天然气混合制冷液化流程模拟
摘要
混合制冷剂天然气液化工艺是目前应用最广泛的液化工艺。本文在分析天然气液化装置中常用的混合制冷剂液化循环的几种基本工艺的基础上，根据天然气和混合制冷剂热物性的特点，选择了PR （Peng-Robinson）方程来计算这两种混合物的相平衡特性。利用HYSYS 软件研究了混合制冷剂流程的冷箱制冷部分，建立了冷箱模拟计算模型，研究了混合制冷剂组分对液化过程的影响。
关键词:混合制冷液化循环；流程模拟；HYSYS；冷箱
Simulation of Mixed Refrigerant Cycle for Natural Gas
Liquefaction
Abstract
The Mixed-Refrigerant Cycle (MRC) is the most widely used liquefaction process nowadays.Several MRC cycles for Liquefied Natural Gas (LNG) production were analyzed in this paper,--Based on the thermodynamic properties of natural gas and mixed-refrigerant, the Peng-Robinson (PR) equation was selected to calculate the phase equilibrium. The cold box in the liquefaction cycle was simulated by used HYSYS software, the model was established and the components of the mixed refrigerant influence on liquefaction process were studied.
Key words: MRC; simulation; HYSYS; cold box
目录
第1章前言 (1)
1.1 工业背景和研究意义 (1)
1.1.1 世界液化天然气工业的发展 (2)
1.1.2 中国液化天然气工业的发展 (2)
1.2 国内外研究现状 (4)
1.3 研究内容 (5)
第2章混合制冷液化流程 (6)
2.1 混合制冷液化流程 (6)
2.2 混合制冷剂液化流程的分类 (6)
2.2.1 闭式混合制冷剂液化流程 (6)
2.2.2 开式混合制冷剂液化流程 (8)
2.2.3 丙烷预冷混合制冷剂液化流程 (9)
2.2.4 CII液化流程 (12)
2.2.5 新型两级混合制冷剂液化流程 (14)
第3章冷箱 (16)
3.1 冷箱简介 (16)
3.2 冷箱的技术关键 (16)
3.2 液化天然气领域冷箱的应用 (16)
第4章天然气液化流程模拟软件 (19)
4.1 HYSYS简介 (19)
4.2 HYSYS中各个模块的性质与原理 (20)
4.2.1 气液分离器 (20)
4.2.2 壳管式换热器 (21)
4.2.3 LNG换热器 (24)
4.2.4 阀门 (26)
4.3HYSYS的实际应用 (26)
第5章天然气液化流程模拟 (28)
5.1 概述 (28)
5.2 液化流程模拟步骤 (28)
5.2.1 输入条件 (28)
5.2.2流程搭建 (30)
5.3流程模拟计算 (33)
5.3.1收敛计算 (33)
5.3.2制冷剂组分对换热的影响 (34)
5.3.3 结果分析 (35)
第6章结论与展望 (37)
6.1 结论 (37)
6.2 展望 (37)
参考文献 (38)
致谢 ........................................................................... 错误！未定义书签。
第1章前言
1.1工业背景和研究意义
天然气作为一种清洁优质燃料，是当今世界能源消耗中的重要组成部分，其开发和利用已在全球受到普遍关注[1]。随着天然气探明储量的增加，世界天然气的产量呈持续增长趋势。近几十年，天然气在能源结构中的比例逐年稳步上升。目前，天然气消费量的年平均增长率为2.2%，远高于同期石油消费增长率的0.8%。天然气消费量增长带动和促进了天然气工业的发展，现在，人们越来越多的关心如何更好、更经济地利用天然气来服务于人类生活。液化天然气就是天然气利用的一种方式。
液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）是无色透明、无臭的低温液体，是在常压下将天然气冷冻至-162℃左右，由气体变为液态，它是天然气经过净化（脱水、脱CO2、H2S等酸性气体）后，采用节流、膨胀和外加冷源制冷的工艺使甲烷变成液体而形成的，其体积约为气态体积的1/600。
将天然气液化的目的主要有以下几个方面[2-4]：
（1）天然气液化后便于进行经济可靠的运输。目前，天然气资源分布不均衡，生产地和消费地常存在相当长的距离，在不便敷设管道的地区，用专门的槽车、火车、轮船，将LNG运输到销售地，方便灵活，适应性强。
（2）提高储存效率和安全保证。可实现低压储存及使用，避免了压缩天然气（CNG）高压（压力20MPa）储存及使用带来的威胁。
（3）将天然气液化，有利于城市符合的调节。可将低负荷时多余的天然气液化后储存，当用气或用电高峰时，再将其气化，可以达到调节供需和应急的目的。
（4）液化天然气的突出优点是环境效益显著。液化天然气作为汽车发动机燃料对大气的污染要比汽油少得多。
基于以上LNG众多优点，可以看出，发展液化天然气（LNG）项目是目前世界能源发展的潮流，在我国发展液化天然气也是势在所趋。
1.1.1 世界液化天然气工业的发展
天然气是一种非常重要的资源，它燃烧清洁，污染小，通常生产与输送成本低廉，其储量十分巨大。
但是，天然气的产地往往远离能源消耗区，这就需要通过某种方式将天然气从气田或资源国输送至目标用户。管道输送是一种好的输送方式，但对于远距离越洋运输，目前还没有成熟的技术可以建造深海长距离输送管道，因此需要寻找其他的方法。LNG是一个越洋大量输送天然气的商业化技术。
1964年9月27日，阿尔及利亚的世界上第一座LNG工厂建成投产。同年，第一艘载着12000吨LNG的船驶往英国，标志着世界LNG贸易的开始。
1.1.2 中国液化天然气工业的发展
我国是能源和原材料生产大国，也是消费大国，人均占有资源量相对少。尽管有丰富的国内天然气资源和周边国家可供利用的天然气资源，但是到目前为止，由于客观原因，致使我国天然气消费量在一次能源消费结构中仅占2%左右，而西方发达国家要占20%左右。随着我国国民经济的发展，尤其是对环境保护的日益重视，天然气需求量将迅速增大。天然气需求量的增长必然促进液化天然气工业的发展。
2001年中原油田为了将天然气资源用于城市燃气和汽车代用燃料，建造了国内第一座生产型的液化天然气装置。
2002年新疆广汇集团开始建设一座日处理天然气量为150万m3的液化天然气工厂。
2004年6月，国家发改委在《我国能源中长期发展规划》的基础上制定了《关于我国液化天然气进口方案的建议》。《建议》中提出在广东，福建，山东，浙江，上海，江苏，辽宁，河北，天津，广西等沿海地区建设若干LNG接收码头和输气干线。基本形成以LNG为主体的沿海天然气大通道，并适时与全国主干管网相连接。这标志着我国LNG进口工作全面启动，并将通过实施以市场换资源战略推动石油公司走出去，进入国际石油天然气资源地和LNG工业。
近年来全球LNG的生产和贸易日趋活跃，正在成为世界油气工业新的热点。我国正处在天然气工业发展的黄金时期，随着更多的城市使用更多的天然气，对液化天然气(LNG)的需求也有明显的增长。2006年6月底，深圳大鹏LNG项目的投产，更是吹响了我国LNG事业全面发展的号角。同时国际LNG市场正由买方市场转向卖方市场，但近年内仍处于买方市场，这也为我国发展LNG产业创造了良好的外部资源条件。LNG产业的发展对我国发展国民经济，调整能源结构，改善环境质量，提高生活水平，促进经济与环境协调发展具有重要意义!我国LNG工业应实施全球化，市场化，多元化和系统化发展战略，以形成LNG与管道以及海洋天然气共同发展与石油资源互为补充的格局。从而改善我国能源结构，保障国家能源安全!
在未来的一些年中，除了有数以百万吨计的LNG自海外进口，更多的天然气液化工厂和LNG末端装置也会迅速建设起来。
总的来说，我国LNG工业的特点是起步晚、潜力大，广阔的市场和客观的经济和社会效益为我国的LNG工业发展提供了难得的机遇。LNG 已经成为一种重要的不可替代的能源，持续高速度的发展历程展示了它强大的生命力。近年来，LNG基础技术以及天然气液化、储运装置的研究蓬勃发展。随着应用研究的深入，LNG将有越来越广泛得到应用。可是预言，我国LNG工业将会进入一个崭新的发展阶段。
我们LNG工业刚刚起步，未有成熟的独立设计、建造工厂的经验，只能引进国外配套设备和技术。但是由于国情和工厂设计规模等情况的不通，往往使得引进的天然气液化流程和提供的岗位操作参数不合时宜，出现投资费用大、液化率低、功耗大的情况。解决上述问题的方法就是根据实际情况、利用自身特点优选液化流程及合理选择操作参数。
当代工业规模的天然气液化（即LNG的生产）技术通常可用下面框图表示为三部分，即原料气预处理、液化和储存三部分。
图1.1 天然气液化技术组成图
其中，液化流程在整个LNG工厂中占有重要的地位，实践证明，在LNG工厂总投资中天然气液化部分所占的比例大约为40%左右，研究液化工艺流程具有现实意义和深远的社会以及经济效益，所以对液化流程进行模拟设计和流程参数分析显得尤为重要，因为流程模拟是过程系统工程中最基本的技术不论过程系统的分析和优化，还是过程系统的综合，都是以流程模拟为基础。而合理地选择参数不仅使模拟过程能够顺利进行，而且还会使模拟结果切实可行。
1.2 国内外研究现状
我国的LNG工业刚刚起步，独立设计、建造LNG装置的经验较少。进行天然气液化流程的理论分析和设计流程有重要的意义。
国外从20世纪70年代开始，对LNG装置的液化流程进行来设计、模拟与评价工作[5-6]。Shell公司针对基本负荷型LNG装置的液化流程的最新发展，模拟计算了级联式液化流程、丙烷预冷混合制冷剂液化流程、两级混合制冷剂液化流程和氮气膨胀液化流程，并分别分析了其优劣[7]。1995年，Melaaen提出了简化的绕管式换热器模型。在此基础上，建立了基本负荷型天然气液化流程动态仿真模型，并采用隐式DASSL进行了仿真计算，指出设计变量初值的选取对仿真计算的收敛影响很大。1998年，Terry采用HYSYS软件对典型的调峰型天然气液化流程进行了模拟计算与优化[8]。1997年，Kikkawa在现有设备的基础上，设计了新型的混合制冷剂预冷、膨胀机液化流程，并采用CHEMCADIII软件进行了模拟计算[9]。
我国目前缺乏天然气液化流程设计调试经验，在专用天然气液化模拟软件的开发方面比较欠缺。20世纪90年代初，开始进行天然气液化流程理论发面的研究，陈国邦、滕大振分析了调峰型LNG装置液化流程的特点，对不同流程及其使用条件进行了比较。1992年，郭东海对混合制冷剂天然气液化流程的参数的选定及优化工作做了初步的探讨[10]。刘新伟针对煤层天然气的回收，提出了带循环压缩机的氮膨胀液化流程并进行了模拟计算。上海交通大学顾安忠教授领导的课题组长期以来从事液化天然气的研究，尽管如此，我国在液化天然气液化技术水平和应用
范围等方面与国外还是存在一定的差距。
从国内外研究发展情况可以看出，无论国外还是国内，在建设LNG 工厂时，首先要仔细分析各种液化流程根据实际情况，通过模拟计算对流程性能进行比较；然后优选流程方式，合理选择流程参数。该项工作在我国显得尤为重要。随着液化天然气工业在我国的蓬勃发展，这项工作越来越受到人们的重视，并提到研究的日程。
1.3 研究内容
在天然气的液化过程中，天然气与混合制冷剂不仅是混合物，它们随着流程中压力、温度的不断变化，将会处于气相、气液平衡相和液相状态，所以混合物的相平衡计算理论是整个流程物性计算的基础。本文针对天然气和混合制冷剂的组分特性，选择了PR方程作为计算这两类混合物的相平衡方程。本文选取模拟软件HYSYS作为本次研究所使用的主要模拟工具，介绍了HYSYS的计算原理与方法，最后用HYSYS软件对混合制冷剂液化循环的冷箱部分进行模拟，以研究混合工质组分的改变对LNG产品（也可以说是初级LNG产品）温度的影响。
第2章混合制冷液化流程
2.1 混合制冷液化流程
1934年，美国的波特北尼克提出了混合制冷剂液化流程（MRC: Mixed Refrigerant Cycle）的概念。之后，法国Tecknip公司的佩雷特，详细描述了混合制冷剂液化流程用于天然气液化的工艺过程。
MRC是以C1和C3的碳氢化合物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。MRC既达到类似级联式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。自20世纪70年代以来，对于基本负荷型天然气液化装置，广泛采用了各种不同类型的混合制冷剂液化流程。
2.2混合制冷剂液化流程的分类
混合制冷剂液化路程还包括很多种类，如：闭式混合制冷剂液化流程，开式混合制冷剂液化流程，丙烷预冷混合制冷剂液化流程等，下面我们就对上述几种流程进行简单介绍。
2.2.1闭式混合制冷剂液化流程
图2.1为闭式混合制冷剂液化流程（Closed Mixed Refrigerant Cycle）示意图。在闭式液化流程中，制冷剂和天然气液化过程分开，自成一个独立的制冷循环。
制冷剂通常由N2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10和C5H12组成。这些组分都可以从天然气中提取。液化流程中天然气依次流过四个换热器后，温度逐渐降低，大部分天然气被液化，最后节流后在常压下保存，闪蒸分离产生的气体可直接利用，也可回到天然气入口再进行液化。
液化流程中的制冷剂经过压缩机压缩至高温高压后，首先用水进行冷却，然后进入气液分离器，气液相分别进入换热器1。液体在换热器1中过冷，再经过节流阀节流降温，与后续流程的返流气混合后共同为换热器1提供冷量，冷却天然气、气态制冷剂和需过冷的液态制冷剂。气
态制冷剂经换热器1冷却后进入闪蒸分离器分离成气相和液相，分别流入换热器2，液体经过冷和节流降压降温后，与返流气混合为换热器2提供冷量，天然气进一步降温，气相流体也被部分冷凝。换热器3中的换热过程同换热器1和2。制冷剂在换热器中被冷却后，在换热器4中进行过冷，然后节流降温后返回该换热器，冷却天然气和制冷剂。
在混合制冷剂液化流程的换热器中，提供冷量的混合工质的液体蒸发温度随组分的不同而不同，在换热器内热交换过程是个变温过程，通过合理选择制冷剂，可使冷热流体间的换热温差保持比较低的水平。
图2.1 闭式混合制冷剂液化流程示意图
2.2.2开式混合制冷剂液化流程
图2.2 开式混合制冷剂液化流程示意图
图2.2为开始混合制冷剂液化流程（Open Mixed Refrigerant Cycle）示意图。在开式液化流程中，天然气既是制冷剂，又是需要液化的对象。
原料天然气经净化后，经压缩机压缩后达到高温高压，首先用水冷却，然后进入气液分离器，分离掉重烃，得到的液体经第一个换热器冷却并节流后，与返流气混合后为第一个换热气提供冷量。第一个分离器产生的气体经过第一个换热器冷却后，进入第二个气液分离器。产生的液体经第二个换热器冷却并节流后，与返流气混合为第二个换热器提供冷量。第二个气液分离器产生的气体经第二个换热器冷却并节流后，为第三个换热器提供冷量。第三个气液分离器产生的气体经第三个换热器冷却并节流后，进入气液分离器，产生的液体进入液化天然气储罐储存。
2.2.3丙烷预冷混合制冷剂液化流程
图2.3 丙烷预冷混合制冷剂液化流程示意图
a)混合制冷剂循环；b) 丙烷预冷循环
丙烷预冷混合制冷剂液化流程（C3/MRC: Propane-Mixed Refrigerant
Cycle），结合了级联式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点，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制冷剂液化流程。
图2.3是丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程图。流程由三部分组成：①混合制冷剂循环；②丙烷预冷循环；③天然气液化回路。在此液化流程中，丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷剂用于深冷和液化天然气。
混合制冷剂循环如图2.3a所示，混合制冷剂经两级压缩机压缩至高压，首先用水冷却，带走一部分热量，然后通过丙烷预冷循环预冷，预冷后进入气液分离器分离成液相和气相，液相经第一换热器冷却后，节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为第一个换热器提供冷箱，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。气相制冷剂经第一换热器冷却后，进入气液分离器分离成气相和液相，液相经第二个换热器冷却后节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为第二个换热器提供冷量，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。从第二个换热器出来的气相制冷剂，经第三换热器冷却后，节流、降温后进入第三换热器，冷却天然气和气相混合制冷剂。
丙烷预冷循环如图2.3b所示，丙烷预冷循环中，丙烷通过三个温度级的换热器，为天然气和混合制冷剂提供冷量。丙烷经压缩机压缩至高温高压，经冷却水冷却后流经节流阀降温降压，再经分离器产生气液两相，气相返回压缩机，液相分成两部分，一部分用于冷却天然气和制冷剂，另一部分作为后续流程的制冷剂。
在混合制冷剂液化流程中，天然气首先经过丙烷预冷循环预冷，然后流经各换热器逐步被冷却，最后经图2.3a中节流阀4进行降压，从而使液化天然气在常压下储存。
图2.4为空气产品公司APCI设计的丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程[13]。在空气产品公司设计的液化流程中，天然气先经过丙烷预冷，然后用混合制冷剂进一步冷却并液化。低压混合制冷剂经两级压缩机压缩后，先用水冷却，然后流经丙烷换热器进一步降温至约-35℃，之
后进入气液分离器分离成气、液两相。生成的液体在混合制冷剂换热器温度较高区域（热区）冷却后，经节流阀降温，并与返流的气相流体混合后为热区提供冷量。分离器生成的气相流体，经混合制冷剂换热器冷却后，节流降温为冷区提供冷量，之后与液相流混合为热区提供冷量。混合后的低压混合制冷剂进入压缩机压缩。
图2.4 APCI丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程示意图
在丙烷预冷循环中，从丙烷换热器来的高、中、低压的丙烷，用一个压缩机压缩，压缩后先用水进行预冷，然后经节流降温、降压后，为天然气和混合制冷剂提供冷量。这种液化流程的操作弹性很大。当生产能力降低时，通过改变制冷剂组成及降低吸入压力来保持混合制冷剂循环的变化时，可通过调整混合制冷剂组成及混合制冷剂压缩机吸入和排出压力，也能使天然气高效液化。
2.2.4CII液化流程
天然气液化技术的发展要求液化循环具有高效、低能耗、低成本、可靠性好、易操作等特点。为了适应这一发展趋势，法国燃气公司的研究部门开发了新型的混合制冷剂液化流程，即整体结合式级联型液化流程（Integral Incorporated Cascade），简称CII液化流程。CII液化流程吸收了国外LNG技术最新发展成果，代表天然气液化技术的发展趋势。
在上海建在的CII液化流程是我国第一座调峰型天然气液化装置中采用的流程。CII液化流程如图2.5所示，该液化流程的主要设备包括混合制冷剂压缩机、混合制冷剂分馏设备和整体式冷箱三部分。整个液化流程可分为天然气液化系统和混合制冷剂循环两部分。
图2.5 CII液化流程示意图
在天然气液化系统中，预处理后的天然气进入冷箱12上部被预冷，在气液分离器13中进行气液分离，气相部分进入冷箱12下部被冷凝和过冷，最后节流至LNG储罐。
在混合制冷剂循环中，混合制冷剂是N2和C1~C5的烃类混合物。冷箱12出口的低压混合制冷剂蒸汽被气液分离器1分离后，被低压压缩机2压缩至中间压力，然后经冷却器3部分冷凝后进入分馏塔8。混合制冷剂分馏后分成两部分，分馏塔底部的重组分液体主要含有丙烷、丁烷和戊烷，进入冷箱12，经预冷后节流降温，再返回冷箱上部蒸发制冷，用于预冷天然气和混合制冷剂；分馏塔上部的轻组分气体主要成分是氮、甲烷和乙烷，进入冷箱12上部被冷却并部分冷凝，进气液分离器6进行气液分离，液体作为分馏塔8的回流液，气体经高压压缩机4压缩后，经水冷却器5冷却后，进入冷箱上部预冷，进气液分离器7进行气液分离，得到的气液两相分别进入冷箱下部预冷后，节流降温返回冷箱的不同部位为天然气和混合制冷剂提供冷量，实现天然气的冷凝和过冷。
CII流程具有如下特点：
（1）流程精简、设备少。CII液化流程出于降低设备投资和建设费用的考虑，简化了预冷制冷机组的设计。在流程中增加了分馏塔，将混合制冷剂分馏为重组分（以丁烷和戊烷为主）和轻组分（以氮、甲烷、乙烷为主）两部分。重组分冷却、节流降温后返流，作为冷源进入冷箱上部预冷天然气和混合制冷剂；轻组分气液分离后进入冷箱下部，用于冷凝、过冷天然气。
（2）冷箱采用高效钎焊铝板翅式换热器，体积小，便于安装。整体式冷箱结构紧凑，分为上下两部分，由经过优化设计的高效钎焊铝板翅式换热器平行排列，换热器面积大，绝热效果好。天然气在冷箱内由环境温度冷却至-160℃左右的液体，减少了漏热损失，并较好地解决了两相流体分布问题。冷箱以模块化的型式制造，便于安装，只需在施工现场对预留管路进行连接，降低了建设费用。
（3）压缩机和驱动机的型式简单、可靠、降低了投资与维护费用。
2.2.5 新型两级混合制冷剂液化流程
丙烷预冷天然气液化流程具有功耗低的有点，但是由于该液化流程采用单独的丙烷循环预冷天然气，流程复杂，设备数量较多；膨胀机液化流程简便，设备紧凑，但是功耗偏高。出于简化流程设备以及保证流程效率的考虑，本研究中结合当前天然气液化流程追求简便、高效的发展趋势，综合考虑了丙烷预冷混合制冷剂液化流程、单级混合制冷剂液化流程，以及整体级联式液化流程等多种混合制冷剂液化流程的技术特点，提出了新型两级混合制冷剂液化流程。
新型两级混合制冷剂液化流程如图2.6所示。混合制冷剂由氮、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷和异戊烷组成。该流程包括制冷剂循环和天然气循环两部分。制冷循环如下：来自冷箱的制冷剂低压气体进入低压压缩机A1，经冷却器冷却后进入预冷换热器A4，冷却降温使部分高沸点组分凝结后，进入气液分离器A3。分离出来的液体制冷剂经节流阀A5节流降温，与来自主换热器A7的返流低压气体汇合，作为预冷换热器A4的冷源；分离出的气体制冷剂被高压压缩机A2压缩至高压，经预冷换热器A4降温后，与来自过冷换热器A9的低压制冷剂汇合，返回主换热器A7提供冷量；气相经主换热器A7和过冷换热器A9冷凝和过冷后，经节流阀A10节流降温后，返流为过冷换热器A9提供冷量。
预处理后的天然气经预冷换热器A4预冷后，进入主换热器A7继续冷却，然后进入气液分离器A11脱除已凝结的重烃组分。重烃返流回预冷换热器A4提供部分冷量，天然气中的轻组分则继续进入主换热器A7和过冷换热器A9冷凝和过冷，最后经节流阀A12节流降压后注入LNG 储罐[12]。
图2.6 新型两级混合制冷剂液化流程示意图
第3章冷箱
3.1冷箱简介
冷箱在我国最先主要是用于乙烯制冷工艺中的乙烯冷箱，冷箱是一种换热器组装后的形式，它可以是几个换热器的组合。通常为了避免现场的工作量，大容积装置的换热器是在制造厂完成，组装成冷箱。
3.2冷箱的技术关键
冷箱实际上是铝板翅式换热器加上钢壳保温箱。核心部分是铝板翅式换热器，设计和制造的难点亦集中于此。多股持压的物流在其中按化工工艺条件和参数进行复杂的、有相变的换热过程，其操作温度一般为+30℃～-170℃，最高操作压力约为5Mpa。
技术关键有三个方面：1. 正确、精密的板翅式换热器单元设计；2.专用制造技术和严谨的工艺程序；3. 严格的质量监控和先进的测试技术[14]。
3.2液化天然气领域冷箱的应用
混合制冷剂液化流程中，冷箱的应用也有很多，其外形如图3.1所示，内部结构如图3.2所示：
图3.1 混合制冷剂冷箱
LNG气化站工艺流程 LNG通过低温汽车槽车运至LNG卫星站，通过卸车台设置的卧式专用卸车增压器对汽车槽车储罐增压，利用压差将LNG送至卫星站低温LNG储罐。工作条件下，储罐增压器将储罐内的LNG增压到0.6MPa。增压后的低温LNG进入空温式气化器，与空气换热后转化为气态天然气并升高温度，出口温度比环境温度低10℃，压力为0.45－0.60 MPa，当空温式气化器出口的天然气温度达不到5℃以上时，通过水浴式加热器升温，最后经调压(调压器出口压力为0.35 MPa)、计量、加臭后进入城市输配管网，送入各类用户。
进入城市管网 储罐增压器 整个工艺流程可分为：槽车卸液流程、气化加热流程（含热水循环流程）、调压、计量加臭流程。 卸液流程：LNG由LNG槽车运来，槽车上有3个接口，分别为液相出液管、气相管、增压液相管，增压液相管接卸车增压器，由卸车增压器使槽车增压，利用压差将LNG送入低温储罐储存。卸车时，为防止LNG储罐内压力升高而影响卸车速度，当槽车中的LNG温度低于储罐中LNG的温度时，采用上进液方式。槽车中的低温LNG通过储罐上进液管喷嘴以喷淋状态进入储罐，将部分气体冷却为液体而降低罐内压力，使卸车得以顺利进行。若槽车中的LNG温度高于储罐中LNG的温度时，采用下进液方式，高温LNG由下进液口进入储罐，与罐内低温LNG混合而降温，避免高温LNG由上进液口进入罐内蒸发而升高罐内压力导致卸车困难。实际操作中，由于目前LNG气源地距用气城市较远，长途运输到达用气城市时，槽车内的LNG温度通常高于气化站储罐中LNG的温度，只能采用下进液方式。所以除首次充装
LNG 时采用上进液方式外，正常卸槽车时基本都采用下进液方式。 为防止卸车时急冷产生较大的温差应力损坏管道或影响卸车速度，每 次卸车前都应当用储罐中的LNG 对卸车管道进行预冷。同时应防止快速开启或关闭阀门使LNG 的流速突然改变而产生液击损坏管 道。 气化流程： 靠压力推动，LNG 从储罐流向空温式气化器，气化为气态天然气后供应用户。随着储罐内LNG 的流出，罐内压力不断降低，LNG 出罐速度逐渐变慢直至停止。因此，正常供气操作中必须不断向储罐补充气体，将罐内压力维持在一定范围内，才能使LNG 气化过程持续下去。储罐的增压是利用自动增压调节阀和自增压空温式气化器实现的。当储罐内压力低于自动增压阀的设定开启值时，自动增压阀打开，储罐内LNG 靠液位差流入自增压空温式气化器(自增压空温式气化器的安装高度应低于储罐的最低液位)，在自增压空温式气化器中LNG 经过与空气换热气化成气态天然气，然后气态天然气流入储罐内，将储罐内压力升至所需的工作压力。利用该压力将储罐内LNG 送至空温式气化器气化，然后对气化后的天然气进行调压(通常调至0．4MPa)、计量、加臭后，送入城市中压输配管网为用户供气。在夏季空温式气化 加压蒸发器卸车方式二 槽车自增压/压缩机辅助方式 BOG加热器 LNG气化器 加压蒸发器 卸车方式三 气化站增压方式 LNG贮罐 LNG贮罐 BOG压缩机 加压蒸发器 卸车方式五低温烃泵卸车方式 V-3 PC LNG贮罐 LNG贮 低温烃泵
天然气液化工艺部分技术方案（MRC） 一、 天然气液化属流程工业，具有深冷、高压，易燃、易爆等特征，在生产中具有极高的危险性，既有比较高的温度（280℃）和压力（50Bar），也有低温（-170℃），这些单元之间紧密相连，中间缓冲地带比较小，对参数的变化要求严格，这对LNG液化装置连续生产自动化提出了很高的要求。 LNG装置的制冷剂配比与产量和收率直接相关，因此LNG生产过程中控制品质占有非常突出的位置。整个生产过程需要很多自动化硬件和配套的软件来实现。以保证生产装置的安全、稳定、高效运行，不仅是提高效益的关键，而且对生产人员、生产设备，以及整个厂区安全都十分重要。 二、工艺过程简述 LNG工艺流程图参见P&ID图 1、原料气压缩单元 来自界区外的天然气经过过滤器除去部分碳氢化合物、水和其它的液体及颗粒。35MPa(G)的原料气进入脱CO2单元。 3、脱水脱酸气单元 原料气进入2台切换的干燥器，在这里原料气所含有的所有水分和CO2被脱除，干燥器出口原料气中水的露点在操作压力下低于-100℃。经过分子筛干燥单元，在这里原料气再经过两个过滤器中的一个进行脱粉尘过滤。 4、液化单元 进入冷箱的天然气在中被冷却至-35℃，在这个温度点冷箱分离罐中，脱除大部分重烃；天然气继续冷却至-70℃，在这个温度点，天然气在冷箱分离器中，脱除全部重烃，出口的天然气中C5+重烃含量降至70ppm以下；甲烷气继续冷却至-155℃，节流后进入冷箱分离罐中分离，液体部分即为液化天然气被送至液化天然气储罐中储存，气相部分返回冷箱复温后用作分子筛干燥单元的再生气。 5、储运单元 来自液化单元的液化天然气进入液化天然气储罐中储存，产量为420m3，储罐容量为4500 m3,储存能力为10天。 6、制冷剂压缩单元 按一定比例配比的制冷剂，经过制冷压缩机增压至1.3MPa(G)后经中间冷
LNG气化站工艺流程 LNG卸车工艺 系统：EAG系统安全放散气体 BOG系统蒸发气体 LNG系统液态气态 LNG通过公路槽车或罐式集装箱车从LNG液化工厂运抵用气城市LNG气化站，利用槽车上的空温式升压气化器对槽车储罐进行升压(或通过站内设臵的卸车增压气化器对罐式集装箱车进行升压)，使槽车与LNG储罐之间形成一定的压差，利用此压差将槽车中的LNG卸入气化站储罐内。卸车结束时，通过卸车台气相管道回收槽车中的气相天然气。 卸车时，为防止LNG储罐内压力升高而影响卸车速度，当槽车中的LNG温度低于储罐中LNG的温度时，采用上进液方式。槽车中的低温LNG通过储罐上进液管喷嘴以喷淋状态进入储罐，将部分气体冷却为液体而降低罐内压力，使卸车得以顺利进行。若槽车中的LNG温度高于储罐中LNG
的温度时，采用下进液方式，高温LNG由下进液口进入储罐，与罐内低温LNG混合而降温，避免高温LNG由上进液口进入罐内蒸发而升高罐内压力导致卸车困难。实际操作中，由于目前LNG气源地距用气城市较远，长途运输到达用气城市时，槽车内的LNG温度通常高于气化站储罐中LNG的温度，只能采用下进液方式。所以除首次充装LNG 时采用上进液方式外，正常卸槽车时基本都采用下进液方式。 为防止卸车时急冷产生较大的温差应力损坏管道或影响卸车速度，每次卸车前都应当用储罐中的LNG对卸车管道进行预冷。同时应防止快速开启或关闭阀门使LNG的流速突然改变而产生液击损坏管道。 1．2 LNG气化站流程与储罐自动增压 ①LNG气化站流程 LNG气化站的工艺流程见图1。
图1 城市LNG气化站工艺流程 ②储罐自动增压与LNG气化 靠压力推动，LNG从储罐流向空温式气化器，气化为气态天然气后供应用户。随着储罐内LNG的流出，罐内压力不断降低，LNG出罐速度逐渐变慢直至停止。因此，正常供气操作中必须不断向储罐补充气体，将罐内压力维持在一定范围内，才能使LNG气化过程持续下去。储罐的增压是利用自动增压调节阀和自增压空温式气化器实现的。当储罐内压力低于自动增压阀的设定开启值时，自动增压阀打开，储
八、基本知识 1、什么是液化天然气： 当天然气在大气压下，冷却至约—162摄氏度时，天然气气态转变成液态，称液化天然气。液化天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，液化天然气的重量仅为同体积水的45%左右。 2、什么是压缩天然气： 压缩天然气是天然气加压并以气态储存在容器中。它与管道天然气的成分相同。可作为车辆燃料利用。天然气的用途：主要可用于发电，以天然气燃料的燃气轮机电厂的废物排放量大大低于燃煤与燃油电厂，而且发电效率高，建设成本低，建设速度快；另外，燃气轮机启停速度快，调峰能力强，耗水量少，占地省。天然气也可用作化工原料。以天然气为原料的化工生产装置投资省、能耗低、占地少、人员少、环保性好、运营成本低。天然气广泛用于民用及商业燃气灶具、热水器、采暖及制冷，也可用于造纸、冶金、采石、陶瓷、玻璃等行业，还可用于废料焚烧及干燥脱水处理。天然气汽车的废气排放量大大低于汽油、柴油发动机汽车，不积碳，不磨损，运营费用低，是一种环保型汽车。 3、什么是天然气：天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性，主要成分以甲烷为主。 天然气一般可分为四种： 从气井采出来的气田气或称纯天然气； 伴随石油一起开采出来的石油气，也称石油伴生气； 含石油轻质馏分的凝析气田气； 从井下煤层抽出的煤矿矿井气。 4、发现有人中毒怎么办： 发现有人煤气中毒应迅速关闭煤气表前总开关，把中毒人
员移离现场，并安置在空旷通风场所，使之呼吸新鲜空气；中毒较重的应迅速送往医院抢救，并向医生说明是煤气中毒。5、液化天然气基本知识 （1）天然气的用途： 化工燃料，居民生活燃料，汽车燃料，联合发电，热泵、燃料电池等。（2 ）液化天然气：: 天然气的主要成分为甲烷，其临界温度为190.58K，LNG储存温度为112K（-161℃）、压力为0.1MPa左右的低温储罐内，其密度为标准状态下甲烷的600多倍。 （3 ）LNG工厂主要可分为基本负荷型、调峰型两类。 （4）我国天然气仅占能源总耗的2.6%，到2010年，这一比值预期达到7%—8%。 （5 ）中国的LNG工厂：20世纪90年代末，东海天然气早期开发利用，在上海建设了一座日处理为10万立方米的天然气事故调峰站。2001年，中原石油勘探局建造第一座生产型的液化天然气装置，日处理量为15万立方米。2002年新疆广汇集团开始建设一座处理量为150万立方米的LNG工厂，储罐设计容量为3万立方米。. （6 ）LNG接收终端：深圳大鹏湾，福建湄州湾，浙江、上海等地。] （7）天然气的预处理：脱除天然气中的硫化氢、二氧化碳、水分、重烃和汞等杂质，以免这些杂质腐蚀设备及在低温下冻结而阻塞设备和管道。 （8）脱水：若天然气中含有水分，则在液化装置中，水在低于零度
稀释制冷机是1962年首先由Heinz London提出的，它的制冷过程中使用了氦的二种稳定同 位素3He和4He的混合物作为制冷剂。这个过程要依赖3He和4He特殊的热力学特征。 氦是所有气体中沸点最低的，是最难液化的气体。氦在大气中含量极低，只有5×10-6体积 分数左右。在极低温下，液氦具有量子性质，即粘度很小，仅为10-12Pa?s左右，具有极好的超 流动性, 流动几乎没有阻力。同时，导热系数非常大，比铜大104倍，因此在超流液氦中不可能 形成温度梯度。氦由二种稳定同位素3He和4He组成。正常的氦气里仅含1.3×10-6的3He，因此，除非特别说明，一般均指4He。4He在2.172K以下，具有超流动性，而3He的超流动性要将温度 降到0.003K时才显示出来。在极低温下，液体3He和4He混合时具有吸热效应，这些特性被用于 稀释制冷机中。 Heinz London, German (1907-1970)
低温下3He和4He的液氦混合物相图显示，3He和4He的混合物可以是正常液体、超液体、正 常液体和超流体的两相混合物，取决于混合物的浓度和温度。稀释冷却只可能发生在低于三相点温度的地方。 低温下3He/4He液相混合物相图 在低于三相点（0.87K）的温度下，3He/4He液相混合物将由相界面分成两个不同浓度的液相。一个相主要含有3He，因此被称为3He的浓缩相，对应于从图的右下角至三相点的相平衡线。一 个相主要含有3He，因此被称为4He的浓缩相，对应于从图的左下角至三相点的相平衡线。不论 什么温度下，总是至少含有6％的3He。 油和水的混合物在一起是一个很好的例子，可以说明这种状态。如果维持油水混合物在一个较高的温度，油和水将保持均匀混合。但是，如果降低温度，油会与水分开且浮在上面，仔细分析后发现油中有少量水存在，反之，水中有少量油存在，即这是含有两个不同油水混合物浓度的两相混合物。
LNG液化工艺的三种流程 LNG是通过将常压下气态的天然气冷却至-162℃，使之凝结成液体。天然气液化后可以大大节约储运空间，而且具有热值大、性能高、有利于城市负荷的平衡调节、有利于环境保护，减少城市污染等优点。 由于进口LNG有助于能源消费国实现能源供应多元化、保障能源安全，而出口LNG有助于天然气生产国有效开发天然气资源、增加外汇收入、促进国民经济发展，因而LNG贸易正成为全球能源市场的新热点。为保证能源供应多元化和改善能源消费结构，一些能源消费大国越来越重视LNG的引进，日本、韩国、美国、欧洲都在大规模兴建LNG接收站。我国对LNG产业的发展也越来越重视，LNG项目在我国天然气供应和使用中的作用尤为突出，其地位日益提升。 1 天然气液化流程 液化是LNG生产的核心，目前成熟的天然气液化流程主要有:级联式液化流程、混合制冷剂液化流程、带膨胀机的液化流程。 1.1 级联式液化流程 级联式(又称复迭式、阶式或串级制冷)天然气液化流程，利用冷剂常压下沸点不同，逐级降低制冷温度达到天然气液化的目的。常用的冷剂为水、丙烷、乙烯、甲烷。该液化流程由三级独立的制冷循环组成，制冷剂分别为丙烷、乙烯、甲烷。每个制冷循环中均含有三个换热器。第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲烷提供冷量;第二级乙烯制冷循环为天然气和甲烷提供冷量;第三级甲烷制冷循环为天然气提供冷量;通过9个换热器的冷却，天然气的温度逐步降低，直至液化如下图所示。 1.2 混合制冷剂液化流程 混合制冷剂液化流程(Mixed-Refrigerant Cycle，MRC)是以C1~C5的碳氢物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、膨胀，得到不同温度水平的制冷量，逐步冷却和液化天然气。混合制冷剂液化流程分为许多不同型式的制冷循环。
天然气及液化天然气L N G基础知识
1 天然气的用途：I 化工燃料，居民生活燃料，汽车燃料，联合发电，热泵、燃料电池等。 2 液化天然气：: 天然气的主要成分为甲烷，其临界温度为190.58K，LNG储存温度为112K（-161℃）、压力为0.1MPa左右的低温储罐内，其密度为标准状态下甲烷的600 多倍，体积能量密度为汽油的72%。 3 LNG工厂主要可分为基本负荷型、调峰型两类。液化流程以APCI（美国空气液化公司）流程为主。（丙烷预冷混合制冷剂液化流程） 4 我国天然气仅占能源总耗的2.6%，到2010年，这一比值预期达到7%—8%。) 5 中国的LNG工厂：20世纪90年代末，东海天然气早期开发利用，在上海建 设了一座日处理为10万立方米的天然气事故调峰站。2001年，中原石油勘探 局建造第一座生产型的液化天然气装置，日处理量为15万立方米。2002年新 疆广汇集团开始建设一座处理量为150万立方米的LNG工厂，储罐设计容量为3万立方米。. 6 LNG接收终端：深圳大鹏湾，福建湄州湾，浙江、上海等地。 7 天然气的预处理：脱除天然气中的硫化氢、二氧化碳、水分、重烃和汞等杂质，以免这些杂质腐蚀设备及在低温下冻结而阻塞设备和管道。 8 脱水：若天然气中含有水分，则在液化装置中，水在低于零度时将以冰或霜 的形式冻结在换热器的表面和节流阀的工作部分，另外，天然气和水会形成天 然气水合物，它是半稳定的固态化合物，可以在零度以上形成，它不仅可能导 致管线阻塞，也可以造成喷嘴合分离设备的堵塞。
9 目前常用的脱水方法有：冷却法、吸收法、吸附法等。 10 冷却脱水是利用当压力不变时，天然气的含水量随温度降低而减少的原理实现天然气脱水，此法只适用于大量水分的粗分离。 11 吸附脱水：利用吸湿液体（或活性固体）吸收的方法。三甘醇脱水，适用于大型天然气液化装置中脱出原料气所含的大部分水分。 12 吸附脱水：主要适用的吸附剂有：活性氧化铝、硅胶、分子筛等。现代LNG 工厂采用的吸附脱水方法大都是采用分子筛吸附。在实际使用中，可分子筛同硅胶或活性氧化铝、串联使用。 13 脱硫：酸性气体不但对人体有害，对设备管道有腐蚀作用，而且因其沸点较高，在降温过程中易呈固体析出，必须脱除。 14 在天然气液体装置中，常用的净化方法有：醇胺法，热钾碱法，砜胺法。 15 天然气液化流程：级联式液化流程、混合制冷剂液化流程、带膨胀机的液化流程。 16 天然气液化装置有基本负荷型和调峰型，基本负荷型天然气液化装置是指生产供当地使用或外运的大型液化装置，其液化单元常采用级联式液化流程和混合制冷剂液化流程。调峰型液化装置指为调峰负荷或补充冬季燃料供应的天然气液化装置，通常将低峰负荷时过剩的天然气液化储存，在高峰时或紧急情况下在汽化使用。其液化单元常采用带膨胀机的液化流程和混合制冷剂液化流程。 17 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制冷剂液化流程。流程由三部分组成：混合制冷剂循环，丙烷预冷循环，天然
天然气液化工艺 工业上，常使用机械制冷使天然气获得液化所必须的低温。典型的液化制冷工艺大致可以分为三种：阶式(Cascade)制冷、混合冷剂制冷、带预冷的混合冷剂制冷。 一、阶式制冷液化工艺 阶式制冷液化工艺也称级联式液化工艺。这是利用常压沸点不同的冷剂逐级降低制冷温度实现天然气液化的。阶式制冷常用的冷剂是丙烷、乙烯和甲烷。图3-5[1]表示了阶式制冷工艺原理。第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲烷提供冷量;第二级乙烯制冷循环为天然气和甲烷提供冷量;第三级甲烷制冷循环为天然气提供冷量。制冷剂丙烷经压缩机增压，在冷凝器内经水冷变成饱和液体，节流后部分冷剂在蒸发器内蒸发(温度约-40℃)，把冷量传给经脱酸、脱水后的天然气，部分冷剂在乙烯冷凝器内蒸发，使增压后的乙烯过热蒸气冷凝为液体或过冷液体，两股丙烷释放冷量后汇合进丙烷压缩机，完成丙烷的一次制冷循环。冷剂乙烯以与丙烷相同的方式工作，压缩机出口的乙烯过热蒸气由丙烷蒸发获取冷量而变为饱和或过冷液体，节流膨胀后在乙烯蒸发器内蒸发(温度约-100℃)，使天然气进一步降温。最后一级的冷剂甲烷也以相同方式工作，使天然气温度降至接近-160℃;经节流进一步降温后进入分离器，分离出凝液和残余气。在如此低的温度下，凝液的主要成分为甲烷，成为液化天然气(LNG)。 阶式制冷是20世纪六七十年代用于生产液化天然气的主要工艺方法。若仅用丙烷和乙烯(乙烷)为冷剂构成阶式制冷系统，天然气温度可低达近-100℃，也足以使大量乙烷及重于乙烷的组分凝析成为天然气凝液。 阶式制冷循环的特点是蒸发温度较高的冷剂除将冷量传给工艺气外，还使冷量传给蒸发温度较低的冷剂，使其液化并过冷。分级制冷可减小压缩功耗和冷凝器负荷，在不同的温度等级下为天然气提供冷量，因而阶式制冷的能耗低、气体液化率高(可达90%)，但所需设备多、投资多、制冷剂用量多、流程复杂。
关于一种氦制冷机的制冷量模拟负载装置的机械结构设计 摘要：从装置的机械结构设计到热力设计。机械设计包括结构设计、强度设计、加工工艺设计、整体装配工艺设计。最终确定装置的整体设计加工方案。最终研 制出本装置进行现场测试制冷机的工作性能使用。 关键词：低温系统；模拟负载；结构设计；装配工艺设计 一、模拟负载装置结构设计 1、外筒设计方案 真空腔密封性良好，真空度为10-4Pa–10-3Pa；每个焊接口漏率不低于1.e-10Pa?m3/s。 外筒是用304L的不锈钢板卷圆焊接而成的圆桶，其工艺是采用304L不锈钢钢板，卷管 机械设备迫使形成壳体的形状，利用焊接工艺沿着外围直线进行焊接（需达到能够承受设计 压力和无缝钢管的相关规定以及保持外观美丽）；划线进行确认各种接口的位置和相关技术 要求并进行钻孔，扩孔等相关工序的进行；用打磨机进行去毛刺以及有针对性的进行外观的 处理，务必使壳达到设计的相关。 根据模拟负载真空腔尺寸要求：直径不小于800mm，高度不小于1000mm，因为，现在 设计外筒的内径为850mm，外径为900mm，高为1200mm，并且外筒的表面需要进行抛光，因为外筒是在真空度为10-4Pa–10-3Pa上工作的，因此，外筒体底部的厚度以及侧壁的厚度 要能承担外力作用而不变形。计算外筒体厚度具有两种方法，第一种是查询国家标准GB150-1998，第二种是外压容器计算是先假定一个厚度，然后推算这个假设是否合格的，不合格的 话重新假定。现在我选用第一种方法，假定外筒长为1200mm，名义厚度为25mm，考虑到 腐蚀量都问题，现在取有效厚度为23mm，工作环境为26.8摄氏度，设计压力为1.4Mpa （1）由于， 根据的值，如图3.1所示，确定A值，从表中可得出A=3 因此，现在设计为外筒的内径为850mm，外径为900mm，高为1200mm 模拟负载装置上需要安装压力表，流量计，安全阀等等，因此外筒上需要准备好各类接口， 并且各类接口需要按照国家标准定制，冷箱腔体真空抽气口经常拆卸，需设计为快速接头； 为了外筒的密封性更好，外筒的圆筒盖与筒体之间增加一个密封圈，为了方便打开圆筒盖， 圆筒盖上设置3个吊环，方便打开圆筒盖并且吊起此装置，盖上不仅安装压力表，流量计， 温度传感器，而且液氦的入口、出口和加热管外壳也设置在此盖上。外筒的筒体上安装一个 排气阀，方便抽出密封腔内的气体。 2、圆筒平盖、垫片以及螺栓的设计 模拟负载装置的密封圈采用金属橡胶密封圈，此密封圈采用不锈钢丝制成，不含有任何 的橡胶成分，具有非常良好的性能，能在高真空、强辐射、高温、极低温、以及各种腐蚀环 境下正常工作，并且密封强度好，效果好，可重复使用，此密封圈适用于各种不同压强的场合，一般使用范围为-80~800℃ 根据此模拟负载装置的设计任务书，本模拟负载装置的使用环境是在常温温区（300K）以及 液氮温区（80K）的环境中、而且经常受高低温循环冲击，因此选择金属橡胶密封圈。 1、垫片的计算 因为此垫片选定为O型圈，如图2.1所示，现在是垫片压紧类型， （1）因为，取N=40mm，所以 =20mm 又因为 >6.4mm 所以 =11.3，因为对于筒体端部结构，等于密封面平均直径，所以去 =48mm 其中： -垫片基本密封宽度，mm
稀释制冷机是1962 年首先由Heinz London 提出的，它的制冷过程中使用了氦的二种稳定同 位素3He和4He的混合物作为制冷剂。这个过程要依赖3He和4He特殊的热力学特征氦是所有气体中沸点最低的，是最难液化的气体。氦在大气中含量极低，只有5×10 -6体积 分数左右。在极低温下，液氦具有量子性质，即粘度很小，仅为10-12 Pa?s 左右，具有极好的超 流动性, 流动几乎没有阻力。同时，导热系数非常大，比铜大104 倍，因此在超流液氦中不可能 形成温度梯度。氦由二种稳定同位素3He 和4He 组成。正常的氦气里仅含1.3 ×10 -6的3 He，因此，除非特别说明，一般均指4 He。4He在2.172K 以下，具有超流动性，而3He的超流动性要将温度降到0.003K 时才显示出来。在极低温下，液体3He和4He 混合时具有吸热效应，这些特性被用于稀释制冷机中。 Heinz London, German (1907-1970)
低温下3He和4He 的液氦混合物相图显示，3He和4He 的混合物可以是正常液体、超液体、正 常液体和超流体的两相混合物，取决于混合物的浓度和温度。稀释冷却只可能发生在低于三相点温度的地方。 低温下3He/4He 液相混合物相图 在低于三相点（0.87K ）的温度下，3He/4He 液相混合物将由相界面分成两个不同浓度的液相一个相主要含有3 He，因此被称为3He的浓缩相，对应于从图的右下角至三相点的相平衡线。一个相主要含有3He，因此被称为4He 的浓缩相，对应于从图的左下角至三相点的相平衡线。不论什么温度下，总是至少含有6％的3He。 油和水的混合物在一起是一个很好的例子，可以说明这种状态。如果维持油水混合物在一个较高的温度，油和水将保持均匀混合。但是，如果降低温度，油会与水分开且浮在上面，仔细分 析后发现油中有少量水存在，反之，水中有少量油存在，即这是含有两个不同油水混合物浓度的 两相混合物
浙江长荣能源有限公司 液化天然气（LNG）贮罐气化站供气系统流程说明 一、工艺流程图： 二、槽罐车卸液操作： 1、罐车停稳与连接：液化天然气的专用槽罐车开到装卸区停稳、熄火、拉手刹，用斜木垫固定车轮，防止滑移；先把装卸台上的静电接地线与LN G槽罐车可靠夹接，再用三根软管分别把卸液箱卸液口与槽罐车装卸口可靠连接；并打开卸液箱接口处排气阀，打开槽车顶部充装阀、回气阀，使气体进入软管，再从排气阀放气置换软管内空气，关闭排气阀，检查软管接头处是否密封至不漏气。 2、槽罐与贮罐压力平衡：查看槽罐车内压力和贮罐内的压力，如贮罐内的压力大于槽罐车内压力时，这时打开贮罐顶部充装管道至槽罐车增压器进液管之间的阀门和增压器进液口阀门，使贮罐内的气相与槽罐车内的液相相通，以降低贮罐内的气相压力。当贮罐内与槽罐内的压力相同时，关闭贮罐顶部充装管至槽罐车增压器进液管之间的阀门。 3、槽罐的增压：打开槽罐车与槽罐车增压器进液管之间的阀门，以及槽罐车增压器回气至槽罐车气相管之间的阀门，通过槽罐车增压器增压以提高槽罐车内的气相压力。 4、槽罐卸液：当槽罐罐内压力大于贮罐中压力0.2Mpa左右，可逐渐打开槽罐车出液阀至全开状态。这样槽罐车内的液化天然气通过卸液箱的软管与贮罐上的装卸口连接卸入液化天然气（LNG）贮罐。
三、贮罐的使用操作： 1、贮罐的压力调整至恒压：利用贮罐自带的增压阀、节气回路、增压器把贮罐的压力调整在一定的范围内（一般控制在0.2～0.35MPa），若贮罐内的压力不够，可通过调整增压阀升高设定压力，从而获得足够的供液压力确保正常供气。正常工作时，贮罐增压器的进液阀和出气阀需要打开，以保证贮罐增压器正常工作，确保贮罐的工作压力。 2、供气系统的供气： 、管道和相关设备在首次使用液化天然气时，应使用氮气置换管道和相关设备内的空气，然后用天然气置换管道和相关设备内的氮气，以确保系统中天然气的含量后才能使用液化天然气。正常用气时可根据车间用气量大小确定是开二台空温式气化器还是开一台空温式气化器。打开空温式气化器前后相关阀门以及至车间用气点的阀门，缓慢打开贮罐出液使用阀，液化天然气（LNG）通过空温式气化器吸收空气中的热量，使液态介质气化成气体，同时对气体进行加热升温，使气体接近常温。气化后的天然气再经一级调压阀组调压，把气相压力调至一较低值（一般调至0.09Mpa），然后通过工艺管道进入用气设备前的二级调压阀组，经过二级调压后进入用气设备。 ②、贮罐操作主要是开关出液口阀门及气相使用阀门，一般出液口、气相使用阀门均为双阀，靠近贮罐的一只阀门是常开阀门，另一只是工艺操作阀，这样，一旦工艺操作阀因经常开关而损坏，把近罐的根部阀关闭就可以修理。 ③、贮罐节气操作：在正常用气时，如发现贮罐的压力达到0.6Mpa时，这时可打开贮罐气相使用阀、同时关闭贮罐出液使用阀，让气相代替液相进入空温气化器供气使用；当贮罐压力值下降至正常值0.2Mpa时，再开贮罐出液使用阀，同时关闭气相使用阀；如反复出现贮罐压力达到0.6Mpa时，应报设备产权单位修理或调整设定压力。在使用贮罐气相使用阀时，必须确保贮罐压力不得低于0.15 MPa。以保证生产的正常用气供应。 ④、当生产停产后恢复生产时，应首先确定供气系统和管道内的介质是天然气还是空气。如果介质是空气，则先要用氮气置换供气系统和管道内的空气，再用天然气置换供气系统和管道内的氮气，以确保系统中天然气的含量后才能恢复生产。如果介质是天然气，则可先开贮罐出液口阀旁的贮罐气相使用阀，让贮罐内的气相代替液相进入空温气化器和相关的工艺管道至车间用气设备。等相关设备和管道预冷后再开贮罐出液阀，同时关闭气相使用阀。 四、空温气化器和调压系统的操作： 1、关闭空温气化器出口阀，缓慢打开空温气化器的进液阀，待空温气化器内压力与贮罐内压力相等时，缓慢打开空温气化器出口阀。
如图所示，LNG通过低温汽车槽车运至LNG卫星站，通过卸车台设置的卧式专用卸车增压器对汽车槽车储罐增压，利用压差将LNG送至卫星站低温LNG储罐。工作条件下，储罐增压器将储罐内的LNG增压到0.6MPa。增压后的低温LNG进入空温式气化器，与空气换热后转化为气态天然气并升高温度，出口温度比环境温度低10℃，压力为0.45－0.60 MPa，当空温式气化器出口的天然气温度达不到5℃以上时，通过水浴式加热器升温，最后经调压(调压器出口压力为0.35 MPa)、计量、加臭后进入城市输配管网，送入各类用户。 LNG液化天然气化站安全运行管理 LNG就是液化天然气（Liquefied Natural Gas）的简称，主要成分是甲烷。先将气田生产的天然气净化处理，再经超低温（-162℃）加压液化就形成液化天然气。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，LNG的重量仅为同体积水的45%左右。 一、LNG气化站主要设备的特性 ①LNG场站的工艺特点为“低温储存、常温使用”。储罐设计温度达到负196（摄氏度LNG常温下沸点在负162摄氏度），而出站天然气温度要求不低于环境温度10摄氏度。
②场站低温储罐、低温液体泵绝热性能要好，阀门和管件的保冷性能要好。 ③LNG站内低温区域内的设备、管道、仪表、阀门及其配件在低温工况条件下操作性能要好，并且具有良好的机械强度、密封性和抗腐蚀性。 ④因低温液体泵启动过程是靠变频器不断提高转速从而达到提高功率增大流量和提供高输出压力，所以低温液体泵要求提高频率和扩大功率要快，通常在几秒至十几秒内就能满足要求，而且保冷绝热性能要好。 ⑤气化设备在普通气候条件下要求能抗地震，耐台风和满足设计要求，达到最大的气化流量。 ⑥低温储罐和过滤器的制造及日常运行管理已纳入国家有关压力容器的制造、验收和监查的规范；气化器和低温烃泵在国内均无相关法规加以规范，在其制造过程中执行美国相关行业标准，在压力容器本体上焊接、改造、维修或移动压力容器的位置，都必须向压力容器的监查单位申报。 二、LNG气化站主要设备结构、常见故障及其维护维修方法 1．LNG低温储罐 LNG低温储罐由碳钢外壳、不锈钢内胆和工艺管道组成，内外壳之间充填珠光沙隔离。内外壳严格按照国家有关规范设计、制造和焊接。经过几十道工序制造、安装，并经检验合格后，其夹层在滚动中充填珠光沙并抽真空制成。150W低温储罐外形尺寸为中3720×22451米，空重50871Kg，满载重量123771№。 （1）储罐的结构 ①低温储罐管道的连接共有7条，上部的连接为内胆顶部，分别有气相管，上部进液管，储罐上部取压管，溢流管共4条，下部的连接为内胆下部共3条，分别是下进液管、出液管和储罐液体压力管。7条管道分别独立从储罐的下部引出。 ②储罐设有夹层抽真空管1个，测真空管1个（两者均位于储罐底部）；在储罐顶部设置有爆破片（以上3个接口不得随意撬开）。 ③内胆固定于外壳内侧，顶部采用十字架角铁，底部采用槽钢支架固定。内胆于外壳间距为300毫米。储罐用地脚螺栓固定在地面上。 ④储罐外壁设有消防喷淋管、防雷避雷针、防静电接地线。 ⑤储罐设有压力表和压差液位计，他们分别配有二次表作为自控数据的采集传送
常用的天然气液化流程 不同液化工艺流程，其制冷方式各不相同。在天然气液化过程中，常用天然气液化流程主要包括级联式:液化流程、混合制冷剂液化流程与带膨胀机的液化流程，它们的制冷方式如下。 一、级联式液化流程 由若干个在不同温度下操作的制冷循环重叠组成，其中的高、中、低温部分分别使用高、中、低温制冷剂。高温部分中制冷剂的蒸发用来使低温部分中的制冷剂冷凝，低温部分制冷剂再蒸发输出冷量，用几个蒸发冷凝器将这几部分联系起来。蒸发冷凝器既是高温部分的蒸发器又是低温部分的冷凝器。对于天然气液化，多采用由丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂的三级复叠式制冷循环。 级联式液化流程的优点主要包括： 1、逐级制冷循环所需的能耗最小，也是目前天然气液化循环中效率最高的流程。 2、与混合制冷剂循环相比，换热面积较小； 3、制冷剂为纯物质，无配比问题； 4、各制冷循环系统与天然气液化系统彼此独立，相互影响少、操作稳定、适应性强、技术成熟。 级联式液化流程的缺点： 1、流程复杂、所需压缩机组或设备多，至少要有3台压缩机，初期投资大； 2、附属设备多，必须有生产和储存各种制冷剂的设备，各制冷循环系统不允许相互渗漏，管线及控制系统复杂，管理维修不方便； 3、对制冷剂的纯度要求严格。 根据级联式液化流程的以上特点，该流程无法满足小型撬装式LNG装置对设备布局要求简单紧凑的要求，因此只适用于大型装置，常用于2 X 104~5 X 104m3/d的装置。通过优化设备的配置，级联式液化流程可以与在基本负荷混合制冷剂厂中占主导地位的带预冷的混合制冷剂循环相媲美。 二、混合制冷剂液化流程 该工艺是20世纪60年代末期，由级联式制冷工艺演变而来的，多采用烃类混合物(N2、C1、C2、C3、C4、C5)作为制冷剂，代替级联式制冷工艺中的多个纯组分，其组成根据原抖气的组成和压力确是，利用多组分混合物中重组分先冷凝、轻组分后冷凝的特性，将其依次冷凝、分离、节流、蒸发得到不同温度级的冷量，又据混合制冷剂是否与原料天然气相混合，分为闭式和开式两种混合制冷工艺。 混合制冷剂液化流程的特点是什么? 以C1~C5的碳氢化合物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流、膨胀得到不同温度水平的制冷量，以实现逐步冷却和LNG的工艺流程称之为混合制冷剂液化流程（Mixed-Refrigerant Cycle，MRC），这种流程一般用于液化能力为7 X 104~30 X I04m3/d的装置。 与级联式液化流程相比，MRC的优点是： 1、机组设备少、流程简单、投资省，比经典级联式液化流程的投资费用低15%~20%左右； 2、管理方便； 3、对制冷剂的纯度要求不高；; 4、混合制冷剂组分可以部分或全部从天然气本身提取与补充。 其缺点是：
常用的天然气液化流程 常用的天然气液化流程 不同液化工艺流程，其制冷方式各不相同。在天然气液化过程中，常用天然气液化流程主要包括级联式:液化流程、混合制冷剂液化流程与带膨胀机的液化流程，它们的制冷方式如下。 一、级联式液化流程 由若干个在不同温度下操作的制冷循环重叠组成，其中的高、中、低温部分分别使用高、中、低温制冷剂。高温部分中制冷剂的蒸发用来使低温部分中的制冷剂冷凝，低温部分制冷剂再蒸发输出冷量，用几个蒸发冷凝器将这几部分联系起来。蒸发冷凝器既是高温部分的蒸发器又是低温部分的冷凝器。对于天然气液化，多采用由丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂的三级复叠式制冷循环。 级联式液化流程的优点主要包括： 1、逐级制冷循环所需的能耗最小，也是目前天然气液化循环中效率最高的流程。 2、与混合制冷剂循环相比，换热面积较小； 3、制冷剂为纯物质，无配比问题； 4、各制冷循环系统与天然气液化系统彼此独立，相互影响少、操作稳定、适应性强、技术成熟。 级联式液化流程的缺点： 1、流程复杂、所需压缩机组或设备多，至少要有3台压缩机，初期投资大；
2、附属设备多，必须有生产和储存各种制冷剂的设备，各制冷循环系统不允许相互渗漏，管线及控制系统复杂，管理维修不方便； 3、对制冷剂的纯度要求严格。 根据级联式液化流程的以上特点，该流程无法满足小型撬装式LNG 装置对设备布局要求简单紧凑的要求，因此只适用于大型装置，常用于2X104~5X104m3/d的装置。通过优化设备的配置，级联式液化流程可以与在基本负荷混合制冷剂厂中占主导地位的带预冷的混合制冷 剂循环相媲美。 二、混合制冷剂液化流程 该工艺是20世纪60年代末期，由级联式制冷工艺演变而来的，多采用烃类混合物(N2、C1、C2、C3、C4、C5)作为制冷剂，代替级联式制冷工艺中的多个纯组分，其组成根据原抖气的组成和压力确是，利用多组分混合物中重组分先冷凝、轻组分后冷凝的特性，将其依次冷凝、分离、节流、蒸发得到不同温度级的冷量，又据混合制冷剂是否与原料天然气相混合，分为闭式和开式两种混合制冷工艺。 混合制冷剂液化流程的特点是什么? 以C1~C5的碳氢化合物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流、膨胀得到不同温度水平的制冷量，以实现逐步冷却和LNG的工艺流程称之为混合制冷剂液化流程（Mixed-RefrigerantCycle，MRC），这种流程一般用于液化能力为7443X10~30XI0m/d的装置。 与级联式液化流程相比，MRC的优点是：
液化天然气的流程与工艺研究 随着“西气东输”管线的建成,沿线许多城镇将要实现天然气化,为了解决天然气的储气、调峰及偏远小城镇的供气问题, 液化天然气(英文缩写为LNG) 技术将有十分广阔的应用前景[1 ,2 ] 。天然气液化技术涉及传热、传质、相变及超低温冷冻等复杂的工艺及设备。在发达国家LNG 装置的设计与制造已经是一项成熟的技术。 一、天然气在进入长输管线之前,已经进行了分离、脱凝析油、脱硫、脱水等 净化处理。但长输管线中的天然气仍含有二氧化碳、水及重质气态烃和汞,这些化合物在天然气液化之前都要被分离出来,以免在冷却过程中冷凝及产生腐蚀。因此我们需要进行预处理。天然气的预处理包括脱酸和脱水。一般的脱除酸气和脱水方法有吸收法、吸附法、转化法等。 1. 1 吸收法 该种方法又分为化学溶剂吸收和物理溶剂吸收两类。化学溶剂吸收是溶剂在水中同酸性气体作用,生成“络合物”,待温度升高,压力降低,络合物分解,释放出酸性气体组分,溶剂循环回用。常用的溶剂有一乙醇胺(MEA) 和二乙醇胺(DEA) ,以上方法又叫胺法.物理吸收法的实质是溶剂对酸性气体的选择性吸收而不是起反应。一般来说有机溶剂的吸收能力与被吸收气体的分压成正比,较新的方法是由醇胺和环丁砜加水组成的环丁砜法或苏菲诺法。 1. 2 吸附法 吸附法实质上是固体干燥剂脱水。一般采用两个干燥塔切换吸附与再生,处理量
大的可用3 个或4 个塔。固体干燥剂种类很多,例如氯化钙、硅胶、活性炭、分子筛等。其中分子筛法是高效脱水方法,特别是抗酸性分子筛问世后,即使高酸性天然气也可以在不脱酸性气体情况下脱水。所以分子筛是优良的脱水剂。从长输管道来的天然气进行脱除CO2 和水后,进入液化工序。 二、天然气液化系统主要包括天然气的预处理、液化、储存、运输、利用这5 个子系统。一般生产工艺过程是,将含甲烷90 %以上的天然气,经过“三脱”(即脱水、脱烃、脱酸性气体等) 净化处理后,采取先进的膨胀制冷工艺或外部冷源,使甲烷变为- 162 ℃的低温液体。目前天然气液化装置工艺路线主要有3 种类型:阶式制冷工艺、混合制冷工艺和膨胀制冷工艺。 1. 阶式制冷工艺 阶式制冷工艺是一种常规制冷工艺(图1) 。对于天然气液化过程,一般是由丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂的3 个制冷循环阶组成,逐级提供天然气液化所需的冷量,制冷温度梯度分别为- 30 ℃、- 90℃及- 150 ℃左右。净化后的原料天然气在3 个制冷循环的冷却器中逐级冷却、冷凝、液化并过冷,经节流降压后获得低温常压液态天然气产品,送至储罐储存。 阶式制冷工艺制冷系统与天然气液化系统相互独立,制冷剂为单一组分,各系统相互影响少,操作稳定,较适合于高压气源(利用气源压力能) 。但由于该工艺制冷机组多,流程长,对制冷剂纯度要求严格,且不适用于含氮量较多的天然气。因此这种液化工艺在天然气液化装置上已较少应用。 2. 混合制冷工艺 混合制冷工艺是六十年代末期由阶式制冷工艺演变而来的,多采用烃类混合物(N2 、C1 、C2 、C3 、C4 、C5) 作为制冷剂,代替阶式制冷工艺中的多个纯组分。其制冷剂组成根据原料气的组成和压力而定,利用多组分混合物中重组分先冷凝、轻组分后冷凝的特性,将其依次冷凝、分离、节流、蒸发得到不同温度级的冷量。又据混合制冷剂是否与原料天然气相
L N G加气站工艺流程标准化文件发布号：（9312-EUATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-
1 LNG汽车加气站的基本构成 LNG汽车加气站主要由LNG槽车、LNG储罐、卸车/调压增压器、LNG低温泵、加气机及LNG车载系统等设备组成。LNG汽车加气站一般分为常规站和橇装站。 ①常规站：建在固定地点，LNG通过卸气装置，储存在LNG储罐中，采用加气机给汽车加LNG。 ②橇装站：将加气站相关设备和装置安装在汽车或橇体上，工厂高度集成，便于运输和转移，适用于规模较小的加气站。 2 LNG汽车加气站的工艺流程 LNG汽车加气站的工艺流程分为卸车流程、调压流程、加气流程及卸压流程4个步骤[1]。 ①卸车流程 将集装箱或汽车槽车内的LNG转移至LNG汽车加气站储罐内，有3种方式：增压器卸车、浸没式低温泵卸车、增压器和低温泵联合卸车。 a. 增压器卸车 通过增压器将气化后的气态天然气送入LNG槽车，增大槽车的气相压力，将槽车内的LNG压入LNG储罐。此过程给槽车增压，所以卸完车后需要给槽车减压～，需排出大量的气体。 b. 浸没式低温泵卸车 将LNG槽车和LNG储罐的气相空间相连通，通过低温泵将槽车内的LNG卸入LNG储罐。 c. 增压器和低温泵联合卸车 先将LNG槽车和LNG储罐的气相空间相连通，然后断开，在卸车的过程中通过增压器适当增大槽车的气相压力，用低温泵卸车。 第1种卸车方式的优点是节约电能，工艺流程简单；缺点是产生较多的放空气体，卸车时间长。第2种卸车方式的优点是不产生放空气体；缺点是耗能，工艺流程相对复杂。第3种卸车方式与第2种卸车方式相比，卸车时间相差不多，缺点是耗电能，也产生放空气体，流程较复杂。一般工程上选用第2种卸车方式。 ②调压流程 LNG汽车发动机需要车载气瓶内的饱和液体压力较高，一般为～，而运输和储存时LNG饱和液体的压力越低越好。因此，在为汽车加气之前，需使储罐中的LNG升压以得到一定压力的饱和液体，同时在升压的过程中饱和温度相应升高。升压有3种方式：增压器升压、泵低速循环升压、增压器与泵低速循环联合升压。这3种方式各有优缺点，应根据工程的实际需要进行选用。 ③加气流程
天然气液化工艺流程综述 杨雪婷，阮家林 （杭州福斯达实业集团有限公司） 摘 要：阐述了天然气液化的主要工艺流程以及各种工艺流程的特点和使用范围，同时介绍了国内引进的几套典型的混合制冷的天然气液化装置，浅谈了LNG技术的发展趋势。 关键词：LNG流程组织；特点；使用范围； LNG发展 液化天然气由于其环保性而成为取代其他燃料的最佳物质，其应用领域将扩大到发电、汽车用气、工业用气、城市居民用气、化工用气、以及冷能的综合利用等方面。 全球液化天然气贸易的迅猛发展促使LNG工业规模不断扩大，LNG工厂成倍增加。目前已经有16个国家，建了30余座天然气液化厂，共有82条生产线已经或即将建成，单条生产线的最大生产能力达到780×104 t/a。预计到2012年，全世界的天然气液化能力将达到（4～5）×108 t/a。 1 国内外天然气液化主要工艺流程介绍 液化是LNG生产的核心。目前，天然气液化工业成熟的工艺路线主要有3种类型：阶式制冷工艺、膨胀制冷工艺和混合冷剂制冷工艺。 1.1 阶式制冷流程 阶式液化流程是最早应用于液化天然气的工艺流程，从20世纪60年代开始广泛应用于基本负荷型天然气液化装置。 典型的阶式制冷循环一般是由丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂的3个单独的制冷系统串联组成，每个系统均有一套压缩机组。净化后的原料天然气在3个制冷循环的冷却器中逐级冷却、冷凝、液化并过冷，经节流降压后获得低温常压液态天然气产品。阶式制冷工艺技术成熟，制冷系统与天然气液化系统相互独立，各系统相互影响少，制冷剂均为纯物质，不存在配比问题，系统操作稳定好，同时，设计合理的级联式循环通常是在液化循环中耗