專利名稱：一種天然氣液化的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃氣的液化裝置，尤其涉及對甲垸含量在90%以上的煤層氣、低產量氣 井所生產的天然氣進行液化的裝置。
背景技術：
煤層氣(也稱瓦斯氣)的組份中包括了以甲垸為主的烷烴類可燃氣體。從氣井中開采出的 天然氣也是以甲烷為主的烷烴類可燃氣體。故在本案中，把兩者統一稱為天然氣。其中，煤層中的天然氣是煤礦發生瓦斯爆炸、造成礦難的元兇。防止瓦斯爆炸的辦法之 一是，在煤層開采前通過鉆入煤層內的集氣管道先將天然氣抽出。抽出的天然氣都用于附近 居民的日常生活。但在抽出的天然氣過多、附近居民用不完時，就不得不將這些用不完的天 然氣直接排放、或讓其在大氣中燃燒掉。這樣，不但造成了極大的浪費，而且還影響到了環 境。如能將這些煤層氣液化為液體天然氣(LNG)，用槽車運送到臨近的城市，在供氣站中汽 化后，再供給民用或給汽車加氣將不失為一個較為可行的方案。在五、六十年代，國外早己 有了天然氣液化裝置，我國也已經引進了幾臺。目前、由國內深冷行業和科研院校自主研發、 也已生產出多臺了。從液化流程方面講，上述的現有裝置大多采用多級壓縮的級聯方式，即 采用氟利昂、丙烷、乙烷、氮氣等制冷劑各自獨立的循環。為盡可能地回收可回收的能量， 其系統中還使用了膨脹機作為節流裝置來回收能量。另外，無論以上那一種液化裝置,其換 熱裝置全都采用了鋁制板翅式高效換熱器。然而，由于國外的天然氣液化裝置的日產量均在幾十萬 幾百萬Nrf之間，國內自主研 發的天然氣液化裝置的日產量也不低于50000 Nm'。而單組煤層氣井的產量一般都不大，通 常僅在5000 20000Nm7日之間。因此，無論是引進國外的，或是購買國內自主研發的，不 但對單組煤層中的天然氣液化顯得過大，而且運行成本也十分高昂。另外，各地在天然氣鉆 探過程中，因日產量過低而基本無開采價值的廢棄井也為數不少(在重慶范圍內就有2()0 300 口左右)。同樣也需要適合其相應產氣量的天然氣液化裝置，以使這些廢棄井得到利用。 但是，目前在國內外均沒有適合其日產量小于50000 Nmi的、運行成本低廉的天然氣液化裝 置。原因是目前的這些各自獨立制冷劑循環的液體裝置、需要多臺壓縮機、多股氣流進行換 熱，從投資、加工工藝、以及運行管理方面均不適合小型裝置。在理論上講，只用單臺壓縮機來壓縮全混合制冷劑的天然氣液化方法是可行的。但到目 前為止，還僅僅停留在理論探討上，至今還沒有一個真正實施的實用裝置。實用新型內容本實用新型的第一目的是，提供一種適合于小產氣量(日產量小于50000 Nm')的小型天 然氣液化裝置。本實用新型的第二目的是，提供一種成本低廉的、能夠在小型天然氣液化裝置中監測與 調整混合制冷劑比例的裝置結構。為達到本實用新型的第一目的，提供這樣一種天然氣液化的裝置。在該裝置中，壓縮機 僅有一臺，通過這一臺壓縮機來壓縮的是除去了雜質的原料天然氣和由丙烷、乙烯、甲垸混 合而成的循環制冷劑；其中，丙垸、乙烯和甲烷的重量混合比為1.76: 1.27: l.O(特別說 明天然氣本身就是以甲烷含量為主的烷烴類可燃氣體，本實用新型把甲烷單獨提出來與天 然氣區別表述，是因為這部分甲垸在制備液化天然氣的過程中是拿來作為制冷劑利用、且最 終并不與液化天然氣一道儲存和外運的，而是作為回流返回壓縮機)。在該壓縮機之后依次連接的設備包括-冷卻從壓縮機輸出的高溫高壓混合氣體的第一個后冷卻器；把從原料天然氣中帶來的、經冷卻而凝結為液體的重烴組份從該混合氣體中分離開、并把該重烴組份從其底部排除、把該混合氣體從其頂部輸出的一個重烴分離箱；對除去了重烴組份的混合氣體進行冷卻，以得到帶有液態丙烷的氣液兩相流的第二個后冷卻器；把液態丙烷從它所在的氣液兩相流中分離出來的一個重力式的丙垸液體分離箱一一分 離出的液態丙烷從該丙烷液體分離箱的底部輸出，余下的混合氣體從該丙烷液體分離箱的頂
部輸出；一個讓分離了丙烷的余下混合氣體在其殼體上部進入其殼體空間內設置的盤形換熱管 中進一步冷卻、以得到帶有液態乙烯的氣液兩相流，同時讓液態丙烷通過與丙垸液體分離箱 底部相通的一個節流閥節流降壓后、在其殼體中部通過若干個噴嘴進入其殼體空間內按照保 持混合比而需返回丙垸氣的量蒸發，并在把蒸發得到的丙垸氣回送到壓縮機中去之前，先作 為制冷劑來冷卻該盤形換熱管中的混合氣體的丙烷冷卻器；把液態乙烯從它所在的氣液兩相流中分離出來的一個重力式的乙烯液體分離箱——分 離出液態乙烯從該乙烯液體分離箱的底部輸出，余下的混合氣體從該乙烯液體分離箱的頂部 輸出；一個讓分離了乙烯的余下混合氣體在其殼體上部進入其殼體空間內設置的盤形換熱管 中進一步冷卻、以得到帶有液態甲垸的氣液兩相流，同時讓液態乙烯通過與乙烯液體分離箱 底部相通的一個節流閥節流降壓后、在其殼體中部通過若干個噴嘴進入其殼體空間內按照保 持混合比而需返回乙烯氣的量蒸發，并在把蒸發得到的乙烯氣經過丙烷冷卻器而回送到壓縮 機中去之前，先作為制冷劑來冷卻該盤形換熱管中的混合氣體的乙烯冷卻器；把分離了乙烯、且帶有液態甲垸的氣液兩相流輸入其殼體空間內設置的盤形換熱管中進 一步冷卻和液化的一個回氣冷卻器；通過一個節流閥與該回氣冷卻器連接的、把液態甲烷從它所在的氣液兩相流中分離出來 的一個重力式的甲垸液體分離箱——分離出液態甲烷從該甲垸液體分離箱的底部輸出，余下 的天然氣從該甲烷液體分離箱的頂部輸出；一個把分離了液態甲烷的余下天然氣在其殼體上部進入其殼體空間內設置的盤形換熱 管中進一步冷卻，同時讓分離出的液態甲烷通過與甲烷液體分離箱底部相通的一個節流閥節 流降壓后、在其殼體下部進入其殼體空間內按照保持混合比所需甲烷氣量蒸發，并把蒸發得 到的甲烷氣作為制冷劑來冷卻和液化該盤形換熱管中的天然氣的甲垸冷卻器；一個其殼體空間內設置的盤形換熱管的上端與甲烷冷卻器殼體空間內的盤形換熱管下 端聯通，其盤形換熱管下端通過一個控制閥與一個液體天然氣儲存罐聯通的液化天然氣過冷 器——
的回氣閥；在與甲烷液體分離箱底部聯通的節流閥和甲烷冷卻器殼體之間，連接有一條分支管；該 分支管的另一端與液化天然氣過冷器的殼體聯通，以讓通過該節流閥節流降壓后的甲烷，同 時對該液化天然氣過冷器內盤形換熱管中的天然氣作進一步過冷卻。在該液化天然氣過冷器 的殼體頂部和甲烷冷卻器的殼體中部之間、在該甲烷冷卻器的殼體頂部與回氣冷卻器的殼體 底部之間、在該回氣冷卻器的殼體頂部與乙烯冷卻器的殼體中部之間，各連接有一條回氣管。進一步的改進是，在甲烷冷卻器和液化天然氣過冷器的兩組盤形換熱管之間串聯進了一 個不凝性氣體分離箱，該不凝性氣體分離箱由位于其上部的不凝性氣體分離室和位于其下部 的閃蒸室構成。該不凝性氣體分離室與甲烷冷卻器的盤形換熱管聯通，其頂部有一個不凝性 氣體排放管；該閃蒸室的底部與液化天然氣過冷器的盤形換熱管聯通，其上部通過一個節流 閥與甲烷冷卻器的殼體聯通；不凝性氣體分離室和閃蒸室之間通過一個節流閥聯通。更進一步的改進是，在上述裝置中，所有的盤形換熱管由耐低溫的不銹鋼管或銅管制成。為達到本實用新型的第二目的，提供這樣一種能夠在小型天然氣液化裝置中監測與調整 混合制冷劑比例的裝置結構。該裝置結構是在丙垸冷卻器和乙烯冷卻器，各連接有一個其 內充裝有著色冷凍機油的液位計。各個液位計的下端與對應的各個冷卻器的底部之間通過一 段呈倒置U字型的液封管聯通，各個液位計的上端與對應冷卻器的氣空間聯通。在該液封管 靠近液位計一側有一段中擴大了直徑的著色冷凍機油存儲管。在丙烷冷卻器和乙烯冷卻器底 部內的液態丙垸、液態乙烯液面之下各有一個排液管，在該液面之上各有一個補氣管，在丙 烷冷卻器和乙烯冷卻器底部的被冷卻介質出口各有一個測溫點。與現有的天然氣液化的裝置相比較，本實用新型的優越性如下1、從實現本實用新型的第一目的的方案中可以看出，由于本實用新型根據小型化的需 要，僅采用了一臺壓縮機來壓縮多種制冷劑、并且用節流閥替代了現有裝置中的膨脹機，這 樣，僅在費用比例較高的壓縮機和膨脹機上就節約了大量的成本。在清楚地了解本實用新型 的裝置后，本領域的技術人員完全能夠用公知公用方法(及其儀器)來監測與調整回送到壓縮 機中去的混合制冷劑中各組份的比例。例如，用光譜分析的方法和自動控制、調整結合起來。 這樣，既克服了在現有大型裝置中的那種各自獨立的循環系統、多股氣流進行換熱，而需要 多臺壓縮機、復雜的換熱器設備和復雜工藝的缺陷；又把只用單臺壓縮機來壓縮的全混合制 冷劑的天然氣液化方法(即只存在兩股氣流之間在裝置中換熱)提升到可以實際運用的程度。2、 從實現本實用新型的第一目的之更進一步改進部分可以看出，由于本裝置中的盤形 換熱管(即換熱器)由耐低溫的不銹鋼管或銅管制成。于是，對煤層氣、低產量氣井氣這類具 有的組份多變，原料氣中雜質含量不確定的氣源來講，就不必像對待現有技術中的鋁制板翅 式換熱器那樣，事先必須充分凈化原料氣才能保證設備長期、可靠的運行。除去原料天然氣 中雜質(通常包括有H2S、 S02、 C02、 H20, N2、 02及Hg等)的要求降低后，設備成本與運行成 本又節省了許多。3、 為便于理解，實現本實用新型第二目的裝置結構的監測與調整混合制冷劑比例的原 理與操作過程，在帶有附圖標記的"具體實施方式
"中介紹，在本部分僅介紹它的優點。其 優點是，節省了光譜分析儀等運用在小型天然氣液化裝置中其價格過分顯得昂貴的儀器，節 省了大筆的培訓、管理與維護經費。另外，與現有技術相比較，由于在本實用新型中，減少了或簡化了主要設備和相關儀器， 于是，整套裝置就可以制造成便于轉場的結構形式，例如撬裝式。這樣，整套裝置的就具 有了很好的適用性，其利用率也就更大。
以下結合附圖對本實用新型作進一步的說明。
圖1——本實用新型天然氣液化裝置的系統示意圖圖2——本實用新型中丙烷(或乙烯)液體分離箱與丙烷(或乙烯)冷卻器組合為一個組件 設備的結構示意圖(兩個組件基本相同，只是在乙烯液體分離箱與乙烯冷卻器組合成的組件 中沒有由雙點劃線畫出的乙烯氣回氣管)圖3——本實用新型中甲烷液體分離箱、甲烷冷卻器、不凝性氣體分離箱、液化天然氣 過冷器和液化天然氣過冷器組合為一個組件設備的結構示意圖具體實施方式
一種天然氣液化的裝置(參考圖1)。在該裝置中，壓縮機l僅用一臺(顯然，為了保證有 足夠的出口壓力，所選壓縮機1至少應當是雙級壓縮機)，通過這一臺壓縮機1來壓縮的是 除去了雜質的原料天然氣和由丙垸、乙烯、甲烷混合而成的循環制冷劑；其中，丙烷、乙烯 和甲烷的重量混合比為1. 76 : 1. 27 : 1. 0。在該壓縮機1之后依次連接的設備包括冷卻從壓縮機1輸出的高溫高壓混合氣體的第一個后冷卻器2;把從原料天然氣中帶來的、經冷卻而凝結為液體的重烴組份從該混合氣體中分離開、并 把該重烴組份從其底部排除、把該混合氣體從其頂部輸出的一個重烴分離箱3(排除的重烴組 份是液體，它可再次汽化，用作燃料；或以液態狀況出售)；對除去了重烴組份的混合氣體進行冷卻，以得到帶有液態丙烷的氣液兩相流的第二個后 冷卻器4(第一和第二冷卻器購買市售的水冷式冷卻器即可，通常，由壓縮機廠配套提供)；把液態丙垸從它所在的氣液兩相流中分離出來的一個重力式的丙烷液體分離箱5(參考 圖2)——分離出的液態丙烷從該丙垸液體分離箱5的底部輸出，余下的混合氣體從該丙垸液體分離箱5的頂部輸出；一個讓分離了丙烷的余下混合氣體在其殼體上部進入其殼體空間內設置的盤形換熱管 中進一步冷卻、以得到帶有液態乙烯的氣液兩相流，同時讓液態丙烷通過與丙烷液體分離箱5底部相通的一個節流閥6節流降壓后、在其殼體中部通過若干個噴嘴(本具體實施方式
為十 二個)進入其殼體空間內按照保持混合比而需返回丙烷氣的量蒸發，并在把蒸發得到的丙烷 氣回送到壓縮機l中去之前，先作為制冷劑來冷卻該盤形換熱管中的混合氣體的丙烷冷卻器 7(參考圖2);把液態乙烯從它所在的氣液兩相流中分離出來的一個重力式的乙烯液體分離箱8(參考 圖2)——分離出液態乙烯從該乙烯液體分離箱8的底部輸出，余下的混合氣體從該乙烯液體 分離箱8的頂部輸出；一個讓分離了乙烯的余下混合氣體在其殼體上部進入其殼體空間內設置的盤形換熱管 中進一步冷卻、以得到帶有液態甲烷的氣液兩相流，同時讓液態乙烯通過與乙烯液體分離箱 8底部相通的一個節流閥9節流降壓后、在其殼體中部通過若干個噴嘴(本具體實施方式
為十
二個)進入其殼體空間內按照保持混合比而需返回乙烯氣的量蒸發，并在把蒸發得到的乙烯 氣經過丙垸冷卻器7而回送到壓縮機1中去之前，先作為制冷劑來冷卻該盤形換熱管中的混合氣體的乙烯冷卻器IO(參考圖2);把分離了乙烯、且帶有液態甲烷的氣液兩相流輸入其殼體空間內設置的盤形換熱管中進一步冷卻和液化的一個回氣冷卻器11;通過一個節流閥12與該回氣冷卻器11連接的、把液態甲烷從它所在的氣液兩相流中分離出來的一個重力式的甲垸液體分離箱13(參考圖3)——分離出液態甲烷從該甲烷液體分離箱13的底部輸出，余下的天然氣從該甲垸液體分離箱13的頂部輸出；一個把分離了液態甲烷的余下天然氣在其殼體上部進入其殼體空間內設置的盤形換熱管中進一步冷卻，同時讓分離出的液態甲垸通過與甲烷液體分離箱13底部相通的一個節流 閥14節流降壓后、在其殼體下部進入其殼體空間內按照保持混合比所需甲烷氣量蒸發，并 把蒸發得到的甲烷氣作為制冷劑來冷卻和液化該盤形換熱管中的天然氣的甲烷冷卻器15 (參 考圖1、圖3)——也就是說，在該甲烷冷卻器15中，天然氣應該己經液化。因此，為了確 保有足夠的甲烷制冷劑進入該甲垸冷卻器15中，可以通過調節設置在下述分支管中的調節 閥141開度、或者通過在節流閥14后的進入該甲烷冷卻器15的管道上和下述分支管管道上 分別設置其孔徑大小不同的節流孔板來實現；一個其殼體空間內設置的盤形換熱管的上端與甲烷冷卻器15殼體空間內的盤形換熱管 下端聯通，其盤形換熱管下端通過一個控制閥201與一個液體天然氣儲存罐20聯通的液化 天然氣過冷器19(參考圖3)——在該液體天然氣儲存罐20與液化天然氣過冷器19殼體之間 接有一個平穩壓力的回氣閥191,以便在液體天然氣儲存罐20受熱升壓或加注液體天然氣 時，向液化天然氣過冷器19排放超壓的氣態天然氣；在與甲烷液體分離箱13底部聯通的節流閥14和甲烷冷卻器15殼體之間，連接有 -條 分支管。該分支管的另一端與液化天然氣過冷器19的殼體聯通，以讓通過該節流閥14節流 降壓后的甲烷，同時對該液化天然氣過冷器19內盤形換熱管中的天然氣作進一步過冷卻(目 的是減少液化天然氣在儲存和運輸過程中的蒸發損失)。在該液化天然氣過冷器19的殼體頂 部和甲烷冷卻器15的殼體中部之間、在該甲垸冷卻器15的殼體頂部與回氣冷卻器11的殼
體底部之間、在該回氣冷卻器11的殼體頂部與乙烯冷卻器10的殼體中部之間，各連接有-條回氣管。進一步講，為了本實用新型的裝置能夠非常可靠地運行，在本具體實施方式
中，丙烷液體分離箱5、乙烯液體分離箱8和甲烷液體分離箱13的箱體內，均有一個煙囪狀的余下混合 氣體或余下天然氣的排出管；該排出管的外側空間是分離室，連接在該丙烷液體分離箱5、 乙烯液體分離箱8和甲烷液體分離箱13底部的各個節流閥(6、 9、 14)是連接在該分離室底 部的；在該排出管內的底部有一個與它們各自聯通的盤形換熱管上端相通的余下混合氣體或 余下天然氣的匯集區B;在丙烷冷卻器7、乙烯冷卻器10和液化天然氣過冷器19的底部， 各有其上部與盤形換熱管的下端相通、其最底部有一個接有出液管的匯集區A(參考圖2、圖 3)。更進一步講，為了不受從原料天然氣中帶來的不凝性氣體影響，以確保壓縮、液化天然 氣的過程能夠持續地進行下去。本具體實施方式
中，在甲垸冷卻器15和液化天然氣過冷器 19的兩組盤形換熱管之間串聯進了一個不凝性氣體分離箱17，該不凝性氣體分離箱17由位 于其上部的不凝性氣體分離室和位于其下部的閃蒸室構成。該不凝性氣體分離室與甲烷冷卻 器15的盤形換熱管聯通，其頂部有一個不凝性氣體排放管21;該閃蒸室的底部與液化天然 氣過冷器19的盤形換熱管聯通，其上部通過一個節流閥16與甲烷冷卻器15的殼體聯通； 不凝性氣體分離室和閃蒸室之間通過一個節流閥18聯通。在本具體實施方式
中，丙垸液體分離箱5與丙烷冷卻器7、乙烯液體分離箱8與乙烯冷 卻器IO，均以各自的分離箱在上、各自的冷卻器在下的形式組合為各一個組件設備；其中的 盤形換熱管均由耐低溫的不銹鋼管或銅管制成(參考圖2)。在本具體實施方式
中，按照從上到下的順序，甲烷液體分離箱13、甲垸冷卻器15、不 凝性氣體分離箱17和液化天然氣過冷器19組合為一個組件設備；其中的盤形換熱管均由耐 低溫的不銹鋼管或銅管制成(參考圖3)。當然，本實用新型裝置中的其他部分也可以均用耐低溫的不銹鋼制作而成。如前所述，回送到壓縮機l中去的混合制冷劑中各組份的比例，應當監測與調整、且完 全可以用公知公用方法來監測與調整。在本具體實施方式
中，則采用了一種適合本實用新型
這類小型天然氣液化裝置的監測與調整結構(參考圖2)。其結構特征是，在丙垸冷卻器7和 乙烯冷卻器IO，各連接有一個其內充裝有著色冷凍機油的液位計23。各個液位計23的下端 與對應的各個冷卻器的底部之間通過一段呈倒置U字型的液封管聯通，各個液位計23的上 端與對應冷卻器的氣空間聯通；在該液封管靠近液位計23 —側有一段中擴大了直徑的著色 冷凍機油存儲管，該液封管的最高處一般應高于對應的各個冷卻器底部內的液態丙烷、液態 乙烯的液面。在丙烷冷卻器7和乙烯冷卻器IO底部內的液態丙烷、液態乙烯液面之下各有 一個排液管24,在該液面之上各有一個補氣管22，在丙烷冷卻器7和乙烯冷卻器10底部的 被冷卻介質出口各有一個測溫點25。下面對上述具體實施方式
中的天然氣液化過程(步驟)，作較詳細的介紹。a、 將除去了雜質的原料天然氣和循環制冷劑一起吸入該壓縮機1中、以進行壓縮的步 驟。在該步驟中，壓縮機l的出口壓力為3.0 Mpa~4.0 Mpa，出口溫度為12(TC 140。C。b、 對從該壓縮機1輸出的高溫高壓混合氣體輸入冷卻器2中進行冷卻的歩驟。在該步 驟中，混合氣體被冷卻后的溫度為79'C 8rC。c、 在重烴分離箱3中將從原料天然氣中帶來的、經冷卻而凝結為液體的重烴組份從該 混合氣體中分離開、并排除該重烴組份的步驟。d、 對去除了重烴組份的混合氣體在后冷卻器4進行冷卻，以得到帶有液態丙烷的氣液 兩相流的步驟。在該步驟中，混合氣體被冷卻后的溫度為3(TC 35-C。e、 在丙烷液體分離箱5中把液態丙烷從它所在的氣液兩相流中分離出來；然后通過節 流阓6對該液態丙垸進行節流降壓，讓它在丙垸液體分離箱5的箱體內按照保持混合比而所 需返回丙垸氣的量蒸發，并借其蒸發吸熱過程來對在丙烷液體分離箱5內的盤形換熱管中的 余下混合氣體進一步冷卻，以得到帶有液態乙烯的氣液兩相流，接著把丙烷氣回送到壓縮機 1中去的步驟。在該步驟中，其液態丙烷節流降壓后的壓力為O. 102Mpa 0. 105Mpa，此時、 節流后已蒸發和未蒸發丙烷的氣液兩相流的溫度為-42°C -40'C。被冷卻后所得到的帶有液 態乙烯的氣液兩相流的溫度為-38°C -36'C。f、 乙烯液體分離箱8中把液態乙烯從它所在的氣液兩相流中分離出來，然后通過節流 閥9對該液態乙烯進行節流降壓、讓它在乙烯液體分離箱10的箱體內按照保持混合比而需
返回的乙烯氣量蒸發，并借其蒸發吸熱過程來對在乙烯液體分離箱10內的盤形換熱管中的余下的混合氣體進一步冷卻，以得到帶有液態甲烷的氣液兩相流，接著把乙烯氣通過丙烷液體分離箱5后回送到壓縮機1中去的步驟。在該步驟中，其液態乙烯節流降壓后的壓力為 0.102 Mpa 0. 105 Mpa，節流后已蒸發和未蒸發乙烯的氣液兩相流的溫度為-103°C -102 °C，冷卻后所得到的帶有液態甲烷的氣液兩相流的溫度為-98°C -97°C。g、 在回氣冷卻器11中對帶有液態甲烷的氣液兩相流進一步冷卻；然后通過節流閥12 對其節流降壓到1.25 Mpa 1.6 Mpa，溫度降到-119'C后，再在甲烷液體分離箱13中把液 態甲垸從它所在的氣液兩相流中分離出來以作為冷卻介質；接著通過節流閥14后讓甲烷液 體分成兩路輸出。h、 該甲垸液體大部分進入甲烷冷卻器15的箱體內蒸發，以把甲垸冷卻器15內盤形換 熱管中的冷卻為液體，然后讓該液態天然氣通過節流閥18進入不凝性氣體分離箱17中，以 分離并排放其中的不凝性氣體；接著把分離了不凝性氣體的液態天然氣輸入到液化天然氣過 冷器19內的盤形換熱管中，以讓從另一路輸入進該液化天然氣過冷器19箱體內的甲烷制冷 劑對其過冷卻(過冷)。在該步驟中，液態甲烷是通過節流降壓后來作為冷卻介質的，其降壓 后的壓力為0.102 Mpa 0.105 Mpa，溫度為-163'C -162°C。i、 最后，把已過冷卻的液態天然氣通過控制閥201送入液體天然氣儲存罐20,以待外 運。在開啟控制閥201的同時，要開啟聯通天然氣儲存罐20與液化天然氣過冷器19的回氣 閥191。其中，回氣冷卻器11箱體中作為制冷劑的甲烷氣體是通過分別與其后幾個箱體串聯起 來的多條回氣管回送來的。該回氣冷卻器11箱體與乙烯液體分離箱10箱體之間也連接有-條回氣管。下面，再以丙烷液體分離箱5與丙烷冷卻器7為例，結合在該組件設備中的整個工作過 程，來介紹監測及其調整所述循環制冷劑混合比的原理與過程在丙烷液體分離箱5中分離 出的丙烷液體，經節流閥6節流降壓后，進入丙烷冷卻器7的殼體空間(最好是，通過圍繞 丙垸冷卻器7布置的若干個噴咀噴入，以強化傳熱)，受盤形換熱管中自上而下流動的天然 氣、甲垸和乙烯氣體的加熱而部分蒸發，未蒸發的丙烷液體則下降到殼體空間的底部，形成
液面，繼續被盤形換熱管中的天然氣、甲烷和乙烯介質加熱，并連續不斷地沸騰蒸發。蒸發 出來的丙烷氣體、匯合來自乙烯冷卻器IO的甲垸和乙烯氣體， 一起被加熱后從上部流出、 并返回壓縮機l。盤管中被冷卻的天然氣、甲烷和乙烯氣體，在下降過程中，其中的乙烯開 始凝結成液體，最終成為乙烯液體和甲垸蒸汽的混合物、從丙烷冷卻器7底部排出，進入乙 烯液體分離箱8。分析丙烷冷卻器7中盤管內外的傳熱過程，其上部是天然氣、乙烯和甲烷氣體對于丙垸 氣體和回流氣的傳熱過程，稱為氣相與氣相的傳熱過程。在中部、當盤管內乙烯開始冷凝時 起，盤管外部主要仍然是丙烷氣和回流氣(噴淋的作用只起到強化傳熱的效果)，因此，中部 是冷凝和氣相的傳熱過程；在下部、當盤管進入丙烷液面以下時，就成為冷凝和沸騰蒸發的 傳熱過程。通過對不同傳熱過程的計算表明，中部冷凝與氣相的傳熱系數的大小、屬百位數 等級；而下部冷凝與沸騰蒸發的傳熱系數、其大小是千位數等級的，兩者相差一個數量級。 因此，如果改變丙垸冷卻器7殼體中丙烷的液位，就能顯著地改變丙烷的增發量。換句話說， 控制了液位也就能控制丙烷的蒸發量，也即返回壓縮機1的丙烷回流量。控制殼體中丙垸液位的方法十分簡易，只需改變節流閥6的開度就能達到。當節流閥6 開大時，液位就會上升；反之當節流閥6關小時液位下降。這個操作過程，所需的節流閥6 和液位計23都安置在實際裝置中的保溫箱(亦稱冷箱)箱體的面板上。必須指出的是、液位 計23連接管中的丙烷液體在長期停留后，都會蒸發成氣體，不能反映實際的液位。因此， 液位計23中必須充裝其他不會蒸發的液體，本具體實施方式
是著色的冷凍機油，丙烷的液 位是通過倒置U字型的液封管中的丙烷氣壓力變化傳遞的。在調節節流閥6的開度時，必須注意以下兩點(1) 節流閥6的開度不能過大，否則丙垸液體分離箱5中的丙烷液位將低于丙烷引出管 的管口，使甲烷、天然氣和乙烯氣體大量進入丙烷冷卻器7殼體，并回流至壓縮機l入口， 造成上述氣體的無效循環，大大降低天然氣液化產量。為此，丙烷液體分離箱5也安裝了液 位計，以防止丙烷液位過低(乙烯液體分離箱8亦然)。(2) 開大節流閥6雖然能提高盤管中天然氣、乙烯和甲烷的冷卻效果，有利于天然氣的 液化。但節流閥6開度過大，必然增大丙烷的蒸發量，擠占其他制冷劑的分額，造成比例失
調。因此、節流閥6的開度應保持合適的位置，以使丙烷冷卻器7的乙烯液體和天然氣(即 帶有液態乙烯的氣液兩相流)的出口溫度保持在-38°C -36X:以內，不得低于-38'C[圖2中， 測量出口溫度的測溫點25在該丙烷冷卻器7殼體(下封頭)的底部]。在上述溫度范圍內、冷卻器殼體內的丙垸液位即為控制液位。但這個液位會在運行過程 中不斷升高，這是因為原料天然氣中含有丙烷組分、在液化循環過程中不斷液化、并在這里 不斷積聚的原因。為此，應調節排液管24上的節流閥開度進行連續排放，以保持丙烷液位 的基本恒定。 一般來說，進行修正操作的頻度是很小的。必要時、排放過程可通過液位調節 閥來實施。利用同樣的方法，即可調節回流的乙烯氣。需注意的是，由于原料天然氣中乙烯的含量 極低，在天然氣液化過程中、會有少量乙烯溶解入液化天然氣中而不斷被帶走，故在一般情 況下，這里以從補氣管22向內補氣操作為主。對于甲垸冷卻器15殼體中甲烷液位的控制，其方法與兩個冷卻器的相同。其區別只是因為原料天然氣中的主要成分是甲烷，補液和排液的操作已不再重要，只需調節甲烷液體分 離箱13后甲烷液體引出管上的節流閥開度，控制甲垸冷卻器15底部甲烷液體的溫度、使其 保持在-120°C -119'C之間就可以了。由于整個液化流程中三個冷卻器(即丙烷冷卻器7、乙烯冷卻器IO和甲烷冷卻器15之間 的殼體液位是相互關聯的，調節任何一個冷卻器的液位都會引起其他冷卻器的中液位的變 化，因此，各個節流閥開度的調整需要反復的進行2 3次才能完成。下面，對不凝性氣體的分離與排放操作作進一步的說明。所謂不凝性氣體是指原料天然氣中含有的N2.02及微量的He、 Ar等氣體，它們的液化溫 度都比天然氣本身的液化溫度低很多。因此、在天然氣液化過程中，他們都以氣體的形式存 在于循環系統中，如果不將其排出系統，則這類氣體不斷地在系統中積累，擠占壓縮機l的 容量份額，使液化裝置的出力下降。更有甚者，不凝性氣體的存在，大大惡化液化裝置中各 個換熱器的傳熱過程，因而進一步降低了液化裝置的出力。這種情況已在不少國產的液化裝 置中出現過。幾個液化裝置達不到出力，這可能是一個主要原因。在本液化裝置中，位于1.25Mpa 1.3Mpa的甲垸冷卻器15底部、天然氣(其中主要成
分是甲烷)己大部分得到液化，液體的溫度約在-12(TC -119'C之間，液面上的甲烷蒸汽分 壓力應該也是1. 25 Mpa 1. 3 Mpa之間。但在這里不斷有不凝性氣體積累，假定這些氣體的 分壓力為P,這個分壓力P值，隨著這些氣體的不斷積累而升高、使總壓力超過1.25Mpa 1.3 Mpa，而且也在不斷上升。如果假定原料天然氣中這些不凝性氣體(主要是N,)的含量在 5%左右，為了排除這部分氣體，同時必然要一起排走有用的天然氣。根據計算，如果要控制 天然氣有用成分的排放量在總液化天然氣量的1%以內，應控制排氣室內的壓力在1. 5Mpa 1.6 Mpa之間，這可以調節甲烷液體分離箱前的節流閥12和不凝性氣體排放管上的節流閥 211來達到。此時的排氣量約為原料氣總進氣量的6%左右，其中1%為有效成分。實現以上措施應注意的事項是不管排氣室底部液體壓力超過1.25 Mpa 1.3 Mpa、并 達到1.5 Mpa 1.6 Mpa，但排氣室底部液體的溫度仍應保持在-120°C -119'C之間，不能 因為壓力的升高而升高。為了達到這個目的、可以調節甲烷液體分離箱13底部節流閥14來 達到。在本實用新型裝置中各箱體(罐體)中的壓力通過設置在各對應測壓點26處的壓力計來 測量(參考圖3，其余測壓點省略未畫)，各箱體(罐體)中的溫度通過設置在各對應測溫點(25、 27)處的溫度計測量(參考圖2、 3，其余測溫點省略未畫)。
權利要求1、一種天然氣液化的裝置，該裝置中有壓縮機，其特征在于，所述壓縮機(1)僅有一臺，通過這一臺壓縮機(1)來壓縮的是除去了雜質的原料天然氣和由丙烷、乙烯、甲烷混合而成的循環制冷劑；其中，丙烷、乙烯和甲烷的重量混合比為1.76∶1.27∶1.0；在該壓縮機(1)之后依次連接的設備包括冷卻從壓縮機(1)輸出的高溫高壓混合氣體的第一個后冷卻器(2)；把從原料天然氣中帶來的、經冷卻而凝結為液體的重烴組份從該混合氣體中分離開、并把該重烴組份從其底部排除、把該混合氣體從其頂部輸出的一個重烴分離箱(3)；對除去了重烴組份的混合氣體進行冷卻，以得到帶有液態丙烷的氣液兩相流的第二個后冷卻器(4)；把液態丙烷從它所在的氣液兩相流中分離出來的一個重力式的丙烷液體分離箱(5)；分離出的液態丙烷從該丙烷液體分離箱(5)的底部輸出，余下的混合氣體從該丙烷液體分離箱(5)的頂部輸出；一個讓分離了丙烷的余下混合氣體在其殼體上部進入其殼體空間內設置的盤形換熱管中進一步冷卻、以得到帶有液態乙烯的氣液兩相流，同時讓液態丙烷通過與丙烷液體分離箱(5)底部相通的一個節流閥(6)節流降壓后、在其殼體中部通過若干個噴嘴進入其殼體空間內按照保持混合比而需返回丙烷氣的量蒸發，并在把蒸發得到的丙烷氣回送到壓縮機(1)中去之前，先作為制冷劑來冷卻該盤形換熱管中的混合氣體的丙烷冷卻器(7)；把液態乙烯從它所在的氣液兩相流中分離出來的一個重力式的乙烯液體分離箱(8)；分離出液態乙烯從該乙烯液體分離箱(8)的底部輸出，余下的混合氣體從該乙烯液體分離箱(8)的頂部輸出；一個讓分離了乙烯的余下混合氣體在其殼體上部進入其殼體空間內設置的盤形換熱管中進一步冷卻、以得到帶有液態甲烷的氣液兩相流，同時讓液態乙烯通過與乙烯液體分離箱(8)底部相通的一個節流閥(9)節流降壓后、在其殼體中部通過若干個噴嘴進入其殼體空間內按照保持混合比而需返回乙烯氣的量蒸發，并在把蒸發得到的乙烯氣經過丙烷冷卻器(7)而回送到壓縮機(1)中去之前，先作為制冷劑來冷卻該盤形換熱管中的混合氣體的乙烯冷卻器(10)；把分離了乙烯、且帶有液態甲烷的氣液兩相流輸入其殼體空間內設置的盤形換熱管中進一步冷卻和液化的一個回氣冷卻器(11)；通過一個節流閥(12)與該回氣冷卻器(11)連接的、把液態甲烷從它所在的氣液兩相流中分離出來的一個重力式的甲烷液體分離箱(13)；分離出液態甲烷從該甲烷液體分離箱(13)的底部輸出，余下的天然氣從該甲烷液體分離箱(13)的頂部輸出；一個把分離了液態甲烷的余下天然氣在其殼體上部進入其殼體空間內設置的盤形換熱管中進一步冷卻，同時讓分離出的液態甲烷通過與甲烷液體分離箱(13)底部相通的一個節流閥(14)節流降壓后、在其殼體下部進入其殼體空間內按照保持混合比所需甲烷氣量蒸發，并把蒸發得到的甲烷氣作為制冷劑來冷卻和液化該盤形換熱管中的天然氣的甲烷冷卻器(15)；一個其殼體空間內設置的盤形換熱管的上端與甲烷冷卻器(15)殼體空間內的盤形換熱管下端聯通，其盤形換熱管下端通過一個控制閥(201)與一個液體天然氣儲存罐(20)聯通的液化天然氣過冷器(19)；在該液體天然氣儲存罐(20)與液化天然氣過冷器(19)殼體之間接有一個平穩壓力的回氣閥(191)；在與甲烷液體分離箱(13)底部聯通的節流閥(14)和甲烷冷卻器(15)殼體之間，連接有一條分支管；該分支管的另一端與液化天然氣過冷器(19)的殼體聯通，以讓通過該節流閥(14)節流降壓后的甲烷，同時對該液化天然氣過冷器(19)內盤形換熱管中的天然氣作進一步過冷卻；在該液化天然氣過冷器(19)的殼體頂部和甲烷冷卻器(15)的殼體中部之間、在該甲烷冷卻器(15)的殼體頂部與回氣冷卻器(11)的殼體底部之間、在該回氣冷卻器(11)的殼體頂部與乙烯冷卻器(10)的殼體中部之間，各連接有一條回氣管。
2、根據權利要求1所述天然氣液化的裝置，其特征在于，在所述甲烷冷卻器(15)和液 化天然氣過冷器(19)的兩組盤形換熱管之間串聯進了一個不凝性氣體分離箱(17);該不凝性 氣體分離箱(17)由位于其上部的不凝性氣體分離室和位于其下部的閃蒸室構成；該不凝性氣體分離室與甲烷冷卻器(15)的盤形換熱管聯通，其頂部有一個不凝性氣體排放管(21);該閃蒸室的底部與液化天然氣過冷器(19)的盤形換熱管聯通，其上部通過一個節流閥(16)與甲烷冷卻器(15)的殼體聯通；不凝性氣體分離室和閃蒸室之間通過一個節流閥(18)聯通。
3、 根據權利要求1或2所述天然氣液化的裝置，其特征在于，在所述丙烷冷卻器(7)和 乙烯冷卻器(IO)，各連接有一個其內充裝有著色冷凍機油的液位計(23);各個液位計(23) 的下端與對應的各個冷卻器的底部液體之間通過一段呈倒置U字型的液封管聯通，各個液位 計(23)的上端與對應冷卻器的氣空間聯通；在該液封管靠近液位計(23) —側有一段中擴大了 直徑的著色冷凍機油存儲管；在丙垸冷卻器(7)和乙烯冷卻器(10)底部內的液態丙烷、液態 乙烯液面之下各有一個排液管24，在該液面之上各有一個補氣管22，在丙烷冷卻器(7)和乙 烯冷卻器(10)底部的被冷卻介質出口各有一個測溫點(25)
4、 根據權利要求1或2所述天然氣液化的裝置，其特征在于，所述丙垸液體分離箱(5)、 乙烯液體分離箱(8)和甲垸液體分離箱(13)的箱體內，均有一個煙囪狀的余下混合氣體或余 下天然氣的排出管；該排出管的外側空間是分離室，連接在該丙垸液體分離箱(5)、乙烯液 體分離箱(8)和甲烷液體分離箱(13)底部的所述節流閥(6、 9、 14)是連接在該分離室底部的； 在該排出管內的底部有一個與它們各自聯通的盤形換熱管上端相通的余下混合氣體或余下 天然氣的匯集區(B);在所述丙烷冷卻器(7)、乙烯冷卻器(10)和液化天然氣過冷器(19)的底 部，各有其上部與其內盤形換熱管的下端相通、其最底部有一個接有出液管的匯集區(A)。
5、 根據權利要求1或2所述天然氣液化的裝置，其特征在于，所述丙垸液體分離箱(5) 與丙烷冷卻器(7)、乙烯液體分離箱(8)與乙烯冷卻器(10)，均以各自的分離箱在上、各自的 冷卻器在下的形式組合為各一個組件設備；其中的盤形換熱管均由耐低溫的不銹鋼管或銅管 制成。
6、 根據權利要求2所述天然氣液化的裝置，其特征在于，按照從上到下的順序，所述 甲烷液體分離箱(13)、甲垸冷卻器(15)、不凝性氣體分離箱(17)和液化天然氣過冷器(19) 組合為一個組件設備；其中的盤形換熱管均由耐低溫的不銹鋼管或銅管制成。
7、 根據權利要求3所述天然氣液化的裝置，其特征在于，所述丙烷液體分離箱(5)、乙 烯液體分離箱(8)和甲垸液體分離箱(13)的箱體內，均有一個煙囪狀的余下混合氣體或余卜— 天然氣的排出管；該排出管的外側空間是分離室，連接在該丙烷液體分離箱(5)、乙烯液體 分離箱(8)和甲烷液體分離箱(13)底部的所述節流閥(6、 9、 14)是連接在該分離室底部的； 在該排出管內的底部有一個與它們各自聯通的盤形換熱管上端相通的余下混合氣體或余卜 天然氣的匯集區(B);在所述丙烷冷卻器(7)、乙烯冷卻器(10)和液化天然氣過冷器(19)的底 部，各有其上部與其內盤形換熱管的下端相通、其最底部有一個接有出液管的匯集區(A)。
8、 根據權利要求3所述天然氣液化的裝置，其特征在于，所述丙垸液體分離箱(5)與丙 烷冷卻器(7)、乙烯液體分離箱(8)與乙烯冷卻器(10)，均以各自的分離箱在上、各自的冷卻 器在下的形式組合為各一個組件設備；在串聯進了所述不凝性氣體分離箱(17)的情況下，按 照從上到下的順序，甲烷液體分離箱(13)、甲烷冷卻器(15)、不凝性氣體分離箱(17)和液化 天然氣過冷器(19)組合為一個組件設備；其中的盤形換熱管均由耐低溫的不銹鋼管或銅管制 成。
9、 根據權利要求4所述天然氣液化的裝置，其特征在于，所述丙烷液體分離箱(5)與丙 垸冷卻器(7)、乙烯液體分離箱(8)與乙烯冷卻器(10)，均以各自的分離箱在上、各自的冷卻 器在下的形式組合為各一個組件設備；在串聯進了所述不凝性氣體分離箱(17)的情況下，按 照從上到下的順序，甲垸液體分離箱(13)、甲垸冷卻器(15)、不凝性氣體分離箱(17)和液化 天然氣過冷器(19)組合為一個組件設備；其中的盤形換熱管均由耐低溫的不銹鋼管或銅管制 成。
10、 根據權利要求7所述天然氣液化的裝置，其特征在于，所述丙烷液體分離箱(5)與 丙垸冷卻器(7)、乙烯液體分離箱(8)與乙烯冷卻器(10)，均以各自的分離箱在上、各自的冷 卻器在下的形式組合為各一個組件設備；在串聯進了所述不凝性氣體分離箱(17)的情況下， 按照從上到下的順序，甲烷液體分離箱(13)、甲烷冷卻器(15)、不凝性氣體分離箱(17)和液 化天然氣過冷器(19)組合為一個組件設備；其中的盤形換熱管均由耐低溫的不銹鋼管或銅管 制成。
專利摘要一種天然氣液化的裝置。本實用新型是僅用一臺壓縮機來壓縮由丙烷、乙烯和甲烷混合而成的循環制冷劑以及原料天然氣，進而液化天然氣的。整套裝置有依次連接的一臺壓縮機、冷卻器、各組份的分離箱、各組份的冷卻器、不凝氣體分離箱和液體天然氣儲存罐等。本實用新型在解決了分級蒸發、回吸循環制冷劑中相應組份，僅讓兩股氣流進行熱交換的實際應用問題后，又提出了用液位監測的方式來控制各組份回吸量的裝置結構。進一步簡化了裝置結構及其操作工藝。本實用新型的裝置成本與運行成本低，適合于日產量小于50000Nm<sup>3</sup>的、從煤層中抽出后不能全部利用的剩余瓦斯氣、原本無開采價值的廢棄井中的天然氣的液化。
文檔編號F25J3/00GK201028930SQ200720124160
公開日2008年2月27日 申請日期2007年4月28日 優先權日2007年4月28日
發明者司利民, 山 巫, 盛昌源 申請人:重慶大山燃氣設備有限公司;重慶川友科技發展有限公司