Lng低溫液化混合制冷劑多股流螺旋纏繞管式主換熱裝備的制作方法

專利名稱：Lng低溫液化混合制冷劑多股流螺旋纏繞管式主換熱裝備的制作方法
技術領域：
本發明屬天然氣低溫液化技術領域，涉及LNG低溫液化混合制冷劑多股流螺旋纏繞管式主換熱器及混合制冷劑制冷技術，應用N2、CH4、C2H4, C3H8, C4H1(1、異C4Hltl混合制冷劑在多股流螺旋纏繞管式換熱器內將36°C、6. IMI^a天然氣通過三級制冷過程逐步冷卻至一 164°C液化并過冷；應用多股流纏繞管式換熱器逐步過冷N2、CH4、C2H4, C3H8, C4Hltl、異C4H1。， 再分別節流并預冷天然氣管束及混合制冷劑管束，達到一級天然氣預冷、二級天然氣液化及三級天然氣過冷目的；其結構緊湊，換熱效率高，可用于36°C 一 164°C氣體帶相變低溫換熱領域，解決LNG低溫液化技術難題，提高LNG系統低溫換熱效率。
背景技術：
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行預冷，即將36°C天然氣預冷至一 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備，換熱工藝流程復雜，換熱器數量眾多，給系統維護管理及過程控制帶來嚴重不便。為了減少混合制冷劑天然氣液化系統低溫過程中的換熱器數量，減少低溫絕熱防護面積，便于換熱器維護，本發明采用整體換熱方式，將三段制冷過程主換熱器、工藝流程中的回熱換熱器、各段預冷換熱器融合為一整體，延長換熱器高度達60 80米，通過一個完整的多股流混合制冷劑螺旋纏繞管式換熱器直接將天然氣從36°C冷卻至一 164°C液化并過冷，使換熱效率得到明顯提高，管理過程更加方便。另外，由于普通列管式換熱器采用管板連接平行管束方式，結構簡單，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冷卻并液化。本發明根據LNG混合制冷劑低溫液化特點，采用三段式整體螺旋纏繞管式換熱器做為主換熱設備，應用不同的制冷劑分段制冷再融合為一整體的方法，重點針對N2、 CH4、C2H4, C3H8, C4Hltl、異C4Hltl制冷劑制冷工藝流程，研究開發溫區介于36°C 一 53°C、— 53°C 一 120°C、一 120°C 一 164°C之間的制冷工藝技術及裝備，解決混合制冷劑LNG低溫液化核心技術問題，即LNG低溫液化多股流螺旋纏繞管式主換熱器結構及混合制冷劑工藝流程問題。

發明內容
本發明主要針對天然氣在36°C 一 53°C、一 53°C 一 120°C、一 120°C 一 164°C 三級制冷問題，采用具有換熱效率高、換熱溫差大、具有自緊收縮調整功能的多股流螺旋纏繞管式換熱器做為主換熱設備，應用N2、CH4、C2H4, C3H8, C4H1(1、異C4Hltl混合制冷劑先預冷后節流的制冷工藝流程，控制相變制冷流程，進而控制天然氣預冷溫度及壓力，提高換熱效率，解決LNG低溫液化混合制冷劑多股流螺旋纏繞管式換熱器結構及工藝流程問題。本發明的技術解決方案
LNG低溫液化混合制冷劑多股流螺旋纏繞管式主換熱裝備，包括LNG三級出口 1、LNG三級出口管束2j2_CH4三級節流后進口 3、三級筒體4、耳座5、N2_CH4三級預冷進口管束6、 N2-CH4三級進口 7、圓臺型過渡筒體8、C2H4 二級節流后進口 9、N2-CH4 二級預冷出口 10、 C2H4 二級過冷出口 11、N2-CH4 二級預冷出口管束12、二級筒體13、二級下支撐圈14、N — CH4 二級預冷進口管束15j2_CH4 二級預冷進口 16、C4H1(1—異C4H10 一級混合制冷劑節流后進口 17、C4H1Q—異 C4Hltl —級過冷出口 18、N2—CH4 —C2H4 —級預冷出口 19、C4H1(1—異 C4H10 — 級過冷出口管束20、N2—CH4_C2H4—級預冷出口管束21、一級上支撐圈22、一級中心筒23、 C4Hltl—異 C4Hltl —級過冷進口管束 24、N2—CH4 — C2H4 —級預冷進口管束 25、N2-CH4 —C2H4 — 級預冷進口 26、C4Hltl—異 C4Hltl —級過冷進口 27、N2-CH4 一C2H4 — C3H8 — C4Hltl—異 C4Hltl 混合制冷劑一級蒸氣出口 28、一級下封頭^、C3H8—級過冷進口 30、天然氣一級預冷進口 31、 天然氣一級預冷進口管束32、C3H8—級過冷進口管束33、一級下支撐圈34、一級筒體35、天然氣一級預冷出口管束36、C3H8 —級過冷出口管束37、天然氣一級預冷出口 38、C3H8 —級過冷出口 39、C3H8 —級節流后進口 40、天然氣二級液化進口 41、C2H4 二級過冷進口 42、天然氣二級液化進口管束43、C2H4 二級過冷進口管束44、二級中心筒45、二級上支撐圈46、天然氣二級液化出口管束47、C2H4 二級過冷出口管束48、C2H4 二級過冷出口管束48、天然氣二級液化出口 49、天然氣三級過冷進口 50、天然氣三級過冷進口管束51、三級下支撐圈52、三級中心筒53、三級上支撐圈54、N2-CH4三級預冷出口管束55、N2-CH4三級預冷出口 56、三級上封頭57，其特征在于天然氣一級螺旋管束32j2_CH4_C2H4 —級螺旋管束25、C4H1(1—異 C4H10 一級螺旋管束M、C3H8 —級螺旋管束33繞一級中心筒23纏繞，纏繞后的螺旋盤管安裝于一級筒體35內；中心筒35 —端安裝一級上支撐圈22，一端安裝一級下支撐圈34，上支撐圈22固定于筒體35上部，下支撐圈34固定于筒體35下部，天然氣螺旋管束32、N2_CH4_ C2H4螺旋管束25、C4Hltl—異C4H10螺旋管束24、C3H8螺旋管束33纏繞于上支撐圈22與下支撐圈34之間；天然氣二級螺旋管束43、N2-CH4 二級螺旋管束15、C2H4 二級螺旋管束44繞二級中心筒45纏繞，纏繞后的螺旋盤管安裝于二級筒體13內；中心筒13 —端安裝二級上支撐圈46，一端安裝二級下支撐圈14，上支撐圈46固定于二級筒體13上部，下支撐圈14固定于二級筒體13下部，天然氣螺旋管束43、N2-CH4螺旋管束15、C2H4螺旋管束44纏繞于上支撐圈46與下支撐圈14之間；天然氣三級螺旋管束51j2_CH4三級螺旋管束6繞三級中心筒53纏繞，纏繞后的螺旋盤管安裝于三級筒體4內；中心筒53 —端安裝三級上支撐圈 54，一端安裝三級下支撐圈52，上支撐圈M固定于三級筒體4上部，下支撐圈52固定于三級筒體4下部，天然氣螺旋管束51、N2-CH4螺旋管束6纏繞于上支撐圈M與下支撐圈52 之間；一級筒體35上部左側安裝N2_CH4_C2H4出口 19，右側安裝天然氣出口 38，上部中間左下方安裝C4Hltl—異C4Hltl出口 18、上部中間左上方安裝C4Hltl—異C4Hltl節流后進口 17，上部中間右下方安裝C3H8出口 39，上部中間右上方安裝節流后C3H8進口 40，下部左側安裝N2_ CH4_C2H4進口 26，下部右側安裝天然氣進口 31，下部中間左側安裝C4Hltl—異C4Hltl進口 27， 下部中間右側安裝C3H8進口 30 ；二級筒體13上部左側安裝N2_CH4出口 10，右側安裝天然氣出口 49，上部中間下方安裝C2H4出口 11、上部中間上方安裝C2H4節流后進口 9，下部左側安裝隊_014進口 16，下部右側安裝天然氣進口 41，下部中間安裝C2H4進口 42 ；三級筒體4 上部左側安裝N2_CH4節流后進口 3，右側安裝N2_CH4出口 56，下部左側安裝N2_CH4進口 16，下部右側安裝天然氣進口 50，中部安裝耳座5 ；混合制冷劑出口 28連接封頭四、封頭四連接一級筒體35，一級筒體35連接二級筒體13，二級筒體13連接過渡段8，過渡段8連接
6三級筒體4，三級筒體4連接封頭57，封頭57連接LNG出口 1。C4Hltl—異C4Hltl混合制冷劑在36 °C、0. 9MPa時進入進口 27，再分配于C4Hltl—異C4H10 過冷管束M各支管，管束M經螺旋纏繞后在筒體35內被節流后的C4Hltl—異C4H1Q、C3H8, N2-CH4-C2H4混合氣體過冷，溫度降低至一 53°C、壓力降低至0. 6MPa，再流至出口 18，經安裝于出口 18與進口 17之間的節流閥節流為過冷液體，節流后壓力降至0. 3MPa，溫度變為一 52. 850C，再經進口 17進入筒體35，與節流后的C3H8、N2-CH4-C2H4混合氣體混合，混合后向下流動冷卻天然氣管束32、N2-CH4 -C2H4管束25、C3H8管束33、C4Hltl—異C4H10管束24 后，在^°C、0. 3MPa時經出口 28流出一級制冷裝置并返回進氣壓縮機壓縮。C3H8制冷劑在36 °C、2· 18ΜΙ^時進入進口 30，再分配于C3H8過冷管束33各支管，管束33經螺旋纏繞后在筒體35內被節流后的C3H8、C4H1Q—異C4Hltl為一CH4 — C2H4混合氣體過冷，溫度降至一 53 °C、壓力降至1. 88MPa,再流至出口 39，經安裝于出口 39與進口 40之間的節流閥節流為過冷液體，節流后壓力降至0. 3MPa，溫度變為一 52. ^°C，再經進口 40進入筒體35，與節流后的C4Hltl—異C4H1(1、N2-CH4-C2H4混合氣體混合，混合后向下流動冷卻天然氣管束 32、N2—CH4 -C2H4 管束 25、C3H8 管束 33、C4H1(1—異 C4H10 管束 M 后，在 ^°C、0. 3MPa 時經出口 28流出一級制冷裝置并返回進氣壓縮機壓縮。N2-CH4-C2H4 混合氣體在 36 °C、2. 18MPa 時進入 N2-CH4 — C2H4 預冷進口 26，再分配于預冷管束25各支管，管束25經螺旋纏繞后在一級筒體35內被節流后的C4Hltl—異 C4H10, C3H8、來自二級的N2—CH4_C2H4混合氣體預冷，預冷后C2H4被液化，形成N2-CH4氣體與C2H4液體的氣液兩相流，溫度降低至一 53°C、壓力降低至1. 88MPa，經出口 19后進入氣液分離器，分離后的C2H4與N2_CH4兩股流制冷劑分別進入二級預冷段。C2H4制冷劑在一 53°C、1. 88MPa時通過進口 42進入二級預冷段，再分配于C2H4過冷管束44各支管，管束44經螺旋纏繞后在二級筒體13內被節流后的C2H4、來自一級的一 1300C >0. 3MPa的N2-CH4混合制冷劑過冷，溫度降低至一 120°C、壓力降低至1. 58MPa，再流至出口 11，經安裝于出口 11與進口 9之間的節流閥節流為過冷液體，節流后壓力降至 0. 3MPa,溫度變為一 119. 4°C，再經進口 9進入二級筒體13與來自三級的混合氣體混合，混合后向下流動冷卻天然氣管束43、N2-CH4預冷管束15、C2H4過冷管束44后，在一 63°C、0. 3MPa時離開二級制冷段并進入一級制冷段。N2-CH4混合氣體在一 53°C、1. 88MPa時通過進口 16進入二級預冷段，再分配于預冷管束15各支管，管束15經螺旋纏繞后在二級筒體13內被節流后的C2H4、來自三級的 N2-CH4混合制冷劑預冷，預冷后CH4被液化并形成隊氣體與CH4液體兩相流，溫度降低至一 120°C、壓力降低至1. 58MPa，再經出口 10流出二級預冷段A2-CH4混合制冷劑在一 120°C 及1. 58MPa時通過進口 7進入三級預冷段，再分配于混合制冷劑預冷管束6各支管，管束6 經螺旋纏繞后在三級筒體4內被節流后的N2_CH4混合制冷劑預冷并液化；制冷劑完全液化后流至出口 56，溫度降低至一 164°C、壓力降低至1.38MPa，再經安裝于出口 56與進口 3 之間的節流閥節流，節流后壓力降低至0. 3MPa，氮溫度變為一 185°C，處于氣液兩相狀態， 甲烷溫度變為一 163. 5°C，節流后的混合制冷劑為氣液兩相，經進口 5進入三級筒體4并向下流動冷卻天然氣管束51、N2_CH4預冷管束6后，在一 130°C、0. 3MPa時混合氣流出三級制冷段并進入二級制冷段。天然氣在36°C、6. IMPa時進入天然氣進口 31，在進口 31內分配于天然氣螺旋管
7束32各支管，管束32經螺旋纏繞后在一級筒體35內與節流后C4Hltl—異C4H10, C3H8及來自二級的N2_CH4_C2H4混合氣體進行換熱，溫度降至一 53 °C、壓力降至5. 8MPa時，再經出口 38流出一級預冷段；天然氣在一 53°C、5. SMPa時通過進口 41進入二級液化段，再分配于天然氣螺旋管束43各支管，管束43經螺旋纏繞后在二級筒體13內與節流后的C2H4、來自一級的N2-CH4混合氣體進行換熱，溫度降至一 120°C、壓力降至5. 5MPa時液化，液化后經出口 49流出二級液化段；天然氣在一 120°C、5. 5MPa時通過進口 50進入三級過冷段，再分配于天然氣螺旋管束51各支管，管束51經螺旋纏繞后在三級筒體4內與節流后的N2_CH4混合制冷劑進行換熱，溫度降低至一 164°C、壓力降低至5. 3MPa時完全液化并過冷，過冷后經 LNG出口 1流出三級制冷段，節流降壓后送入LNG貯罐。
方案所涉及的原理問題
首先，傳統的LNG低溫液化系統一般采用多個獨立的制冷系統，應用多個不同的換熱器對各個溫區進行獨立換熱并逐步冷卻天然氣，如級聯式LNG液化系統，換熱器數量較多， 液化工藝流程分級獨立，各個制冷系統按溫區獨立運行，管理系統龐大，各系統容易出現問題，影響成套工藝流程的運行。為解決這一問題，本發明將主換熱器內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三個區間，采用三段式整體多股流螺旋纏繞管式換熱器，完成三個溫度區間由高至低的換熱過程，并重點研究開發 36°C 一 53°C、— 53°C 一 120°C、— 120°C 一 164°C三個區間低溫換熱工藝流程及換熱器總體結構與進出口參數，并采用N2、CH4、C2H4, C3H8, C4Hltl、異C4Hltl混合制冷劑制冷工藝， 解決三段式整體多股流螺旋纏繞管式換熱器的結構及換熱工藝流程問題。三段制冷過程相對獨立但又有機結合成為整體，與整體式主換熱器換熱原理一致，便于主換熱器分拆后運輸及現場拼裝。其次，一段采用近1 :1的C4Hltl—異C4H10混合制冷劑制冷工藝，節流前過冷至一 53°C，可使一段制冷溫度低于其飽和蒸發溫度^TC,產生較進口低10°C的傳熱溫差推動力。C4Hltl—異C4H10冷劑進口為0. 9MPa、36°C時，C2H4處于液相狀態，當壓力達到0. 6MPa、溫度達到一 53°C時，C4Hltl—異C4Hltl過冷并具有較大顯熱，再節流后可得到更大制冷量。另外， 一段還采用C3H8制冷劑制冷工藝，即C3H8節流前過冷至一 53°C，節流至0. 3 MPa時飽和蒸發溫度為一 14°C，使一級制冷過程中具有一 141與^TC兩個蒸發溫度，可降低傳熱過程熵增量。N2_CH4_C2H4混合制冷劑主要用于二、三段制冷過程，節流前須經36°C 一 53°C、一 53°C 一 120°C、一 120°C 一 164°C三段低溫預冷過程，在一級制冷過程中，N2—CH4—C2H4 混合制冷劑預冷過程與天然氣液化、C3H8過冷、C4Hltl—異C4H10過冷同時進行，所以一段須采用四股流低溫換熱過程。二段采用C2H4制冷劑制冷工藝后，節流前須對C2H4進行過冷，冷劑進口為1.88MPa、一 53°C時，C2H4處于液相狀態，當壓力達到1. 58MPa、溫度達到一 120°C時， C2H4過冷并具有較大顯熱，再節流后可得到更大制冷量。N2_CH4混合制冷劑主要用于三段制冷過程，節流前須經一 53°C 一 120°C、一 120°C 一 164°C兩段低溫預冷過程，在二段制冷過程中，N2-CH4混合制冷劑預冷過程與天然氣液化及C2H4過冷過程同時進行，所以須采用三股流低溫換熱過程。三段采用N2_CH4混合制冷劑制冷工藝后，節流前須對制冷劑進行預冷并液化，冷劑進口為1. 58MPa、一 120°C時，合制冷劑中甲烷已經被液化，氮仍未達到飽和，處于氣相狀態，當壓力達到1.38MPa、預冷溫度達到一 164°C時，氮達到飽和并被液化，液化后再節流可得到更大的制冷量，預冷過程與天然氣液化及過冷過程同時進行， 所以，須采用兩股流低溫換熱過程。采用非共沸混合制冷劑后，可使飽和液氮節流后冷劑進口溫度達到一 185°C，產生足夠的傳熱溫差推動力，同時，甲烷在過冷狀態下節流至一 163. 5°C過冷狀態，可繼續利用其顯熱，達到飽和溫度一 146°C時再蒸發，使三級液化過程具有三個低溫換熱溫度，包括兩個蒸發溫度，以此降低傳熱過程熵增量，減少傳熱過程損失。傳統的列管式換熱器由于采用了兩塊大管板連接平行管束結構，體積較大，換熱溫差較小，易分區，管間距較大，自收縮能力較差，一般適用于單股流換熱，換熱效率較低，難以將天然氣在一個流程內冷卻并液化，不易完成多股流均勻換熱過程。本發明開發了可承受壓力6. IMPa、溫度一 185°C的9Ni鋼多股流螺旋纏繞管式低溫換熱器，可完成高壓低溫工況下多股流換熱過程及LNG低溫液化過程。本發明的技術特點
本發明主要針對LNG低溫液化多股流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、具有自緊收縮調整功能的多股流螺旋纏繞管式換熱器做為主換熱設備，應用N2、CH4、C2H4, C3H8, C4H1(1、異C4Hltl混合制冷劑先預冷后節流的制冷工藝流程，控制相變制冷流程，進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36°C 一 164°C間三段制冷問題；三段式多股流螺旋纏繞管式換熱器具有結構緊湊，多種介質帶相變傳熱，傳熱系數大，可解決大型LNG低溫液化過程中分段式混合制冷劑預冷、天然氣低溫液化技術難題，提高系統換熱及液化效率；應用三段式LNG低溫液化過程后，LNG主換熱器可分為三個獨立的換熱區間，分段進行加工制造、運輸及現場拼裝；LNG低溫液化多股流螺旋纏繞管式主換熱器可合理分配液化段及過冷段的熱負荷，使液化段和過冷段相對協調， 可結合大型換熱器的載荷分配以及換熱管強度特性，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度符合設計要求；合理選擇了換熱器進出口位置及物料、采用多個小管板側置的方法可使換熱器結構更加緊湊，換熱過程得到優化；螺旋纏繞管式換熱器管外介質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，即使雷諾數較低，其依然為湍流形態，換熱系數較大；由于是多種介質帶相變換熱過程，對不同介質之間的壓差和溫差限制要求較小，生產裝置操作難度降低，安全性得以提高；螺旋纏繞管式換熱器耐高壓且密封可靠、熱膨脹可自行補償，易實現大型LNG液化作業。


圖1所示為LNG低溫液化混合制冷劑多股流螺旋纏繞管式主換熱裝備的主要部件結構及位置關系。
具體實施例方式將混合制冷劑壓縮機中段冷凝中分離出的36°C、0. 9MPa C4H1(1—異C4H10混合制冷劑打入進口 27，再分配于C4Hltl—異C4H10過冷管束M各支管，管束M經螺旋纏繞后在筒體 35內被節流后的C4Hltl—異C4Hltl、C3H8、N2—CH4—C2H4混合氣體過冷，溫度降低至一 53°C、壓力降低至0. 6MPa，再流至出口 18，經安裝于出口 18與進口 17之間的節流閥節流為過冷液體， 節流后壓力降至0. 3MPa，溫度變為一 52. 85°C，再經進口 17進入筒體35，與節流后的C3H8、 N2-CH4-C2H4混合氣體混合，混合后向下流動冷卻天然氣管束32、N2_CH4 — C2H4管束25、 C3H8管束33、C4Hltl—異C4H10管束M后，在^°C、0. 3MPa時經出口 28流出一級制冷段并返回進氣壓縮機壓縮。
將混合制冷劑壓縮機末段冷凝中分離出的36°C、2. ISMPa C3H8制冷劑打入進口 30，再分配于C3H8過冷管束33各支管，管束33經螺旋纏繞后在筒體35內被節流后的C3H8、 C4Hltl—異C4Hltl、N2-CH4 — C2H4混合氣體過冷，溫度降至一 53°C、壓力降至1. 88MPa，再流至出口 39，經安裝于出口 39與進口 40之間的節流閥節流為過冷液體，節流后壓力降至0. 3MPa, 溫度變為一 52. ^°C，再經進口 40進入筒體35，與節流后的C4Hltl—異C4H10, N2-CH4-C2H4 混合氣體混合，混合后向下流動冷卻天然氣管束32、N2-CH4 -C2H4管束25、C3H8管束33、 C4Hltl—異C4H10管束M后，在^°C、0. 3MPa時經出口 28流出一級制冷段并返回進氣壓縮機壓縮。將混合制冷劑壓縮機末段冷凝器中分離出的36°C、2. ISMPa N2-CH4-C2H4混合氣體打入N2_CH4_C2H4預冷進口 26，再分配于預冷管束25各支管，管束25經螺旋纏繞后在一級筒體35內被節流后的C4Hltl—異C4H1Q、C3H8、來自二級的N2_CH4_C2H4混合氣體預冷， 預冷后C2H4被液化，形成N2-CH4氣體與C2H4液體的氣液兩相流，溫度降低至一 53°C、壓力降低至1. 88MPa,經出口 19后進入氣液分離器，分離后的C2H4與N2_CH4兩股流制冷劑分別進入二級預冷段。將一段制冷末端氣液分離器分離出的液態C2H4制冷劑在一 53°C、1. 88MPa時通過進口 42打入二級預冷段，再分配于C2H4過冷管束44各支管，管束44經螺旋纏繞后在二級筒體13內被節流后的C2H4、來自一級的一 130°C、0. 3MPa的N2-CH4混合制冷劑過冷，溫度降低至一 120°C、壓力降低至1.58MPa，再流至出口 11，經安裝于出口 11與進口 9之間的節流閥節流為過冷液體，節流后壓力降至0. 3MPa，溫度變為一 119. 4°C，再經進口 9進入二級筒體13與來自三級的混合氣體混合，混合后向下流動冷卻天然氣管束43、N2_CH4 預冷管束15、C2H4過冷管束44后，在一 63°C、0. 3MPa時經二級制冷段并進入一級制冷段。將一段制冷末端氣液分離器分離出的氣態N2_CH4混合氣體在一 53°C、1. SSMI3a時通過進口 16進入二級預冷段，再分配于預冷管束15各支管，管束15經螺旋纏繞后在二級筒體13內被節流后的C2H4、來自三級的N2_CH4混合制冷劑預冷，預冷后CH4被液化并形成 N2氣體與CH4液體兩相流，溫度降低至一 120°C、壓力降低至1. 58MPa，再經出口 10流出二級預冷段；N2_CH4混合制冷劑在一 120°C及1. 58MPa時通過進口 7進入三級預冷段，再分配于預冷管束6各支管，管束6經螺旋纏繞后在三級筒體4內被節流后的混合制冷劑預冷并液化；制冷劑完全液化后流至出口 56，溫度降低至一 164°C、壓力降低至1. 38MPa, 再經安裝于出口 56與進口 3之間的節流閥節流，節流后壓力降低至0. 3MPa，氮溫度變為一 185°C，處于氣液兩相狀態，甲烷溫度變為一 163. 5°C，節流后的混合制冷劑為氣液兩相，經進口 5進入三級筒體4并向下流動冷卻天然氣管束51、預冷管束6后，在一 130°C、 0. 3MPa時N2_CH4混合氣流出三級制冷段并進入二級制冷段。將原料氣壓縮機末端冷凝器出口的36°C、6. IMI^a天然氣打入進口 31，在進口 31內分配于天然氣螺旋管束32各支管，管束32經螺旋纏繞后在一級筒體35內與節流后C4Hltl+ 異C4H1Q、C3H8及來自二級的N2—CH4_C2H4混合氣體進行換熱，溫度降至一 53°C、壓力降至 5. 8MPa時，再經出口 38流出一級預冷段；天然氣在一 53°C、5. 8MPa時通過進口 41進入二級液化段，再分配于天然氣螺旋管束43各支管，管束43經螺旋纏繞后在二級筒體13內與節流后的C2H4、來自一級的N2-CH4混合氣體進行換熱，溫度降至一 120°C、壓力降至5. 5MPa 時液化，液化后經出口 49流出二級液化段；天然氣在一 120°C、5. 5MPa時通過進口 50進入三級過冷段，再分配于天然氣螺旋管束51各支管，管束51經螺旋纏繞后在三級筒體4內與節流后的隊一鞏混合制冷劑進行換熱，溫度降低至一 164°C、壓力降低至5. 3MPa時完全液化并過冷，過冷后經LNG出口 1流出三級制冷段，節流降壓后送入LNG貯罐。
權利要求
1. LNG低溫液化混合制冷劑多股流螺旋纏繞管式主換熱裝備，包括LNG三級出口 1、LNG 三級出口管束2j2_CH4三級節流后進口 3、三級筒體4、耳座5j2_CH4三級預冷進口管束 6、N2_CH45級進口 7、圓臺型過渡筒體8、C2H4 二級節流后進口 9、N2_CH4 二級預冷出口 10、 C2H4 二級過冷出口 11、N2-CH4 二級預冷出口管束12、二級筒體13、二級下支撐圈14、N — CH4 二級預冷進口管束15j2_CH4 二級預冷進口 16、C4H1(1—異C4H10 一級混合制冷劑節流后進口 17、C4H1Q—異 C4Hltl —級過冷出口 18、N2—CH4 —C2H4 —級預冷出口 19、C4H1(1—異 C4H10 — 級過冷出口管束20、N2—CH4_C2H4—級預冷出口管束21、一級上支撐圈22、一級中心筒23、 C4Hltl—異 C4Hltl —級過冷進口管束 24、N2—CH4 — C2H4 —級預冷進口管束 25、N2-CH4 —C2H4 — 級預冷進口 26、C4Hltl—異 C4Hltl —級過冷進口 27、N2-CH4 一C2H4 — C3H8 — C4Hltl—異 C4Hltl 混合制冷劑一級蒸氣出口 28、一級下封頭^、C3H8—級過冷進口 30、天然氣一級預冷進口 31、 天然氣一級預冷進口管束32、C3H8—級過冷進口管束33、一級下支撐圈34、一級筒體35、天然氣一級預冷出口管束36、C3H8 —級過冷出口管束37、天然氣一級預冷出口 38、C3H8 —級過冷出口 39、C3H8 —級節流后進口 40、天然氣二級液化進口 41、C2H4 二級過冷進口 42、天然氣二級液化進口管束43、C2H4 二級過冷進口管束44、二級中心筒45、二級上支撐圈46、天然氣二級液化出口管束47、C2H4 二級過冷出口管束48、C2H4 二級過冷出口管束48、天然氣二級液化出口 49、天然氣三級過冷進口 50、天然氣三級過冷進口管束51、三級下支撐圈52、三級中心筒53、三級上支撐圈54、N2-CH4三級預冷出口管束55、N2-CH4三級預冷出口 56、三級上封頭57，其特征在于天然氣一級螺旋管束32j2_CH4_C2H4 —級螺旋管束25、C4H1(1—異 C4H10 一級螺旋管束M、C3H8 —級螺旋管束33繞一級中心筒23纏繞，纏繞后的螺旋盤管安裝于一級筒體35內；中心筒35 —端安裝一級上支撐圈22，一端安裝一級下支撐圈34，上支撐圈22固定于筒體35上部，下支撐圈34固定于筒體35下部，天然氣螺旋管束32、N2_CH4_ C2H4螺旋管束25、C4Hltl—異C4H10螺旋管束24、C3H8螺旋管束33纏繞于上支撐圈22與下支撐圈34之間；天然氣二級螺旋管束43、N2-CH4 二級螺旋管束15、C2H4 二級螺旋管束44繞二級中心筒45纏繞，纏繞后的螺旋盤管安裝于二級筒體13內；中心筒13 —端安裝二級上支撐圈46，一端安裝二級下支撐圈14，上支撐圈46固定于二級筒體13上部，下支撐圈14固定于二級筒體13下部，天然氣螺旋管束43、N2-CH4螺旋管束15、C2H4螺旋管束44纏繞于上支撐圈46與下支撐圈14之間；天然氣三級螺旋管束51j2_CH4三級螺旋管束6繞三級中心筒53纏繞，纏繞后的螺旋盤管安裝于三級筒體4內；中心筒53 —端安裝三級上支撐圈 54，一端安裝三級下支撐圈52，上支撐圈M固定于三級筒體4上部，下支撐圈52固定于三級筒體4下部，天然氣螺旋管束51、N2-CH4螺旋管束6纏繞于上支撐圈M與下支撐圈52 之間；一級筒體35上部左側安裝N2_CH4_C2H4出口 19，右側安裝天然氣出口 38，上部中間左下方安裝C4Hltl—異C4Hltl出口 18、上部中間左上方安裝C4Hltl—異C4Hltl節流后進口 17，上部中間右下方安裝C3H8出口 39，上部中間右上方安裝節流后C3H8進口 40，下部左側安裝N2_ CH4_C2H4進口 26，下部右側安裝天然氣進口 31，下部中間左側安裝C4Hltl—異C4Hltl進口 27， 下部中間右側安裝C3H8進口 30 ；二級筒體13上部左側安裝N2_CH4出口 10，右側安裝天然氣出口 49，上部中間下方安裝C2H4出口 11、上部中間上方安裝C2H4節流后進口 9，下部左側安裝隊_014進口 16，下部右側安裝天然氣進口 41，下部中間安裝C2H4進口 42 ；三級筒體4 上部左側安裝N2_CH4節流后進口 3，右側安裝N2_CH4出口 56，下部左側安裝N2_CH4進口 16，下部右側安裝天然氣進口 50，中部安裝耳座5 ；混合制冷劑出口 28連接封頭四、封頭四連接一級筒體35，一級筒體35連接二級筒體13，二級筒體13連接過渡段8，過渡段8連接三級筒體4，三級筒體4連接封頭57，封頭57連接LNG出口 1。
2.根據權利要求1所述的LNG低溫液化混合制冷劑多股流螺旋纏繞管式主換熱裝備， 其特征在于=C4Hltl—異C4H10混合制冷劑在36°C、0. 9MPa時進入進口 27，再分配于C4Hltl—異 C4H10過冷管束M各支管，管束M經螺旋纏繞后在筒體35內被節流后的C4Hltl—異C4H1Q、 C3H8^N2-CH4-C2H4混合氣體過冷，溫度降低至一 53°C、壓力降低至0. 6MPa,再流至出口 18， 經安裝于出口 18與進口 17之間的節流閥節流為過冷液體，節流后壓力降至0. 3MPa，溫度變為一 52. 85°C，再經進口 17進入筒體；35，與節流后的C3H8、N2-CH4-C2H4混合氣體混合，混合后向下流動冷卻天然氣管束32、N2-CH4 -C2H4管束25、C3H8管束33、C4Hltl—異C4H10管束M后，在^°C、0. 3MPa時經出口 28流出一級制冷裝置并返回進氣壓縮機壓縮。
3.根據權利要求1所述的LNG低溫液化混合制冷劑多股流螺旋纏繞管式主換熱裝備， 其特征在于=C3H8制冷劑在36°C、2. ISMPa時進入進口 30，再分配于C3H8過冷管束33各支管，管束33經螺旋纏繞后在筒體35內被節流后的C3H8、C4Hltl—異C4Hltl、N2-CH4-C2H4混合氣體過冷，溫度降至一 53 °C、壓力降至1. 88MPa，再流至出口 39，經安裝于出口 39與進口 40 之間的節流閥節流為過冷液體，節流后壓力降至0. 3MPa，溫度變為一 52. ^°C，再經進口 40 進入筒體35，與節流后的C4Hltl—異C4H10, N2-CH4-C2H4混合氣體混合，混合后向下流動冷卻天然氣管束32、N2—CH4 -C2H4管束25、C3H8管束33、C4H1(1—異C4H10管束M后，在^°C、 0. 3MPa時經出口 28流出一級制冷裝置并返回進氣壓縮機壓縮。
4.根據權利要求1所述的LNG低溫液化混合制冷劑多股流螺旋纏繞管式主換熱裝備， 其特征在于A2 — CH4 — C2H4混合氣體在36°C、2. 18MPa時進入N2-CH4 — C2H4預冷進口 26， 再分配于預冷管束25各支管，管束25經螺旋纏繞后在一級筒體35內被節流后的C4Hltl—異 C4H10, C3H8、來自二級的N2—CH4_C2H4混合氣體預冷，預冷后C2H4被液化，形成N2-CH4氣體與C2H4液體的氣液兩相流，溫度降低至一 53°C、壓力降低至1. 88MPa，經出口 19后進入氣液分離器，分離后的C2H4與N2_CH4兩股流制冷劑分別進入二級預冷段。
5.根據權利要求1所述的LNG低溫液化混合制冷劑多股流螺旋纏繞管式主換熱裝備， 其特征在于=C2H4制冷劑在一 53°C、1. 88MPa時通過進口 42進入二級預冷段，再分配于C2H4 過冷管束44各支管，管束44經螺旋纏繞后在二級筒體13內被節流后的C2H4、來自一級的一 1300C >0. 3MPa的N2-CH4混合制冷劑過冷，溫度降低至一 120°C、壓力降低至1. 58MPa，再流至出口 11，經安裝于出口 11與進口 9之間的節流閥節流為過冷液體，節流后壓力降至 0. 3MPa,溫度變為一 119. 4°C，再經進口 9進入二級筒體13與來自三級的混合氣體混合，混合后向下流動冷卻天然氣管束43、N2-CH4預冷管束15、C2H4過冷管束44后，在一 63°C、0. 3MPa時離開二級制冷段并進入一級制冷段。
6.根據權利要求1所述的LNG低溫液化混合制冷劑多股流螺旋纏繞管式主換熱裝備， 其特征在于A2—CH4混合氣體在一 53°C、1. 88MPa時通過進口 16進入二級預冷段，再分配于預冷管束15各支管，管束15經螺旋纏繞后在二級筒體13內被節流后的C2H4、來自三級的N2_CH4混合制冷劑預冷，預冷后CH4被液化并形成隊氣體與CH4液體兩相流，溫度降低至一 120°C、壓力降低至1. 58MPa，再經出口 10流出二級預冷段；N2_CH4混合制冷劑在一 120°C及1. 58MPa時通過進口 7進入三級預冷段，再分配于混合制冷劑預冷管束6各支管， 管束6經螺旋纏繞后在三級筒體4內被節流后的混合制冷劑預冷并液化；制冷劑完全液化后流至出口 56，溫度降低至一 164°C、壓力降低至1. 38MPa，再經安裝于出口 56與進口 3之間的節流閥節流，節流后壓力降低至0. 3MPa，氮溫度變為一 185°C，處于氣液兩相狀態，甲烷溫度變為一 163. 5°C，節流后的混合制冷劑為氣液兩相，經進口 5進入三級筒體4 并向下流動冷卻天然氣管束51、N2_CH4預冷管束6后，在一 130°C、0. 3MPa時N2-CH4混合氣流出三級制冷段并進入二級制冷段。
7.根據權利要求1所述的LNG低溫液化混合制冷劑多股流螺旋纏繞管式主換熱裝備， 其特征在于天然氣在36°C、6. IMPa時進入天然氣進口 31，在進口 31內分配于天然氣螺旋管束32各支管，管束32經螺旋纏繞后在一級筒體35內與節流后C4Hltl—異C4H10, C3H8及來自二級的N2_CH4_C2H4混合氣體進行換熱，溫度降至一 53°C、壓力降至5. 8MPa時，再經出口 38流出一級預冷段；天然氣在一 53°C、5. SMPa時通過進口 41進入二級液化段，再分配于天然氣螺旋管束43各支管，管束43經螺旋纏繞后在二級筒體13內與節流后的C2H4、來自一級的隊一014混合氣體進行換熱，溫度降至一 120°C、壓力降至5. 5MPa時液化，液化后經出口 49流出二級液化段；天然氣在一 120°C、5. 5MPa時通過進口 50進入三級過冷段，再分配于天然氣螺旋管束51各支管，管束51經螺旋纏繞后在三級筒體4內與節流后的混合制冷劑進行換熱，溫度降低至一 164°C、壓力降低至5. 3MPa時完全液化并過冷，過冷后經LNG出口 1流出三級制冷段，節流降壓后送入LNG貯罐。
全文摘要
本發明屬天然氣低溫液化技術領域，涉及LNG低溫液化混合制冷劑多股流螺旋纏繞管式主換熱器及混合制冷劑制冷技術，應用N2、CH4、C2H4、C3H8、C4H10、異C4H10混合制冷劑在多股流螺旋纏繞管式換熱器內將36℃、6.1MPa天然氣通過三級制冷過程逐步冷卻至－164℃液化并過冷；應用多股流纏繞管式換熱器逐步過冷N2、CH4、C2H4、C3H8、C4H10、異C4H10，再分別節流并預冷天然氣管束及混合制冷劑管束，達到一級天然氣預冷、二級天然氣液化及三級天然氣過冷目的；其結構緊湊，換熱效率高，可用于36℃～－164℃氣體帶相變低溫換熱領域，解決LNG低溫液化技術難題，提高LNG系統低溫換熱效率。
文檔編號F28D7/02GK102564056SQ201110381579
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月27日 優先權日2011年11月27日
發明者吳金群, 龐鳳皎, 張周衛, 張小衛, 張鵬, 彭光前, 楊智超, 汪雅紅 申請人:張周衛