自动复叠制冷系统与脉管制冷机相结合的天然气液化系统

摘要

本发明涉及一种自动复叠制冷系统与脉管制冷机相结合的天然气液化系统，气源输出端经稳压阀和流量调节阀依次连接自复叠制冷循环中的第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器，用于气源在第一、二、三级换热器中与混合制冷剂换热进行第一至三次冷却；第三级换热器的气态天然气输出端连接蒸发器，用于气态天然气在蒸发器中与制冷剂进行换热进行第四次冷却；蒸发器的气态天然气输出端缠绕在天然气冷凝箱里的脉管制冷机的冷头上,用于气态天然气在天然气冷凝箱中与脉管制冷机中的脉管制冷机冷头里的工质氦气进行换热，被冷凝为液态天然气；缠绕在脉管制冷机冷头上的管道输出端通过节流元件连接储存装置，用于液态天然气经过节流元件降压后流到储存装置中被储存。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种低温液化气体系统，特别是一种把自动复叠制冷系统与脉管制冷机相结合的天然气液化系统。

背景技术

天然气作为清洁能源是21 世纪消费量增长最快的能源，占一次性能源的比重将越来越大。相对于煤炭和石油，天然气更环保、更洁净，而且在同等热值的情况下，天然气要更实惠、更经济。我国是一个幅员辽阔的国家，但是资源分布不均与经济发展的不平衡现象非常严重。西部资源丰富省份经济相对落后，能源消耗低；而东部经济发达地区却缺少能源。所以在我国如何合理的调配和运输能源显得尤为重要。城市气源是我国“西气东输”工程的重要组成部分。考虑到部分与气源距离远、市场容量较小、采用管道输送不经济的中小城市，以及由于各种原因暂时无法使用管输气的城市，使用液化天然气，是解决其天然气气源问题的有效方法。现有的液化方法分为级联式液化方法，带膨胀机的液化方法和混合制冷剂的液化方法。级联式液化方法有机组多，流程复杂，附属设备多，管道与控制系统复杂的缺点；混合制冷剂的液化方法有能耗较高，混合制冷剂的合理配比较为困难等缺点；带膨胀机的液化方法有液化率低，回流压力低，换热面积大，不适合小型化的缺点。本发明是一种把自动复叠制冷系统与脉管制冷机相结合的天然气液化系统，利用了自动复叠制冷系统逐级冷却的优势，结合了脉管制冷机在低温区具有更高制冷效率的特点，具有较高的液化效率，而且整个液化系统比较灵活，可以小型化，也可以采用并联系统方案实现中等规模的天然气液化。

发明内容

本发明是针对级联式液化方法机组多，流程复杂，附属设备多，管道与控制系统复杂，混合制冷剂的液化方法能耗较高，混合制冷剂的合理配比较为困难，带膨胀机的液化方法液化率低，回流压力低，换热面积大，较难小型化等问题，提出了一种把自动复叠制冷系统与脉管制冷机相结合的天然气液化系统，该系统利用自复叠制冷系统逐级冷却的优势，结合了脉管制冷机在低温区具有更高制冷效率的特点，具有较高的液化效率，而且整个液化系统比较灵活，可以小型化，也可以采用并联系统方案实现中等规模的天然气液化，可以很好的解决上述问题。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种自动复叠制冷系统与脉管制冷机相结合的天然气液化系统，包括自动复叠制冷系统，脉管制冷机系统，天然气液化系统，其特征在于：

所述自动复叠制冷系统是一个四级自动复叠制冷系统，包括压缩机，水冷冷凝器，第一级气液分离器，第一级节流元件，第一级换热器，第二级气液分离器，第二级节流元件，第二级换热器，第三级气液分离器，第三级节流元件，第三级换热器，第四级节流元件、蒸发器；

所述脉管制冷机系统包括脉管制冷机、脉管制冷机冷头、水冷却器和天然气冷凝箱；

所述天然气液化系统包括气源、稳压阀、第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器、蒸发器、天然气冷凝箱、脉管制冷机、节流元件、储存装置、流量调节阀；

所述的气源输出端经稳压阀和流量调节阀依次连接自复叠制冷循环中的第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器，用于气源在第一、二、三级换热器中与混合制冷剂换热进行第一至三次冷却；所述第三级换热器5的气态天然气输出端连接自复叠制冷循环中的蒸发器中，用于气态天然气在蒸发器中与制冷剂进行换热进行第四次冷却；所述蒸发器的气态天然气输出端缠绕在天然气冷凝箱里的脉管制冷机中的脉管制冷机冷头上，用于气态天然气在天然气冷凝箱中与脉管制冷机中的脉管制冷机冷头里的工质氦气进行换热，被冷凝为液态天然气；所述缠绕在脉管制冷机冷头上的管道通过节流元件连接储存装置，用于液态天然气经过节流元件降压后流到储存装置中被储存；所述第一、二、三级换热器、蒸发器、天然气冷凝箱、脉管制冷机冷头及连接管道置于绝热保温装置内。

所述第一级换热器中的混合制冷剂为R290/R23/R14/R50；所述第二级换热器中的混合制冷剂为R23/R14/R50；所述第三级换热器中的制冷剂为R14/R50；所述蒸发器中的制冷剂为R50。

所述天然气冷凝箱里天然气液化系统的管道和脉管制冷机的连接方式为天然气液化系统的管道缠绕在脉管制冷机冷头上。

本发明的有益效果是：该天然气液化系统利用了自复叠制冷系统逐级冷却的优势，结合了脉管制冷机在低温区具有更高制冷效率的特点，具有较高的液化效率，而且整个液化系统比较灵活，可以小型化，也可以采用并联系统方案实现中等规模的天然气液化。

本发明液化的对象不仅局限于天然气，还可以是甲烷，乙烷等其他气体。

附图说明

图1为本发明的自动复叠制冷系统与脉管制冷机相结合的天然气液化系统的系统图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种自动复叠制冷系统与脉管制冷机相结合的天然气液化系统的系统图，该种把自动复叠制冷系统与脉管制冷机相结合的天然气液化系统包括三个子系统，分别为天然气液化系统、R290/R23/R14/R50自动复叠制冷系统系统和脉管制冷机系统。

天然气液化系统主要包括：气源1、稳压阀2、第一级换热器3、第二级换热器4、第三级换热器5、蒸发器6、天然气冷凝箱7、脉管制冷机8、节流元件9、储存装置10、流量调节阀21。经过洁净除湿等操作处理的高压气态天然气，从气源1输出，经稳压阀2稳压到一定压力，再经流量调节阀21进行流量调节后流到自复叠制冷循环中的第一级换热器3，在第一级换热器3中与自动复叠制冷系统回路中的混合制冷剂R290/R23/R14/R50进行换热，被第一次冷却降温。气态天然气从第一级换热器3中出来以后，又流到了自复叠制冷循环中的第二级换热器4中，在第二级换热器4中与自动复叠制冷系统回路中的主要混合制冷剂R23/R14/R50进行换热，被第二次冷却降温。气态天然气从第二级换热器4中出来以后，又流到了自复叠制冷循环中的第三级换热器5中，在第三级换热器5中与自动复叠制冷系统回路中的主要混合制冷剂R14/R50进行换热，被第三次冷却降温。气态天然气从第三级换热器5中出来以后，又流到了自复叠制冷循环中的蒸发器6中，在蒸发器6中与自动复叠制冷系统回路中的主要制冷剂R50进行换热，被第四次冷却降温。气态天然气从蒸发器6出来以后，又流到了天然气冷凝箱7中，在天然气冷凝箱7中与脉管制冷机的冷头81里的工质氦气进行换热，被冷凝为液态天然气，其温度为110K左右。最后液态天然气经过节流元件9降压后流到储存装置10中被储存。上述天然气整个换热流程都需要处于绝热保温状态。

R290/R23/R14/R50自动复叠制冷系统主要包括：第一级换热器3、第二级换热器4、第三级换热器5、蒸发器6、压缩机11、水冷冷凝器12、第一级气液分离器13、第一级节流元件14、气液分离器15、第二级气液分离器16、第二级节流元件17、第三级气液分离器18、第三级节流元件19、第四级节流元件20。所述的自动复叠制冷系统，混合制冷剂R290/R23/R14/R50经压缩机11压缩并排入水冷冷凝器12中, 在水冷冷凝器12中进行变温冷凝, 其中冷凝为液体的主要为R290,而R23/R14/R50主要为气态。从水冷冷凝器12出来的气液混合制冷剂进入第一级气液分离器13,在重力的作用下实现自动分离,主要含有R290的液体经第一级气液分离器13底部送至第一级节流元件14进行节流,节流降温降压后的R290与第二级换热器4返回的主要混合制冷剂R23/R14/R50混合，混合后的混合制冷剂R290/R23/R14/R50在第一级换热器3中蒸发制冷, 蒸发后的混合制冷剂R290/R23/R14/R50回到压缩机11吸气管路；由第一级气液分离器13在重力的作用下实现自动分离得到的主要含有R23/R14/R50的气体经第一级汽液分离器13的上部进入第一级换热器3，主要成分为R23/R14/R50的气体在第一级换热器3中进行降温冷凝, 其中冷凝为液体的主要为R23,而R14/R50主要为气态。从第一级换热器3出来的气液混合物进入第二级气液分离器16,在重力的作用下实现自动分离,主要含有R23的液体经第二级气液分离器16底部送至第二级节流元件17节流，节流降温降压后的R23与第三级换热器5返回的主要混合制冷剂R14/R50混合，混合后的主要混合制冷剂R23/R14/R50在第二级换热器4中蒸发制冷, 蒸发后的混合制冷剂R23/R14/R50回到第一级换热器3；由第二级气液分离器16在重力的作用下实现自动分离得到的主要含有R14/R50的气体经第二级汽液分离器的16上部进入第二级换热器4，R14/R50气体在第二级换热器4中进行降温冷凝, 其中冷凝为液体的主要为R14,而R50主要为气态。从第二级换热器4出来的气液混合物进入第三级气液分离器18,在重力的作用下实现自动分离,主要含有R14的液体经第三级气液分离器18底部送至第三级节流元件19节流降温降压,节流后的R14与蒸发器6返回的主要制冷剂R50混合，混合后的主要混合制冷剂R14/R50在第三级换热器5中蒸发制冷, 蒸发后的混合制冷剂R14/R50回到第二级换热器3；由第三级气液分离器18在重力的作用下实现自动分离得到的主要含有R50的气体经第三级汽液分离器18的上部进入第三级换热器5， R50气体在第三级换热器5中进行降温冷凝, 主要为R50的制冷剂液体经第四级节流元件20节流后在蒸发器6中蒸发制冷, 蒸发后的制冷剂R50回到第三级换热器3。在压缩机11吸气管路汇合后的混合制冷剂R290/R23/R14/R50含有微量液体,要经过气液分离器15的过滤，使R290/R23/R14/R50制冷剂混合物变为纯气态回到压缩机11,完成整个循环。

脉管制冷机系统主要包括：天然气冷凝箱7、脉管制冷机8、脉管制冷机冷头81、水冷却器82。所述的脉管制冷机8，压缩机压缩，使压缩机中的氦气压力升高，高压氦气流入脉管制冷机8，使脉管制冷机冷头81产生制冷效应。在天然气冷凝箱7里天然气液化系统的管道和脉管制冷机8的连接方式为天然气液化系统的管道缠绕在脉管制冷机的冷头81上。因此，气态的天然气可以被脉管制冷机8产生的冷量冷凝为液态。

本发明的特点是把自动复叠制冷系统与脉管制冷机相结合来液化天然气，自动复叠制冷系统采用的制冷剂是混合制冷R290/R23/R14/R50，脉管制冷机采用的工质是氦气。把自动复叠制冷系统与脉管制冷机相结合来液化天然气的系统主要是对现在工业上使用的天然气液化系统出现的一些问题进行了改进，该系统利用了自复叠制冷系统逐级冷却的优势，结合了脉管制冷机在低温区具有更高制冷效率的特点，具有较高的液化效率，而且整个液化系统比较灵活，可以小型化，也可以采用并联系统方案实现中等规模的天然气液化，对天然气的液化有重要意义。