[发明专利]一种利用液氮冷能制取液化天然气的系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用液氮冷能制取液化天然气的系统。适用于陆地或海上天然气的液化。

背景技术

随着经济的发展，能源危机日趋显现，环境污染日益严重，天然气作为一种污染少、热值高的优质清洁能源，越来越受到各个国家的青睐。近年来，天然气的探明储量稳步增长，产量和销售量也在持续增加。而“西气东输”、“北气南调”、“海气上岸”、“进口LNG”等工程的实施，将有力地促进我国天然气的开发和利用。

由于天然气的产地往往不在工业集中的地区，因此输送及贮存是天然气应用中必须解决的问题。若以气态贮存和运输天然气需要庞大的体积或很高的压力，而在标准大气压下，LNG(液化天然气)的密度相当于气态的600倍，即液化后的天然气只有原来体积的1/600，这使得以液态贮存和运输天然气具有很高的经济性，因此将天然气液化是大量贮存和远距离运输的一种重要方法。因而在天然气产业的发展过程中，液化天然气将是重要的组成部分。

国外从20世纪70年代开始对LNG装置的液化流程进行了设计、模拟与评价工作。Shell公司模拟计算了级联式、混合制冷剂和氮气膨胀液化流程，并分析了其优劣。1995年，Melaaen建立了基本负荷型天然气液化流程动态仿真模型，并采用隐式DASSL进行了仿真计算。1998年，Terry采用HYSYS软件，对典型的调峰型天然气液化流程进行了模拟计算与优化。1997年，Kikkawa设计了新型的混合制冷剂预冷、膨胀机液化流程，并采用CHEMCAD软件进行了模拟计算。20世纪90年代初，我国开始进行天然气液化流程理论方面的研究。陈国邦、郑大振分析了调峰型LNG装置液化流程的特点，对不同流程及其使用条件进行了比较。1992年，郭东海对混合制冷剂天然气液化流程的参数选定及优化工作做了初步的探讨。1999年，刘新伟针对煤层天然气的回收，提出了带循环压缩机的氮膨胀液化流程并进行了模拟计算。上海交通大学顾安忠教授领导的课题组，对天然气液化流程进行了系统模拟。

迄今为止，在天然气液化技术领域中已成熟的天然气液化工艺有：节流制冷循环、膨胀机制冷循环、级联式制冷循环、混合冷剂制冷循环和带预冷的混合冷剂制冷循环，其中级联式液化流程、混合制冷剂液化流程(包括开式、闭式和丙烷预冷)和带膨胀机液化流程是目前应用较多的工艺流程。

级联式制冷循环又称阶式制冷循环，是用丙烷(或丙烯)、乙烷(或乙烯)、甲烷等纯烃制冷剂的3个制冷循环级联组成，通过制冷剂液体的蒸发，逐级提供天然气液化所需的冷量。在目前的天然气液化循环中，级联式制冷循环能耗最小，效率最高，所需换热面积较小，且制冷循环与天然气液化系统各自独立，相互影响少、操作稳定、适应性强、技术成熟。其缺点是流程复杂、机组多，至少要有3台压缩机，要有生产和储存各种制冷剂的设备，各制冷循环系统不允许相互渗漏，管线及控制系统复杂，管理维修不方便，对制冷剂的纯度要求严格等。

混合制冷剂(又称多组分制冷剂)制冷循环是采用N₂和烃类混合物作为循环制冷剂。与级联式制冷循环相比，混合制冷液化循环具有流程简单、机组少、投资费用低、对制冷剂的纯度要求不高等优点。但单级混合制冷剂循环的能耗要比级联式制冷循环高。

膨胀制冷循环是通过透平膨胀机进行等熵膨胀而达到降温目的。目前膨胀制冷采用的主要循环有以下三种：(1)天然气直接膨胀制冷。该循环具有流程简单、设备紧凑、投资小、调节灵活、工作可靠等优点。(2)氮膨胀制冷。其优点是对原料气组分变化有较大的适应性，液化能力强、整个系统简单、操作方便；其缺点是能耗比比混合制冷剂循环高40％左右。(3)氮气-甲烷混合膨胀制冷。与混合制冷剂循环相比较，该循环具有流程简单、控制容易、启动时间短，比纯氮气膨胀制冷节省10％-20％的动力能耗等优点。但是其设计复杂，目前国内还没有成熟的经验。

现有的天然气液化装置均采用制冷循环的方式提供天然气液化所需冷量，其存在的共同缺点就是流程结构及设备复杂、造价较高。另外由于天然气中除甲烷外还含有少量轻烃组分，要在液化天然气的同时得到液态轻烃产品，必然至少需要两级制冷，增加了设备和流程的复杂性。事实上液氮来源广泛，价格低廉，以其冷量实现天然气的液化，可以省却制冷循环投资，提高系统可靠性，减少初投资等。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种利用液氮冷能制取液化天然气的系统。