一种混合制冷剂与氮膨胀组合制冷式天然气液化方法技术

本发明专利技术属于气体液化技术领域，涉及一种采用混合制冷剂循环与氮膨胀循环组合制冷式天然气液化方法，先将经过脱酸性气、脱水等预处理后的天然气进入天然气液化段冷箱，控制压力为４～１０ＭＰａ在液化段冷箱中由混合制冷剂汽化制冷，将高压下的天然气进行液化，液化天然气（ＬＮＧ）离开液化段冷箱的温度为－７５℃～－１１０℃；ＬＮＧ进入过冷段冷箱后冷却至－１５０℃左右，经液体膨胀机减压至储罐压力并进一步降温至－１６０℃左右，然后压缩后作燃料气；其工艺过程简单，可靠性强，液化率高，适于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气体液化
，涉及一种天然气液化工艺方法，特别是一种采用 混合制冷剂循环与氮膨胀循环组合制冷式天然气液化方法。
技术介绍
目前，国内外用于天然气液化的工艺主要有氮膨胀制冷工艺、阶式制冷工艺、单 混合制冷剂工艺、带丙烷预冷的混合制冷工艺和双混合制冷剂工艺等多种工艺方法，这些 工艺均有各自的优缺点。氮膨胀制冷工艺简单，但效率低，只能用于调峰型等规模较小的 液化装置；阶式制冷工艺效率较高，由于三个制冷循环都是纯组分，设计计算及操作等比较 方便，但该工艺设备和压缩机组多，对制冷剂纯组分的纯度要求高，换热设备多且较复杂， 设备投资高；单混合制冷剂工艺流程简单，效率相对于阶式制冷工艺较低，由于只有一个制 冷循环，且节流后的气态制冷剂压力低，因此气态制冷剂体积流量大，应用于中到大型装置 时受到压缩机、冷箱等设备的限制，故一般只应用于中小规模的液化装置，该工艺另外一个 缺点是由于制冷剂的工作温度范围大，须有严格的制冷剂组分配比，否则热效率会有较大 下降，因此需要外购和储存多个制冷剂纯组分，配置较困难，开工慢；带预冷的混合制冷剂 工艺与双级混合制冷剂工艺等都具有较高的热效率，且都可以应用于大型的天然气液化装 置，但是这两种工艺较复杂，设备数量较多，且制冷剂系统具有与单混合制冷剂系统类似的 缺点，即制冷剂组分比例较严格、配置较困难，开工慢、外购和存储多个纯组分等，因此一般 只应用于大型的液化天然气装置时才体现出经济价值。归结现有技术的缺点，寻求设计一 种能克服现有技术主要缺点的天然气液化工艺方法具有明显的科学和经济价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计并提供一种操作方便，液 化效率高，可用于中到大型规模的天然气液化工艺方法，将混合制冷循环工艺与氮膨胀制 冷工艺有机的组合形成天然气液化工艺。为了实现上述专利技术目的，本专利技术的工艺过程包括天然气预处理、脱重烃、预冷、 液化、过冷、补充制冷剂、混合制冷剂循环、氮气膨胀制冷循环和LNG储存；先将经过脱 酸性气、脱水等预处理后的天然气(脱酸性气、脱水部分不属本
技术实现思路
)进入天然气 液化段冷箱，控制压力为4 IOMpa在液化段冷箱中由混合制冷剂(甲烷 戊烷的混合 物)的汽化制冷，将高压下的天然气进行液化，液化天然气(LNG)离开液化段冷箱的温度 为-75°C -110°C (依原料气组成及压力而定)；LNG进入过冷段冷箱后冷却至-150°C左 右，经液体膨胀机减压至储罐压力并进一步降温至-160°C左右(J-T阀作为液体膨胀机的 旁路和备用)，产生的BOG为预处理段脱水前天然气预冷，然后压缩后作燃料气；在混合制 冷剂循环过程中，低压下的气态混合制冷剂经过两级压缩和水冷或空冷后，部分混合制冷 剂冷凝为液体后进入天然气液化段冷箱换热被冷凝为液体，温度为_75°C -110°C，再经 过混合制冷剂J-T阀降压和减温后汽化返回液化段冷箱；另一部分混合制冷剂进入氮气换热器，在液化段冷箱中完全汽化后返回混合制冷剂一级压缩机入口，并将天然气和高压 的混合制冷剂冷凝为液体；在氮气膨胀制冷循环中，氮气经三级压缩和冷却后进入氮气换 热器，与从过冷段冷箱返回的低温氮气换热，氮气换热器中引入一部分经混合制冷剂J-T 阀降压后的混合制冷剂补充换热，改善氮气之间的换热效果；高压氮气经换热降温，进入 氮气膨胀机减压和降温后进入过冷段冷箱冷端与LNG换热，将LNG冷却至-150°C后再与 高压氮气换热升温后回到氮气一级压缩机入口 ；氮气第三级压缩机由氮气膨胀机直接驱 动；对天然气中的碳六以上重烃在液化前进行脱重烃是将天然气在液化段冷箱中的温度调 为_30°C (依原料气性质定)，抽出后进入脱重烃塔，脱重烃塔顶的气体进入液化段冷箱，降 温10°C 20°C后经气液分离，气体返回液化段冷箱并进入后续的液化过程，液体作为脱重 烃塔的回流；当需要补充制冷剂时，从脱重烃塔的回流抽出部分液体，经降压并进行气液分 离，气体进入燃料气系统，液体经制冷剂汽化器汽化后补充到混合制冷剂一级压缩机入口 的混合制冷剂缓冲罐。本专利技术的混合制冷剂由脱重烃工序制取，不需进行制冷剂组分的配置；天然气脱 重烃塔顶与液化段冷箱之间物流的组合方式采用从烃塔塔顶气体进入液化段冷箱进一步 降温，然后气液分离，液相回到脱重烃塔顶回流，天然气液化后降压过程采用液体膨胀机可 提高流程效率，降低压缩功耗，以J-T阀作为备用；混合制冷剂制冷循环和氮气膨胀制冷循 环的组合来达到天然气的预冷、液化、过冷过程；两种制冷循环的分界点是高压下天然气的 液化温度加适当的过冷度；混合制冷剂循环和氮气膨胀循环是两个独立的制冷循环，有各 自的压缩机、冷却器、冷箱组成；氮气换热有部分冷量来自混合制冷剂，氮气膨胀循环效率 明显提高；混合制冷剂由甲烷至戊烷的轻烃组成，基本不含氮气及碳六以上重组分；制冷 剂在压缩后用水冷(或空冷)冷却，至少有一部分制冷剂冷凝，制冷剂在J-T阀前已全部液 化，制冷剂经冷箱换热返回压缩机时已全部汽化，并有一定的过热度；氮膨胀循环中氮气始 终为气相。本专利技术采用混合制冷剂制冷循环和氮膨胀制冷循环相结合的组合制冷式工艺，混 合制冷剂循环将天然气预冷并进一步冷却使天然气达到高压下的液化温度；氮膨胀循环将 已液化的天然气过冷至更低的温度，达到常压下LNG的储存条件；一般的混合制冷剂循环 效率高，但开工启动慢，混合制冷剂组分严格，且混合制冷剂工作温度范围越大，温度越低， 则制冷剂组分要求越高；本专利技术的混合制冷剂工作温度范围为常温 -iio°c，制冷剂组分 要求低，可调范围宽，同时虽然混合制冷剂制冷温度范围变小，但仍然集中了天然气液化过 程中约70%的制冷负荷，故热效率较高；传统的氮膨胀工艺具有安全、启动迅速、设备简单 等优点，缺点是制冷效率低，特别是“高温段”制冷时相对于混合制冷剂系统效率很低；氮膨 胀循环在低温段如-ioo°c以下时制冷效率较高；在装置内制取混合制冷剂的混合组分，可 减少装置的复杂性和操作劳动强度；同时制冷剂最低温度为-ioo°c左右，故节流后混合制 冷剂压力比一般的混合制冷剂工艺高，从而降低气态混合制冷剂的体积流量，减少设备体 积；本专利技术工艺的热效率高、气态制冷剂体积流量小、制冷剂系统简单等特点可用于中到大 型天然气液化装置，相对于可大型化的丙烷预冷的混合制冷剂工艺、双混合制冷剂工艺和 阶式制冷工艺都简单，设备投资低且可大大简化制冷剂的存储和配置问题；该方法如在将 来的海上浮式液化天然气生产装置中应用，在特定海况和规模下可能比其它制冷工艺有较 好的适应性；本专利技术制冷剂系统由原料气中制取，与原料气组成有一定的相关性，可调范围宽，同时由于氮膨胀循环对不同天然气的适应性强，故整体工艺对不同性质和组成的天然 气具有较好的适应性。附图说明图1为本专利技术涉及的组合工艺流程及装置结构原理示意图，其中101 110为天 然气或液化天然气物流；111 118为脱重烃塔及制冷剂补充系统中物流；121 131为混 合制冷剂制冷循环中物流；140 149为氮膨胀制冷循环中物流。具体实施例方式下面结合附图并通过实施例对本专利技术做进一步说明。实施例本实施例涉及的工艺及装置系统包括混合制冷剂制冷单元、混合制冷剂压缩单 元、氮膨胀制冷单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合制冷剂与氮膨胀组合制冷式天然气液化方法，其特征在于先将经过脱酸性气、脱水等预处理后的天然气进入天然气液化段冷箱，控制压力为４～１０Ｍｐａ在液化段冷箱中由混合制冷剂汽化制冷，将高压下的天然气进行液化，液化天然气（ＬＮＧ）离开液化段冷箱的温度为－７５℃～－１１０℃；ＬＮＧ进入过冷段冷箱后冷却至－１５０℃，经液体膨胀机减压至储罐压力并进一步降温至－１６０℃，产生的ＢＯＧ为预处理段脱水前天然气预冷，然后压缩作燃料气；在混合制冷剂循环过程中，低压下的气态混合制冷剂经过两级压缩和水冷或空冷后，部分混合制冷剂冷凝为液体后进入天然气液化段冷箱换热被冷凝为液体，温度为－７５℃～－１１０℃，再经过混合制冷剂Ｊ－Ｔ阀降压和减温后汽化返回液化段冷箱；另一部分混合制冷剂进入氮气换热器，在液化段冷箱中完全汽化后返回混合制冷剂一级压缩机入口，并将天然气和高压的混合制冷剂冷凝为液体；在氮气膨胀制冷循环中，氮气经三级压缩和冷却后进入氮气换热器，与从过冷段冷箱返回的低温氮气换热，氮气换热器中引入一部分经混合制冷剂Ｊ－Ｔ阀降压后的混合制冷剂补充换热，改善氮气之间的换热效果；高压氮气经换热降温，进入氮气膨胀机减压和降温后进入过冷段冷箱冷端与ＬＮＧ换热，将ＬＮＧ冷却至－１５０℃后再与高压氮气换热升温后回到氮气一级压缩机入口；氮气第三级压缩机由氮气膨胀机直接驱动；对天然气中的碳六以上重烃在液化前进行脱重烃是将天然气在液化段冷箱中的温度调为－３０℃，抽出后进入脱重烃塔，脱重烃塔顶的气体进入液化段冷箱，降温１０℃～２０℃后经气液分离，气体返回液化段冷箱并进入后续的液化过程，液体作为脱重烃塔的回流；当需要补充制冷剂时，从脱重烃塔的回流抽出部分液体，经降压并进行气液分离，气体进入燃料气系统，液体经制冷剂汽化器汽化后补充到混合制冷剂一级压缩机入口的混合制冷剂缓冲罐。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张道光，金海刚，王俊美，卜晓玲，陈广明，李琴，刘红波，杨福昌，
申请(专利权)人：中国海洋石油总公司，中海石油研究中心，海工英派尔工程有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]