高效多級節(jié)流天然氣液化設(shè)備及液化天然氣的制備方法
【專利摘要】一種高效多級節(jié)流天然氣液化設(shè)備，包括天然氣進料管、LNG儲罐、制冷劑壓縮機、制冷劑分離罐及冷箱，其特征在于：所述冷箱內(nèi)設(shè)有主、副換熱器，天然氣進料管依次通過主、副換熱器后與LNG儲罐的進料口相連，副換熱器與LNG儲罐之間設(shè)有第四節(jié)流閥，制冷劑分離罐為五個。采用分段來實現(xiàn)供給所需的冷量，將液化過程的熵增降至最小，效率接近階式循環(huán)。從根本上解決了現(xiàn)有天然氣液化設(shè)備制冷循環(huán)冷量利用率低、壓縮機的熵損失高、結(jié)構(gòu)復雜等問題。
【專利說明】高效多級節(jié)流天然氣液化設(shè)備及液化天然氣的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體液化系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種高效多級節(jié)流天然氣液化設(shè)備及液化天然氣的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年，國內(nèi)國產(chǎn)及進口天然氣液化裝置每天的液化量約I億立方米，降低天然氣液化、貯存、汽化各環(huán)節(jié)的能量消耗是設(shè)計建造天然氣液化裝置最重要的一環(huán)。高效多級節(jié)流天然氣液化裝置是高效節(jié)能型天然氣液化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。天然氣液化裝置日前通常采用混合制冷劑制循環(huán)(MRC)工藝，該工藝主要采用N2和Cf C5烴類的混合物作為循環(huán)制冷劑?；旌侠鋭┑慕M成比例根據(jù)天然氣原料的組成、壓力、工藝流程而異，因此對制冷劑的配比和原料氣的氣質(zhì)要求更為嚴格，一旦確定是不易更改的。即使?jié)M足該條件，要使整個液化過程(25°C?_162°C)所需冷量與制冷劑所提供的冷量完全匹配是達不到的，而只能趨近與冷卻曲線?，F(xiàn)有多級節(jié)流流程的對溫度點劃分的流程優(yōu)化及與換熱器結(jié)構(gòu)對接仍存在較大問題，混合制冷劑循環(huán)流程的效率較低。若不能妥善處理，勢必會增加液化系統(tǒng)功耗，提高生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種高效多級節(jié)流天然氣液化設(shè)備及液化天然氣的制備方法，采用分段來實現(xiàn)供給所需的冷量，將液化過程的熵增降至最小，效率接近階式循環(huán)。從根本上解決了現(xiàn)有天然氣液化設(shè)備制冷循環(huán)冷量利用率低、壓縮機的熵損失高、結(jié)構(gòu)復雜等問題。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:該高效多級節(jié)流天然氣液化設(shè)備包括天然氣進料管、LNG儲罐、制冷劑壓縮機、制冷劑分離罐及冷箱，其特征在于:所述冷箱內(nèi)設(shè)有主、副換熱器，天然氣進料管依次通過主、副換熱器后與LNG儲罐的進料口相連，副換熱器與LNG儲罐之間設(shè)有第四節(jié)流閥；
制冷劑分離罐為五個，制冷劑壓縮機的出口與第五制冷劑分離罐的進料口相連，第五制冷劑分離罐的氣相出口與第二制冷劑分離罐的進料口相連并通過主換熱器，第五制冷劑分離罐的液相出口與第一制冷劑分離罐的進料口相連并通過主換熱器，且在主換熱器與第一制冷劑分離罐之間設(shè)有第一節(jié)流閥；
第四制冷劑分離罐的氣相、液相出口分別與第三制冷劑分離罐的進料口相連，并同時通過副換熱器；
第三制冷劑分離罐的氣相、液相出口分別與制冷劑壓縮機的入口相連，并同時通過主換熱器；
第二制冷劑分離罐的氣相出口與第四制冷劑分離罐的進料口相連并依次通過主、副換熱器，且在副換熱器與第四制冷劑分離罐之間設(shè)有第三節(jié)流閥，第二制冷劑分離罐的液相出口與第三制冷劑分離罐的進料口相連并通過主換熱器，且在主換熱器與第二制冷劑分離罐之間設(shè)有第二節(jié)流閥；
第一制冷劑分離罐的氣相、液相出口分別與制冷劑壓縮機的入口相連，并同時通過主換熱器。
[0005]采用上述設(shè)備制備液化天然氣的方法:制冷劑通過制冷劑壓縮機壓縮后進入第五制冷劑分離罐的進料口，第五制冷劑分離罐的氣相經(jīng)過主換熱器降溫后，進入第二制冷劑分離罐的進料口 ；第五制冷劑分離罐的液相經(jīng)過主換熱器后溫度為-73.6°C，壓強為
.3.46MPa，經(jīng)第一節(jié)流閥降溫減壓至_82°C，0.3MPa后，進入第一制冷劑分離罐的進料口 ；
第二制冷劑分離罐的氣相依次通過主、副換熱器后的溫度為_155°C，氣壓為3.46MPa，經(jīng)第三節(jié)流閥降溫減壓至-169.6°C,0.34MPa后進入第四制冷劑分離罐的進料口 ；第二制冷劑分離罐的液相溫度為_142°C，壓強為3.46MPa，經(jīng)第二節(jié)流閥降溫減壓至-144.8°C,
.0.32MPa后，進入主換熱器為其他管路的制冷劑和天然氣降溫；
第四制冷劑分離罐的氣、液相經(jīng)副換熱器換熱后，同時進入第三制冷劑分離罐的進料口，第三制冷劑分離罐的氣、液相同時進入主換熱器，為通過主換熱器其他管路的制冷劑和天然氣降溫，然后進入制冷劑壓縮機的進料口 ；
第一制冷劑分離罐的氣、液兩相進入主換熱器為其他管路的制冷劑和天然氣降溫，然后進入制冷劑壓縮機的進料口 ；通過上述方式，使制冷劑在設(shè)備中循環(huán)，天然氣經(jīng)過副換熱器后溫度為-162°C，壓強為5.276MPa，經(jīng)第四節(jié)流閥減壓至0.1MPa后，通入LNG儲罐。
[0006]所述制冷劑為N2和Cf C5烴類的混合物。優(yōu)選的，上述混合物中各組分的摩爾含量為:氮氣15~25%、甲烷20~30%、乙烯20~30%、丙烷10~20%、異戊烷10~20%。
[0007]本發(fā)明具有的優(yōu)點及積極的技術(shù)效果是:通過增加制冷劑循環(huán)的級數(shù)，有效減少了換熱器的熵損失，提高了冷量利用率?？赏ㄟ^提高壓縮機的效率和增加壓縮機的級數(shù)來減少壓縮機的能量損失，可以有效降低壓縮機的熵損失，提高壓縮機的軸功率。按冷劑沸點的不同，通過三級節(jié)流達到逐步降溫，使制冷劑在不同溫區(qū)節(jié)流，供冷，充分體現(xiàn)熱力學特性，從而提高液化效率，降低系統(tǒng)功耗。綜上所述，采用本發(fā)明的多級節(jié)流天然氣液化設(shè)備，不但縮小了熱流的換熱溫差，提高換熱器換熱效率，而且避免了由于增加換熱器進口帶來的結(jié)構(gòu)復雜問題。產(chǎn)品質(zhì)量更優(yōu)，設(shè)備能量損耗更低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0009]圖1是本發(fā)明的工藝流程圖；
圖2是本發(fā)明節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖中序號說明:1主換熱器、2副換熱器、3第三制冷劑分離罐、4第四制冷劑分離罐、5第一制冷劑分離罐、6第二制冷劑分離罐、7制冷劑壓縮機、8第五制冷劑分離罐、9LNG儲罐、10第一節(jié)流閥、11第二節(jié)流閥、12第三節(jié)流閥、13第四節(jié)流閥。
【具體實施方式】
[0011]實施例1
根據(jù)圖1-2詳細說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)。該高效多級節(jié)流天然氣液化設(shè)備包括天然氣進料管、LNG儲罐、制冷劑壓縮機、制冷劑分離罐及冷箱等部分。其中，冷箱內(nèi)設(shè)有主換熱器1、副換熱器2，天然氣進料管依次通過主換熱器1、副換熱器2后與LNG儲罐9的進料口相連，副換熱器與LNG儲罐9之間設(shè)有第四節(jié)流閥13。
[0012]制冷劑分離罐為五個，制冷劑壓縮機7的出口與第五制冷劑分離罐8的進料口相連，第五制冷劑分離罐8的氣相出口與第二制冷劑分離罐6的進料口相連并通過主換熱器，第五制冷劑分離罐8的液相出口與第一制冷劑分離罐5的進料口相連并通過主換熱器，且在主換熱器與第一制冷劑分離罐5之間設(shè)有第一節(jié)流閥10。
[0013]第四制冷劑分離罐4的氣相、液相出口分別與第三制冷劑分離罐3的進料口相連，并同時通過副換熱器。
[0014]第三制冷劑分離罐3的氣相、液相出口分別與制冷劑壓縮機7的入口相連，并同時通過主換熱器。
[0015]第二制冷劑分離罐6的氣相出口與第四制冷劑分離罐4的進料口相連并依次通過主換熱器1、副換熱器2，且在副換熱器與第四制冷劑分離罐4之間設(shè)有第三節(jié)流閥12，第二制冷劑分離罐6的液相出口與第三制冷劑分離罐3的進料口相連并通過主換熱器，且在主換熱器與第二制冷劑分離罐6之間設(shè)有第二節(jié)流閥11。
[0016]第一制冷劑分離罐5的氣相、液相出口分別與制冷劑壓縮機7的入口相連，并同時通過主換熱器。
[0017]利用循環(huán)制冷劑(N2和CfC5烴類的混合物)各組分沸點的不同，在主、副換熱器內(nèi)冷凝并過冷經(jīng)過節(jié)流閥(可選用焦耳-湯姆遜節(jié)流膨脹閥，簡稱J-T閥)，減壓進入返流制冷劑中依次冷卻不同溫區(qū)的原料天然氣及正流制冷劑，出冷箱的返流制冷劑復熱后進入制冷劑壓縮機7循環(huán)壓縮，出制冷劑壓縮機7后返流進入冷箱。
[0018]本發(fā)明的液化天然氣(PNG)制備方法如下:制冷劑通過制冷劑壓縮機7 (可選用離心壓縮機)壓縮后進入第五制冷劑分離罐8的進料口產(chǎn)生氣、液兩相，第五制冷劑分離罐8的氣相經(jīng)過主換熱器I由主換熱器I中的其他管路的返流制冷劑提供的冷量使氣相降溫，進入第二制冷劑分離罐6的進料口產(chǎn)生氣、液兩相。第五制冷劑分離罐8的液相經(jīng)過主換熱器I后被返流的制冷劑預冷降溫至-73.6°C，壓強為3.46MPa，經(jīng)第一節(jié)流閥10降溫減壓至-82°C，0.3MPa后，進入第一制冷劑分離罐5的進料口產(chǎn)生氣、液兩相返流，為主換熱器I提供預冷冷量，使進入冷箱的制冷劑和天然氣預冷降溫后進入制冷劑壓縮機7再次循環(huán)。
[0019]第二制冷劑分離罐6的氣相依次通過主換熱器1、副換熱器2后的溫度為_155°C，氣壓為3.46MPa，冷量由換熱器中的返流制冷劑提供，經(jīng)第三節(jié)流閥12降溫減壓至-169.6°C，0.34MPa后進入第四制冷劑分離罐4的進料口產(chǎn)生氣、液兩相。第二制冷劑分離罐6的液相溫度為_142°C，壓強為3.46MPa，經(jīng)第二節(jié)流閥11降溫減壓至-144.8°C,
0.32MPa后，進入主換熱器I產(chǎn)生的冷量為其他管路的制冷劑和天然氣預冷降溫。
[0020]第四制冷劑分離罐4的氣、液相經(jīng)過副換熱器2換熱，為副換熱器2中其他管路的制冷劑和天然氣提供冷量，使制冷劑和天然氣深度降溫液化。同時進入第三制冷劑分離罐3的進料口產(chǎn)生氣、液兩相，第三制冷劑分離罐3的氣、液相返流同時進入主換熱器1，為通過主換熱器I其他管路的制冷劑和天然氣降溫，然后進入制冷劑壓縮機7的進料口再次壓縮循環(huán)。
[0021]第一制冷劑分離罐5的氣、液兩相進入主換熱器I為其他管路的制冷劑和天然氣降溫，然后進入制冷劑壓縮機7的進料口。通過上述方式，使制冷劑在設(shè)備中循環(huán)，并通過三級減壓，有效的提高了制冷劑的冷涼利用率，高效高產(chǎn)地使天然氣液化。天然氣進入冷箱后，在通過主換熱器I和副換熱器2時，被返流的低溫制冷劑冷卻，當天然氣在經(jīng)過副換熱器2的時候溫度已經(jīng)達到_162°C (天然氣的在I標準大氣壓下的沸點約為-162.49°C)，形成了液化天然氣壓強為5.276MPa。在其經(jīng)過第四節(jié)流閥13節(jié)流閥減壓至0.1MPa后，LNG通入LNG儲iip 9 ο
[0022]隨著制冷循環(huán)的級數(shù)增加，制冷系統(tǒng)的功耗降低，制冷系數(shù)和熵效率增加，但級數(shù)的增加對制冷性能的影響減小。制冷循環(huán)的級數(shù)增加會增加流程的復雜性，降低可操作性，不同規(guī)模的制冷系統(tǒng)的最優(yōu)級數(shù)不同，規(guī)模越大，最優(yōu)級數(shù)越多。
[0023]以一套日產(chǎn)50萬立方米天然氣的液化設(shè)備為例，傳統(tǒng)的工藝設(shè)備投入為800^1000萬元，若采用上述PNG的制備方法后，可減少設(shè)備投入24~30萬，減少換熱器體積3%，節(jié)能3.5% (每小時節(jié)能約292kW.h)。電費以Υ0.7/ kW.h計，則每年可節(jié)約163.52萬元，同時減少C02的排放，具有非?？捎^的社會效益和經(jīng)濟效益。
[0024]制冷劑中各組分的摩爾含量為:氮氣25%、甲烷20%、乙烯25%、丙烷10%、異戊烷20%。
[0025]實施例2
設(shè)備結(jié)構(gòu)、制備過程均與實施例1相同，其中制冷劑中各組分的摩爾含量為:氮氣15%、甲烷30%、乙烯30%、丙烷10%、異戊烷15%。
[0026]實施例3
設(shè)備結(jié)構(gòu)、制備過程均與實施例1相同，其中制冷劑中各組分的摩爾含量為:氮氣20%、甲烷25%、乙烯25%、丙烷15%、異戊烷10%。
[0027]實施例4
設(shè)備結(jié)構(gòu)、制備過程均與實施例1相同，其中制冷劑中各組分的摩爾含量為:氮氣25%、甲烷25%、乙烯25%、丙烷10%、異戊烷10%。
[0028]本發(fā)明制備方法中所述的壓強均是指絕對壓強。
【權(quán)利要求】
1.一種高效多級節(jié)流天然氣液化設(shè)備，包括天然氣進料管、LNG儲罐、制冷劑壓縮機、制冷劑分離罐及冷箱，其特征在于:所述冷箱內(nèi)設(shè)有主、副換熱器，天然氣進料管依次通過主、副換熱器后與LNG儲罐的進料口相連，副換熱器與LNG儲罐之間設(shè)有第四節(jié)流閥； 制冷劑分離罐為五個，制冷劑壓縮機的出口與第五制冷劑分離罐的進料口相連，第五制冷劑分離罐的氣相出口與第二制冷劑分離罐的進料口相連并通過主換熱器，第五制冷劑分離罐的液相出口與第一制冷劑分離罐的進料口相連并通過主換熱器，且在主換熱器與第一制冷劑分離罐之間設(shè)有第一節(jié)流閥； 第四制冷劑分離罐的氣相、液相出口分別與第三制冷劑分離罐的進料口相連，并同時通過副換熱器； 第三制冷劑分離罐的氣相、液相出口分別與制冷劑壓縮機的入口相連，并同時通過主換熱器； 第二制冷劑分離罐的氣相出口與第四制冷劑分離罐的進料口相連并依次通過主、副換熱器，且在副換熱器與第四制冷劑分離罐之間設(shè)有第三節(jié)流閥，第二制冷劑分離罐的液相出口與第三制冷劑分離罐的進料口相連并通過主換熱器，且在主換熱器與第二制冷劑分離罐之間設(shè)有第二節(jié)流閥； 第一制冷劑分離罐的氣相、液相出口分別與制冷劑壓縮機的入口相連，并同時通過主換熱器。
2.一種采用權(quán)利要求1所述的天然氣 液化設(shè)備制備液化天然氣的方法，其特征在于:制冷劑通過制冷劑壓縮機壓縮后進入第五制冷劑分離罐的進料口，第五制冷劑分離罐的氣相經(jīng)過主換熱器降溫后，進入第二制冷劑分離罐的進料口 ；第五制冷劑分離罐的液相經(jīng)過主換熱器后溫度為-73.6V’壓強為3.46MPa，經(jīng)第一節(jié)流閥降溫減壓至_82°C，0.3MPa后，進入第一制冷劑分離罐的進料口； 第二制冷劑分離罐的氣相依次通過主、副換熱器后的溫度為_155°C，氣壓為3.46MPa，經(jīng)第三節(jié)流閥降溫減壓至_169.6°C，0.34MPa后進入第四制冷劑分離罐的進料口 ；第二制冷劑分離罐的液相溫度為_142°C，壓強為3.46MPa，經(jīng)第二節(jié)流閥降溫減壓至-144.8°C，0.32MPa后，進入主換熱器為其他管路的制冷劑和天然氣降溫； 第四制冷劑分離罐的氣、液相經(jīng)副換熱器換熱后，同時進入第三制冷劑分離罐的進料口，第三制冷劑分離罐的氣、液相同時進入主換熱器，為通過主換熱器其他管路的制冷劑和天然氣降溫，然后進入制冷劑壓縮機的進料口 ； 第一制冷劑分離罐的氣、液兩相進入主換熱器為其他管路的制冷劑和天然氣降溫，然后進入制冷劑壓縮機的進料口 ；通過上述方式，使制冷劑在設(shè)備中循環(huán)，天然氣經(jīng)過副換熱器后溫度為-162°C，壓強為5.276MPa，經(jīng)第四節(jié)流閥減壓至0.1MPa后，通入LNG儲罐。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備液化天然氣的方法，其特征在于:所述制冷劑為N2和C1~C5烴類的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備液化天然氣的方法，其特征在于:所述制冷劑中各組分的摩爾含量為:氮氣15~25%、甲烷20~30%、 乙烯20~30%、丙烷10~20%、異戊烷10~20%。
【文檔編號】F25J1/02GK103673501SQ201310668986
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】楊光達, 邢志輝, 孟繁宇 申請人:遼寧哈深冷氣體液化設(shè)備有限公司