CN108489133A - 多级压缩混合工质制冷/液化系统 - Google Patents

多级压缩混合工质制冷/液化系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，提供一种多压力级混合工质深冷节流制冷系统，前级压缩冷却后经分离器分离的液相混合冷剂不再经过后级压缩，可减少整体压缩功耗，同时可大幅降低低温级换热器换热面积，能够实现回热换热器中热当量的匹配及更好利用多级压缩机提供的多个压力级，可满足各种深冷需求场合，如气体液化，特别是天然气液化、空气分离、化工尾气液化回收、煤层气液化等；本发明提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，采用普冷温区商业压缩机，相对于传统高压制冷循环，大幅降低成本，且相对于低压制冷循环，本发明提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，低温级蒸发器制冷剂压力提高，单位冷剂液化能力显著增强。

Description

多级压缩混合工质制冷/液化系统
技术领域
本发明涉及制冷及低温技术领域，尤其涉及一种多级压缩混合工质制冷/液化系统。
背景技术
采用回热措施的深冷多元混合工质节流制冷机广泛应用于能源、化工及低温工程领域，用于实现器件冷却和工业气体的液化等方面，其中在天然气液化领域的应用是混合工质节流制冷技术的最重要体现之一。多元混合工质的采用使制冷机设计和运行具有了更多的选择自由度。因此，针对不同的冷却对象和应用要求，出现了各种各样的制冷流程系统，仅以液化天然气领域就有不少于数十种流程形式出现。这些制冷系统的出现是基于提高效率、降低成本和减少系统复杂性等不同要求而提出的。而上述要求也是新制冷流程不断出现的促动力。
现有混合工质深冷节流制冷流程的共同特征就是：利用压缩机将多元混合工质压缩到一个高压力级，经冷却器将压缩热带走；恢复到环境温度的高压混合工质进入间壁式换热器被返流低压混合工质冷却，然后进入节流元件实现节流制冷，混合工质自身压力降低到一个低压级，进入蒸发器为被冷却物体提供冷量，然后进入换热器冷却高压来流混合工质；自身温度恢复接近室温，进入压缩机，完成一个制冷循环。上述循环持续进行就可以在设定温度连续提供冷量。从热力学角度出发，混合工质在上述过程分别经理了4个阶段：压缩阶段(包括冷凝放热)，回热阶段，节流膨胀阶段和冷量提供阶段。针对不同应用要求，各阶段可能会相互重合，例如在气体液化阶段，冷量提供不仅是只在最低温度的蒸发器，而是和回热阶段复合在一起，即返流低温工质同时为来流高压工质和被冷却物(如天然气)提供冷量。因此，现有技术基本为一级压缩即存在高压和低压两个压力级。
所述回热过程实际是循环制冷工质中低压流体冷却高压流体，使高压工质在节流前温度降低，从而减少节流损失的过程，在这个过程中，低压工质将冷量传给高压工质，而自身温度恢复接近环境温度。根据低温热力学理论，回热过程效率是影响到制冷系统总效率的关键因素。对于同种制冷工质，在气相区，由于压力对比热的影响，高压流体的比热大于低压流体比热，即相同流量下高压工质的热当量总是大于低压流体的热当量，因此回热换热器内高、低压两侧热当量总是不能很好的匹配，这就造成了回热换热器内冷热两股流体热力学本征上换热不匹配，造成回热损失，这已经不是通过传热学强化措施能够解决的问题。在两相区，相变潜热对当量比热具有极大贡献，而相同工质低压流体的相变较高压工质大，因此在两相区有可能使低压流体热当量增加。因此解决回热换热器内热当量不匹配的办法有两种：第一种是通过调整混合组元，改变高低压两侧的相变温区来条件两侧流体比热，是回热换热器内两侧流体尽量处于两相区，这需要增加高沸点组元配比浓度；第二是采用相分离措施，减少高压侧流体流量，将处于两相区的高压流体的气液相分离，气相进入回热换热器进一步冷却，液相则直接节流膨胀，实现制冷效应进入低压侧冷却气相工质(如Missimer，D.J.,US patent 3698202,1972)。上述两个措施是分别调节热当量参数中的比热和流量。对应各自系统所采用的压缩机等关键部件，上述两种方法经过优化设计均可以有较高的热力学效率。
但是对于低温制冷区，如80K到120K，增加高沸点组元可能会导致出现高沸点组元及润滑油堵塞节流元件。另外采用单级压缩机实现低温制冷，为提高压缩机运行效率，要减少压比、提高低压，往往需要在混合工质内添加更低沸点的组元如：氖气和氦气，而氦气在这个温区节流效应为负(即节流后温度升高)，氖气的节流效应很小，更为严重的是，氦氖气这两种气体无论在高压还是低压通道均为不可凝气体，大大恶化制冷系统内部的换热性能。另一个方面，单级压缩机由于压比和功率均有限制，一般在中小型系统中得到应用，而在大中型制冷装置中，尤其是天然气液化工业，多采用多级压缩机。
另外，在普冷领域为实现210～230K制冷，常采用两级压缩两级节流制冷循环，主要目的是解决低温时压缩机压比过大的问题。另外在深冷领域也有两次节流循环出现(陈国邦等，机械工业出版社，1994)，采用纯工质，主要降低最后一级节流前温度，但是最后一级节流前压力已经经过一次节流，使节流前后压差减少，会降低单位流量的等温节流效应。
发明内容
有鉴如此，有必要提供一种多级压缩混合工质制冷/液化系统，旨在解决现有技术中提供的制冷技术的应用场景的限制且制冷液化能力较差。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种多级压缩混合工质制冷/液化系统，包括：多级压缩机单元、回热单元、蒸发器单元，所述多级压缩机单元的高压制冷剂出口连接所述回热单元的制冷剂高压入口，所述回热单元的制冷剂高压出口连接所述蒸发器单元的高压入口，所述蒸发器单元的低压出口连接所述回热单元的制冷剂低压入口，所述回热单元的制冷剂低压出口连接所述多级压缩机单元的低压制冷剂入口；其中：
所述多级压缩机单元包括第一子压缩机模块、第二子压缩机模块……及第N子压缩机模块，N为大于或等于2的自然数，所述第一子压缩机模块包括第一级压缩机模块、第一级级间冷却器和第一级气液分离器，所述第二子压缩机模块包括第二级压缩机模块、第二级级间冷却器和第二级气液分离器，所述第N子压缩机模块包括第N级压缩机模块、第N级级间冷却器和第N级气液分离器，所述第一级压缩机模块的高压出口连接第一级级间冷却器的高压入口、所述第一级级间冷却器的高压出口连接第一级气液分离器的入口，所述第一级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第一压力级高压液相入口，所述第一级气液分离器的气相出口连接所述第二级压缩机模块的吸气口；第二级压缩机模块的高压出口连接所述第二级级间冷却器的高压入口、所述第二级级间冷却器的高压出口连接所述第二级气液分离器的入口，所述第二级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第二级高压液相入口，所述第二级气液分离器的气相出口连接下一级压缩机模块的吸气口；以此类推，第i级压缩机模块的高压出口连接第i级级间冷却器的高压入口，第i级级间冷却器的高压出口连接第i级气液分离器的入口，第i级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第i压力级高压液相入口，第i级气液分离器的气相出口进入所述回热单元形成第i压力级高压气相入口；
所述回热单元包括主换热器及N个压力级子模块构成，所述N＝1,2，···，i-1，i,···，N；第i压力级子模块包括：一个第i级节流元件和一个第i级回热换热器，第i压力级子模块的出口连接第i-1级回热换热器的第i压力级入口，第i-1级回热换热器的第i压力级出口连接下一级压力级子模块的第i压力级入口；第i级压力级子模块中第N-i级高压入口经第i级回热换热器的出口连接第i级节流元件并与第i-1级回热换热器返流入口汇合，进入第i级回热换热器形成第i级回热换热器返流，形成上一级回热换热器返流入口；且相邻2级回热换热器第i级和第i-1级，后一级回热换热器比前一级回热换热器的流道少一；
所述蒸发器单元包括：主节流元件及蒸发器，所述回热单元的主换热器的出口连接所述主节流元件的高压入口，所述主节流元件的低压出口连接蒸发器的制冷剂入口，蒸发器的制冷剂出口连接所述回热单元的主换热器的入口。
在一些较佳的实施例中，还包括气体液化单元，所述气体液化单元包括若干个气液分离罐及其连接管路；
原料气连接第N级压力级子模块中第N级回热换热器进入第N级气液分离罐，第N级气液分离罐的液相出口为第N级分离的液相重烃，第N级气体分离罐的气相出口连接下一级压力级子模块的原料气入口，依次类推，第2级压力级子模块中第2级回热换热器进入第2级气体分离罐，第2级气体分离罐液相出口为第2级分离的液相重烃，第2级气体分离罐的气相出口连接第1级压力级子模块的原料气入口，经第1级回热换热器预冷直接流入蒸发器单元。
在一些较佳的实施例中，所述级间冷却器由顺次连接的冷却器和预冷器组成，所述预冷器由预冷模块提供冷量，所述预冷模块为单压缩机蒸汽压缩式制冷或混合工质制冷。
在一些较佳的实施例中，所述第i级回热换热器有i+3个流体通道，包括i个不同压力级别的高压制冷剂液相通道，1个第i级高压制冷剂气相通道，1个低压制冷剂回气通道和1个气体液化预冷通道。
在一些较佳的实施例中，所述第i级回热换热器有i+2个流体通道，包括i个不同压力级别的高压制冷剂液相通道，1个第i级高压制冷剂气相通道和1个低压制冷剂回气通道。
在一些较佳的实施例中，所述多级压缩机组单元包括2～6个子压缩机组模块。
在一些较佳的实施例中，所述气体液化单元的BOG可在回热单元各回热换热器中返流依次回收。
在一些较佳的实施例中，所述制冷剂为多元混合制冷剂，所述制冷剂由7组物质构成，具体如下：
第一组：异戊烷、正戊烷、异丁烷、正丁烷、全氟戊烷、全氟丁烷、环丁烷、丁烯、1-丁烯、异丁烯、3-甲基-1-丁烯、顺式-2-丁烯、R1336mzzZ，或是由上述物质中的任意两种物质组成的混合物，或是由上述物质中的多种物质组成的混合物，摩尔浓度范围5～45％；
第二组：丙烷、丙烯、环丙烷、全氟丙烷、氟乙烷、丙二烯、二氟甲烷、1,1-二氟乙烷，或是由上述物质中的任意两种物质组成的混合物，或是由上述物质中的多种物质组成的混合物，摩尔浓度范围5～45％；
第三组：乙烷、乙烯、三氟甲烷、氟代甲烷、全氟乙烯，或是由上述物质中的任意两种物质组成的混合物，或是由上述物质中的多种物质组成的混合物，摩尔浓度范围5～45％；
第四组：四氟甲烷，摩尔浓度范围5～45％；
第五组：甲烷，摩尔浓度范围5～45％；
第六组：氮气、氩气，或其混合物，摩尔浓度范围10～45％；
第七组：氖气，摩尔浓度范围0～20％。
本发明采用上述技术方案，能够实现下述有益效果：
本发明提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，提供一种多压力级混合工质深冷节流制冷系统，前级压缩冷却后经分离器分离的液相混合冷剂不再经过后级压缩，可减少整体压缩功耗，同时可大幅降低低温级换热器换热面积，能够实现回热换热器中热当量的匹配及更好利用多级压缩机提供的多个压力级，可满足各种深冷需求场合，如气体液化，特别是天然气液化、空气分离、化工尾气液化回收、煤层气液化等；本发明提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，采用普冷温区商业压缩机，相对于传统高压制冷循环，大幅降低成本，且相对于低压制冷循环，本发明提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，低温级蒸发器制冷剂压力提高，单位冷剂液化能力显著增强。
附图说明
图1本发明实施例提供的多级压缩机单元MCU结构示意图；
图2本发明实施例提供的带预冷的多级压缩机单元MCU结构示意图；
图3本发明实施例提供的回热单元MRU结构示意图；
图4本发明实施例提供的蒸发器单元EVU结构示意图；
图5本发明实施例提供的回热单元MRU、蒸发器单元EVU及液化单元LGU结构示意图；
图6本发明实施例提供的空气冷却的二级压缩混合工质制冷流程；
图7本发明实施例提供的带预冷的二级压缩混合工质制冷流程；
图8本发明实施例提供的空气冷却的三级压缩混合工质制冷流程；
图9本发明实施例提供的带预冷的三级压缩混合工质制冷流程。
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楚明白，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。
请参阅图1-4，分别为本发明实施例提供的多级压缩机单元MCU结构示意图；本发明实施例提供的带预冷的多级压缩机单元MCU结构示意图；本发明实施例提供的回热单元MRU结构示意图及本发明实施例提供的蒸发器单元EVU结构示意图。
本发明提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，包括：多级压缩机单元110、回热单元120、蒸发器单元130。所述多级压缩机单元110的高压制冷剂出口连接所述回热单元120的制冷剂高压入口，所述回热单元120的制冷剂高压出口连接所述蒸发器单元130的高压入口，所述蒸发器单元130的低压出口连接所述回热单元120的制冷剂低压入口，所述回热单元120的制冷剂低压出口连接所述多级压缩机单元110的低压制冷剂入口。以下详细介绍多级压缩机单元110、回热单元120及蒸发器单元130的具体结构。
请再参阅图1，为本发明实施例提供的多级压缩机单元(MCU)110结构示意图。
所述多级压缩机单元110包括第一子压缩机模块、第二子压缩机模块……及第N子压缩机模块，N为大于或等于2的自然数。
在一些较佳的实施例中，所述的多级压缩机组单元(MCU)110包括2～6个子压缩机组模块，因此分别对应3～7个压力级。
所述第一子压缩机模块包括第一级压缩机模块(CU1)、第一级级间冷却器(ACC1)和第一级气液分离器(MRSP1)，所述第二子压缩机模块包括第二级压缩机模块(CU2)、第二级级间冷却器(ACC2)和第二级气液分离器(MRSP2)，所述第N子压缩机模块包括第N级压缩机模块、第N级级间冷却器和第N级气液分离器，所述第一级压缩机模块(CU1)的高压出口连接第一级级间冷却器(ACC1)的高压入口、所述第一级级间冷却器(ACC1)的高压出口连接第一级气液分离器(MRSP1)的入口，所述第一级气液分离器(MRSP1)的液相出口进入所述回热单元(MRU)120形成第一压力级高压液相入口(LH1)，所述第一级气液分离器(MRSP1)的气相出口连接所述第二级压缩机模块(CU2)的吸气口；第二级压缩机模块(CU2)的高压出口连接所述第二级级间冷却器(ACC2)的高压入口、所述第二级级间冷却器(ACC2)的高压出口连接所述第二级气液分离器(MRSP2)的入口，所述第二级气液分离器(MRSP2)的液相出口进入所述回热单元(MRU)120形成第二级高压液相入口(LH2)，所述第二级气液分离器(MRSP2)的气相出口连接下一级压缩机模块的吸气口；以此类推，第i级压缩机模块(CUi)的高压出口连接第i级级间冷却器(ACCi)的高压入口，第i级级间冷却器(ACCi)的高压出口连接第i级气液分离器(MRSPi)的入口，第i级气液分离器(MRSPi)的液相出口进入所述回热单元(MRU)120形成第i压力级高压液相入口(LHi)，第i级气液分离器(MRSPi)的气相出口进入所述回热单元形成第i压力级高压气相入口(GHi)。
在一些较佳的实施例中，所述级间冷却器由顺次连接的冷却器(ACC)和预冷器(PRC)组成，所述预冷器(PRC)由预冷模块提供冷量，所述预冷模块为单压缩机蒸汽压缩式制冷或混合工质制冷。
可以理解，多级压缩机单元(MCU)110根据级数不同设有不同数量出口，对于N级子压缩机模块(NCU)，有1个低压回气入口(CUL1)，N个不同级别的高压制冷剂液相出口(LH1，LH2，···，LHN)以及1个第N级高压制冷剂气相出口(GHN)。
请再参阅图2，为本发明实施例提供的带预冷的多级压缩机单元MCU结构示意图。
与图1中提供的多级压缩机单元MCU不同之处在于，任意一子压缩机模块包括压缩机模块(CU)、级间冷却器(ACC)和气液分离器(MRSP)，所述级间冷却器由顺次连接的冷却器和预冷器组成，所述预冷器由预冷模块提供冷量，所述预冷模块为单压缩机蒸汽压缩式制冷或混合工质制冷。即所述第一子压缩机模块包括第一级压缩机模块(CU1)、第一级级间冷却器(ACC1)和第一级气液分离器(MRSP1)，所述第一级级间冷却器(ACC1)由顺次连接的第一冷却器(ACC1)和第一预冷器(PRC1)组成，依次类推。
请参阅图3，为本发明实施例提供的回热单元(MRU)120的结构示意图。所述回热单元120包括主换热器(HX0)及N个压力级子模块构成，所述N＝1,2，···，i-1，i,···，N；第i压力级子模块包括：一个第i级节流元件(MRVi)和一个第i级回热换热器(HXi)，第i压力级子模块的出口(HXiLHOi)连接第i-1级回热换热器(HX[i-1])的第i压力级入口(HX[i-1]LHIi)，第i-1级回热换热器(HX[i-1])的第i压力级出口(HX[i-1]LHOi)连接下一级压力级子模块的第i压力级入口(HX[i-2]LHIi)；第i级压力级子模块中第N-i级高压入口(HXiLHI[N-i])经第i级回热换热器(HXi)的出口连接第i级节流元件(MRVi)并与第i-1级回热换热器(HX[i-1])返流入口(HX[i-1]CUL[i-1])汇合，进入第i级回热换热器(HXi)形成第i级回热换热器(HXi)返流，形成上一级回热换热器返流入口(HXiCULi)；且相邻2级回热换热器第i级和第i-1级，后一级回热换热器比前一级回热换热器的流道少一。
在一些较佳的实施例中，所述第i级回热换热器(HXi)有i+3个流体通道，包括i个不同压力级别的高压制冷剂液相通道，1个第i级高压制冷剂气相通道，1个低压制冷剂回气通道和1个气体液化预冷通道。
所述的第i级回热换热器(HXi)有i+2个流体通道，包括i个不同压力级别的高压制冷剂液相通道，1个第i级高压制冷剂气相通道和1个低压制冷剂回气通道。
请参阅图4，为本发明实施例提供的蒸发器单元(EVU)130结构示意图。
所述蒸发器单元130包括：主节流元件(V0)及蒸发器(EVAP)，所述回热单元120的主换热器(HX0)的出口连接所述主节流元件(V0)的高压入口，所述主节流元件(V0)的低压出口连接蒸发器(EVAP)的制冷剂入口，蒸发器(EVAP)的制冷剂出口连接所述回热单元120的主换热器(HX0)的入口(HX0CULi)。
请参阅图5，为本发明实施例提供的回热单元(MRU)120、蒸发器单元(EVU)130及液化单元(LGU)140的结构示意图。
所述气体液化单元(LGU)140包括若干个气液分离罐及其连接管路；原料气连接第N级压力级子模块中第N级回热换热器(HXN)进入第N级气液分离罐(NGSPN)，第N级气液分离罐(NGSPN)的液相出口为第N级分离的液相重烃，第N级气体分离罐的气相出口连接下一级压力级子模块的原料气入口，依次类推，第2级压力级子模块中第2级回热换热器(HX2)进入第2级气体分离罐，第2级气体分离罐液相出口为第2级分离的液相重烃，第2级气体分离罐的气相出口连接第1级压力级子模块的原料气入口，经第1级回热换热器(HX1)预冷直接流入蒸发器单元130，可以理解，根据液化气体组成，设置不同级数的气液分离罐(NGSP)。
可以理解，所述气体液化单元(LGU)140产品BOG可回收冷量，BOG可依次在回热单元(MRU)各回热换热器中返流，依次回收冷量。
在一些较佳的实施例中，所述制冷剂为多元混合制冷剂，所述制冷剂由7组物质构成，具体如下：
第一组：异戊烷、正戊烷、异丁烷、正丁烷、全氟戊烷、全氟丁烷、环丁烷、丁烯、1-丁烯、异丁烯、3-甲基-1-丁烯、顺式-2-丁烯、R1336mzzZ，或是由上述物质中的任意两种物质组成的混合物，或是由上述物质中的多种物质组成的混合物，摩尔浓度范围5～45％；
第二组：丙烷、丙烯、环丙烷、全氟丙烷、氟乙烷、丙二烯、二氟甲烷、1,1-二氟乙烷，或是由上述物质中的任意两种物质组成的混合物，或是由上述物质中的多种物质组成的混合物，摩尔浓度范围5～45％；
第三组：乙烷、乙烯、三氟甲烷、氟代甲烷、全氟乙烯，或是由上述物质中的任意两种物质组成的混合物，或是由上述物质中的多种物质组成的混合物，摩尔浓度范围5～45％；
第四组：四氟甲烷，摩尔浓度范围5～45％；
第五组：甲烷，摩尔浓度范围5～45％；
第六组：氮气、氩气，或其混合物，摩尔浓度范围10～45％；
第七组：氖气，摩尔浓度范围0～20％。
本发明提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，提供一种多压力级混合工质深冷节流制冷系统，前级压缩冷却后经分离器分离的液相混合冷剂不再经过后级压缩，可减少整体压缩功耗，同时可大幅降低低温级换热器换热面积，能够实现回热换热器中热当量的匹配及更好利用多级压缩机提供的多个压力级，可满足各种深冷需求场合，如气体液化，特别是天然气液化、空气分离、化工尾气液化回收、煤层气液化等；本发明提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，采用普冷温区商业压缩机，相对于传统高压制冷循环，大幅降低成本，且相对于低压制冷循环，本发明提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，低温级蒸发器制冷剂压力提高，单位冷剂液化能力显著增强。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
实施例1：一种带预冷的五级压缩混合工质制冷流程
参见图2、3、4，三者组合提供一种带预冷的回热预冷单元为多换热器的五级压缩混合工质制冷流程，用于65K温区制冷，多级压缩机组单元(MCU)包括5个压缩机模块，级间冷却器(ACC)采用空气冷却+丙烷预冷(PRC)，回热单元(MRU)由5个压力级子模块构成。
制冷剂采用由氖气、氮、氩气、甲烷、四氟甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、异丁烷9种组元组成的混合工质，65K低温制冷；环境温度300K，混合制冷剂组成及运行压力参数为：
实施例2：一种带预冷的四级压缩混合工质制冷流程
参见图2、3、4，三者组合提供一种带预冷的回热预冷单元为多换热器的四级压缩混合工质制冷流程，用于80K温区制冷，多级压缩机组单元(MCU)包括4个压缩机模块，级间冷却器(ACC)采用空气冷却+混合工质(R290+R152a+CF3I)预冷(PRC)，回热单元(MRU)由4个压力级子模块构成。
制冷剂采用由氖气、氮、氩气、甲烷、四氟甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、异丁烷9种组元组成的混合工质，80K低温制冷；环境温度300K，混合制冷剂组成及运行压力参数为：
实施例3：一种空气冷却的二级压缩混合工质液化流程
参见图6，本发明提供的一种空气冷却二级压缩混合工质制冷流程，用于110K温区气体液化，多级压缩机组单元(MCU)包括2个压缩机模块，级间冷却器(ACC)采用空气冷却，回热单元(MRU)由2个压力级子模块构成，液化气分离罐(NGSP)设置2个。
制冷剂采用由氮、甲烷、四氟甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷和异戊烷7种组元组成的混合工质，用于天然气液化系统制冷；原料气为经前脱水脱硫脱碳的常规天然气，其甲烷含量为90％、重烃含量为8％、其余物质含量2％(体积分数)，常压沸点112K，环境温度300K。混合制冷剂组成及运行压力参数为：
实施例4：一种带预冷的二级压缩混合工质液化流程
参见图7，本发明提供的一种带预冷的回热预冷单元为多换热器的二级压缩混合工质制冷流程，用于110K温区制冷，多级压缩机组单元(MCU)包括2个压缩机模块，级间冷却器(ACC)采用空气冷却+丙烷预冷，回热单元(MRU)由2个压力级子模块构成，BOG气体冷量回收，液化气分离罐(NGSP)设置2个。
制冷剂采用由氖气、氮、甲烷、四氟甲烷、乙烯、丙烷、异丁烷7种组元组成的混合工质，用于天然气液化系统制冷；原料气为经前脱水脱硫脱碳的常规天然气，其甲烷含量为93％、重烃含量为5％、其余物质含量2％(体积分数)，常压沸点112K，环境温度300K。混合制冷剂组成及运行压力参数为：
实施例5：一种空气预冷的三级压缩混合工质液化流程
参见图8，本发明提供的一种空气冷却的三级压缩混合工质制冷流程，用于110K温区制冷，多级压缩机组单元(MCU)包括3个压缩机模块，级间冷却器(ACC)采用空气冷却，回热预冷单元(MRU)由3个压力级子模块构成，BOG气体冷量回收，液化气分离罐(NGSP)设置3个。
制冷剂采用由氖气、氮、甲烷、四氟甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、异丁烷和R1336mzzZ 10种组元组成的混合工质，用于天然气液化系统制冷；原料气为经前脱水脱硫脱碳的常规天然气，其甲烷含量为90％、重烃含量为8％、其余物质含量2％(体积分数)，常压沸点112K，环境温度300K。混合制冷剂组成及运行压力参数为：
实施例6：一种带预冷的三级压缩混合工质液化流程
参见图9，本发明提供的一种带预冷的三级压缩混合工质液化流程，用于110K温区气体液化，多级压缩机组单元(MCU)包括3个压缩机模块，级间冷却器(ACC)采用空气冷却+混合工质(R290+R152a+CF3I)预冷(PRC)，回热单元(MRU)由3个压力级子模块构成，BOG气体冷量回收，液化气分离罐(NGSP)设置2个。
制冷剂采用由氖气、氮、甲烷、四氟甲烷、乙烯、丙烷、异丁烷7种组元组成的混合工质，用于天然气液化系统制冷；原料气为经前脱水脱硫脱碳的常规天然气，其甲烷含量为93.0％、重烃含量为5％、其余物质含量2％(体积分数)，常压沸点112K，环境温度300K。混合制冷剂组成及运行压力参数为：
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多级压缩混合工质制冷/液化系统，其特征在于，包括：多级压缩机单元、回热单元、蒸发器单元，所述多级压缩机单元的高压制冷剂出口连接所述回热单元的制冷剂高压入口，所述回热单元的制冷剂高压出口连接所述蒸发器单元的高压入口，所述蒸发器单元的低压出口连接所述回热单元的制冷剂低压入口，所述回热单元的制冷剂低压出口连接所述多级压缩机单元的低压制冷剂入口；其中：
所述多级压缩机单元包括第一子压缩机模块、第二子压缩机模块……及第N子压缩机模块，N为大于或等于2的自然数，所述第一子压缩机模块包括第一级压缩机模块、第一级级间冷却器和第一级气液分离器，所述第二子压缩机模块包括第二级压缩机模块、第二级级间冷却器和第二级气液分离器，所述第N子压缩机模块包括第N级压缩机模块、第N级级间冷却器和第N级气液分离器，所述第一级压缩机模块的高压出口连接第一级级间冷却器的高压入口、所述第一级级间冷却器的高压出口连接第一级气液分离器的入口，所述第一级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第一压力级高压液相入口，所述第一级气液分离器的气相出口连接所述第二级压缩机模块的吸气口；第二级压缩机模块的高压出口连接所述第二级级间冷却器的高压入口、所述第二级级间冷却器的高压出口连接所述第二级气液分离器的入口，所述第二级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第二级高压液相入口，所述第二级气液分离器的气相出口连接下一级压缩机模块的吸气口；以此类推，第i级压缩机模块的高压出口连接第i级级间冷却器的高压入口，第i级级间冷却器的高压出口连接第i级气液分离器的入口，第i级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第i压力级高压液相入口，第i级气液分离器的气相出口进入所述回热单元形成第i压力级高压气相入口；
所述回热单元包括主换热器及N个压力级子模块构成，所述N＝1,2，···，i-1，i,···，N；第i压力级子模块包括：一个第i级节流元件和一个第i级回热换热器，第i压力级子模块的出口连接第i-1级回热换热器的第i压力级入口，第i-1级回热换热器的第i压力级出口连接下一级压力级子模块的第i压力级入口；第i级压力级子模块中第N-i级高压入口经第i级回热换热器的出口连接第i级节流元件并与第i-1级回热换热器返流入口汇合，进入第i级回热换热器形成第i级回热换热器返流，形成上一级回热换热器返流入口；且相邻2级回热换热器第i级和第i-1级，后一级回热换热器比前一级回热换热器的流道少一；
所述蒸发器单元包括：主节流元件及蒸发器，所述回热单元的主换热器的出口连接所述主节流元件的高压入口，所述主节流元件的低压出口连接蒸发器的制冷剂入口，蒸发器的制冷剂出口连接所述回热单元的主换热器的入口。
2.根据权利要求1所述的多级压缩混合工质制冷/液化系统，其特征在于，还包括气体液化单元，所述气体液化单元包括若干个气液分离罐及其连接管路；
原料气连接第N级压力级子模块中第N级回热换热器进入第N级气液分离罐，第N级气液分离罐的液相出口为第N级分离的液相重烃，第N级气体分离罐的气相出口连接下一级压力级子模块的原料气入口，依次类推，第2级压力级子模块中第2级回热换热器进入第2级气体分离罐，第2级气体分离罐液相出口为第2级分离的液相重烃，第2级气体分离罐的气相出口连接第1级压力级子模块的原料气入口，经第1级回热换热器预冷直接流入蒸发器单元。
3.根据权利要求1所述的多级压缩混合工质制冷/液化系统，其特征在于，所述级间冷却器由顺次连接的冷却器和预冷器组成，所述预冷器由预冷模块提供冷量，所述预冷模块为单压缩机蒸汽压缩式制冷或混合工质制冷。
4.根据权利要求1所述的多级压缩混合工质制冷/液化系统，其特征在于，所述第i级回热换热器有i+3个流体通道，包括i个不同压力级别的高压制冷剂液相通道，1个第i级高压制冷剂气相通道，1个低压制冷剂回气通道和1个气体液化预冷通道。
5.根据权利要求1所述的多级压缩混合工质制冷/液化系统，其特征在于，所述第i级回热换热器有i+2个流体通道，包括i个不同压力级别的高压制冷剂液相通道，1个第i级高压制冷剂气相通道和1个低压制冷剂回气通道。
6.根据权利要求1所述的多级压缩混合工质制冷/液化系统，其特征在于，所述多级压缩机组单元包括2～6个子压缩机组模块。
7.根据权利要求2所述的多级压缩混合工质制冷/液化系统，其特征在于，所述气体液化单元的BOG可在回热单元各回热换热器中返流依次回收。
8.根据权利要求1所述的多级压缩混合工质制冷/液化系统，其特征在于，所述制冷剂为多元混合制冷剂，所述制冷剂由7组物质构成，具体如下：
第一组：异戊烷、正戊烷、异丁烷、正丁烷、全氟戊烷、全氟丁烷、环丁烷、丁烯、1-丁烯、异丁烯、3-甲基-1-丁烯、顺式-2-丁烯、R1336mzzZ，或是由上述物质中的任意两种物质组成的混合物，或是由上述物质中的多种物质组成的混合物，摩尔浓度范围5～45％；
第二组：丙烷、丙烯、环丙烷、全氟丙烷、氟乙烷、丙二烯、二氟甲烷、1,1-二氟乙烷，或是由上述物质中的任意两种物质组成的混合物，或是由上述物质中的多种物质组成的混合物，摩尔浓度范围5～45％；
第三组：乙烷、乙烯、三氟甲烷、氟代甲烷、全氟乙烯，或是由上述物质中的任意两种物质组成的混合物，或是由上述物质中的多种物质组成的混合物，摩尔浓度范围5～45％；
第四组：四氟甲烷，摩尔浓度范围5～45％；
第五组：甲烷，摩尔浓度范围5～45％；
第六组：氮气、氩气，或其混合物，摩尔浓度范围10～45％；
第七组：氖气，摩尔浓度范围0～20％。
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