單循環混合冷劑四級節流製冷系統及方法

2023-04-26 18:53:21

專利名稱：單循環混合冷劑四級節流製冷系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種天然氣液化工藝，尤其是涉及一種單循環混合冷劑四級節流製冷系統及方法。
背景技術：
隨著經濟和科學技術的發展，人們環境保護意識的不斷加強，天然氣作為優質、高效、清潔能源、重要的車船燃料正得到日益廣泛的利用。目前許多沒有天然氣資源的地區都準備利用液化天然氣來解決汽車燃料問題，因此天然氣的液化成為需要解決的首要問題。目前國內外天然氣液化主要採用混合冷劑製冷工藝(MRC)，或帶丙烷預冷的混合冷劑製冷 工藝(C3/MRC)。前者工藝流程較為簡單，但能耗高；後者能耗雖有所降低，但流程複雜、投資高。此外，這兩種工藝均為國外專利技術，其具體應用受到諸多制約，工程投資高、建設周期長。

發明內容
為了克服現有技術的上述缺點，本發明提供了一種單循環混合冷劑四級節流製冷系統及方法，結合了傳統單循環製冷工藝優點，同時通過對製冷壓縮機出口的混合冷劑進行多級分離、過冷節流後進冷箱，增加了混合冷劑製冷過程的溫度梯度，使之更接近於傳統階式製冷工藝，既儘可能地降低工藝過程的損失，又解決了混合冷劑在冷箱中的氣-液分配問題。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種單循環混合冷劑四級節流製冷系統，包括天然氣液化系統和混合冷劑製冷系統，其中混合冷劑製冷系統包括依次連接的混合冷劑壓縮機、壓縮機一級冷卻器、壓縮機一級分離器，所述壓縮機一級分離器的液相出口、冷劑換熱器、一級J - T閥依次連接；所述壓縮機一級分離器的氣相出口、壓縮機二級冷卻器和壓縮機二級分離器依次連接，所述壓縮機二級分離器的液相出口、冷劑換熱器、二級J - T閥依次連接；所述壓縮機二級分離器的氣相出口、冷劑換熱器、冷劑低溫分離器依次連接，所述冷劑低溫分離器的液相出口、三級J - T閥依次連接；所述冷劑低溫分離器的氣相出口、冷劑換熱器、四級J 一 T閥14、冷劑換熱器、混合冷劑壓縮機依次連接。本發明還提供了一種單循環混合冷劑四級節流製冷方法，從冷劑換熱器頂部出來的低壓混合冷劑進入冷劑壓縮機一級入口增壓，再經壓縮機一級冷卻器冷卻至40°C後進入壓縮機一級分離器進行氣液分離，其中
液相冷劑經一級冷劑輸送泵注入冷劑換熱器進行冷卻、過冷，然後再經一級J 一 T閥節流，為冷劑換熱器預冷段提供冷量；氣相冷劑進入壓縮機二級入口增壓、並經壓縮機二級冷卻器冷卻至40°C後進入壓縮機二級分離器進行氣液分離，其中
液相冷劑經二級冷劑輸送泵注入冷劑換熱器，過冷後經二級J - T閥節流，為冷劑換熱器液化段提供冷量；氣相冷劑進入冷劑換熱器預冷至_35°C後，從冷劑換熱器中抽出，進入冷劑低溫分離器進行氣液分離，其中液相冷劑進入冷劑換熱器中過冷至-100 -120°c後抽入進行三級J - T閥節流，為冷劑換熱器液化段提供冷量；氣相冷劑進入冷劑換熱器後，經液化、過冷至-160°C時，從冷劑換熱器中抽出，通過四級J 一 T閥節流膨脹後進入冷劑換熱器，為冷劑換熱器過冷段提供冷量；低壓混合冷劑提供完冷量後，從冷劑換熱器頂部返回混合冷劑壓縮機進行壓縮循環。與現有技術相比，本發明的積極效果是具有能耗低、流程簡單、工程總投資低、變工況適應能力強等特徵，具體表現如下
1.循環混合冷劑四級節流製冷循環天然氣液化流程，在傳統單混合冷劑製冷循環工藝(MRC)的基礎上，增加了混合冷劑分液罐，氣相冷劑經冷劑換熱器冷凝到一定溫度後，從冷箱中抽出進行氣液分離，進一步提純液相混合冷劑，該工藝與MRC工藝相比，具有的特點有
1)多級氣液分離，解決了混合冷劑在冷箱中的氣-液分配不均勻問題，使冷流和熱流換熱溫差比較接近，從而可使能耗比傳統單循環混合製冷工藝要節約5%的能耗；
2)採用2 4級冷劑節流，混合冷劑中的重組分如異戊烷等介質不進入低溫端，避免了重組分在低溫段無法氣化，形成液塞或凝固導致製冷系統無法正常循環的問題；
2.與傳統雙循環製冷工藝相比，對製冷循環過程的氣相、液相混合冷劑採取單獨過冷、節流設計，同時優化調整冷劑配比，提高了製冷效率。3.與帶丙烷預冷或雙循環混合冷劑製冷工藝相比，能耗僅高出2%，但該工藝流程簡單，投資省，投資回收期短，工程建設周期短。


本發明將通過例子並參照附圖的方式說明，其中
圖I是本發明的系統原理示意圖。
具體實施例方式一種單循環混合冷劑四級節流製冷系統，如圖I所示，包括混合冷劑壓縮機I、冷劑換熱器2、壓縮機一級冷卻器3、壓縮機二級冷卻器4、壓縮機一級分離器5、壓縮機二級分離器6、一級冷劑輸送泵7、二級冷劑輸送泵8、冷劑低溫分離器9、重烴分離器10、一級J -T閥11、二級J — T閥12、三級J — T閥13、四級J — T閥14、液化氣J — T閥15。其中
乾淨化天然氣管道經冷劑換熱器2與重烴分離器10的入口連接，重烴分離器10的氣相出口接入冷劑換熱器2，出冷劑換熱器2後與液化氣J 一 T閥15連接，構成天然氣液化系統。冷劑換熱器2的頂部出口、混合冷劑壓縮機I、壓縮機一級冷卻器3、壓縮機一級分離器5依次連接，壓縮機一級分離器5的液相出口、一級冷劑輸送泵7、冷劑換熱器2、一級J 一 T閥11依次連接；壓縮機一級分離器5的氣相出口、壓縮機二級冷卻器4、壓縮機二級分離器6依次連接，壓縮機二級分離器6的液相出口、二級冷劑輸送泵8、冷劑換熱器2、二級J 一 T閥12依次連接；壓縮機二級分離器6的氣相出口、冷劑換熱器2、冷劑低溫分離器9依次連接，冷劑低溫分離器9的液相出口、三級J 一 T閥13依次連接；冷劑低溫分離器9的氣相出口、冷劑換熱器2、四級J 一 T閥14、冷劑換熱器2依次連接，構成混合冷劑製冷系統。
原料氣經過預處理系統，將天然氣中的二氧化碳、水、汞等雜質脫除至達到天然氣液化標準後，進入冷劑換熱器2冷卻至-50°c -70°c溫度範圍時從冷劑換熱器2中抽出，經過重烴分離器10脫除天然氣中的重烴組分，脫除重烴後的天然氣再次進入冷劑換熱器2繼續冷卻、液化，並過冷到_160°C，再經J-T閥節流降壓到IOKPa後得到-162 _165°C的LNG產品，其中
天然氣液化所需的冷量由混合冷劑製冷系統提供，混合冷劑由氮、甲烷、乙烯、丙烯和異戊烷組成，其中氮氣的摩爾含量在4% 15%之間，丙烯的摩爾含量在10% 25%之間；混合製冷系統採用閉式循環製冷工藝，冷劑經過壓縮、冷卻、冷凝、節流氣化，然後給天然氣液化及自身提供冷量，具體方法如下
從冷劑換熱器2頂部出來的低壓混合冷劑首先進入混合冷劑壓縮機I入口分液罐進行氣液分離，以防止液體進入冷劑壓縮機損壞設備。頂部出來的氣體進入冷劑壓縮機一級入口增壓，再經壓縮機一級冷卻器3冷卻至40°C後進入壓縮機一級分離器5進行氣液分離，其中
液相冷劑(主要為異戊烷)經一級冷劑輸送泵7注入冷劑換熱器2進行冷卻、過冷，然後再經一級J 一 T閥11節流，為預冷段冷劑換熱器提供冷量；氣相冷劑進入壓縮機二級入口增壓、並經壓縮機二級冷卻器4冷卻至40°C後進入壓縮機二級分離器6進行氣液分離，其中
液相冷劑(主要為丙烯組分)經二級冷劑輸送泵8注入冷劑換熱器2，過冷後經二級J -T閥12節流，為液化段冷劑換熱器提供冷量；氣相冷劑進入冷劑換熱器2預冷至-35°C後，從冷劑換熱器2中抽出，進入冷劑低溫分離器9進行氣液分離，其中
液相冷劑(主要為乙烯組分)進入冷劑換熱器2中過冷至-100 _120°C後抽入進行三級J 一 T閥13節流，為冷劑換熱器液化段提供冷量；氣相冷劑進入冷劑換熱器2後，經液化、過冷至_160°C時，從冷劑換熱器2中抽出，通過四級J 一 T閥14節流膨脹後進入冷劑換熱器2，為冷劑換熱器過冷段提供冷量。低壓混合冷劑提供完冷量後，從冷劑換熱器2頂部返回混合冷劑壓縮機I進行壓縮循環。循環混合冷劑四級節流製冷天然氣液化工藝的基本原理是通過將冷劑壓縮機出口的混合冷劑進行多級分離、過冷節流後進冷箱，使各溫度段的冷劑組分分割更純，從而實 現混合冷劑多階製冷，使液化過程更接近於傳統階式製冷工藝。
權利要求
1.一種單循環混合冷劑四級節流製冷系統，其特徵在於包括天然氣液化系統和混合冷劑製冷系統，其中混合冷劑製冷系統包括依次連接的混合冷劑壓縮機、壓縮機一級冷卻器、壓縮機一級分離器，所述壓縮機一級分離器的液相出口、冷劑換熱器、一級J - T閥依次連接；所述壓縮機一級分離器的氣相出口、壓縮機二級冷卻器和壓縮機二級分離器依次連接，所述壓縮機二級分離器的液相出口、冷劑換熱器、二級J 一 T閥依次連接；所述壓縮機二級分離器的氣相出口、冷劑換熱器、冷劑低溫分離器依次連接，所述冷劑低溫分離器的液相出口、三級J 一 T閥依次連接；所述冷劑低溫分離器的氣相出口、冷劑換熱器、四級J 一 T閥14、冷劑換熱器、混合冷劑壓縮機依次連接。
2.根據權利要求I所述的單循環混合冷劑四級節流製冷系統，其特徵在於在所述壓縮機一級分離器的液相出口和冷劑換熱器之間設置有一級冷劑輸送泵。
3.根據權利要求I所述的單循環混合冷劑四級節流製冷系統，其特徵在於在所述壓縮機二級分離器的液相出口和冷劑換熱器之間設置有二級冷劑輸送泵。
4.一種單循環混合冷劑四級節流製冷方法，其特徵在於從冷劑換熱器頂部出來的低壓混合冷劑進入冷劑壓縮機一級入口增壓，再經壓縮機一級冷卻器冷卻至40°C後進入壓縮機一級分離器進行氣液分離，其中 液相冷劑經一級冷劑輸送泵注入冷劑換熱器進行冷卻、過冷，然後再經一級J 一 T閥節流，為冷劑換熱器預冷段提供冷量；氣相冷劑進入壓縮機二級入口增壓、並經壓縮機二級冷卻器冷卻至40°C後進入壓縮機二級分離器進行氣液分離，其中 液相冷劑經二級冷劑輸送泵注入冷劑換熱器，過冷後經二級J - T閥節流，為冷劑換熱器液化段提供冷量；氣相冷劑進入冷劑換熱器預冷至_35°C後，從冷劑換熱器中抽出，進入冷劑低溫分離器進行氣液分離，其中 液相冷劑進入冷劑換熱器中過冷至-100 _120°C後抽入進行三級J - T閥節流，為冷劑換熱器液化段提供冷量；氣相冷劑進入冷劑換熱器後，經液化、過冷至-160°C時，從冷劑換熱器中抽出，通過四級J 一 T閥節流膨脹後進入冷劑換熱器，為冷劑換熱器過冷段提供冷量；低壓混合冷劑提供完冷量後，從冷劑換熱器頂部返回混合冷劑壓縮機進行壓縮循環。
5.根據權利要求4所述的單循環混合冷劑四級節流製冷方法，其特徵在於從冷劑換熱器頂部出來的低壓混合冷劑在進入冷劑壓縮機一級入口增壓前先進入混合冷劑壓縮機入口分液罐進行氣液分離。
全文摘要
本發明公開了一種單循環混合冷劑四級節流製冷系統及方法，結合了傳統單循環製冷工藝優點，同時通過對製冷壓縮機出口的混合冷劑進行多級分離、過冷節流後進冷箱，增加了混合冷劑製冷過程的溫度梯度，使之更接近於傳統階式製冷工藝，既儘可能地降低工藝過程的損失，又解決了混合冷劑在冷箱中的氣-液分配問題。本發明的積極效果是具有能耗低、流程簡單、工程總投資低、變工況適應能力強等特徵。
文檔編號F25J3/00GK102748919SQ20121012524
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月26日 優先權日2012年4月26日
發明者仲文旭, 冼祥發, 劉家洪, 劉紅清, 孫林, 宋光紅, 宋德琦, 李龍, 汪宏偉, 法玉曉, 琚宜林, 田廣新, 田靜, 胡平, 胡益武, 蒲黎明, 諶天兵, 鄭穎, 郭成華, 陸永康, 陳運強, 龍增兵 申請人:中國石油集團工程設計有限責任公司