摘要：随着目前世界各国对环境的日益重视，LNG作为一种优质、高效的清洁能源，广泛应用于工业燃气、城市公交和重型卡车等领域，对改善城市空气质量，节能减排具有重大意义。近年来LNG项目发展迅速，我国经过十几年的快速发展，实现了由主要依靠引进国外成套技术和设备到目前完全拥有LNG生产装备自主知识产权的转变。从2008年起，国内很多业主陆续使用国产技术和设备投资建设了LNG工厂，目前运行状况良好。目前，在基本负荷型和调峰型LNG装置中应用最多、最广的是混合制冷剂液化流程，该流程在LNG生产中占据主导地位。文章主要针对混合制冷剂循环液化天然气工艺进行分析，希望能给相关人士提供参考价值。
关键词：混合制冷剂；单级循环；液化；流道；三级节流
文章主要针对当下国内外运营的经典混合制冷剂液化天然气（LNG）工艺技术，探究介绍了一种改进的混合制冷剂单循环多流道液化工艺及其控制方法，经20万Nm3/dLNG装置改造试验，其技术、经济、安全等指标均比改造前有所提高或优化，可为今后在LNG生产技术开发工作上提供借鉴。
1.经典混合制冷剂LNG工艺
1.1单级混合制冷工艺流程（简称SMR）
混合冷剂单级循环工艺的特点是，混合制冷剂从压缩、冷凝、分离、节流、蒸发再到压缩只有一个完整独立的循环过程。在国内外的LNG生产装置中通常以混合冷剂单级循环单级节流流程为主，具体流程如下：原料气通过冷箱中的换热器，与混合制冷剂换热，天然气被冷却液化。混合制冷剂先依次经压缩机增压、冷却器冷却，气液分离，最后气液分离器中的气相和液相直接混合进入冷箱换热器逐步被预冷，再出换热器节流、降压降温，然后回到换热器，与天然气换热使之液化，同时预冷进入冷箱的高压混合冷剂，自身在换热器内逐级气化成气态混合物，返回压缩机。
1.2双级混合制冷工艺（简称DMR）
采用乙烷、丙烷与少量甲烷、丁烷混合物为预冷循环（第一级循环）制冷剂，将天然气与第二级深冷循环中的高压混合冷剂从常温预冷到－40℃，再由第二级混合制冷剂循环将天然气进一步冷却至－162℃而液化。其特点是，制冷环节中存在两个完全独立的混合冷剂循环。
2.对各类混合制冷剂LNG工艺的对比分析
2.1主要技术参数比较
针对LNG产量小于220t/d，原料气压力、流量、温度分别为4.7MPa、315000Nm3/d、40℃，LNG产品温度、压力、流量分别为－l60.2℃、0．02MPa、300090Nm3/d的较小基本负荷型装置，运用美国进口的化工流程模拟软件，比较了这3种混合制冷工艺流程的主要技术参数，可得出如下结论。在同一气源条件、相同液化量、LNG相同储存形式、相同压缩机效率和相同冷箱热损失（3%）的条件下，单级混合制冷工艺（SMR）的制冷系统功耗最大，要比双级混合制冷工艺（DMＲ）高13．4%；C3/MRC结合了级联式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点，既高效又相对简单，其制冷系统功耗仅比双级混合制冷工艺（DMR）高0.3%.
2.2设备造价和运行费用分析
制冷系统的主要费用为压缩机和换热器等费用，SMR工艺最简单，主要是减少了压缩机及换热器的造价，其中压缩机造价减少较多，其投资和运行费用最低；DMR与C3/MRC均采用预冷和深冷两套制冷系统，DMR采用绕管式换热器，全部置于同一冷箱内，设备紧凑，管路少，C3/MRC工艺由于采用三级丙烷预冷，需要3台丙烷蒸发器，流程和控制系统相对复杂，运行费用相对较高。
3.国内具有自主技术的节能型混合冷剂单循环工艺
鉴于以上分析，LNG技术的发展要求液化循环具有节能、高效、低成本、可靠性好、易操作等特点。为此，国内一些工程公司开发了各具特色的具有自主技术节能型混合冷剂单循环制冷工艺，这些工程公司包括成都深冷、CPE西南公司、中科院理化所、川空、杭州福斯达、杭州中泰、哈工大和哈深冷等。寰球公司开发了双循环工艺并工业化。在以上技术中，代表性工艺是混合冷剂单级循环多级节流工艺，该流程只有一个冷剂循环系统，冷剂循环压缩机也是一台，只对混合冷剂的冷凝、气液分离和节流膨胀的方式及次数进行了工艺优化。通常，混合冷剂通过三级节流来产生冷量，冷箱内混合冷剂分气相和液相多股流道，换热器为三段高效板翅：预冷段、液化段和过冷段。在约束条件下，对于混合冷剂制冷生产LNG，采用三次节流可以节约压缩机功耗，而且无需增加换热面积投资，三次节流压缩机功耗为二次节流的96%。
4.本研究提出的改进型混合制冷剂单级循环三级节流液化流程
从冷箱板翅式换热器组复热后的低压气相混合冷剂，其温度高于饱和温度，首先通过冷剂压缩机入口缓冲罐1，经压缩机一段压缩；一段压缩后的混合冷剂进入段间冷却器3冷却，再进入段间缓冲罐6分离出气液两相，液相去冷箱预冷器预冷，再经过J-T1节流膨胀，温度降到－55℃，进入混合冷剂复热管线与返流的低压混合冷剂一起为冷箱预冷段提供冷量，气相经冷剂压缩机二段压缩[1]；二段压缩后的混合冷剂进入出口冷却器4冷却，再进入冷剂压缩机出口平衡罐7，使混合冷剂呈气液两相，气相进入冷箱高压气相流道参与制冷，液相经冷箱预冷器预冷，再经过J-T1节流膨胀，温度降到－55℃，进入混合冷剂复热管线与返流的低压混合冷剂一起为冷箱预冷段提供冷量。高压气相冷剂经过预冷器温度降到－55℃，进入冷剂低温分离器14，液相从分离器底部出来通过板式换热器冷却到约－120℃，经J-T3节流降温至－130℃，进入混合冷剂复热管线与返流的低压混合冷剂一起为冷箱液化段提供冷量[2]。从低温分离器14顶部出来的气相经板式换热器冷却到约-160℃，经J-T4节流降温至－168℃，返回板式换热器提供冷量。
原料气（天然气）经板式换热器冷却到-163℃，液化为LNG。
图1-1
1.入口缓冲罐 3.段间冷却器 4.出口冷却器 6.段间缓冲罐 7.出口平衡罐
14.冷剂低温分离器 J-T1/2一级节流阀 J-T3二级节流阀 J-T4三级节流阀
结论
简而言之，该研究项目提出的混合冷剂制冷液化天然气新方案经过在管输天然气液化装置项目上实际应用，产量达到合同设计指标要求，液化率高，单位功耗降低，增加了混合冷剂制冷过程的温度梯度，变工况适应能力强，省去了液化工序的混合冷剂泵，可操作性强，使能量效率接近传统阶式制冷工艺的同时，又保持了混合冷剂单循环工艺的流程简洁性和操作简单性。
参考文献：
[1]刘斯嘉．LNG混合冷剂制冷循环节流方式的对比[J].广东化工，2019，43（10）：175-176．
[2]刘斯嘉．LNG混合冷剂制冷循环节流方式的对比[J].广东化工，2018，43（10）：175-176．
论文作者:姜波
论文发表刊物:《基层建设》2019年第21期
论文发表时间:2019/10/16
标签：制冷剂论文; 预冷论文; 工艺论文; 压缩机论文; 换热器论文; 天然气论文; 流程论文; 《基层建设》2019年第21期论文;