專利名稱：一種混合制冷劑與氮膨脹組合制冷式天然氣液化方法
技術領域：
本發明屬于氣體液化技術領域，涉及一種天然氣液化工藝方法，特別是一種采用 混合制冷劑循環與氮膨脹循環組合制冷式天然氣液化方法。
背景技術：
目前，國內外用于天然氣液化的工藝主要有氮膨脹制冷工藝、階式制冷工藝、單 混合制冷劑工藝、帶丙烷預冷的混合制冷工藝和雙混合制冷劑工藝等多種工藝方法，這些 工藝均有各自的優缺點。氮膨脹制冷工藝簡單，但效率低，只能用于調峰型等規模較小的 液化裝置；階式制冷工藝效率較高，由于三個制冷循環都是純組分，設計計算及操作等比較 方便，但該工藝設備和壓縮機組多，對制冷劑純組分的純度要求高，換熱設備多且較復雜， 設備投資高；單混合制冷劑工藝流程簡單，效率相對于階式制冷工藝較低，由于只有一個制 冷循環，且節流后的氣態制冷劑壓力低，因此氣態制冷劑體積流量大，應用于中到大型裝置 時受到壓縮機、冷箱等設備的限制，故一般只應用于中小規模的液化裝置，該工藝另外一個 缺點是由于制冷劑的工作溫度范圍大，須有嚴格的制冷劑組分配比，否則熱效率會有較大 下降，因此需要外購和儲存多個制冷劑純組分，配置較困難，開工慢；帶預冷的混合制冷劑 工藝與雙級混合制冷劑工藝等都具有較高的熱效率，且都可以應用于大型的天然氣液化裝 置，但是這兩種工藝較復雜，設備數量較多，且制冷劑系統具有與單混合制冷劑系統類似的 缺點，即制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 只應用于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
本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，尋求設計并提供一種操作方便，液 化效率高，可用于中到大型規模的天然氣液化工藝方法，將混合制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、補充制冷劑、混合制冷劑循環、氮氣膨脹制冷循環和LNG儲存；先將經過脫 酸性氣、脫水等預處理后的天然氣(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制冷劑(甲烷 戊烷的混合 物)的汽化制冷，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進入過冷段冷箱后冷卻至-150°C左 右，經液體膨脹機減壓至儲罐壓力并進一步降溫至-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，然后壓縮后作燃料氣；在混合制 冷劑循環過程中，低壓下的氣態混合制冷劑經過兩級壓縮和水冷或空冷后，部分混合制冷 劑冷凝為液體后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 過混合制冷劑J-T閥降壓和減溫后汽化返回液化段冷箱；另一部分混合制冷劑進入氮氣換熱器，在液化段冷箱中完全汽化后返回混合制冷劑一級壓縮機入口，并將天然氣和高壓 的混合制冷劑冷凝為液體；在氮氣膨脹制冷循環中，氮氣經三級壓縮和冷卻后進入氮氣換 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制冷劑J-T 閥降壓后的混合制冷劑補充換熱，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后進入過冷段冷箱冷端與LNG換熱，將LNG冷卻至-150°C后再與 高壓氮氣換熱升溫后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)，抽出后進入脫重烴塔，脫重烴塔頂的氣體進入液化段冷箱，降 溫10°C 20°C后經氣液分離，氣體返回液化段冷箱并進入后續的液化過程，液體作為脫重 烴塔的回流；當需要補充制冷劑時，從脫重烴塔的回流抽出部分液體，經降壓并進行氣液分 離，氣體進入燃料氣系統，液體經制冷劑汽化器汽化后補充到混合制冷劑一級壓縮機入口 的混合制冷劑緩沖罐。本發明的混合制冷劑由脫重烴工序制取，不需進行制冷劑組分的配置；天然氣脫 重烴塔頂與液化段冷箱之間物流的組合方式采用從烴塔塔頂氣體進入液化段冷箱進一步 降溫，然后氣液分離，液相回到脫重烴塔頂回流，天然氣液化后降壓過程采用液體膨脹機可 提高流程效率，降低壓縮功耗，以J-T閥作為備用；混合制冷劑制冷循環和氮氣膨脹制冷循 環的組合來達到天然氣的預冷、液化、過冷過程；兩種制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；混合制冷劑循環和氮氣膨脹循環是兩個獨立的制冷循環，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制冷劑，氮氣膨脹循環效率 明顯提高；混合制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；制冷 劑在壓縮后用水冷(或空冷)冷卻，至少有一部分制冷劑冷凝，制冷劑在J-T閥前已全部液 化，制冷劑經冷箱換熱返回壓縮機時已全部汽化，并有一定的過熱度；氮膨脹循環中氮氣始 終為氣相。本發明采用混合制冷劑制冷循環和氮膨脹制冷循環相結合的組合制冷式工藝，混 合制冷劑循環將天然氣預冷并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；一般的混合制冷劑循環 效率高，但開工啟動慢，混合制冷劑組分嚴格，且混合制冷劑工作溫度范圍越大，溫度越低， 則制冷劑組分要求越高；本發明的混合制冷劑工作溫度范圍為常溫 -iio°c，制冷劑組分 要求低，可調范圍寬，同時雖然混合制冷劑制冷溫度范圍變小，但仍然集中了天然氣液化過 程中約70%的制冷負荷，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，缺點是制冷效率低，特別是“高溫段”制冷時相對于混合制冷劑系統效率很低；氮膨 脹循環在低溫段如-ioo°c以下時制冷效率較高；在裝置內制取混合制冷劑的混合組分，可 減少裝置的復雜性和操作勞動強度；同時制冷劑最低溫度為-ioo°c左右，故節流后混合制 冷劑壓力比一般的混合制冷劑工藝高，從而降低氣態混合制冷劑的體積流量，減少設備體 積；本發明工藝的熱效率高、氣態制冷劑體積流量小、制冷劑系統簡單等特點可用于中到大 型天然氣液化裝置，相對于可大型化的丙烷預冷的混合制冷劑工藝、雙混合制冷劑工藝和 階式制冷工藝都簡單，設備投資低且可大大簡化制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制冷工藝有較 好的適應性；本發明制冷劑系統由原料氣中制取，與原料氣組成有一定的相關性，可調范圍寬，同時由于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為脫重烴塔及制冷劑補充系統中物流；121 131為混 合制冷劑制冷循環中物流；140 149為氮膨脹制冷循環中物流。
具體實施例方式下面結合附圖并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制冷劑制冷單元、混合制冷劑壓縮單 元、氮膨脹制冷單元、氮氣壓縮單元、脫重烴單元和混合制冷劑制取補充單元；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、混合制冷劑J-T閥218、混合制冷劑緩沖罐213、混合制冷劑一級壓縮機 214、混合制冷劑一級冷卻器215、混合制冷劑二級壓縮機216、混合制冷劑二級冷卻器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、制冷劑減壓閥210、制冷劑分離罐211和制冷劑汽化器212 ；預處理后的天然氣與液化 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出口與并聯的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出口合并后與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，另一部分與制冷劑減壓閥210入口連接，制冷劑減壓 閥210出口與制冷劑分離罐211入口連接，制冷劑分離罐211下部出口與制冷劑汽化器212 入口連接，制冷劑汽化器212出口與混合制冷劑緩沖罐213入口連接；混合制冷劑一級壓縮 機214的入口與混合制冷劑緩沖罐213出口連接，混合制冷劑一級壓縮機214出口與混合 制冷劑一級冷卻器215入口連接，混合制冷劑一級冷卻器215出口與混合制冷劑二級壓縮 機216入口連接，混合制冷劑二級壓縮機216出口與混合制冷劑二級冷卻器217入口連接， 混合制冷劑二級冷卻器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 制冷劑J-T閥218入口連接，混合制冷劑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出口與混合制冷劑緩沖罐213 入口連接，氮氣換熱器220出口與混合制冷劑緩沖罐213入口連接，混合制冷劑緩沖罐213 出口連接混合制冷劑一級壓縮機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，組成組合制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、補充制冷劑、 混合制冷劑循環、氮氣膨脹制冷循環和LNG儲存；先將經過脫酸性氣、脫水預處理后的天 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中由混合制冷 劑的汽化制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后冷卻至-150°C 左右，經液體膨脹機206減壓至儲罐壓力并進一步降溫至-160°C左右，產生的BOG為預處 理段脫水前天然氣預冷，然后壓縮后作燃料氣；在混合制冷劑循環過程中，低壓下的氣態混 合制冷劑經過兩級壓縮和水冷或空冷后，部分混合制冷劑冷凝為液體后進入天然氣液化段 冷箱201換熱被冷凝為液體，溫度為_75°C -110°C，再經過混合制冷劑J-T閥218降壓和 減溫后汽化返回液化段冷箱201，另一部分制冷劑進入氮氣換熱器220，在液化段冷箱201 中完全汽化后返回混合制冷劑一級壓縮機214入口，并將天然氣和高壓的制冷劑冷凝為液 體；在氮氣膨脹制冷循環中，氮氣經三級壓縮和冷卻后進入氮氣換熱器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制冷劑J-T閥218降壓 后的混合制冷劑補充換熱，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減壓和降溫后，進入過冷段冷箱205冷端，與LNG換熱，將LNG其冷卻至_150°C后再 與高壓氮氣換熱升溫后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)，抽出后進入脫重烴塔202，脫重烴塔202頂 的氣體進入液化段冷箱201，降溫10°C 20°C后經氣液分離，氣體返回液化段冷箱201并進 入后續的液化過程，液體作為脫重烴的回流；當需要補充制冷劑時，從脫重烴塔202的回流 抽出部分液體，經降壓并進行氣液分離，氣體進入燃料氣系統，液體經制冷劑汽化器212汽 化后補充到混合制冷劑一級壓縮機214入口的混合制冷劑緩沖罐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
一種混合制冷劑與氮膨脹組合制冷式天然氣液化方法，其特征在于先將經過脫酸性氣、脫水等預處理后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制冷劑汽化制冷，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進入過冷段冷箱后冷卻至 150℃，經液體膨脹機減壓至儲罐壓力并進一步降溫至 160℃，產生的BOG為預處理段脫水前天然氣預冷，然后壓縮作燃料氣；在混合制冷劑循環過程中，低壓下的氣態混合制冷劑經過兩級壓縮和水冷或空冷后，部分混合制冷劑冷凝為液體后進入天然氣液化段冷箱換熱被冷凝為液體，溫度為 75℃～ 110℃，再經過混合制冷劑J T閥降壓和減溫后汽化返回液化段冷箱；另一部分混合制冷劑進入氮氣換熱器，在液化段冷箱中完全汽化后返回混合制冷劑一級壓縮機入口，并將天然氣和高壓的混合制冷劑冷凝為液體；在氮氣膨脹制冷循環中，氮氣經三級壓縮和冷卻后進入氮氣換熱器，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制冷劑J T閥降壓后的混合制冷劑補充換熱，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后進入過冷段冷箱冷端與LNG換熱，將LNG冷卻至 150℃后再與高壓氮氣換熱升溫后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℃，抽出后進入脫重烴塔，脫重烴塔頂的氣體進入液化段冷箱，降溫10℃～20℃后經氣液分離，氣體返回液化段冷箱并進入后續的液化過程，液體作為脫重烴塔的回流；當需要補充制冷劑時，從脫重烴塔的回流抽出部分液體，經降壓并進行氣液分離，氣體進入燃料氣系統，液體經制冷劑汽化器汽化后補充到混合制冷劑一級壓縮機入口的混合制冷劑緩沖罐。
2.根據權利要求1所述的混合制冷劑與氮膨脹組合制冷式天然氣液化方法，其特征在 于混合制冷劑由脫重烴工序制取，不需進行制冷劑組分的配置；天然氣脫重烴塔頂與液化 段冷箱之間物流的組合方式采用從烴塔塔頂氣體進入液化段冷箱進一步降溫，然后氣液分 離，液相回到脫重烴塔頂回流，天然氣液化后降壓過程采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；混合制冷劑制冷循環和氮氣膨脹制冷循環的組合達到天然 氣的預冷、液化、過冷過程，兩種制冷循環的分界點是高壓下天然氣的液化溫度加過冷度； 混合制冷劑循環和氮氣膨脹循環是兩個獨立的制冷循環，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制冷劑，氮氣膨脹循環效率明顯提高；混合制冷劑由甲 烷至戊烷的輕烴組成，不含氮氣及碳六以上重組分；制冷劑在壓縮后用水冷或空冷冷卻，至 少有一部分制冷劑冷凝，制冷劑在J-T閥前已全部液化，制冷劑經冷箱換熱返回壓縮機時 已全部汽化，并有過熱度；氮膨脹循環中氮氣始終為氣相。
全文摘要
本發明屬于氣體液化技術領域，涉及一種采用混合制冷劑循環與氮膨脹循環組合制冷式天然氣液化方法，先將經過脫酸性氣、脫水等預處理后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制冷劑汽化制冷，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進入過冷段冷箱后冷卻至-150℃左右，經液體膨脹機減壓至儲罐壓力并進一步降溫至-160℃左右，然后壓縮后作燃料氣；其工藝過程簡單，可靠性強，液化率高，適于工業化生產。
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