天然氣液化制冷工藝比較與選擇研究

劉玉俊

摘 要：隨著社會的不斷進(jìn)步與發(fā)展，我國居民的收入與生活質(zhì)量也得到了提高，城市居民對天然氣的需求也日益增加，這也推動了我國天然氣液化制冷工藝的迅速發(fā)展。本文主要通過描述天然氣液化制冷工藝的三種方法，對比其優(yōu)缺點，以期能讓相關(guān)工作者在實踐運用過程當(dāng)中，科學(xué)合理地選擇適合的天然氣液化制冷工藝方式，提高效率降低成本。

關(guān)鍵詞：液化制冷工藝；比較；選擇；研究

現(xiàn)如今，絕大多數(shù)的城市企業(yè)投資者已經(jīng)陸續(xù)在投資建設(shè)天然氣工廠，據(jù)調(diào)查研究得出，目前各大天然氣廠用得頻繁的天然氣液化制冷工藝主要有階式制冷、混合式制冷、膨脹制冷等三種工藝方法。本文基于這三種天然氣液化制冷工藝進(jìn)行研究比較，為天然氣相關(guān)工作者提供合適的選擇建議。

一、天然氣液化工藝技術(shù)的比較

針對天然氣液化工藝技術(shù)所常用的三種方法，本文對以下三種典型工藝進(jìn)行優(yōu)缺點分析比較：

（一）階式制冷

階式制冷顧名思義，主要流程是按照三級階段獨立式循環(huán)機械組成。所以它也有一個別稱，叫級聯(lián)式制冷。該工藝的原理是通過控制每一種制冷液化的溫度對天然氣進(jìn)行節(jié)流達(dá)到制冷降溫的目的，技術(shù)支持使用的是基礎(chǔ)負(fù)荷型天然氣液化裝置系統(tǒng)。該工藝主要有以下優(yōu)勢：其能量消耗率偏低，制熱的效率比較高，因為它的制冷劑是不需要進(jìn)行配比的，所以整個系統(tǒng)具有獨立的特性，比較方便調(diào)節(jié)，同時它的技術(shù)設(shè)備也是完全成熟的。該工藝主要有以下缺點：在制冷的過程當(dāng)中，及其控制系統(tǒng)具有復(fù)雜性，工藝的流程具有繁冗性，所以前期投資的成本非常高，這也給后期的操作和維護(hù)帶來了困難。

（二）混合式制冷

混合式制冷的工藝是在階式制冷工藝的基礎(chǔ)上演變精簡而研發(fā)出來的，主要會運用到 C1-C5 的碳?xì)浠衔镆约暗獨獾任宸N以上的多種成分組分的制冷劑混合而成，并以此作為基礎(chǔ)，借助重組分進(jìn)行冷凝，再借助輕組分進(jìn)行分階節(jié)流和液化，循環(huán)對天然氣中所對應(yīng)到的重分組以及輕分組混合進(jìn)行冷凝，從而達(dá)到制冷目的。在天然氣長生產(chǎn)運用中，經(jīng)常會用到的混合制冷工藝也有三種：MRC，DMR，C3/MR。其中MRC是單循環(huán)制冷，DMR是雙循環(huán)制冷，C3/MR是丙烷預(yù)冷。MRC主要應(yīng)用于調(diào)峰型液化裝置，那么DMR和C3/MR則主要應(yīng)用在負(fù)荷型液化裝置當(dāng)中。MRC的優(yōu)勢主要有以下幾點：設(shè)備用量少、工藝不復(fù)雜、占地面積小、投資成本低、方便操作和維護(hù)、適合調(diào)峰。所以MRC會使得混合后的工質(zhì)在換熱器內(nèi)進(jìn)行的熱交換轉(zhuǎn)變?yōu)樽儨剡^程，而且在混合工藝?yán)錈崃黧w交替所產(chǎn)生的溫差，也能保持較小幅度的變動，這也克服了階式系統(tǒng)較為復(fù)雜的劣勢。但是MRC的制冷工藝能量消耗非常高、而且工藝流程計算也相對復(fù)雜，對于部分制冷劑的技術(shù)人員要求也較高，價格也相對較貴。現(xiàn)如今，MRC在小型氣田中的應(yīng)用較為廣泛，但是由于技術(shù)含量高的特殊原因，也會涉及到一些特殊專利技術(shù)。

（三）膨脹制冷

膨脹制冷工藝的原理是經(jīng)過原料氣的直接膨脹或外部 N2、CH4的間接膨脹等熵膨脹對外做功從而達(dá)到降溫的目的。膨脹制冷不屬于制冷劑的液化工藝，其應(yīng)用的是無制冷劑，主要采用的是逆式布雷頓循環(huán)方式實現(xiàn)原料氣液化，所以該工藝比較適合原料氣壓高的氣源。膨脹制冷工藝主要有以下優(yōu)點：膨脹機中的膨脹功可回收利用、等熵效率高、能對液化能力小的工廠進(jìn)行調(diào)峰、能降低制冷劑的成本、方便操作和維護(hù)。但是膨脹制冷工藝的缺點也是較多，比如：液化率低、對原料以及氣壓要求苛刻。所以想要提高其液化效率必須提升逆式布雷頓循環(huán)效率。基于現(xiàn)階段，新型換熱器、透平機的研發(fā)力度越來越高，其應(yīng)用范圍也越來越廣，這也能大幅度地提升膨脹制冷工藝的效率。

二、天然氣液化制冷工藝的選擇

天然氣液化制冷工藝的選擇可以根據(jù)天然氣液化裝置的用途及處理能力、被液化天然氣的組分壓力以及對產(chǎn)品的具體要求、設(shè)備對工藝流程選擇的影響等進(jìn)行選擇，本文總結(jié)了以下幾點思路：

（一）階式制冷的選擇思路

階式制冷工藝主要是由甲烷、丙烷和乙烯組成，是根據(jù)這三種氣體制冷循環(huán)構(gòu)成。該制冷工藝對比另兩種工藝的能量消耗是最小的，而且其系統(tǒng)與天然氣液化系統(tǒng)是互相獨立的，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間不受各自的影響或牽制，這也給操作帶來了便利。但是該工藝的壓縮機組和儲存制冷劑的設(shè)備相對比其他兩種工藝來說較多，然而系統(tǒng)與系統(tǒng)之間也不允許存在任何的滲漏，這也給后期維護(hù)帶來了困難。所以該工藝適合天然氣液化裝置。

（二）混合制冷的選擇思路

混合制冷工藝使用的設(shè)備僅有一臺，即：混合制冷劑壓縮機。這也意味著后期維護(hù)非常方便，操作起來也比較簡單。因為它是以多種組分（輕組分和重組分）混合物作為制冷劑的。混合制冷劑的組成是根據(jù)原料氣體的組分情況、壓力情況以及系統(tǒng)物料的平衡以及熱量計算而得出的，該系統(tǒng)換熱器的具體數(shù)量則是根據(jù)天然氣的冷卻曲線值來明確的。一般情況來說，換熱器總冷卻曲線與制冷劑蒸發(fā)曲線間必須保持<2-3℃的溫差。該制冷工藝的機械設(shè)備只有一臺，需要消耗的能量也較高，所以不適用于含甲烷高的天然氣液化，所以該制冷工藝可應(yīng)用于液化能力為天然氣液化裝置。

（三）混合制冷的選擇思路

膨脹制冷工藝的制冷機制主要是通過利用高壓制冷劑在天然氣的壓力中等熵膨脹后，來實現(xiàn)制冷循環(huán)的目的，這有利于提高天然氣的充分液化。膨脹制冷工藝的液化率是直接受到膨脹前后的壓力比所決定的，一般情況下，膨脹制冷工藝的液化率差為8%左右，在整個的制冷過程中是不需要消耗電能的，非常適用于液化能力較大，消耗電能多的液化裝置。如果液化裝置的處理能力較少的話，那么只要液化率在7%到15%的范圍內(nèi)，則可任意運用一種制冷循環(huán)工藝，如果液化裝置是像海運一樣功能的液化天然氣一樣的大型天然氣裝置，那么該處理能力則不在該范圍內(nèi)，這時候則需采用多組分制冷劑或純制冷劑的階式蒸發(fā)制冷循環(huán)，以便操作同時也能降低成本。

結(jié)束語：

綜上所述，天然氣液化制冷工藝的技術(shù)各有優(yōu)缺點，如若要運用小型天然氣液化裝置，則可以采用階式制冷或膨脹制冷工藝，要運用中型天然氣液化裝置，可以采用混合制冷工藝，遇到大型天然氣液化裝置，可以使用更高級別的混合制冷工藝，如雙級混合制工藝等。在對天然氣液化制冷工藝的技術(shù)選擇中，要科學(xué)綜合的考慮天然氣液化的效率、成本、節(jié)能等因素，才能更好的運用到工作中，推動我國天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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