天然氣液化裝置制冷方法研究

李欣欣?李程北

摘要：混合制冷劑循環、復疊式制冷循環、膨脹制冷循環等方法在國內外的天然氣液化裝置中是比較成熟的幾種制冷方法。近些年來，有關于天然氣液化裝置制冷方法的研究也不斷取得新的進步與革新。文章在深入調查研究該領域的相關成果并結合以上成熟的幾種方法的基礎之上，探討了這三種天然氣液化裝置制冷方法的特點，以期為天然氣液化裝置的改進提供參考。

關鍵詞：天然氣液化；制冷方法；復疊式制冷；混合制冷劑；膨脹制冷

中圖分類號：TE646 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）15-0037-02

1 復疊式制冷循環

若干個制冷循環在不同溫度下被操控并且進行重疊就構成了復疊式制冷循環。不同溫度的制冷劑（高、中、低溫）應用于復疊式制冷循環的不同溫度的部分。低溫部分的制冷劑的冷凝要通過高溫部分制冷劑的蒸發來達到，最后冷量由低溫部分的制冷劑進行蒸發來輸出。多個蒸發冷凝器聯系復疊式制冷循環的不同溫度的部分，即它們既作為低溫部分的冷凝級，同時又是高溫部分的蒸發器，同時滿足了蒸發溫度的需求和冷凝壓力的要求，保證較低溫度下的蒸發和環境溫度下的冷凝。

對于天然氣液化，現多采用由丙烷、乙烯和甲烷為制冷劑的三級復疊式制冷循環，提供天然氣液化所需的冷量，它們的制冷溫度分別為該循環遠離流程圖如圖1所示。

現今三級復疊式制冷循環多被應用于天然氣的液化，即制冷劑采用甲烷、丙烷和乙烯。因這三者的制冷溫度分別為-160e、-45e和-100e，所以根據這一特點來為天然氣液化的冷量進行給予。圖1為三級復疊式制冷循環遠離流程圖。

三個制冷循環冷卻器依次對經過凈化處理的原料天然氣進行冷卻、冷凝液化和冷處理，之后通過低溫泵送進儲槽。復疊式制冷液化循環有其獨有的優勢，例如其換熱面積小，冷熱介質的平均溫差大，又因為其制冷循環系統各自獨立，所以互相之間的干擾少，便于操作，耐受性和適應性更加強大，系統設計不繁雜但是技術成熟。同時，復疊式制冷液化循環也有一定的局限性，具體表現在其機組多導致流程相對復雜，各種制冷設備的需求，各個制冷循環系統要求不得彼此滲漏，系統復雜導致維修困難，以及苛刻的制冷劑純度的限定。

2 混合制冷劑循環

采用單一工質時，節流制冷機由于液體只形成于節流過程中而阻礙了其潛力的發揮。相反，運用混合工質時，液相不僅在節流時形成，在熱交換器中就有其存在。這是由于部分混合物在節流后的傳遞熱能量的過程中進行了蒸發，進而在熱交換器中出現冷凝蒸發。這樣，采用混合工質能夠達到高節流效果以及高沸點組分對于熱交換器熱當量比值的需求的提供。

混合工質制冷的采用具有眾多優點，諸如，熱交換器溫度分布的改善對系統效率的提升，系統制冷能力的增大，換熱器溫度分布曲線的調整，以及混合工質制冷溫度較大的制冷范圍：70～150K。混合制冷劑液化循環因為機組少、流程簡單、對制冷劑純度要求不高、投資費用少而得到一定的肯定。此外，多級混合制冷劑循環可在單級混合制冷劑循環的基礎上降低更多的能耗而彌補高于20%重疊式循環能耗的缺點。這是因為多級液化過程中加入了鋁板翅式換熱器，整個系統的加熱效率便得到了大大提高，進而使得能耗基本接近于復疊式制冷循環的水平。通過實踐和特性評價證實采用多級循環時，能耗隨著級數的增加而降低。三級混合制冷劑循環的采用在經過優化和經濟的技術處理之后更為合理和受歡迎。圖2為典型的混合工質天然氣液化循環流程

示例：

混合工質組分配比對混合物換熱器性能行為是非常重要的，并且應根據小溫差換熱段對混合物進行分類。混合工質節流制冷循環對各個組元的采用取決于制冷溫度的要求和組元的正常蒸發溫度以及凝固點。同時，混合工質組分配比的決定作用也不容忽略，因為它很大程度上決定了混合物的小溫差換熱段分類原則和混合物換熱器性能。

3 膨脹制冷循環

逆布雷頓循環被廣泛應用在膨脹制冷循環中。在膨脹制冷循環中，冷量的獲取是通過工質的熵壓縮（采用壓縮機）、冷卻（采用后冷卻器）、熵絕熱膨脹并對外做功（采用透平膨脹機）以及低溫氣流的形成。近年來，逆布雷頓制冷循環經過更多的改革更新獲得了更好的利用效果因而得到廣泛應用。這主要歸功于透平逆布雷頓循環的效率通過高效緊湊換熱器和高速氣體軸承透平膨脹機的逐步完善而得到了顯著提高，使得其自身的制冷溫度達到很低的值數以及制冷量范圍的更加寬泛，大大提高可靠性和可依賴性。

在天然氣液化過程中，以下兩種方式得到了廣泛的應用：（1）氮膨脹制冷是直接膨脹制冷的變型，具有流程更簡單、液化能力強、操作方便和適應性強的優勢，但消耗的能量大；（2）天然氣直接膨脹制冷通過膨脹機對高壓天然氣進行絕熱膨脹，最終實現液化氣的液化操作，靈活方便、設備緊湊、成本投入少、可靠性高，膨脹效率和膨脹決定著設備的液化能力。

隨著技術的不斷創新，目前已經形成了多級膨脹的液化系統，膨脹制冷機的研發和生產也日臻完善，逐漸趨向于低振動、可靠性能強、重量輕、使用時間長的方向發展，該循環系統在業戶需求不斷增大的現代化社會中具有非常大的優勢，其發展前景非常廣闊。

參考文獻

[1] 鐘永芳，等.用于深度冷凍的自行復疊吸收制冷循

環理論研究[J].太陽能學報，2012，23（6）.

[2] 蔣洪，等.天然氣液化裝置工藝方案設計[J].油

氣田地面工程，2011，20（4）.

[3] 蔣彥龍，等.高性能G-M型單級脈管制冷機直流抑

制和制冷特性實驗研究[J].低溫物理學報，

2010，26（2）.

[4] 楊克劍，等.中小型天然氣液化裝置及其應用

[J].低溫與超導，2009， 24（2）.

[5] 顧安忠，等.中國液化天然氣的發展[J].石油化

工技術經濟，2011，（1）.

[6] 黑麗民，等.液化天然氣船研究進展及其相關問題

探討[J].天然氣工業， 2010，22（3）.

作者簡介：李欣欣（1983—），男，河南林州人，鄭州亨利制冷設備有限公司助理工程師，研究方向：熱能與動力工程-制冷與低溫工程、空調工程。