技术领域

本发明涉及富含烃类气体的液化生产， 具体涉及一种单一混合工质制冷液化天然气的 装 置和方法。 背景技术

天然气由于其环保性而成为取代其他说燃料的 最佳物质， 其应用领域已逐渐扩大到发电、 汽车用气、 工业用气、 城市居民用气、 化工用气等方面。

随着天然气消费量的增长， 作为天然气最有效的供用形式之一， 液化天然气的贸易量也 已成为能源市场增长最快的领域之一。 液化天然气书工业的不断发展， 则对天然气液化方法和 装置在能耗、 投资和效率等方面提出了更高的要求。

目前， 比较成熟的天然气液化工艺主要有： 阶式制冷工艺、 膨胀制冷工艺和混合工质制 冷工艺。 其中的单一混合工质制冷工艺则比较受中型 LNG装置的青睐。

现有的单一混合工质制冷的天然气液化方法中 ， 冷剂压缩系统为二级压缩， 天然气液化 采用一级换热。

现有工艺技术： 如图 1所示， 其使用的装置包括一台电机驱动的二段式混合 工质压缩机， 二台冷却器， 二台气液分离器， 二台液体泵， 一台板翅式换热器和一台 LNG储罐； 由 Cl〜 C5和 N2组成的混合工质经过合理配比后进入压缩机� ��入口， 经一段压缩至 0.6〜lMPa， 进 入一级冷却器冷却至 30〜40°C， 再进入一级气液分离罐进行气液分离， 一级气液分离罐顶部 分离出的气体继续进入压缩机的二段入口，经 二段压缩至 1.6〜2.5MPa，一级分离底部分离得 到的液体通过液体泵加压后与二段压缩机出口 的气体混合进入二级冷却器冷却至 30〜40°C， 冷却后的混合工质随后进入二级气液分离罐进 行气液分离， 分离后的液体通过二级液体泵加 压后与该分离器顶部得到的气体混合后进入板 翅式换热器， 预冷至一定温度后节流再返回该 板翅式换热器， 为整个换热过程提供冷量， 天然气通过板翅式换热器后进入 LNG储罐内。

在上述工艺， 为保证液体和气体进入同一个板翅式换热器通 道参与换热， 末级气液分离 器底部的液体必须要加压以克服分离器底部液 体出口到板翅式换热器顶部冷剂入口的高度差 所带来的液柱压力， 必须通过增加末级液体泵来实现。 冷剂和天然气在板翅式换热器中的换 热过程为一级换热， 流股间换热温差的优化受到一定限制， 装置能耗较高， 此外， 对装置的 变负荷运转没有很好的适应性。 发明内容

本发明采用单一混合工质制冷使天然气液化。 本发明提供了一种采用单一混合工质制冷液化 天然气的装置， 其包括混合冷剂压缩系统 和冷箱系统， 其中混合冷剂压缩系统采用二段式混合工质压 缩机进行压缩， 该压缩系统包括 二段式混合工质压缩机、 分别与所述二段式混合工质压缩机的第一段和 第二段连接的两台冷 却器 (即第一冷却器和第二冷却器)、 分别与所述第一台冷却器和第二台冷却器连接 的第一台 气液分离器和第二台气液分离器和与所述两台 气液分离器当中的第一台气液分离器连接的一 台液体泵， 其中冷箱系统包含与所述两台气液分离器中的 第二台气液分离器的液相端连接的 一组板翅式换热器组、 与所述板翅式换热器组的换热通道连接的两台 节流装置和与所述板翅 式换热器组的一个独立换热通道连接的一台天 然气重烃分离器， 其中两台气液分离器中的第 一台气液分离器的气相端与二段式混合工质压 缩机的第二压缩段连接， 第一台气液分离器的 液相端经由一台液体泵与第二压缩段的出口管 道汇合后连接至所述两台冷却器中的第二台冷 却器， 第二台气液分离器的气相端和液相端分别与所 述一组板翅式换热器组的两个换热通道 连接； 其中天然气管道通过换热器组的上述独立换热 通道连接到重烃分离器， 重烃分离器的 顶部气相端通过换热器组的一个换热通道后连 接到 LNG储罐。

本发明采用单一混合工质制冷来液化天然气的 装置， 其分为天然气循环和混合工质制冷 循环。 在混合工质回路中， 混合工质经二级压缩， 在其逐级压缩过程中同时伴随逐级的气液 分离， 一级压缩分离出的液相流股不参与后续的压缩 过程， 有效的减少了后序气体压缩功耗； 经压缩得到的气相和液相混合工质流股分别进 入换热器组的不同通道节流换热， 相比传统工 艺省去了末级液体泵 (即仅仅使用一台液体泵)， 且采用二级换热使整个过程中热流股和冷流 股的换热曲线更为匹配。

本发明所述采用单一混合工质制冷来液化天然 气的装置， 包括二段式混合工质压缩机、 冷却器、 气液分离器、 节流装置、 一组板翅式换热器组和一台 LNG储罐。 其混合制冷剂的压 缩系统包括一台二段式混合工质压缩机、 两台冷却器、 两台气液分离器和一台液体泵， 冷箱 系统包括一组板翅式换热器组（二级换热）、 一台重烃分离器（气液分离器）和两台节流装 置； 混合工质和天然气在冷箱系统中完成整个换热 过程。

在混合冷剂压缩系统中， 压缩机的第一压缩段的出口连接到第一级冷却 器， 第一级冷却 器再与第一级气液分离器连接， 第一级气液分离器的气相端连接到第二压缩段 ， 第一级气液 分离器的底部液相端连接到一台液体泵， 该液体泵的输出管道与第二压缩段的出口管道 汇合 后连接到第二级冷却器， 第二级冷却器再与第二级气液分离器连接， 第二级气液分离器的顶 部气相端与换热器组的第一换热通道 （气相通道） 连接； 第二级气液分离器的底部液相端与 换热器组的第二换热通道连接；

在冷箱系统中， 由混合冷剂压缩系统导出的第二级气液分离器 的液相端通过换热器组中 的第二换热通道连接到第一节流装置的一端， 第一节流装置的另一端与换热器组的第三换热 通道连接； 第二级气液分离器顶部得到的气相端通过换热 器组第一换热通道 （气相通道） 预 冷， 再与第二节流装置的一端连接， 第二节流装置的另一端连接到换热器组的第三 换热通道 后再连接到第一压缩段； 天然气管道通过换热器组的第四换热通道连接 到重烃分离器， 重烃 分离器的顶部气相端依次通过换热器组的其余 各级换热器 (例如第五换热通道；)后连接到 LNG 储罐。

本发明的技术方案概括如下：

采用单一混合工质制冷液化天然气的装置， 该装置包括混合冷剂压缩系统和冷箱系统， 其中该压缩系统包括二段式混合工质压缩机、 分别与所述二段式混合工质压缩机的第一 段和第二段连接的第一台冷却器和第二台冷却 器、 分别与所述第一台冷却器和第二台冷却器 连接的第一台气液分离器和第二台气液分离器 和与所述两台气液分离器当中的第一台连接的 一台液体泵， 和

其中冷箱系统包括： 一组板翅式换热器组， 它包含至少五个换热通道， 即至少包含第一、 第二、 第三、 第四和第五换热通道， 所述第二换热通道和第一换热通道经由两根管 道分别与 所述混合冷剂压缩系统中的第二台气液分离器 的液相端和气相端连接， 和第三换热通道经由 管道连接到第一压缩段；

与所述板翅式换热器组的第二换热通道和第三 换热通道连接的第一台节流装置； 与所述板翅式换热器组的第一换热通道和第三 换热通道连接的第二台节流装置； 禾口

与所述板翅式换热器组的一个独立换热通道即 第四换热通道连接的一台天然气重烃分离 器，

其中两台气液分离器中的第一台气液分离器的 气相端与二段式混合工质压缩机的第二压 缩段连接， 第一台气液分离器的液相端经由液体泵与第二 压缩段的出口管道汇合后连接到所 述两台冷却器中的第二台冷却器， 第二台气液分离器的气相端和液相端分别与所 述一组板翅 式换热器组的两个换热通道即第一换热通道和 第二换热通道连接； 其中用于输送净化天然气 的管道通过换热器组的上述独立换热通道即第 四换热通道连接到重烃分离器， 重烃分离器的 顶部气相端通过换热器组的一个换热通道即第 五换热通道后连接到液化天然气储罐。

另外， 重烃分离器的顶部气相端依次通过换热器组的 第五换热通道后进一步通过换热器 组的另外第六换热通道连接到液化天然气储罐 。

这里所述的"第一段压缩"或"一段压缩"与"第一� ��缩段"可互换使用， 以此类推。

下面描述采用单一混合工质制冷液化天然气的 方法。

本发明所述二段式混合工质压缩系统的装置， 在其混合冷剂压缩系统中， 压缩机第一段 的出口气体进入第一级冷却器中被冷却后通过 第一级气液分离器进行气液分离， 分离后的气 相继续进入第二压缩段， 分离后的液相经液体泵加压后与经过第二段压 缩后的热气体汇合， 再经第二级冷却器冷却后进入第二级气液分离 器中进行气液分离， 分离后的气相进入下游换 热器的第一换热通道（气相通道）； 第二级气液分离器底部得到的液体分别进入下 游换热器的 第二液相换热通道。 在冷箱系统中， 由冷剂压缩系统的第二级气液分离器底部来的 液体冷剂 进入换热器组的第二液相换热通道被预冷后再 通过第一节流装置， 节流后的该流股返回至换 热器组的第三换热通道中提供冷量； 由第二级气液分离器顶部来的气相冷剂经由换 热器组的 第一换热通道被预冷后再流经第二节流装置进 行节流， 节流后的该流股反向进入换热器组的 第三换热通道中提供冷量。 从第三换热通道流出的混合冷剂被输送回到第 一压缩段。 天然气 首先经过换热器组的第四换热通道被冷却至一 定温度后进入重烃分离器中进行分离， 底部得 到重烃组分， 顶部得到的气相部分继续进入换热器组的其余 各级换热器 (例如第五换热通道；) 进行换热， 冷却至过冷状态， 得到的 LNG进入 LNG储罐中被储存。

采用单一混合工质制冷液化天然气的方法包括 ：

天然气循环：

净化后的原料天然气首先进入板翅式换热器组 的第四换热通道进行预冷， 被冷却至 -30°C〜- 60°C后进入重烃分离器进行气液分离， 由重烃分离器顶部分离出的气相流股继续进 入换热器组的其余各级换热器 (例如第五换热通道；)， 并在其中被冷却至 -130°C〜- 166°C， 得到 的液化天然气送入 LNG储罐中储存。

混合冷剂循环：

由 C1〜C5和 N ₂ 组成的混合工质（， 通常选自 Cl、 C2、 C3、 C4和 C5链烷烃和 N ₂ 中的 四种、 五种或六种， 它们按照任意体积比例或按照大约等同的体积 比例， 进入压缩机的入口， 经第一段压缩至 0.6〜1.8MPaA，进入第一级冷却器冷却至 30°C〜40°C，再进入第一级气液分 离器进行气液分离， 第一级气液分离器顶部分离出的气体继续进入 压缩机的第二段入口， 经 二段压缩至 1.2〜5.4MPaA，第一级气液分离器底部液相端分� �出的液体经液体泵加压后与第 二段压缩出口管道的热气体汇合后， 再进入第二级冷却器中被冷却至 30°C〜40°C， 冷却后的 混合工质随后进入第二级气液分离器进行气液 分离， 第二级气液分离器的顶部气体随后进入 主换热器组的第一换热通道参与换热， 第二级气液分离器底部分离出的液体进入主换 热器组 的第二换热通道参与换热；

从混合工质压缩系统的第二级气液分离器底部 引出的液体首先进入换热器组的第二换热 通道， 在其中被预冷至约 -30°C〜- 80°C， 经第一节流阀节流至 0.25~0.75MPaA后与流过主换 热器组的第一级换热通道和然后经过第二节流 阀返回的混合工质流股汇合并反向进入第三级 换热通道为换热器组提供冷量和然后返回到第 一压缩段， 由第二级气液分离器顶部分离出的 混合工质的气相流股通过换热器组的气相通道 (第一换热通道；)冷却至 -135 °C〜- 169°C， 再经第 二节流阀节流至 0.25〜0.75MPaA后反向进入换热器组的第三换热通 道为换热器提供冷量。

这里， 压力单位 MPaA为兆帕， 绝对压力。 在本发明中， 一般而言， 一个设备与另一个 设备的连接是通过管道来实现的。

本发明的优点：

1. 本发明装置中采用了二段式混合冷剂压缩机， 将混合冷剂逐级压缩并逐级分离， 减少 了气体压缩的功耗。

2. 一级气液分离器底部液体流股不参与后续的压 缩过程，在一定程度上减少了混合冷剂 配比的波动对压缩机组运行工况的影响程度， 使得整个装置更易于操作。

3. 经混合冷剂压缩机压缩得到的气相和液相混合 冷剂流股分别进入换热器组的不同换 热通道而不需末级液体泵（即仅仅使用一台液 体泵）， 使得能耗有所降低， 且采用二级换热使 得整个换热过程的冷流体和热流体的换热曲线 更为匹配， 有效减少了混合冷剂的流量。

4. 对装置的变负荷运转有很好的适应性， 可有效避免冷箱底部积液， 从而保证在低负荷 工况时， 产品能耗与正常工况能耗接近。 附图说明

图 1是现有技术的一种结构图；

图 2是本发明所述二段式混合工质压缩系统的装� �配置图。 具体实施方式

下面结合附图进一步说明。

图 2所示的装置包括二段式混合工质压缩机 1， 第一冷却器 21、 第二冷却器 22， 第一气 液分离器 31、 第二气液分离器 32、 重烃分离器 6 (气液分离器）， 液体泵 4， 第一节流装置 51、 第二节流装置 52， 一组板翅式换热器组 7(即主换热器组;)和一台 LNG储罐 8。 其混合制 冷剂的压缩系统包括一台二段式混合工质压缩 机 1，两台冷却器 21、 22，两台气液分离器 31、 32, 一台液体泵 4， 冷箱系统包括一组板翅式换热器组 7 (两级换热）、一台重烃分离器 6 (气 液分离器） 和两台节流装置 51、 52； 混合工质和天然气在冷箱系统中完成整个换热 过程。 在 混合冷剂压缩系统中， 压缩机 1第一段的出口连接到第一级冷却器 21， 第一级冷却器 21再 与第一级气液分离器 31连接， 第一级气液分离器 31的气相端连接到第二压缩段， 第一级气 液分离器 31底部液相端连接到液体泵 4， 液体泵 4的输出端与第二压缩段的出口管道汇合后 再连接到第二级冷却器 22， 第二级冷却器 22再与第二级气液分离器 32连接， 第二级气液分 离器 32顶部气相端与换热器组 7的第一换热通道 （气相通道） 连接； 第二级气液分离器 32 底部液相端与换热器组 7的第二液相换热通道连接；

在冷箱系统中，由混合冷剂压缩系统来的第二 级气液分离器 32液相端通过换热器组 7中 的第二换热通道连接到第一节流装置 51的一端， 第一节流装置 51的另一端与换热器组 7的 第三换热通道连接；二级气液分离器 32顶部得到的气相端通过换热器组 7的第一换热通道被 预冷， 再与第二节流装置 52—端连接， 第二节流装置 52的另一端连接到换热器组 7的第三 换热通道后再连接到第一压缩段； 天然气管道通过换热器组的第四换热通道连接 到重烃分离 器 6，重烃分离器 6的顶部气相端依次通过换热器组 7的其余各级换热器 (例如第五换热通道， 任选地还可以经过第六换热通道)后连接到 LNG储罐 8。

使用图 2的装置的工艺流程如下：

天然气循环：

如附图 2中所示， 净化后的原料天然气首先进入板翅式主换热器 组 7 (两级换热） 中的 第四换热通道中被预冷， 被冷却至 -30°C〜- 60°C后进入重烃分离器 6 中进行气液分离， 由重 烃分离器 6顶部分离出的气相流股继续进入主换热器组 7的其余各级换热器， 并在其中被冷 却至 -130°C〜- 166°C， 得到的液化天然气送入 LNG储罐 8中储存， 重烃分离器 6的底部得到 液化石油气 （LPG)。

混合冷剂循环： 由 C1〜C5和 N ₂ 组成的混合工质， 通常选自 Cl、 C2、 C3、 C4和 C5链烷烃和 N ₂ 中的四 种、 五种或六种， 它们按照任意体积比例或按照大约等同的体积 比例， 进入压缩机 1的入口， 经一段压缩至 0.6〜1.8MPaA， 进入一级冷却器 21冷却至 30°C〜40°C， 再进入一级气液分离 器 31进行气液分离， 一级气液分离器 31顶部分离出的气体继续进入压缩机的第二段� ��口， 经二段压缩至 1.2〜5.4MPaA， 第一级气液分离器 31底部液相端分离出的液体经液体泵 4加 压后与二段压缩出口的热气体汇合后， 再进入第二级冷却器 22冷却至 30°C〜40°C， 冷却后 的混合工质随后进入第二级气液分离器 32中进行气液分离， 第二级气液分离器 32顶部气体 随后进入主换热器组 7的第一换热通道参与换热，第二级气液分离� � 32底部分离出的液体进 入主换热器组 7的第二换热通道参与换热；

从混合工质压缩系统的第二级气液分离器 32 底部引出的液体首先进入换热器组的第二 换热通道， 在其中被预冷至约 -30°C〜- 80°C， 经节流阀 51节流至 0.25〜0.75MPaA后与从换 热器组 7 后一级换热器返回 (即流过第一换热通道和第二节流阀;)的混合工 质流股汇合并反向 进入前一级换热器 (即第三换热通道)为换热器组 7提供冷量， 由第二级气液分离器 32顶部分 离出的混合工质的气相流股通过换热器组 7 的气相通道 (即第一换热通道)冷却至 -135 °C〜 -169 °C , 再经第二节流阀 52节流至 0.25〜0.75MPaA后反向进入换热器组 7的第三换热通道 中为换热器组提供冷量， 然后返回到第一压缩段。