CN111322830A - 混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置，包括高温制冷剂冷却模块、热能回收模块、原料气冷却模块和高压制冷剂冷却模块；高温制冷剂冷却模块用于通过中温热水将混合制冷剂进行冷却，输出常温高压制冷剂；热能回收模块用于回收热量，输出冷冻水和中温热水；原料气冷却模块用于输入原料气和冷冻水并将原料气进行换热降温；高压制冷剂冷却模块用于将冷冻水与常温高压气相制冷剂进行换热降温得到制冷后的高压制冷剂，并进行冷量平衡输出后液化天然气。本发明通过有效的冷热量转化和匹配，能有效的回收工艺气余热中的高品位部分，大幅降低液化装置的压缩功耗和分子筛系统的吸附再生能耗，提高装置的能源效率。

Description

混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置
技术领域
本发明属于天然气液化和焦炉气深冷分离领域，具体涉及一种混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置。
背景技术
近年来过高的煤炭消费量导致环境污染日益严重，使用天然气等清洁能源逐步代替煤炭是改善环境质量的有力举措之一。进入2017年之后，受到全国自上而下“煤改气”政策的推动，国内天然气消费量大幅增长，2018年更是达到了2803亿m3。LNG(液化天然气)作为天然气的一种有效补充，在生产过程中需要将焦炉煤气、煤层气、天然气等原料进行充分净化、循环制冷分离制得LNG产品。
在LNG生产过程中，制冷液化所需的能量几乎占了整个装置的70％～85％，制冷剂压缩过程中会产生大量的余热被废弃掉，这些热量排放入空气中不仅无法产生有效价值还需要额外花费能源(闭式循环水冷或空冷)进行降温。当进入制冷剂压缩机的气体温度越高，制冷压缩机功耗也越大，排放出的气体温度也越高，这将对生产造成很大的影响。实际生产中，主要采用循环水冷却，不仅消耗大量的循环水和动力，而且造成余热能、水资源的大量浪费和对环境的污染，这是造成当前能源效率低下的一项重要原因。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置，用以解决现有技术中的LNG生产过程中资源浪费且能量损失严重的问题。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置，包括高温制冷剂冷却模块、热能回收模块、原料气冷却模块和高压制冷剂冷却模块；
所述高温制冷剂冷却模块用于通过中温热水将混合制冷剂进行冷却，输出常温高压制冷剂，所述高温制冷剂冷却模块内还包含气液分离单元，所述气液分离单元用于将高温制冷剂冷却模块输出的常温高压制冷剂分离为常温高压液相制冷剂和常温高压气相制冷剂，所述混合制冷剂包括压缩机压缩后的高温高压制冷剂和高压制冷剂冷却模块得到的低压气相制冷剂；
所述热能回收模块用于回收原料气冷却模块换热过后冷冻水的冷量、高压制冷剂冷却模块换热过后冷冻水的冷量和高温制冷剂冷却模块中换热过后高温热水的热量，输出冷冻水和中温热水；
所述原料气冷却模块用于输入原料气并将热能回收模块产生的冷冻水和原料气进行换热降温，得到制冷后的原料气；
所述高压制冷剂冷却模块用于将热能回收模块产生的冷冻水与高温制冷剂冷却模块获得的常温高压气相制冷剂进行换热降温得到制冷后的高压制冷剂，并将原料气冷却模块产生的制冷后的原料气和制冷后的高压制冷剂进行冷量平衡，节流得到低压气相制冷剂和液化天然气，输出液化天然气。
进一步的，所述高温制冷剂冷却模块包括第一混合冷剂压缩机和第二混合冷剂压缩机，所述第一混合冷剂压缩机的输出端依次连接第一热水换热器和第一冷却水换热器，所述第二混合冷剂压缩机的输入端连接第一冷却水换热器，所述第二混合冷剂压缩机的输出端依次连接第二热水换热器和第二冷却水换热器。
更进一步的，所述气液分离单元包括设置在第一冷却水换热器与第二混合冷剂压缩机之间的第一气液分离器，还包括设置在第二冷却水换热器与高压制冷剂冷却模块之间的第二气液分离器。
更进一步的，所述热能回收模块包括溴化锂制冷机组、热水循环泵和冷冻水循环泵，所述热水循环泵设置在溴化锂制冷机组的输入端，所述冷冻水循环泵设置在溴化锂制冷机组的输出端；
更进一步的，所述原料气冷却模块包括依次连接的第一冷却器和分子筛系统，所述第一冷却器的输入端连接热能回收模块的输出端和原料天然气进料端，所述分子筛系统的输出端分别连接冷冻水循环泵和高压制冷剂冷却模块。
更进一步的，所述高压制冷剂冷却模块包括第二冷却器、铝制板翅式换热器和原料气重烃分离器；
所述第二冷却器的输入端分别连接第二气液分离器和溴化锂制冷机组的输出端，所述第二冷却器的输出端分别连接冷冻水循环泵和铝制板翅式换热器；
所述铝制板翅式换热器的输入端分别连接第二冷却器、分子筛系统和第二气液分离器，所述铝制板翅式换热器的输出端分别连接原料气重烃分离器、第一混合冷剂压缩机和液化天然气输出端口。
进一步的，所述换温热水包括两种温度，在第一热水换热器和第二热水换热器处采用65～80℃的热水，在第一冷却水换热器和第二冷却水换热器处采用32℃的常温冷却水。
进一步的，各个模块与模块之间和模块内部的热水连接管路采用保温材料、冷冻水和低温制冷剂等连接管路采用保冷材料。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点：
(1)本发明将混合冷剂压缩机组的压缩余热经过合理的回收和转化用于现有的天然气液化制冷领域，不但将混合冷剂压缩机组的余热等能量得到了利用，同时也节约了天然气液化制冷所需的混合制冷剂循环压缩所消耗的能量。
(2)本发明将压缩机的工艺气余热通过两台小压差换热器交换后提供给热水型吸收式溴化锂制冷机组，吸热式冷水机组制取冷冻水后又提供给高压气相制冷剂换热器和原料气分子筛脱水前冷却器进行制冷，制冷后的制冷剂和原料气在铝制板翅式换热器中冷量平衡时又会进一步减少混合冷剂压缩机组的驱动功耗，一方面将压缩机的压缩后的高温工艺气进行了降温，避免高温工艺气直接冷却需要消耗大量的循环冷却水，另一方面将吸收的高温气体的能量用于驱动吸热式冷水机组，这种冷热联供的方式，节约了大量制冷动力，节约了工业成本。
(3)本发明在原料气分子筛脱水前冷却器中对原料气进行制冷，降低原料气进分子筛系统的含水量，提高分子筛系统的吸附效果、有效降低分子筛的再生能耗基础上，可整体延长装置分子筛吸附剂的使用周期，降低装置的运营消耗，进一步提高装置的技术装备水平。
附图说明
图1是本发明的各模块连接示意图；
图2是本发明的装置连接示意图。
附图中各个标号含义：101-混合冷剂压缩机组，102-第一热水换热器，103-第一冷却水换热器，104-第一气液分离器，105-第一热水换热器，106-第二冷却水换热器，107-第二气液分离器，108-第一冷却器，109-第二冷却器，110-铝制板翅式换热器，111-原料气重烃分离器，112-溴化锂制冷机组，113-热水循环泵，114-冷冻水循环泵；101-1-第一混合制冷剂压缩机，101-2-第二混合制冷剂压缩机。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
一种混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置，包括高温制冷剂冷却模块、热能回收模块、原料气冷却模块和高压制冷剂冷却模块；
高温制冷剂冷却模块用于通过中温热水将混合制冷剂进行冷却，输出常温高压制冷剂；其作用为：将压缩机压缩后的高压高温制冷剂冷却到常温以进行下一级压缩或外输系统，达到提高压缩过程压缩效率的目的。
高温制冷剂冷却模块内还包含气液分离单元，气液分离单元用于将高温制冷剂冷却模块输出的常温高压制冷剂分离为常温高压液相制冷剂和常温高压气相制冷剂，混合制冷剂包括压缩机压缩后的高温高压制冷剂和高压制冷剂冷却模块在铝制板翅式换热器制冷节流得到的低压气相制冷剂；其作用为：将来自铝制板翅式换热器的常温混合冷剂或压缩机压缩后冷却的高压混合冷剂中可能携带的高沸点凝液进行分离，达到保护压缩机组和管道系统稳定输送的目的；
热能回收模块用于回收原料气冷却模块换热过后冷冻水的冷量、高压制冷剂冷却模块换热过后冷冻水的冷量和高温制冷剂冷却模块中换热过后高温热水的热量，输出冷冻水和中温热水；
其作用为：将高温制冷剂与中温热水的热水换热器中取热得到的高温热水输入到溴化锂机组，达到用废热能制取冷能的目的；
原料气冷却模块用于输入原料气并将热能回收模块产生的冷冻水和原料气进行换热降温，得到制冷后的原料气；
其作用为：将系统产生的冷冻水与分子筛前的原料气进行冷却降温，以去除原料气中的饱和水，降低原料气进分子筛系统的含水量，达到降低分子筛系统的脱水负荷和再生负荷的目的；
高压制冷剂冷却模块用于将热能回收模块产生的冷冻水与高温制冷剂冷却模块获得的常温高压气相制冷剂进行换热降温得到制冷后的高压制冷剂，并将原料气冷却模块产生的制冷后的原料气和制冷后的高压制冷剂进行冷量平衡，节流得到低压气相制冷剂和液化天然气，输出液化天然气；
其作用为：将系统产生的冷冻水与常温高压气相冷剂进行换热，达到降低高压气相冷剂的温度和铝制板翅式换热器冷却原料气所需的冷量的目的。
具体的，高温制冷剂冷却模块包括第一混合冷剂压缩机101-1和第二混合冷剂压缩机101-2，第一混合冷剂压缩机101-1的输出端依次连接第一热水换热器102和第一冷却水换热器103，第二混合冷剂压缩机101-2的输入端连接第一冷却水换热器103，第二混合冷剂压缩机101-2的输出端依次连接第二热水换热器105和第二冷却水换热器106。
具体的，气液分离单元包括设置在第一冷却水换热器103与第二混合冷剂压缩机101-2之间的第一气液分离器104，还包括设置在第二冷却水换热器106与高压制冷剂冷却模块之间的第二气液分离器107。
具体的，热能回收模块包括溴化锂制冷机组112、热水循环泵113和冷冻水循环泵114，热水循环泵113设置在溴化锂制冷机组112的输入端，冷冻水循环泵114设置在溴化锂制冷机组112的输出端；
具体的，原料气冷却模块包括依次连接的第一冷却器109和分子筛系统，第一冷却器109的输入端连接热能回收模块的输出端和原料天然气进料端，分子筛系统的输出端分别连接冷冻水循环泵114和高压制冷剂冷却模块。
具体的，高压制冷剂冷却模块包括第二冷却器108、铝制板翅式换热器110和原料气重烃分离器111；
第二冷却器108的输入端分别连接第二气液分离器107和溴化锂制冷机组112的输出端，第二冷却器108的输出端分别连接冷冻水循环泵114和铝制板翅式换热器110；
铝制板翅式换热器110的输入端分别连接第二冷却器108、分子筛系统和第二气液分离器107，铝制板翅式换热器110的输出端分别连接原料气重烃分离器111、第一混合冷剂压缩机101-1和液化天然气输出端口。
优选的，换温热水包括两种温度，在第一热水换热器102和第二热水换热器105处采用65～80℃的热水，在第一冷却水换热器103和第二冷却水换热器106处采用32℃的常温冷却水。换温热水是一种热水介质，补水来自于常温软水，经过相连的水泵升压和系统升温后进入每级压缩机的小压差换热器与高温制冷剂气体换热，并将换热后升高温度的水通过管道及控制阀送入的溴化锂制冷机组，产生的冷冻水通过管道及控制阀分别连通分子筛系统前的脱水冷却器和高压气相制冷剂换热器，高压气相制冷剂换热器和分子筛系统的脱水冷却器为小压差换热器，提供冷量后再返回溴化锂机组进行循环制冷。
具体的，各个模块与模块之间和模块内部的热水连接管路采用保温材料、冷冻水和低温制冷剂等连接管路采用保冷材料，降低系统热损失和冷损失，提高能量利用效率。
具体的，铝制板翅式换热器制冷系统将高压气相制冷剂和高压液相制冷剂自身进一步冷却、节流、并提供原料气液化冷却成LNG时所需要的冷量，提供冷量后复热的低压混合冷剂混合后再循环送至混合冷剂压缩机组C301的入口进行循环。
本发明的工作流程为：压缩机的高温冷剂工艺气通过级间冷却、末级冷却E-303时首先采用小压差换热器和65℃～80℃热水进行换热取热并将工艺气本身降低温度，然后取热后的工艺气继续采取常规循环冷却水换热器进行冷却。通过小压差换热器取热后的热水被加热到75℃～90℃，高温热水汇集后进入热水型吸收式溴化锂制冷机组提供热源制备7℃～15℃冷冻水，高温热水在溴化锂机组中提供热量后温度降低至65℃～80℃，再次返回至压缩机的级间、末级小压差换热器中进行循环连续取热。溴化锂机组制备的7℃～15℃冷冻水分别送至高压气相制冷剂换热器、原料气分子筛脱水前冷却器进行高压气相制冷剂和原料气的冷却，冷却后的高压气相制冷剂和原料气分别通过不同的流道进入铝制板翅式换热器中，经系统冷量平衡后，低压气相冷剂再返回混合冷剂压缩机组入口，制冷后的制冷剂和原料气在铝制板翅式换热器中冷量平衡时会大幅减少混合冷剂压缩机组的驱动功耗。
本发明通过混合冷剂压缩机级间及末级排出的高温冷剂工艺气体经过多级换热装置将温度降低到40℃，其中将高温冷剂工艺气体中的高品位热量(≥75℃)进行回收利用，然后将该高品位热量转化为高温热水(75℃～90℃)进行冷冻水制取，高温热水提供热量后变为中温热水(65℃～80℃)后再送至热水泵和换热器进行循环升温。整个热水循环系统管路采用保温材料进行保温，降低系统热损失，提高热能利用效率。这样既将混合冷剂压缩机排出的高温气体进行了余热回收利用，同时循环热水的使用也节约了循环冷却水的使用量，降低了整个装置的循环冷却水电耗和处理量，节约了大量的循环水和动力资源。
实施例
以某LNG液化工厂的100万方/天LNG液化装置为例：
序号 设备项目 数量(台) 总功率(kW)
1 原原料气压缩机组 1 2000
2 原混合冷剂压缩机组 1 13500
3 原脱水分子筛加热器 1 600
4 新增溴化锂机组 1 10
5 新增热水循环泵 2 45
6 新增冷冻水循环泵 2 70
使用Aspen软件对混合冷剂压缩机组高温工艺气余热的热工数据进行数值模拟计算和换热器选型计算，如图1所示，通过分析计算得到系统平衡后可利用的余热总量，以及各个模块的具体参数。
100万方/天LNG液化装置在当前运行基础上可总体节能625～850kw。其中采取小压差换热器通过中温热水从压缩机组冷却器中提取余热制取高温热水，高温热水通过溴化锂机组制取冷冻水后，通过不同冷却器再将冷量传给高压气相制冷剂和原料气，通过铝制板翅式换热器进行冷量平衡后，可有效降低混合冷剂压缩机组电耗约650～900kw；新增设备将增加循环水泵等电耗约125kw；将低温余热用于分子筛前原料气脱水后，能大幅提高分子筛系统的吸附效果、并有效降低分子筛的再生能耗15～20％，约110kw。
本发明实施后，在提高分子筛系统的吸附效果后，可同时在当前运行基础上延长装置分子筛吸附剂的使用周期，降低装置的运营消耗，进一步提高装置的技术装备水平。

Claims (8)

1.混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置，其特征在于，包括高温制冷剂冷却模块、热能回收模块、原料气冷却模块和高压制冷剂冷却模块；
所述高温制冷剂冷却模块用于通过中温热水将混合制冷剂进行冷却，输出常温高压制冷剂，所述高温制冷剂冷却模块内还包含气液分离单元，所述气液分离单元用于将高温制冷剂冷却模块输出的常温高压制冷剂分离为常温高压液相制冷剂和常温高压气相制冷剂，所述混合制冷剂包括压缩机压缩后的高温高压制冷剂和高压制冷剂冷却模块在铝制板翅式换热器制冷节流得到的低压气相制冷剂；
所述热能回收模块用于回收原料气冷却模块换热过后冷冻水的冷量、高压制冷剂冷却模块换热过后冷冻水的冷量和高温制冷剂冷却模块中换热过后高温热水的热量，输出冷冻水和中温热水；
所述原料气冷却模块用于输入原料气并将热能回收模块产生的冷冻水和原料气进行换热降温，得到制冷后的原料气；
所述高压制冷剂冷却模块用于将热能回收模块产生的冷冻水与高温制冷剂冷却模块获得的常温高压气相制冷剂进行换热降温得到制冷后的高压制冷剂，并将原料气冷却模块产生的制冷后的原料气和制冷后的高压制冷剂进行冷量平衡，节流得到低压气相制冷剂和液化天然气，输出液化天然气。
2.如权利要求1所述的混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置，其特征在于，所述高温制冷剂冷却模块包括第一混合冷剂压缩机(101-1)和第二混合冷剂压缩机(101-2)，所述第一混合冷剂压缩机(101-1)的输出端依次连接第一热水换热器(102)和第一冷却水换热器(103)，所述第二混合冷剂压缩机(101-2)的输入端连接第一冷却水换热器(103)，所述第二混合冷剂压缩机(101-2)的输出端依次连接第二热水换热器(105)和第二冷却水换热器(106)。
3.如权利要求2所述的混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置，其特征在于，所述气液分离单元包括设置在第一冷却水换热器(103)与第二混合冷剂压缩机(101-2)之间的第一气液分离器(104)，还包括设置在第二冷却水换热器(106)与高压制冷剂冷却模块之间的第二气液分离器(107)。
4.如权利要求3所述的混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置，其特征在于，所述热能回收模块包括溴化锂制冷机组(112)、热水循环泵(113)和冷冻水循环泵(114)，所述热水循环泵(113)设置在溴化锂制冷机组(112)的输入端，所述冷冻水循环泵(114)设置在溴化锂制冷机组(112)的输出端。
5.如权利要求4所述的混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置，其特征在于，所述原料气冷却模块包括依次连接的第一冷却器(109)和分子筛系统，所述第一冷却器(109)的输入端连接热能回收模块的输出端和原料天然气进料端，所述分子筛系统的输出端分别连接冷冻水循环泵(114)和高压制冷剂冷却模块。
6.如权利要求5所述的混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置，其特征在于，所述高压制冷剂冷却模块包括第二冷却器(108)、铝制板翅式换热器(110)和原料气重烃分离器(111)；
所述第二冷却器(108)的输入端分别连接第二气液分离器(107)和溴化锂制冷机组(112)的输出端，所述第二冷却器(108)的输出端分别连接冷冻水循环泵(114)和铝制板翅式换热器(110)；
所述铝制板翅式换热器(110)的输入端分别连接第二冷却器(108)、分子筛系统和第二气液分离器(107)，所述铝制板翅式换热器(110)的输出端分别连接原料气重烃分离器(111)、第一混合冷剂压缩机(101-1)和液化天然气输出端口。
7.如权利要求2所述的混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置，其特征在于，所述换温热水包括两种温度，在第一热水换热器(102)和第二热水换热器(105)处采用65～80℃的热水，在第一冷却水换热器(103)和第二冷却水换热器(106)处采用32℃的常温冷却水。
8.如权利要求1所述的混合制冷剂压缩机组余热利用及循环制冷装置，其特征在于，各个模块与模块之间和模块内部的热水连接管路采用保温材料、冷冻水和低温制冷剂等连接管路采用保冷材料。
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