单级混合冷剂天然气液化流程冷剂浓度控制系统

摘要

本发明公开了一种单级混合冷剂天然气液化流程冷剂浓度控制系统，其中控制单元包括第一控制器、第二控制器、第三控制器及第四控制器；第一控制器通过采集冷箱换热单元高温端换热温差作为反馈信号调节第一级变频液体泵的转速；第二控制器通过采集冷箱换热单元低温端换热温差作为反馈信号调节第二级变频液体泵的转速；第三控制器通过采集液化天然气降压阀的进出口温差作为反馈信号调节第一级变频压缩机及第二级变频压缩机的转速；第四控制器通过采集可控J-T节流元件出口冷剂压力作为反馈信号调节可控J-T节流元件的开度。本发明冷剂充注浓度可以在一定范围内变化，该系统可以根据运行工况自动调节冷剂的运行浓度，保证其高效稳定运行。

说明书

技术领域

本发明涉及气体的压缩和液化，具体涉及单级混合冷剂天然气液化流程冷 剂浓度控制系统。

背景技术

由于非共沸混合冷剂的液相积存，使得混合冷剂制冷系统的运行冷剂浓度 与所需的充注浓度相差甚远，如何根据优化的运行浓度充注冷剂是所有非共沸 制冷系统中的一个难点。

单级混合冷剂(SMR)天然气液化流程一般采用多级压缩，五种组分混合工质 （N₂/CH₄/C₂H₄/C₃H₈/iC₅H₁₂）进行制冷。SMR工艺流程简单，广泛应用于中小 型天然气液化站。

混合冷剂天然气液化流程的运行非常复杂，当混合冷剂的冷凝温度变化时， 为保证流程的安全运行，液化流程冷剂的浓度也应相应改变。实际运行中，这 种浓度的变化非常困难。当需要增加一种组分的浓度，除了要充注这种组分冷 剂之外还应泄掉部分其他组分冷剂，从而保证系统中冷剂的总量，以保持运行 压力。因此这种通过变充注冷剂量来改变冷剂运行浓度的做法很难实现。目前 的天然气液化系统运行中，往往使得冷剂的冷凝温度保持在一个较高的温度下， 从而保证系统运行工况的稳定运行。比如，当环境温度降低时，采用降低冷凝 器中的冷却水流量或空气流量来使冷凝温度保持恒定。但是，这种运行方案损 失了环境的降温潜力，增加了大量能耗。

发明内容

为了克服单级混合冷剂天然气液化系统冷剂充注困难及目前定工况运行能 耗大的不足，本发明提供单级混合冷剂天然气液化流程冷剂浓度控制系统。

本发明采用如下技术手段：

一种单级混合冷剂天然气液化流程冷剂浓度控制系统，包括冷箱换热单元、 液化天然气降压阀、可控J-T节流元件、第一级变频压缩机、第一级气液分离器、 第二级变频压缩机、第二级气液分离器、第一级变频液体泵、第二级变频液体 泵、缓冲罐、第一级冷却器、第二级冷却器和控制单元；

所述控制单元包括第一控制器、第二控制器、第三控制器及第四控制器；

所述第一控制器通过采集冷箱换热单元高温端换热温差作为反馈信号调节 第一级变频液体泵的转速；

所述第二控制器通过采集冷箱换热单元低温端换热温差作为反馈信号调节 第二级变频液体泵的转速；

所述第三控制器通过采集液化天然气降压阀的进出口温差作为反馈信号调 节第一级变频压缩机及第二级变频压缩机的转速；

所述第四控制器通过采集可控J-T节流元件出口冷剂压力作为反馈信号调 节可控J-T节流元件的开度。

所述第一控制器通过采集冷箱换热单元高温端换热温差作为反馈信号调节 第一级变频液体泵的转速，具体为：若冷箱换热单元高温端换热温差高于预设 值，则降低第一级变频液体泵的转速，减少高沸点组分的流量，反之，则提高 第一级变频液体泵的转速，增加高沸点冷剂组分的流量。

所述第二控制器通过采集冷箱换热单元低温端换热温差作为反馈信号调节 第二级变频液体泵的转速，具体为：若冷箱换热单元低温端换热温差高于预设 值，则提高第二级变频液体泵的转速，增加中温沸点冷剂组分的流量，反之， 则降低第二级变频液体泵的转速，减少中温沸点冷剂组分的流量。

所述第三控制器通过采集液化天然气降压阀的进口与出口温差作为反馈信 号调节第一级变频压缩机及第二级变频压缩机的转速；具体为：若液化天然气 降压阀的进出口温差高于预设值，则提高第一级变频压缩机及第二级变频压缩 机的转速，增加冷剂流量，反之，则降低第一级变频压缩机及第二级变频压缩 机的转速，减小冷剂流量。

本发明的有益效果：

对冷剂的充注浓度要求较低，自动调节装置可以根据其冷箱换热单元高温 端与低温端的换热温差自动调节冷剂运行浓度，保证SMR流程在不同工况下高 效稳定运行，而且控制装置简单，容易实现。

附图说明

图1是单级混合冷剂天然气液化流程冷剂浓度控制系统结构示意图。

图中示出：

1—冷箱换热单元，2—可控J-T节流元件，3—缓冲罐，4—第一级变频压 缩机，5—第一级冷却器，6—第一级气液分离器，7—第二级变频压缩机，8— 第二级冷却器，9—第二级气液分离器，10—第一级变频液体泵，11—第二级变 频液体泵，12—液化天然气降压阀，13—控制单元，14-第一控制器，15-第二控 制器，16-第三控制器，17—第四控制器；

其中，直线表示冷剂及天然气工质的流路，虚线表示信号输入，点划线表 示控制指令输出。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施 方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明包括缓冲罐3、第一级冷却器5、第二级冷却器8、冷 箱换热单元1、液化天然气降压阀12、可控J-T节流元件2、第一级变频压缩机 4、第一级气液分离器6、第二级变频压缩机7、第二级气液分离器9、第一级变 频液体泵10、第二级变频液体泵11和控制单元13。

所述第一级气液分离器6中的液体富含高沸点冷剂组分；第二级气液分离 器9分离的液体富含中温沸点冷剂组分，而其分离的气体中低沸点冷剂组分的 含量较高，在两个气液分离器釜底设置第一级、第二级变频液体泵10，11，通 过调节第一、第二级变频液体泵10，11的转速调节其对应的液相流流量从而调 节系统中冷剂的运行浓度。

所述控制单元13包括第一控制器14、第二控制器15、第三控制器16及第 四控制器17；

所述第一控制器14通过采集冷箱换热单元1高温端换热温差作为反馈信号 调节第一级变频液体泵10的转速；

所述第二控制器15通过采集冷箱换热单元1低温端换热温差作为反馈信号 调节第二级变频液体泵11的转速；

所述第三控制器16通过采集液化天然气降压阀12的进出口温差作为反馈 信号调节第一级变频压缩机4及第二级变频压缩机7的转速；

所述第四控制器17通过采集可控J-T节流元件2出口冷剂压力作为反馈信 号调节可控J-T节流元件2的开度。

SMR流程中，首先设置冷箱换热单元1高温端的控制温差，如5℃，低温 端的控制温差，如7℃，液化天然气降压阀12前后控制温差，如5℃，可控J-T 节流元件2的出口冷剂压力，如3bar。

系统正常运行后，冷剂通过缓冲罐3进入第一级变频压缩机4，经第一级压 缩后压力、温度升高，进入第一级冷却器5，冷却后其温度接近环境温度，高沸 点冷剂组分冷凝成液体，进入第一级气液分离器6，分离出来的液体通过第一级 变频液体泵10打入冷箱换热单元1；气体部分进入第二级变频压缩机7继续压 缩，压力、温度再度升高，进入第二级冷却器8，冷却后冷剂温度接近环境温度， 其中中沸点冷剂组分冷凝成液体，冷剂进入第二级气液分离器9，分离出来的液 体经第二级变频液体泵11打入冷箱换热单元1，而气体部分则直接进入冷箱换 热单元1，在冷箱换热单元1中冷剂进一步冷凝并过冷，然后经可控J-T节流元 件2节流降压、降温，其压力、温度降低后进入冷箱换热单元的冷端，吸收热 量后蒸发过热，再回到缓冲罐3中，完成一个循环。

高压天然气CNG直接进入冷箱换热单元1，在其中过冷后进入液化天然气 降压阀12降压，压力降至接近一个大气压后进入LNG储液罐中保存。

所述第一控制器14通过采集冷箱换热单元1高温端换热温差作为反馈信号 调节第一级变频液体泵10的转速，具体为：若冷箱换热单元高温端换热温差高 于预设值，则降低第一级变频液体泵10的转速，减少高沸点组分的流量，反之， 则提高第一级变频液体泵10的转速，增加高沸点冷剂组分的流量。

所述第二控制器15通过采集冷箱换热单元1低温端换热温差作为反馈信号 调节第二级变频液体泵11的转速，具体为：若冷箱换热单元低温端换热温差高 于预设值，则提高第二级变频液体泵11的转速，增加中温沸点冷剂组分的流量， 反之，则降低第二级变频液体泵11的转速，减少中温沸点冷剂组分的流量。

所述第三控制器16通过采集液化天然气降压阀12的进口与出口温差作为 反馈信号调节第一级变频压缩机4及第二级变频压缩机7的转速，具体为：若 液化天然气降压阀12的进出口温差高于预设值，则提高第一级变频压缩机4及 第二级变频压缩机7的转速，增加冷剂流量，反之，则降低第一级变频压缩机4 及第二级变频压缩机7的转速，减小冷剂流量。

所述第四控制器17通过采集可控J-T节流元件2出口冷剂压力作为反馈信 号调节可控J-T节流元件2的开度，具体为：当可控J-T节流元件2出口冷剂压 力高于预设值，则减小其开度，反之，则增大其开度。

在整个系统运行中，液化天然气在液化天然气降压阀12前后的温降不能太 大，否则其降温后闪蒸气的量较大，为达到这种效果，天然气须在冷箱换热单 元中降至一定的温度（一般在-155℃以下）；另外，冷箱换热单元中换热温差不 能太大，否则系统的损失大，能耗增加；采用本发明可以克服上述缺陷。

本发明选取冷剂的多级压缩冷却单元中的两级，在其冷却器后设置气液分 离器，将冷剂分离成两股分别富含高沸点组分和中沸点组分的液相流以及富含 低沸点组分的气相流；调节方式上，1）通过调节两股液相流流量改变冷剂运行 浓度从而保证冷箱换热单元热端和冷端的换热温差，2）通过调节压缩机转速改 变制冷量从而保证变负荷率运行，3）通过调节冷剂JT节流阀开度保持低压稳 定。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。