高效多級節流天然氣液化設備及液化天然氣的製備方法
2023-11-05 06:36:42 2
高效多級節流天然氣液化設備及液化天然氣的製備方法
【專利摘要】一種高效多級節流天然氣液化設備，包括天然氣進料管、LNG儲罐、製冷劑壓縮機、製冷劑分離罐及冷箱，其特徵在於：所述冷箱內設有主、副換熱器，天然氣進料管依次通過主、副換熱器後與LNG儲罐的進料口相連，副換熱器與LNG儲罐之間設有第四節流閥，製冷劑分離罐為五個。採用分段來實現供給所需的冷量，將液化過程的熵增降至最小，效率接近階式循環。從根本上解決了現有天然氣液化設備製冷循環冷量利用率低、壓縮機的熵損失高、結構複雜等問題。
【專利說明】高效多級節流天然氣液化設備及液化天然氣的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及氣體液化系統【技術領域】，特別是一種高效多級節流天然氣液化設備及液化天然氣的製備方法。
【背景技術】
[0002]近幾年，國內國產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、汽化各環節的能量消耗是設計建造天然氣液化裝置最重要的一環。高效多級節流天然氣液化裝置是高效節能型天然氣液化系統的發展趨勢。天然氣液化裝置日前通常採用混合製冷劑制循環(MRC)工藝，該工藝主要採用N2和Cf C5烴類的混合物作為循環製冷劑。混合冷劑的組成比例根據天然氣原料的組成、壓力、工藝流程而異，因此對製冷劑的配比和原料氣的氣質要求更為嚴格，一旦確定是不易更改的。即使滿足該條件，要使整個液化過程(25°C?_162°C)所需冷量與製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。現有多級節流流程的對溫度點劃分的流程優化及與換熱器結構對接仍存在較大問題，混合製冷劑循環流程的效率較低。若不能妥善處理，勢必會增加液化系統功耗，提高生產成本。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種高效多級節流天然氣液化設備及液化天然氣的製備方法，採用分段來實現供給所需的冷量，將液化過程的熵增降至最小，效率接近階式循環。從根本上解決了現有天然氣液化設備製冷循環冷量利用率低、壓縮機的熵損失高、結構複雜等問題。
[0004]本發明的目的是這樣實現的:該高效多級節流天然氣液化設備包括天然氣進料管、LNG儲罐、製冷劑壓縮機、製冷劑分離罐及冷箱，其特徵在於:所述冷箱內設有主、副換熱器，天然氣進料管依次通過主、副換熱器後與LNG儲罐的進料口相連，副換熱器與LNG儲罐之間設有第四節流閥；
製冷劑分離罐為五個，製冷劑壓縮機的出口與第五製冷劑分離罐的進料口相連，第五製冷劑分離罐的氣相出口與第二製冷劑分離罐的進料口相連並通過主換熱器，第五製冷劑分離罐的液相出口與第一製冷劑分離罐的進料口相連並通過主換熱器，且在主換熱器與第一製冷劑分離罐之間設有第一節流閥；
第四製冷劑分離罐的氣相、液相出口分別與第三製冷劑分離罐的進料口相連，並同時通過副換熱器；
第三製冷劑分離罐的氣相、液相出口分別與製冷劑壓縮機的入口相連，並同時通過主換熱器；
第二製冷劑分離罐的氣相出口與第四製冷劑分離罐的進料口相連並依次通過主、副換熱器，且在副換熱器與第四製冷劑分離罐之間設有第三節流閥，第二製冷劑分離罐的液相出口與第三製冷劑分離罐的進料口相連並通過主換熱器，且在主換熱器與第二製冷劑分離罐之間設有第二節流閥；
第一製冷劑分離罐的氣相、液相出口分別與製冷劑壓縮機的入口相連，並同時通過主換熱器。
[0005]採用上述設備製備液化天然氣的方法:製冷劑通過製冷劑壓縮機壓縮後進入第五製冷劑分離罐的進料口，第五製冷劑分離罐的氣相經過主換熱器降溫後，進入第二製冷劑分離罐的進料口 ；第五製冷劑分離罐的液相經過主換熱器後溫度為-73.6°C，壓強為
.3.46MPa，經第一節流閥降溫減壓至_82°C，0.3MPa後，進入第一製冷劑分離罐的進料口 ；
第二製冷劑分離罐的氣相依次通過主、副換熱器後的溫度為_155°C，氣壓為3.46MPa，經第三節流閥降溫減壓至-169.6°C,0.34MPa後進入第四製冷劑分離罐的進料口 ；第二製冷劑分離罐的液相溫度為_142°C，壓強為3.46MPa，經第二節流閥降溫減壓至-144.8°C,
.0.32MPa後，進入主換熱器為其他管路的製冷劑和天然氣降溫；
第四製冷劑分離罐的氣、液相經副換熱器換熱後，同時進入第三製冷劑分離罐的進料口，第三製冷劑分離罐的氣、液相同時進入主換熱器，為通過主換熱器其他管路的製冷劑和天然氣降溫，然後進入製冷劑壓縮機的進料口 ；
第一製冷劑分離罐的氣、液兩相進入主換熱器為其他管路的製冷劑和天然氣降溫，然後進入製冷劑壓縮機的進料口 ；通過上述方式，使製冷劑在設備中循環，天然氣經過副換熱器後溫度為-162°C，壓強為5.276MPa，經第四節流閥減壓至0.1MPa後，通入LNG儲罐。
[0006]所述製冷劑為N2和Cf C5烴類的混合物。優選的，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]本發明具有的優點及積極的技術效果是:通過增加製冷劑循環的級數，有效減少了換熱器的熵損失，提高了冷量利用率。可通過提高壓縮機的效率和增加壓縮機的級數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，通過三級節流達到逐步降溫，使製冷劑在不同溫區節流，供冷，充分體現熱力學特性，從而提高液化效率，降低系統功耗。綜上所述，採用本發明的多級節流天然氣液化設備，不但縮小了熱流的換熱溫差，提高換熱器換熱效率，而且避免了由於增加換熱器進口帶來的結構複雜問題。產品質量更優，設備能量損耗更低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]以下結合附圖對本發明作進一步描述。
[0009]圖1是本發明的工藝流程圖；
圖2是本發明節流閥的結構示意圖。
[0010]圖中序號說明:1主換熱器、2副換熱器、3第三製冷劑分離罐、4第四製冷劑分離罐、5第一製冷劑分離罐、6第二製冷劑分離罐、7製冷劑壓縮機、8第五製冷劑分離罐、9LNG儲罐、10第一節流閥、11第二節流閥、12第三節流閥、13第四節流閥。
【具體實施方式】
[0011]實施例1
根據圖1-2詳細說明本發明的具體結構。該高效多級節流天然氣液化設備包括天然氣進料管、LNG儲罐、製冷劑壓縮機、製冷劑分離罐及冷箱等部分。其中，冷箱內設有主換熱器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後與LNG儲罐9的進料口相連，副換熱器與LNG儲罐9之間設有第四節流閥13。
[0012]製冷劑分離罐為五個，製冷劑壓縮機7的出口與第五製冷劑分離罐8的進料口相連，第五製冷劑分離罐8的氣相出口與第二製冷劑分離罐6的進料口相連並通過主換熱器，第五製冷劑分離罐8的液相出口與第一製冷劑分離罐5的進料口相連並通過主換熱器，且在主換熱器與第一製冷劑分離罐5之間設有第一節流閥10。
[0013]第四製冷劑分離罐4的氣相、液相出口分別與第三製冷劑分離罐3的進料口相連，並同時通過副換熱器。
[0014]第三製冷劑分離罐3的氣相、液相出口分別與製冷劑壓縮機7的入口相連，並同時通過主換熱器。
[0015]第二製冷劑分離罐6的氣相出口與第四製冷劑分離罐4的進料口相連並依次通過主換熱器1、副換熱器2，且在副換熱器與第四製冷劑分離罐4之間設有第三節流閥12，第二製冷劑分離罐6的液相出口與第三製冷劑分離罐3的進料口相連並通過主換熱器，且在主換熱器與第二製冷劑分離罐6之間設有第二節流閥11。
[0016]第一製冷劑分離罐5的氣相、液相出口分別與製冷劑壓縮機7的入口相連，並同時通過主換熱器。
[0017]利用循環製冷劑(N2和CfC5烴類的混合物)各組分沸點的不同，在主、副換熱器內冷凝並過冷經過節流閥(可選用焦耳-湯姆遜節流膨脹閥，簡稱J-T閥)，減壓進入返流製冷劑中依次冷卻不同溫區的原料天然氣及正流製冷劑，出冷箱的返流製冷劑復熱後進入製冷劑壓縮機7循環壓縮，出製冷劑壓縮機7後返流進入冷箱。
[0018]本發明的液化天然氣(PNG)製備方法如下:製冷劑通過製冷劑壓縮機7 (可選用離心壓縮機)壓縮後進入第五製冷劑分離罐8的進料口產生氣、液兩相，第五製冷劑分離罐8的氣相經過主換熱器I由主換熱器I中的其他管路的返流製冷劑提供的冷量使氣相降溫，進入第二製冷劑分離罐6的進料口產生氣、液兩相。第五製冷劑分離罐8的液相經過主換熱器I後被返流的製冷劑預冷降溫至-73.6°C，壓強為3.46MPa，經第一節流閥10降溫減壓至-82°C，0.3MPa後，進入第一製冷劑分離罐5的進料口產生氣、液兩相返流，為主換熱器I提供預冷冷量，使進入冷箱的製冷劑和天然氣預冷降溫後進入製冷劑壓縮機7再次循環。
[0019]第二製冷劑分離罐6的氣相依次通過主換熱器1、副換熱器2後的溫度為_155°C，氣壓為3.46MPa，冷量由換熱器中的返流製冷劑提供，經第三節流閥12降溫減壓至-169.6°C，0.34MPa後進入第四製冷劑分離罐4的進料口產生氣、液兩相。第二製冷劑分離罐6的液相溫度為_142°C，壓強為3.46MPa，經第二節流閥11降溫減壓至-144.8°C,
0.32MPa後，進入主換熱器I產生的冷量為其他管路的製冷劑和天然氣預冷降溫。
[0020]第四製冷劑分離罐4的氣、液相經過副換熱器2換熱，為副換熱器2中其他管路的製冷劑和天然氣提供冷量，使製冷劑和天然氣深度降溫液化。同時進入第三製冷劑分離罐3的進料口產生氣、液兩相，第三製冷劑分離罐3的氣、液相返流同時進入主換熱器1，為通過主換熱器I其他管路的製冷劑和天然氣降溫，然後進入製冷劑壓縮機7的進料口再次壓縮循環。
[0021]第一製冷劑分離罐5的氣、液兩相進入主換熱器I為其他管路的製冷劑和天然氣降溫，然後進入製冷劑壓縮機7的進料口。通過上述方式，使製冷劑在設備中循環，並通過三級減壓，有效的提高了製冷劑的冷涼利用率，高效高產地使天然氣液化。天然氣進入冷箱後，在通過主換熱器I和副換熱器2時，被返流的低溫製冷劑冷卻，當天然氣在經過副換熱器2的時候溫度已經達到_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。在其經過第四節流閥13節流閥減壓至0.1MPa後，LNG通入LNG儲iip 9 ο
[0022]隨著製冷循環的級數增加，製冷系統的功耗降低，製冷係數和熵效率增加，但級數的增加對製冷性能的影響減小。製冷循環的級數增加會增加流程的複雜性，降低可操作性，不同規模的製冷系統的最優級數不同，規模越大，最優級數越多。
[0023]以一套日產50萬立方米天然氣的液化設備為例，傳統的工藝設備投入為800^1000萬元，若採用上述PNG的製備方法後，可減少設備投入24~30萬，減少換熱器體積3%，節能3.5% (每小時節能約292kW.h)。電費以Υ0.7/ kW.h計，則每年可節約163.52萬元，同時減少C02的排放，具有非常可觀的社會效益和經濟效益。
[0024]製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
設備結構、製備過程均與實施例1相同，其中製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
設備結構、製備過程均與實施例1相同，其中製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
設備結構、製備過程均與實施例1相同，其中製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]本發明製備方法中所述的壓強均是指絕對壓強。
【權利要求】
1.一種高效多級節流天然氣液化設備，包括天然氣進料管、LNG儲罐、製冷劑壓縮機、製冷劑分離罐及冷箱，其特徵在於:所述冷箱內設有主、副換熱器，天然氣進料管依次通過主、副換熱器後與LNG儲罐的進料口相連，副換熱器與LNG儲罐之間設有第四節流閥； 製冷劑分離罐為五個，製冷劑壓縮機的出口與第五製冷劑分離罐的進料口相連，第五製冷劑分離罐的氣相出口與第二製冷劑分離罐的進料口相連並通過主換熱器，第五製冷劑分離罐的液相出口與第一製冷劑分離罐的進料口相連並通過主換熱器，且在主換熱器與第一製冷劑分離罐之間設有第一節流閥； 第四製冷劑分離罐的氣相、液相出口分別與第三製冷劑分離罐的進料口相連，並同時通過副換熱器； 第三製冷劑分離罐的氣相、液相出口分別與製冷劑壓縮機的入口相連，並同時通過主換熱器； 第二製冷劑分離罐的氣相出口與第四製冷劑分離罐的進料口相連並依次通過主、副換熱器，且在副換熱器與第四製冷劑分離罐之間設有第三節流閥，第二製冷劑分離罐的液相出口與第三製冷劑分離罐的進料口相連並通過主換熱器，且在主換熱器與第二製冷劑分離罐之間設有第二節流閥； 第一製冷劑分離罐的氣相、液相出口分別與製冷劑壓縮機的入口相連，並同時通過主換熱器。
2.一種採用權利要求1所述的天然氣 液化設備製備液化天然氣的方法，其特徵在於:製冷劑通過製冷劑壓縮機壓縮後進入第五製冷劑分離罐的進料口，第五製冷劑分離罐的氣相經過主換熱器降溫後，進入第二製冷劑分離罐的進料口 ；第五製冷劑分離罐的液相經過主換熱器後溫度為-73.6V』壓強為3.46MPa，經第一節流閥降溫減壓至_82°C，0.3MPa後，進入第一製冷劑分離罐的進料口； 第二製冷劑分離罐的氣相依次通過主、副換熱器後的溫度為_155°C，氣壓為3.46MPa，經第三節流閥降溫減壓至_169.6°C，0.34MPa後進入第四製冷劑分離罐的進料口 ；第二製冷劑分離罐的液相溫度為_142°C，壓強為3.46MPa，經第二節流閥降溫減壓至-144.8°C，0.32MPa後，進入主換熱器為其他管路的製冷劑和天然氣降溫； 第四製冷劑分離罐的氣、液相經副換熱器換熱後，同時進入第三製冷劑分離罐的進料口，第三製冷劑分離罐的氣、液相同時進入主換熱器，為通過主換熱器其他管路的製冷劑和天然氣降溫，然後進入製冷劑壓縮機的進料口 ； 第一製冷劑分離罐的氣、液兩相進入主換熱器為其他管路的製冷劑和天然氣降溫，然後進入製冷劑壓縮機的進料口 ；通過上述方式，使製冷劑在設備中循環，天然氣經過副換熱器後溫度為-162°C，壓強為5.276MPa，經第四節流閥減壓至0.1MPa後，通入LNG儲罐。
3.根據權利要求2所述的製備液化天然氣的方法，其特徵在於:所述製冷劑為N2和C1~C5烴類的混合物。
4.根據權利要求3所述的製備液化天然氣的方法，其特徵在於:所述製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 優先權日:2013年12月11日
【發明者】楊光達, 邢志輝, 孟繁宇 申請人:遼寧哈深冷氣體液化設備有限公司