專利名稱：一種天然氣直接膨脹式液化方法及裝置的制作方法
技術領域：
一種天然氣直接膨脹式液化方法及裝置屬節(jié)能與環(huán)保領域，主要利用天然氣的壓力能實現(xiàn)天然氣的液化，達到節(jié)能、減排和回收有用資源的目的。
背景技術：
天然氣與煤炭、石油并稱目前世界一次能源的三大支柱。天然氣熱值高，對環(huán)境污染小，被認為是優(yōu)質(zhì)清潔能源。近年來，隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，石油危機的沖擊和煤、石油所帶來的環(huán)境污染日趨嚴重，世界上越來越多的國家開始重視天然氣資源的利用。天然氣在一次能源中的消費比例已經(jīng)從上世紀50年代初的10%上升到現(xiàn)在的25%。世界多個能源機構預測，21世紀是天然氣的時代。目前，我國正在不斷加大節(jié)能減排力度，進一步推動天然氣市場發(fā)展。近年來，國內(nèi)天然氣消費量以年均18%的速度遞增，遠遠超出2. 5%的世界平均水平。但是，由于國內(nèi)天然氣資源相對匱乏，利用海外氣源來滿足國內(nèi)快速增長的市場需求成為必然。專家估計， 2010年進口天然氣可占我國天然氣消費總量的20% 30%，到2020年，這一比例有望達到 50%。天然氣在大陸上的大規(guī)模輸送多采用管道方式，而跨大洋的國際貿(mào)易和大陸上遠離管網(wǎng)的小規(guī)模天然氣的輸送則一般采用液化天然氣LNGLiquefied Natural Gas的方式。 天然氣經(jīng)低溫液化后，體積縮減為原來的大約1/600，這樣可以大幅降低儲運及建設成本， 而且除去了氣態(tài)形式中所含的H2S、C02、N2和Hg等眾多雜質(zhì)，因而是全世界公認的一種清潔能源。當今各國均將LNG作為一種低排放的清潔燃料加以推廣，LNG已成為當今世界能源供應增長速度最快的領域。近年來全球LNG的生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍，LNG已成為稀缺清潔資源，正在成為世界油氣工業(yè)新的熱點。據(jù)統(tǒng)計，2009年中國天然氣表觀消費量875億立方米，在一次能源消費構成中占 3. 7%，而2009年我國天然氣的生產(chǎn)量僅為830億立方米，天然氣供需缺口達40多億立方米，此供需缺口由進口量來補充，2009年中國液化天然氣進口量高達76. 4億立方米數(shù)據(jù)來源于BP2010年世界能源年度統(tǒng)計。據(jù)社科院發(fā)布的“2009能源藍皮書”預計，到2010年和2015年，我國天然氣消費量將分別達到1200億立方米和2000億立方米左右；2010年我國天然氣供需缺口為200-300 億立方米，進口占比約20% ;2015年缺口為300-700億立方米，2020年缺口將達到700-1000 億立方米，2015-2020年進口占比有望進一步擴大至30% -40%。但是，實際上，我國卻存在著大量的零散氣田和邊遠氣田的天然氣、煤層氣、油田伴生氣、水溶氣、填埋氣、沼氣、火炬氣等天然氣資源，由于具有量小，難以輸運等特點，目前卻沒有被有效利用，而每年的天然氣消費缺口卻靠進口液化天然氣來補充。開發(fā)小型撬裝式天然氣液化裝置，充分利用我國的現(xiàn)有資源，不僅可以緩解我國目前的能源緊張現(xiàn)狀，還可降低我國天然氣消費對外依存度，對于能源安全具有十分重要的意義。由于各種原因，我國天然氣液化技術方面的發(fā)展還遠落后于國際水平。目前國內(nèi)幾乎沒有具有自主知識產(chǎn)權的液化工業(yè)和實際運行的LNG裝置。而國外的天然氣液化技術對外進行技術封鎖，因此有必要深入展開可燃氣體液化技術研究。目前，天然氣的液化工藝主要有三類，分別為階式液化工藝、混合制冷劑制冷工藝和膨脹機制冷循環(huán)工藝。階式液化工藝復雜，設備多，維護不便?；旌现评鋭┲评涔に囀悄壳皣釲NG裝置最常最常采用的工藝，但混合制冷劑的準確配比比較困難，且壓縮機等設備泄露容易使混合組分偏離設計參數(shù)，造成系統(tǒng)效率下降，同時，能耗較高比階式蒸發(fā)循環(huán)高20%左右。膨脹機制冷循環(huán)多用于液化量較小的小型天然氣液化工廠，其系統(tǒng)簡單，體積小，操作方便，對原料氣組分變化適應性強，缺點是能耗高如氮氣膨脹制冷比混合制冷劑制冷循環(huán)能耗高40%左右。我國在20世紀末開始對天然氣液化技術進行研究，起步較晚。目前三種液化流程工藝在我國大型天然氣液化工廠中都有運行，如階式制冷循環(huán)上海LNG事故調(diào)峰站、中原LNG工廠、膨脹機制冷循環(huán)陜北氣田液化天然氣示范工程和混合制冷劑制冷工藝新疆液化天然氣工廠。而對于撬裝式的小型液化工藝則主要以膨脹機液化流程為主要研究方向?；旌现评鋭┭h(huán)在國內(nèi)還沒有成熟的技術和設計、運行管理經(jīng)驗，儀表控制系統(tǒng)復雜。因此，開發(fā)膨脹式小型天然氣液化系統(tǒng)適合我國目前的技術現(xiàn)狀，有利于快速實現(xiàn)液化系統(tǒng)的裝置化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種小型天然氣直接膨脹式液化流程，該流程系統(tǒng)利用天然氣的壓力能實現(xiàn)天然氣的液化，將大量存在于我國的零散氣田和邊遠氣田的天然氣、煤層氣、油田伴生氣、水溶氣、填埋氣、沼氣、火炬氣等天然氣資源液化再利用，節(jié)約了能源，同時減小了目前因直接燃燒或排放而造成的大氣環(huán)境污染。為達到上述目的，本液化方法提供了一種利用高壓天然氣的壓縮膨脹產(chǎn)生的低溫實現(xiàn)天然氣液化的裝置，其含有天然氣凈化預處理單元1，壓縮單元2，預冷器3，天然氣膨脹單元4，分流器5，過冷器6，天然氣氣液分離器7及液化天然氣的儲罐8 ；其特征在于上述各裝置都預留有流體通過的進、出口，并通過管道相互連接在一起。天然氣凈化預處理單元1，可除去通過它的氣體中水分、酸性氣體及其他雜質(zhì)；天然氣壓縮單元2，其入口與天然氣凈化預處理單元1的出口相連；壓縮單元由多臺壓縮機2-1，2-2，2-3和冷卻器2-4，2-5, 2-6依次連接組成，每臺壓縮機后面布置一臺冷卻器天然氣預冷器3，包括多股流體進、出口，其一股流體入口與壓縮單元2出口相連， 另一股流體的入口與過冷器6的出口相連；天然氣膨脹單元4，其入口與預冷器的出口相連，由多臺膨脹機4-1，4-2，4_3依次相連組成，使通過它的天然氣壓力降低，溫度降低；分流器5，包括1個入口和多個出口，其入口與膨脹單元4中某一膨脹機出口相連， 其一個出口與過冷器6相連，另一出口則與下一臺膨脹機入口相連。過冷器6，包括多股流體進、出口，一股流體的進口與分流器5某一出口相連，出口與氣液分離器7相連；另一股流體入口與上述的下一臺膨脹機出口相連，其出口與預冷器3 的入口相連；天然氣氣液分離器7，包括1個入口和多個出口，分離液體從下部出口進入液化天然氣的儲罐8，分離出來的氣體從頂部出口排出。
所述的天然氣凈化預處理單元1采用吸附法實現(xiàn)天然氣的脫水、脫硫和脫酸等凈化功能，吸附劑可以是活性氧化鋁，也可以是硅膠，還可以是分子篩。所述的壓縮單元是由多級壓縮、中間冷卻，或由單級壓縮后冷卻的方式組成，所用的壓縮機為離心式壓縮機，或活塞式壓縮機，或螺桿式壓縮機，壓縮機壓比為3 20。所述的膨脹機為透平膨脹機，或活塞式膨脹機，或螺桿式膨脹機，所述的膨脹機可用節(jié)流閥代替。所述的天然氣冷卻器2-4，2-5，2-6為水冷換熱器，或氣冷換熱器，冷卻器可以集成在壓縮機內(nèi)部，或單獨外置在壓縮機外。所述的壓縮單元2的壓縮機驅(qū)動動力為燃氣發(fā)動機或電動機，壓縮機可以同軸布置由一臺燃氣發(fā)動機或電動機驅(qū)動，也可以單獨布置，由各自的動力驅(qū)動。所述的天然氣預冷器3和過冷器6通過換熱器完成天然氣溫度的降低，所述換熱器可以為雙股流換熱器，也可以為多股流換熱器，換熱器形式為管殼式換熱器或板式換熱
ο所述的氣液分離器7具有氣液分離功能，也可以不具有氣液分離功能。為預冷器3和過冷器6提供冷量的低溫流體，在釋放冷量后，可以返流到壓縮單元 2的入口，重新被壓縮處理，也可以不返流直接進入燃氣發(fā)動機，為壓縮單元提供動力。當待液化天然氣為高壓天然氣時，所述的系統(tǒng)可以不含有壓縮單元2，分流器5可以布置在預冷器3入口 ；進入預冷器3和過冷器6的冷流體可以來自膨脹單元的膨脹機出口，也可以來自氣液分離器頂部出口排出的低溫天然氣。本發(fā)明所提出的天然氣液化方法及裝置，當待處理的天然氣為高壓天然氣時，壓縮單元可以省去，直接對高壓天然氣進行膨脹冷卻，實現(xiàn)天然氣的液化。此液化流程通過參數(shù)調(diào)節(jié)，可是現(xiàn)天然氣液化率為10 100%。


圖1.三級壓縮三級膨脹帶壓低壓儲存的小型天然氣直接膨脹式液化方法及裝置示意圖；圖2.三級壓縮三級膨脹帶壓低壓儲存帶返流的小型天然氣直接膨脹式液化方法及裝置示意圖；圖3.三級壓縮三級膨脹帶壓高壓儲存的小型天然氣直接膨脹式液化方法及裝置示意圖1 ；圖4.三級壓縮三級膨脹帶壓高壓儲存的小型天然氣直接膨脹式液化方法及裝置示意圖2 ；圖5.三級壓縮三級膨脹帶壓低壓儲存的小型天然氣直接膨脹式天然氣液化方法及裝置示意圖；圖6.三級壓縮三級膨脹常壓儲存帶返流的小型天然氣直接膨脹式液化方法及裝置示意圖1 ；圖7.三級壓縮三級膨脹常壓儲存帶返流的小型天然氣直接膨脹式液化流程及裝置示意圖2 ；圖8.高壓天然氣兩級膨脹常壓儲存帶返流的小型天然氣直接膨脹式液化方法及裝置示意圖；圖9.高壓天然氣兩級膨脹常壓儲存帶返流的小型天然氣直接膨脹式液化方法及裝置示意圖1 ；圖10.兩級壓縮兩級膨脹常壓儲存帶返流的小型天然氣直接膨脹式天然氣液化方法及裝置示意圖2 ；圖中，1、凈化單元，2、壓縮單元，3、預冷器，4、膨脹單元，5、分流器，6、過冷器，7、氣液分離器，8、LNG儲罐，9、燃氣發(fā)動機或電動機，10、節(jié)流閥，2-1，2-2，2-3、分別代表三臺壓縮機，2-4，2-5，2-6、分別代表三臺中間冷卻器，4-1，4-2，4-3、分別代表三臺膨脹機
具體實施例方式實施例1如圖1所示，本實施例是針對常壓的待液化天然氣進行液化處理，常壓天然氣經(jīng)過凈化預處理單元1凈化處理后，除去天然氣中的雜質(zhì)及水分，達到液化標準后，進入壓縮單元2，壓縮單元是由三臺壓縮機2-1，2-2，2-3，三臺中間冷卻器2-4，2-5, 2-6構成，壓縮單元將天然氣壓縮至29. 4MPa后進入膨脹單元4，先經(jīng)兩臺單螺桿膨脹機4_1，4-2將天然氣溫度降至-115. 6°C，壓力降至6個大氣壓，然后經(jīng)分流單元5將膨脹降溫后的天然氣分為兩股，一股繼續(xù)經(jīng)螺桿膨脹機膨脹至常壓，-145°C，利用此低溫在過冷器6中冷卻分流后的另一股低溫天然氣，使其溫度降至6大氣壓對應冷凝溫度-133°C以下，使其全部液化。從過冷器6出來的天然氣因溫度較低，進入預冷器3，對壓縮后的天然氣進行預冷，使其預冷后膨脹。液化后的天然氣進入儲罐8儲存，待運。本實施例中，壓縮機機的驅(qū)動是利用燃氣發(fā)動機9同軸驅(qū)動三臺壓縮機實現(xiàn)天然氣的壓縮，燃氣消耗量為Wkg/h，此流程的天然氣液化率為33%，液化天然氣的日產(chǎn)量為 1. 82t/天，液化天然氣比功耗為18. 6kwh/kmoL·實施例2如圖2所示，具體實施過程同實施例1，所不同的是從預冷器3出來的天然氣返流進入壓縮單元2入口，重新壓縮處理，實現(xiàn)天然氣的液化。實施例3如圖3所示，具體實施過程同實施例1，所不同的是從壓縮單元出來的高壓天然氣經(jīng)一級膨脹4-1后，進入分流單元5分為兩股，一股繼續(xù)經(jīng)兩級膨脹至常壓低溫，來冷卻另一股高壓天然氣，使其溫度降至一級膨脹后對應壓力下的冷凝溫度以下，實現(xiàn)天然氣的液化。實施例4如圖4所示，具體實施過程同實施例3，所不同的是從壓縮單元出來的高壓天然氣壓力更高，經(jīng)一級膨脹4-1后，得到較高壓力天然氣，此壓力下天然氣液化溫度更高，可以不需要天然氣預冷器，同樣可實現(xiàn)天然氣的液化。實施例5如圖5所示，具體實施過程同實施例1，所不同的是壓縮單元2是由兩臺壓縮機 2-1,2-2和兩個中間冷卻器2-4，2-5構成實現(xiàn)天然氣的壓縮，而膨脹單元則是由兩臺膨脹機4-1，4-2構成，即兩級壓縮和兩級膨脹實現(xiàn)天然氣的液化。
實施例6如圖6所示，具體實施過程同實施例1，所不同的是液化天然氣儲存為常壓儲存， 氣液分離罐頂部有未液化的天然氣分離出來，利用此未液化天然氣為預冷器和過冷器提供冷量。為了與返流的天然氣進行冷量匹配，從壓縮單元出來的高壓天然氣進入單螺桿膨脹機4-1，4-2，4-3之前，首先經(jīng)過冷卻器3-1，3-2，3-3冷卻降溫。最終使天然氣達到常壓、低溫狀態(tài)，膨脹冷卻后的天然氣進入氣液分離器7，液態(tài)天然氣進入儲罐8儲存、待運，而未液化的天然氣經(jīng)氣液分離器7頂部返流。實施例7如圖7所示，具體實施過程同實施例6，所不同的是從氣液分離器7頂部返流的天然氣，經(jīng)預冷器3釋放冷量后，返流進入壓縮單元入口，重新壓縮處理。實施例8如圖8所示，待處理的天然氣為高壓天然氣，此天然氣的液化冷量來自經(jīng)膨脹單元4膨脹后產(chǎn)生的冷量和從氣液分離器7頂部返流的未液化天然氣提供的冷量。高壓天然氣經(jīng)凈化器處理后達到液化的標準，后經(jīng)分流器5分為2股，一股經(jīng)兩臺膨脹機4-1，4-2膨脹降壓、降溫，產(chǎn)生低溫天然氣為第二股高壓天然氣的液化提供冷量，經(jīng)預冷器3和過冷器 6降溫后的天然氣，通過節(jié)流閥10，壓力降為1個大氣壓，溫度進一步降低，常壓、低溫天然氣在氣液分離器7中實現(xiàn)氣液分離，液態(tài)天然氣進入LNG儲罐8儲存待運，而頂部未液化的氣態(tài)天然氣則返流為天然氣預冷器和過冷器提供冷量。實施例9如圖9所示，具體實施過程與實施例8類似，所不同的是，節(jié)流閥10用單螺桿膨脹機來代替。實施例10如圖10所示，具體實施過程與實施例8類似，所不同的是從膨脹單元4出來的天然氣為預冷器3提供冷量后，經(jīng)壓縮單元2壓縮至高壓，與凈化處理后的高壓天然氣混合后重新進行液化處理，此壓縮單元是由兩臺活塞壓縮機實現(xiàn)天然氣的壓縮。
權利要求
1.一種天然氣直接膨脹式液化裝置，其特征在于其含有天然氣凈化預處理單元(1)， 壓縮單元( ，預冷器( ，天然氣膨脹單元(4)，分流器( ，過冷器(6)，天然氣氣液分離器 (7)及液化天然氣的儲罐(8)；其特征在于上述各裝置都預留有流體通過的進、出口，并通過管道相互連接在一起。天然氣凈化預處理單元(1)，可除去通過它的氣體中水分、酸性氣體及其他雜質(zhì)；天然氣壓縮單元O)，其入口與天然氣凈化預處理單元(1)的出口相連；壓縮單元由多臺壓縮機(2-1，2-2，2- 和冷卻器(2-4，2-5，2-6)依次連接組成，每臺壓縮機后面布置一臺冷卻器天然氣預冷器(3)，包括多股流體進、出口，其一股流體入口與壓縮單元O)出口相連， 另一股流體的入口與過冷器(6)的出口相連；天然氣膨脹單元G)，其入口與預冷器的出口相連，由多臺膨脹機0-1，4-2，4-；3)依次相連組成，使通過它的天然氣壓力降低，溫度降低；分流器(5)，包括1個入口和多個出口，其入口與膨脹單元⑷中某一膨脹機出口相連， 其一個出口與過冷器(6)相連，另一出口則與下一臺膨脹機入口相連。過冷器(6)，包括多股流體進、出口，一股流體的進口與分流器( 某一出口相連，出口與氣液分離器(7)相連；另一股流體入口與上述的下一臺膨脹機出口相連，其出口與預冷器⑶的入口相連；天然氣氣液分離器(7)，包括1個入口和多個出口，分離液體從下部出口進入液化天然氣的儲罐(8)，分離出來的氣體從頂部出口排出。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種天然氣直接膨脹式液化裝置，其特征在于所述的天然氣凈化預處理單元(1)采用吸附法實現(xiàn)天然氣的脫水、脫硫和脫酸等凈化功能，吸附劑可以是活性氧化鋁，也可以是硅膠，還可以是分子篩。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種天然氣直接膨脹式液化裝置，其特征在于所述的壓縮單元是由多級壓縮、中間冷卻，或由單級壓縮后冷卻的方式組成，所用的壓縮機為離心式壓縮機，或活塞式壓縮機，或螺桿式壓縮機，壓縮機壓比為3 20。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種天然氣直接膨脹式液化裝置，其特征在于所述的膨脹機為透平膨脹機，或活塞式膨脹機，或螺桿式膨脹機，所述的膨脹機可用節(jié)流閥代替。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種天然氣直接膨脹式液化裝置，其特征在于所述的天然氣冷卻器(2-4，2-5，2-6)為水冷換熱器，或氣冷換熱器，冷卻器可以集成在壓縮機內(nèi)部，或單獨外置在壓縮機外。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種天然氣直接膨脹式液化裝置，其特征在于所述的壓縮單元O)的壓縮機驅(qū)動動力為燃氣發(fā)動機或電動機，壓縮機可以同軸布置由一臺燃氣發(fā)動機或電動機驅(qū)動，也可以單獨布置，由各自的動力驅(qū)動。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種天然氣直接膨脹式液化裝置，其特征在于所述的天然氣預冷器C3)和過冷器(6)通過換熱器完成天然氣溫度的降低，所述換熱器可以為雙股流換熱器，也可以為多股流換熱器，換熱器形式為管殼式換熱器或板式換熱器。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種天然氣直接膨脹式液化裝置，其特征在于所述的氣液分離器(7)具有氣液分離功能，也可以不具有氣液分離功能。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種天然氣直接膨脹式液化裝置，其特征在于為預冷器(3)和過冷器(6)提供冷量的低溫流體，在釋放冷量后，可以返流到壓縮單元O)的入口，重新被壓縮處理，也可以不返流直接進入燃氣發(fā)動機，為壓縮單元提供動力。
10.根據(jù)權利要求1所述的一種天然氣直接膨脹式液化裝置，其特征在于當待液化天然氣為高壓天然氣時，所述的系統(tǒng)可以不含有壓縮單元0)，分流器( 可以布置在預冷器 (3)入口 ；進入預冷器(3)和過冷器(6)的冷流體可以來自膨脹單元的膨脹機出口，也可以來自氣液分離器頂部出口排出的低溫天然氣。
全文摘要
一種天然氣直接膨脹式液化方法及裝置，屬節(jié)能與環(huán)保領域，其由一個凈化預處理單元，壓縮單元，預冷器，膨脹單元，分流器，天然氣過冷器，氣液分離器及液態(tài)天然氣儲罐組成。經(jīng)過預處理單元過濾凈化后的天然氣經(jīng)過壓縮單元完成多級壓縮中間冷卻，形成高壓常溫天然氣，此高壓天然氣經(jīng)預冷器預冷降溫，進入膨脹單元兩級膨脹至中間壓力后經(jīng)分流器分流為兩部分，一部分進入膨脹機膨脹至低溫、低壓，形成低溫冷量，利用此低溫冷量將分流后的另一部分天然氣在過冷器內(nèi)冷卻至分流器所對應壓力下的液體狀態(tài)，實現(xiàn)天然氣的液化。本裝置工藝流程簡單，操作方便，安全性高，易于模塊化撬裝，可廣泛用于邊遠零散氣田，石油伴生氣，煤層氣等非常規(guī)天然氣的開采。
文檔編號F25J1/02GK102206520SQ20111010080
公開日2011年10月5日 申請日期2011年4月21日 優(yōu)先權日2011年4月21日
發(fā)明者呂鵬飛, 吳玉庭, 馬重芳, 鹿院衛(wèi) 申請人:北京工業(yè)大學