天然气液化装置及液化流程 【技术领域】
本发明涉及气体的压缩和液化，更具体地涉及通过膨胀制冷将天然气液化的装置及流程。
背景技术
天然气是汽油和柴油等燃料的一种已知替代品。人们已经在开发天然气作为替代燃料以克服汽油和柴油包括生产成本和使用后排放等各种缺点方面做出了很多努力。本领域已知天然气是一种比其他燃料更清洁的燃料，也比汽油或柴油更安全，因为天然气会上升到空气中并散逸，而不是沉降。为了用作替代燃料，天然气通常被转化成压缩天然气或液化天然气，便于在使用前进行储存和运输。
当前中国经济持续快速的发展势头仍在继续，但是为保障经济的能源动力却极度紧缺。在国际石油价格节节升高的情势之下，中国的能源危机越发显得严重。中国的能源结构以煤炭为主，石油、天然气只占到很小的比例，远远低于世界平均水平。随着国家对能源需求的不断增长，液化天然气产品将对优化中国的能源结构，有效解决能源供应安全、生态环境保护的双重问题，实现经济和社会的可持续发展发挥重要作用。
随着我国“西气东输”“海气上岸”“进口液化天然气”等工程的实施，中国对液化天然气产业的发展越来越重视。作为天然气下游主要用户之一的城市燃气用户，其用气负荷波动量非常大，每天面临气源调峰的压力。因此，各城市燃气企业均需投巨资建设一些调峰设施。目前，天然气液化装置的工艺路线主要有阶式制冷工艺、混合制冷工艺和膨胀制冷工艺三种。阶式制冷工艺和混合制冷工艺其天然气液化所需的冷量都是通过制冷剂的制冷循环来提供，而膨胀制冷工艺则是利用原料天然气的压力能对外做功来提供所需的冷量。
目前，国内外有很多膨胀制冷的天然气液化技术，如美国专利US6023942、US6209350、US6449982、US6378330等，但这些专利所公开的技术都存在一些不足，不太适合在城市天然气接收门站或调压站使用。例如美国专利US6023942和US6209350，其揭示的天然气液化流程较复杂，需要的投资也很大；美国专利US6449982在天然气液化的过程中需要外界提供冷量来冷却原料气，操作费用较高；美国专利US6378330揭示的天然气液化过程中的冷量没有充分利用，降低了装置的液化率。
【发明内容】
本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供一种充分利用高压天然气能量从而降低装置能耗的高效节能的天然气液化装置及液化流程。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种天然气液化装置，包括通过管路相互连接的预处理系统、液化系统及储存系统，原料天然气按顺序经过预处理系统和液化系统后转化成液化天然气后进入储存系统，所述液化系统包括用于热交换的主换热器和过冷器，用于将液化天然气分离出来的第一气液分离器和第二气液分离器，以及一个膨胀机；经过预处理系统过滤后的天然气按顺序进入主换热器，第一气液分离器，过冷器，第二气液分离器后转化成液化天然气；所述的膨胀机与预处理系统的管路连通，其管路再穿过主换热器，并为主换热器提供冷量；所述的主换热器和第一气液分离器之间的管路上连接有第一节流阀；所述的过冷器和第二气液分离器之间的管路上连接有第二节流阀。
进一步地，所述的第一气液分离器和第二气液分离器中产生的闪蒸气按顺序经过过冷器和主换热器后进入低压管网，所述的闪蒸气为过冷器和主换热器提供冷量。
再进一步地，经过所述膨胀机膨胀后的天然气经过主换热器和预处理系统后进入中压管网。
更进一步地，所述预处理系统包括用于脱除原料天然气中的水、重烃和苯的第一吸附器和用于脱除二氧化碳的第二吸附器。天然气液化装置还包括用于使第一吸附器和第二吸附器中的吸附剂再生的加热炉，与所述膨胀机的增压端管路连接。
本发明还揭示了上述的天然气液化装置的液化流程，包括以下步骤：
原料天然气经预处理系统的第一吸附器脱除水、重烃和苯，其中一部分再进入第二吸附器脱除二氧化碳；
脱除二氧化碳后的天然气，经过主换热器后降温，使天然气完全液化；仅脱除水、重烃和苯的天然气，经过主换热器后降温后，进入膨胀机膨胀，为主换热器提供冷量；
完全液化后的天然气经过第一节流阀降压后，再进入到第一气液分离器，此时第一气液分离器的顶部会产生38％的闪蒸气，底部为液化天然气；
液化天然气再经所述过冷器进行深度过冷；
深度过冷后的液化天然气经第二节流阀降压后，再进入到第二气液分离器，此时第二气液分离器的顶部会产生闪蒸气，底部的液化天然气则进入储存系统。
进一步地，从第一气液分离器和第二气液分离器分离出来的闪蒸气经过所述过冷器后，汇合经过主换热器后进入到低压管网。
再进一步地，进入膨胀机膨胀后的天然气返回主换热器中复热后，再进入膨胀机的增压端增压，冷却后进入中压管网。
更进一步地，完全液化后的天然气经过第一节流阀后，其压力从每立方厘米的50公斤降低到20公斤；深度过冷后的液化天然气经第二节流阀，其压力从每立方厘米的20公斤降低到4公斤。
再进一步地，液化天然气经所述过冷器进行深度过冷后的温度会降低7-8摄氏度。
本发明的有益效果主要体现在：
(1)装置采用天然气膨胀制冷循环，与阶式制冷循环和混合冷剂制冷循环相比，流程省去了生产、运输和储存各种冷冻剂所需的费用，也省去了复杂的压缩制冷流程，装置操作起来比较简单，起动出液快。
(2)装置液化系统中采用二次节流，减少节流压力降，使主换热器冷端温差减小，减少冷量损失，提高液化率。
(3)在换热器中，对节流工质进行过冷，使天然气在节流前处于过冷状态。
(4)装置将高压天然气节流降温过程中产生的部分闪蒸气合理地、在不同温度区间与多种介质换热，充分利用了这些闪蒸气的低温冷量，大大降低了装置能耗，提高液化率。
(5)低温液态天然气带压储存有利于装置液化率的提高。
(6)装置工艺流程简单，设备数量少。
(7)动设备数量少，降低了工程投资和运行维护费。
(8)采用高效板翅式换热器，换热效率高，装置占地面积小。
(9)原料气中的水分、重烃和酸性气体利用吸附分离法。通过分子筛的净化可保证原料气中的水分含量小于1ppm，CO2的含量小于50ppm。采用活性炭净化，可保证原料气中的芳香烃含量小于10ppm。吸附分离法不仅满足后续低温过程的要求，也使得原料气的净化流程简单化。
(10)纯化系统采用两组三塔操作，保证加热炉连续工作的同时还减少再生气量，从而提高液化率。
【附图说明】
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明天然气液化装置的流程示意图。
其中：
1 预处理系统 2 液化系统 3 储存系统
4 中压管网 5 原料天然气管网 6 低压管网
7 加热炉 11 第一吸附器 12 第二吸附器
21 主换热器 22 过冷器 23 第一气液分离器
24 第二气液分离器 25 第一节流阀 26 第二节流阀
27 膨胀机 28 增压端 29 膨胀端
【具体实施方式】
本发明的原理是充分利用天然气调压站在调压过程中天然气自身的压力能，使用膨胀制冷工艺将管网中的一部分天然气液化制成液化天然气并储存起来。
如图1所示，本发明的天然气液化装置，包括通过管路相互连接的预处理系统1、液化系统2及储存系统3。所述预处理系统1包括用于脱除原料天然气中的水、重烃和苯的第一吸附器11和用于脱除二氧化碳的第二吸附器12。原料天然气按顺序经过预处理系统1和液化系统2后转化成液化天然气后进入储存系统3。
所述液化系统2包括用于热交换的主换热器21和过冷器22，用于将液化天然气分离出来的第一气液分离器23和第二气液分离器24，以及一个膨胀机27。经过预处理系统1过滤后的天然气按顺序进入主换热器21，第一气液分离器23，过冷器22，第二气液分离器24后转化成液化天然气。本发明的主换热器21和过冷器22都采用板翅式换热器，相对于传统的管壳式换热器，板翅式换热器的优点在于小而轻，并且很容易地控制温差，而且温差越小，能耗就会越低，其效率也会增加。
所述的膨胀机27的管路穿过主换热器21。进入膨胀机27前，天然气的压力为每立方厘米50公斤，经过膨胀端29膨胀后降低到每立方厘米10公斤。经过所述膨胀机27膨胀后的天然气进入到主换热器21后，为主换热器21提供冷量，复热后，再进入膨胀机27的增压端28增压，冷却后进入中压管网4。
经过预处理系统1过滤后的天然气进入主换热器21后，与膨胀后的天然气热交换，使过滤后的天然气降温，最终达到零下85摄氏度，此时天然气已经达到液相，被完全液化。
进一步地，所述的主换热器21和第一气液分离器23之间的管路上连接有第一节流阀25；所述的过冷器22和第二气液分离器24之间的管路上连接有第二节流阀26。
经过主换热器21液化后的天然气经过第一节流阀25降压，其压力从每立方厘米的50公斤降低到20公斤；再进入到第一气液分离器23，此时第一气液分离器23的顶部会产生38％的闪蒸气，底部为液化天然气；底部的液化天然气再经所述过冷器22进行深度过冷，温度降低7-8摄氏度；深度过冷后的液化天然气经第二节流阀26降压，其压力从每立方厘米的20公斤降低到4公斤；再进入到第二气液分离器24，此时第二气液分离器24的顶部会产生闪蒸气，底部的液化天然气则进入储存系统3。
所述的第一气液分离器23中产生的闪蒸气经过一个节流阀降压后，和第二气液分离器24中产生的闪蒸气汇合按顺序经过过冷器22和主换热器21后进入低压管网6，所述的闪蒸气为过冷器22和主换热器21进一步提供冷量。所述的闪蒸气也可作为分子筛的再生用气。
本发明的优选实施例还包括用于使第一吸附器11和第二吸附器12中的吸附剂再生的加热炉7，与所述膨胀机27的增压端28管路连接。加热炉7可以加热到280摄氏度，从而使吸附器中的分子筛和活性炭完全再生。
本发明的优选实施例利用Aspen和HYSYS两种流程模拟软件，采用三次型状态方程对该装置流程进行模拟计算，确保装置工艺的准确可行。
下面介绍一下本发明的液化流程，包括以下步骤：
原料天然气从原料天然气管网5中输出，进入预处理系统1；
经预处理系统1的第一吸附器11脱除水、重烃和苯，其中一部分再进入第二吸附器12脱除二氧化碳；
脱除二氧化碳后的天然气，经过主换热器21后降温，使天然气完全液化；仅脱除水、重烃和苯的天然气，经过主换热器21后降温后，进入膨胀机27膨胀，为主换热器21提供冷量；
完全液化后的天然气经过第一节流阀25降压后，再进入到第一气液分离器23，此时第一气液分离器23的顶部会产生38％的闪蒸气，底部为液化天然气；
液化天然气再经所述过冷器22进行深度过冷；
深度过冷后的液化天然气经第二节流阀26降压后，再进入到第二气液分离器24，此时第二气液分离器24的顶部会产生闪蒸气，底部的液化天然气则进入储存系统3。
从第一气液分离器23和第二气液分离器24分离出来的闪蒸气经过所述过冷器22后，汇合经过主换热器21后进入到低压管网6。
经过所述膨胀机27膨胀后的天然气进入到主换热器21后，为主换热器21提供冷量，复热后，再进入膨胀机27的增压端28增压，冷却后进入中压管网4。此装置采用开路膨胀机制冷流程，液化率在10％左右，因此大部分未液化的天然气降为中压后进入中压管网4。
由于采用节能环保的设计，正常运行基本不消耗动力电源，气液基本实现零排放，采用这种工艺的天然气液化流程肯定会有非常大的市场竞争力。
本发明尚有多种具体的实施方式，凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。