CN114413573A - 基于绕管式换热器的天然气液化系统及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于绕管式换热器的天然气液化系统及工艺，涉及天然气液化技术领域。该系统包括液化装置和重烃脱除装置。液化装置包括预冷板翅式换热器、液化绕管式换热器和过冷绕管式换热器。重烃脱除装置包括重烃洗涤塔。在基于绕管式换热器的天然气液化系统中，同时使用板翅式换热器和绕管式换热器，以结合二者的特点，扬长避短。该工艺包括如下过程：先将气相净化天然气在预冷板翅式换热器中冷却至‑11℃~‑15℃后，送入重烃洗涤塔中脱除重烃。脱除重烃的气相净化天然气返回至预冷板翅式换热器中，并被冷却至‑50~‑60℃后再进入重烃分离器，重烃分离器中的气相天然气依次经过液化绕管式换热器和过冷绕管式换热器，被冷却至‑160℃左右后，再节流进入LNG储罐。

Description

基于绕管式换热器的天然气液化系统及工艺
技术领域
本发明涉及天然气液化技术领域，尤其是涉及一种基于绕管式换热器的天然气液化系统及工艺。
背景技术
天然气液化流程可分为阶式流程、氮膨胀流程、氮-甲烷膨胀流程和混合冷剂液化流程。混合冷剂液化流程即利用混合冷剂制冷使天然气液化的流程，混合冷剂流程按照循环数目和冷剂特点，又分为单循环（SMR）、双循环（DMR）、丙烷预冷的混合冷剂循环（C3MR）等多种流程。常规的单一混合冷剂液化流程的主换热器一般全部采用板翅式换热器或绕管式换热器。
对于绕管式换热器而言，其优点在于，主换热器可实现大型化设计、可承受高压、流体分配均匀、变工况适应性强，但受限于其结构，对于有多抽口的流程，绕管需要分成多段实现，这使得整体系统配管的结构较为复杂；对于板翅式换热器而言，其优点在于，可以灵活设置抽口，但受限于板束体的尺寸，一定规模的天然气液化装置需要多台板翅式换热器并联，冷箱配管复杂且易造成流体分布不均、变工况不稳定等问题。
因此，对于常规的单一混合冷剂液化工艺，主换热器单一的采用板翅式换热器或绕管式换热器并不是最优的方案。
发明内容
针对上述情况，本发明提供一种基于绕管式换热器的天然气液化系统，其同时使用板翅式换热器和绕管式换热器，以结合二者的特点，扬长避短。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种基于绕管式换热器的天然气液化工艺，其采用本发明提供的基于绕管式换热器的天然气液化系统获得液化天然气。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于绕管式换热器的天然气液化系统，主要可以包括液化装置和重烃脱除装置。
所述液化装置包括依次连接的预冷段、液化段和过冷段；所述预冷段设置有预冷板翅式换热器，所述预冷板翅式换热器具有第一板翅式通道；所述液化段设置有液化绕管式换热器，所述液化绕管式换热器具有第一液化管程通道；所述过冷段设置有过冷绕管式换热器，所述过冷绕管式换热器具有第一过冷管程通道；
所述重烃脱除装置包括重烃洗涤塔，所述重烃洗涤塔上部的气相出口与所述第一板翅式通道的抽口连接；
气相净化天然气进入所述预冷板翅式换热器后，先经过所述重烃洗涤塔，再依次经过所述第一板翅式通道、所述第一液化管程通道和所述第一过冷管程通道后，得到液化天然气。
在本发明的一些实施例中，所述预冷板翅式换热器连接有重烃分离器；所述重烃分离器的进口与所述第一板翅式通道出口连接，所述重烃分离器上部的气相出口与所述第一液化管程通道的入口连接。
在本发明的一些实施例中，所述重烃分离器的下部液相出口通过重烃泵与所述重烃洗涤塔连通。
在本发明的一些实施例中，所述液化绕管式换热器具有第二液化管程通道和第三液化管程通道；所述预冷板翅式换热器和液化绕管式换热器之间设置有高压冷剂分离器，所述高压冷剂分离器的上部连接有第一气相冷剂导出管，下部连接有第一液相冷剂导出管；所述第一液相冷剂导出管与所述第二液化管程通道的进口相连；所述第一液相冷剂导出管与所述第三液化管程通道的进口连接。
在本发明的一些实施例中，所述第二液化管程通道的出口与所述液化绕管式换热器的壳程进口连接。
在本发明的一些实施例中，所述过冷绕管式换热器具有第二过冷管程通道，所述第三液化管程通道的出口与所述第二过冷管程通道的进口连接，所述第二过冷管程通道的出口与所述过冷绕管式换热器的壳程进口连接。
在本发明的一些实施例中，所述过冷绕管式换热器的壳程与所述液化绕管式换热器的壳程连通；所述预冷板翅式换热器具有第二板翅式通道；所述液化绕管式换热器的壳程出口通过冷剂返流管连接所述第二板翅式通道，所述第二板翅式通道的出口连接有冷剂压缩机。
在本发明的一些实施例中，所述冷剂压缩机连接有冷剂压缩机末级分离器，所述冷剂压缩机末级分离器的上部连接有第二气相冷剂导出管，下部连接有第二液相冷剂导出管；所述预冷板翅式换热器具有第三板翅式通道和第四板翅式通道；所述第二液相冷剂导出管与所述第四板翅式通道进口连接；所述第二气相冷剂导出管与所述第三板翅式通道的进口连接，所述第三板翅式通道的出口与所述高压冷剂分离器的进口连通。
在本发明的一些实施例中，所述第四板翅式通道的出口与所述冷剂返流管连通。
一种基于绕管式换热器的天然气液化工艺，采用上述的基于绕管式换热器的天然气液化系统，并包括如下步骤：
步骤一：对原料天然气进行预处理，以得到温度为20~36℃，气压为4.0~5.0MPa的气相净化天然气；
步骤二：先将气相净化天然气在预冷板翅式换热器中冷却至-11℃~-15℃后，再送入所述重烃洗涤塔中脱除重烃；
步骤三：脱除重烃的气相净化天然气返回至所述预冷板翅式换热器中，并被冷却至-50~-60℃后再进入所述重烃分离器，所述重烃分离器中的气相天然气依次经过所述液化绕管式换热器和所述过冷绕管式换热器后，被冷却至-160左右℃后，再节流进入LNG储罐。
本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：
1.气相净化天然气依次经过预冷板翅式换热器，经重烃洗涤系统脱除重烃后，进入液化绕管式换热器和过冷绕管式换热器后得到液化天然气，再将液化天然气输送至储罐储存。
2.对于重组份含量较高的天然气液化流程，需要设置重烃洗涤系统以脱除天然气中的重烃。因此，在需要设置抽口的预冷段配置预冷板翅式换热器，可灵活地设置抽口。在液化段和过冷段配置绕管式换热器，使得在液化段和过冷段处无需并联多台板翅式换热器，以简化配管，使流体分配更为均匀。如此，便能在基于绕管式换热器的天然气液化系统中，通过同时使用板翅式换热器和绕管式换热器，结合二者的特点，以扬长避短。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明或本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于绕管式换热器的天然气液化系统的结构示意图。
图标：
E01-预冷板翅式换热器，E011-第一板翅式通道，E012-第二板翅式通道，E013-第三板翅式通道，E014-第四板翅式通道，
E02-液化绕管式换热器，E021-第一液化管程通道，E022-第二液化管程通道，E023-第三液化管程通道，
E03-过冷绕管式换热器，E031-第一过冷管程通道，E032-第二过冷管程通道，
T01-重烃洗涤塔，P01-重烃泵，S01-重烃分离器，
S02-高压冷剂分离器，
S03-冷剂压缩机末级分离器，
C01-冷剂压缩机，
V02-二级节流阀，V03-三级节流阀，V01-一级节流阀，
G01-第一气相冷剂导出管，G02-第一液相冷剂导出管，
G03-冷剂返流管，
G04-第二气相冷剂导出管，G05-第二液相冷剂导出管。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例
天然气液化流程可分为阶式流程、氮膨胀流程、氮-甲烷膨胀流程和混合冷剂液化流程。混合冷剂液化流程即利用混合冷剂制冷使天然气液化的流程，混合冷剂流程按照循环数目和冷剂特点，又分为单循环（SMR）、双循环（DMR）、丙烷预冷的混合冷剂循环（C3MR）等多种流程。常规的单一混合冷剂液化流程的主换热器一般全部采用板翅式换热器或绕管式换热器。
对于绕管式换热器而言，其优点在于，主换热器可实现大型化设计、可承受高压、流体分配均匀、变工况适应性强，但受限于其结构，对于有多抽口的流程，绕管需要分成多段实现，这使得整体系统配管的结构较为复杂；对于板翅式换热器而言，其优点在于，可以灵活设置抽口，但受限于板束体的尺寸，一定规模的天然气液化装置需要多台板翅式换热器并联，冷箱配管复杂且易造成流体分布不均、变工况不稳定等问题。
因此，对于常规的单一混合冷剂液化工艺，主换热器单一的采用板翅式换热器或绕管式换热器并不是最优的方案。
请参照图1，针对上述情况，尤其是针对重组份含量较高的天然气液化流程，需要设置重烃洗涤系统以脱除天然气中的重烃，本发明提供一种基于绕管式换热器的天然气液化系统，主要可以包括液化装置和重烃脱除装置。
液化装置主要可以包括依次连接的预冷段、液化段和过冷段。预冷段设置有预冷板翅式换热器E01，预冷板翅式换热器E01具有第一板翅式通道E011、第二板翅式通道E012、第三板翅式通道E013和第四板翅式通道E014。液化段设置有液化绕管式换热器E02，液化绕管式换热器E02具有第一液化管程通道E021、第二液化管程通道E022和第三液化管程通道E023。过冷段设置有过冷绕管式换热器E03，过冷绕管式换热器E03具有第一过冷管程通道E031和第二过冷管程通道E032。液化绕管式换热器E02和过冷绕管式换热器E03采用全铝材质。气相净化天然气依次经过预冷板翅式换热器E01、液化绕管式换热器E02和过冷绕管式换热器E03后得到液化天然气，再将液化天然气输送至储罐储存。
重烃脱除装置主要包括重烃洗涤塔T01，重烃洗涤塔T01上部的气相出口与第一板翅式通道E011的抽口连接。气相净化天然气进入预冷板翅式换热器E01后，从预冷板翅式换热器E01上的第一板翅式通道E011的上段的抽口处引出，再经过重烃洗涤塔T01，再依次经过第一板翅式通道E011的下段、第一液化管程通道E021和第一过冷管程通道E031，从而得到液化天然气。通过重烃脱除装置的设置，能够有效防止气相净化天然气中的重组份在液化段和过冷段中发生冻堵的情况。
由上述内容可知，在需要设置抽口的预冷段配置预冷板翅式换热器E01，以便于灵活地设置抽口。在液化段和过冷段配置绕管式换热器，使得在液化段和过冷段处无需并联多台板翅式换热器，以简化配管，使流体分配更为均匀。如此，便能在基于绕管式换热器的天然气液化系统中，通过同时使用板翅式换热器和绕管式换热器，结合二者的特点，以扬长避短。
在本施实例中，预冷板翅式换热器E01连接有重烃分离器S01。具体而言，重烃分离器S01的进口与第一板翅式通道E011的出口连接。重烃分离器S01上部的气相出口与第一液化管程通道E021的入口连接。重烃分离器S01的下部液相出口通过重烃泵P01与重烃洗涤塔T01连通，将重烃分离器S01中的液相输送至重烃洗涤塔T01的上部。
预冷板翅式换热器E01和液化绕管式换热器E02之间设置有高压冷剂分离器S02，高压冷剂分离器S02的上部连接有第一气相冷剂导出管G01，下部连接有第一液相冷剂导出管G02。第一液相冷剂导出管G02与第二液化管程通道E022的进口相连，第二液化管程通道E022的出口通过二级节流阀V02与液化绕管换热器E02壳程相连，为液化段提供冷量。第一气相冷剂导出管G01与第三液化管程通道E023的进口连接，第三液化管程通道E023的出口与第二过冷管程通道E032的进口连接，第二过冷管程通道E032的出口与过冷绕管式换热器E03的壳程通过三级节流阀V03连接，为过冷段提供冷量。
过冷绕管式换热器E03的壳程与液化绕管式换热器E02的壳程连通。液化绕管式换热器E02的壳程出口通过冷剂返流管G03连接第二板翅式通道E012，第二板翅式通道E012的出口连接有冷剂压缩机C01。冷剂压缩机C01出口连接冷剂压缩机末级分离器S03，冷剂压缩机末级分离器S03的上部连接有第二气相冷剂导出管G04，下部连接有第二液相冷剂导出管G05。第二液相冷剂导出管G05与第四板翅式通道E014的进口连接。第二气相冷剂导出管G04与第三板翅式通道E013的进口连接，第三板翅式通道E013的出口与高压冷剂分离器S02的进口连通。第四板翅式通道E014的出口可以与冷剂返流管G03连通，二者之间设置一级节流阀V01。
采用本实施例提供的基于绕管式换热器的天然气液化系统，利用冷剂实现基于绕管式换热器的天然气液化工艺的过程如下：
先对原料天然气进行预处理，以得到温度为20~36℃，气压为4.0~5.0MPa的气相净化天然气，将气相净化天然气在预冷板翅式换热器E01中冷却至-11℃~-15℃后，再送入重烃洗涤塔T01中脱除重烃。脱除重烃的气相净化天然气返回至预冷板翅式换热器E01中，并被冷却至-50~-60℃后再进入重烃分离器S01，重烃分离器S01中的气相天然气依次经过液化绕管式换热器E02和过冷绕管式换热器E03，被冷却至-160左右℃后，再节流进入LNG储罐，重烃分离器S01中的液相重烃经重烃回流泵P01加压后，作为回流液送入重烃洗涤塔T01的顶部。
在上述过程中，用于液化气相净化天然气的冷剂按如下方式在基于绕管式换热器的天然气液化系统中进行循环：
冷剂压缩机末级分离器S03中的液相冷剂进入预冷板翅式换热器E01后，被冷却至-50~-60℃后节流进入冷剂返流管G03中。冷剂压缩机末级分离器S03中的气相冷剂进入预冷板翅式换热器E01，被冷却至-50~-60℃后进入高压冷剂分离器S02。
高压冷剂分离器S02中的液相冷剂进入第二液化管程通道E022后，被冷却至-120~-130℃后，再节流返回至液化绕管式换热器E02的壳程中。高压冷剂分离器S02中的气相冷剂依次经第三液化管程通道E023和第二过冷管程通道E032后，被冷却至-160℃左右后，再节流返回至过冷绕管式换热器E03的壳程中。
冷剂返流管G03中的返流冷剂经过预冷板翅式换热器E01后被复热至常温，然后再进入冷剂压缩机C01中进行压缩，进入冷剂压缩机C01中的冷剂经压缩冷却后进入冷剂压缩机末级分离器S03中，被分离成液相冷剂和气相冷剂，如此，便能完成冷剂在基于绕管式换热器的天然气液化系统中的循环。
其中，本实施例提供的冷剂组分包括：氮4~10%，甲烷15~25%，乙烯30~45%，丙烷15~25%，异戊烷10~20%。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于绕管式换热器的天然气液化系统，其特征在于，包括液化装置和重烃脱除装置；
所述液化装置包括依次连接的预冷段、液化段和过冷段；所述预冷段设置有预冷板翅式换热器，所述预冷板翅式换热器具有第一板翅式通道；所述液化段设置有液化绕管式换热器，所述液化绕管式换热器具有第一液化管程通道；所述过冷段设置有过冷绕管式换热器，所述过冷绕管式换热器具有第一过冷管程通道；
所述重烃脱除装置包括重烃洗涤塔，所述重烃洗涤塔上部的气相出口与所述第一板翅式通道的抽口连接；
其中，气相净化天然气进入所述预冷板翅式换热器后，先经过所述重烃洗涤塔，再依次经过所述第一板翅式通道、所述第一液化管程通道和所述第一过冷管程通道后，得到液化天然气。
2.根据权利要求1所述的基于绕管式换热器的天然气液化系统，其特征在于，所述预冷板翅式换热器连接有重烃分离器；
所述重烃分离器的进口与所述第一板翅式通道出口连接，所述重烃分离器上部的气相出口与所述第一液化管程通道的入口连接。
3.根据权利要求2所述的基于绕管式换热器的天然气液化系统，其特征在于，所述重烃分离器的下部液相出口通过重烃泵与所述重烃洗涤塔连通。
4.根据权利要求2所述的基于绕管式换热器的天然气液化系统，其特征在于，
所述液化绕管式换热器具有第二液化管程通道和第三液化管程通道；
所述预冷板翅式换热器和液化绕管式换热器之间设置有高压冷剂分离器，所述高压冷剂分离器的上部连接有第一气相冷剂导出管，下部连接有第一液相冷剂导出管；
所述第一液相冷剂导出管与所述第二液化管程通道的进口相连；
所述第一液相冷剂导出管与所述第三液化管程通道的进口连接。
5.根据权利要求4所述的基于绕管式换热器的天然气液化系统，其特征在于，所述第二液化管程通道的出口与所述液化绕管式换热器的壳程进口连接。
6.根据权利要求4所述的基于绕管式换热器的天然气液化系统，其特征在于，所述过冷绕管式换热器具有第二过冷管程通道，所述第三液化管程通道的出口与所述第二过冷管程通道的进口连接，所述第二过冷管程通道的出口与所述过冷绕管式换热器的壳程进口连接。
7.根据权利要求5或6所述的基于绕管式换热器的天然气液化系统，其特征在于，
所述过冷绕管式换热器的壳程与所述液化绕管式换热器的壳程连通；
所述预冷板翅式换热器具有第二板翅式通道；
所述液化绕管式换热器的壳程出口通过冷剂返流管连接所述第二板翅式通道，所述第二板翅式通道的出口连接有冷剂压缩机。
8.根据权利要求7所述的基于绕管式换热器的天然气液化系统，其特征在于，
所述冷剂压缩机连接有冷剂压缩机末级分离器，所述冷剂压缩机末级分离器的上部连接有第二气相冷剂导出管，下部连接有第二液相冷剂导出管；
所述预冷板翅式换热器具有第三板翅式通道和第四板翅式通道；
所述第二液相冷剂导出管与所述第四板翅式通道进口连接；
所述第二气相冷剂导出管与所述第三板翅式通道的进口连接，所述第三板翅式通道的出口与所述高压冷剂分离器的进口连通。
9.根据权利要求8所述的基于绕管式换热器的天然气液化系统，其特征在于，所述第四板翅式通道的出口与所述冷剂返流管连通。
10.一种基于绕管式换热器的天然气液化工艺，其特征在于，采用如权利要求2所述的基于绕管式换热器的天然气液化系统，并包括如下步骤：
步骤一：对原料天然气进行预处理，以得到温度为20~36℃，气压为4.0~5.0MPa的气相净化天然气；
步骤二：先将气相净化天然气在预冷板翅式换热器中冷却至-11℃~-15℃后，再送入所述重烃洗涤塔中脱除重烃；
步骤三：脱除重烃的气相净化天然气返回至所述预冷板翅式换热器中，并被冷却至-50~-60℃后再进入所述重烃分离器，所述重烃分离器中的气相天然气依次经过所述液化绕管式换热器和所述过冷绕管式换热器后，被冷却至-160℃左右后，再节流进入LNG储罐。
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