小型撬装式氮膨胀天然气液化系统及其方法

摘要

本发明公开了一种小型撬装式氮膨胀天然气液化系统及其方法，天然气经天然气增压撬块增压、冷却，依次进入天然气脱酸、脱水撬块脱除杂质后经第一级换热器降温冷却进入重烃分离器，从底部得到重烃，除去重烃后的天然气经第二级换热器冷却后液化，通过节流阀降压至液化天然气存储压力后进入天然气液化分离器得液化天然气，闪蒸气返回换热器提供冷量；氮气经氮气压缩撬块增压、冷却，再经两级增压机继续增压冷却后，进入第一级换热器预冷，预冷后的氮气经两级膨胀机膨胀制冷，为天然气液化提供冷量。本发明的小型撬装式氮膨胀天然气液化流程简单，启动快，维护方便，便于设备成撬，能耗较低，同时对不同气源有较强的适应性。

权利要求

1.一种小型撬装式氮膨胀天然气液化系统，所述系统包括天然气液化模块和氮气膨胀制冷循环模块，其特征在于，所述天然气液化模块包括依次相连的天然气增压撬块、天然气脱酸撬块、天然气脱水撬块、液化冷箱撬块和天然气存储撬块，所述氮气膨胀制冷循环模块包括相连的氮气压缩撬块和氮气膨胀增压撬块；所述液化冷箱撬块包括依次相连的第一级换热器（7）、重烃分离器（8）、第二级换热器（9）、节流阀（10）和液化天然气分离器（11），所述氮气膨胀增压撬块包括依次相连的氮气第一级增压机（16）、氮气第三级冷却器（17）、氮气第二级增压机（18）、氮气第四级冷却器（19）和依次相连的氮气第一级膨胀机（20）、氮气第二级膨胀机（21），所述第一级换热器（7）还分别与氮气第四级冷却器（19）、氮气第一级膨胀机（20）相连，所述氮气第二级膨胀机（21）另一端与第二级换热器（9）、第一级换热器（7）、氮气压缩撬块依次相连。

2.根据权利要求1所述的小型撬装式氮膨胀天然气液化系统，其特征在于，所述液化天然气分离器（11）的液相出口与天然气存储撬块相连，所述液化天然气分离器（11）的气相出口与第二级换热器（9）、第一级换热器（7）依次相连。

3.根据权利要求1所述的小型撬装式氮膨胀天然气液化系统，其特征在于，所述氮气第一级增压机（16）、氮气第二级增压机（18）分别由氮气第一级膨胀机（20）、氮气第二级膨胀机（21）驱动。

4.根据权利要求1所述的小型撬装式氮膨胀天然气液化系统，其特征在于，所述天然气增压撬块包括依次相连的天然气第一级压缩机（1）、天然气第一级冷却器（2）、天然气第二级压缩机（3）、天然气第二级水冷器（4）。

5.根据权利要求1所述的小型撬装式氮膨胀天然气液化系统，其特征在于，所述氮气压缩撬块包括依次相连的氮气第一级压缩机（12），氮气第一级冷却器（13），氮气第二级压缩机（14），氮气第二级冷却器（15）。

6.根据权利要求1所述的小型撬装式氮膨胀天然气液化系统，其特征在于，所述天然气脱酸撬块包括脱酸塔（5），所述天然气脱水撬块包括脱水塔（6），所述天然气存储撬块包括液化天然气储罐（22）。

7.根据权利要求6所述的小型撬装式氮膨胀天然气液化系统，其特征在于，所述系统还包括用于脱酸塔（5）、脱水塔（6）再生循环的导热油炉撬块。

8.根据权利要求1所述的小型撬装式氮膨胀天然气液化系统，其特征在于，所述系统还包括发电机撬块、液氮应急供应单元、仪控单元、仪表风、PSA制氮单元中的一种或几种。

9.一种应用权利要求1所述的小型撬装式氮膨胀天然气液化系统液化天然气的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、原料天然气经所述天然气增压撬块增压、冷却后依次进入所述天然气脱酸撬块、天然气脱水撬块脱除杂质；

B、经所述步骤A净化后的天然气进入液化冷箱撬块，经所述第一级换热器（7）降温冷却后进入重烃分离器（8），从底部得到重烃，除去重烃后的天然气经第二级换热器（9）冷却液化，经节流阀（10）节流降压至液化天然气储存压力后，进入液化天然气分离器（11）,从底部得到液化天然气产品,闪蒸气依次返回所述第二级换热器（9）和第一级换热器（7）提供冷量；

C、氮气经所述氮气压缩撬块增压、冷却后进入氮气膨胀增压撬块，经氮气第一级增压机（16）、氮气第三级冷却器（17）、氮气第二级增压机（18）、氮气第四级冷却器（19）增压、冷却后进入所述第一级换热器（7）预冷，预冷的氮气后进入氮气第一级膨胀机（20）、氮气第二级膨胀机（21）膨胀制冷，得到的低压低温的氮气依次返回第二级换热器（9）、第一级换热器（7）提供冷量，得到温度升高的氮气重新进入所述氮气压缩撬块。

10.根据权利要求9所述的液化天然气的方法，其特征在于，步骤A中，所述原料天然气压力高于2.8Mpa时，不启用所述天然气液化模块中的天然气增压撬块。

11.根据权利要求9所述的液化天然气的方法，其特征在于，步骤B中，所述经第一级换热器（7）降温冷却的天然气的温度为重烃分离温度。

12.根据权利要求9所述的液化天然气的方法，其特征在于，步骤B中，所述液化天然气储存压力为0.30MPa。

13.根据权利要求9所述的液化天然气的方法，其特征在于，步骤C中，所述氮气第二级膨胀机（21）出口的氮气压力高于0.1MPa。

说明书

小型撬装式氮膨胀天然气液化系统及其方法

技术领域

[0001] 本发明属于化工与低温工程技术领域，具体涉及一种小型撬装式氮膨胀天然气液化系统及其方法。

背景技术

[0002] 天然气与石油、煤炭作为世界上主要的化石能源，在一次能源中占有很大的比率。天然气作为一种优质清洁能源，越来越多的国家开始重视天然气资源的开发和利用。

[0003] 随着我国能源结构的不断优化和天然气消费需求的不断增长，加之我国绝大多数天然气田储量都不大的现状，我国天然气供需缺口在不断加大。据预测，到2020年我国天8 3
然气的供应缺口将达1000×10m。

[0004] 另一方面，我国存在大量产储量较小的边际气田、伴生气田、煤层气田，单井储量较小，距离供气管网较远，采用管输方法由于经济上不合理而没有得到有效开发利用，长期以来被点火炬放空。小型撬装式天然气液化装置可以有效利用这些天然气资源，通过技术拓展，小型撬装式天然气液化装置同样适合于生物燃气(包括城市垃圾填埋气)提纯与液化、海上含油田伴生气、部分焦炉煤气液化、煤层天然气(瓦斯)、页岩气开发利用等，市场前景十分广阔。

[0005] 现有的天然气液化工艺主要是针对基本负荷型天然气液化工厂而设计的，我国还比较缺乏针对小型撬装式天然气液化装置而单独设计的液化流程。目前，小型的天然气液化流程普遍采用带膨胀机的制冷循环。已有技术中，专利号(公开号)CN1908558A，名称为“利用空分制冷系统的小型天然气液化装置”的发明专利，利用空分装置制冷系统生产的氮气作为天然气液化装置的制冷剂，优点是不需要额外购置氮气，缺点是装置复杂，不利用设备小型化，撬装化。专利号(公开号)CN10243570A，名称为“氮气膨胀制冷液化工艺”，公开了一种氮气膨胀制冷液化工艺，但是该液化工艺主要是针对调峰型液化天然气装置设计的，与小型撬装式天然气液化流程有所区别。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种小型撬装式氮膨胀天然气液化系统及其方法。该小型撬装式氮膨胀天然气液化工艺流程简单，启动快操作与维护方便，便于设备成撬。

[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

[0008] 本发明涉及一种小型撬装式氮膨胀天然气液化系统，所述系统包括天然气液化模块和氮气膨胀制冷循环模块，所述天然气液化模块包括依次相连的天然气增压撬块、天然气脱酸撬块、天然气脱水撬块、液化冷箱撬块和天然气存储撬块，所述氮气膨胀制冷循环模块包括相连的氮气压缩撬块和氮气膨胀增压撬块；所述液化冷箱撬块包括依次相连的第一级换热器7、重烃分离器8、第二级换热器9、节流阀10、液化天然气分离器11，所述氮气膨胀增压撬块包括依次相连的氮气第一级增压机16、氮气第三级冷却器17、氮气第二级增压机18、氮气第四级冷却器19和依次相连的氮气第一级膨胀机20、氮气第二级膨胀机21，所述第一级换热器7还分别与氮气第四级冷却器19、氮气第一级膨胀机20相连，所述氮气第二级膨胀机21另一端与第二级换热器9、第一级换热器7、氮气压缩撬块依次相连。

[0009] 优选地，所述液化天然气分离器11的液相出口与天然气存储撬块相连，所述液化天然气分离器11的气相出口与第二级换热器9、第一级换热器7依次相连。

[0010] 优选地，所述氮气第一级增压机16、氮气第二级增压机18分别由氮气第一级膨胀机20、氮气第二级膨胀机21驱动。

[0011] 优选地，天然气原料压力高于2.8Mpa时，不启用所述天然气液化模块中的天然气增压撬块。

[0012] 优选地，所述天然气增压撬块包括依次相连的天然气第一级压缩机1、天然气第一级冷却器2、天然气第二级压缩机3、天然气第二级水冷器4。

[0013] 优选地，所述氮气压缩撬块包括依次相连的氮气第一级压缩机12，氮气第一级冷却器13，氮气第二级压缩机14，氮气第二级冷却器15。

[0014] 优选地，所述天然气脱酸撬块包括脱酸塔5，所述天然气脱水撬块包括脱水塔6，所述天然气存储撬块包括液化天然气储罐22。

[0015] 优选地，所述系统还包括用于脱酸塔5、脱水塔6再生循环的导热油炉撬块。

[0016] 优选地，所述系统还包括发电机撬块、液氮应急供应单元、仪控单元、仪表风、PSA制氮单元中的一种或几种。当气源地没有供电系统时，由所述发电机撬块为液化流程提供电能；液氮应急供应单元是作为应急使用的。

[0017] 本发明还涉及一种应用前述的小型撬装式氮膨胀天然气液化系统液化天然气的方法，包括如下步骤：

[0018] A、原料天然气经所述天然气增压撬块增压、冷却后依次进入所述天然气脱酸撬块、天然气脱水撬块脱除杂质；

[0019] B、经所述步骤A净化后的天然气进入液化冷箱撬块，经所述第一级换热器7降温冷却后进入重烃分离器8，从底部得到重烃，除去重烃后的天然气经第二级换热器9冷却液化，经节流阀10节流降压至液化天然气储存压力后，进入液化天然气分离器11，从底部得到液化天然气产品，闪蒸气依次返回所述第二级换热器9和第一级换热器7提供冷量；

[0020] C、氮气经所述氮气压缩撬块增压、冷却后进入氮气膨胀增压撬块，经氮气第一级增压机16、氮气第三级冷却器17、氮气第二级增压机18、氮气第四级冷却器19增压、冷却后进入所述第一级换热器7预冷，预冷的氮气后进入氮气第一级膨胀机20、氮气第二级膨胀机21膨胀制冷，得到的低压低温的氮气依次返回第二级换热器9、第一级换热器7提供冷量，得到温度升高的氮气重新进入所述氮气压缩撬块。

[0021] 优选地，步骤A中，所述原料天然气压力高于2.8Mpa时，不启用所述天然气液化模块中的天然气增压撬块。

[0022] 优选地，步骤B中，所述经第一级换热器7降温冷却的天然气的温度为重烃分离温度。

[0023] 优选地，步骤B中，所述液化天然气储存压力为0.30MPa。

[0024] 优选地，步骤C中，所述氮气第二级膨胀机21出口的氮气压力高于0.1MPa。

[0025] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

[0026] 1、本发明所述的小型撬装式氮膨胀天然气液化工艺，在保证单位液化能耗比较低的前提下，简化流程，该流程具有启动快操作与维护方便，便于设备成撬的特点。

[0027] 2、通过油气行业广泛采用的HYSYS软件的模拟计算，证实本液化工艺能耗较低，对不同气源适应性较强，是比较适合小型撬装式天然气液化装置的液化流程。

附图说明

[0028] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0029] 图1为小型撬装式氮膨胀天然气液化工艺流程图；

[0030] 其中，1为天然气第一级压缩机、2为天然气第一级冷却器、3为天然气第二级压缩机、4为天然气第二级水冷器、5为脱酸塔、6为脱水塔、7为第一级换热器、8为重烃分离器、9为第二级换热器、10为节流阀、11为液化天然气分离器、12为氮气第一级压缩机、13为氮气第一级冷却器、14为氮气第二级压缩机、15为氮气第二级冷却器、16为氮气第一级增压机、17为氮气第三级冷却器、18为氮气第二级增压机、19为氮气第四级冷却器、20为氮气第一级膨胀机、21为氮气第二级膨胀机、22为液化天然气储罐。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0032] 本发明的小型撬装式氮膨胀天然气液化系统及其工艺流程如图1所示，该系统包括天然气液化模块(也称：天然气液化回路)和氮气膨胀制冷循环模块(也称：氮气膨胀制冷循环回路)。

[0033] 所述天然气液化回路包括液化天然气储罐22和依次相连的天然气第一级压缩机1、天然气第一级冷却器2、天然气第二级压缩机3、天然气第二级水冷器4、脱酸塔5、脱水塔
6、第一级换热器7、重烃分离器8、第二级换热器9、节流阀10、液化天然气分离器11；所述液化天然气分离器11的液相出口与液化天然气储罐22相连，所述液化天然气分离器11的气相出口与第二级换热器9、第一级换热器7依次相连。

[0034] 所述天然气第一级压缩机1、天然气第一级冷却器2、天然气第二级压缩机3、天然气第二级水冷器4组成天然气增压撬块(当天然气原料压力高于2.8Mpa时，不启用该天然气增压撬块)；所述脱酸塔5可组成天然气脱酸撬块；所述脱水塔6可组成天然气脱水撬块；所述第一级换热器7、重烃分离器8、第二级换热器9、节流阀10、液化天然气分离器11组成液化冷箱撬块；所述液化天然气储罐22可单独组成天然气存储撬块。

[0035] 所述氮气膨胀制冷循环回路包括依次相连的氮气第一级压缩机12、氮气第一级冷却器13、氮气第二级压缩机14、氮气第二级冷却器15、氮气第一级增压机16、氮气第三级冷却器17、氮气第二级增压机18、氮气第四级冷却器19和依次相连的氮气第一级膨胀机20、氮气第二级膨胀机21；所述天然气液化回路中的第一级换热器7还分别与氮气第四级冷却器19、氮气第一级膨胀机20相连，所述氮气第二级膨胀机21另一端与天然气液化回路中的第二级换热器9、第一级换热器7、氮气压缩撬块依次相连。

[0036] 所述氮气第一级压缩机12，氮气第一级冷却器13，氮气第二级压缩机14，氮气第二级冷却器15组成氮气压缩撬块；所述氮气第一级增压机16、氮气第三级冷却器17、氮气第二级增压机18、氮气第四级冷却器19和氮气第一级膨胀机20、氮气第二级膨胀机21组成氮气膨胀增压撬块。

[0037] 在氮气膨胀制冷循环回路中，所述氮气第一级增压机16、氮气第二级增压机18分别由氮气第一级膨胀机20、氮气第二级膨胀机21驱动。

[0038] 本发明的小型撬装式氮膨胀天然气液化系统还可选择性的包括发电机撬块、液氮应急供应单元、仪控单元、仪表风、PSA制氮单元以及用于脱酸塔5、脱水塔6再生循环的导热油炉撬块。当气源地没有供电系统时，由所述发电机撬块为液化流程提供电能；液氮应急供应单元是作为应急使用的。

[0039] 应用本发明的小型撬装式氮膨胀天然气液化系统液化天然气的方法具体见以下各实施例：

[0040] 实施例1

[0041] 天然气摩尔组分92％CH4+4％C3H8+4％N2、压力1.2MPa、温度30℃、流量1kmol/h，小型撬装式氮膨胀天然气液化工艺的具体步骤如下：

[0042] 1、天然气经两级压缩机(天然气第一级压缩机1、天然气第二级压缩机3)压缩至2.85MPa，经冷却器(天然气第一级冷却器2、天然气第二级水冷器4)冷却至40℃；

[0043] 2、经步骤1冷却后的天然气进入脱酸塔5、脱水塔6脱除CO2，H2S，H2O等杂质；

[0044] 3、经步骤2净化后的天然气经过第一级换热器7冷却至-60℃(即重烃分离温度)后进入重烃分离器8，从底部得到重烃；

[0045] 4、经步骤3除去重烃后的天然气经第二级换热器9冷却至-153℃；

[0046] 5、经过步骤4得到的天然气通过一个节流阀10，节流降压至0.30MPa后，进入液化天然气分离器11，从底部得到液化天然气产品，闪蒸气返回两个换热器(第二级换热器9和第一级换热器7)提供冷量；

[0047] 6、氮气通过两级压缩机(氮气第一级压缩机12、氮气第二级压缩机14)增压至1.1MPa，经冷却器(氮气第一级冷却器13、氮气第二级冷却器15)冷却至40℃；

[0048] 7、经步骤6冷却后的高压氮气经两级增压机(氮气第一级增压机16、氮气第二级增压机18)增压至2.59MPa，经冷却器(氮气第三级冷却器17、氮气第四级冷却器19)冷却至40℃后，进入第一级换热器7预冷至-42℃；

[0049] 8、经步骤7预冷的氮气依次进入两级膨胀机(氮气第一级膨胀机20、氮气第二级膨胀机21)降压至0.178MPa，温度降为-154.9℃后返回两个换热器(第二级换热器9和第一级换热器7)提供冷量，并使自身温度升高；

[0050] 9、经步骤8复温至39℃后的氮气重新进入氮气第一级压缩机12完成循环。

[0051] 经过模拟计算得出，该小型撬装式氮膨胀天然气液化工艺的单位能耗为0.43kWh/3 3
Nm，较一般氮膨胀液化工艺0.5-0.6kWh/Nm 的单位能耗来说降低了14％-28％。该液化工艺的液化率为96.5％。

[0052] 实施例2

[0053] 天然气摩尔组分90％CH4+6％C3H8+4％N2、压力1.7MPa、温度25℃、流量1kmol/h，小型撬装式氮膨胀天然气液化工艺的具体步骤如下：

[0054] 1、天然气经两级压缩机(天然气第一级压缩机1、天然气第二级压缩机3)压缩至2.85MPa，经冷却器(天然气第一级冷却器2、天然气第二级水冷器4)冷却至40℃；

[0055] 2、经步骤1冷却后的天然气进入脱酸塔5、脱水塔6脱除CO2，H2S，H2O等杂质；

[0056] 3、经步骤2净化后的天然气经过第一级换热器7冷却至-60℃(即重烃分离温度)后进入重烃分离器8，从底部得到重烃；

[0057] 4、经步骤3除去重烃后的天然气经第二级换热器9冷却至-153℃；

[0058] 5、经过步骤4得到的天然气通过一个节流阀10，节流降压至0.30MPa后，进入液化天然气分离器11，从底部得到液化天然气产品，闪蒸气返回两个换热器(第二级换热器9和第一级换热器7)提供冷量；

[0059] 6、氮气通过两级压缩机(氮气第一级压缩机12、氮气第二级压缩机14)增压至1.1MPa，经冷却器(氮气第一级冷却器13、氮气第二级冷却器15)冷却至40℃；

[0060] 7、经步骤6冷却后的高压氮气经两级增压机(氮气第一级增压机16、氮气第二级增压机18)增压至2.59MPa，经冷却器(氮气第三级冷却器17、氮气第四级冷却器19)冷却至40℃后，进入第一级换热器7预冷至-42℃；

[0061] 8、经步骤7预冷的氮气依次进入两级膨胀机(氮气第一级膨胀机20、氮气第二级膨胀机21)降压至0.178MPa，温度降为-154.9℃后返回两个换热器(第二级换热器9和第一级换热器7)提供冷量，并使自身温度升高；

[0062] 9、经步骤8复温至39.7℃后的氮气重新进入氮气第一级压缩机12完成循环。

[0063] 经过模拟计算得出，该小型撬装式氮膨胀天然气液化工艺的单位能耗为0.41kWh/3 3
Nm，较一般氮膨胀液化工艺0.5-0.6kWh/Nm 的单位能耗来说降低了18％-32％。该液化工艺的液化率为96.4％。比较实施例1和实施例2可以发现，该液化工艺可以适应原料气在一定范围内的变化，而不需要调整液化工艺中的其他参数，证明该液化工艺对不同气源有较强的适应性。

[0064] 实施例3

[0065] 天然气摩尔组分80％CH4+6％C3H8+14％N2、压力2.8MPa、温度20℃、流量1kmol/h，小型撬装式氮膨胀天然气液化工艺的具体步骤如下：

[0066] 1、天然气压力达到2.8MPa，所以可以省略步骤1；

[0067] 2、天然气进入脱酸塔5、脱水塔6脱除CO2，H2S，H2O等杂质；

[0068] 3、经步骤2净化后的天然气经过第一级换热器7冷却至-60℃(即重烃分离温度)后进入重烃分离器8，从底部得到重烃。

[0069] 4、经步骤3除去重烃后的天然气经第二级换热器9冷却至-153℃；

[0070] 5、经过步骤4得到的天然气通过一个节流阀10，节流降压至0.30MPa后，进入液化天然气分离器11，从底部得到液化天然气产品，闪蒸气返回两个换热器(第二级换热器9和第一级换热器7)提供冷量；

[0071] 6、氮气通过两级压缩机(氮气第一级压缩机12、氮气第二级压缩机14)增压至1.1MPa，经冷却器(氮气第一级冷却器13、氮气第二级冷却器15)冷却至40℃；

[0072] 7、经步骤6冷却后的高压氮气经两级增压机(氮气第一级增压机16、氮气第二级增压机18)增压至2.62MPa，经冷却器(氮气第三级冷却器17、氮气第四级冷却器19)冷却至40℃后，进入第一级换热器7预冷至-42℃；

[0073] 8、经步骤7预冷的氮气依次进入两级膨胀机(氮气第一级膨胀机20、氮气第二级膨胀机21)降压至0.17MPa，温度降为-156.6℃后返回两个换热器(第二级换热器9和第一级换热器7)提供冷量，并使自身温度升高；

[0074] 9、经步骤8复温至36℃后的氮气重新进入氮气第一级压缩机12完成循环。

[0075] 经过模拟计算得出，该小型撬装式氮膨胀天然气液化工艺的单位能耗为0.42kWh/3 3
Nm，饺一般氮膨胀液化工艺0.5-0.6kWh/Nm 的单位能耗来说降低了16％-30％。该液化工艺的液化率为85.7％。比较实施例1、实施例2和实施例3可以发现，当原料气的组分和条件变化较大时，该液化工艺还是可以保证工艺中大部分参数不用调整即可以从一种气源换到另一种，证明该液化工艺对不同气源有较强的适应性，这对于小型撬装式天然气液化工艺来说是至关重要的。

[0076] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。