一種結(jié)合氮膨脹制冷的管道氣差壓制冷液化裝置及工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種結(jié)合氮膨脹制冷的管道氣差壓制冷液化裝置，包括第一凈化單元，第一凈化單元通過天然氣進氣管道依次連接第一凈化單元、第一冷箱、第一天然氣膨脹機，第一天然氣膨脹機通過管道依次連接第一冷箱和天然氣增壓壓縮機，天然氣進氣管道還依次連接第二凈化單元、第二天然氣膨脹機、第一冷箱、第二冷箱、第一產(chǎn)品閥和LNG，天然氣進氣管道還依次連接第二凈化單元、第一冷箱、第二冷箱、第二產(chǎn)品閥和LNG，氮氣管道依次連接氮增壓壓縮機、第一空冷器、一段壓縮機、第二空冷器、二段壓縮機、第三空冷器、第一冷箱、氮膨脹機、第二冷箱、然后通過第二冷箱連接第一冷箱和氮增壓壓縮機，實現(xiàn)氮氣循環(huán)。本發(fā)明的有益效果是能耗低。
【專利說明】一種結(jié)合氮膨脹制冷的管道氣差壓制冷液化裝置及工藝

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于天然氣液化【技術領域】，涉及一種結(jié)合氮膨脹制冷的管道氣差壓制冷液 化裝置及工藝。

【背景技術】
[0002] 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，能源的需求每年增長10%。天然氣是一種廣泛應用的清潔化石 燃料并且能夠減少溫室氣體的排放。天然氣在陸地由管道運輸最高壓力可達到l〇MPa，然 而高壓的天然氣通常在城市門站經(jīng)歷不可逆的節(jié)流過程以降低壓力滿足不同應用的需求。 同時由于天然氣急劇降壓、降溫，很容易對調(diào)壓設備及管道設備的安全運行構(gòu)成威脅。為了 避免調(diào)壓設備及管道設備過冷，常常需要在調(diào)壓過程中配置熱水鍋爐，并用部分天然氣作 為燃料氣，對調(diào)壓設備、管道設備以及主管路的天然氣進行加熱，這樣又浪費掉一部分原料 氣。因此如何利用管道氣體的壓力是一個值得關注的問題。
[0003] 利用管道氣的壓差能量，使其中一部分天然氣液化，而將另一部分天然氣繼續(xù)往 下游輸送，可以得到LNG產(chǎn)品，同時也實現(xiàn)了對這部分壓力能的利用。但是由于天然氣壓差 能量的限制，所能得到LNG的液化率一般較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)合氮膨脹制冷的管道氣差壓制冷液化裝置，解決了 現(xiàn)有有效利用管道氣已有壓力能，從而低能耗、高液化率的將天然氣加工為LNG的工藝技 術問題。
[0005] 本發(fā)明的另一個目的是提供應用此種裝置進行天然氣處理的工藝。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術方案是包括第一凈化單元，第一凈化單元通過天然氣進氣管 道依次連接第一凈化單元、第一冷箱、第一天然氣膨脹機，第一天然氣膨脹機通過管道依次 連接第一冷箱和天然氣增壓壓縮機，天然氣進氣管道還依次連接第二凈化單元、第二天然 氣膨脹機、第一冷箱、第二冷箱、第一產(chǎn)品閥和LNG，天然氣進氣管道還依次連接第二凈化單 元、第一冷箱、第二冷箱、第二產(chǎn)品閥和LNG，氮氣管道依次連接氮增壓壓縮機、第一空冷器、 一段壓縮機、第二空冷器、二段壓縮機、第三空冷器、第一冷箱、氮膨脹機、第二冷箱、然后通 過第二冷箱連接第一冷箱和氮增壓壓縮機，實現(xiàn)氮氣循環(huán)，第一天然氣膨脹機通過傳動軸 連接天然氣增壓壓縮機。
[0007] 本發(fā)明應用上述裝置進行天然氣處理的工藝，其特征在于：天然氣原料氣先分成 三部分，第一部分進入第一凈化單元，進行低純度的凈化處理，之后進入第一冷箱預冷，預 冷后的天然氣進入第一天然氣膨脹機膨脹制冷，膨脹后的天然氣返回第一冷箱，提供冷量， 從第一冷箱出來的天然氣利用天然氣增壓壓縮機提升壓力后，返回天然氣管路；將剩余的 天然氣分為第二部分和第三部分，第二部分天然氣進入第二凈化單元進行高純度的凈化處 理，之后第二部分天然氣進入第二天然氣膨脹機膨脹制冷，之后依次經(jīng)過第一冷箱、第二冷 箱，或直接進入第二冷箱制冷降溫，再通過第一產(chǎn)品閥節(jié)流至常壓或略高于常壓；第三部分 天然氣直接依次進入第一冷箱、第二冷箱降溫，之后通過第二產(chǎn)品閥節(jié)流至常壓后，與第二 部分天然氣匯合，一并進入LNG貯罐，氮氣經(jīng)過氮增壓壓縮機、第一空冷器、一段壓縮機、第 二空冷器、二段壓縮機、第三空冷器三級壓縮，其中氮增壓壓縮機，在每一級壓縮后都利用 空氣或水進行冷卻，之后進入第一冷箱預冷，并進入氮膨脹機一級或多級膨脹，膨脹制冷后 的低溫氮氣依次進入第二冷箱、第一冷箱提供冷量，之后回到氮增壓壓縮機進行循環(huán)。
[0008] 本發(fā)明的有益效果是能耗低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明一種結(jié)合氮膨脹制冷的管道氣差壓制冷液化裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010] 圖中，1.第一凈化單元，2.第一冷箱，3.第一天然氣膨脹機，4.天然氣增壓壓縮 機，5.第二凈化單元，6.第二天然氣膨脹機，7.第二冷箱，8.第一產(chǎn)品閥，9.第二產(chǎn)品閥， 10.氮增壓壓縮機，11. 一段壓縮機，12.二段壓縮機，13.氮膨脹機，14. LNG，15.第一空冷 器，16.第二空冷器，17.第三空冷器，18.流量調(diào)節(jié)閥。

【具體實施方式】
[0011] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0012] 本發(fā)明如圖1所示包括第一凈化單元1，第一凈化單元1通過天然氣進氣管道依 次連接第一凈化單元1、第一冷箱2、第一天然氣膨脹機3,第一天然氣膨脹機3通過管道依 次連接第一冷箱2和天然氣增壓壓縮機4,天然氣進氣管道還依次連接第二凈化單元5、第 二天然氣膨脹機6、第一冷箱2、第二冷箱7、第一產(chǎn)品閥8和LNG14,天然氣進氣管道還依次 連接第二凈化單元5、第一冷箱2、第二冷箱7、第二產(chǎn)品閥9和LNG14,氮氣管道依次連接氮 增壓壓縮機10、第一空冷器15、一段壓縮機11、第二空冷器16、二段壓縮機12、第三空冷器 17、第一冷箱2、氮膨脹機13、第二冷箱7、然后通過第二冷箱7連接第一冷箱2和氮增壓壓 縮機10,實現(xiàn)氮氣循環(huán)，第一天然氣膨脹機3通過傳動軸連接天然氣增壓壓縮機4。
[0013] 原料氣先分成三部分，第一部分進入第一凈化單元1，進行低純度的凈化處理，之 后進入第一冷箱2預冷，預冷后的天然氣進入第一天然氣膨脹機3膨脹制冷，膨脹后的天然 氣返回第一冷箱2,提供冷量，最后從第一冷箱2出來的第一部分天然氣利用天然氣增壓壓 縮機4提升壓力后，返回天然氣管路。第二部分、第三部分天然氣進入第二凈化單元5進行 高純度的天然氣凈化處理，之后第二部分天然氣進入第二天然氣膨脹機6膨脹制冷，之后 依次經(jīng)過第一冷箱2、第二冷箱7,或直接進入第二冷箱7制冷降溫，再通過第一產(chǎn)品閥8節(jié) 流至常壓。第三部分天然氣直接依次進入第一冷箱2、第二冷箱7降溫，之后通過第二產(chǎn)品 閥9節(jié)流至常壓后，與第二部分天然氣匯合，并進入LNG貯罐。氮氣經(jīng)過三級壓縮，其中第 一級為氮增壓壓縮機10,第二級為一段壓縮機11，第三級為二段壓縮機12,在每一級壓縮 后都在空冷器中利用空氣或水進行冷卻，三級壓縮之后進入第一冷箱2預冷，并進入氮膨 脹機13進行一級或多級膨脹，所輸出的功，即在一段時間間隔內(nèi)輸出的是功用于驅(qū)動氮增 壓壓縮機10。膨脹制冷后的低溫氮氣依次進入第二冷箱7、第一冷箱2提供冷量，之后回到 氮氣壓縮單元進行循環(huán)。
[0014] 進一步，增壓機與膨脹機不進行連接的形式，也屬于保護范圍內(nèi)；
[0015] 進一步，改變壓縮機的級數(shù)或膨脹機的級數(shù)，同樣應在保護范圍內(nèi)。
[0016] 進一步，第一部分天然氣經(jīng)凈化單元后與冷箱一的第3流道入口相連，冷箱一第3 流道出口與膨脹機入口相連，膨脹機出口與冷箱一的第4流道入口相連，冷箱一第4流道出 口與增壓機相連；第二部分天然氣經(jīng)凈化單元、天然氣膨脹機后與冷箱一的第5流道入口 相連，冷箱一的第5流道出口與冷箱二的第2流道入口相連，冷箱二的第2流道出口與產(chǎn)品 閥9相連；第三部分天然氣經(jīng)凈化單元后與冷箱一的第6流道入口相連，冷箱一的第6流道 出口與冷箱二的第3流道入口相連，冷箱二的第3流道出口與產(chǎn)品閥8相連；氮氣經(jīng)三級壓 縮后與冷箱一的第1流道入口相連，冷箱一的第1流道出口與氮膨脹機13的入口相連，氮 膨脹機13(可以采用多級膨脹的設計）的出口與冷箱二的第1流道的入口相連，冷箱二的 第1流道的出口與冷箱一的第2流道的入口相連，冷箱一的第2流道的出口與第一段氮壓 縮機的入口相連或先與氮吸入罐的入口相連，氮吸入罐的出口再與第一段氮壓縮機的入口 相連。
[0017] 具體的，主要工藝流程：天然氣原料氣（壓力4?12Mpa)先分成三部分，第一部 分（60 %?85% )進入第一凈化單元1，進行低純度的凈化處理，之后進入第一冷箱2預 冷（預冷至20?-40°C )，預冷后的天然氣進入第一天然氣膨脹機3膨脹制冷（制冷溫度 為-20?-80°C )，膨脹后的天然氣返回第一冷箱2,提供冷量。從第一冷箱2出來的天然 氣利用天然氣增壓壓縮機4提升壓力后，返回天然氣管路（0. 5?lOMpa)。利用第一部分 天然氣壓力能制取冷能，預冷其余部分的氣體。將剩余的天然氣分為第二部分和第三部 分，第二部分天然氣進入第二凈化單元5進行高純度的凈化處理，之后第二部分天然氣進 入第二天然氣膨脹機6膨脹制冷（-20?-80°C )，之后依次經(jīng)過第一冷箱2、第二冷箱7， 或直接進入第二冷箱7制冷降溫（-100?-155°C )，再通過第一產(chǎn)品閥8節(jié)流至常壓或 略高于常壓（10?800kPA)。第三部分天然氣直接依次進入第一冷箱2、第二冷箱7降溫 (-100?-155°C )，之后通過第二產(chǎn)品閥9節(jié)流至常壓后，與第二部分天然氣匯合，一并進入 LNG14貯罐。第二、三部分天然氣進入冷箱冷卻降溫并液化，之間或之后膨脹或節(jié)流至儲存 壓力，成為LNG產(chǎn)品氮氣經(jīng)過氮增壓壓縮機10、第一空冷器15、一段壓縮機11、第二空冷器 16、二段壓縮機12、第三空冷器17三級壓縮，其中氮增壓壓縮機10 (壓力為2?8Mpa)，在 每一級壓縮后都利用空氣或水進行冷卻，之后進入第一冷箱2預冷（-20?-80°C )，并進入 氮膨脹機13 -級或多級膨脹（-102?-160°C )，膨脹制冷后的低溫氮氣依次進入第二冷箱 7、第一冷箱2向天然氣提供冷量使之降溫并液化，之后回到氮增壓壓縮機10進行循環(huán)。氮 氣循環(huán)可消耗電力產(chǎn)生一部分冷量，與利用原料管道氣壓力能產(chǎn)生的冷量一起使需要加工 為LNG產(chǎn)品的天然氣冷卻、降溫以及液化。
[0018] 本發(fā)明的關鍵點就是合理調(diào)配兩部分冷量，使整個液化工藝提高壓力能和電能的 能量利用效率，提高液化率并降低能耗。第二凈化單元5之后還可增設流量調(diào)節(jié)閥18,在 實際LNG裝置中用以調(diào)節(jié)兩部分氣體的流量分配，這一流量分配與原料氣的參數(shù)和組分 有關，可以通過這兩個閥門的流量分配調(diào)節(jié)，達到最優(yōu)的冷量匹配，從而確保能量的高效利 用。
[0019] 本發(fā)明還具有的特征和優(yōu)點：
[0020] (1)管道氣壓力制冷與氮膨脹制冷的有效結(jié)合，有效提升管道氣的液化率，最高可 至 50% ;
[0021] (2)管道氣壓力制冷與氮膨脹制冷的有效結(jié)合，有效提升天然氣液化過程的能量 利用效率，單位能耗遠低于常規(guī)的膨脹機制冷工藝；
[0022] (3)需液化的原料氣分為兩股進入冷箱降溫液化，通過兩股天然氣流量及參數(shù)的 調(diào)節(jié)，可以使液化裝置有很好的工況適應性，并進一步提升能量效率；
[0023] (4)通過氮膨脹制冷工藝的調(diào)節(jié)，獲得很低的制冷溫度，從而在產(chǎn)品閥后得到全液 相的產(chǎn)品，避免了 B0G氣體的產(chǎn)生，從而不需要低溫B0G加壓及復溫過程及設備；
[0024] 本技術將管道氣的差壓制冷與氮膨脹循環(huán)相結(jié)合，有效的提升了天然氣的液化 率，同時也保持了很高的能量效率。
【權(quán)利要求】
1. 一種結(jié)合氮膨脹制冷的管道氣差壓制冷液化裝置，其特征在于：包括第一凈化單元 (1)，第一凈化單元（1)通過天然氣進氣管道依次連接第一凈化單元（1)、第一冷箱（2)、第 一天然氣膨脹機（3)，第一天然氣膨脹機（3)依次通過天然氣管道連接第一冷箱（2)和天然 氣增壓壓縮機（4)，天然氣進氣管道還依次連接第二凈化單元（5)、第二天然氣膨脹機（6)、 第一冷箱（2)、第二冷箱（7)、第一產(chǎn)品閥（8)和LNG(14)，天然氣進氣管道還依次連接第二 凈化單元（5)、第一冷箱（2)、第二冷箱（7)、第二產(chǎn)品閥（9)和LNG(14)，氮氣管道依次連 接氮增壓壓縮機（10)、第一空冷器（15)、一段壓縮機（11)、第二空冷器（16)、二段壓縮機 (12)、第三空冷器（17)、第一冷箱（2)、氮膨脹機（13)、第二冷箱（7)、然后通過第二冷箱（7) 連接第一冷箱（2)和氮增壓壓縮機（10)，實現(xiàn)氮氣循環(huán)，第一天然氣膨脹機（3)通過傳動軸 連接天然氣增壓壓縮機（4)。
2. 按照權(quán)利要求所述裝置進行天然氣處理的工藝，其特征在于：天然氣原料氣先分成 三部分，第一部分進入第一凈化單元（1)，進行低純度的凈化處理，之后進入第一冷箱（2) 預冷，預冷后的天然氣進入第一天然氣膨脹機（3)膨脹制冷，膨脹后的天然氣返回第一冷 箱（2)，提供冷量，從第一冷箱（2)出來的天然氣利用天然氣增壓壓縮機（4)提升壓力后，返 回天然氣管路；將剩余的天然氣分為第二部分和第三部分，第二部分天然氣進入第二凈化 單元（5)進行高純度的凈化處理，之后第二部分天然氣進入第二天然氣膨脹機（6)膨脹制 冷，之后依次經(jīng)過第一冷箱（2)、第二冷箱（7)，或直接進入第二冷箱（7)制冷降溫，再通過 第一產(chǎn)品閥（8)節(jié)流至常壓或略高于常壓；第三部分天然氣直接依次進入第一冷箱（2)、第 二冷箱（7)降溫，之后通過第二產(chǎn)品閥（9)節(jié)流至常壓后，與第二部分天然氣匯合，一并進 入LNG(14)貯罐，氮氣經(jīng)過氮增壓壓縮機（10)、第一空冷器（15)、一段壓縮機（11)、第二空 冷器（16)、二段壓縮機（12)、第三空冷器（17)三級壓縮，其中氮增壓壓縮機（10)，在每一級 壓縮后都利用空氣或水進行冷卻，之后進入第一冷箱（2)預冷，并進入氮膨脹機（13) -級 或多級膨脹，膨脹制冷后的低溫氮氣依次進入第二冷箱（7)、第一冷箱（2)提供冷量，之后 回到氮增壓壓縮機（10)進行循環(huán)。
【文檔編號】F25J1/02GK104110938SQ201410288986
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】閻鳳元, 孫恒, 王鵬, 丁賀, 徐世龍 申請人:中國石油大學(北京)