多级压缩混合工质制冷/液化系统技术方案

本发明专利技术提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，提供一种多压力级混合工质深冷节流制冷系统，前级压缩冷却后经分离器分离的液相混合冷剂不再经过后级压缩，可减少整体压缩功耗，同时可大幅降低低温级换热器换热面积，能够实现回热换热器中热当量的匹配及更好利用多级压缩机提供的多个压力级，可满足各种深冷需求场合，如气体液化，特别是天然气液化、空气分离、化工尾气液化回收、煤层气液化等；本发明专利技术提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，采用普冷温区商业压缩机，相对于传统高压制冷循环，大幅降低成本，且相对于低压制冷循环，本发明专利技术提供的多级压缩混合工质制冷/液化系统，低温级蒸发器制冷剂压力提高，单位冷剂液化能力显著增强。

Multistage compression refrigerant / liquefaction system

The multi-stage compression refrigerant/liquefaction system provided by the invention provides a multi-stage cryogenic throttling refrigeration system with mixed refrigerants. The liquid mixture refrigerant separated by the separator after the pre-stage compression cooling is no longer subjected to the post-stage compression, thereby reducing the overall compression power consumption and greatly reducing the heat exchange area of the low-temperature heat exchanger. It can realize the matching of heat equivalent in the regenerative heat exchanger and make better use of the multiple pressure stages provided by the multi-stage compressor, and can satisfy various cryogenic requirements, such as gas liquefaction, especially natural gas liquefaction, air separation, chemical tail gas liquefaction recovery, coal bed gas liquefaction, etc. The liquefaction system adopts commercial compressor in general cooling temperature zone, which greatly reduces the cost compared with traditional high-pressure refrigeration cycle. Compared with low-pressure refrigeration cycle, the multi-stage compression mixed refrigerant refrigeration/liquefaction system provided by the invention enhances the refrigerant pressure of low-temperature evaporator and the liquefaction capacity of unit refrigerant.

【技术实现步骤摘要】
多级压缩混合工质制冷/液化系统
本专利技术涉及制冷及低温
，尤其涉及一种多级压缩混合工质制冷/液化系统。
技术介绍
采用回热措施的深冷多元混合工质节流制冷机广泛应用于能源、化工及低温工程领域，用于实现器件冷却和工业气体的液化等方面，其中在天然气液化领域的应用是混合工质节流制冷技术的最重要体现之一。多元混合工质的采用使制冷机设计和运行具有了更多的选择自由度。因此，针对不同的冷却对象和应用要求，出现了各种各样的制冷流程系统，仅以液化天然气领域就有不少于数十种流程形式出现。这些制冷系统的出现是基于提高效率、降低成本和减少系统复杂性等不同要求而提出的。而上述要求也是新制冷流程不断出现的促动力。现有混合工质深冷节流制冷流程的共同特征就是：利用压缩机将多元混合工质压缩到一个高压力级，经冷却器将压缩热带走；恢复到环境温度的高压混合工质进入间壁式换热器被返流低压混合工质冷却，然后进入节流元件实现节流制冷，混合工质自身压力降低到一个低压级，进入蒸发器为被冷却物体提供冷量，然后进入换热器冷却高压来流混合工质；自身温度恢复接近室温，进入压缩机，完成一个制冷循环。上述循环持续进行就可以在设定温度连续提供冷量。从热力学角度出发，混合工质在上述过程分别经理了4个阶段：压缩阶段(包括冷凝放热)，回热阶段，节流膨胀阶段和冷量提供阶段。针对不同应用要求，各阶段可能会相互重合，例如在气体液化阶段，冷量提供不仅是只在最低温度的蒸发器，而是和回热阶段复合在一起，即返流低温工质同时为来流高压工质和被冷却物(如天然气)提供冷量。因此，现有技术基本为一级压缩即存在高压和低压两个压力级。所述回热过程实际是循环制冷工质中低压流体冷却高压流体，使高压工质在节流前温度降低，从而减少节流损失的过程，在这个过程中，低压工质将冷量传给高压工质，而自身温度恢复接近环境温度。根据低温热力学理论，回热过程效率是影响到制冷系统总效率的关键因素。对于同种制冷工质，在气相区，由于压力对比热的影响，高压流体的比热大于低压流体比热，即相同流量下高压工质的热当量总是大于低压流体的热当量，因此回热换热器内高、低压两侧热当量总是不能很好的匹配，这就造成了回热换热器内冷热两股流体热力学本征上换热不匹配，造成回热损失，这已经不是通过传热学强化措施能够解决的问题。在两相区，相变潜热对当量比热具有极大贡献，而相同工质低压流体的相变较高压工质大，因此在两相区有可能使低压流体热当量增加。因此解决回热换热器内热当量不匹配的办法有两种：第一种是通过调整混合组元，改变高低压两侧的相变温区来条件两侧流体比热，是回热换热器内两侧流体尽量处于两相区，这需要增加高沸点组元配比浓度；第二是采用相分离措施，减少高压侧流体流量，将处于两相区的高压流体的气液相分离，气相进入回热换热器进一步冷却，液相则直接节流膨胀，实现制冷效应进入低压侧冷却气相工质(如Missimer，D.J.,USpatent3698202,1972)。上述两个措施是分别调节热当量参数中的比热和流量。对应各自系统所采用的压缩机等关键部件，上述两种方法经过优化设计均可以有较高的热力学效率。但是对于低温制冷区，如80K到120K，增加高沸点组元可能会导致出现高沸点组元及润滑油堵塞节流元件。另外采用单级压缩机实现低温制冷，为提高压缩机运行效率，要减少压比、提高低压，往往需要在混合工质内添加更低沸点的组元如：氖气和氦气，而氦气在这个温区节流效应为负(即节流后温度升高)，氖气的节流效应很小，更为严重的是，氦氖气这两种气体无论在高压还是低压通道均为不可凝气体，大大恶化制冷系统内部的换热性能。另一个方面，单级压缩机由于压比和功率均有限制，一般在中小型系统中得到应用，而在大中型制冷装置中，尤其是天然气液化工业，多采用多级压缩机。另外，在普冷领域为实现210～230K制冷，常采用两级压缩两级节流制冷循环，主要目的是解决低温时压缩机压比过大的问题。另外在深冷领域也有两次节流循环出现(陈国邦等，机械工业出版社，1994)，采用纯工质，主要降低最后一级节流前温度，但是最后一级节流前压力已经经过一次节流，使节流前后压差减少，会降低单位流量的等温节流效应。
技术实现思路
有鉴如此，有必要提供一种多级压缩混合工质制冷/液化系统，旨在解决现有技术中提供的制冷技术的应用场景的限制且制冷液化能力较差。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案:一种多级压缩混合工质制冷/液化系统，包括：多级压缩机单元、回热单元、蒸发器单元，所述多级压缩机单元的高压制冷剂出口连接所述回热单元的制冷剂高压入口，所述回热单元的制冷剂高压出口连接所述蒸发器单元的高压入口，所述蒸发器单元的低压出口连接所述回热单元的制冷剂低压入口，所述回热单元的制冷剂低压出口连接所述多级压缩机单元的低压制冷剂入口；其中：所述多级压缩机单元包括第一子压缩机模块、第二子压缩机模块……及第N子压缩机模块，N为大于或等于2的自然数，所述第一子压缩机模块包括第一级压缩机模块、第一级级间冷却器和第一级气液分离器，所述第二子压缩机模块包括第二级压缩机模块、第二级级间冷却器和第二级气液分离器，所述第N子压缩机模块包括第N级压缩机模块、第N级级间冷却器和第N级气液分离器，所述第一级压缩机模块的高压出口连接第一级级间冷却器的高压入口、所述第一级级间冷却器的高压出口连接第一级气液分离器的入口，所述第一级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第一压力级高压液相入口，所述第一级气液分离器的气相出口连接所述第二级压缩机模块的吸气口；第二级压缩机模块的高压出口连接所述第二级级间冷却器的高压入口、所述第二级级间冷却器的高压出口连接所述第二级气液分离器的入口，所述第二级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第二级高压液相入口，所述第二级气液分离器的气相出口连接下一级压缩机模块的吸气口；以此类推，第i级压缩机模块的高压出口连接第i级级间冷却器的高压入口，第i级级间冷却器的高压出口连接第i级气液分离器的入口，第i级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第i压力级高压液相入口，第i级气液分离器的气相出口进入所述回热单元形成第i压力级高压气相入口；所述回热单元包括主换热器及N个压力级子模块构成，所述N＝1,2，···，i-1，i,···，N；第i压力级子模块包括：一个第i级节流元件和一个第i级回热换热器，第i压力级子模块的出口连接第i-1级回热换热器的第i压力级入口，第i-1级回热换热器的第i压力级出口连接下一级压力级子模块的第i压力级入口；第i级压力级子模块中第N-i级高压入口经第i级回热换热器的出口连接第i级节流元件并与第i-1级回热换热器返流入口汇合，进入第i级回热换热器形成第i级回热换热器返流，形成上一级回热换热器返流入口；且相邻2级回热换热器第i级和第i-1级，后一级回热换热器比前一级回热换热器的流道少一；所述蒸发器单元包括：主节流元件及蒸发器，所述回热单元的主换热器的出口连接所述主节流元件的高压入口，所述主节流元件的低压出口连接蒸发器的制冷剂入口，蒸发器的制冷剂出口连接所述回热单元的主换热器的入口。在一些较佳的实施例中，还包括气体液化单元，所述气体液化单元包括若干个气液分离罐及其连接管路；原料气连接第N级压力级子模块中第N级回热换热器进入第N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多级压缩混合工质制冷/液化系统，其特征在于，包括：多级压缩机单元、回热单元、蒸发器单元，所述多级压缩机单元的高压制冷剂出口连接所述回热单元的制冷剂高压入口，所述回热单元的制冷剂高压出口连接所述蒸发器单元的高压入口，所述蒸发器单元的低压出口连接所述回热单元的制冷剂低压入口，所述回热单元的制冷剂低压出口连接所述多级压缩机单元的低压制冷剂入口；其中：所述多级压缩机单元包括第一子压缩机模块、第二子压缩机模块……及第N子压缩机模块，N为大于或等于2的自然数，所述第一子压缩机模块包括第一级压缩机模块、第一级级间冷却器和第一级气液分离器，所述第二子压缩机模块包括第二级压缩机模块、第二级级间冷却器和第二级气液分离器，所述第N子压缩机模块包括第N级压缩机模块、第N级级间冷却器和第N级气液分离器，所述第一级压缩机模块的高压出口连接第一级级间冷却器的高压入口、所述第一级级间冷却器的高压出口连接第一级气液分离器的入口，所述第一级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第一压力级高压液相入口，所述第一级气液分离器的气相出口连接所述第二级压缩机模块的吸气口；第二级压缩机模块的高压出口连接所述第二级级间冷却器的高压入口、所述第二级级间冷却器的高压出口连接所述第二级气液分离器的入口，所述第二级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第二级高压液相入口，所述第二级气液分离器的气相出口连接下一级压缩机模块的吸气口；以此类推，第i级压缩机模块的高压出口连接第i级级间冷却器的高压入口，第i级级间冷却器的高压出口连接第i级气液分离器的入口，第i级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第i压力级高压液相入口，第i级气液分离器的气相出口进入所述回热单元形成第i压力级高压气相入口；所述回热单元包括主换热器及N个压力级子模块构成，所述N＝1,2，···，i‑1，i,···，N；第i压力级子模块包括：一个第i级节流元件和一个第i级回热换热器，第i压力级子模块的出口连接第i‑1级回热换热器的第i压力级入口，第i‑1级回热换热器的第i压力级出口连接下一级压力级子模块的第i压力级入口；第i级压力级子模块中第N‑i级高压入口经第i级回热换热器的出口连接第i级节流元件并与第i‑1级回热换热器返流入口汇合，进入第i级回热换热器形成第i级回热换热器返流，形成上一级回热换热器返流入口；且相邻2级回热换热器第i级和第i‑1级，后一级回热换热器比前一级回热换热器的流道少一；所述蒸发器单元包括：主节流元件及蒸发器，所述回热单元的主换热器的出口连接所述主节流元件的高压入口，所述主节流元件的低压出口连接蒸发器的制冷剂入口，蒸发器的制冷剂出口连接所述回热单元的主换热器的入口。...

【技术特征摘要】
1.一种多级压缩混合工质制冷/液化系统，其特征在于，包括：多级压缩机单元、回热单元、蒸发器单元，所述多级压缩机单元的高压制冷剂出口连接所述回热单元的制冷剂高压入口，所述回热单元的制冷剂高压出口连接所述蒸发器单元的高压入口，所述蒸发器单元的低压出口连接所述回热单元的制冷剂低压入口，所述回热单元的制冷剂低压出口连接所述多级压缩机单元的低压制冷剂入口；其中：所述多级压缩机单元包括第一子压缩机模块、第二子压缩机模块……及第N子压缩机模块，N为大于或等于2的自然数，所述第一子压缩机模块包括第一级压缩机模块、第一级级间冷却器和第一级气液分离器，所述第二子压缩机模块包括第二级压缩机模块、第二级级间冷却器和第二级气液分离器，所述第N子压缩机模块包括第N级压缩机模块、第N级级间冷却器和第N级气液分离器，所述第一级压缩机模块的高压出口连接第一级级间冷却器的高压入口、所述第一级级间冷却器的高压出口连接第一级气液分离器的入口，所述第一级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第一压力级高压液相入口，所述第一级气液分离器的气相出口连接所述第二级压缩机模块的吸气口；第二级压缩机模块的高压出口连接所述第二级级间冷却器的高压入口、所述第二级级间冷却器的高压出口连接所述第二级气液分离器的入口，所述第二级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第二级高压液相入口，所述第二级气液分离器的气相出口连接下一级压缩机模块的吸气口；以此类推，第i级压缩机模块的高压出口连接第i级级间冷却器的高压入口，第i级级间冷却器的高压出口连接第i级气液分离器的入口，第i级气液分离器的液相出口进入所述回热单元形成第i压力级高压液相入口，第i级气液分离器的气相出口进入所述回热单元形成第i压力级高压气相入口；所述回热单元包括主换热器及N个压力级子模块构成，所述N＝1,2，···，i-1，i,···，N；第i压力级子模块包括：一个第i级节流元件和一个第i级回热换热器，第i压力级子模块的出口连接第i-1级回热换热器的第i压力级入口，第i-1级回热换热器的第i压力级出口连接下一级压力级子模块的第i压力级入口；第i级压力级子模块中第N-i级高压入口经第i级回热换热器的出口连接第i级节流元件并与第i-1级回热换热器返流入口汇合，进入第i级回热换热器形成第i级回热换热器返流，形成上一级回热换热器返流入口；且相邻2级回热换热器第i级和第i-1级，后一级回热换热器比前一级回热换热器的流道少一；所述蒸发器单元包括：主节流元件及蒸发器，所述回热单元的主换热器的出口连接所述主节流元件的高压入口，所述主节流元件的低压出口连接蒸发器的制冷剂入口，蒸发器的制冷剂出口连接所述回热单元的主换热器的入口。2.根据权利要求1所述的多级压缩混合工...

【专利技术属性】
技术研发人员：公茂琼，赵延兴，陈高飞，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11