CN106016967B - 一种回热式混合工质制冷气体液化循环系统 - Google Patents
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Abstract
一种回热式混合工质制冷气体液化循环系统，包括压缩机模块、回热换热器模块和节流模块，所述压缩机模块包括压缩机；所述回热换热器模块包括垂直放置的分凝分离器、第一回热换热器、中间节流元件和第二回热换热器；所述节流模块包括制冷系统节流调节阀组和原料节流调节阀组。上述回热式混合工质制冷气体液化循环系统，由于更加完全的回热、完善的回油系统以及分凝分离技术，制冷流程可由单台普通油润滑压缩机驱动系统驱动，廉价可靠；循环流程布置灵活，能高效和广泛适应如多元气体液化分离等具有复杂分布负荷的应用场合需要；对原料气工况不敏感，可在较低压力下实现天然气、煤层气等气体的液化。
Description
技术领域
本发明涉及制冷及低温技术领域中的制冷机，特别涉及一种回热式混合工质制冷气体液化循环系统。
背景技术
天然气液化装置的研究是国际上的一个热点，现有煤层气/天然气液化技术主要有以下几种，其技术特色及其发展简要介绍如下：
1)阶式级连液化流程：这种液化流程通常采用三级纯工质复叠制冷(阶式级连)，分别是丙烷、乙烯及甲烷三个制冷机组，逐级复叠冷却，实现天然气的冷却和液化。其中每级纯工质循环中又采取三种不同蒸发压力级别，这样最多可以实现九级蒸发温度平台，使得冷却曲线与液化气体热负荷曲线较为接近，这也是阶式级联的名称由来，因此在合理设计的系统中其能够获取较高的理论液化效率。但在实际应用中，由于流程复杂，设备多，很难实现理想的液化效率。且因维修不便，现在已经很少采用这种液化流程。
2)膨胀液化循环：有两种形式的膨胀液化循环，一种是利用原料气压力进行膨胀制冷的液化循环，通常用于高压原料气的场合，例如高压天然气源，但是显然不适合煤层气源低压的特征，现在这种方式多用于某些调峰装置中，利用干线与配气管道之间的压力差膨胀液化；另一种方式是采用低温气体的闭式膨胀制冷循环，例如利用氮气的膨胀液化循环。氮气膨胀制冷循环是空分领域的主流制冷技术，经过空分行业的长期积累，技术相对成熟，但是膨胀液化循环的效率较低。其核心问题仍然是在于冷却负荷曲线与制冷曲线匹配不好，尤其是在天然气发生相变(天然气处于亚临界工况)或近临界区(天然气在超临界工况)时，换热器内仍然存在较大温差，这是由于冷却介质完全是气相，其温度-负荷曲线难以与天然气冷却相变负荷曲线做到良好的匹配。目前在液化天然气领域中，只在若干调峰液化装置中使用。不过，近年来我国在部分煤层气和天然气液化装置中仍采用了此类技术。该类装置规模通常在十余万方/天的水平，其比功耗在0.5-0.7kWh/Nm3，仍低于混合工质制冷液化流程技术。
3)混合工质制冷液化循环(MRC)，即用一个制冷压缩机压缩多元混合制冷工质实现天然气的低温冷却和液化。这种循环流程大大减少了装置中的部件数量，使得可靠性增加，系统构成简单。近几十年发展出来多种基于MRC的流程，包括采用丙烷预冷的混合制冷剂液化循环(C3+MRC)和采用混合工质预冷的双混合工质液化循环(DMR)等。但传统的MRC液化流程技术也有一个难以克服的技术问题：其每次停机后的再启动过程相当复杂，不仅需要十分专业的人员操作和大量专门仪器设备配合，而且也十分费时。
现有混合工质制冷液化循环(MRC)技术均为高压液化循环，其核心制冷流程中均采用专用多级无油润滑高压压缩机，一般为离心式或轴流式压缩机，少数采用多级活塞压缩机。其混合制冷剂经过多级压缩机最终被压缩至3～6MPa左右。这种多级压缩机国际上只有少数几家专业生产厂家能够制造。因此通常造价很高，成为LNG工厂中最为关键的设备之一，通常压缩机及其驱动机的投资额占整个液化装置的一半以上。与采用高压压缩机现状相对应的是：现有MRC液化技术均是在高压压缩机运行参数的基础上进行循环流程的设计，包括混合工质制冷剂浓度配比、冷箱换热器和冷箱设计制造等。但是小型液化装置目前尚未有专门的多级压缩机可以采用。另一方面，经过几十年的发展，普冷制冷领域具有大量成熟的商用制冷压缩机，其具有高效率、高可靠性和低成本、来源广泛可靠等特点。将商用制冷压缩机用于中小型天然气液化装置，将具有重要的现实意义。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种能够采用商用制冷压缩机的回热式混合工质制冷气体液化循环系统。
一种回热式混合工质制冷气体液化循环系统，包括压缩机模块、回热换热器模块和节流模块，所述压缩机模块包括压缩机；所述回热换热器模块包括垂直放置的分凝分离器、第一回热换热器、中间节流元件和第二回热换热器；所述节流模块包括制冷系统节流调节阀组和原料节流调节阀组；
所述压缩机的高压制冷剂出口连接所述分凝分离换热器的第一高压入口，所述分凝分离换热器顶部的第一高压出口连接所述第一回热换热器的第一高压入口，所述第一回热换热器的第一高压出口连接所述第二回热换热器的高压入口，所述第二回热换热器的高压出口连接所述制冷系统节流调节阀组的高压入口，所述制冷系统节流调节阀组的低压出口连接所述第二回热换热器的低压入口，所述第二回热换热器的低压出口连接所述第一回热换热器的低压入口，所述第一回热换热器的低压出口连接所述分凝分离换热器的低压入口，所述分凝分离换热器底部的低压出口连接所述压缩机的低压制冷剂入口；所述分凝分离换热器底部的第二高压出口连接所述节流元件的高压入口，所述节流元件的高压出口连接所述第二回热换热器低压出口及所述第一回热换热器低压入口之间的连接管路；
所述第一回热换热器设有原料气入口，所述第一回热换热器的原料气出口连接所述第二回热换热器的原料气入口，所述第二回热换热器的原料气出口连接所述原料节流调节阀组的原料气入口，所述原料节流调节阀组的原料气出口连接所述储液罐的入口，所述储液罐设有液相出口，所述储液罐的尾气出口连接所述第二回热换热器的尾气入口，所述第二回热换热器的尾气出口连接所述第一回热换热器的尾气入口，所述第一回热换热器设有尾气出口。
在其中一个实施例中，所述压缩机模块还包括第一前冷却器，所述压缩机的高压制冷剂出口连接所述第一前冷却器的入口，所述第一前冷却器的出口连接所述分凝分离换热器的第一高压入口。
在其中一个实施例中，所述压缩机模块还包括第一单相可控阀组、制冷工质缓冲调节罐和第二单相可控阀组，所述第一单相可控阀组通过一个三通与所述第一前冷却器的出口连接，所述第二单相可控阀组通过一个三通与所述压缩机的低压制冷剂入口连接，所述制冷工质缓冲调节罐两侧分别连接第一单相可控阀组和第二单相可控阀组。
在其中一个实施例中，所述压缩机模块还包括第一级油分离器和油分节流元件，所述压缩机的高压制冷剂出口连接所述第一级油分离器的入口，所述第一级油分离器的第一出口连接所述分凝分离换热器的第一高压入口，所述第一级油分离器的第二出口连接所述油分节流元件的入口，所述的出口和所述压缩机的低压制冷剂入口连接，其中，所述第一级油分离器为简单油分离器。
在其中一个实施例中，所述压缩机模块还包括第一级油分离器、第一后冷却器和第二油分节流元件，所述压缩机的高压制冷剂出口连接所述第一级油分离器的入口，所述第一级油分离器的第一出口连接所述分凝分离换热器的第一高压入口，所述第一级油分离器的第二出口依次连接第一后冷却器和第二油分节流元件，第二油分节流元件的出口连接所述压缩机的喷油系统入口，其中，第一级油分离器为基本型喷油冷却油分系统。
在其中一个实施例中，所述压缩机模块还包括第一级油分离器、第二后冷却器、油泵和第三油分节流元件，压缩机的高压制冷剂出口连接所述第一级油分离器入口，所述第一级油分离器的第一出口连接所述分凝分离换热器的第一高压入口，所述第一级油分离器的第二出口依次连接第二后冷却器、油泵和第三油分节流元件，第三油分节流元件的出口连接所述压缩机的喷油系统入口，其中，所述第一级油分离器喷油冷却油分系统。
在其中一个实施例中，所述压缩机模块还包括第一级油分离器、第三后冷却器、油泵和第四油分节流元件，第四油分节流元件为三通油分节流元件，压缩机的高压制冷剂出口连接所述第一级油分离器的第一入口，所述第一级油分离器的第一出口连接所述分凝分离换热器的第一高压入口，所述第一级油分离器的第二出口依次连接第三后冷却器、油泵和第四油分节流元件，第四油分节流元件的第一出口连接所述第一级油分离器的第二入口，第四油分节流元件的第二出口连接所述压缩机的喷油系统入口，其中，所述第一级油分离器为增压调节喷油冷却油分系统。
在其中一个实施例中，所述压缩机模块还包括第二级油分离器和第五油分节流元件，第二级油分离器与第一级油分离器串联连接，所述第一级油分离器的第一出口连接所述第二级油分离器的入口，所述第二级油分离器的第一出口连接所述分凝分离换热器的第一高压入口，所述第二级油分离器的第二出口连接所述第五油分节流元件的入口，所述第五油分节流元件的出口与第一级油分离器的第二出口相连。
在其中一个实施例中，所述压缩机模块还包括吸气气液分离器，制冷剂进入压缩机前先进入吸气气液分离器，吸气气液分离器的出口与压缩机的低压制冷剂入口直接相连。
在其中一个实施例中，所述第一回热换热器还设有第二高压入口和第二高压出口，所述分凝分离换热器底部的第二高压出口连接所述第一回热换热器的第二高压入口，所述第一回热换热器的第二高压出口连接所述节流元件的高压入口，所述节流元件的高压出口连接所述第二回热换热器低压出口及所述第一回热换热器低压入口之间的连接管路。
在其中一个实施例中，所述分凝分离换热器还设有第二高压入口和第三高压出口，所述分凝分离换热器底部的第二高压出口连接所述分凝分离换热器底部的第二高压入口，所述分凝分离换热器的第三高压出口连接所述节流元件的高压入口，所述节流元件的高压出口连接所述第二回热换热器低压出口及所述第一回热换热器低压入口之间的连接管路。
在其中一个实施例中，所述第一回热换热器还设有第二高压入口和第二高压出口，所述分凝分离换热器的第三高压出口连接所述第一回热换热器的第二高压入口，所述第一回热换热器的第二高压出口连接所述节流元件的高压入口。
在其中一个实施例中，所述回热换热器模块还包括前回热换热器；
所述压缩机的高压制冷剂出口连接前回热换热器的制冷剂高压入口，前回热换热器的制冷剂高压出口连接分凝分离换热器下部的第一高压入口；分凝分离换热器底部的低压出口连接前回热换热器的低压入口，所述前回热换热器的低压出口连接所述压缩机的低压制冷剂入口；前回热换热器设有原料气入口，前回热换热器的原料气出口连接第一回热换热器的原料气入口；第一回热换热器的尾气出口连接前回热换热器的尾气入口，前回热换热器设有尾气出口。
在其中一个实施例中，所述前回热换热器还包括设于其内的预冷管路、预冷流体入口和预冷流体出口，预冷流体从前回热换热器的预冷流体入口进入，经所述预冷管路，再从所述预冷流体出口流出。
在其中一个实施例中，所述节流模块还包括后回热换热器，所述第二回热换热器的高压出口连接后回热换热器的制冷剂高压入口，后回热换热器的制冷剂高压出口连接所述制冷系统节流调节阀组的高压入口，所述制冷系统节流调节阀组的低压出口连接所述后回热换热器的制冷剂低压入口，所述后回热换热器的制冷剂低压出口连接所述第二回热换热器的低压入口；
所述第二回热换热器的原料气出口连接所述后回热换热器的原料气入口，所述回热换热器的原料气出口连接所述原料节流调节阀组的原料气入口。
在其中一个实施例中，所述后回热换热器还设有尾气入口和尾气出口，所述储液罐的尾气出口连接所述后回热换热器的尾气入口，所述后回热换热器的尾气出口连接所述第二回热换热器的尾气入口。
上述回热式混合工质制冷气体液化循环系统，由于更加完全的回热、完善的回油系统以及分凝分离技术，制冷流程可由单台普通油润滑压缩机驱动系统驱动，廉价可靠；循环流程布置灵活，能高效和广泛适应如多元气体液化分离等具有复杂分布负荷的应用场合需要；对原料气工况不敏感，可在较低压力下实现天然气、煤层气等气体的液化。
附图说明
图1为实施例1所示的回热式混合工质制冷气体液化循环系统结构示意图；
图2为实施例2和实施例3所示的回热式混合工质制冷气体液化循环系统结构示意图；
图3为一实施方式的压缩机模块CU结构示意图；
图4为一实施方式的回热换热器模块RU结构示意图；
图5为一实施方式的节流模块JU结构示意图；
图6为一实施方式的带制冷工质缓冲调节罐的压缩机模块CU结构示意图；
图7为一实施方式的带简单油分离器的压缩机模块CU结构示意图；
图8为一实施方式的带基本型喷油冷却油分系统的压缩机模块CU结构示意图；
图9为一实施方式的带喷油冷却油分系统的压缩机模块CU结构示意图；
图10为一实施方式的带增压调节喷油冷却油分系统的压缩机模块CU结构示意图；
图11为一实施方式的带第二级油分离器的压缩机模块CU结构示意图；
图12为一实施方式的带吸气气液分离器的压缩机模块CU结构示意图；
图13为本发明的第二种回热换热器模块RU结构示意图；
图14为本发明的第三种回热换热器模块RU结构示意图；
图15为本发明的第四种回热换热器模块RU结构示意图；
图16为本发明的第五种回热换热器模块RU结构示意图；
图17为本发明的第六种回热换热器模块RU结构示意图；
图18为本发明的第二种节流模块JU结构示意图；
图19为本发明的第三种节流模块JU结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：一种基本型回热式混合工质制冷天然气液化循环系统
图1是本实施例的回热式混合工质制冷气体液化循环系统结构示意图。图3是本实施例的一种压缩机模块CU结构示意图。图4是本实施例的一种回热换热器模块RU结构示意图。图5是本实施例的一种节流模块JU结构示意图。
本实施例提供的回热式混合工质制冷气体液化循环系统包括压缩机模块CU，回热换热器模块RU，节流模块JU，储液罐LA，气体液化回路及其连接管路和阀门。其连接方式如下：
制冷剂循环回路：压缩机模块CU的高压制冷剂出口连接回热换热器模块RU制冷剂高压入口，回热换热器模块RU制冷剂高压出口连接节流模块JU高压入口，节流模块JU低压出口连接回热换热器模块RU制冷剂低压入口，回热换热器模块RU制冷剂低压出口连接压缩机模块CU低压制冷剂入口。
气体液化回路为：经处理的原料气进入回热换热器模块RU原料气入口，回热换热器模块RU原料气出口连接节流模块JU原料气入口，节流模块JU原料气出口连接储液罐LA入口，储液罐LA液相出口流出产品液体。储液罐LA尾气出口连接回热换热器模块RU尾气入口，回热换热器模块RU尾气出口为最终尾气排出口。
请参考图3，压缩机模块CU包括压缩机CU1、第一前冷却器CU21和管路。其连接方式为：压缩机CU1的高压制冷剂出口连接第一前冷却器CU21的入口。第一前冷却器CU21出口为压缩机模块CU的高压制冷剂出口。压缩机CU1的低压制冷剂入口为压缩机模块CU的低压制冷剂入口。
可以理解，压缩机模块CU也可以采用图8所示结构的压缩机模块CU。此时，压缩机模块CU包括压缩机CU1、基本型喷油冷却油分系统OS2、第一后冷却器CU22和第二油分节流元件CV2，压缩机CU1的高压制冷剂出口连接基本型喷油冷却油分系统OS2的入口，基本型喷油冷却油分系统OS2的第一出口为压缩机模块CU的高压制冷剂出口。基本型喷油冷却油分系统OS2的第二出口依次连接第一后冷却器CU22和第二油分节流元件CV2，第二油分节流元件CV2的出口连接压缩机CU1的喷油系统入口。
可以理解，压缩机模块CU也可以采用图9所示结构的压缩机模块CU。此时，压缩机模块CU包括压缩机CU1、油分离器喷油冷却油分系统OS3、第二后冷却器CU23、油泵OP和第三油分节流元件CV3，压缩机CU1的高压制冷剂出口连接油分离器喷油冷却油分系统OS3入口，油分离器喷油冷却油分系统OS3的第一出口为压缩机模块CU的高压制冷剂出口。油分离器喷油冷却油分系统OS3的第二出口依次连接第二后冷却器CU23、油泵OP和第三油分节流元件CV3，第三油分节流元件CV3的出口连接压缩机CU1的喷油系统入口。
可以理解，压缩机模块CU也可以采用图10所示结构的压缩机模块CU。此时，压缩机模块CU压缩机CU1、增压调节喷油冷却油分系统OS4、第三后冷却器CU24、油泵OP和第四油分节流元件CV4，第四油分节流元件CV4为三通油分节流元件。压缩机CU1的高压制冷剂出口连接增压调节喷油冷却油分系统OS4的第一入口，增压调节喷油冷却油分系统OS4为压缩机模块CU的高压制冷剂出口。增压调节喷油冷却油分系统OS4的第二出口依次连接第三后冷却器CU24、油泵OP和第四油分节流元件CV4，第四油分节流元件CV4的第一出口连接增压调节喷油冷却油分系统OS4的第二入口，第四油分节流元件CV4的第二出口连接压缩机CU1的喷油系统入口。
请参考图4，回热换热器模块RU包括：垂直放置的分凝分离器RF、第一回热换热器RU1、中间节流元件RV、第二回热换热器RU2、连接管路和阀门。其连接方式为：分凝分离换热器RF的第一高压入口为回热换热器模块RU制冷剂高压入口。制冷剂高压来流经分凝分离换热器RF的第一高压入口进入，经分凝分离后，制冷剂高压来流的主流从分凝分离换热器RF顶部的第一高压出口流至第一回热换热器RU1的第一高压入口，经回热换热后，由第一回热换热器RU1的第一高压出口流至第二回热换热器RU2的高压入口，经回热换热后，由第二回热换热器RU2的高压出口排出。第二回热换热器RU2的高压出口为回热换热器模块RU制冷剂高压出口。
第二回热换热器RU2的低压入口为回热换热器模块RU制冷剂低压入口。制冷剂低压来流连接至第二回热换热器RU2的低压入口，经回热换热后由第二回热换热器RU2的低压出口流至第一回热换热器RU1的低压入口，经回热换热后由第一回热换热器RU1的低压出口流至分凝分离换热器RF的低压入口，经回热换热后由分凝分离换热器RF底部的低压出口排出形成回热换热器模块RU制冷剂低压出口。
制冷剂高压来流的其余来流由分凝分离换热器RF的底部的第二高压出口流出经由中间节流元件RV流至第二回热换热器RU2低压出口及第一回热换热器RU1低压入口之间的连接管路。
原料气经第一回热换热器RU1原料气入口进入，第一回热换热器RU1原料气出口连接第二回热换热器RU2原料气入口，第二回热换热器RU2原料气出口为回热换热器模块RU原料气出口。
第二回热换热器RU2尾气入口为回热换热器模块RU尾气入口，第二回热换热器RU2尾气出口连接第一回热换热器RU1尾气入口，第一回热换热器RU1尾气出口为回热换热器模块RU尾气出口。
请参考图5，节流模块JU包括：制冷系统节流调节阀组JU1、原料节流调节阀组JU2和连接管路。其连接方式为：制冷系统节流调节阀组JU1的高压入口为节流模块JU高压入口。制冷系统节流调节阀组JU1的低压出口为节流模块JU低压出口。原料节流调节阀组JU2的原料气入口为节流模块JU原料气入口。原料节流调节阀组JU2的原料气出口为节流模块JU的原料气出口。
制冷系统采用由氮、甲烷、四氟甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷和异戊烷等组元组成的混合制冷工质，用于常规天然气液化系统制冷。原料气为经前处理的常规天然气，其甲烷含量为95.1％(体积分数)，常压沸点112K。
在本系统中，制冷流程由普冷领域成熟的油润滑压缩机驱动。多元混合工质经压缩机CU1压缩后在第一前冷却器CU21风冷冷凝器内初步冷却，第一前冷却器CU21为风冷冷凝器，之后进入分凝分离器RF分凝分离。富含高沸点的制冷剂冷凝为高压液体，从分凝分离器RF的第二高压出口流出进入中间节流元件RV，节流后进入第一回热换热器RU1蒸发提供冷量。富含低沸点的制冷剂，从分凝分离器RF的第一高压出口依次进入第一回热换热器RU1、第二回热换热器RU2冷却，并在制冷系统节流调节阀组JU1内节流为低压流体。制冷剂在返回的过程中，依次分别在第二回热换热器RU2、第一回热换热器RU1内提供冷量，然后与高沸点制冷剂汇合携带润滑油回到分凝分离器RF内换热，最终返回压缩机CU1完成制冷循环。原料气，即经前处理(脱硫脱碳)后的天然气，在回热换热器模块RU和节流模块JU内依次冷却形成气液混合物，其中液体为所需产品，从储液罐LA的液相出口流出。未完全液化的气体，即尾气，返回回热换热器模块RU进行换热，充分利用其冷量，减小能量浪费。
实施例2：一种带制冷工质缓冲调节罐和简单油分离器的回热式混合工质制冷天然气液化循环系统
图2是本实施例的回热式混合工质制冷气体液化循环系统结构示意图。压缩机模块CU由图6和图7所示结构组成。回热换热器模块RU由图13所示结构组成。节流模块JU由图18所示结构组成。回热式混合工质制冷气体液化循环系统包括压缩机模块CU，回热换热器模块RU，节流模块JU，储液罐LA，气体液化回路，连接管路和阀门。其连接方式为：
制冷剂循环回路：压缩机模块CU的高压制冷剂出口连接回热换热器模块RU制冷剂高压入口，回热换热器模块RU制冷剂高压出口连接节流模块JU高压入口，节流模块JU低压出口连接回热换热器模块RU制冷剂低压入口，回热换热器模块RU制冷剂低压出口连接压缩机模块CU低压制冷剂入口。
气体液化回路为：经处理的原料气进入回热换热器模块RU原料气入口，回热换热器模块RU原料气出口连接节流模块JU原料气入口，节流模块JU原料气出口连接储液罐LA入口，储液罐LA液相出口流出产品液体。储液罐LA尾气出口连接节流模块JU的尾气入口，节流模块JU的尾气出口连接回热换热器模块RU尾气入口，回热换热器模块RU尾气出口为最终尾气排出口。
请参考图6和7，压缩机模块CU包括第一单相可控阀组JT1、制冷工质缓冲调节罐HT、第二单相可控阀组JT2、简单油分离器OS1、油分节流元件CV1、第一前冷却器CU21、压缩机CU1和连接管路。其连接方式为：压缩机CU1的高压制冷剂出口连接第一前冷却器CU21的入口，第一单相可控阀组JT1通过第一三通与第一前冷却器CU21出口连接。第二单相可控阀组JT2通过第二三通与压缩机CU1的高压制冷剂入口连接，制冷工质缓冲调节罐HT两侧分别连接第一单相可控阀组JT1和第二单相可控阀组JT2。
即第一前冷却器CU21的出口连接第一三通的入口，第一三通的第一出口连接第一单相可控阀组JT1的入口。第一单相可控阀组JT1的出口连接制冷工质缓冲调节罐HT的入口，制冷工质缓冲调节罐HT的出口连接第二三通的第一入口，第二三通的出口连接压缩机CU1的高压制冷剂入口。第一三通的第二出口连接简单油分离器OS1的入口，制冷剂和润滑油的混合物经简单油分离器OS1分离后，富制冷剂混合物经简单油分离器OS1制冷剂出口流出。简单油分离器OS1制冷剂出口为压缩机模块CU的高压制冷剂出口。富润滑油混合物经油分节流元件CV1节流降压后，流入第二三通的第二入口，再从第二三通的出口返回压缩机CU1的低压制冷剂入口。简单油分离器OS1制冷剂出口为压缩机模块CU的高压制冷剂出口。压缩机CU1的低压制冷剂入口为压缩机模块CU的低压制冷剂入口。
请参考图13，回热换热器模块RU包括：垂直放置的分凝分离器RF、第一回热换热器RU1、中间节流元件RV、第二回热换热器RU2、以及连接管路和阀门。第一回热换热器RU1还设有第二高压入口、第二高压出口和内置的一换热元件。
其连接方式为：分凝分离换热器RF第一高压入口为回热换热器模块RU制冷剂高压入口。制冷剂高压来流连接至分凝分离换热器RF下部的第一高压入口，经分凝分离后，制冷剂高压来流的主流从分凝分离换热器RF顶部的第一高压出口流至第一回热换热器RU1的第一高压入口，经回热换热后由第一回热换热器RU1的第一高压出口流至第二回热换热器RU2的高压入口，经回热换热后由第二回热换热器RU2的高压出口排出。第二回热换热器RU2的高压出口为回热换热器模块RU制冷剂高压出口。
第二回热换热器RU2的低压入口为回热换热器模块RU制冷剂低压入口。制冷剂低压来流连接至第二回热换热器RU2的低压入口，经回热换热后由第二回热换热器RU2的低压出口流至第一回热换热器RU1的低压入口，经回热换热后由第一回热换热器RU1的低压出口流至分凝分离换热器RF的低压入口，经回热换热后由分凝分离换热器RF底部的低压出口排出形成回热换热器模块RU制冷剂低压出口。
制冷剂高压来流的其余来流由分凝分离换热器RF底部的第二高压出口流出，进入第一回热换热器RU1的第二高压入口，经第一回热换热器RU1的第二高压出口流出，经由中间节流元件RV流至第二回热换热器RU2低压出口及第一回热换热器RU1低压入口之间的连接管路。
原料气经第一回热换热器RU1原料气入口进入，第一回热换热器RU1原料气出口连接第二回热换热器RU2原料气入口，第二回热换热器RU2原料气出口为回热换热器模块RU原料气出口。第二回热换热器RU2尾气入口为回热换热器模块RU尾气入口。第二回热换热器RU2尾气出口连接第一回热换热器RU1尾气入口，第二回热换热器RU2尾气出口为回热换热器模块RU尾气出口。
请参考图18，节流模块JU包括制冷系统节流调节阀组JU1、原料节流调节阀组JU2、后回热换热器RUB和连接管路。其连接方式为：后回热换热器RUB制冷剂高压入口为节流模块JU高压入口。制冷剂高压来流流入后回热换热器RUB制冷剂高压入口，后回热换热器RUB的制冷剂高压出口连接制冷系统节流调节阀组JU1的高压入口，制冷系统节流调节阀组JU1的低压出口连接后回热换热器RUB制冷剂低压入口，换热后，制冷剂从后回热换热器RUB的制冷剂低压出口流出。后回热换热器RUB的制冷剂低压出口为节流模块JU的制冷剂低压出口。
回热换热器RUB原料气入口为节流模块JU原料气入口。原料气经后回热换热器RUB原料气入口进入，从后回热换热器RUB的原来气出口进入原料节流调节阀组JU2的原料气入口，再从原料节流调节阀组JU2的原料气出口进入缓冲罐LA。
缓冲罐LA的尾气出口流出的尾气，经后回热换热器RUB尾气入口流入，经换热后，从后回热换热器RUB尾气出口流出。后回热换热器RUB尾气出口为节流模块JU的尾气出口。
制冷系统采用由氮、氩气、甲烷、四氟甲烷、乙烯、乙烷、丙烷、异丁烷和异戊烷等组元组成的混合制冷工质；原料气为经前处理的煤层气(甲烷体积含量大于85％)。
在本系统中，与压缩机并联一制冷工质缓冲调节罐，制冷系统刚开机时，压缩机排气压力很高，制冷工质缓冲调节罐可以储存部分制冷工质，减小系统压力，而开机运行相当一段时间后，调节制冷工质缓冲调节罐两侧阀门，适量补充制冷剂，以发挥制冷系统最佳性能；压缩机后安置简单油分离器，对制冷剂和润滑油初步分离；分凝分离器内的低沸点工质在节流前先进行冷却，可提高过冷度。
实施例3：一种带制冷工质缓冲调节罐、两级油分离器以及吸气气液分离器的回热式混合工质制冷天然气液化循环系统
图2是本实施例的回热式混合工质制冷气体液化循环系统结构示意图。压缩机模块CU由图6、7、11和12所示结构组成，回热换热器模块RU由图15和图17所示结构组成，节流模块JU由图18所示结构组成。回热式混合工质制冷气体液化循环系统由压缩机模块CU，回热换热器模块RU，节流模块JU，储液罐LA，气体液化回路及其连接管路和阀门组成。其连接方式为：
制冷剂循环回路：压缩机模块CU的高压制冷剂出口连接回热换热器模块RU制冷剂高压入口，回热换热器模块RU制冷剂高压出口连接节流模块JU高压入口，节流模块JU低压出口连接回热换热器模块RU制冷剂低压入口，回热换热器模块RU制冷剂低压出口连接压缩机模块CU低压制冷剂入口。
气体液化回路为：经处理的原料气进入回热换热器模块RU原料气入口，回热换热器模块RU原料气出口连接节流模块JU原料气入口，节流模块JU原料气出口连接储液罐LA入口，储液罐LA液相出口流出产品液体。储液罐LA尾气出口连接节流模块JU的尾气入口，节流模块JU的尾气出口连接回热换热器模块RU尾气入口，回热换热器模块RU尾气出口为最终尾气排出口。
请参考图6、7、11和12，压缩机模块CU包括第一单相可控阀组JT1、制冷工质缓冲调节罐HT、第二单相可控阀组JT2、简单油分离器OS1、油分节流元件CV1、第二级油分离器OS5和第五油分节流元件CV5、吸气气液分离器GLS和连接管路。
其连接方式为：第一单相可控阀组JT1通过一个三通与第一前冷却器CU21出口连接，第二单相可控阀组JT2通过一个三通与压缩机CU1低压制冷剂入口连接，制冷工质缓冲调节罐HT两侧分别连接第一单相可控阀组JT1和第二单相可控阀组JT2。压缩机CU1高压制冷剂出口连接简单油分离器OS1入口，制冷剂和润滑油的混合物经简单油分离器OS1分离后，富制冷剂混合物经简单油分离器OS1第一出口流出，富润滑油混合物经简单油分离器OS1的第二出口流出，经油分节流元件CV1节流降压后直接返回压缩机CU1低压制冷剂入口。第二级油分离器OS5与简单油分离器OS1串联连接，富制冷剂混合物经简单油分离器OS1第一出口流出进入第二级油分离器OS5分离后，富制冷剂混合物从第二级油分离器OS5的第一出口流出。第二级油分离器OS5的第一出口为压缩机模块CU的高压制冷剂出口。富润滑油混合物从第二级油分离器OS5的第二出口流出，经第五油分节流元件CV5节流调节后，流入简单油分离器OS1的第二出口和油分节流元件CV1之间的连接管道。制冷剂进入压缩机CU1前先进入吸气气液分离器GLS，吸气气液分离器GLS出口与压缩机CU1低压制冷剂入口直接相连。
请参考图15和图17，回热换热器模块RU包括：垂直放置的分凝分离器RF、第一回热换热器RU1、中间节流元件RV、第二回热换热器RU2、前回热换热器RUF以及设于其内的预冷系统换热器件、连接管路和阀门。其中，第一回热换热器RU1设有一换热元件以及与该换热元件相连的第二高压入口和第二高压出口。分凝分离器RF设有第二高压入口和第三高压出口。
其连接方式为：前回热换热器RUF制冷剂高压入口为回热换热器模块RU制冷剂高压入口。制冷剂高压来流连接前回热换热器RUF制冷剂高压入口，前回热换热器RUF的制冷剂高压出口连接分凝分离换热器RF的下部第一高压入口，经分凝分离后，制冷剂高压来流的主流从分凝分离换热器RF的顶部第一高压出口流至第一回热换热器RU1的第一高压入口，经回热换热后由第一回热换热器RU1的第一高压出口流至第二回热换热器RU2的高压入口，经回热换热后由第二回热换热器RU2的高压出口排出。第二回热换热器RU2的高压出口为回热换热器模块RU制冷剂高压出口。
制冷剂低压来流连接至第二回热换热器RU2的低压入口，经回热换热后由第二回热换热器RU2的低压出口流至第一回热换热器RU1的低压入口，经回热换热后由第一回热换热器RU1的低压出口流至分凝分离换热器RF的低压入口，经回热换热后由分凝分离换热器RF底部低压出口流入前回热换热器RUF的低压入口，制冷剂流体经回热换热后由前回热换热器RUF的低压出口排出。前回热换热器RUF的低压出口为回热换热器模块RU制冷剂低压出口。
制冷剂高压来流的其余来流由分凝分离换热器RF的底部第二高压出口流出，再流入分凝分离换热器RF的第二高压入口，再从分凝分离换热器RF的第三高压出口进入第一回热换热器RU1的第二高压入口，经回热换热后，由第一回热换热器RU1的第二高压出口流出，经由中间节流元件RV流至第二回热换热器RU2低压出口及第一回热换热器RU1低压入口之间的连接管路。
原料气经前回热换热器RUF的原料气入口进入，从前回热换热器RUF原料气出口进入第一回热换热器RU1原料气入口。第一回热换热器RU1原料气出口连接第二回热换热器RU2原料气入口，第二回热换热器RU2原料气出口为回热换热器模块RU原料气出口。
第二回热换热器RU2尾气入口为回热换热器模块RU尾气入口。第二回热换热器RU2尾气出口连接第一回热换热器RU1尾气入口，尾气经第一回热换热器RU1尾气出口进入前回热换热器RUF尾气入口，最后从前回热换热器RUF尾气出口流出。前回热换热器RUF尾气出口为回热换热器模块RU尾气出口。
如图17所示，前回热换热器RUF还包括设于其内的预冷管路，预冷流体从前回热换热器RUF预冷流体入口进入，从前回热换热器RUF预冷流体出口流出。
可以理解，回热换热器模块RU也可以采用图14所示结构的回热换热器模块RU。此时，分凝分离换热器RF的第三高压连接中间节流元件RV的高压入口，中间节流元件RV的高压出口连接第二回热换热器RU2低压出口及第一回热换热器RU1低压入口之间的连接管路。
可以理解，前回热换热器RUF也可以采用图16所示结构的前回热换热器RUF。此时，前回热换热器RUF没有设置预冷管路。
请参考图18，节流模块JU包括制冷系统节流调节阀组JU1、原料节流调节阀组JU2、后回热换热器RUB和连接管路。
其连接方式为：后回热换热器RUB制冷剂高压入口为节流模块JU高压入口。制冷剂高压来流连接后回热换热器RUB制冷剂高压入口，后回热换热器RUB的制冷剂高压出口连接制冷系统节流调节阀组JU1的高压入口，制冷系统节流调节阀组JU1低压出口连接后回热换热器RUB制冷剂低压入口，回热换热器RUB制冷剂低压出口为节流模块JU的制冷剂低压出口。
后回热换热器RUB原料气入口为节流模块JU原料气入口。原料气经后回热换热器RUB原料气入口进入，从后回热换热器RUB的原料气出口进入原料节流调节阀组JU2的原料气入口，再从原料节流调节阀组JU2的原料气出口流入储液罐LA。
储液罐LA的尾气出口连接后回热换热器RUB的尾气入口，尾气经从后回热换热器RUB尾气出口流出。后回热换热器RUB尾气出口连接第二回热换热器RU2尾气入口。
可以理解，节流模块JU也可以采用图19所示的结构。此时，储液罐LA的尾气出口直接连接第二回热换热器RU2尾气入口。
制冷系统采用由氮、氩气、甲烷、四氟甲烷、乙烯、乙烷、丙烷和异丁烷等组元组成的混合制冷工质。原料气为经前处理的煤层气(甲烷体积含量大于85％)。预冷系统采用丙烷制冷。
在本系统中，主制冷系统采用风冷初步冷却后进一步采用丙烷制冷系统预冷，因此，主冷系统中可减小高沸点的异戊烷等组分。系统中同时采用了吸气气液分离器，避免压缩机液击。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (16)
1.一种回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，包括压缩机模块、回热换热器模块和节流模块，所述压缩机模块包括压缩机；所述回热换热器模块包括垂直放置的分凝分离器、第一回热换热器、中间节流元件和第二回热换热器；所述节流模块包括制冷系统节流调节阀组和原料节流调节阀组；
所述压缩机的高压制冷剂出口连接所述分凝分离换热器的第一高压入口，所述分凝分离换热器顶部的第一高压出口连接所述第一回热换热器的第一高压入口，所述第一回热换热器的第一高压出口连接所述第二回热换热器的高压入口，所述第二回热换热器的高压出口连接所述制冷系统节流调节阀组的高压入口，所述制冷系统节流调节阀组的低压出口连接所述第二回热换热器的低压入口，所述第二回热换热器的低压出口连接所述第一回热换热器的低压入口，所述第一回热换热器的低压出口连接所述分凝分离换热器的低压入口，所述分凝分离换热器底部的低压出口连接所述压缩机的低压制冷剂入口；所述分凝分离换热器底部的第二高压出口连接所述节流元件的高压入口，所述节流元件的高压出口连接所述第二回热换热器低压出口及所述第一回热换热器低压入口之间的连接管路；
所述第一回热换热器设有原料气入口，所述第一回热换热器的原料气出口连接所述第二回热换热器的原料气入口，所述第二回热换热器的原料气出口连接所述原料节流调节阀组的原料气入口，所述原料节流调节阀组的原料气出口连接储液罐的入口，所述储液罐设有液相出口，所述储液罐的尾气出口连接所述第二回热换热器的尾气入口，所述第二回热换热器的尾气出口连接所述第一回热换热器的尾气入口，所述第一回热换热器设有尾气出口。
2.如权利要求1所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，所述压缩机模块还包括第一前冷却器，所述压缩机的高压制冷剂出口连接所述第一前冷却器的入口，所述第一前冷却器的出口连接所述分凝分离换热器的第一高压入口。
3.如权利要求2所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，所述压缩机模块还包括第一单相可控阀组、制冷工质缓冲调节罐和第二单相可控阀组，所述第一单相可控阀组通过一个三通与所述第一前冷却器的出口连接，所述第二单相可控阀组通过一个三通与所述压缩机的低压制冷剂入口连接，所述制冷工质缓冲调节罐两侧分别连接第一单相可控阀组和第二单相可控阀组。
4.如权利要求1所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，所述压缩机模块还包括第一级油分离器和油分节流元件，所述压缩机的高压制冷剂出口连接所述第一级油分离器的入口，所述第一级油分离器的第一出口连接所述分凝分离换热器的第一高压入口，所述第一级油分离器的第二出口连接所述油分节流元件的入口，所述的出口和所述压缩机的低压制冷剂入口连接，其中，所述第一级油分离器为简单油分离器。
5.如权利要求1所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，所述压缩机模块还包括第一级油分离器、第一后冷却器和第二油分节流元件，所述压缩机的高压制冷剂出口连接所述第一级油分离器的入口，所述第一级油分离器的第一出口连接所述分凝分离换热器的第一高压入口，所述第一级油分离器的第二出口依次连接第一后冷却器和第二油分节流元件，第二油分节流元件的出口连接所述压缩机的喷油系统入口，其中，第一级油分离器为基本型喷油冷却油分系统。
6.如权利要求1所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，所述压缩机模块还包括第一级油分离器、第二后冷却器、油泵和第三油分节流元件，压缩机的高压制冷剂出口连接所述第一级油分离器入口，所述第一级油分离器的第一出口连接所述分凝分离换热器的第一高压入口，所述第一级油分离器的第二出口依次连接第二后冷却器、油泵和第三油分节流元件，第三油分节流元件的出口连接所述压缩机的喷油系统入口，其中，所述第一级油分离器喷油冷却油分系统。
7.如权利要求1所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，所述压缩机模块还包括第一级油分离器、第三后冷却器、油泵和第四油分节流元件，第四油分节流元件为三通油分节流元件，压缩机的高压制冷剂出口连接所述第一级油分离器的第一入口，所述第一级油分离器的第一出口连接所述分凝分离换热器的第一高压入口，所述第一级油分离器的第二出口依次连接第三后冷却器、油泵和第四油分节流元件，第四油分节流元件的第一出口连接所述第一级油分离器的第二入口，第四油分节流元件的第二出口连接所述压缩机的喷油系统入口，其中，所述第一级油分离器为增压调节喷油冷却油分系统。
8.如权利要求3-7中任意一项所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，
所述压缩机模块还包括第二级油分离器和第五油分节流元件，第二级油分离器与第一级油分离器串联连接，所述第一级油分离器的第一出口连接所述第二级油分离器的入口，所述第二级油分离器的第一出口连接所述分凝分离换热器的第一高压入口，所述第二级油分离器的第二出口连接所述第五油分节流元件的入口，所述第五油分节流元件的出口与第一级油分离器的第二出口相连。
9.如权利要求2-7中任意一项所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，所述压缩机模块还包括吸气气液分离器，制冷剂进入压缩机前先进入吸气气液分离器，吸气气液分离器的出口与压缩机的低压制冷剂入口直接相连。
10.如权利要求1中所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，
所述第一回热换热器还设有第二高压入口和第二高压出口，所述分凝分离换热器底部的第二高压出口连接所述第一回热换热器的第二高压入口，所述第一回热换热器的第二高压出口连接所述节流元件的高压入口，所述节流元件的高压出口连接所述第二回热换热器低压出口及所述第一回热换热器低压入口之间的连接管路。
11.如权利要求1中所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，所述分凝分离换热器还设有第二高压入口和第三高压出口，所述分凝分离换热器底部的第二高压出口连接所述分凝分离换热器底部的第二高压入口，所述分凝分离换热器的第三高压出口连接所述节流元件的高压入口，所述节流元件的高压出口连接所述第二回热换热器低压出口及所述第一回热换热器低压入口之间的连接管路。
12.如权利要求11中所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，所述第一回热换热器还设有第二高压入口和第二高压出口，所述分凝分离换热器的第三高压出口连接所述第一回热换热器的第二高压入口，所述第一回热换热器的第二高压出口连接所述节流元件的高压入口。
13.如权利要求1～7、10～12中任意一项所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，
所述回热换热器模块还包括前回热换热器；
所述压缩机的高压制冷剂出口连接前回热换热器的制冷剂高压入口，前回热换热器的制冷剂高压出口连接分凝分离换热器下部的第一高压入口；分凝分离换热器底部的低压出口连接前回热换热器的低压入口，所述前回热换热器的低压出口连接所述压缩机的低压制冷剂入口；前回热换热器设有原料气入口，前回热换热器的原料气出口连接第一回热换热器的原料气入口；第一回热换热器的尾气出口连接前回热换热器的尾气入口，前回热换热器设有尾气出口。
14.如权利要求13所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，
所述前回热换热器还包括设于其内的预冷管路、预冷流体入口和预冷流体出口，预冷流体从前回热换热器的预冷流体入口进入，经所述预冷管路，再从所述预冷流体出口流出。
15.如权利要求1所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，所述节流模块还包括后回热换热器，所述第二回热换热器的高压出口连接后回热换热器的制冷剂高压入口，后回热换热器的制冷剂高压出口连接所述制冷系统节流调节阀组的高压入口，所述制冷系统节流调节阀组的低压出口连接所述后回热换热器的制冷剂低压入口，所述后回热换热器的制冷剂低压出口连接所述第二回热换热器的低压入口；
所述第二回热换热器的原料气出口连接所述后回热换热器的原料气入口，所述回热换热器的原料气出口连接所述原料节流调节阀组的原料气入口。
16.如权利要求15所述的回热式混合工质制冷气体液化循环系统，其特征在于，所述后回热换热器还设有尾气入口和尾气出口，所述储液罐的尾气出口连接所述后回热换热器的尾气入口，所述后回热换热器的尾气出口连接所述第二回热换热器的尾气入口。
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