天然气液化制冷工艺比较与选择研究

刘玉俊

摘 要：随着社会的不断进步与发展，我国居民的收入与生活质量也得到了提高，城市居民对天然气的需求也日益增加，这也推动了我国天然气液化制冷工艺的迅速发展。本文主要通过描述天然气液化制冷工艺的三种方法，对比其优缺点，以期能让相关工作者在实践运用过程当中，科学合理地选择适合的天然气液化制冷工艺方式，提高效率降低成本。

关键词：液化制冷工艺；比较；选择；研究

现如今，绝大多数的城市企业投资者已经陆续在投资建设天然气工厂，据调查研究得出，目前各大天然气厂用得频繁的天然气液化制冷工艺主要有阶式制冷、混合式制冷、膨胀制冷等三种工艺方法。本文基于这三种天然气液化制冷工艺进行研究比较，为天然气相关工作者提供合适的选择建议。

一、天然气液化工艺技术的比较

针对天然气液化工艺技术所常用的三种方法，本文对以下三种典型工艺进行优缺点分析比较：

（一）阶式制冷

阶式制冷顾名思义，主要流程是按照三级阶段独立式循环机械组成。所以它也有一个别称，叫级联式制冷。该工艺的原理是通过控制每一种制冷液化的温度对天然气进行节流达到制冷降温的目的，技术支持使用的是基础负荷型天然气液化装置系统。该工艺主要有以下优势：其能量消耗率偏低，制热的效率比较高，因为它的制冷剂是不需要进行配比的，所以整个系统具有独立的特性，比较方便调节，同时它的技术设备也是完全成熟的。该工艺主要有以下缺点：在制冷的过程当中，及其控制系统具有复杂性，工艺的流程具有繁冗性，所以前期投资的成本非常高，这也给后期的操作和维护带来了困难。

（二）混合式制冷

混合式制冷的工艺是在阶式制冷工艺的基础上演变精简而研发出来的，主要会运用到 C1-C5 的碳氢化合物以及氮气等五种以上的多种成分组分的制冷剂混合而成，并以此作为基础，借助重组分进行冷凝，再借助轻组分进行分阶节流和液化，循环对天然气中所对应到的重分组以及轻分组混合进行冷凝，从而达到制冷目的。在天然气长生产运用中，经常会用到的混合制冷工艺也有三种：MRC，DMR，C3/MR。其中MRC是单循环制冷，DMR是双循环制冷，C3/MR是丙烷预冷。MRC主要应用于调峰型液化装置，那么DMR和C3/MR则主要应用在负荷型液化装置当中。MRC的优势主要有以下几点：设备用量少、工艺不复杂、占地面积小、投资成本低、方便操作和维护、适合调峰。所以MRC会使得混合后的工质在换热器内进行的热交换转变为变温过程，而且在混合工艺冷热流体交替所产生的温差，也能保持较小幅度的变动，这也克服了阶式系统较为复杂的劣势。但是MRC的制冷工艺能量消耗非常高、而且工艺流程计算也相对复杂，对于部分制冷剂的技术人员要求也较高，价格也相对较贵。现如今，MRC在小型气田中的应用较为广泛，但是由于技术含量高的特殊原因，也会涉及到一些特殊专利技术。

（三）膨胀制冷

膨胀制冷工艺的原理是经过原料气的直接膨胀或外部 N2、CH4的间接膨胀等熵膨胀对外做功从而达到降温的目的。膨胀制冷不属于制冷剂的液化工艺，其应用的是无制冷剂，主要采用的是逆式布雷顿循环方式实现原料气液化，所以该工艺比较适合原料气压高的气源。膨胀制冷工艺主要有以下优点：膨胀机中的膨胀功可回收利用、等熵效率高、能对液化能力小的工厂进行调峰、能降低制冷剂的成本、方便操作和维护。但是膨胀制冷工艺的缺点也是较多，比如：液化率低、对原料以及气压要求苛刻。所以想要提高其液化效率必须提升逆式布雷顿循环效率。基于现阶段，新型换热器、透平机的研发力度越来越高，其应用范围也越来越广，这也能大幅度地提升膨胀制冷工艺的效率。

二、天然气液化制冷工艺的选择

天然气液化制冷工艺的选择可以根据天然气液化装置的用途及处理能力、被液化天然气的组分压力以及对产品的具体要求、设备对工艺流程选择的影响等进行选择，本文总结了以下几点思路：

（一）阶式制冷的选择思路

阶式制冷工艺主要是由甲烷、丙烷和乙烯组成，是根据这三种气体制冷循环构成。该制冷工艺对比另两种工艺的能量消耗是最小的，而且其系统与天然气液化系统是互相独立的，系统与系统之间不受各自的影响或牵制，这也给操作带来了便利。但是该工艺的压缩机组和储存制冷剂的设备相对比其他两种工艺来说较多，然而系统与系统之间也不允许存在任何的渗漏，这也给后期维护带来了困难。所以该工艺适合天然气液化装置。

（二）混合制冷的选择思路

混合制冷工艺使用的设备仅有一台，即：混合制冷剂压缩机。这也意味着后期维护非常方便，操作起来也比较简单。因为它是以多种组分（轻组分和重组分）混合物作为制冷剂的。混合制冷剂的组成是根据原料气体的组分情况、压力情况以及系统物料的平衡以及热量计算而得出的，该系统换热器的具体数量则是根据天然气的冷却曲线值来明确的。一般情况来说，换热器总冷却曲线与制冷剂蒸发曲线间必须保持<2-3℃的温差。该制冷工艺的机械设备只有一台，需要消耗的能量也较高，所以不适用于含甲烷高的天然气液化，所以该制冷工艺可应用于液化能力为天然气液化装置。

（三）混合制冷的选择思路

膨胀制冷工艺的制冷机制主要是通过利用高压制冷剂在天然气的压力中等熵膨胀后，来实现制冷循环的目的，这有利于提高天然气的充分液化。膨胀制冷工艺的液化率是直接受到膨胀前后的压力比所决定的，一般情况下，膨胀制冷工艺的液化率差為8%左右，在整个的制冷过程中是不需要消耗电能的，非常适用于液化能力较大，消耗电能多的液化装置。如果液化装置的处理能力较少的话，那么只要液化率在7%到15%的范围内，则可任意运用一种制冷循环工艺，如果液化装置是像海运一样功能的液化天然气一样的大型天然气装置，那么该处理能力则不在该范围内，这时候则需采用多组分制冷剂或纯制冷剂的阶式蒸发制冷循环，以便操作同时也能降低成本。

结束语：

综上所述，天然气液化制冷工艺的技术各有优缺点，如若要运用小型天然气液化装置，则可以采用阶式制冷或膨胀制冷工艺，要运用中型天然气液化装置，可以采用混合制冷工艺，遇到大型天然气液化装置，可以使用更高级别的混合制冷工艺，如双级混合制工艺等。在对天然气液化制冷工艺的技术选择中，要科学综合的考虑天然气液化的效率、成本、节能等因素，才能更好的运用到工作中，推动我国天然气产业的发展。

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