天然气液化装置制冷方法研究

李欣欣?李程北

摘要：混合制冷剂循环、复叠式制冷循环、膨胀制冷循环等方法在国内外的天然气液化装置中是比较成熟的几种制冷方法。近些年来，有关于天然气液化装置制冷方法的研究也不断取得新的进步与革新。文章在深入调查研究该领域的相关成果并结合以上成熟的几种方法的基础之上，探讨了这三种天然气液化装置制冷方法的特点，以期为天然气液化装置的改进提供参考。

关键词：天然气液化；制冷方法；复叠式制冷；混合制冷剂；膨胀制冷

中图分类号：TE646 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）15-0037-02

1 复叠式制冷循环

若干个制冷循环在不同温度下被操控并且进行重叠就构成了复叠式制冷循环。不同温度的制冷剂（高、中、低温）应用于复叠式制冷循环的不同温度的部分。低温部分的制冷剂的冷凝要通过高温部分制冷剂的蒸发来达到，最后冷量由低温部分的制冷剂进行蒸发来输出。多个蒸发冷凝器联系复叠式制冷循环的不同温度的部分，即它们既作为低温部分的冷凝级，同时又是高温部分的蒸发器，同时满足了蒸发温度的需求和冷凝压力的要求，保证较低温度下的蒸发和环境温度下的冷凝。

对于天然气液化，现多采用由丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂的三级复叠式制冷循环，提供天然气液化所需的冷量，它们的制冷温度分别为该循环远离流程图如图1所示。

现今三级复叠式制冷循环多被应用于天然气的液化，即制冷剂采用甲烷、丙烷和乙烯。因这三者的制冷温度分别为-160e、-45e和-100e，所以根据这一特点来为天然气液化的冷量进行给予。图1为三级复叠式制冷循环远离流程图。

三个制冷循环冷却器依次对经过净化处理的原料天然气进行冷却、冷凝液化和冷处理，之后通过低温泵送进储槽。复叠式制冷液化循环有其独有的优势，例如其换热面积小，冷热介质的平均温差大，又因为其制冷循环系统各自独立，所以互相之间的干扰少，便于操作，耐受性和适应性更加强大，系统设计不繁杂但是技术成熟。同时，复叠式制冷液化循环也有一定的局限性，具体表现在其机组多导致流程相对复杂，各种制冷设备的需求，各个制冷循环系统要求不得彼此渗漏，系统复杂导致维修困难，以及苛刻的制冷剂纯度的限定。

2 混合制冷剂循环

采用单一工质时，节流制冷机由于液体只形成于节流过程中而阻碍了其潜力的发挥。相反，运用混合工质时，液相不仅在节流时形成，在热交换器中就有其存在。这是由于部分混合物在节流后的传递热能量的过程中进行了蒸发，进而在热交换器中出现冷凝蒸发。这样，采用混合工质能够达到高节流效果以及高沸点组分对于热交换器热当量比值的需求的提供。

混合工质制冷的采用具有众多优点，诸如，热交换器温度分布的改善对系统效率的提升，系统制冷能力的增大，换热器温度分布曲线的调整，以及混合工质制冷温度较大的制冷范围：70～150K。混合制冷剂液化循环因为机组少、流程简单、对制冷剂纯度要求不高、投资费用少而得到一定的肯定。此外，多级混合制冷剂循环可在单级混合制冷剂循环的基础上降低更多的能耗而弥补高于20%重叠式循环能耗的缺点。这是因为多级液化过程中加入了铝板翅式换热器，整个系统的加热效率便得到了大大提高，进而使得能耗基本接近于复叠式制冷循环的水平。通过实践和特性评价证实采用多级循环时，能耗随着级数的增加而降低。三级混合制冷剂循环的采用在经过优化和经济的技术处理之后更为合理和受欢迎。图2为典型的混合工质天然气液化循环流程

示例：

混合工质组分配比对混合物换热器性能行为是非常重要的，并且应根据小温差换热段对混合物进行分类。混合工质节流制冷循环对各个组元的采用取决于制冷温度的要求和组元的正常蒸发温度以及凝固点。同时，混合工质组分配比的决定作用也不容忽略，因为它很大程度上决定了混合物的小温差换热段分类原则和混合物换热器性能。

3 膨胀制冷循环

逆布雷顿循环被广泛应用在膨胀制冷循环中。在膨胀制冷循环中，冷量的获取是通过工质的熵压缩（采用压缩机）、冷却（采用后冷却器）、熵绝热膨胀并对外做功（采用透平膨胀机）以及低温气流的形成。近年来，逆布雷顿制冷循环经过更多的改革更新获得了更好的利用效果因而得到广泛应用。这主要归功于透平逆布雷顿循环的效率通过高效紧凑换热器和高速气体轴承透平膨胀机的逐步完善而得到了显著提高，使得其自身的制冷温度达到很低的值数以及制冷量范围的更加宽泛，大大提高可靠性和可依赖性。

在天然气液化过程中，以下两种方式得到了广泛的应用：（1）氮膨胀制冷是直接膨胀制冷的变型，具有流程更简单、液化能力强、操作方便和适应性强的优势，但消耗的能量大；（2）天然气直接膨胀制冷通过膨胀机对高压天然气进行绝热膨胀，最终实现液化气的液化操作，灵活方便、设备紧凑、成本投入少、可靠性高，膨胀效率和膨胀决定着设备的液化能力。

随着技术的不断创新，目前已经形成了多级膨胀的液化系统，膨胀制冷机的研发和生产也日臻完善，逐渐趋向于低振动、可靠性能强、重量轻、使用时间长的方向发展，该循环系统在业户需求不断增大的现代化社会中具有非常大的优势，其发展前景非常广阔。

参考文献

[1] 钟永芳，等.用于深度冷冻的自行复叠吸收制冷循

环理论研究[J].太阳能学报，2012，23（6）.

[2] 蒋洪，等.天然气液化装置工艺方案设计[J].油

气田地面工程，2011，20（4）.

[3] 蒋彦龙，等.高性能G-M型单级脉管制冷机直流抑

制和制冷特性实验研究[J].低温物理学报，

2010，26（2）.

[4] 杨克剑，等.中小型天然气液化装置及其应用

[J].低温与超导，2009， 24（2）.

[5] 顾安忠，等.中国液化天然气的发展[J].石油化

工技术经济，2011，（1）.

[6] 黑丽民，等.液化天然气船研究进展及其相关问题

探讨[J].天然气工业， 2010，22（3）.

作者简介：李欣欣（1983—），男，河南林州人，郑州亨利制冷设备有限公司助理工程师，研究方向：热能与动力工程-制冷与低温工程、空调工程。