天然气液化工艺流程及冷剂离心压缩机简介

2015-11-02赵志玲隋健张鹏

机电产品开发与创新 2015年2期

关键词：冷剂节流丙烯

赵志玲，隋健，张鹏

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110869）

天然气液化工艺流程及冷剂离心压缩机简介

赵志玲，隋健，张鹏

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110869）

介绍了两种当前国内天然气液化装置常用的工艺流程，以及针对不同工艺流程所配置的冷剂离心压缩机组。

天然气液化；混合冷剂；冷剂离心压缩机组；冷箱；烃泵

0 引言

天然气在常压下，当冷却至约-162℃时，由气态变成液态，称为液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）。天然气液化是一低温过程，目前已经成熟的天然气液化工艺流程有：阶式液化流程、混合冷剂液化流程、带膨胀机的液化流程。前两种液化流程是目前国内采用较多的液化工艺流程。

1 阶式液化流程

阶式液化流程也被称为级联式液化流程、复叠式液化流程。流程中通常由丙烯（或丙烷）、乙烯（或乙烷）、甲烷三级独立的制冷系统提供冷量［1］。

目前国内已经投产的采用阶式液化工艺流程的国产化LNG装置最大规模为500万立方/天，采用的原料是管输气。该装置采用的制冷剂为：丙烯、乙烯、甲烷。在三级独立的制冷循环中，丙烯制冷循环中含有四个丙烯蒸发器，为天然气、乙烯和甲烷提供冷量；乙烯制冷循环中含有三个蒸发器，为天然气和甲烷提供冷量；甲烷制冷循环中含有一个板翅式换热器，为天然气提供冷量。通过七个蒸发器，一个换热器，天然气的温度逐渐降低，直至液化。阶式制冷流程简图见图1。

图1　阶式循环流程简图

丙烯制冷循环中，根据制冷剂丙烯的设计参数，压缩机采用单缸四段压缩。丙烯经过压缩机压缩到流程所需要的压力，通过丙烯水凝器冷凝到40℃后，进入丙烯凝液收集罐，一部分液态丙烯经过节流、降压、降温进入高压丙烯蒸发器，在蒸发器中吸收乙烯、甲烷、天然气的热量后汽化，进入丙烯压缩机第四段入口。余下液态丙烯一部分经过节流、降温、降压，进入中压丙烯蒸发器吸收乙烯、甲烷、天然气的热量后汽化，进入丙烯压缩机第三段入口。余下液态丙烯的一部分再经过节流、降温、降压，进入低压丙烯蒸发器吸收乙烯、甲烷、天然气的热量后汽化，进入丙烯压缩机第二段入口。余下的液态丙烯经过节流、降温、降压，全部进入低低压丙烯蒸发器吸收乙烯、甲烷、天然气的热量后汽化，进入丙烯压缩机第一段入口。整个丙烯制冷循环结束。

在乙烯制冷循环中，根据制冷剂乙烯设计参数，乙烯压缩机设计成两缸三段压缩的型式。乙烯经过压缩机压缩并通过乙烯水冷器冷却到40℃后，依次进入丙烯的高压蒸发器、中压蒸发器、低压蒸发器、低低压蒸发器进行预冷，最终以液态形式进入乙烯流程，一部乙烯通过节流、降压、降温，在低压乙烯蒸发器吸收甲烷、天然气的热量后汽化，进入乙烯压缩机第三段入口。余下液态乙烯一部分再经过节流、降温、降压，进入中压乙烯蒸发器吸收甲烷、天然气的热量后汽化，进入乙烯压缩机第二段入口。余下的液态乙烯再经过节流、降温、降压，全部进入低压乙烯蒸发器吸收甲烷、天然气的热量后汽化，回到乙烯压缩机第一段入口。整个乙烯制冷循环结束。经过丙烯制冷循环和乙烯制冷循环的各级蒸发器后，天然气被冷凝成液化天然气即LNG。

甲烷制冷循环中，根据制冷剂甲烷设计参数，甲烷压缩机设计成两缸三段压缩的型式。甲烷经过压缩机压缩机并通过甲烷水冷器冷却到40℃后，依次进入丙烯制冷流程中的的高压蒸发器、中压蒸发器、低压蒸发器、低低压蒸发器，乙烯制冷流程中的高压蒸发器、中压蒸发器、低压蒸发器进行预冷，通过这七个不同温位的蒸发器后，高压气态甲烷被冷却、冷凝，液态甲烷进入甲烷换热器过冷，再进行节流、降温、降压，返回甲烷换热器，为LNG、甲烷冷剂自身提供冷量，实现甲烷制冷系统的冷剂循环。

LNG通过甲烷换热器过冷后，再经过阀门节流、降压、降温后送至LNG储罐作为LNG产品。

2 混合冷剂液化流程

混合冷剂制冷循环（Mixed-Refrigeramt Cycle，MRC）是采用C1至C5的碳氢化合物和N2等多组分的混合制冷剂为工质，通过流程控制，进行逐级冷凝、节流膨胀、蒸发，来得到不同温度水平的制冷量，最终达到液化天然气的目的。混合冷剂制冷流程见图2。

图2　混合冷剂循环流程简图

目前国内采用混合冷剂液化工艺的LNG项目较多，其中用管输气为原料的液化装置规模已经达到200万立方/天以上，比较有代表性的是山东泰安的260万立方/天LNG装置和内蒙古新圣的200万立方/天LNG装置；用煤制天然气为原料的液化装置多为30～100万立方/天的规模。装置规模虽然不同，但是液化流程的原理基本一致。下面以60万立方/天的LNG装置为例，对混合冷剂液化流程及流程中的冷剂离心压缩机进行简述。

在该液化流程中，采用的制冷工质由甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷和N2按一定的比例混合组成。冷剂压缩机根据设计需要采用两段压缩，冷剂由压缩机一段压缩后，引至段间冷却器和段间分离器，将冷剂冷却到40℃左右，并通过分离器将冷却下来的液态冷剂分离出来，气态冷剂进入压缩机二段继续压缩，液态冷剂通过泵打到压缩机最终出口冷却器，同压缩机二段出口的气态冷剂混合，一同进入出口冷却器和出口分离器进行冷却和分离，分离出来的气态冷剂依次进入冷箱的预冷换热器段、高压分离器、液化换热器段，过冷换热器段，再经过节流、降压、降温后依次返回，为天然气和冷剂本身提供冷量。分离出来的液态冷剂通过烃泵打到冷箱的预冷换热器段，然后通过节流与过冷段返回的冷剂混合再返回到冷箱的预冷段。冷剂完成在冷箱中的制冷循环后回到冷剂压缩机的进口分离器，再被吸入到冷剂压缩机继续压缩，完成混合冷剂的制冷循环。天然气在冷箱的预冷段和液化段被冷却、液化，经过过冷段过冷后再节流、降温、降压，最后进入LNG储罐，成为LNG产品。