化学Ｔ程 ｌ５６ 得 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅ￣’ｉｎｇ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ２０１４年第３期 ２０１４年３月 天然气液化制冷工艺比较与选择 李平 ，傅铸红 ，周文才 ． （１．广东省 Ｉ业气体行业协会，厂‘尔厂 Ｉ ５１０３８０；２．佛山市华特气体有限公司，，、‘尔佛山５２８２４１） 摘要：奉文从合理选择天然气液化制冷＿Ｔ艺的重要意义入手，对阶式制冷 艺、混合式制冷Ｔ艺以及膨 胀制冷Ｔ艺的优缺点进行比较分析， 此基础卜捉 ＝ｒ天然气液化制冷Ｔ艺的选择。期望通过本文的研究 能够对提高天然气液化装置的生产能效给’ 一定帮助。 关键词：天然气；液化；制冷Ｔ岂 １合理选择天然气液化制冷－Ｔ艺的重要意义 通过相关的调查分析发现，我罔人部分的天然气资源令 都分布 中两部地 ，东南沿海地区的能源消耗量相对较 人，ｍ 想要使资源扶得合理、有效地利用，最需要 决的问 题足运输 ． 利用之问的矛盾。随着两气东输管线的投入使 用，为天然气的火范刖 用提供Ｊ 便利条件。然 ，长距离 的输送管线除丫需要 额的矬改投资以外，并日．运行维护费 用也卜分高昂，这 一定程度卜制约丫气源的ｌｆ丁效供心。对 日前，较为常用的天然气液化制冷Ｔ艺主要有阶式制 冷、混合式制冷、膨胀制冷等，下面对这三种制冷＿Ｔ艺的优 缺点进行比较分析。 ２．１阶式制冷Ｔ艺 阶式制冷也被称为级联式制冷，该制冷丁岂通常包括二三 个或三个以卜的单一制冷剂 缩机制冷循环， 制冷原理为 按照每一种单一制冷剂液化温度的不ｌ 对天然气进行逐级 节流降温。 ｌＴ业生产中，较为常用的是甲烷、乙烯和丙烷 十一些经济发腱较为迅速的中小城市Ｉ ，燃气消费量受 为制冷剂的三级循环制冷＿Ｔ艺，这种制冷＿Ｔ艺常被应用在负 荷型天然气液化装置当中，ｌＴ岂本身具有如下优点：热效率 商、能耗低、制冷剂小存在配比问题、系统独 性强易于训 节、技术相对比较成熟：缺点足制冷过程中使用的机械改备 相对较多，口．Ｔ艺流程和控制系统都比较复杂，Ｊ＿ 时前期投 资成 较人，操作． 维护都不太方便。由于该制冷＿Ｔ艺是按 照 种 一的制冷剂液化温度的不 ，并利用原料气的高压 多 素的限制，如社会环境、经济政策等等，这使得用气规 模很难确定。现如今，随着国内各人主婴城市燃气消费量的 断增办¨，为ｌ『满足使用需求，必须对现何的输气管州进行 改扩建，这无形中增人，燃气供 商的投资成本，也增人， 燃气 身的附加成本，极不利于燃气市场的开拓。由于一些 原 的影响，如民用气量＿季节差异人、输气管 故障等等， 导致’ｒ定期或 定期的供气 、 衡现象，解决这一问题最为 优势进行逐级节流降温， 这一过程中每一级的制冷循环伞 部都足相对独 的，故此， 个循环都需要配稀独 的冷却 器系统和Ｊ卡缩机组，这 但使管道和控制系统的设置复杂 化，ｍ口．投资成 也随之进一步增人。除此之外， 为整个 制冷ｌＴ艺中使用的附属设备较多，需要何专门生产和１竽储多 种制冷剂的改稀，这给维护＿Ｔ作增添了一定的难度。 ２．２混合式制冷ｌＴ 该制冷＿Ｔ艺的制冷原理足 阶式制冷＿丁艺的基础 ｝ 简 化 米的，具体是指使用以Ｃ１－Ｃ５的碳氯化合物以及氮气等 ５种以．Ｉ 的多组分制冷剂进行混合，并以此作为Ｔ质，然后 借助 重组分九进行冷凝， 利用轻组分后的冷凝特征，逐 次进行节流和气化，以此米对天然气中的对应组分进行冷 何效的途径足建设储１竽气化 置进行训峰。根据有关调查统 汁数据结果 示，困外一砦发达圈家，如荚困、英同、¨本 等，已建成并投入生产的ＬＮＧ调峰装置多达１００余座，该装 置比高 储气罐的建设史节省十地资源和资金，＿Ｔ期也相对 较 ， ＿日．还 会受到地质条件的限制。 时，经过液化之 后的天然气还便十运输。为此，加人对天然气液化工艺技术 的研究力度 得尤为晕要。 天然气液化Ｔ岂流程中，制冷 Ｔ艺足晕中之重，选择何种制冷Ｔ艺对天然气液化装置生产 具何 关晕要的影响。裕于此，必须对天然气液化制冷Ｔ艺 进行伞面的比较分析，并从中选择最为合理的制冷ｌＴ艺。 ２几种天然气液化制冷工艺的优缺点比较分析 李、 ：天然气液化制冷工艺比较 ｊ选择 ｌ５７ 凝，从 达到制冷的目的。 ！丁业化生产中，较为常用的混 合制冷Ｔ艺何三种，－－Ｊｅｔ＇是ＭＲＣ，即甲循环制冷，另一种足 ＤＭＲ，为双循环制冷，还行一种足Ｃ３／ＭＲ，即 ＾ｊ烷预冷。 三种制冷Ｔ艺中，ＭＲＣ常被用于训峰型液化 截， ＤＭＲ和 Ｃ３／ＭＲ则主要被心用十负荷型液化装置。ＭＲＣ最为娃 的特 点是混合之后的１ 质 换热器内进行的热交换过程为变温 过程，Ｊｃ能够 ０天然气相匹配，这是 为两者均为混合组分， 所以，冷热流体之问的换热温差 本能够保持 相对较低的 水、 线 川时，该制冷二Ｉ：艺还克服Ｊ，阶式系统较为复杂的 缺点。ＭＲＣ具何如下优点：改矫用量相对较少、丁艺简 、 地ⅡⅡ积小、投资成本少、便十操作和维护、开启便捷、适 合调峰。该制冷丁艺的缺点足能耗较高，ｊ１＝＝＿艺流程计算相对 比较复杂和困难， 时部分制冷剂的技术要求较高， ＿日．价 格也比较昂贵。日前，ＭＲＣ 孙型气Ｉ１１：中的 用较为广泛， 但由十混合冷剂配比过程的技术含量相对较高，Ｉ 此常会涉 及到一 专利技术。 ２．３膨胀制冷Ｔ 膨Ｈ长制冷主要通过原料气膨胀（直接膨胀）或外部Ｎ２、 ＣＨ４（间接膨胀）等熵膨胀对外做功以达到降温的日的。膨 胀制冷属十尤制冷剂的液化Ｔ艺， Ｔ艺一般采用逆式布雷 顿循环方式，使原料气体 绛过 缩机等熵 缩的前提下， ＩＩｆ送入冷却器实施冷却，最后进入透 膨胀机进行等熵绝热 膨胀， 此ｊ刊时通过对外做功扶取液化所需制冷量，实现部 分原料气液化。膨胀比 膨胀效牢足影响膨胀制冷一 艺液化 效率的主要 索，为此，该Ｔ 极为适用十原料气 一曲的气 源。膨胀制冷 丁岂的优点如下：山十膨胀机具备膨胀功白Ｊ。Ｉ叫 收、等熵效率高等优势，所以较为适用十液化能力小的ＬＮＧ Ｔ厂进行调峰；该＿Ｔ艺采用天然气膨胀液化流程，有利十减 少制冷剂生产、运输、储存的赞用；该Ｔ艺操作灵活、运作 流程简便。 膨胀制冷Ｔ艺的缺点如下：该Ｔ艺的液化率较低，特别 是 ：运用外部Ｎ２、ＣＨ４膨胀Ｔ艺时，需要耗费商达 ０．４—＿０．５ｋＷ・ｈ／ｍ 的能量， ｊ混合制冷剂相比，多耗能４０％ 左右；间接膨胀制冷Ｔ艺要求原料必须深度十燥，使得该Ｔ 艺要 原料气 商的条件下进行； 原料气 及 组成变化 能够直接影响膨胀机的Ｔ作忡能，所以要求膨胀机系统必须 具备较高的安伞怍。 提高膨胀制冷Ｔ艺液化效率的关键 十提升逆式布雷 顿循环效率。现阶段，随着新型换热｛｝｝｝、透 机的研发力度 和 用范 断增人，人ｌｌ幅度提外＇广膨胀制冷Ｔ艺效率，小 仅实现Ｊ，制冷量｛！Ｉ＝ｃｌ刊的扩人， 口．还能够ｌＪＩｊ 降低制冷温 度。 对原有膨ＩｌｉＯＮ冷技术进行／ｆ 断拓膛的璀础上，氮气一 ｒｆ＿Ｉ烷膨胀制冷、氮膨胀制冷、气波制冷机一透 膨胀机联合 制冷等ｌＴ艺 随之发展起米，推动＿ｒ膨胀制冷技术的 新换 代。氮膨胀制冷丁艺： 原料气膨胀制冷：ｒ艺相比，具稀操作 简便、流程简化、液化效率高等优势，但Ｉ叫时需婴消耗 多 的能量。此外，膨胀透 机性能的逐步改良，促进』，多级膨 胀制冷液化技术的逐步成熟，尤 液化量需求小断增人的 情况下，使得多级膨胀制冷液化披术拥ｌ自‘着良好的府用前 景。 ３天然气液化制冷 【＝＝艺的选择 ３．１制冷Ｔ 的选择依据 ：选择天然气制冷＿Ｔ艺的过程中，口Ｊ 依据如下条件：天 然气液化 置的用途及处理能力、被液化天然气的组分及 力以及对产品的具体要求、设帑对Ｔ岂流程选择的影响等 等。 ３．２制冷Ｔ艺的选择心路 （１）阶式制冷Ｔ 一般都足由叮１烷、 人ｊ烷和乙烯组成 的制冷循环构成， 中每个制冷循环又分为几个温度级。该 制冷Ｔ艺所需要的能耗足秤种制冷Ｔ艺中最小的，并日．制冷 系统 天然气液化系统足相＿且独 的，两个系统之间＿且相影 响和牵制较少，操作也比较稳定。但 所需的压缩机组和储 １竽制冷剂的设帑相对较多，Ⅲ＿日．荇个系统之间不可以存 任 何的渗漏，管路与控制＝ｌ ｝复杂，小易于维护。为此，这种 制冷Ｔ 适用十 的天然气液化裟置。 （２）混合制冷Ｔ岂山十足以多｝ｌ１分混合物作为制冷剂， 所以它仅需凄１命混合制冷剂 缩机。混合制冷剂的组成一 股都足按照原料气的组分、Ｊ 力以及系统的物料 衡和热量 衡算进行确定，系统所需换热器的具体数量则是按照天然气 的冷却曲线进行确定的。通常情 下，换热器总冷却ｆｆ＝ｈ线 制冷剂蒸发ｍ１线问必须保持＜２－３℃的温差。由十该制冷Ｔ 艺所需的机械设备较少，并日．便于操作维护，但Ｔ艺流程所 需的能耗较高， 时 适用含 烷商的天然气液化。 此， 该制冷Ｔ艺町 用十液化能力为７—３０×１０ ｍ ／ 的 天然气液化装置。 （３）膨胀制冷Ｔ艺主要通过利用天然气的 力 膨胀 机中等熵膨胀后，实现天然气液化以达到制冷循环的目的。 该Ｔ艺的液化牢直接受膨胀前后的压力比所决定，通常情 下，膨胀制冷Ｔ 的液化率为７％一１５％，制冷过程无需耗ｆＵ， 适用十液化能力为７—７０×１Ｏ ／ 的液化 置。若 液化裟置处理能力较少的情况下，即 ２０－５０ｘｌ ／ 范川内，爿Ｊ５么可采用任意一种制冷循环＿］： ；若该液化装冒 ｌ５８ 李 天然气液化制冷＿Ｔ艺比较’ｊ选择 属于为海运提供液化天然气的人型 簧， 处理能力婴求 ［１］浦晖，陈杰．绕管式换热器 人型天然气液化装置中 １．５—５×１０。ｍ ／ 范ｆｊＩ；Ｉ内，那么应当采用多组分制冷剂 的 用及周产化技术分析［Ｊ］．制冷技术，２０１１（１１）． 或纯制冷剂的阶式蒸发制冷循环，以达到控制和降低动力费 ［２］兆水刚．中罔中小型液化天然气项目发 现状及经验 用的目的。 分享［Ａ］／／笫七届 太液化天然气罔际会议２０１２论文 ４结论 集［Ｃ］．２０１２． 总ｌｆＩｊ 之， 伞球能源危机的人背景下，天然气液化技 ［３］熊晓俊，林丈胜，顾安忠．气体膨胀式天然气带 液 术逐步受到’ｒ周内外的关注和重视。随着我冈两气东输Ｔ程 化流程的没汁． 优化［Ｊ］．天然气Ｔ业，２０１３（６）． 以及人量天然气液化 置的 断投入使用，使液化天然气ｌＴ ［４］鹿米运，张镨，郭开华．混合制冷剂循环膨胀机内复 业进入丫高速发展时期。为Ｊ 进一步捉商天然气液化 置的 叠天然气液化流程设计［Ｊ］．低温 超导，２０１２（１２）． 产能，ｌ仃必要 断加人对天然 液化制冷Ｔ艺的研究力度， ［５］边海军，徐义东，李秀喜，等．利用液化天然气冷能 并针对小 类型的杖置选择最为合理的制冷Ｔ岂，使装置本 的天然气凝液Ｉ口１收Ｔ艺［Ｊ］． 油 天然气化Ｔ， 身的能效得以＿殿人程度地发挥，这对十推动我国液化天然气 ２０１０（１０）． Ｔ业的健康、稳定、持续发展具有作常重要的现实意义。 ［６］纪汉亮，夜斌， 强，等．气波制冷技术 天然气冷 冻脱烃Ｔ艺中的 用［Ｊ］．油气Ｈ１地面丁程，２００９（２） 参考文献 ［７］赵周伟，尹伞森。季中敏，等． 级混合制冷剂天然 气液化流程动态特悱模拟［Ｊ］．节能技术，２００９（７）． （上接第１６３－贞） 预汁我闽的丁二烯的生产量将以８．７％的增长速度继续增长 ［１］赵 中．中冈合成橡胶Ｔ业协会２０１０年丁 烯生产技 下去。丁二烯其实 仅ⅡＪ‘以用作以卜产品的原料，还口＇『以开 术交流研讨会１『ｌｊ景德镇召开［Ｊ］．合成橡胶Ｔ业， 发…更多的用途，比如用丁＿二烯ｌ米生产己 腈产品，或足将 ２０１０（９）． 转化为 烯等。 ［２］拿俊妮．丁二烯生产技术及市场分析最新研究进展 ４结语 ［Ｊ］．化丁中间休，２０１２（８）． 丁二烯的生产ｌＴ艺经过多年的 ｆ究Ｌ ｊ改进，已经越来越 Ｅ３］李伟．混合Ｃ４应用及丁二烯抽提研究进腱［Ｊ］．中围 完善，几种广泛被采用的生产方法也足 ｌ仃 优缺点，相信 化Ｔ贸易，２０１３（１）． ¨后这 仍然存 ！的缺点也会慢慢被改进。 目前的主要任 ［４］谭灭义，施德安．低分了量马米艘酐化聚丁 烯橡胶 务 该足通过改造装置米降低生产的物料消耗以及能源消 改性聚 烯增韧尼龙６的性能［Ｊ］．胶休 －ｊ聚合物， 耗。Ｊ州时，也 该积极开发丁二烯的新用途，并开拓它的田 ２０１３（１）． 际市场，将我囝生产的丁二烯｝ｌｊ ｌ．＿＿｜到别的同家，以此保证我 ［５］ｎ４林，毕古福，等．氯化稀十乙二醇二ｑ１醚配合物催 国丁一 烯生产的稳定发 化丁 烯聚合［Ｊ］．应用化学，２０１３（１）． ［６］唐月，代伞权，等．新型铁系催化剂聚合丁二烯［Ｊ］． 参考文献 心用化学，２０１３（１）．