出口通过管线连接混合冷剂高压冷凝罐22的入口；混合冷剂级间分离罐16的底部出口通过管线连接液相冷剂预冷通道28的入口端，液相冷剂预冷通道28的出口端通过管线连接液相冷剂J-T阀30的入口端，液相冷剂J-T阀30的出口端通过管线连接重冷剂返流通道32的入口端；混合冷剂高压冷凝罐22的顶部出口通过管线连接高压冷剂预冷通道52的入口端，高压冷剂预冷通道52的出口端通过管线连接气相冷剂J-T阀35的入口端，气相冷剂J-T阀35的出口端通过管线连接低压冷剂返流通道37的入口端；混合冷剂高压冷凝罐22的底部出口通过管线连接压力调节阀24的入口端；从而使重冷剂返流通道32、低压冷剂返流通道37、液相冷剂预冷通道28及高压冷剂预冷通道52形成一冷剂循环系统；冷剂循环系统内采用混合冷剂作为液化循环的工质。

所述一级冷剂压缩机12的入口吸气的热力学状态为温度20±5℃，压力2.5±0.5bar；一级冷剂压缩机12的排气压力为17～20bar。

所述二级冷剂压缩机18的排气压力为37～42bar。

所述压缩机级间冷却器14的冷却形式为水冷、空冷、蒸发式空冷或混合式。

所述混合冷剂高压冷凝器20的冷却形式为水冷、空冷、蒸发式空冷或混合式。

所述压力调节阀47的出口端通过管线连接LNG储存单元。

所述冷箱50为膨胀珍珠岩保冷冷箱。

本发明可以达到的技术效果是：

本发明通过改进的混合冷剂组成及液化系统参数的优化，可以在提高液化装置热效率、降低单位产品功耗的同时省去了通常的单循环混合冷剂天然气液化装置中必备的混合冷剂泵，即简化装置配置(降低CAPEX)的同时也节省了运行成本(降低OPEX)。

本发明利用两段节流单循环混合冷剂回路，有助于解决现有的单回路混合冷剂整体循环工艺液化装置开车可能出现的换热器“淹没”及可能的可靠性下降等缺点，提高了装置的安全性、可操作性及在线率。由于省去了多台对安装条件及运行工况要求苛刻的冷剂多级离心泵，减少了动设备台数，装置布置方面可以更加简洁紧凑，使得该发明在设备布置、安装空间受限的装置(如海上浮式LNG装置等)方面具有独特的优势。

本发明在冷箱内板翅式换热器的热端设立单独的一级“重冷剂”节流，这就从根本上杜绝了高压气液相冷剂进入冷箱后在主换热器内同一通道混合这一问题，使得多数的重冷剂无需进入换热器冷端深冷部分，同时结合冷剂组分优化，可以使得冷剂换热曲线在换热器热端也更好的匹配热流体曲线。其意义在于，通过主冷箱换热器热端部分的直接的调节手段即独立的冷箱换热器通道及单独的J-T阀与冷剂组分调整相结合，可以在降低主压缩机功耗的同时(冷剂压缩机功耗节省2％以上)省去所有的冷剂泵(包括级间泵及增压泵)，因而各个泵及所有与其相连接的控制回路、管路及管件等全部省去，各泵所消耗的用电消耗也全部省去。同时由于来自冷剂泵的液化烃泄露点等不在存在，装置的安全性也得到改善。这些对全工厂的安全高效生产、提高经济效益、节约资源等都具有重要意义。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是现有技术单回路混合冷剂整体循环液化工艺的流程示意图；

图2是本发明混合冷剂两路节流的单循环天然气液化装置的示意图。

图中附图标记说明：

10为冷剂压缩机分离罐，

11为第一管线， 12为一级冷剂压缩机，

13为第一非低温管线， 14为压缩机级间冷却器，

15为第二管线， 16为混合冷剂级间分离罐，

17为第一常温管线， 18为二级冷剂压缩机，

19为第二非低温管线， 20为混合冷剂高压冷凝器，

21为第二常温管线， 22为混合冷剂高压冷凝罐，

23为第三常温管线， 24为压力调节阀，

25为第三管线， 26为第四管线，

27为第四常温管线， 28为液相冷剂预冷通道，

29为第一低温管线， 30为液相冷剂J-T阀，

31为第二低温管线， 32为重冷剂返流通道，

33为第五常温管线， 34为第三低温管线，

35为气相冷剂J-T阀， 36为第四低温管线，

37为低压冷剂返流通道， 38为第六常温管线，

39为第七常温管线， 40为第八常温管线，

41为天然气预冷通道， 42为第五管线，

43为重烃分离罐， 44为第五低温管线，

45为天然气液化过冷通道， 46为第六低温管线，

47为压力调节阀， 48为第七低温管线，

49为第八低温管线， 50为冷箱，

51为第六管线， 52为高压冷剂预冷通道。

具体实施方式

如图2所示，本发明混合冷剂两路节流的单循环天然气液化装置，包括膨胀珍珠岩保冷冷箱50，冷箱50中设置有板翅式换热器，板翅式换热器具有相互独立的天然气预冷通道41、天然气液化过冷通道45、重冷剂返流通道32、低压冷剂返流通道37、液相冷剂预冷通道28、高压冷剂预冷通道52；

天然气预冷通道41的入口端连接第八常温管线40，天然气预冷通道41的出口端通过第五管线42连接重烃分离罐43的入口；

重烃分离罐43的底部出口连接第七低温管线48的入口端，第七低温管线48的出口端连接后续处理设备；重烃分离罐43的顶部出口连接第五低温管线44的入口端，第五低温管线44的出口端连接天然气液化过冷通道45的入口端，天然气液化过冷通道45的出口端经第六低温管线46连接压力调节阀47的入口端，压力调节阀47的出口端经第八低温管线49连接LNG储存单元；

低压冷剂返流通道37的出口端连接第六常温管线38的入口端，第六常温管线38的出口端与第五常温管线33的出口端汇合后连接第七常温管线39的入口端；第七常温管线39的出口端连接冷剂压缩机分离罐10；

冷剂压缩机分离罐10的顶部通过第一管线11连接一级冷剂压缩机12的入口；一级冷剂压缩机12的出口经第一非低温管线13连接压缩机级间冷却器14的入口，压缩机级间冷却器14的出口连接第二管线15的入口端，第二管线15的出口端与第三管线25的出口端汇合后，经第六管线51连接混合冷剂级间分离罐16的入口；

一级冷剂压缩机12的入口吸气的热力学状态为温度约20℃，压力约2.5bar；一级冷剂压缩机12的排气压力为17～20bar；

冷剂压缩机分离罐10用于分离非正常工况下的混合冷剂低压返流中的液体夹带；

混合冷剂级间分离罐16的顶部出口经第一常温管线17连接二级冷剂压缩机18的入口，二级冷剂压缩机18的出口经第二非低温管线19连接混合冷剂高压冷凝器20的入口，混合冷剂高压冷凝器20的出口经第二常温管线21连接混合冷剂高压冷凝罐22的入口；

二级冷剂压缩机18的排气压力为37～42bar；

混合冷剂级间分离罐16的底部出口经第四常温管线27连接液相冷剂预冷通道28的入口端，液相冷剂预冷通道28的出口端经第一低温管线29连接液相冷剂J-T阀30的入口端，液相冷剂J-T阀(焦耳-汤姆逊节流膨胀阀)30的出口端经第二低温管线31连接重冷剂返流通道32的入口端，重冷剂返流通道32的出口端连接第五常温管线33的入口端；

混合冷剂高压冷凝罐22的顶部出口经第四管线26连接高压冷剂预冷通道52的入口端，高压冷剂预冷通道52的出口端经第三低温管线34连接气相冷剂J-T阀35的入口端，气相冷剂J-T阀35的出口端经第四低温管线36连接低压冷剂返流通道37的入口端；

混合冷剂高压冷凝罐22的底部出口通过第三常温管线23连接压力调节阀24的入口，压力调节阀24的出口连接第三管线25的入口端。

本发明中，混合冷剂级间分离罐16与混合冷剂高压冷凝罐22之间的所有液相输送均不需要混合冷剂泵。

本发明的整个混合冷剂循环回路中有两个J-T阀30、35(即混合冷剂级间分离罐16的液相冷剂J-T阀30和混合冷剂高压冷凝罐22的气相冷剂J-T阀35)，经过两个J-T阀30、35节流后的低压混合冷剂经各自的返流通道28、37返流吸热后在填充有膨胀珍珠岩的保冷冷箱50外(即第七常温管线39)进行混合，之后返回一级冷剂压缩机12的入口侧的混合冷剂级间分离罐16。

本发明天然气液化方法包括以下步骤：

第一步，天然气的预处理；

对以甲烷为主要组分的原料天然气进行预处理，脱除其中的酸性气、水分、汞等杂质组分，得到合格的干燥净化天然气；

第二步，天然气的气液相分离；

使经过预处理的天然气在温度约35℃、压力约42bar(此温度、压力范围可在较大的范围内变化)的条件下，从第八常温管线40进入膨胀珍珠岩保冷冷箱50中的板翅式换热器的天然气预冷通道41，天然气在天然气预冷通道41内被预冷至-50～-70℃，经过第五管线42进入重烃分离罐43，在重烃分离罐43内进行天然气的气液相分离；

可以根据净化合格的原料天然气的组分，调节重烃分离罐43内的天然气预冷温度来实现原料天然气“重烃”组分的脱除，以防止出现低温段换热器“冻堵”的现象；

第三步，天然气的气液相处理；

液相处理：重烃分离罐43内的液相天然气(即液态烃)从重烃分离罐43底部的第七低温管线48流出；根据原料天然气的具体情况及规格要求，再进行升温、闪蒸或精馏等后续处理；

气相处理：重烃分离罐43内的气相天然气(即脱除了“重组分”的气相)从重烃分离罐43顶部的第五低温管线44流出后，进入冷箱50中的板翅式换热器的天然气液化过冷通道45，在天然气液化过冷通道45内被进一步冷却、液化及过冷至温度约-152℃、压力约41bar(视具体项目要求及组分等参数优化情况而可细微调整以达最优)；之后经第六低温管线46流出，经压力调节阀47降压至约1.1bar后，再经第八低温管线49流出液化装置，最后进入LNG储存单元。

本发明中冷剂循环的流程如下：

冷箱50中的低压冷剂返流通道37内返流的混合冷剂在温度约21℃，压力约2.5bar经第七常温管线39进入冷剂压缩机分离罐10，在冷剂压缩机分离罐10内分离可能存在的液相(正常工况下为全气相，非正常工况下才可能有低压冷剂返流液相夹带发生)后，经第一管线11进入一级冷剂压缩机12，此时混合冷剂的温度约20℃，压力约2.5bar；混合冷剂经一级冷剂压缩机12压缩至排气压力在17～20bar之间(视工艺参数优化结果而定)；

经过一级压缩后的混合冷剂经第一非低温管线13进入压缩机级间冷却器14，由压缩机级间冷却器14冷却至约33℃(可根据实际工程项目现场条件而改变)，之后经第二管线15进入混合冷剂级间分离罐16进行混合冷剂的气液分离；

压缩机级间冷却器14可采用水冷、空冷、蒸发式空冷或混合式等各种形式；

本发明采用混合冷剂作为液化循环的工质；混合冷剂由甲烷、氮气、乙烯或乙烷、丙烷及正丁烷等组成；各组分的摩尔含量则由原料天然气的组分及项目现场条件等参数进行整体优化后选定；其中，甲烷在15～40％之间，氮气在1～13％之间，乙烯在20～40％之间，乙烷特性区别于乙烯，需结合具体项目实际来综合确定，丙烷在15～35％之间，正丁烷在15～35％之间；

混合冷剂级间分离罐16中的气相冷剂(占总冷剂循环量的大多数)经第一常温管线17进入二级冷剂压缩机18，由二级冷剂压缩机18压缩至排气压力为37～42bar(需结合具体项目实际的整体参数优化结果来确定该排气压力最优值)；

经过二级压缩后的混合冷剂经第二非低温管线19进入混合冷剂高压冷凝器20，由混合冷剂高压冷凝器20冷却至约33℃(该温度可根据实际工程项目现场条件而改变)；之后经第二常温管线21进入混合冷剂高压冷凝罐22，在混合冷剂高压冷凝罐22中进行混合冷剂的二次气液分离；

混合冷剂高压冷凝器20可采用水冷、空冷、蒸发式空冷或混合式等各种形式；

混合冷剂高压冷凝罐22中的液相冷剂进入第三常温管线23，流经压力调节阀24后，压力降至17～20bar(根据二级冷剂压缩机18的排气压力变化而变化)，然后进入第三管线25，与来自压缩机级间冷却器14的冷剂混合后，经第六管线51再次进入混合冷剂级间分离罐16进行气液分离；

第六管线51中的介质为混合了来自第三管线25的经过二级冷剂压缩机18压缩后并在混合冷剂高压冷凝罐22中冷凝的液相冷剂；

混合冷剂级间分离罐16中的液相冷剂经第四常温管线27进入冷箱50中的板翅式换热器的液相冷剂预冷通道28，液相冷剂在液相冷剂预冷通道28内被预冷至-38℃～-45℃、压力约16bar下(需结合具体项目实际的整体参数优化结果来确定该温度、压力最优值)出冷箱50，从第一低温管线29经液相冷剂J-T阀30节流至约2.8bar，然后经第二低温管线31返回冷箱50中的板翅式换热器的重冷剂返流通道32，升温、气化吸热后经第五常温管线33与来自低压冷剂返流通道37的返流冷剂相混合；

混合冷剂高压冷凝罐22中的气相冷剂经第四管线26进入冷箱50中的板翅式换热器的高压冷剂预冷通道52，经高压冷剂预冷通道52被预冷至约-152℃(视组分等参数优化情况而可细微调整以达最优)，后经第三低温管线34通过气相冷剂J-T阀35节流至约3.3bar后，经第四低温管线36返回冷箱50中的板翅式换热器的低压冷剂返流通道37，升温、气化吸热后出冷箱50并进入第六常温管线38，然后与来自第五常温管线33的低压返流重冷剂混合后，经第七常温管线39返回冷剂压缩机分离罐10，完成混合冷剂的热力循环过程；此时冷剂全部为气态，热力学状态为温度约21℃，压力约2.5bar。

实施例

以中国内蒙古某日处理量约为100万标方/天的天然气液化装置为例来进行单回路混合冷剂整体循环液化工艺与本发明混合冷剂两路节流的单循环液化工艺的性能比较：

该处原料天然气的进气温度为38℃、压力45bar，原料天然气的摩尔组分为：甲烷95.5％、乙烷0.73％、丙烷0.13％、异丁烷0.12％、正丁烷0.055％、正戊烷450ppm、异戊烷198ppm及C6+(含C6及芳烃)的重组分1200ppm；对于该原料天然气，两种液化工艺的性能比对结果如表1所示：

表1

综合分析以上工程案例不难发现，本发明有以下不可替代的优点：

1、通过主冷箱换热器热端部分的直接的调节手段即独立的冷箱换热器通道及单独的J-T阀与冷剂组分优化相结合，可以降低主压缩机功耗2％以上；

2、从根本上杜绝了高压气、液相冷剂进入冷箱后在主换热器内同一通道混合这一问题，从而可以省去所有的冷剂泵(包括级间泵及增压泵)，因而各个泵及所有与其相连接的控制回路、管路及管件(及其产生的潜在泄露点)等全部省去，各泵所消耗的用电也全部省去；这一方面降低了装置的投资，也可节省运行费用，同时增加了装置的安全性；

3、单独的液相冷剂换热通道和J-T阀设置可以帮助杜绝单回路混合冷剂整体循环工艺中开车过程中可能出现的混合冷剂两相流动、换热恶化造成的换热器“淹没”问题，降低了开车难度及对换热器设备潜在损坏的风险；

4、省去了四台液态饱和烃的多级离心泵，使得整个装置的可靠性得以提高，减少了可能的意外停车；同时降低了整个装置立面布置的难度及所需的钢结构，可以使整个装置布置更加简洁、紧凑且安全；这一点对于对设备布置、安装空间受限的装置(如海上浮式LNG装置等)有着重要意义。

Claims (10)

1.一种用于液化天然气的混合冷剂内循环方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，温度21±4℃，压力2.5±0.5bar的混合冷剂进入冷剂压缩机分离罐(10)，在冷剂压缩机分离罐(10)内分离可能存在的液相；

第二步，混合冷剂经管线进入一级冷剂压缩机(12)，经一级冷剂压缩机(12)进行一级压缩；经过一级压缩后的混合冷剂经管线进入压缩机级间冷却器(14)，由压缩机级间冷却器(14)冷却至33±6℃，之后经管线进入混合冷剂级间分离罐(16)进行混合冷剂的气液分离；

第三步，混合冷剂级间分离罐(16)中的气相冷剂经管线进入二级冷剂压缩机(18)，由二级冷剂压缩机(18)进行二级压缩；经过二级压缩后的混合冷剂经管线进入混合冷剂高压冷凝器(20)，由混合冷剂高压冷凝器(20)冷却至33±6℃；之后经管线进入混合冷剂高压冷凝罐(22)，在混合冷剂高压冷凝罐(22)中进行混合冷剂的二次气液分离；

混合冷剂级间分离罐(16)中的液相冷剂经管线进入冷箱(50)中的板翅式换热器的液相冷剂预冷通道(28)，液相冷剂在液相冷剂预冷通道(28)内被预冷至-38℃～-45℃、压力16±2bar下出冷箱(50)，经液相冷剂J-T阀(30)节流至2.8±0.4bar，然后经管线返回冷箱(50)中的板翅式换热器的重冷剂返流通道(32)，升温、气化吸热后与来自低压冷剂返流通道(37)的返流冷剂相混合；

第四步，混合冷剂高压冷凝罐(22)中的液相冷剂流经压力调节阀(24)后，压力降至17～20bar，然后与来自压缩机级间冷却器(14)的冷剂混合后，经管线再次进入混合冷剂级间分离罐(16)进行分离；

混合冷剂高压冷凝罐(22)中的气相冷剂经管线进入冷箱(50)中的板翅式换热器的高压冷剂预冷通道(52)，经高压冷剂预冷通道(52)被预冷至-152±4℃，后通过气相冷剂J-T阀(35)节流至3.3±0.3bar后，经管线返回冷箱(50)中的板翅式换热器的低压冷剂返流通道(37)，升温、气化吸热后与来自重冷剂返流通道(32)出口端的低压返流重冷剂混合，经管线返回冷剂压缩机分离罐(10)，完成混合冷剂的热力循环过程。

2.根据权利要求1所述的用于液化天然气的混合冷剂内循环方法，其特征在于：所述混合冷剂包括甲烷、氮气、乙烯或乙烷、丙烷、正丁烷；其中，各组分的摩尔含量为：甲烷15～40％，氮气1～13％，乙烯20～40％，丙烷15～35％，正丁烷15～35％。

3.一种采用权利要求1所述的混合冷剂内循环方法的天然气液化方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，天然气的预处理；

第二步，天然气的气液相分离；

使经过预处理的天然气在温度35±4℃、压力42±4bar的条件下进入冷箱(50)中的板翅式换热器的天然气预冷通道(41)，天然气在天然气预冷通道(41)内被预冷至-50～-70℃，然后进入重烃分离罐(43)，在重烃分离罐(43)内进行天然气的气液相分离；

第三步，天然气的气液相处理；

使重烃分离罐(43)内的液相天然气从重烃分离罐(43)底部流出；

使重烃分离罐(43)内的气相天然气从重烃分离罐(43)顶部流出，进入冷箱(50)中的板翅式换热器的天然气液化过冷通道(45)，在天然气液化过冷通道(45)内被进一步冷却、液化及过冷至温度-152±4℃、压力41±2bar；之后经压力调节阀(47)降压至1.1±0.2bar后，流出液化装置。

4.一种混合冷剂两路节流的单循环天然气液化装置，其特征在于：包括冷箱(50)，冷箱(50)中设置有板翅式换热器，板翅式换热器具有相互独立的天然气预冷通道(41)、天然气液化过冷通道(45)、重冷剂返流通道(32)、低压冷剂返流通道(37)、液相冷剂预冷通道(28)、高压冷剂预冷通道(52)；

所述天然气预冷通道(41)的出口端通过管线连接重烃分离罐(43)的入口；重烃分离罐(43)的顶部出口通过管线连接所述天然气液化过冷通道(45)的入口端，天然气液化过冷通道(45)的出口端通过管线连接压力调节阀(47)的入口端；

所述低压冷剂返流通道(37)出口端的管线与重冷剂返流通道(32)出口端的管线汇合后通过管线连接冷剂压缩机分离罐(10)；冷剂压缩机分离罐(10)的顶部通过管线连接一级冷剂压缩机(12)的入口；一级冷剂压缩机(12)的出口通过管线连接压缩机级间冷却器(14)的入口，压缩机级间冷却器(14)的出口端的管线与压力调节阀(24)出口端的管线汇合后通过管线连接混合冷剂级间分离罐(16)的入口；混合冷剂级间分离罐(16)的顶部出口通过管线连接二级冷剂压缩机(18)的入口，二级冷剂压缩机(18)的出口通过管线连接混合冷剂高压冷凝器(20)的入口，混合冷剂高压冷凝器(20)的出口通过管线连接混合冷剂高压冷凝罐(22)的入口；混合冷剂级间分离罐(16)的底部出口通过管线连接液相冷剂预冷通道(28)的入口端，液相冷剂预冷通道(28)的出口端通过管线连接液相冷剂J-T阀(30)的入口端，液相冷剂J-T阀(30)的出口端通过管线连接重冷剂返流通道(32)的入口端；混合冷剂高压冷凝罐(22)的顶部出口通过管线连接高压冷剂预冷通道(52)的入口端，高压冷剂预冷通道(52)的出口端通过管线连接气相冷剂J-T阀(35)的入口端，气相冷剂J-T阀(35)的出口端通过管线连接低压冷剂返流通道(37)的入口端；混合冷剂高压冷凝罐(22)的底部出口通过管线连接压力调节阀(24)的入口端；从而使重冷剂返流通道(32)、低压冷剂返流通道(37)、液相冷剂预冷通道(28)及高压冷剂预冷通道(52)形成一冷剂循环系统；冷剂循环系统内采用混合冷剂作为液化循环的工质。

5.根据权利要求4所述的混合冷剂两路节流的单循环天然气液化装置，其特征在于：所述一级冷剂压缩机(12)的入口吸气的热力学状态为温度20±5℃，压力2.5±0.5bar；一级冷剂压缩机(12)的排气压力为17～20bar。

6.根据权利要求4所述的混合冷剂两路节流的单循环天然气液化装置，其特征在于：所述二级冷剂压缩机(18)的排气压力为37～42bar。

7.根据权利要求4所述的混合冷剂两路节流的单循环天然气液化装置，其特征在于：所述压缩机级间冷却器(14)的冷却形式为水冷、空冷或混合式。

8.根据权利要求4所述的混合冷剂两路节流的单循环天然气液化装置，其特征在于：所述混合冷剂高压冷凝器(20)的冷却形式为水冷、空冷或混合式。

9.根据权利要求4所述的混合冷剂两路节流的单循环天然气液化装置，其特征在于：所述压力调节阀(47)的出口端通过管线连接LNG储存单元。

10.根据权利要求4所述的混合冷剂两路节流的单循环天然气液化装置，其特征在于：所述冷箱(50)为膨胀珍珠岩保冷冷箱。