閉式混合制冷劑液化流程介紹

1934年，美國的波特北尼克提出了混合制冷劑液化流程(Mixed-Refrigerant Cycle，MRC)的概念。之后法國Tecknip公司的佩雷特，詳細(xì)描述了混合制冷劑液化流程用于天然氣液化的工藝過程。

MRC是以c1至C5的碳?xì)浠衔?，以及N2等五種以上的多組分混合制冷劑為工質(zhì)，進(jìn)行逐級冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹得到不同溫度水平的制冷量，以達(dá)到逐步冷卻和液化天然氣的目的。MRC既達(dá)到類似級聯(lián)式液化流程的目的，又克服了其系統(tǒng)復(fù)雜的缺點(diǎn)。

自20世紀(jì)70年代以來，對于基本負(fù)荷型天然氣液化裝置，廣泛采用了不同類型的混合制冷劑液化流程。

圖1為閉式混合制冷劑液化流程(ClosedVIixed Refrigerant Cycle)示意圖。在閉式液化流程中，制冷劑循環(huán)和天然氣液化過程分開，自成一個(gè)獨(dú)立的制冷循環(huán)。

制冷循環(huán)中制冷劑常由N2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10和C5H12組成。這些組分都可以從天然氣中提取。液化流程中天然氣依次流過4個(gè)換熱器后，溫度逐漸降低，大部分天然氣被液化，最后節(jié)流后在常壓下保存，閃蒸分離產(chǎn)生的氣體可直接利用，也可同到天然氣的入口再進(jìn)行液化。

液化流程中的制冷劑經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮至高溫高壓后，首先用水進(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入氣液分離器。氣液相分別進(jìn)入換熱器1。液體在換熱器1中過冷，再經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降溫，與后續(xù)流程的返流氣混合后共同為換熱器1提供冷量，冷卻天然氣、氣態(tài)制冷劑和需過冷的液態(tài)制冷劑。氣態(tài)制冷劑經(jīng)換熱器1冷卻后進(jìn)入閃蒸分離器分離成氣相和液相，分別流人換熱器2，節(jié)流降壓降溫后，與返流器混合為換熱器2提供冷量，天然氣進(jìn)一步降溫，氣相流體也被部分冷凝，換熱器3中的換熱過程同換熱器1和換熱器2。制冷劑在換熱器3中被冷卻后，在換熱器4中進(jìn)行過冷，然后節(jié)流降壓降溫后返回該換熱器，冷卻天然氣和制冷劑。

在混合制冷劑液化流程的換熱器中，提供冷量的混合工質(zhì)的液體蒸發(fā)溫度隨組分的不同而不同，在換熱器內(nèi)的熱交換是一個(gè)變溫過程，通過合理選擇制冷劑，可使冷熱流體間的換熱溫差保持比較低的水平。

混合制冷劑液化流程有開式和閉式兩種。閉式混合制冷劑液化流程是指制冷劑循環(huán)與天然氣液化過程彼此分開的液化流程。圖2為采用閉式混合制冷劑液化循環(huán)的天然氣液化裝置示意圖。這套裝置是1970年恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)的利比亞伊索工廠的液化裝置。

該廠共有四條液化生產(chǎn)線，每兩條液化線組成一套裝置。每套裝置設(shè)有單獨(dú)的原料氣預(yù)處理、壓縮機(jī)及換熱器等?？傄夯芰?075×104m3/d。

兩臺(tái)并聯(lián)布置的壓縮機(jī)將原料氣從起始壓力2.84MPa壓縮到4.64MPa。壓縮后的原私氣用熱鉀堿法脫除二氧化碳與硫化氫；用分子篩脫水干燥，并借助吸附過程脫除高碳?xì)浠衔?。凈化后的天然氣進(jìn)入低溫?fù)Q熱器冷卻和液化，其液化壓力為3.94MPa。

每套液化裝置由4臺(tái)離心式制冷壓縮機(jī)及兩臺(tái)繞管式鋁制換熱器組成。因此整個(gè)液化系統(tǒng)共有8臺(tái)制冷壓縮機(jī)，均用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)：4臺(tái)低溫繞管式換熱器，每臺(tái)占徑4.5m，高61m，換熱器而積93000m2。

液化天然氣產(chǎn)品在大氣壓下，儲(chǔ)存在兩個(gè)容量為47700m3的地面雙層隔熱合金鋼儲(chǔ)槽中，儲(chǔ)槽直徑42.7m、高36.6m，內(nèi)殼采用含9%Ni的鋼板，蒸發(fā)率為0.1%。

與級聯(lián)式液化流程相比，采用混合制冷劑液化流程的液化裝置具有機(jī)組設(shè)備少、流程筒單、投資較少、操作管理方便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，混合制冷劑中各組分一般可部分或全部從天袋氣本身提取和補(bǔ)充，因而沒有提供純制冷劑的困難，且純度要求也沒有級聯(lián)式液化流程那檸嚴(yán)格。其缺點(diǎn)是能耗比級聯(lián)式液化流程高出15%～20%；對混合制冷劑各組分的配比要求嚴(yán)格。 2100433B

混合制冷劑循環(huán)流程主要有以下幾種：

1. 單循環(huán)流程：SMR——單混合制冷劑流程；

2. 雙循環(huán)流程：C3MR——丙烷預(yù)冷混合制冷劑流程；DMR——雙混合制冷劑流程；

3. 三循環(huán)流程：AP-X^TM——C3MR N₂膨脹流程；MFC——混合制冷劑級聯(lián)流程；PMR——并聯(lián)混合制冷劑流程。

閉式循環(huán)適用蒸汽式汽輪發(fā)電機(jī)，更適用蒸汽式其它裝置和蒸汽式動(dòng)力裝置。閉式循環(huán)是以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)，將朗肯循環(huán)中的凝汽器不用，而是用蒸汽泵代換凝汽器，也就是：“閉式循環(huán)的蒸汽泵，代換朗肯循環(huán)中凝汽器；因朗肯循環(huán)中，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做完功排汽到凝冷器冷卻，蒸汽在凝冷器冷卻咸水丟失大部分蒸發(fā)熱，而閉式循環(huán)中，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做完功排汽時(shí)，被蒸汽泵回到鍋爐繼續(xù)加熱，這樣就節(jié)約凝冷器冷卻時(shí)丟失的大部分蒸發(fā)熱”。

當(dāng)工質(zhì)與外界隔絕而被循環(huán)使用時(shí)，就形成了閉式循環(huán)。這時(shí)就不能用燃燒室來直接加熱壓縮后的工質(zhì)，而要用氣體鍋爐或加熱器來間接加熱工質(zhì)，同時(shí)還需用冷卻器來冷卻透平中膨脹做功后的工質(zhì)。具體如《圖1:閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的方案示意圖》所示。顯然，它的循環(huán)圖應(yīng)與簡單開式循環(huán)的一樣，因而兩者循環(huán)的性能也就相同。

為了提高循環(huán)的效率，閉式循環(huán)往往采用回?zé)?，這時(shí)雖然增加了一個(gè)體積較大的回?zé)崞?，但由于氣體鍋爐中的加熱量減少，減小了該鍋爐的尺寸，因而使回?zé)岷髾C(jī)組的尺寸增加得不太多。