淺談混合制冷劑在天然氣液化中的應用

鄭 華 賈 菁 王天將

（河南中原綠能高科有限公司，河南 濮陽 450001）

淺談混合制冷劑在天然氣液化中的應用

鄭 華 賈 菁 王天將

（河南中原綠能高科有限公司，河南 濮陽 450001）

天然氣液化制冷工藝大致可以分為三種：階式制冷、混合制冷劑制冷和膨脹制冷。現在國內應用最多的是混合制冷劑制冷，它有設備少、流程簡單、投資省等優點。這種液化流程的操作彈性很大，當生產能力降低、周圍環境溫度或原料氣氣質發生變化時，可以通過調整混合制冷劑組分及混合制冷劑壓縮機進出口壓力，也能使天然氣高效液化。高效的利用混合制冷劑，對于生產單位既能降低能耗又能提高液化率，因此研究混合制冷劑在液化天然氣中的應用是很有必要的。

制冷劑；節流；焓；沸點；比熱容

混合制冷劑液化流程（MRC）是以C1至C5的碳氫化合物，以及N2等五種以上的多組分混合制冷劑為工質，利用混合物各組分不同沸點，部分冷凝的特點，進行逐級的冷凝、蒸發、節流膨脹得到不同溫度水平的制冷量，以達到逐步冷卻和液化天然氣的目的。

1 制冷方式

利用實際氣體的節流制冷效應實現制冷是人類最早采用的主要制冷方式之一，至今已有200多年的應用發展史。與其他流動制冷方式相比，流動介質的節流膨脹過程無需運動部件、簡單可靠，而且系統構成靈活多樣，因此節流制冷技術應用廣泛。另外一種實現低溫制冷的方式是回熱，利用節流后的冷量實現自身回熱，逐步降低節流前的溫度，由此可實現更低的制冷溫度，現在這兩種方式普遍應用在天然氣液化中的混合工質制冷循環。

2 混合制冷劑的選擇

制冷劑的選擇主要依據其本身的基礎熱物性及節流特性，其中常壓沸點、臨界參數等是選擇制冷劑最為基礎的數據，然后還要考慮如三相點溫度等，以避免因三相點溫度過高，導致制冷劑在低溫下出現固相析出而堵塞管道。

表1 物質的基礎屬性

通?；旌现评鋭┯傻獨狻⒓淄椤⒁彝?、丙烷等組成。為了把天然氣液化，必須用低沸點工質，才能獲得液化甲烷等級的溫度。

沸點較高的重組分在預冷和液化循環中使用；而沸點較低的輕組分則在液化和深冷循環中使用。由表1可知，丙烷、異戊烷和乙烷可用于天然氣的預冷，甲烷、乙烯和氮氣用于天然氣的液化。

根據氣源組分不同、地域不同，選擇不同的制冷劑，由物料和熱量平衡計算確定制冷劑以一定比例混合來滿足工藝要求。

3 混合制冷劑的高效利用

制冷劑的冷量利用大多都是通過節流制冷和回熱獲得。節流制冷是高溫高壓氣體通過節流元件后焓不變而壓力降低伴隨著溫度下降。結合回熱措施，天然氣液化單元現在常用帶氣液分離器的內復疊循環。

表2 常壓下物質的屬性

在內復疊循環系統內出現兩相流動，基本氣液相流速不同，會導致液相或氣相積存，由于非共沸混合物氣液相濃度不同會造成循環濃度變化，在節流元件處相變潛熱產生不同溫度等級的冷量，由表1、2知甲烷的氣化潛熱最大，但絕熱指數大，壓縮功耗也大，因此甲烷含量對循環系統提供深冷量很關鍵。采用高沸點的制冷劑可以減小因工質壓力差而造成相變區間的差異，并充分利用低壓相變潛熱大于高壓相變潛熱，從而改善兩相區回熱換熱器內的熱當量匹配，進而減小回熱換熱器內固有換熱器溫差，最終減小換熱器固有換熱?損失；換熱程度好，節流前溫度低，節流過程的?損也小，因此丙烷、異戊烷可以達到這個效果。

每一個制冷劑在內復疊循環系統內都很重要，有效的配比可以提高制冷循環系統的熱力學效率。

混合制冷劑液化流程運行時，原料氣的壓力、溫度、組分，混合制冷劑組分和循環壓力，LNG的儲存溫度、壓力等都會影響比功耗，運行成本。而這些參數又是相互關聯、互為影響的，因此在組織液化流程、確定工藝參數時需要借助工藝模擬反復計算調整、不斷優化參數、在流程合理可行的基礎上，調整混合制冷劑的最佳配比，實現高液化、低功耗。

[1] 顧安忠.液化天然氣技術手冊[M].北京:機械工業出版社,2010.

[2] 郭揆常.液化天然氣工藝與工程[M].北京:中國石化出版社,2014.

[3] 公茂瓊,吳劍鋒,羅二倉.深冷混合工質節流制冷原理及應用[M].北京:中國科學技術出版社,2014.

[4] 蘇長蓀.高等工程熱力學[M].北京:高等教育出版社, 1987.

[5] 朱自強.流體相平衡原理及應用[M].杭州:浙江大學出版社,1990.

[6] 胡大鵬,陳淑花.制冷技術及應用[M].北京:中國石化出版社,2010.

[7] 吳業正.制冷原理及設備[M].西安:西安交通大學出版社, 2010.

[8] 曹德勝,史林.制冷劑使用手冊[M].北京:北京冶金工業出版社,2003.

[9] 布羅江斯基.低溫技術熱力學基礎[M].北京:北京機械工業出版社,1980.

[10] 陳國邦.最新等溫制冷技術[M].北京:北京機械工業出版社,1993.

[11] 陳洪鈁,劉家祺.化工分離過程[M].北京:北京化學工業出版社,1999.

[12] 殷倫.制冷壓縮機[M].上海:上海交通大學出版社,2012.

In the application of the mixed refrigerant natural gas liquefaction process

Liquefied natural gas refrigeration process can be roughly divided into three kinds: first, mixed refrigerant refrigeration and expansion refrigeration. Now the most widely used is the mixed refrigerant, it has the advantages of simple process, less equipment investment, etc.. The liquefaction process operation is very flexible, when production capacity is reduced, the ambient temperature or the raw material gas changes, can adjust the mixed refrigerant composition and mixed refrigerant compressor inlet and outlet pressure, also can make the gas, liquefied. Refrigerant mixture by high performance, for the production of the unit can reduce energy consumption and improve the liquefaction rate, so the research and application of the mixed refrigerant in liquefied natural gas is very necessary.

Refrigerant;throttling;enthalpy;boiling;heat capacity

TE646

A

1008-1151(2015)03-0077-01

2015-02-12

鄭華（1978－），河南中原綠能高科有限公司工程師。