專利名稱：Lng低溫液化三級制冷螺旋纏繞管式換熱裝備的制作方法
LNG低溫液化三級制冷螺旋纏繞管式換熱裝備技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬天然氣低溫液化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種LNG三級低溫液化過程裝備及混合制冷劑制冷技術(shù)，應(yīng)用一定配比的非共沸N2_CH4混合制冷劑在兩股流螺旋纏繞管式換熱器內(nèi)將6. OMPa,- 120°C天然氣冷卻至一 164°C并液化，以便LNG過冷貯存及方便運輸。三級制冷螺旋纏繞管式換熱器首先預(yù)冷并液化非共沸N2_CH4混合制冷劑，混合制冷劑液化后被節(jié)流至殼程冷卻來自二級的出口溫度為一 120°C的LNG管束及N2_CH4混合制冷劑預(yù)冷管束，使管程內(nèi)天然氣及預(yù)冷制冷劑均被液化，達(dá)到混合制冷劑節(jié)流前預(yù)冷及天然氣低溫液化目的，其結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高，可用于混合氣體帶相變低溫?fù)Q熱，解決LNG三級低溫技術(shù)難題，提高LNG系統(tǒng)低溫?fù)Q熱效率。
背景技術(shù)：
大型混合制冷劑天然氣液化流程主要包括三個階段，第一個階段是將壓縮后的天然氣進(jìn)行預(yù)冷，即將36°C天然氣預(yù)冷至一 53°C，第二個階段是將天然氣從一 53°C冷卻至一 120°C，為低溫液化做準(zhǔn)備，第三個階段是將一 120°C天然氣冷卻至一 164°C并液化，三個過程可采用不同制冷工藝、不同制冷劑及不同換熱設(shè)備。目前，大多混合制冷劑天然氣液化系統(tǒng)采用整體換熱方式，將三段制冷過程連接為一整體，換熱器高度可達(dá)60 80米，換熱效率得到明顯提高，但存在的問題是換熱工藝流程過于復(fù)雜，換熱設(shè)備體積過于龐大，給加工制造、現(xiàn)場安裝及運輸帶來嚴(yán)重不便，且一旦出現(xiàn)管道泄漏等問題，難于檢測，很容易造成整臺換熱器報廢，成套工藝裝備停產(chǎn)。另外，由于普通列管式換熱器采用管板連接平行管束方式，結(jié)構(gòu)簡單，自收縮能力較差，一般為單股流換熱，換熱效率較低，體積較大，溫差較小， 難以將天然氣在一個流程內(nèi)冷卻并液化。本發(fā)明根據(jù)LNG三級低溫液化特點，采用三段各自獨立的螺旋纏繞管式換熱器做為主要換熱設(shè)備，分段獨立制冷，針對第三級隊_014混合制冷劑低溫液化工藝流程，重點研究開發(fā)溫區(qū)介于一 120°C 一 164°C之間的第三級低溫液化工藝技術(shù)及裝備，解決第三級天然氣低溫液化核心技術(shù)問題，即雙股流螺旋纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)及工藝流程問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要針對天然氣第三級低溫液化問題，采用具有體積小、換熱效率高、換熱溫差大、具有自緊收縮調(diào)整功能的雙股流螺旋纏繞管式換熱器做為主換熱設(shè)備，應(yīng)用非共沸K_CH4混合制冷劑先預(yù)冷后節(jié)流的制冷工藝流程，控制相變制冷流程，進(jìn)而控制天然氣液化溫度及壓力，提高換熱效率，解決天然氣三級低溫液化問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案LNG低溫液化三級制冷螺旋纏繞管式換熱裝備，包括LNG出口接管1、LNG出口管板2、 上封頭3、混合制冷劑進(jìn)口法蘭4、混合制冷劑進(jìn)口接管5、筒體6、中心筒7、墊條8、天然氣螺旋管束9、混合制冷劑預(yù)冷管束10、混合制冷劑預(yù)冷進(jìn)口接管11、混合制冷劑預(yù)冷進(jìn)口法蘭12、混合制冷劑預(yù)冷進(jìn)口管箱13、混合制冷劑預(yù)冷進(jìn)口管板14、混合制冷劑出口接管15、LNG出口法蘭16、LNG出口管箱17、預(yù)冷后混合制冷劑出口接管18、預(yù)冷后混合制冷劑出口法蘭19、預(yù)冷后混合制冷劑出口管箱20、預(yù)冷后混合制冷劑出口管板21、上支撐圈22、耳座 23、下支撐圈24、天然氣進(jìn)口接管25、天然氣進(jìn)口法蘭沈、天然氣進(jìn)口管箱27、天然氣進(jìn)口管板觀、下封頭四、混合制冷劑出口接管法蘭30，其特征在于天然氣螺旋管束9、混合制冷劑預(yù)冷管束10繞中心筒7纏繞，纏繞后的管芯安裝于筒體6內(nèi)；中心筒7 —端安裝上支撐圈22，一端安裝下支撐圈M，上支撐圈22固定于筒體6上部，下支撐圈M固定于筒體6下部，天然氣螺旋管束9、混合制冷劑預(yù)冷管束10纏繞于上支撐圈22與下支撐圈M之間；筒體6上部與封頭3連接，封頭3頂部安裝管板2，管板2底部連接管束9，頂部安裝管箱17， 管箱17頂部安裝接管1，接管1頂部安裝法蘭16 ；筒體6下部與封頭四連接，封頭四頂部安裝制冷劑出口接管15，接管15頂部安裝法蘭30 ；筒體6上部左側(cè)安裝制冷劑進(jìn)口接管 5，右側(cè)安裝制冷劑預(yù)冷出口管板21，管板21左側(cè)連接混合制冷劑預(yù)冷管束10出口，右側(cè)連接管箱20 ；筒體6下部左側(cè)安裝制冷劑預(yù)冷進(jìn)口管板14，管板14右側(cè)連接混合制冷劑預(yù)冷管束10進(jìn)口，左側(cè)連接管箱13 ；筒體6下部右側(cè)安裝天然氣進(jìn)口管板觀，天然氣進(jìn)口管板 28左側(cè)連接天然氣螺旋管束9進(jìn)口，右側(cè)連接管箱27 ；筒體6中部安裝耳座23。
N2-CH4混合制冷劑在一 120°C及1. 58MPa時進(jìn)入混合制冷劑預(yù)冷管箱13，在管箱 13內(nèi)再分配于混合制冷劑預(yù)冷管束10各支管，管束10經(jīng)螺旋纏繞后在筒體10內(nèi)被節(jié)流后的N2-CH4混合制冷劑預(yù)冷并液化；制冷劑完全液化后流至管箱20，溫度降低至一 164°C、 壓力降低至1.38MPa，再經(jīng)安裝于接管18與接管5之間的節(jié)流閥節(jié)流，節(jié)流后壓力降低至 0. 3MPa，節(jié)流后氮溫度變?yōu)橐?185°C，處于氣液兩相狀態(tài)，節(jié)流后甲烷溫度變?yōu)橐?163. 5°C， 處于過冷液相狀態(tài)，節(jié)流后的混合制冷劑為氣液兩相，經(jīng)接管5進(jìn)入筒體6并向下流動冷卻天然氣螺旋管束9、預(yù)冷混合制冷劑管束10后，在一 130°C、0. 時經(jīng)接管15流出三級制冷裝置。
天然氣在一 120°C、5. 5MPa時進(jìn)入天然氣進(jìn)口管箱27，在管箱27內(nèi)再分配于天然氣螺旋管束9各支管，管束9經(jīng)螺旋纏繞后在筒體6內(nèi)與節(jié)流后的混合制冷劑進(jìn)行換熱，溫度降低至一 161°c、壓力降低至5. 3MPa時完全液化并過冷，過冷后流至管箱17，再經(jīng)接管1流出三級制冷裝置，節(jié)流降壓后送入LNG貯罐。
方案所涉及的原理問題首先，傳統(tǒng)的LNG混合制冷劑天然氣液化系統(tǒng)采用整體換熱方式，采用一個完整的制冷系統(tǒng)，換熱效率較級聯(lián)式LNG液化系統(tǒng)有了明顯提高，使換熱器數(shù)量減少，整體液化工藝流程得到簡化，獨立運行的制冷系統(tǒng)減少，管理方便，但存在的問題是液化工藝流程簡化后，使LNG主換熱器體積龐大，換熱工藝復(fù)雜，加工制造、現(xiàn)場安裝及運輸難度增大，且一旦出現(xiàn)管道泄漏等問題，難于檢測，容易造成整臺換熱器報廢，成套工藝裝備停產(chǎn)。為解決這一問題，本發(fā)明將主換熱器內(nèi)天然氣溫度變化過程分為36°C 一 53°C、一 53°C 一 120°C，一 120°C 一 164°C三個級別，采用三個獨立的換熱器，完成三個溫度區(qū)間由高至低的換熱過程，重點研究開發(fā)第三級一 120°C 一 164°C低溫?fù)Q熱流程及第三級換熱器總體結(jié)構(gòu)及進(jìn)出口參數(shù)，并采用N2-CH4混合制冷劑制冷工藝，解決第三段低溫液化工藝設(shè)備問題。研究過程相對獨立，可與前兩段連接成為整體，連接后與整體式主換熱換熱原理一致， 便于主換熱器分拆后運輸及安裝。其次，采用隊_014混合制冷劑制冷工藝后，節(jié)流前須對制冷劑進(jìn)行預(yù)冷并液化。冷劑進(jìn)口為1.58MPa、一 120°C時，N2-CH4混合制冷劑中甲烷已經(jīng)被液化，氮仍未達(dá)到飽和，處于氣相狀態(tài)，當(dāng)壓力達(dá)到1.38MPa、預(yù)冷溫度達(dá)到一 164°C時， 氮達(dá)到飽和并被液化，液化后再節(jié)流可得到更大的制冷量。預(yù)冷過程與天然氣液化及過冷過程同時進(jìn)行，所以，須采用兩股流低溫?fù)Q熱過程，而傳統(tǒng)的列管式換熱器由于采用兩塊大管板連接平行管束結(jié)構(gòu)，體積較大，換熱溫差較小，易分區(qū)，管間距較大，自收縮能力較差， 一般為單股流換熱，換熱效率較低，難以將天然氣在一個流程內(nèi)冷卻并液化，不易完成雙股流均勻換熱過程。本發(fā)明開發(fā)了可承受6. 4MPa壓力、低溫一 185°C的9Ni鋼雙股流螺旋纏繞管式低溫?fù)Q熱器，可完成高壓低溫工況下雙股流換熱過程。采用非共沸K_CH4混合制冷劑后，可使飽和液氮節(jié)流后冷劑進(jìn)口溫度達(dá)到一 185°C，產(chǎn)生足夠的傳熱溫差推動力。同時， 甲烷在過冷狀態(tài)下節(jié)流至一 163. 5°C過冷狀態(tài)，可繼續(xù)利用其顯熱，達(dá)到飽和溫度一 146°C 時再蒸發(fā)，使三級液化過程具有三個低溫?fù)Q熱溫度，包括兩個蒸發(fā)溫度，以此降低傳熱過程熵增量，減少傳熱過程損失。
本發(fā)明的技術(shù)特點本發(fā)明主要針對LNG低溫液化三級制冷螺旋纏繞管式換熱裝備，采用具有體積小、換熱效率高、換熱溫差大、具有自緊收縮調(diào)整功能的雙股流螺旋纏繞管式換熱器做為主換熱設(shè)備，應(yīng)用非共沸N2_CH4混合制冷劑先預(yù)冷后節(jié)流的制冷工藝流程，控制相變制冷流程， 進(jìn)而控制天然氣液化溫度及壓力，提高換熱效率，解決天然氣在一 120°C 一 164°C三級低溫制冷問題，使三級液化過程具有三個低溫?fù)Q熱溫度，包括兩個蒸發(fā)溫度，以此降低傳熱過程熵增量，減少傳熱過程損失；三級制冷過程用螺旋纏繞管式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊，多種介質(zhì)帶相變傳熱，傳熱系數(shù)大，可解決大型LNG低溫液化過程中天然氣三級混合制冷劑預(yù)冷、 天然氣低溫液化技術(shù)難題，提高系統(tǒng)換熱及液化效率；應(yīng)用三級LNG低溫液化過程后，LNG 主換熱器可分為三個獨立的換熱器，體積減小，可分段進(jìn)行加工制造、運輸及現(xiàn)場安裝，一旦出現(xiàn)管道泄漏等問題，易于檢測，不易造成整臺換熱器報廢及成套工藝裝備停產(chǎn)；LNG 低溫液化三級制冷螺旋纏繞管式換熱裝備可合理分配液化段及過冷段的熱負(fù)荷，使液化段和過冷段相對協(xié)調(diào)，可結(jié)合特大型換熱器的載荷分配以及換熱管強(qiáng)度特性，采用輔助中心筒纏繞螺旋盤管的方式，從理論上保證纏繞過程均勻且強(qiáng)度符合設(shè)計要求；合理選擇了換熱器進(jìn)出口位置及物料、采用多個小管板側(cè)置的方法可使換熱器結(jié)構(gòu)更加緊湊，換熱過程得到優(yōu)化；螺旋纏繞管式換熱器管外介質(zhì)逆流并橫向交叉掠過纏繞管，換熱器層與層之間換熱管反向纏繞，即使雷諾數(shù)較低，其依然為湍流形態(tài)，換熱系數(shù)較大；由于是多種介質(zhì)帶相變換熱過程，對不同介質(zhì)之間的壓差和溫差限制要求較小，生產(chǎn)裝置操作難度降低，安全性得以提高；螺旋纏繞管式換熱器耐高壓且密封可靠、熱膨脹可自行補(bǔ)償，易實現(xiàn)大型LNG 液化作業(yè)。


圖1所示為LNG低溫液化三級制冷螺旋纏繞管式換熱裝備的主要部件結(jié)構(gòu)及位置關(guān)系。
具體實施方式
將二級出口溫度為一 120°C的天然氣管道與接管25連接，天然氣在一 120°C、 5. 5MPa時進(jìn)入天然氣進(jìn)口管箱27，在管箱27內(nèi)再分配于天然氣螺旋管束9各支管，管束9經(jīng)螺旋纏繞后在筒體6內(nèi)與節(jié)流后的隊_014混合制冷劑進(jìn)行換熱，溫度降低至一 161°C、 壓力降低至5. 3MPa時完全液化并過冷，過冷后流至管箱17 ；將接管1與LNG四級節(jié)流閥連接后，LNG經(jīng)接管1流出三級制冷裝置，經(jīng)四級節(jié)流閥節(jié)流降壓后送入LNG貯罐；將預(yù)冷前的混合制冷劑管道與接管11連接，隊_014混合制冷劑在一 120°C及1. 58MPa時進(jìn)入混合制冷劑預(yù)冷管箱13，在管箱13內(nèi)再分配于混合制冷劑預(yù)冷管束10各支管，管束10經(jīng)螺旋纏繞后在筒體6內(nèi)被節(jié)流后的混合制冷劑預(yù)冷液化，制冷劑完全液化后流至管箱20， 溫度降低至一 164°C、壓力降低至1. 38MPa ；將預(yù)冷后的混合制冷劑接管18與節(jié)流閥連接， N2-CH4混合制冷劑經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后壓力降低至0. 3MPa,節(jié)流后氮溫度變?yōu)橐?185°C，處于氣液兩相狀態(tài)，節(jié)流后甲烷溫度變?yōu)橐?163. 5°C，處于液相過冷狀態(tài)；節(jié)流后的混合制冷劑管道連接接管5，制冷劑經(jīng)接管5進(jìn)入筒體6并向下流動冷卻天然氣管束9、預(yù)冷混合制冷劑管束10后，在一 130°C、0. 3ΜΙ^時經(jīng)接管15流出三級制冷裝置，進(jìn)入LNG 二級制冷系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.LNG低溫液化三級制冷螺旋纏繞管式換熱裝備，其特征在于LNG低溫液化三級制冷螺旋纏繞管式換熱裝備，包括LNG出口接管1、LNG出口管板2、上封頭3、混合制冷劑進(jìn)口法蘭4、混合制冷劑進(jìn)口接管5、筒體6、中心筒7、墊條8、天然氣螺旋管束9、混合制冷劑預(yù)冷管束10、混合制冷劑預(yù)冷進(jìn)口接管11、混合制冷劑預(yù)冷進(jìn)口法蘭12、混合制冷劑預(yù)冷進(jìn)口管箱13、混合制冷劑預(yù)冷進(jìn)口管板14、混合制冷劑出口接管15、LNG出口法蘭16、LNG出口管箱17、預(yù)冷后混合制冷劑出口接管18、預(yù)冷后混合制冷劑出口法蘭19、預(yù)冷后混合制冷劑出口管箱20、預(yù)冷后混合制冷劑出口管板21、上支撐圈22、耳座23、下支撐圈24、天然氣進(jìn)口接管25、天然氣進(jìn)口法蘭沈、天然氣進(jìn)口管箱27、天然氣進(jìn)口管板觀、下封頭四、混合制冷劑出口接管法蘭30，其特征在于天然氣螺旋管束9、混合制冷劑預(yù)冷管束10繞中心筒 7纏繞，纏繞后的管芯安裝于筒體6內(nèi)；中心筒7—端安裝上支撐圈22，一端安裝下支撐圈 24,上支撐圈22固定于筒體6上部，下支撐圈M固定于筒體6下部，天然氣螺旋管束9、混合制冷劑預(yù)冷管束10纏繞于上支撐圈22與下支撐圈M之間；筒體6上部與封頭3連接， 封頭3頂部安裝管板2，管板2底部連接管束9，頂部安裝管箱17，管箱17頂部安裝接管1， 接管1頂部安裝法蘭16 ；筒體6下部與封頭四連接，封頭四頂部安裝制冷劑出口接管15 ，接管15頂部安裝法蘭30 ；筒體6上部左側(cè)安裝制冷劑進(jìn)口接管5，右側(cè)安裝制冷劑預(yù)冷出口管板21，管板21左側(cè)連接混合制冷劑預(yù)冷管束10出口，右側(cè)連接管箱20 ；筒體6下部左側(cè)安裝制冷劑預(yù)冷進(jìn)口管板14，管板14右側(cè)連接混合制冷劑預(yù)冷管束10進(jìn)口，左側(cè)連接管箱13 ；筒體6下部右側(cè)安裝天然氣進(jìn)口管板觀，天然氣進(jìn)口管板觀左側(cè)連接天然氣螺旋管束9進(jìn)口，右側(cè)連接管箱27 ；筒體6中部安裝耳座23。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LNG低溫液化三級制冷螺旋纏繞管式換熱裝備，其特征在于 N2-CH4混合制冷劑在一 120°C及1. 58MPa時進(jìn)入混合制冷劑預(yù)冷管箱13，在管箱13內(nèi)再分配于混合制冷劑預(yù)冷管束10各支管，管束10經(jīng)螺旋纏繞后在筒體6內(nèi)被節(jié)流后的N2_ CH4混合制冷劑預(yù)冷液化；制冷劑完全液化后流至管箱20，溫度降低至一 164°C、壓力降低至1. 38MPa，再經(jīng)安裝于接管18與接管5之間的節(jié)流閥節(jié)流，節(jié)流后壓力降低至0. 3MPa，節(jié)流后氮溫度變?yōu)橐?185°C，處于氣液兩相狀態(tài)，節(jié)流后甲烷溫度變?yōu)橐?163.5°C，處于液相過冷狀態(tài)，節(jié)流后混合制冷劑為氣液兩相，經(jīng)接管5進(jìn)入筒體6并向下流動冷卻天然氣螺旋管束9、預(yù)冷混合制冷劑管束10后，在一 130°C、0. 3MPa時經(jīng)接管15流出三級制冷裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LNG低溫液化三級制冷螺旋纏繞管式換熱裝備，其特征在于 天然氣在一 120°C、5. 5MPa時進(jìn)入天然氣進(jìn)口管箱27，在管箱27內(nèi)再分配于天然氣螺旋管束9各支管，管束9經(jīng)螺旋纏繞后在筒體6內(nèi)與節(jié)流后的N2_CH4混合制冷劑進(jìn)行換熱，溫度降低至一 161°C、壓力降低至5. 3MPa時完全液化并過冷，過冷后流至管箱17，再經(jīng)接管1 流出三級制冷裝置，節(jié)流降壓后送入LNG貯罐。
全文摘要
本發(fā)明屬天然氣低溫液化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種LNG三級低溫液化過程裝備及混合制冷劑制冷技術(shù)，應(yīng)用一定配比的非共沸N2—CH4混合制冷劑在兩股流螺旋纏繞管式換熱器內(nèi)將6.0MPa、－120℃天然氣冷卻至－164℃并液化，以便LNG過冷貯存及方便運輸；三級制冷螺旋纏繞管式換熱器首先預(yù)冷并液化非共沸N2—CH4混合制冷劑，混合制冷劑液化后被節(jié)流至殼程冷卻來自二級的出口溫度為－120℃的LNG管束及N2—CH4混合制冷劑預(yù)冷管束，使管程內(nèi)天然氣及預(yù)冷制冷劑均被液化，達(dá)到混合制冷劑節(jié)流前預(yù)冷及天然氣低溫液化目的；其結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高，可用于混合氣體帶相變低溫?fù)Q熱，解決LNG三級低溫技術(shù)難題，提高LNG系統(tǒng)低溫?fù)Q熱效率。
文檔編號F28D7/02GK102538387SQ201110373110
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者張周衛(wèi), 張小衛(wèi), 李振國, 李瑞明, 汪雅紅, 魯小軍 申請人:張周衛(wèi)