CN105823300B - 一种低能耗天然气液化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低能耗天然气液化方法。包括：制冷系统采用一台三段混合冷剂制冷压缩机，混合冷剂压缩机二段出口冷却后产生的液相为重冷剂，气相继续去压缩机三段压缩，压缩机三段出口冷却后产生的液相为中冷剂、气相为轻冷剂；重冷剂、中冷剂和轻冷剂分别进入冷箱的不同流道冷凝、过冷，三股冷剂分别向压缩机一段和压缩机二段闪蒸为冷箱提供冷量，完成对天然气的预冷、冷凝和过冷。本发明的方法可以提高热力学效率，降低能耗。

Description

一种低能耗天然气液化方法
技术领域
本发明涉及天然气生产领域，进一步地说，是涉及一种低能耗天然气液化方法。
背景技术
天然气作为一种环境友好的燃料，是世界上消耗增长最快的能源之一。预计从2008年至2035年天然气消费可以以年均1.6％的速度增长。天然气液化厂将天然气降温常压下至-162℃，形成液化天然气。液化天然气的体积较气体形态减少将近600倍，便于长途运输与贸易。天然气液化厂需要消耗大量的能量与投资，天然气液化领域既是能量密集型又是投资密集型行业。面临着日益增长的能耗成本，如何降低装置能耗是世界液化天然气领域专利商面临的首要问题。
单循环混合冷剂工艺(singular mixed refrigeration process)采用一台制冷压缩机，压缩混合冷剂提供冷量，在冷箱或绕管式换热器中实现对天然气的预冷、冷凝和过冷过程，同时混合冷剂压力降低、温度上升后返回制冷压缩机。由于仅仅使用一台制冷压缩机，整个流程紧凑、投资少，在中小型液化天然气厂中有着广泛的应用。
在常规的天然液化流程中，混合冷剂在冷箱中使用后仅仅向压缩机一段闪蒸，整个冷剂循环在不改变冷剂组成等操作条件的情况下，整个系统的自由度较少，对原料的适应性非常有限，而通过调节冷剂组成来调节各段之间的负荷和温度级位分配，非常复杂，响应不够迅速。特别是在重烃变化范围较大的情况下，制冷系统的操作变化大，非常困难。
发明内容
为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种低能耗天然气液化方法。优化了冷箱内冷剂的混合方式，以达到提高热力学效率，降低能耗的目的。
本发明的目的是提供一种低能耗天然气液化方法。
制冷系统采用一台三段混合冷剂制冷压缩机，混合冷剂压缩机二段出口冷却后产生的液相为重冷剂，气相继续去压缩机三段压缩，压缩机三段出口冷却后产生的液相为中冷剂、气相为轻冷剂；
重冷剂、中冷剂和轻冷剂分别进入冷箱的不同流道冷凝、过冷，三股冷剂分别向压缩机一段和压缩机二段闪蒸为冷箱提供冷量，完成对天然气的预冷、冷凝和过冷。
其中，
轻冷剂的一股在冷箱末端出冷箱，向压缩机一段闪蒸；另一股在靠近末端在稍高温度级位出冷箱，向压缩机二段闪蒸。
中冷剂的一股在在冷箱中间出冷箱，向压缩机一段闪蒸；另一股在稍高温度级位出冷箱，向压缩机二段闪蒸。
重冷剂的一股在冷箱前部出冷箱，向压缩机一段闪蒸，为冷箱提供高温位的冷量，另一股在稍高温度级位出冷箱，向压缩机二段闪蒸。
冷箱通常是多个不同温度级位板翅式换热器的组合，从冷箱的末端、中间到前端，温度级位逐渐升高，冷剂根据流程的不同可以从冷箱的不同位置从冷箱抽出。
以上所述的稍高温度级位是指：轻冷剂、中冷剂、重冷剂向二段闪蒸的冷箱的温度级位高于向一段闪蒸的冷箱温度级位，可以是相邻的冷箱，也可以是不相邻的冷箱。
包括以下步骤：
(1)混合冷剂从冷箱出来后进入压缩机一段吸入罐，然后进入压缩机一段，压缩后的气体经冷却后，与从冷箱来的混合冷剂一起进入压缩机二段吸入罐，继续由压缩机二段压缩，压缩后的气体经冷却后，进入压缩机三段吸入罐，分离出的液相为重冷剂，气相继续由压缩机三段压缩，冷却后，分离出气相的轻冷剂和液相的中冷剂；
(2)轻冷剂的一股在冷箱末端出冷箱，向压缩机一段闪蒸；另一股在靠近末端的稍高温度级位出冷箱，向压缩机二段闪蒸；
(3)中冷剂的一股在在冷箱中间出冷箱，与轻冷剂混合后向压缩机一段闪蒸；另一股在稍高温度级位出冷箱，与轻冷剂混合后向压缩机二段闪蒸；
(4)重冷剂的一股在冷箱前端出冷箱，与轻冷剂和中冷剂混合后向压缩机一段闪蒸，为冷箱提供高温位的冷量，另一股在稍高温度级位出冷箱，与轻冷剂和中冷剂混合后向压缩机二段闪蒸。
步骤(3)中，中冷剂与轻冷剂在冷箱之间或者冷箱内混合；
步骤(4)中，重冷剂与中冷剂和轻冷剂在冷箱之间或者冷箱内混合。
步骤(3)和步骤(4)中的混合是冷剂在J-T阀闪蒸降温后，与前序冷剂分别进入冷箱的两个流道，两股冷剂共同为冷箱提供冷量，当两股冷剂的温度升高5至30℃后，将两股冷剂混合后继续为冷箱提供冷量。
本发明可采用以下技术方案：
制冷系统包括：混合制冷压缩机、压缩机出口水冷器、段间分离罐、主冷凝器(板翅式冷箱或板翅式换热器)、J-T阀等。
所述制冷系统采用以下方式实现：
混合冷剂从冷箱出来后进入混合冷剂压缩机一段吸入罐D-201，然后进入混合冷剂压缩机一段K-201-1，压缩后的气体经一段出口冷却器E-201冷却后，与从冷箱来的混合冷剂一起进入混合冷剂压缩机二段吸入罐D-202，继续由混合冷剂压缩机二段K-201-2压缩，压缩后的气体经二段出口冷却器E-202冷却后，进入三段吸入罐D-203，分离出液相的重冷剂，气相继续由混合冷剂压缩机三段K-201-3压缩，在三段出口冷却器E-203冷却后，在分离罐D-204中分离出气相的轻冷剂和液相的中冷剂。
具体步骤包括:
(1)从混合冷剂经压缩机二段分离出来的重冷剂去冷箱，一股在E-206X闪蒸去二段；一股在E-205X闪蒸去三段；
(2)气相继续经压缩机二段K-201-2压缩后，经水冷器E-202冷却，在D-203分离罐中，分离出气相的轻冷剂和液相的中冷剂去冷箱E-206X；
(3)轻冷剂经6#至1#冷箱冷却，一股在在1#冷箱末端出冷箱，经J-T阀V11向压缩机一段闪蒸，为冷箱提供最低温位的冷量，一股在靠近末端出2#冷箱，经J-T阀V12向压缩机二段闪蒸，为冷箱提供次最低级位的冷量。轻冷剂提供冷凝和过冷级位的冷量，如果轻冷剂组成较轻则提供过冷级位的冷量。通过分配向一段和二段的闪蒸量，实现级位间冷量的调节。
(4)中冷剂经6#至3#冷箱冷却，一股在在3#冷箱后出冷箱，经J-T阀V21向压缩机一段闪蒸，为冷箱提供中间温位的冷量，与轻冷剂的混合位置可以在2#冷箱与3#冷箱之间，也可以在3#冷箱内部，另一股在稍高温度级位4#冷箱后出冷箱，经J-T阀V22向压缩机二段闪蒸，中冷剂为冷箱提供中间级位的冷量，与轻冷剂的混合位置可以在3#冷箱与4#冷箱之间，也可以在4#冷箱内部，实现天然气的深度预冷，若中冷剂组成较轻则可以实现天然气的冷凝。通过分配向一段和二段的闪蒸量，可以实现级位间冷量的调节。由于重烃在3#与4#冷箱之间抽出，通过调节V-21和V-22可以实现对天然气侧温度的调节。
(5)重冷剂经6#至5#冷箱冷却，一股在在5#冷箱出冷箱，经J-T阀V-31向压缩机一段闪蒸，为冷箱提供高温位的冷量，与前序冷剂的混合位置可以在4#冷箱与5#冷箱之间，也可以在5#冷箱内部；另一股在稍高温度级位的1#冷箱出来，经J-T阀V-32向压缩机二段闪蒸，与前序冷剂的混合位置可以在5#冷箱与6#冷箱之间，也可以在6#冷箱内部重冷剂为冷箱提供高温位的冷量，实现天然气的初步预冷。通过分配向一段和二段的闪蒸量，可以实现级位间冷量的调节。
(6)冷剂一股返回压缩机一段；
(7)冷剂一股返回压缩机二段；
在此过程中气相天然气，变为液相的液化天然气。
本发明在混合冷剂压缩单元将混合冷剂分为重冷剂、中冷剂和轻冷剂。重冷剂在压缩段间以液相的形式分离出来，中冷剂和轻冷剂在压缩机最后一段分别以气相和液相的形式分离出来。重冷剂、中冷剂和轻冷剂分别进入冷箱的不同流道。重冷剂、中冷剂和轻冷剂分别进入冷箱的不同流道冷凝、过冷，三股冷剂分别向两个压力级位(压缩机一段、压缩机二段)闪蒸为冷箱提供冷量，完成对天然气的预冷、冷凝和过冷。不同天然气液化过程各段所需冷量的有所不同，通过分配向两个压力级位闪蒸的流量，在不改变冷剂组成的前提下，仅调整调节阀流量，就可以实现冷量级位间不同冷量的调节与控制。达到适应不同原料天然气的要求。
通过向压缩机二段闪蒸，可以进一步丰富天然气液化过程的自由度，实现温度级位与冷量大小的灵活控制，从而可以适应不同的原料组成工况。在相同工况条件下，向压缩机二段闪蒸可以进一步使热物流的焓曲线与冷物流的焓曲线进一步接近，从而可以降低压缩机能耗3-4％。
采用独特的延迟混合技术，冷剂在J-T阀闪蒸降温后，与前序冷剂分别进入冷箱的两个不同流道，两股冷剂共同为冷箱提供冷量，当两者的冷量升高5至30℃后，将两者混合后继续为冷箱提供冷量。冷剂在冷箱中新的混合方式在不改变冷剂配比的情况下，能够将中温位冷箱的最小传热温差提高1.5℃。进一步优化冷剂组成，可以将压缩机能耗降低1-3％。
本发明可以将压缩机功耗降低4-7％。
附图说明
图1本发明的低能耗天然气液化方法流程图；
图2冷剂在冷箱中间混合与在冷箱内部混合的温度-负荷曲线对比；
附图标记说明：
E-201X 1#冷箱；E-202X 2#冷箱；、E-203X 3#冷箱；E-204X 4#冷箱；E-205X 5#冷箱；E-206X 6#冷箱；
K-201-1压缩机一段；K-201-2压缩机二段；K-201-3压缩机三段；
D-201压缩机一段吸入罐；D-202压缩机二段吸入罐；D-203压缩机三段吸入罐；D-204轻冷剂分离罐；D-205重烃罐；
E-201一段冷却器；E-202二段冷却器；E-203三段冷却器；
V11轻冷剂JT一段闪蒸阀；V12轻冷剂JT二段闪蒸阀；
V21中冷剂JT一段闪蒸阀；V22：中冷剂JT二段闪蒸阀；
V31重冷剂JT一段闪蒸阀；V32：重冷剂JT二段闪蒸阀。
1-天然气；2-液化天然气。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
实施例
如图1所示，
混合冷剂从冷箱出来后进入混合冷剂压缩机一段吸入罐D-201，然后进入混合冷剂压缩机一段K-201-1，压缩后的气体经一段出口冷却器E-201冷却后，与从冷箱来的混合冷剂一起进入混合冷剂压缩机二段吸入罐D-202，继续由混合冷剂压缩机二段K-201-2压缩，压缩后的气体经二段出口冷却器E-202冷却后，进入三段吸入罐D-203，分离出液相的重冷剂，气相继续由混合冷剂压缩机三段K-201-3压缩，在三段出口冷却器E-203冷却后，在分离罐D-204中分离出气相的轻冷剂和液相的中冷剂。
具体步骤包括:
(8)从混合冷剂经压缩机二段分离出来的重冷剂去冷箱，一股在E-206X闪蒸去二段；一股在E-205X闪蒸去三段；
(9)气相继续经压缩机二段K-201-2压缩后，经水冷器E-202冷却，在D-203分离罐中，分离出气相的轻冷剂和液相的中冷剂去冷箱E-206X；
(10)轻冷剂经6#至1#冷箱冷却，一股在在1#冷箱末端出冷箱，经J-T阀V11向压缩机一段闪蒸，为冷箱提供最低温位的冷量，一股在靠近末端出2#冷箱，经J-T阀V12向压缩机二段闪蒸，为冷箱提供次最低级位的冷量。轻冷剂提供冷凝和过冷级位的冷量，如果轻冷剂组成较轻则提供过冷级位的冷量。通过分配向一段和二段的闪蒸量，实现级位间冷量的调节。
(11)中冷剂经6#至3#冷箱冷却，一股在在3#冷箱后出冷箱，经J-T阀V21向压缩机一段闪蒸，为冷箱提供中间温位的冷量，与轻冷剂的混合位置可以在2#冷箱与3#冷箱之间，也可以在3#冷箱内部，另一股在稍高温度级位4#冷箱后出冷箱，经J-T阀V22向压缩机二段闪蒸，中冷剂为冷箱提供中间级位的冷量，与轻冷剂的混合位置可以在3#冷箱与4#冷箱之间，也可以在4#冷箱内部，实现天然气的深度预冷，若中冷剂组成较轻则可以实现天然气的冷凝。通过分配向一段和二段的闪蒸量，可以实现级位间冷量的调节。由于重烃在3#与4#冷箱之间抽出，通过调节V-21和V-22可以实现对天然气侧温度的调节。
(12)重冷剂经6#至5#冷箱冷却，一股在在5#冷箱出冷箱，经J-T阀V-31向压缩机一段闪蒸，为冷箱提供高温位的冷量，与前序冷剂的混合位置可以在4#冷箱与5#冷箱之间，也可以在5#冷箱内部；另一股在稍高温度级位的1#冷箱出来，经J-T阀V-32向压缩机二段闪蒸，与前序冷剂的混合位置可以在5#冷箱与6#冷箱之间，也可以在6#冷箱内部重冷剂为冷箱提供高温位的冷量，实现天然气的初步预冷。通过分配向一段和二段的闪蒸量，可以实现级位间冷量的调节。
(13)冷剂一股返回压缩机一段；
(14)冷剂一股返回压缩机二段；
在此过程中气相天然气，变为液相的液化天然气。
当中冷剂经节流阀闪蒸后，若采用延迟混合技术，与前序冷剂不混合，
当前序轻冷剂在低温位冷箱使用后，温度为-74.59℃，中冷剂闪蒸后阀后温度-73.32℃，两者共同为中温位冷箱提供冷量，出冷箱的温度为-36.58℃，新流程可以把中温位冷箱的最小传热温差提高到4.59℃，平均传热温差提高到6.34℃。最小传热温差的提升说明冷剂组成和用量还有优化的空间，通过合理的优化冷剂组成和用量，能够降低将混合冷剂压缩机能耗1.95％。
在条件完全与实施例1相同的条件下，若采用直接混合，即中冷剂在节流阀V-12后直接与前序冷剂混合，其他条件完全相同。当前序轻冷剂在低温位冷箱使用后，温度为-74.59℃，中冷剂闪蒸后阀后温度-73.32℃，两者混合后温度升高为-73.01℃，这说明不恰当的混合造成了热力学损失，使冷剂的制冷效果下降。此时最小传热温差为3.01℃，平均传热温差为5.30℃。冷剂出冷箱的温度为-37.02℃与实施例差不多，而其他操作条件均保持不变。
图2为两流程中温位冷箱温度-负荷曲线的对比，从中可以看到，冷热物流在低温位的间隔较小，说明低温位为控制点。两流程热侧变化不大，而采用新流程能够让冷侧热侧曲线之间的间隔变大，在其他条件不变的情况下，说明新流程给冷剂组成、流量的优化提供了空间。

Claims (4)

1.一种低能耗天然气液化方法，其特征在于：
制冷系统采用一台三段混合冷剂制冷压缩机，混合冷剂压缩机二段出口冷却后产生的液相为重冷剂，气相继续去压缩机三段压缩，压缩机三段出口冷却后产生的液相为中冷剂、气相为轻冷剂；
重冷剂、中冷剂和轻冷剂分别进入冷箱的不同流道冷凝、过冷，三股冷剂分别向压缩机一段和压缩机二段闪蒸为冷箱提供冷量，完成对天然气的预冷、冷凝和过冷；
轻冷剂的一股在冷箱末端出冷箱，向压缩机一段闪蒸，另一股在靠近末端稍高温度级位出冷箱，向压缩机二段闪蒸；中冷剂的一股在在冷箱中间出冷箱，向压缩机一段闪蒸，另一股在稍高温度级位出冷箱，向压缩机二段闪蒸；重冷剂的一股在冷箱前部出冷箱，向压缩机一段闪蒸，为冷箱提供高温位的冷量，另一股在稍高温度级位出冷箱，向压缩机二段闪蒸。
2.如权利要求1所述的低能耗天然气液化方法，其特征在于所述方法包括：
(1)混合冷剂从冷箱出来后进入压缩机一段吸入罐，然后进入压缩机一段，压缩后的气体经冷却后，与从冷箱来的混合冷剂一起进入压缩机二段吸入罐，继续由压缩机二段压缩，压缩后的气体经冷却后，进入压缩机三段吸入罐，分离出的液相为重冷剂，气相继续由压缩机三段压缩，冷却后，分离出气相的轻冷剂和液相的中冷剂；
(2)轻冷剂的一股在冷箱末端出冷箱，向压缩机一段闪蒸；另一股在靠近末端稍高温度级位出冷箱，向压缩机二段闪蒸；
(3)中冷剂的一股在在冷箱中间出冷箱，与轻冷剂混合后向压缩机一段闪蒸；另一股在稍高温度级位出冷箱，与轻冷剂混合后向压缩机二段闪蒸；
(4)重冷剂的一股在冷箱前部出冷箱，与轻冷剂和中冷剂混合后向压缩机一段闪蒸，为冷箱提供高温位的冷量，另一股在稍高温度级位出冷箱，与轻冷剂和中冷剂混合后向压缩机二段闪蒸。
3.如权利要求2所述的低能耗天然气液化方法，其特征在于：
步骤(3)中，中冷剂与轻冷剂在冷箱之间或者冷箱内混合；
步骤(4)中，重冷剂与中冷剂和轻冷剂在冷箱之间或者冷箱内混合。
4.如权利要求2或3所述的低能耗天然气液化方法，其特征在于：
步骤(3)和步骤(4)中的混合是冷剂在J-T阀闪蒸降温后，与前序冷剂分别进入冷箱的两个流道，两股冷剂共同为冷箱提供冷量，当两股冷剂的温度升高5至30℃后，将两股冷剂混合后继续为冷箱提供冷量。
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