混合冷剂制冷工艺在撬装天然气液化装置中的应用

龚晓科

【摘要】介绍了混合冷剂制冷工艺在天然气液化领域的应用特点。以银川天佳能源科技股份有限公司三万方/天的撬装天然气液化装置为例。

【关键词】混合冷剂；撬装；天然气液化；制冷工艺

1、撬装天然气液化装置概述

近年来，随着空气雾霾程度的加剧，环保理念逐渐深入人心。人们对低燃烧废物的清洁能源的需求变得日益迫切。天然气相比其他能源是一种很好的清洁燃料，具有燃烧彻底，低氮氧化物排放，无粉尘排放等优点。然而，随着人们对这一能源需求量的逐渐加大，常规天然气变得日益枯竭【1】。人们开始逐渐重视煤层气、油田伴生气、页岩气等非常规天然气的开采。由于这些非常规天然气具有气源分散且储量不大等特点，不适合建液化工厂进行液化或采用管道输送方式开采。因此一种占地面积小、装置紧凑、操作简便、能实现井口就地液化的天然气液化装置变得越来越受欢迎。撬装天然气液化装置便诞生于这样的背景下。从上世纪90年代人们开始研究，到近年来这类装置的应用变得异常火热【2】。简单来说，撬装液化装置就是将传统的液化工厂集成在几个体积如同集装箱大小的撬体上。用平板货车将各撬体分别运送至井口现场，再进行撬体间的管道、电气接线连接，整套装置由此变成为一座工厂对井口天然气进行液化处理。因此，其具有可移动化、土建工程量小、系统集成化程度高、投资小等优点【3】，受到人们的普遍欢迎。从工艺流程的角度看，其流程和液化工厂一样，主要包含天然气净化工段、天然气液化工段、以及提供系统所需冷量的制冷工段和配套的公用工程和控制系统。一套典型的撬装天然气液化装置如下图：

典型的撬装天然气液化装置工艺流程如下：

2、制冷工艺介绍

2.1概述

液化的实质是通过不断换热取走天然气的热量，使天然气温度降至所在压力的饱和温度以下，使之液化。液化过程通过消耗电能使制冷剂不断发生从高压到低压的物理变化，从而获得自身温度的降低，并在换热器中以温差为推动力，对天然气实现降温直至液化。

不同的制冷剂由于特性的差异，其实现自身温降的方式不尽相同，可分为膨胀制冷与节流制冷。前者主要用于气相的自降温，而后者主要用于液相的自降温。目前，依据所采用的制冷剂及其组合方式的不同，天然气液化工艺存在不同类型，较为成熟的工艺有：阶式制冷循环工艺、膨胀制冷循环工艺和混合冷剂制冷循环工艺【4】。不同工艺在能耗、设备投入、操作繁琐程度等方面都有较大差异。

2.2三种工艺对比

3、混合冷剂在撬装装置中的应用

混合冷剂工艺具有能耗适中，设备投资小，控制系统简单，操作维护方便等优势，使其成为近年来撬装液化装置采用的热门技术。然而，依据所选用的冷剂的种类及配比的不同，国内各商业公司的工艺方案及设备组成都不尽相同。比较大的区别在于中间过程是否分离出冷剂中已液化部分返回换热器中蒸发吸热，由此产生的两种主要的流程包括中间过程分离出液相冷剂返回前段换热器吸热蒸发的分级制冷流程和不分离出液相直至最后通过节流降温再返回换热器吸热气化的一通到底流程。

一通到底流程由于没有中间分离罐，设备紧凑，控制简单，相对更适合小型撬装装置（处理量10万方/天以下）。但该流程在冷剂种类的选择及配比量的计算上要求较高，需要精确模拟，否则会影响制冷效果，严重时甚至引起冷箱冻堵【5】。

银川天佳能源科技股份有限公司结合上一代氮膨胀制冷撬装装置的运行经验，在单级混合制冷流程的基础上开发了以R22预冷加混合冷剂主冷的混合制冷工艺。该工艺针对典型的煤层气组成，创新性的选用氮气、甲烷、乙烯、丙烷四组份冷剂，通过严格模拟计算，合理搭配各组份的比例。经工业运行验证，达到了较低的运行能耗，且装置体积紧凑，控制高效，操作简便。下面就该工艺过程做详尽介绍。

3.1冷剂的选择

常用的混合制冷剂的成分有C1、C2、C3、C5等烃类，以及氮气。为适应撬装装置要求流程简单、设备布置简捷的特点，决定采用中间过程不设分离装置的一通到底流程。考虑到C5类烃类在深冷环境下可能出现的凝固现象，取消了对C5的使用。为保证其余四类冷剂比例搭配适应，不在压缩、冷却的中间过程出现液化而影响设备的正常工作，采用了流程模拟软件对工艺过程进行模拟及调节。

3.2工艺过程

以R22为预冷剂，在预冷换热器PEX中将原料气，混合冷剂预冷到-5℃。混合冷剂和原料气进入主冷换热器的浅冷段MEX1和深冷段MEX2被返回来的冷气降温。离开MEX1的原料气温度-62℃，去重烃分离罐SP01分离重烃后去深冷段MEX2继续降温，离开深冷段温度降至约-140℃。后经节流阀NJT01节流后去气液分离罐分离气液两相，气相返回前段换热器去回收冷量。液相去往后段过冷换热器XEX经过冷降温到-155℃，成为最终的LNG产品。整个系统需要的冷量由混合冷剂通过节流阀RJT03节流降温后提供。

该系统主要经济性指标如下：

系统经实际运行后，各项参数指标均达到设计值。运行稳定，操作控制便捷。

4、结语

从撬装液化装置发展的历程看，要适应边远地区的交通不便、现场缺水、缺电等不利条件，势必要求设备高效、稳定，装配精良。而采用单混合冷剂制冷工艺，可以使压缩机系统配置变得简单。同时由于整体能耗较低，可以采用380V电压，配电系统简单，相应的控制系统也得以简化。从实际运行经验来看，在做好精确配置冷剂，辅以在线实时监测，做好除油、除水等辅助工作的前提下，系统能长期稳定运行。值得未来的小型撬装液化装置推广采用。

参考文献

[1]曹文胜，鲁雪生，顾安忠，等.天然气液化在我国的应用[J].油气田地面工程，2006，24（12）：26-27.

[2]曹文胜.小型LNG装置的预处理与液化流程研究[D].上海：上海交通大学，2008.3.