鄭 華 賈 菁 王天將

（河南中原綠能高科有限公司，河南 濮陽(yáng) 450001）

淺談混合制冷劑在天然氣液化中的應(yīng)用

鄭 華 賈 菁 王天將

（河南中原綠能高科有限公司，河南 濮陽(yáng) 450001）

天然氣液化制冷工藝大致可以分為三種：階式制冷、混合制冷劑制冷和膨脹制冷?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的是混合制冷劑制冷，它有設(shè)備少、流程簡(jiǎn)單、投資省等優(yōu)點(diǎn)。這種液化流程的操作彈性很大，當(dāng)生產(chǎn)能力降低、周圍環(huán)境溫度或原料氣氣質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，可以通過調(diào)整混合制冷劑組分及混合制冷劑壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力，也能使天然氣高效液化。高效的利用混合制冷劑，對(duì)于生產(chǎn)單位既能降低能耗又能提高液化率，因此研究混合制冷劑在液化天然氣中的應(yīng)用是很有必要的。

制冷劑；節(jié)流；焓；沸點(diǎn)；比熱容

混合制冷劑液化流程（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)，利用混合物各組分不同沸點(diǎn)，部分冷凝的特點(diǎn)，進(jìn)行逐級(jí)的冷凝、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。

1 制冷方式

利用實(shí)際氣體的節(jié)流制冷效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷是人類最早采用的主要制冷方式之一，至今已有200多年的應(yīng)用發(fā)展史。與其他流動(dòng)制冷方式相比，流動(dòng)介質(zhì)的節(jié)流膨脹過程無需運(yùn)動(dòng)部件、簡(jiǎn)單可靠，而且系統(tǒng)構(gòu)成靈活多樣，因此節(jié)流制冷技術(shù)應(yīng)用廣泛。另外一種實(shí)現(xiàn)低溫制冷的方式是回?zé)?，利用?jié)流后的冷量實(shí)現(xiàn)自身回?zé)?，逐步降低?jié)流前的溫度，由此可實(shí)現(xiàn)更低的制冷溫度，現(xiàn)在這兩種方式普遍應(yīng)用在天然氣液化中的混合工質(zhì)制冷循環(huán)。

2 混合制冷劑的選擇

制冷劑的選擇主要依據(jù)其本身的基礎(chǔ)熱物性及節(jié)流特性，其中常壓沸點(diǎn)、臨界參數(shù)等是選擇制冷劑最為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，然后還要考慮如三相點(diǎn)溫度等，以避免因三相點(diǎn)溫度過高，導(dǎo)致制冷劑在低溫下出現(xiàn)固相析出而堵塞管道。

表1 物質(zhì)的基礎(chǔ)屬性

通常混合制冷劑由氮?dú)?、甲烷、乙烷、丙烷等組成。為了把天然氣液化，必須用低沸點(diǎn)工質(zhì)，才能獲得液化甲烷等級(jí)的溫度。

沸點(diǎn)較高的重組分在預(yù)冷和液化循環(huán)中使用；而沸點(diǎn)較低的輕組分則在液化和深冷循環(huán)中使用。由表1可知，丙烷、異戊烷和乙烷可用于天然氣的預(yù)冷，甲烷、乙烯和氮?dú)庥糜谔烊粴獾囊夯?/p>

根據(jù)氣源組分不同、地域不同，選擇不同的制冷劑，由物料和熱量平衡計(jì)算確定制冷劑以一定比例混合來滿足工藝要求。

3 混合制冷劑的高效利用

制冷劑的冷量利用大多都是通過節(jié)流制冷和回?zé)岖@得。節(jié)流制冷是高溫高壓氣體通過節(jié)流元件后焓不變而壓力降低伴隨著溫度下降。結(jié)合回?zé)岽胧?，天然氣液化單元現(xiàn)在常用帶氣液分離器的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)。

表2 常壓下物質(zhì)的屬性

在內(nèi)復(fù)疊循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)兩相流動(dòng)，基本氣液相流速不同，會(huì)導(dǎo)致液相或氣相積存，由于非共沸混合物氣液相濃度不同會(huì)造成循環(huán)濃度變化，在節(jié)流元件處相變潛熱產(chǎn)生不同溫度等級(jí)的冷量，由表1、2知甲烷的氣化潛熱最大，但絕熱指數(shù)大，壓縮功耗也大，因此甲烷含量對(duì)循環(huán)系統(tǒng)提供深冷量很關(guān)鍵。采用高沸點(diǎn)的制冷劑可以減小因工質(zhì)壓力差而造成相變區(qū)間的差異，并充分利用低壓相變潛熱大于高壓相變潛熱，從而改善兩相區(qū)回?zé)釗Q熱器內(nèi)的熱當(dāng)量匹配，進(jìn)而減小回?zé)釗Q熱器內(nèi)固有換熱器溫差，最終減小換熱器固有換熱?損失；換熱程度好，節(jié)流前溫度低，節(jié)流過程的?損也小，因此丙烷、異戊烷可以達(dá)到這個(gè)效果。

每一個(gè)制冷劑在內(nèi)復(fù)疊循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)都很重要，有效的配比可以提高制冷循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué)效率。

混合制冷劑液化流程運(yùn)行時(shí)，原料氣的壓力、溫度、組分，混合制冷劑組分和循環(huán)壓力，LNG的儲(chǔ)存溫度、壓力等都會(huì)影響比功耗，運(yùn)行成本。而這些參數(shù)又是相互關(guān)聯(lián)、互為影響的，因此在組織液化流程、確定工藝參數(shù)時(shí)需要借助工藝模擬反復(fù)計(jì)算調(diào)整、不斷優(yōu)化參數(shù)、在流程合理可行的基礎(chǔ)上，調(diào)整混合制冷劑的最佳配比，實(shí)現(xiàn)高液化、低功耗。

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In the application of the mixed refrigerant natural gas liquefaction process

Liquefied natural gas refrigeration process can be roughly divided into three kinds: first, mixed refrigerant refrigeration and expansion refrigeration. Now the most widely used is the mixed refrigerant, it has the advantages of simple process, less equipment investment, etc.. The liquefaction process operation is very flexible, when production capacity is reduced, the ambient temperature or the raw material gas changes, can adjust the mixed refrigerant composition and mixed refrigerant compressor inlet and outlet pressure, also can make the gas, liquefied. Refrigerant mixture by high performance, for the production of the unit can reduce energy consumption and improve the liquefaction rate, so the research and application of the mixed refrigerant in liquefied natural gas is very necessary.

Refrigerant;throttling;enthalpy;boiling;heat capacity

TE646

A

1008-1151(2015)03-0077-01

2015-02-12

鄭華（1978－），河南中原綠能高科有限公司工程師。