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　　天然气液化循环　　迄今为止,在天然气液化技术领域中成熟的液　　化工艺有[5 ] : (1) 阶式制冷循环; (2) 混合制冷剂制　　冷循环,包括闭式、开式、丙烷预冷、CII ; (3) 膨胀机　　制冷循环,包括天然气膨胀、氮气膨胀、氮- 甲烷膨　　胀等。　　311 阶式制冷循环　　阶式制冷循环又称级联式制冷循环,是用丙烷　　(或丙烯) 、乙烷(或乙烯) 、甲烷等纯烃制冷剂的3　　个制冷循环阶组成,通过制冷剂液体的蒸发,逐级　　提供天然气液化所需的冷量,制冷温度梯度分别为　　- 30 ℃、- 90 ℃及- 150 ℃左右。净化后的原料天然　　气在3 个制冷循环的冷却器中逐级冷却、冷凝、液　　化并过冷,经节流降压后获得低温常压液态天然气　　产品,送到储罐储存。典型的阶梯式制冷循环流程　　图如下图所示:　　图3 典型的阶梯式制冷循环　　阶式液化循环能耗最小,在目前天然气液化循　　环中效率最高,所需换热面积小(相对于混合制冷　　剂循环) ,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。阶式循环最适用　　于大型装置。通过优化机器的选择,阶式循环可以　　与在基本负荷混合制冷剂厂中占主导地位的带预　　冷的混合制冷剂循环相竞争。　　Phillips 公司对传统的阶式循环进行了优化。　　Phillips 优化的阶式循环具有稳定的可靠性,因为在　　设计中考虑下列四个因素:　　(1) 单一组分的制冷济;　　(2) 用铜焊接的铝换热器;　　(3) “two - trains - in - one”流程;　　(4) 适当的服务设施　　该工艺显著的一点是采用“two - trains - in -　　one”流程,流程中采用了两组并联的压缩机组,每　　一个压缩机组有独立的驱动设备。这种结构使得　　流程的操作具有很大的灵活性,可以方便的进行压　　缩机组或驱动装置的维修,当原料气的进气量波动　　很大时仍能保持很高的效率,还可以减少了备用的　　驱动设备[6 ] 。　　312 混合制冷剂制冷循环　　混合制冷剂(又称多组分制冷剂) 制冷循环是　　采用N2 和C1 - C5 烃类混合物作为循环制冷剂。　　与纯组分制冷剂不同的是,混合制冷剂产生的冷量　　是在一个连续的温度范围之内,纯组分冷剂产生的　　冷量是在一个固定的温度上。混合制冷剂的加热　　86　　新疆石油天然气2006 年　　? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net　　曲线可与被冷却介质的冷却曲线很好地匹配,有效　　地增加了两者的一致性。　　同阶式制冷循环相比,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　　比阶式制冷循环高。因此,为了降低能耗,采用多　　级混合制冷剂循环。国外技术人员对多级循环特　　性的评价结果表明,随着级数的增加能耗将有所降　　低,通过技术经济优化,采用三级混合制冷剂循环　　较为合理,如图4 所示。　　图4 典型的三级混合制冷剂循环　　改进的多级混合制冷剂循环(MRC) 使用了小　　型铝质板翅式换热器以减少功率消耗。多股流板　　翅式换热器的温度驱动力小而且能量高度结合,所　　以其热力学效率很高,这使热股流和冷股流的曲线　　匹配得很好。在MRC 工艺的基础上又开发出来很　　多带预冷的混合制冷剂制冷循环工艺,预冷方式有　　丙烷预冷、混合工质预冷、利用氨吸收制冷来预冷　　等。丙烷预冷是其中应用比较广泛的一种。APCI　　公司的丙烷预冷混合制冷剂液化流程(C3PMRC) 广　　泛应用预国外的大型的LNG工厂中。　　313 膨胀机制冷循环　　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。主要用于原料气有　　压力能可利用、甲烷含量高的场合。其液化率主要　　取决于膨胀比,膨胀比越大,液化率也越大。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。它是直接膨胀制冷的一种变　　型。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　　耗比较高,比混合制冷剂循环高40 %左右。　　(3) 氮气- 甲烷混合膨胀制冷。它是氮膨胀制　　冷循环的一种改进,与混合制冷剂循环相比较,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。但是其设计复　　杂,目前国内还没有成熟的经验。　　膨胀机循环与阶式循环和混合制冷剂循环相　　比其优点是,它能够较迅速和简单的启动和停工。　　当预计生产中有较频繁的停工时,使用此循环是非　　常重要的,例如在调峰厂。与阶式循环和混合制冷　　剂循环相比,膨胀机循环的主要缺点是它的功率消　　耗大。但是,循环的简易性可以弥补高的功率消　　耗,尤其是在功率消耗不很重要的小型工厂。　　我国第一座小型的液化天然气生产装置———　　长庆陕北气田液化天然气示范工程中采用了天然　　气膨胀制冷循环,取得了较好的效果。　　4 天然气液化流程的选择　　本文以新疆呼图壁、彩南、莫北、石西三个油气　　田所产的天然气为例提出相应的天然气液化方案。　　四个油气田天然气的参数如表2 所示:　　表2 四个油气田中天然气的参数　　油气田名称呼图壁彩南莫北　　压力(MPa) 3 310～410 4　　流量(104m3Pd) 150 24 80　　气体体　　积分数　　( %)　　C1 94147 88131 68197　　C2 3128 4142 18124　　C3 0157 2128 6165　　C4～ C11 0147 2124 4147　　N2 112 2137 0103　　CO2 0 0137 1164　　4. 1 原料气的净化　　从表1 可以看出,原料气中的酸性气体组分很　　少,且只含有CO2 。国外很多调峰型天然气液化工　　厂中,原料气的处理是单独采用分子筛吸附的方　　法,因为分子筛是根据物质分子的大小进行选择型　　吸附的,可以同时脱除酸性气体和水分,也使得原　　料气的净化流程简化。呼图壁、彩南、莫北三个油　　气田天然气的产量不大,利用分子筛吸附能够满足　　工艺要求。　　412 液化工艺的选择　　三种基本的天然气液化流程中,带膨胀机的液　　化流程适用于处理量小,有压能可以利用的情况　　下。陕北油田液化天然气示范工程采用天然气膨　　胀制冷循环,取得较好的效果。建议对新疆这三处　　油气田的天然气采用天然气膨胀制冷循环,在膨胀　　制冷循环的基础上,可以采用氮气或丙烷预冷,减　　少液化循环过程中的功率消耗。　　? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

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