一種混合製冷劑與氮膨脹組合製冷式天然氣液化方法
2023-08-08 16:36:16
專利名稱：一種混合製冷劑與氮膨脹組合製冷式天然氣液化方法
技術領域：
本發明屬於氣體液化技術領域，涉及一種天然氣液化工藝方法，特別是一種採用 混合製冷劑循環與氮膨脹循環組合製冷式天然氣液化方法。
背景技術：
目前，國內外用於天然氣液化的工藝主要有氮膨脹製冷工藝、階式製冷工藝、單 混合製冷劑工藝、帶丙烷預冷的混合製冷工藝和雙混合製冷劑工藝等多種工藝方法，這些 工藝均有各自的優缺點。氮膨脹製冷工藝簡單，但效率低，只能用於調峰型等規模較小的 液化裝置；階式製冷工藝效率較高，由於三個製冷循環都是純組分，設計計算及操作等比較 方便，但該工藝設備和壓縮機組多，對製冷劑純組分的純度要求高，換熱設備多且較複雜， 設備投資高；單混合製冷劑工藝流程簡單，效率相對於階式製冷工藝較低，由於只有一個制 冷循環，且節流後的氣態製冷劑壓力低，因此氣態製冷劑體積流量大，應用於中到大型裝置 時受到壓縮機、冷箱等設備的限制，故一般只應用於中小規模的液化裝置，該工藝另外一個 缺點是由於製冷劑的工作溫度範圍大，須有嚴格的製冷劑組分配比，否則熱效率會有較大 下降，因此需要外購和儲存多個製冷劑純組分，配置較困難，開工慢；帶預冷的混合製冷劑 工藝與雙級混合製冷劑工藝等都具有較高的熱效率，且都可以應用於大型的天然氣液化裝 置，但是這兩種工藝較複雜，設備數量較多，且製冷劑系統具有與單混合製冷劑系統類似的 缺點，即製冷劑組分比例較嚴格、配置較困難，開工慢、外購和存儲多個純組分等，因此一般 只應用於大型的液化天然氣裝置時才體現出經濟價值。歸結現有技術的缺點，尋求設計一 種能克服現有技術主要缺點的天然氣液化工藝方法具有明顯的科學和經濟價值。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的缺點，尋求設計並提供一種操作方便，液 化效率高，可用於中到大型規模的天然氣液化工藝方法，將混合製冷循環工藝與氮膨脹制 冷工藝有機的組合形成天然氣液化工藝。為了實現上述發明目的，本發明的工藝過程包括天然氣預處理、脫重烴、預冷、 液化、過冷、補充製冷劑、混合製冷劑循環、氮氣膨脹製冷循環和LNG儲存；先將經過脫 酸性氣、脫水等預處理後的天然氣(脫酸性氣、脫水部分不屬本發明內容)進入天然氣 液化段冷箱，控制壓力為4 IOMpa在液化段冷箱中由混合製冷劑(甲烷 戊烷的混合 物)的汽化製冷，將高壓下的天然氣進行液化，液化天然氣(LNG)離開液化段冷箱的溫度 為-75°C -110°C (依原料氣組成及壓力而定)；LNG進入過冷段冷箱後冷卻至-150°C左 右，經液體膨脹機減壓至儲罐壓力並進一步降溫至-160°C左右(J-T閥作為液體膨脹機的 旁路和備用)，產生的BOG為預處理段脫水前天然氣預冷，然後壓縮後作燃料氣；在混合制 冷劑循環過程中，低壓下的氣態混合製冷劑經過兩級壓縮和水冷或空冷後，部分混合製冷 劑冷凝為液體後進入天然氣液化段冷箱換熱被冷凝為液體，溫度為_75°C -110°C，再經 過混合製冷劑J-T閥降壓和減溫後汽化返回液化段冷箱；另一部分混合製冷劑進入氮氣換熱器，在液化段冷箱中完全汽化後返回混合製冷劑一級壓縮機入口，並將天然氣和高壓 的混合製冷劑冷凝為液體；在氮氣膨脹製冷循環中，氮氣經三級壓縮和冷卻後進入氮氣換 熱器，與從過冷段冷箱返回的低溫氮氣換熱，氮氣換熱器中引入一部分經混合製冷劑J-T 閥降壓後的混合製冷劑補充換熱，改善氮氣之間的換熱效果；高壓氮氣經換熱降溫，進入 氮氣膨脹機減壓和降溫後進入過冷段冷箱冷端與LNG換熱，將LNG冷卻至-150°C後再與 高壓氮氣換熱升溫後回到氮氣一級壓縮機入口 ；氮氣第三級壓縮機由氮氣膨脹機直接驅 動；對天然氣中的碳六以上重烴在液化前進行脫重烴是將天然氣在液化段冷箱中的溫度調 為_30°C (依原料氣性質定)，抽出後進入脫重烴塔，脫重烴塔頂的氣體進入液化段冷箱，降 溫10°C 20°C後經氣液分離，氣體返回液化段冷箱並進入後續的液化過程，液體作為脫重 烴塔的回流；當需要補充製冷劑時，從脫重烴塔的回流抽出部分液體，經降壓並進行氣液分 離，氣體進入燃料氣系統，液體經製冷劑汽化器汽化後補充到混合製冷劑一級壓縮機入口 的混合製冷劑緩衝罐。本發明的混合製冷劑由脫重烴工序製取，不需進行製冷劑組分的配置；天然氣脫 重烴塔頂與液化段冷箱之間物流的組合方式採用從烴塔塔頂氣體進入液化段冷箱進一步 降溫，然後氣液分離，液相回到脫重烴塔頂回流，天然氣液化後降壓過程採用液體膨脹機可 提高流程效率，降低壓縮功耗，以J-T閥作為備用；混合製冷劑製冷循環和氮氣膨脹製冷循 環的組合來達到天然氣的預冷、液化、過冷過程；兩種製冷循環的分界點是高壓下天然氣的 液化溫度加適當的過冷度；混合製冷劑循環和氮氣膨脹循環是兩個獨立的製冷循環，有各 自的壓縮機、冷卻器、冷箱組成；氮氣換熱有部分冷量來自混合製冷劑，氮氣膨脹循環效率 明顯提高；混合製冷劑由甲烷至戊烷的輕烴組成，基本不含氮氣及碳六以上重組分；製冷 劑在壓縮後用水冷(或空冷)冷卻，至少有一部分製冷劑冷凝，製冷劑在J-T閥前已全部液 化，製冷劑經冷箱換熱返回壓縮機時已全部汽化，並有一定的過熱度；氮膨脹循環中氮氣始 終為氣相。本發明採用混合製冷劑製冷循環和氮膨脹製冷循環相結合的組合製冷式工藝，混 合製冷劑循環將天然氣預冷並進一步冷卻使天然氣達到高壓下的液化溫度；氮膨脹循環將 已液化的天然氣過冷至更低的溫度，達到常壓下LNG的儲存條件；一般的混合製冷劑循環 效率高，但開工啟動慢，混合製冷劑組分嚴格，且混合製冷劑工作溫度範圍越大，溫度越低， 則製冷劑組分要求越高；本發明的混合製冷劑工作溫度範圍為常溫 -iio°c，製冷劑組分 要求低，可調範圍寬，同時雖然混合製冷劑製冷溫度範圍變小，但仍然集中了天然氣液化過 程中約70%的製冷負荷，故熱效率較高；傳統的氮膨脹工藝具有安全、啟動迅速、設備簡單 等優點，缺點是製冷效率低，特別是「高溫段」製冷時相對於混合製冷劑系統效率很低；氮膨 脹循環在低溫段如-ioo°c以下時製冷效率較高；在裝置內製取混合製冷劑的混合組分，可 減少裝置的複雜性和操作勞動強度；同時製冷劑最低溫度為-ioo°c左右，故節流後混合制 冷劑壓力比一般的混合製冷劑工藝高，從而降低氣態混合製冷劑的體積流量，減少設備體 積；本發明工藝的熱效率高、氣態製冷劑體積流量小、製冷劑系統簡單等特點可用於中到大 型天然氣液化裝置，相對於可大型化的丙烷預冷的混合製冷劑工藝、雙混合製冷劑工藝和 階式製冷工藝都簡單，設備投資低且可大大簡化製冷劑的存儲和配置問題；該方法如在將 來的海上浮式液化天然氣生產裝置中應用，在特定海況和規模下可能比其它製冷工藝有較 好的適應性；本發明製冷劑系統由原料氣中製取，與原料氣組成有一定的相關性，可調範圍寬，同時由於氮膨脹循環對不同天然氣的適應性強，故整體工藝對不同性質和組成的天然 氣具有較好的適應性。
圖1為本發明涉及的組合工藝流程及裝置結構原理示意圖，其中101 110為天 然氣或液化天然氣物流；111 118為脫重烴塔及製冷劑補充系統中物流；121 131為混 合製冷劑製冷循環中物流；140 149為氮膨脹製冷循環中物流。
具體實施例方式下面結合附圖並通過實施例對本發明做進一步說明。實施例本實施例涉及的工藝及裝置系統包括混合製冷劑製冷單元、混合製冷劑壓縮單 元、氮膨脹製冷單元、氮氣壓縮單元、脫重烴單元和混合製冷劑製取補充單元；所使用的裝 置主體包括液化段冷箱201、過冷段冷箱205、氮氣換熱器220、LNG J-T閥207、液體膨脹機 206、LNG儲罐208、混合製冷劑J-T閥218、混合製冷劑緩衝罐213、混合製冷劑一級壓縮機 214、混合製冷劑一級冷卻器215、混合製冷劑二級壓縮機216、混合製冷劑二級冷卻器217、 氮氣一級壓縮機221、氮氣一級冷卻器222、氮氣二級壓縮機223、氮氣二級冷卻器224、氮氣 三級壓縮機225、氮氣三級冷卻器226、氮氣膨脹機227、脫重烴塔202、回流罐203、回流泵 204、製冷劑減壓閥210、製冷劑分離罐211和製冷劑汽化器212 ；預處理後的天然氣與液化 段冷箱201的入口連接，液化段冷箱201的出口與脫重烴塔202入口連接，脫重烴塔202的 上部出口與液化段冷箱201入口連接，液化段冷箱201的出口與回流罐203入口連接，回流 罐203上部出口與液化段冷箱201的入口連接，液化段冷箱201的出口與過冷段冷箱205 入口連接，過冷段冷箱205出口與並聯的LNG J-T閥207和液體膨脹機206連接，LNGJ-T 閥207和液體膨脹機206出口合併後與LNG儲罐208連接；脫重烴塔202下部出口連接氣 體分離單元(不屬本發明內容)；回流罐203下部出口與回流泵204入口連接，回流泵204 出口一部分與脫重烴塔202入口連接，另一部分與製冷劑減壓閥210入口連接，製冷劑減壓 閥210出口與製冷劑分離罐211入口連接，製冷劑分離罐211下部出口與製冷劑汽化器212 入口連接，製冷劑汽化器212出口與混合製冷劑緩衝罐213入口連接；混合製冷劑一級壓縮 機214的入口與混合製冷劑緩衝罐213出口連接，混合製冷劑一級壓縮機214出口與混合 製冷劑一級冷卻器215入口連接，混合製冷劑一級冷卻器215出口與混合製冷劑二級壓縮 機216入口連接，混合製冷劑二級壓縮機216出口與混合製冷劑二級冷卻器217入口連接， 混合製冷劑二級冷卻器217出口與液化段冷箱201入口連接，液化段冷箱201出口與混合 製冷劑J-T閥218入口連接，混合製冷劑J-T閥218出口一部分與液化段冷箱201入口連 接，另外一部分與氮氣換熱器220入口連接；液化段冷箱201出口與混合製冷劑緩衝罐213 入口連接，氮氣換熱器220出口與混合製冷劑緩衝罐213入口連接，混合製冷劑緩衝罐213 出口連接混合製冷劑一級壓縮機214入口 ；氮氣一級壓縮機221入口與氮氣換熱器220出 口連接，氮氣一級壓縮機221入口與氮氣一級冷卻器222入口連接，氮氣一級冷卻器222入 口與氮氣二級壓縮機223入口連接，氮氣二級壓縮機223入口與氮氣二級冷卻器224連接， 氮氣二級冷卻器224出口與氮氣三級壓縮機225入口連接，氮氣三級壓縮機225出口與氮氣三級冷卻器226入口連接，氮氣三級冷卻器226出口與氮氣換熱器220入口連接，氮氣換 熱器220出口與氮氣膨脹機227入口連接，氮氣膨脹機227出口與過冷段冷箱205入口連 接，過冷段冷箱205出口與氮氣換熱器220入口連接，氮氣換熱器220出口與氮氣一級壓縮 機221入口連接，組成組合製冷式天然氣液化系統裝置。本實施例的工藝過程包括天然氣預處理、脫重烴、預冷、液化、過冷、補充製冷劑、 混合製冷劑循環、氮氣膨脹製冷循環和LNG儲存；先將經過脫酸性氣、脫水預處理後的天 然氣進入天然氣液化段冷箱201，控制壓力為4 IOMpa在液化段冷箱201中由混合製冷 劑的汽化製冷將高壓下的天然氣進行液化，液化天然氣(LNG)離開液化段冷箱201的溫度 為-75°C -110°C (依原料氣組成及壓力而定)；LNG進入過冷段冷箱205後冷卻至-150°C 左右，經液體膨脹機206減壓至儲罐壓力並進一步降溫至-160°C左右，產生的BOG為預處 理段脫水前天然氣預冷，然後壓縮後作燃料氣；在混合製冷劑循環過程中，低壓下的氣態混 合製冷劑經過兩級壓縮和水冷或空冷後，部分混合製冷劑冷凝為液體後進入天然氣液化段 冷箱201換熱被冷凝為液體，溫度為_75°C -110°C，再經過混合製冷劑J-T閥218降壓和 減溫後汽化返回液化段冷箱201，另一部分製冷劑進入氮氣換熱器220，在液化段冷箱201 中完全汽化後返回混合製冷劑一級壓縮機214入口，並將天然氣和高壓的製冷劑冷凝為液 體；在氮氣膨脹製冷循環中，氮氣經三級壓縮和冷卻後進入氮氣換熱器220，與從過冷段冷 箱205返回的低溫氮氣換熱，氮氣換熱器220中引入一部分經混合製冷劑J-T閥218降壓 後的混合製冷劑補充換熱，改善氮氣之間的換熱效果；高壓氮氣經換熱降溫，進入氮氣膨脹 機227減壓和降溫後，進入過冷段冷箱205冷端，與LNG換熱，將LNG其冷卻至_150°C後再 與高壓氮氣換熱升溫後回到氮氣一級壓縮機221入口 ；氮氣三級壓縮機225由氮氣膨脹機 227直接驅動；對天然氣中的碳六以上重烴在液化前進行的脫重烴，將天然氣在液化段冷 箱201中的溫度調為-30°C (依原料氣性質定)，抽出後進入脫重烴塔202，脫重烴塔202頂 的氣體進入液化段冷箱201，降溫10°C 20°C後經氣液分離，氣體返回液化段冷箱201並進 入後續的液化過程，液體作為脫重烴的回流；當需要補充製冷劑時，從脫重烴塔202的回流 抽出部分液體，經降壓並進行氣液分離，氣體進入燃料氣系統，液體經製冷劑汽化器212汽 化後補充到混合製冷劑一級壓縮機214入口的混合製冷劑緩衝罐213。本實施例中天然氣的流量為lOOOOkmol/h，壓力為50bar，溫度為35°C，進入液化
單元的天然氣摩爾組成為
權利要求
一種混合製冷劑與氮膨脹組合製冷式天然氣液化方法，其特徵在於先將經過脫酸性氣、脫水等預處理後的天然氣進入天然氣液化段冷箱，控制壓力為4～10Mpa在液化段冷箱中由混合製冷劑汽化製冷，將高壓下的天然氣進行液化，液化天然氣(LNG)離開液化段冷箱的溫度為 75℃～ 110℃；LNG進入過冷段冷箱後冷卻至 150℃，經液體膨脹機減壓至儲罐壓力並進一步降溫至 160℃，產生的BOG為預處理段脫水前天然氣預冷，然後壓縮作燃料氣；在混合製冷劑循環過程中，低壓下的氣態混合製冷劑經過兩級壓縮和水冷或空冷後，部分混合製冷劑冷凝為液體後進入天然氣液化段冷箱換熱被冷凝為液體，溫度為 75℃～ 110℃，再經過混合製冷劑J T閥降壓和減溫後汽化返回液化段冷箱；另一部分混合製冷劑進入氮氣換熱器，在液化段冷箱中完全汽化後返回混合製冷劑一級壓縮機入口，並將天然氣和高壓的混合製冷劑冷凝為液體；在氮氣膨脹製冷循環中，氮氣經三級壓縮和冷卻後進入氮氣換熱器，與從過冷段冷箱返回的低溫氮氣換熱，氮氣換熱器中引入一部分經混合製冷劑J T閥降壓後的混合製冷劑補充換熱，改善氮氣之間的換熱效果；高壓氮氣經換熱降溫，進入氮氣膨脹機減壓和降溫後進入過冷段冷箱冷端與LNG換熱，將LNG冷卻至 150℃後再與高壓氮氣換熱升溫後回到氮氣一級壓縮機入口；氮氣第三級壓縮機由氮氣膨脹機直接驅動；對天然氣中的碳六以上重烴在液化前進行脫重烴是將天然氣在液化段冷箱中的溫度調為 30℃，抽出後進入脫重烴塔，脫重烴塔頂的氣體進入液化段冷箱，降溫10℃～20℃後經氣液分離，氣體返回液化段冷箱並進入後續的液化過程，液體作為脫重烴塔的回流；當需要補充製冷劑時，從脫重烴塔的回流抽出部分液體，經降壓並進行氣液分離，氣體進入燃料氣系統，液體經製冷劑汽化器汽化後補充到混合製冷劑一級壓縮機入口的混合製冷劑緩衝罐。
2.根據權利要求1所述的混合製冷劑與氮膨脹組合製冷式天然氣液化方法，其特徵在 於混合製冷劑由脫重烴工序製取，不需進行製冷劑組分的配置；天然氣脫重烴塔頂與液化 段冷箱之間物流的組合方式採用從烴塔塔頂氣體進入液化段冷箱進一步降溫，然後氣液分 離，液相回到脫重烴塔頂回流，天然氣液化後降壓過程採用液體膨脹機提高流程效率，降低 壓縮功耗，以J-T閥作為備用；混合製冷劑製冷循環和氮氣膨脹製冷循環的組合達到天然 氣的預冷、液化、過冷過程，兩種製冷循環的分界點是高壓下天然氣的液化溫度加過冷度； 混合製冷劑循環和氮氣膨脹循環是兩個獨立的製冷循環，有各自的壓縮機、冷卻器、冷箱組 成；氮氣換熱有部分冷量來自混合製冷劑，氮氣膨脹循環效率明顯提高；混合製冷劑由甲 烷至戊烷的輕烴組成，不含氮氣及碳六以上重組分；製冷劑在壓縮後用水冷或空冷冷卻，至 少有一部分製冷劑冷凝，製冷劑在J-T閥前已全部液化，製冷劑經冷箱換熱返回壓縮機時 已全部汽化，並有過熱度；氮膨脹循環中氮氣始終為氣相。
全文摘要
本發明屬於氣體液化技術領域，涉及一種採用混合製冷劑循環與氮膨脹循環組合製冷式天然氣液化方法，先將經過脫酸性氣、脫水等預處理後的天然氣進入天然氣液化段冷箱，控制壓力為4～10MPa在液化段冷箱中由混合製冷劑汽化製冷，將高壓下的天然氣進行液化，液化天然氣(LNG)離開液化段冷箱的溫度為-75℃～-110℃；LNG進入過冷段冷箱後冷卻至-150℃左右，經液體膨脹機減壓至儲罐壓力並進一步降溫至-160℃左右，然後壓縮後作燃料氣；其工藝過程簡單，可靠性強，液化率高，適於工業化生產。
文檔編號C10G5/06GK101948706SQ20101025600
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月18日 優先權日2010年8月18日
發明者劉紅波, 卜曉玲, 張道光, 李琴, 楊福昌, 王俊美, 金海剛, 陳廣明 申請人:中國海洋石油總公司;中海石油研究中心;海工英派爾工程有限公司