CN203224097U - 一种天然气等压液化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种天然气等压液化装置，采用低温端的类似的热能动力循环装置的朗肯循环系统，采用低温液体泵输入功，通过制冷工质对天然气液化装置进行补冷，从而实现天然气的等压液化。本实用新型的天然气液化装置，相同制冷量的前提下，较传统先进机组节能30%以上，是对传统天然气液化技术的突破，经济、社会、环保效益显著。

Description

一种天然气等压液化装置

技术领域

本发明涉及一种天然气等压液化装置，具体属深度冷冻技术领域。

背景技术

天然气是一种优质洁净的化石能源,在国民经济中具有十分重要的地位。天然气的液化和储存是其开发利用的关键技术,在国内外已形成一个产业，每年以平均8%的速度增长，近年来在中国能源消费结构中，增长很快。液化天然气技术已经成为一门高科技技术，受到越来越多科学技术学科的重视。

预计到本世纪中叶,若以中国消耗天然气5000*10⁸m³/a，其中进口LNG1000*10⁸m³/a计（相当于日本目前的进口量），可用冷能折合电能为257*10⁸kWh/a，相当于一个600*10⁴kW电站的年发电量。因此如何使LNG实现技术、管理机制、市场运作等各方面的突破，力争使大幅度降低LNG的能耗，在取得巨大的节能和经济效益同时，推动包括空分、煤富氧气化在内的大型冷能产业链的快速发展，以期为我国全面实现循环型经济和节约型经济做出贡献，值得深入思考。同时，中国经济的快速发展和模式转型决定了大规模利用LNG的绝对必要性，并提供了宏大的用户市场。

传统天然气的液化流程主要有以下三种：

1、级联式液化流程（也称阶式液化流程、复叠式液化流程或串联蒸发冷凝液化流程），主要应用于基本负荷型天然气液化装置；

2、混合制冷剂液化流程：即所谓的MRC液化流程，MRC是以C1至C5的碳氢化合物，以及N₂等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。MRC既达到类似级联式液化流程的目的，有克服了其系统复杂的缺点。自20世纪80年代以来，对于基本负荷型天然气液化装置，新建与扩建的基本负荷型天然气液化流程，几乎毫无例外地采用丙烷预冷混合制冷剂液化流程；

3、带膨胀机的液化流程：带膨胀机液化流程，是指利用制冷剂再透平膨胀机中的克劳德循环，实现天然气液化的流程。气体在膨胀机中膨胀做功的同时，降低温度并回收功。根据制冷剂的不同，可分为氮气膨胀液化流程和天然气膨胀液化流程。这类流程的优点是：（1）流程简单、调节灵活、工作可靠、易启动、易操作、维修方便；（2）用天然气本身作工质时，能省去专门生产、运输、储运冷冻剂的费用。缺点是：（1）送入装置的气流需全部深度干燥；（2）回流压力低，换热面积大、设备金属投入量大；（3）受低压用户多少的限制；（4）液化率低，如再循环，则在增加循环压缩机后，功耗大大增加。由于带膨胀机的液化流程操作比较简单，投资适中，特别适用于液化能力较小的调峰型天然气液化装置。

附图1是级联式天然气液化流程示意图。

附图2是APCI丙烷预冷混合制冷剂液化流程示意图。

附图3是天然气膨胀液化流程，图3中：1-脱水剂，2-脱二氧化碳塔，3-水冷却器，4-返回气压缩机，5、6、7-换热器，8-过冷器，9-储罐，10-膨胀机，11-压缩机。

附图4是氮气膨胀液化流程，图4中：1-预处理装置，2、4、5-换热器，3-重烃分离器，6-氮气提塔，7-透平膨胀机，8-氮-甲烷分离塔，9-循环压缩机。

附图5是带丙烷预冷的天然气膨胀液化流程示意图，图5中：1、3、5、6、7-换热器，2、4-丙烷换热器，8-水冷却器，9-压缩机，10-制动压缩机，12、13、14-气液分离器。

上述传统天然气液化流程设计的主要理论基础是热力学，即采用同温差的卡诺逆循环分析天然气液化过程，循环的经济性指标是制冷系数，就是得到的收益和耗费的代价之比值，并且以大气环境温度T₀与温度为T_C低温热源（如冷库）之间的一切制冷循环，以逆向卡诺循环的制冷系数为最高：

${\mathrm{\ϵ}}_c={\left(\mathrm{COP}\right)}_{R,C}=\frac{q_2}{w_0}=\frac{T_c}{T_0-T_c}---\left(1\right)$

上式中的ε_c为制冷系数，q₂为循环的制冷量，w₀为循环所消耗的净功。

实际循环效率通常采用实际循环的制冷系数与理论循环系数的比值进行描述，但其理论基础是以卡诺逆循环对制冷过程进行循环分析。

实际上，卡诺在“关于热动力的见解”的论文中，得出的结论为：“在两个不同温度的恒温热源之间工作的所有热机，以可逆热机的效率为最高。”即被后人称之为卡诺定理，按理想气体状态方程进行整理得出的卡诺循环的热效率为：

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_2}{T_1}---\left(2\right)$

公式（2）中的高温热源的温度T₁与低温热源的温度为T₂均高于大气环境温度T₀，并可以得出以下几点重要结论：

1）卡诺循环的热效率只决定于高温热源和低温热源的温度，也就是工质吸热和放热时的温度，提高T₁和T₂，可以提高热效率。

2）卡诺循环的热效率只能小于1，绝不能等于1，因为T₁＝∞或T₂=0都不可能实现。这就是说，在循环发动机中即使在理想情况下，也不可能将热能全部转化为机械能，热效率当然更不可能大于1。

3）当T₁＝T₂时，循环热效率等于0，它表明，在温度平衡的体系中，热能不可能转化为机械能，热能产生动力一定要有温度差作为热力学条件，从而验证了借助单一热源连续做功的机器是制造不出的，或第二类永动机是不存在的。

4）卡诺循环及其热效率公式在热力学的发展上具有重大意义。首先，它奠定了热力学第二定律的理论基础；其次，卡诺循环的研究为提高各种热动力机热效率指出了方向，近可能提高工质的吸热温度和尽可能降低工质的放热温度，使放热在接近可自然得到的最低温度即大气温度时进行。卡诺循环中所提出的利用绝热压缩以提高气体吸热温度的方法，至今在以气体为工质的热动力机中仍普遍采用。

5）卡诺循环的极限点是大气环境温度，对低于环境温度的制冷过程循环，卡诺循环并没有给出明确的答案。

但是运用热力学的基本理论并不能对天然气液化装置循环过程做出简洁、明了、直观的解释，每生产一吨LNG的动力及公用设施耗电量约为850度，过程的能源消耗量极大。

爱因斯坦曾对经典热力学做过评价：“一种理论，其前提越简单，所涉及的事物越多，其适应范围愈广泛，它给人们的印象就越深刻。”对制冷领域的基本理论探索，也应继承和发扬这个优点。

因此对天然气液化循环过程进行研究，真正找到制冷装置循环的理论基础，找到改进流程的正确方向，并在此理论基础上组织新的天然气液化装置流程，较大幅度降低天然气液化装置的能耗，成为天然气液化技术领域研究的难点。

发明内容

本发明的目的就是为解决卡诺定理应用于天然气液化装置循环理论分析的不完善性，提出对应于热力学理论的新的制冷理论即冷力学理论，并提出应用该原理设计的新的天然气等压液化装置，克服传统天然气液化流程复杂、能耗高、必须配套超量的公共设施如循环冷却水系统等缺点，保留并发扬带膨胀机液化流程的优点，较大幅度地降低能耗30%以上，同时实现天然气的等压冷凝，设备维修及材料备用量大幅度减少，从而实现天然气液化技术的变革。

对应于传统热力学范畴，提出冷力学的基本概念：对于低于大气环境温度的环境称之为冷源，相对于高于环境温度的热源；相应于热能、热量，提出对应的冷能、冷量概念；所述的制冷装置，是指消耗机械功来实现冷能从大气环境向低温冷源或者从低温冷源向更低温冷源的转移。在实现冷能转换时，均需要某些物质作为制冷装置的工作物质，称为制冷工质。

制冷过程中冷能的传递遵循能量转化和守恒定律。

为描述制冷过程中冷量传递的方向、条件和限度，提出冷力学第二定律：冷力学第二定律的实质跟热力学第二定律的实质是一样的，同样遵循“能质衰贬原理”，即不同形式的冷能，在转换成功量的能力上是有“质”的差别的；即使是同一种形式的冷能，其存在状态不同时，它的转换能力也不同的。一切冷能传递的实际过程，总是朝着能质下降的方向进行，一切冷能总会自发向大气环境方向转换。冷能能质的提高过程不可能自动、单独地进行，一个能质的提高的过程必然伴随着另一个能质的下降的过程同时发生，这个能质下降的过程就是实现能质升高过程的必要的补偿条件，即以能质下降为代价、作为补偿来推动能质升高过程的实现。在实际过程中，作为代价的能质下降过程，必须足以补偿能质升高的过程，以满足总的能质必定下降的普遍规律。因此，在一定的能质下降的补偿条件下，能质升高的过程必然有一个最高的理论限度。只有在完全可逆的理想条件下，才能达到这个理论限度，这时，能质升高值正好等于能质下降的补偿值，使总的能质保持不变。可见，可逆过程是纯理想化的能质守恒过程；在不可逆过程中总的能质必然下降；在任何情况下都不可能实现使孤立系统总的能质升高的过程。这就是能质衰贬原理的物理内涵，是冷力学第二定律的实质，也是热力学第二定律的实质，它揭示了一切宏观过程必须遵循的、有关过程进行方向、条件及限度的客观规律。

描述冷力学第二定律的基本公式为：

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_{c2}}{T_{c1}}---\left(3\right)$

公式（3）中，Tc2＜Tc1＜To，To为环境温度，均为开氏温标。

相对环境温度To而言，冷源在Tc1、Tc2下的最大冷效率为：

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_{c1}}{T_0}---\left(4\right)$

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_{c2}}{T_0}---\left(5\right)$

假设为q₂循环的制冷量，w₀为循环所消耗的净功，则在冷源温度为Tc1时：

$w_0=(1-\frac{T_{c1}}{T_0})q_2---\left(6\right)$

同样，在冷源温度为Tc2时：

$w_0=(1-\frac{T_{c2}}{T_0})q_2---\left(7\right)$

从公式（4）至（7）不难看出，冷力学的效率为0到1之间，由于实际过程中不可逆性的不可避免，制冷循环效率总是小于1的；

环境温度To确定时，冷源温度越低，从该冷源输入同样的功，获得的制冷量越多，这为构建新的天然气液化装置流程指明了方向。

需要说明的是：

（1）冷量是自发从低温冷源向环境温度传递的；

（2）不可能把冷量从低温冷源传到更低的冷源而不引起其他变化；

（3）冷量从低温冷源传递向环境时，与外界交换的功量为w₀，其中包含对环境所做的无用功p₀(V₀-V_c)，p₀为大气压力，Vo为环境温度下的体积，Vc为冷源温度下的体积，所能做的最大可逆有用功为：

${\left(W_u\right)}_{\max }=W_0-p_0(V_0-V_c)=(1-\frac{\mathrm{Tc}}{\mathrm{To}})Q_0-p_0(V_0-V_c)$

（4）冷量从低温冷源传递向环境时，向环境传递的无用能为：

向环境传递的无用功为：p₀(V₀-V_c)

对应于热量的有用能“”、无用能“烬”，对热量、冷量取水火会意，对于冷量的有用能，取名为“冷量涟”，冷量向环境传递的无用能称为“冷量浕”，“浕”读音为“尽”。

（5）冷能向环境温度传递时，向外做功的最佳型式为采用塞贝克（Seebeck）效应的温差发电机，即冷力发电机；

（6）冷力学中能量必须、也必然要符合能量转化和守恒定律；

（7）通过借鉴有限时间热力学的构思，可以发展有限时间冷力学基本理论；

（8）不能脱离环境来评价冷量的品位；

（9）冷力学和热力学是能量学中的两个分支，既存在对立的一面，又存在着统一的一面：低温制冷循环中，在遵循冷力学第二定律的前提下，在低温环境下构造的制冷剂工质的循环过程又遵循朗肯循环原理，重新又回到卡诺定律，恰好符合中国传统美学中阴中有阳、阴阳相济的原理。

从上述观点可以看出，假设的冷力学具有和热力学对称的理论框架体系，符合科学美学的基本原则，即相反相成、对称原则。

基于上述冷力学基本原理，本发明提出不同于传统天然气液化装置的流程组织，低能耗实现天然气等压液化，并有效降低天然气液化装置的能耗，使天然气的比功耗降低至0.24kW·h/kg左右。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种天然气等压液化装置，该液化装置包括天然气与处理系统、液化系统、补冷系统、储存系统、控制系统和消防系统，本发明仅列出最重要的组成部分即液化流程示意图，未详细说明的内容按传统的成熟技术进行配套，实现天然气等压液化的工艺步骤如下：

（1）原料天然气1经预处理装置2除去水分、二氧化碳，进入冷交换器3、分离器4分离出液态重烃组分5，再经冷交换器6成为预冷入塔原料气7；

（2）预冷入塔原料气7进入下塔8，经上塔9液氮洗产生的回流过冷甲烷液体进行精馏，等压冷凝产生液化天然气11即LNG，LNG送入LNG储罐12；

（3）下塔8中上部引出的甲烷气经甲烷气引出管线10进入上塔9，经液氮洗等压冷凝产生纯甲烷液体13，并引出送至液态纯甲烷储罐14；

（4）所述装置的补冷系统，是指从制冷剂贮罐19出来的液态制冷剂20，经低温液体泵21、回冷器18形成的制冷剂气液混合物22进入上塔9，用于使下塔8的原料天然气冷凝产生液态纯甲烷、LNG，从上塔9出来的出塔低温制冷剂15，经冷交换器6、冷交换器3冷却原料天然气1，形成制冷工质过热蒸汽16，经膨胀机17膨胀降压降温后，再经回冷器21、节流阀23，返回制冷剂贮罐19，通过上塔9、冷交换器6、冷交换器3对天然气液化系统补入所需的冷量，从而形成制冷剂的冷力循环回路。

所述的膨胀机17的制动设备24采用风机、电机、液压泵或压气机。

所述的等压分离，是指进入天然气液化系统的原料天然气，无需像传统的天然气液化工艺那样节流降压进行液化，送来的原料天然气1仅有沿程设备及管道的阻力损失，可以视为等压液化过程。

所述的液化系统，包括下塔8、上塔9，采用一体式或分体式的结构。

所述的制冷剂在标准压力下的沸点低于或等于甲烷，包括但不限于甲烷、氮气、氩气、氦气、氢气等一种或多种气体组成的混合气体，如能确保安全，也可使用氢气或液氢，优选的为氮气。

所述的制冷剂贮罐19采用必要的绝热保冷措施，如采用绝热真空容器、珠光砂等隔热保冷材料。

所述的冷交换器6、冷交换器3、回冷器18采用管壳式、板翅式、微通道或其他型式的换冷器，其结构及换冷元件与传统的天然气液化流程中的管壳式换热器、板翅式换热器、微通道换热器等相同，只是为了与制冷体系相对应而更换准确的名称。

所述的冷交换器3、冷交换器6、分离器4、回冷器18可设置一个或多个。

本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保冷、具有调节功能旁路设施等采用公知的传统天然气液化系统的成熟技术进行配套。

设有与本发明的天然气液化装置配套的安全、调控设施，使装置能经济、安全、高热效率运行，达到节能降耗、环保的目的。

本发明的装置同样适用于其他气体的液化，采用的制冷剂在标准大气压下的沸点低于或等于相应的待液化气体在标准大气压下的沸点。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、节能效果显著：取消传统天然气液化系统循环的循环压气机，利用液体的接近不可压缩流体的性质，采用低温液体循环泵进行增压补冷，实现天然气的等压液化，能够有效提高制冷循环的效率，与传统天然气液化装置相比，相同制冷量的节能率可达30%以上，每吨液化天然气较传统的先进流程至少节电200度。

2、等压冷凝产生的LNG或液态纯甲烷，能够节省传统LNG或纯液态甲烷的增压过程消耗的电功。

3、可通过低压使天然气液化，再对液化天然气增压的方法节省传统天然气液化过程的气体压缩功，与天然气液化系统配套的公用工程耗电量减少80%以上。

4、流程设置更加简洁，液化系统的潜力得到充分发挥，操作弹性大，运行调节更加灵活方便。

5、设备及材料的备用量有较大幅度的减少。

6、完全能够替代传统的主流基本负荷型天然气液化装置如丙烷预冷混合制冷剂液化流程，成为基地型天然气液化装置、调峰型天然气液化装置的主流流程。

附图说明

图1是级联式天然气液化流程示意图；

图2是APCI丙烷预冷混合制冷剂液化流程示意图；

图3是天然气膨胀液化流程：

图3中：1-脱水剂，2-脱二氧化碳塔，3-水冷却器，4-返回气压缩机，5、6、7-换热器，8-过冷器，9-储罐，10-膨胀机，11-压缩机。

图4是氮气膨胀液化流程：

图4中：1-预处理装置，2、4、5-换热器，3-重烃分离器，6氮气提塔，7-透平膨胀机，8-氮-甲烷分离塔，9-循环压缩机。

图5是带丙烷预冷的天然气膨胀液化流程示意图：

图5中：1、3、5、6、7-换热器，2、4-丙烷换热器，8-水冷却器，9-压缩机，10-制动压缩机，12、13、14-气液分离器。

图6是本发明的一种天然气等压液化装置流程示意图：

图6中：1-原料天然气，2-预处理装置，3-冷交换器，4-重烃分离器，5-液态重烃组分，6-冷交换器，7-预冷入塔原料气，8-下塔，9-上塔，10-甲烷气引出管线，11-LNG，12-LNG储罐，13-纯液态甲烷，14-纯液态甲烷储罐，15-出塔低温制冷剂，16-制冷剂过热蒸汽，17-膨胀机，18-回冷器，19-制冷剂储罐，20-液体制冷剂，21-低温液体泵，22-制冷剂气液混合物，23-节流阀，24-制动设备。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图6所示，一种天然气等压液化装置，制冷剂采用氮气，具体实施例如下：

（1）原料天然气1经预处理装置2除去水分、二氧化碳，进入冷交换器3、分离器4分离出液态重烃组分5，再经冷交换器6成为预冷入塔原料气7；

（2）预冷入塔原料气7进入下塔8，经上塔9液氮洗产生的回流过冷甲烷液体进行精馏，等压冷凝产生液化天然气11即LNG，LNG送入LNG储罐12；

（3）下塔8中上部引出的甲烷气经甲烷气引出管线10进入上塔9，经液氮洗等压冷凝产生纯甲烷液体13，并引出送至液态纯甲烷储罐14；

（4）从制冷剂贮罐19出来的液态制冷剂20，经低温液体泵21、回冷器18形成的制冷剂气液混合物22进入上塔9，用于使下塔8的原料天然气冷凝产生液态纯甲烷、LNG，从上塔9出来的出塔低温制冷剂15，经冷交换器6、冷交换器3冷却原料天然气1，形成制冷工质过热蒸汽16，经膨胀机17膨胀降压降温后，再经回冷器21、节流阀23，返回制冷剂贮罐19，通过上塔9、冷交换器6、冷交换器3对天然气液化系统补入所需的冷量，从而形成制冷剂的冷力循环回路。

所述的膨胀机17的制动设备24采用压气机，用于对原料天然气进行增压。

所述的制冷工质贮罐19采用必要的绝热保冷措施，如采用绝热真空容器、珠光砂等隔热保冷材料。

本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保冷、具有调节功能旁路设施等采用公知的传统天然气液化系统的成熟技术进行配套。

设有与本发明的天然气液化装置配套的安全、调控设施，使装置能经济、安全、高热效率运行，达到节能降耗、环保的目的。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种天然气等压液化装置，该装置包括天然气预处理系统、预冷系统、液化系统、补冷系统、储存系统、控制系统和消防系统，其特征在于：

所述装置的补冷系统，是指从制冷剂贮罐（19）出来的液态制冷剂（20），经低温液体泵（21）、回冷器（18）形成的制冷剂气液混合物（22）进入上塔（9），用于使下塔（8）中的原料天然气液化，从上塔（9）出来的出塔低温制冷剂（15），经冷交换器（6）、冷交换器（3）冷却原料天然气（1），形成制冷工质过热蒸汽（16），经膨胀机（17）膨胀降压降温后，再经回冷器（21），返回制冷剂贮罐（19），通过上塔（9）、冷交换器（6）、冷交换器（3）对天然气液化系统补入所需的冷量，从而形成制冷剂的冷力循环回路。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

设有节流阀（23）：液态制冷剂（20）经回冷器（21）、节流阀（23），返回制冷剂贮罐（19）。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述的膨胀机（17）的制动设备（24）采用风机、电机、液压泵或压气机。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述的膨胀机（17）的制动设备（24）采用风机、电机、液压泵或压气机。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述的液化系统包括下塔（8）、上塔（9），采用一体式或分体式的结构。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述的液化系统包括下塔（8）、上塔（9），采用一体式或分体式的结构。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：

所述的液化系统包括下塔（8）、上塔（9），采用一体式或分体式的结构。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述的液化系统包括下塔（8）、上塔（9），采用一体式或分体式的结构。

9.根据权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于：

所述制冷剂在标准压力下的沸点低于或等于甲烷，包括甲烷、氮气、氩气、氦气、氢气中的一种气体或多种气体组成的混合气体。

10.根据权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于：

本发明的装置采用的制冷剂在标准大气压下的沸点低于或等于相应的待液化气体在标准大气压下的沸点。

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