LNG液化有用资料.docx

1、液化有用资料1、 与阶式制冷循环相比，MRC 的优点是工艺流程大为简化，投资减少1520%，管理容易；缺点是能耗高 20%，混合冷剂组分的合理配比比较困难；2、 冷剂中各组分的摩尔分数一般为：N2：00.03CH4： 0.20.32C2H6： 0.340.44C3H8： 0.120.2C4H10：0.080.15C5H12：0.030.083、 采用混合冷剂预冷的 MRC 工艺，又称为双混合冷剂制冷循环工艺（Double Mixed Refrigerant，DMR） 。预冷混合冷剂为乙烷和丙烷混合物，其热力学效率比 C3-MRC 高 20%，投资和操作费用也相对较低；4、 液化 1m3 天然气

2、理论最小能耗约 0.182kWh，实际能耗约为0.320.37kWh；5、 在基本负荷型 LNG 工厂的投资费用中，天然气液化工艺设备占 40%以上，其中冷剂制冷压缩机及低温换热器又分别占 50%及 30%；6、 用于天然气液化装置的制冷压缩机除应考虑压缩介质是易燃易爆气体外，还应考虑低温对压缩机构件材料的影响。因为很多材料在低温下会失去韧性，发生冷脆损坏。此外，如果压缩机进气温度低，润滑不是油也会冻结而无法正常工作，此时应选用无油润滑压缩机；7、 调峰型 LNG 工厂一般每年开工约 200250d；8、 德国 TWS 公司调峰型 LNG 工厂采用氮-甲烷膨胀制冷（N 2:64%，CH 4:3

3、6%） ；9、 氮膨胀制冷液化工艺，能耗较高，约 0.5kWh/m3；10、 整体结合式级联型液化工艺（CII，Integral Incorporated Cascade） ；11、 SMR 投资费用比经典阶式液化流程低 1520%；12、 C3-MRC，结合了阶式制冷液化流程和混合冷剂制冷流程的优点，流程既高效又简单。所以自 20 世纪 70 年代以来，这类液化流程在基本负荷型天然气液化装置中得到了广泛的应用。目前世界上 80%以上的基本负荷型天然气液化装置中，采用了丙烷预冷混合冷剂液化流程；13、 预冷采用乙烷和丙烷的混合冷剂时（DMR） ，工艺效率比丙烷预冷高 20%，投资费用也相对降低

4、；14、 C3-MRC 中，混合冷剂有氮、甲烷、乙烷、丙烷组成，其配比范围是： CH4 2540%C2H6 3545%C3H8 1525%N2 06%15、 70 年代，APCI 发展了丙烷预冷混合冷剂液化流程，于 1973 年获得专利了，并在大型 LNG 工厂中得到了广发应用。是级联式循环和混合冷剂循环的结合，用丙烷将天然气从 40预冷至-30；混合冷剂循环再把天然气从-30过冷到-160；16、 在 LNG 工厂总投资中，天然气液化部分所占比例大约为 40%；17、 1934 年美国的波特北尼克提出了 MRC 的概念，之后法国 Tecnip 公司的佩雷特，详细描述了 MRC 用于天然气液化

5、的工艺流程；18、 从理论上讲，混合冷剂的组成比例应按照天然气组成、压力及工艺流程而异，因此对冷剂的配比和原料气的气质要求更为严格，一旦确定是不容易改变的。即使能做到这一点，要使整个液化过程（从常温到-162）所需的冷量与冷剂所提供的冷量完全匹配是比较困难的，一般做能一部分做到贴近冷却曲线。因此 MRC 流程的效率要比阶式循环低；19、 既然调节混合冷剂的组成比例使整个液化过程按冷却曲线提供所需的冷量是困难的，那么合乎逻辑的推论是采用折中的办法，分段来实现供给所需的冷量，以期液化过程的熵增降至最小；20、 制冷剂配比：配比要求为换热器冷端主要组分温差为 2K，即为高压 LNG与中压制冷剂在换热

6、过程中保持 2K 左右温差，最小温差大于 1.5K，这样配比下来制冷剂压缩机能耗最小即为最佳配比；21、 冷剂各组分特点：1） 氮气特点是可以获取低温，但是功耗大，当原料气压力高时；不需要太多，当原料气压力低时（接近制冷剂压力） ，组分增多可使制冷剂温度较低，这样易实现冷却原料气；2） 甲烷与氮气性质类似，不过较氮气液化点高些；3） 乙烷至异戊烷的压缩功耗小，但是饱和点较高，易液化；各组分在超临界状态下换热较为均匀，换热性能较好；这几种组分作为混合物在一起，在不同换热段利用其良好的换热性能与甲烷换热，实现温差均匀（一般热端 3K，冷端 2.5K，最大温差大于1.5K，同时温差曲线尽可能平坦，对

7、数温差 5K 左右，这样在制冷压缩机排压一定的情况下，所需制冷剂最少，能耗最小） 。对换热性能较差段采用增大该段制冷剂组分比例的原则，较强段减少制冷剂组分比例的原则，实现能耗最低的目标；在调整过程中，N2 调最冷端，决定冷端温差，甲烷调中间段，乙烷调上段温差；丙烷、丁烷、异戊烷作用是降低能耗，辅助调节温差。含量太多或者太少均使得混合物物性偏移不能正常换热；22、 制冷剂 30bar 时，同时原料气含 N2 量不小于 2.5%，甲烷乙烷含量无要求，一般基本配比是：N2 920%CH4 2534%C2H4 2033%C3H8 528%C4H10 915C5H12 81223、 制冷剂 40bar

8、时，同时原料气含 N2 量不小于 2.5%，甲烷乙烷含量无要求，一般基本配比是：N2 816%CH4 2036%C2H4 1527%C3H8 1031%C4H10 615C5H12 51224、 当原料气含氮量小于 2.5%时，会使得原料气物性变得较为复杂（不平稳，低温段换热性能急剧变差，换热器换热无法平衡，出现冷热交叉） 。此时需要将原料气含氮量提高到 2.5%以上（通过高压活塞氮压机） ，然后恢复较好的换热性能去液化；25、 调整最佳配比的方法：1） 先从冷端调起，依照露点顺序由低到高，冷端温差小时，其余组分比例不变，只增大氮气比例，直至冷端温差温差在 3K 左右；当冷端温差大时，则减小氮

9、气比例，其余组分不可调整；2） 甲烷调整时看 MTD，使得换热器 MTD 最大，随着甲烷含量的增加，MTD 先增大后减少，当达到最大值不再调整，调整时其余组分不得调整；3） 乙烷或者乙烯的调整方法与甲烷相同，其余组分不得调整。前三者的主要作用是调整 MTD 及最小温差，使之最大，后三者的作用是减小能耗，同时辅助调节温差（反向） ，要求温差（但前提是满足最小温差大于 1.5K，MTD 大于 5K，对数温差太大能耗会高）减小不是太大的前提下调整，当温差减小太大时（即换热与能耗的相关性，三者组分太大不能满足换热，太小也不能满足换热，调整过程中先增后减） ，则不再增大各组分。依次调整完丙烷、丁烷和异戊

10、烷（调整时温差减小越小越好，一般后面三者组分较为平均，相差不大，否则换热器温差无法通过） ，整个过程对数平均温差先增大后减小；26、 各种液化循环效率比较：序号 制冷流程 与阶式循环的相对功耗（无因次）1 阶式循环 1.002 单级混合制冷循环 1.253 丙烷预冷混合制冷循环 1.154 多级混合制冷循环 1.055 单膨胀机循环 2.006 丙烷预冷单膨胀机循环 1.707 双膨胀机循环 1.7027、 对阶式循环来说，每千克 LNG 所需 0.33kWh 电量是典型的；28、 带膨胀机的液化循环以其能耗低、调节灵活等优点在煤层气液化流程中被广泛应用，并且可以采用不同的制冷剂，如 N2，N

11、 2-CH4 在实践中都有应用；29、 1）双级氮膨胀液化循环氮膨胀循环具有流程简单、调节灵活、工作可靠、易启动、易操作、维护方便和安全可靠的优点，正式因为这些优点被广泛应用在小型天然气液化装置中，也是海上液化装置中应用较多的液化循环；氮膨胀循环的制冷量由氮循环量、高/低压力决定，而循环量又是由高压和低压压力决定，所以优化的自由度只有高压和低压压力。2）氮-甲烷膨胀液化循环通常该液化循环的效率较纯氮膨胀要高15%，具有流程简单、调节灵活、易启动、易操作、维护方便的优点，较多在小型天然气液化装置应用，但也由于冷剂中含有甲烷，制冷剂具有可燃性，在安全性方面没有氮膨胀高。氮-甲烷膨胀液化是以氮气和甲

12、烷的混合物作为制冷剂的液化循环，在小型的天然气液化装置中有较多的应用。制冷过程中既有膨胀机的等熵膨胀，也有肌瘤的等焓膨胀，大部分制冷剂是采用膨胀机膨胀制冷，为天然气的预冷和液化提供冷量，过冷部分是采用的节流膨胀，将高压的天然气过冷到-150，避免高压节流后产生气体；3）单级混合制冷剂液化循环混合冷剂液化流程具有流程相对简单、投资较少，功耗较低的特点，目前在大中型天然气液化装置中广泛应用，在小型中也有应用。单级 MRC 的优化参数较前面两种循环多很多，在流程优化过程中主要有制冷剂的选择、制冷剂的配比、制冷剂循环低压压力/高压压力等，而其中冷剂组分就有 46 种；30、 对于氮-甲烷膨胀液化循环，

13、在节流到 0.7MPa 时，压缩机的轴功最低。理论上由于单位体积的甲烷等熵膨胀的焓降要大于单位体积的氮气焓降，因此采用纯甲烷膨胀时压缩机的轴功最小。但甲烷含量达到一定程度后，会导致最小换热温差变的非常小，甚至出现负温差，因此在不同节流压力下甲烷含量都会受到换热器的限制；31、 对 MRC，节流压力越低也即是压缩机入口压力越低，压缩机轴功越低。节流压力降低，混合制冷剂中的重组分含量增加，单位体积制冷剂的制冷量增加，冷剂循环量减少（轴功减少，主因） 。但是降低低压压力后，冷剂压缩机压比增加（轴功增加，非主因） ，增加压缩机的造价及复杂程度；32、 在相同的冷量下，MRC 的压缩机轴功要远低于氮膨胀

14、液化循环和氮- 甲烷膨胀液化循环的压缩机轴功；33、 对于氮膨胀液化循环当膨胀后压力为 0.84MPa 时，随着制冷循环中高压压力的升高，压缩机轴功先减小后增加，在压力为 5.0MPa 时，压缩机轴功最低。压缩机出口压力升高后，单位体积的氮气膨胀制冷量增加，在所需冷量一定的情况下，氮气流量减小；34、 液化系统中板翅换热器的内部温度分布：1） 氮膨胀循环：在换热器的两端点和中间部位的换热温差很小，其他部位的换热温差较大，而换热器设计时对最小传热温差有一定要求，不能太小。总体来说换热温差分布不均匀，温差较大，不可逆损失大，因此相应压缩机轴功需求也就会更大；2） 氮-甲烷膨胀循环：在换热器低温部分

15、的冷量是由节流阀提供，氮气和甲烷的混合器节流降温，由于甲烷含量较高，节流后冷端温差较小，温度升高后，甲烷和氮气很快汽化，提供了大量冷量，使得换热器温差较大，汽化的混合气体继续升温，利用显热为高压的液态天然气提供冷量，温差开始见效，减小到一定值后，该冷流体与膨胀机出口的低温气体混合继续为系统提供冷量，冷箱内部的最小温差在最热端、最冷端和节流后的流体与膨胀流体汇合处的这三个部位，而且换热器平均温差也要小于氮膨胀液化循环；3） MRC：换热器内部低温端的换热温差较小，尽在接近常温时温差较大。主要是由于选择制冷剂中使用了异戊烷代替丁烷，压缩后的混合冷剂经过海水冷却后制冷剂中的异戊烷被冷凝为液体，节流后

16、的混合制冷剂中，异戊烷在较高温度下开始汽化，汽化潜热很大，热流中的天然气和高压混合冷剂冷却时消耗不了这部分冷量，从而使得该段的换热温差较大。但是高沸点制冷剂采用异戊烷代替丁烷既可以减小功耗，又能加大换热温差，对整个系统是非常有利的；35、 制冷循环的级数增加，制冷系统的功耗降低，制冷系数和火用效率增加，但是级数增加对制冷性能的影响减小。制冷循环的级数增加会增加流程的复杂性，降低可操作性，不同规模的制冷系统的最优级数不同，规模越大，最优级数就越多；36、 MRC 包括带有预冷的循环和不带预冷的循环，其中预冷循环也有纯工质预冷和混合制冷剂预冷。这些循环中的混合制冷剂分为不同的级数，每一级分出的液体

17、过冷后节流制冷，分出的气体继续冷却分离，分离的级数不同，流程的复杂程度不同，制冷循环的效率不同；37、 在 MRC 的流程设计时需进行流程结构的优化，选择合适的循环级数。MRC 有单级 MRC、二级 MRC、三级 MRC 以及多级 MRC，这些制冷循环目前都有应用。制冷循环级数不同，制冷功耗不同，流程的复杂程度不同，需针对不同的处理规模进行选择，MRC 优化包括结构优化和流程参数优化；38、 国内 MRC 发展较晚，主要侧重在混合制冷剂的低温节流制冷；39、 评价制冷系统常用制冷系数 COP 来表征，它是实际制冷量与输入功德比值。在一些制冷系统中，主要是气体液化中，是分布式热负荷，在不同温度热

18、负荷不同，制冷系数已经不能准确表征制冷系统的性能；40、 火用既能反映能量在转换过程中数量的关系，也能反映不同形式的能量质的区别，用火用效率来评价制冷系统，能够反映出实际制冷循环对理想制冷循环的偏离程度，了解不可逆损失的分布情况，进而确定循环中不可逆损失最大的环节；41、 在 MRC 中，级数增加，总的火用损减少，各主要过程的火用损都减少。级数增加后，制冷剂循环量减小，总的火用损和各设备的火用损都见效。压缩机和水冷器减小的较少，占总量的比例增加，换热器和节流阀减少的较多，占总量的比例减小；42、 增加级数后，整体换热温差减小，不可逆损失减小，使得其火用损比例减小。在 MRC 中火用损最大的是水

19、冷却过程，制冷剂被压缩为高压高温气体，冷却水将温度较高的气体冷却到常温，冷却水的温度升高但有限，低温位的热源无法利用，使得这个过程的火用损最大；43、 可以增加制冷压缩机的级数，中间经过冷却后再进入下一级进行压缩，可以有效降低压缩机的火用损和轴功率。同时由于压缩机出口制冷剂的温度降低，水冷器的火用损也减小；44、 原料天然气的 Cp-T 关系是决定整个 C3/MRC 流程能耗高低的关键因素，而混合制冷剂的组分或高低压的选择则对系统能耗影响较弱。混合冷剂的组成及其高低压力的选择应根据原料天然气的 Cp-T 关系进行合理选取，以确保流程设计更为合理；45、 C3/MRC 的主要参数包括混合制冷剂的组分、混合制冷剂高低压等，这些参数相互影响和相互作用在此流程中表现得尤为突出；46、 C3/MRC 由三部分组成： 1）天然气液化回路；2）丙烷预冷循环；3）混合制冷循环，其中丙烷预冷循环用于预冷混合冷剂和天然气，混合制冷循环用于深冷和液化天然气。丙烷预冷采用一次压缩三级或四级节流循环，由于丙烷在常压下对应的冷凝温度在-40左右，考虑传热温差后，