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(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，我國(guó)居民的收入與生活質(zhì)量也得到了提高，城市居民對(duì)天然氣的需求也日益增加，這也推動(dòng)了我國(guó)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(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)，以期能讓相關(guān)工作者在實(shí)踐運(yùn)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(duì)天然氣液化工藝技術(shù)所常用的三種方法，本文對(duì)以下三種典型工藝進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)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(jí)階段獨(dú)立式循環(huán)機(jī)械組成。所以它也有一個(gè)別稱，叫級(jí)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(duì)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(shì)：其能量消耗率偏低，制熱的效率比較高，因?yàn)樗闹评鋭┦遣恍枰M(jìn)行配比的，所以整個(gè)系統(tǒng)具有獨(dú)立的特性，比較方便調(diào)節(jié)，同時(shí)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(diǎn)：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(jiǎn)而研發(fā)出來的，主要會(huì)運(yùn)用到 C1-C5 的碳?xì)浠衔镆约暗獨(dú)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(duì)天然氣中所對(duì)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(zhǎng)生產(chǎn)運(yùn)用中，經(jīng)常會(huì)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(shì)主要有以下幾點(diǎn)：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(huì)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(dòng)，這也克服了階式系統(tǒng)較為復(fù)雜的劣勢(shì)。但是MRC的制冷工藝能量消耗非常高、而且工藝流程計(jì)算也相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于部分制冷劑的技術(shù)人員要求也較高，價(jià)格也相對(duì)較貴?，F(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(huì)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(duì)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(shí)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(diǎn)：膨脹機(jī)中的膨脹功可回收利用、等熵效率高、能對(duì)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(diǎn)也是較多，比如：液化率低、對(duì)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?；诂F(xiàn)階段，新型換熱器、透平機(jī)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(duì)產(chǎn)品的具體要求、設(shè)備對(duì)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(diǎn)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(duì)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(dú)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(jī)組和儲(chǔ)存制冷劑的設(shè)備相對(duì)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(tái)，即：混合制冷劑壓縮機(jī)。這也意味著后期維護(hù)非常方便，操作起來也比較簡(jiǎn)單。因?yàn)樗且远喾N組分（輕組分和重組分）混合物作為制冷劑的?；旌现评鋭┑慕M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(jì)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(jī)械設(shè)備只有一臺(tái)，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(jī)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(shí)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(gè)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(yùn)用一種制冷循環(huán)工藝，如果液化裝置是像海運(yùn)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(shí)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(shí)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(diǎn)，如若要運(yùn)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(yùn)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(jí)別的混合制冷工藝，如雙級(jí)混合制工藝等。在對(duì)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(yùn)用到工作中，推動(dòng)我國(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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