技术领域
[0001] 本
发明涉及气体液化系统技术领域，特别是一种高效多级节流天然气液化设备及液化天然气的制备方法。
背景技术
[0002] 近几年，国内国产及进口天然气液化装置每天的液化量约1亿立方米，降低天然气液化、贮存、
汽化各环节的
能量消耗是设计建造天然气液化装置最重要的一环。高效多级节流天然气液化装置是高效节能型天然气液化系统的发展趋势。天然气液化装置日前通常采用混合制冷剂制循环(MRC)工艺，该工艺主要采用N2和C1~C5
烃类的混合物作为循环制冷剂。混合冷剂的组成比例根据天然气原料的组成、压
力、工艺流程而异，因此对制冷剂的配比和原料气的气质要求更为严格，一旦确定是不易更改的。即使满足该条件，要使整个液化过程（25℃~-162℃）所需冷量与制冷剂所提供的冷量完全匹配是达不到的，而只能趋近与冷却曲线。现有多级节流流程的对
温度点划分的流程优化及与换热器结构对接仍存在较大问题，混合制冷剂循环流程的效率较低。若不能妥善处理，势必会增加液化系统功耗，提高生产成本。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种高效多级节流天然气液化设备及液化天然气的制备方法，采用分段来实现供给所需的冷量，将液化过程的熵增降至最小，效率接近阶式循环。从根本上解决了现有天然气液化设备制冷循环冷量利用率低、
压缩机的熵损失高、结构复杂等问题。
[0004] 本发明的目的是这样实现的：该高效多级节流天然气液化设备包括天然气进料管、LNG储罐、制冷剂压缩机、制冷剂分离罐及冷箱，其特征在于：所述冷箱内设有主、副换热器，天然气进料管依次通过主、副换热器后与LNG储罐的进料口相连，副换热器与LNG储罐之间设有第四节流
阀；
[0005] 制冷剂分离罐为五个，制冷剂压缩机的出口与第五制冷剂分离罐的进料口相连，第五制冷剂分离罐的气相出口与第二制冷剂分离罐的进料口相连并通过主换热器，第五制冷剂分离罐的液相出口与第一制冷剂分离罐的进料口相连并通过主换热器，且在主换热器与第一制冷剂分离罐之间设有第一
节流阀；
[0006] 第四制冷剂分离罐的气相、液相出口分别与第三制冷剂分离罐的进料口相连，并同时通过副换热器；
[0007] 第三制冷剂分离罐的气相、液相出口分别与制冷剂压缩机的入口相连，并同时通过主换热器；
[0008] 第二制冷剂分离罐的气相出口与第四制冷剂分离罐的进料口相连并依次通过主、副换热器，且在副换热器与第四制冷剂分离罐之间设有第三节流阀，第二制冷剂分离罐的液相出口与第三制冷剂分离罐的进料口相连并通过主换热器，且在主换热器与第二制冷剂分离罐之间设有第二节流阀；
[0009] 第一制冷剂分离罐的气相、液相出口分别与制冷剂压缩机的入口相连，并同时通过主换热器。
[0010] 采用上述设备制备液化天然气的方法：制冷剂通过制冷剂压缩机压缩后进入第五制冷剂分离罐的进料口，第五制冷剂分离罐的气相经过主换热器降温后，进入第二制冷剂分离罐的进料口；第五制冷剂分离罐的液相经过主换热器后温度为-73.6℃，压强为3.46MPa，经第一节流阀降温减压至-82℃，0.3MPa后，进入第一制冷剂分离罐的进料口；
[0011] 第二制冷剂分离罐的气相依次通过主、副换热器后的温度为-155℃，气压为3.46MPa，经第三节流阀降温减压至-169.6℃，0.34MPa后进入第四制冷剂分离罐的进料口；第二制冷剂分离罐的液相温度为-142℃，压强为3.46MPa，经第二节流阀降温减压至-144.8℃，0.32MPa后，进入主换热器为其他管路的制冷剂和天然气降温；
[0012] 第四制冷剂分离罐的气、液相经副换热器换热后，同时进入第三制冷剂分离罐的进料口，第三制冷剂分离罐的气、液相同时进入主换热器，为通过主换热器其他管路的制冷剂和天然气降温，然后进入制冷剂压缩机的进料口；
[0013] 第一制冷剂分离罐的气、液两相进入主换热器为其他管路的制冷剂和天然气降温，然后进入制冷剂压缩机的进料口；通过上述方式，使制冷剂在设备中循环，天然气经过副换热器后温度为-162℃，压强为5.276MPa，经第四节流阀减压至0.1MPa后，通入LNG储罐。
[0014] 所述制冷剂为N2和C1~C5烃类的混合物。优选的，上述混合物中各组分的摩尔含量为：氮气15~25%、甲烷20~30%、乙烯20~30%、丙烷10~20%、异戊烷 10~20%。
[0015] 本发明具有的优点及积极的技术效果是：通过增加制冷剂循环的级数，有效减少了换热器的熵损失，提高了冷量利用率。可通过提高压缩机的效率和增加压缩机的级数来减少压缩机的能量损失，可以有效降低压缩机的熵损失，提高压缩机的轴功率。按冷剂沸点的不同，通过三级节流达到逐步降温，使制冷剂在不同温区节流，供冷，充分体现
热力学特性，从而提高液化效率，降低系统功耗。综上所述，采用本发明的多级节流天然气液化设备，不但缩小了热流的换热温差，提高换热器换热效率，而且避免了由于增加换热器进口带来的结构复杂问题。产品
质量更优，设备能量损耗更低。
附图说明
[0016] 以下结合附图对本发明作进一步描述。
[0018] 图2是本发明节流阀的结构示意图。
[0019] 图中序号说明：1主换热器、2副换热器、3第三制冷剂分离罐、4第四制冷剂分离罐、5第一制冷剂分离罐、6第二制冷剂分离罐、7制冷剂压缩机、8第五制冷剂分离罐、9LNG储罐、10第一节流阀、11第二节流阀、12第三节流阀、13第四节流阀。
具体实施方式
[0021] 根据图1~2详细说明本发明的具体结构。该高效多级节流天然气液化设备包括天然气进料管、LNG储罐、制冷剂压缩机、制冷剂分离罐及冷箱等部分。其中，冷箱内设有主换热器1、副换热器2，天然气进料管依次通过主换热器1、副换热器2后与LNG储罐9的进料口相连，副换热器与LNG储罐9之间设有第四节流阀13。
[0022] 制冷剂分离罐为五个，制冷剂压缩机7的出口与第五制冷剂分离罐8的进料口相连，第五制冷剂分离罐8的气相出口与第二制冷剂分离罐6的进料口相连并通过主换热器，第五制冷剂分离罐8的液相出口与第一制冷剂分离罐5的进料口相连并通过主换热器，且在主换热器与第一制冷剂分离罐5之间设有第一节流阀10。
[0023] 第四制冷剂分离罐4的气相、液相出口分别与第三制冷剂分离罐3的进料口相连，并同时通过副换热器。
[0024] 第三制冷剂分离罐3的气相、液相出口分别与制冷剂压缩机7的入口相连，并同时通过主换热器。
[0025] 第二制冷剂分离罐6的气相出口与第四制冷剂分离罐4的进料口相连并依次通过主换热器1、副换热器2，且在副换热器与第四制冷剂分离罐4之间设有第三节流阀12，第二制冷剂分离罐6的液相出口与第三制冷剂分离罐3的进料口相连并通过主换热器，且在主换热器与第二制冷剂分离罐6之间设有第二节流阀11。
[0026] 第一制冷剂分离罐5的气相、液相出口分别与制冷剂压缩机7的入口相连，并同时通过主换热器。
[0027] 利用循环制冷剂（N2和C1~C5烃类的混合物）各组分沸点的不同，在主、副换热器内冷凝并
过冷经过节流阀（可选用焦
耳-汤姆逊节流膨胀阀，简称J-T阀)，减压进入返流制冷剂中依次冷却不同温区的原料天然气及正流制冷剂，出冷箱的返流制冷剂复热后进入制冷剂压缩机7循环压缩，出制冷剂压缩机7后返流进入冷箱。
[0028] 本发明的液化天然气（PNG）制备方法如下：制冷剂通过制冷剂压缩机7（可选用离心压缩机）压缩后进入第五制冷剂分离罐8的进料口产生气、液两相，第五制冷剂分离罐8的气相经过主换热器1由主换热器1中的其他管路的返流制冷剂提供的冷量使气相降温，进入第二制冷剂分离罐6的进料口产生气、液两相。第五制冷剂分离罐8的液相经过主换热器1后被返流的制冷剂预冷降温至-73.6℃，压强为3.46MPa，经第一节流阀10降温减压至-82℃，0.3MPa后，进入第一制冷剂分离罐5的进料口产生气、液两相返流，为主换热器1提供预冷冷量，使进入冷箱的制冷剂和天然气预冷降温后进入制冷剂压缩机7再次循环。
[0029] 第二制冷剂分离罐6的气相依次通过主换热器1、副换热器2后的温度为-155℃，气压为3.46MPa，冷量由换热器中的返流制冷剂提供，经第三节流阀12降温减压至-169.6℃，0.34MPa后进入第四制冷剂分离罐4的进料口产生气、液两相。第二制冷剂分离罐6的液相温度为-142℃，压强为3.46MPa，经第二节流阀11降温减压至-144.8℃，0.32MPa后，进入主换热器1产生的冷量为其他管路的制冷剂和天然气预冷降温。
[0030] 第四制冷剂分离罐4的气、液相经过副换热器2换热，为副换热器2中其他管路的制冷剂和天然气提供冷量，使制冷剂和天然气深度降温液化。同时进入第三制冷剂分离罐3的进料口产生气、液两相，第三制冷剂分离罐3的气、液相返流同时进入主换热器1，为通过主换热器1其他管路的制冷剂和天然气降温，然后进入制冷剂压缩机7的进料口再次压缩循环。
[0031] 第一制冷剂分离罐5的气、液两相进入主换热器1为其他管路的制冷剂和天然气降温，然后进入制冷剂压缩机7的进料口。通过上述方式，使制冷剂在设备中循环，并通过三级减压，有效的提高了制冷剂的冷量利用率，高效高产地使天然气液化。天然气进入冷箱后，在通过主换热器1和副换热器 2时，被返流的
低温制冷剂冷却，当天然气在经过副换热器 2的时候温度已经达到-162℃（天然气的在1标准
大气压下的沸点约为-162.49℃），形成了液化天然气压强为5.276MPa。在其经过第四节流阀13节流阀减压至0.1MPa后，LNG通入LNG储罐9。
[0032] 随着制冷循环的级数增加，制冷系统的功耗降低，制冷系数和熵效率增加，但级数的增加对制冷性能的影响减小。制冷循环的级数增加会增加流程的复杂性，降低可操作性，不同规模的制冷系统的最优级数不同，规模越大，最优级数越多。
[0033] 以一套日产50万立方米天然气的液化设备为例，传统的工艺设备投入为800~1000万元，若采用上述PNG的制备方法后，可减少设备投入24~30万，减少换热器体积
3%，节能3.5%（每小时节能约292kW·h）。电费以￥0.7/ kW·h计，则每年可节约163.52万元，同时减少CO2的排放，具有非常可观的社会效益和经济效益。
[0034] 制冷剂中各组分的摩尔含量为：氮气25%、甲烷20%、乙烯25%、丙烷10%、异戊烷20%。
[0035] 实施例2
[0036] 设备结构、制备过程均与实施例1相同，其中制冷剂中各组分的摩尔含量为：氮气15%、甲烷30%、乙烯30%、丙烷10%、异戊烷 15%。
[0037] 实施例3
[0038] 设备结构、制备过程均与实施例1相同，其中制冷剂中各组分的摩尔含量为：氮气20%、甲烷25%、乙烯25%、丙烷15%、异戊烷 10%。
[0039] 实施例4
[0040] 设备结构、制备过程均与实施例1相同，其中制冷剂中各组分的摩尔含量为：氮气25%、甲烷25%、乙烯25%、丙烷10%、异戊烷 10%。
[0041] 本发明制备方法中所述的压强均是指绝对压强。
