一种天然气液化系统及方法
阅读说明：本技术 一种天然气液化系统及方法 (Natural gas liquefaction system and method ) 是由 范明龙 花亦怀 苏清博 尹全森 李秋英 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种天然气液化系统及方法。所述天然气液化系统包括第一液化冷箱和第二液化冷箱；第一液化冷箱内通过丙烷预冷循环系统形成三级预冷段,以此实现天然气和混合制冷剂的前期预冷；第二液化冷箱内通过混合制冷剂循环系统形成两级深冷段；三级预冷段的入口端与天然气进气管道,三级预冷段的出口端与两级深冷段的入口端连接,两级深冷段的出口端与液化天然气出口管道连接,液化天然气出口管道上设有第六节流阀。本发明简化了液化流程中分离器的设备数量,大大降低设备的占地空间,并且可借助阀门的开闭,因地制宜地进行三级分离罐的级数之间的自由切换,简化设备投入的同时减少企业的生产成本,在海上浮式FLNG平台上有很好的推广价值。(The invention discloses a natural gas liquefaction system and a natural gas liquefaction method. The natural gas liquefaction system comprises a first liquefaction cold box and a second liquefaction cold box; a three-stage pre-cooling section is formed in the first liquefaction cold box through a propane pre-cooling circulating system, so that pre-cooling of natural gas and mixed refrigerant is realized; a two-stage deep cooling section is formed in the second liquefied cooling tank through a mixed refrigerant circulating system; the inlet end of the third-stage precooling section is connected with the natural gas inlet pipeline, the outlet end of the third-stage precooling section is connected with the inlet end of the two-stage deep cooling section, the outlet end of the two-stage deep cooling section is connected with the liquefied natural gas outlet pipeline, and the liquefied natural gas outlet pipeline is provided with a sixth throttling valve. The invention simplifies the equipment quantity of the separators in the liquefaction process, greatly reduces the occupied space of the equipment, can freely switch the stages of the three-stage separation tanks according to local conditions by opening and closing the valves, simplifies the equipment investment, reduces the production cost of enterprises, and has good popularization value on the offshore floating FLNG platform.)
技术领域
本发明涉及一种天然气液化系统及方法，属于天然气液化技术领域。
背景技术
液化天然气(Liquified Natural Gas，简称LNG)作为清洁高效的战略能源，正在成为世界油气工业的新热点。我国近海天然气资源主要分布在南海北部大陆架西区，海上浮式液化及储存装置(Floating Liquefaction and Storage Unit，简称FLSU)被认为是海上气田资源开发的最佳选择。
FLSU的甲板面积为岸上天然气液化工厂面积的1/4，这就要求天然气液化工艺流程的设计十分紧凑，并且制冷剂对不同产地天然气具有高适应性和高热效率，因此需要对液化流程的设计进行优化。目前很对天然气液化流程需要设置多个气液分离罐，占据整个流程的很大空间，与FLSU上空间紧凑性的理念相违背，浪费有限空间资源的同时导致企业运行成本的增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种天然气液化系统及方法，该系统可以利用丙烷和混合制冷剂实现天然气的液化，并且可以借助阀门的开闭，因地制宜地进行三级分离罐的级数之间的自由切换，简化设备的同时减少企业生产成本的投入。
本发明所提供的天然气液化系统，包括第一液化冷箱和第二液化冷箱；
所述第一液化冷箱内通过丙烷预冷循环系统形成三级预冷段，即所述第一液化冷箱包括三段换热区间，以此实现天然气和混合制冷剂的前期预冷；
所述第二液化冷箱内通过混合制冷剂循环系统形成两级深冷段，即所述第二液化冷箱包括两段换热区间，以此实现天然气的深冷和混合制冷剂循环利用；
所述三级预冷段的入口端与天然气进气管道，所述三级预冷段的出口端与所述两级深冷段的入口端连接，所述两级深冷段的出口端与液化天然气出口管道连接，所述液化天然气出口管道上设有第六节流阀。
具体地，所述丙烷预冷循环系统的结构如下：
丙烷压缩机的出口端连接丙烷冷却器，所述丙烷冷却器的出口端通过设置有第一节流阀的管道与三级分离罐上部进口端相连接；
所述三级分离罐的上部出口端的液相分为两路，一路与所述第一液化冷箱内的一级复热段进口端相连接，另一路通过设置有第二节流阀的管道与所述三级分离罐中部进口端相连接；
所述三级分离罐中部出口端液相分为两路，一路与所述第一液化冷箱内的二级复热段进口端相连接，另一路通过设置有第三节流阀的管道与所述三级分离罐下部进口端相连接；
所述三级分离罐底部液相出口端与所述第一液化冷箱内的三级复热段进口相连接；
所述一级复热段、所述二级复热段、所述三级复热段的出口端与所述三级分离罐顶部气相出口端汇总后与所述丙烷压缩机进口端相连接，如此形成丙烷循环。
具体地，所述混合制冷剂循环系统的结构如下：
第一液化冷箱内的三级预冷段出口端与一分离器的进口端连接，所述分离器的顶部气相出口端与所述第二液化冷箱内的一级深冷段进口段相连接，所述第二液化冷箱内的二级深冷段出口端通过第四节流阀与所述第二液化冷箱内的二级复热段进口端相连接；
所述分离罐的底部液相出口端与所述第二液化冷箱内的一级深冷段进口端相连接，且其出口端通过设置有第五节流阀的管道与所述二级复热段出口端汇总后与所述第二液化冷箱内的一级复热段进口端相相连，所述一级复热段出口端与混合制冷剂压缩机进口端相连接，所述混合制冷剂压缩机出口端通过管道与混合制冷剂冷却器相连接，并返回所述第一液化冷箱内的一级预冷段，形成混合制冷剂循环回路。
本发明天然气液化系统中，所述三级分离罐内设有围堰挡板和帽罩，具有一定厚度的所述围堰挡板的下部固定在所述三级分离罐的罐壁上，所述帽罩通过支架等角度固定于所述围堰挡板的上方，所述围堰挡板实现液体的收集，所述帽罩作为气体的上升通道，并防止液体的流入。
本发明还提供了利用所述天然气液化系统进行天然气液化的方法，包括如下步骤：
天然气通过所述天然气进气管道进入所述第一液化冷箱内，经三级预冷段逐步冷却到-35～-37.5℃后进入所述第二液化冷箱；经两级深冷段冷却到-138～-150℃，经所述第六节流阀节流至常压，即得到液化天然气。
具体地，所述丙烷压缩机将丙烷增压至1300～1650kPa；
所述丙烷冷却器将丙烷冷却至35.0～37.5℃；
所述第一节流阀将丙烷节流至300～500kPa。
具体地，所述三级分离罐上部流出的液相丙烷的20.62％进入所述第一液化冷箱内，79.38％经所述第二节流阀节流至180～280kPa进入所述三级分离罐的中部；
所述三级分离罐中部流出的液相丙烷的55.48％进入所述第一液化冷箱内，44.52％经所述第三节流阀节流至100～135kPa进入所述三级分离罐下部；
所述三级分离罐底部流出物流进入所述第一液化冷箱内。
具体地，经所述第一液化冷箱预冷到-35～-37.5℃后的混合制冷剂进入所述分离罐进行气液分离，气相和液相均进入所述第二液化冷箱的一级深冷段深冷至-95～-125℃，气相混合制冷剂深冷后进入二级深冷段继续深冷至-138～-150℃后经所述第四节流阀节流至300～800kPa，流入所述第二液化冷箱为二级深冷段提供冷量；液相混合制冷剂深冷后经所述第五节流阀节流至350～500kPa，与所述第二液化冷箱内的二级复热段流出物流汇合后流入所述第二液化冷箱为一级复热段提供冷量，所述第二液化冷箱内的一级复热段流出物流经所述混合制冷剂压缩机增压到2500～2750kPa，所述混合制冷剂冷却器冷却至32～38℃进入所述第一液化冷箱，实现混合制冷剂的循环使用；
所述混合制冷剂包括甲烷、乙烷、丙烷和氮气。
本发明天然气液化系统，通过借助三级分离罐模块切换，因地制宜地进行三级分离罐级数之间的自由切换，具有以下技术优势：实现天然气液化流程的简化，大大降低设备的占地空间，在海上浮式FLNG平台上有很好的推广价值；三级分离罐的交接处和丙烷气相上升通道，可以进一步实现丙烷气相冷能的再利用，提高了系统冷能利用率。
附图说明
图1为本发明天然气液化系统的结构示意图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如图1所示，为本发明天然气液化系统，结构如下：
天然气液化系统，包括第一液化冷箱2和第二液化冷箱11，第一液化冷箱2内的一级预冷段进口端与天然气进气管道1相连接，第一液化冷箱2内的三级预冷段出口端与第二液化冷箱11内的一级深冷段进口端相连接，第二液化冷箱11内的二级深冷段出口与第六节流阀15相连接，经液化天然气出口管道16连接至后续工序。
丙烷预冷循环系统，包括第一液化冷箱2、丙烷压缩机3、丙烷冷却器4、第一节流阀5、三级分离罐6、第二节流阀7和第三节流阀8，第一液化冷箱2内的一级复热段、二级复热段、三级复热段出口端和三级分离罐6顶部气相出口端汇总后与丙烷压缩机3进口端相连接，丙烷压缩机3出口端与丙烷冷却器4进口端相连接，丙烷冷却器4出口端通过设置有第一节流阀5的管道与三级分离罐6上部进口端相连接，三级分离罐6上部出口端的液相分为两路，一路与第一液化冷箱2内的一级复热段进口端相连接，另一路通过设置有第二节流阀7的管道与三级分离罐6中部进口端相连接，三级分离罐6中部出口端液相分为两路，一路与第一液化冷箱2内的二级复热段进口端相连接，另一路通过设置有第三节流阀8的管道与三级分离罐6下部进口端相连接，三级分离罐6底部液相出口端与第一液化冷箱2的三级复热段进口相连接。
混合制冷剂循环系统，包括第一液化冷箱2、分离罐9、第二液化冷箱11、第四节流阀10、第五节流阀12、混合制冷剂压缩机13和混合制冷剂冷却器14，第一液化冷箱2内的三级预冷段出口端与分离器9进口端相连接，分离罐9顶部气相出口端与第二液化冷箱11一级深冷段进口段相连接，第二液化冷箱11二级深冷段出口端通过第四节流阀10与第二液化冷箱11二级复热段进口端相连接，分离罐9底部液相出口端与第二液化冷箱11一级深冷段进口端相连接，且其出口端通过设置有第五节流阀12的管道与第二液化冷箱11二级复热段出口端汇总后与第二液化冷箱11一级复热段进口端相相连，第二液化冷箱11一级复热段出口端与混合制冷剂压缩机13进口端相连接，混合制冷剂压缩机13出口端通过管道与混合制冷剂冷却器14相连接，并返回第一液化冷箱2内的一级预冷段，形成混合制冷剂循环回路。
本实施例中，三级分离罐6包括围堰挡板和帽罩，以此实现丙烷气液两相的分离。
本实施例中，第一液化冷箱2包括三段换热区间，以此实现天然气和混合制冷剂的前期预冷。
本实施例中，第二液化冷箱11包括两段换热区间，以此实现天然气的深冷和混合制冷剂循环利用。
基于上述天然气液化新型系统，本发明还提供了一种天然气液化方法，具体包括以下步骤：
天然气进气管道4760kPa，35℃的天然气进入第一液化冷箱经三级预冷段逐步冷却到-35～-37.5℃后进入第二液化冷箱经两级深冷段冷却到-138～-150℃，经第六节流阀节流至101.3kPa，此时液化天然气温度为-160℃。
第一液化冷箱一级复热段、二级复热段、三级复热段和三级分离罐塔顶气相丙烷汇合后，经丙烷压缩机增压至1300～1650kPa，进入丙烷冷却器冷却至34.85～37.5℃，冷却后的液相丙烷经第一节流阀节流至300～500kPa进入三级分离罐上部，三级分离罐上部流出的液相丙烷分为两路，一路20.62％物流进入第一液化冷箱为天然气和混合制冷剂一级预冷段提供冷量，另一路79.38％物流经第二节流阀节流至180～280kPa进入三级分离罐中部，三级分离罐中部流出的液相丙烷分为两路，一路55.48％物流进入第一液化冷箱为天然气和混合制冷剂二级预冷段提供冷量，另一路44.52％物流经第三节流阀节流至100～135kPa进入三级分离罐下部，三级分离罐底部流出物流进入第一液化冷箱为天然气和混合制冷剂三级预冷提供冷量，实现天然气和混合制冷剂的预冷。
经第一液化冷箱预冷到-35～-37.5℃后的混合制冷剂进入分离罐进行气液分离，气相和液相都进入第二液化冷箱一级深冷段深冷至-95～-125℃，气相混合制冷剂深冷后进入二级深冷段继续深冷至-138～-150℃后经第四节流阀节流至300～800kPa，流入第二液化冷箱为二级深冷段提供冷量；液相混合制冷剂深冷后经第五节流阀节流至350～500kPa，与第二液化冷箱二级复热段流出物流汇合后流入第二液化冷箱为一级复热段提供冷量，第二液化冷箱一级复热段流出物流经混合制冷剂压缩机增压到2500～2750kPa，混合制冷剂冷却器冷却至32～38℃进入第一液化冷箱，实现混合制冷剂的循环使用(混合制冷剂包括甲烷、乙烷、丙烷和氮气)。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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