冷剂循环装置及天然气液化系统的制作方法

1.本实用新型属于换热技术领域，特别是涉及一种冷剂循环装置及天然气液化系统。


背景技术：

2.换热，指冷热两流体间所进行的热量传递，是一种属于传热过程的单元操作；现有在利用换热技术对热流体进行降温时，通过向换热器中输入冷流体，通常该冷流体采用混合冷剂，混合冷剂通常采用3种以上的物质组成，对组分配比的要求比较严格，当混合冷剂的组分变化时，需要对该混合冷剂进行补充，达到原设计的配比，是十分麻烦的。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种冷剂循环装置及天然气液化系统，用于解决现有换热装置使用的混合冷剂，对组分配比要求严格，当该混合冷剂的组分变化时，需对其进行补充，操作麻烦的问题。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种冷剂循环装置，包括：冷剂存储罐、压缩降温组件、膨胀机及换热组件；所述换热组件的第一端与所述冷剂存储罐连接，所述换热组件的第二端与所述膨胀机的第一端连接，所述换热组件的第三端与所述压缩降温组件连接，所述换热组件的第四端与所述膨胀机的第二端连接；所述压缩降温组件与所述冷剂存储罐连接；所述冷剂存储罐用于存储气体制冷剂。
5.于本实用新型的一实施例中，所述膨胀机与所述压缩降温组件连接。
6.于本实用新型的一实施例中，所述压缩降温组件包括至少一个压缩降温单元；所述压缩降温单元包括：压缩机和空冷器；当所述压缩降温单元的数量为一时，所述压缩机的一端与所述冷剂存储罐连接，所述压缩机的另一端与所述空冷器的一端连接；所述空冷器的另一端与所述换热组件的第三端连接；当所述压缩降温单元的数量为多个时，多个所述压缩降温单元依次连接；位于首端的压缩降温单元的压缩机一端与所述冷剂存储罐连接，位于首端的压缩降温单元的压缩机另一端与位于首端的压缩降温单元的空冷器的一端连接；位于末端的压缩降温单元的压缩机一端与前一压缩降温单元的空冷器的另一端连接，位于末端的压缩降温单元的压缩机另一端与位于末端的压缩降温单元的空冷器的一端连接；位于末端的压缩降温单元的空冷器的另一端与所述换热组件的第三端连接。
7.于本实用新型的一实施例中，所述换热组件包括至少一组换热器；当所述换热器的数量为一时，所述换热器的第一端与所述冷剂存储罐连接，所述换热器的第二端与所述膨胀机的第一端连接，所述换热器的第三端与所述压缩降温组件连接，所述换热器的第四端与所述膨胀机的第二端连接；当所述换热器的数量为多个时，多个所述换热器依次连接；位于首端的换热器的第一端与所述冷剂存储罐连接，位于首端的换热器的第三端与所述压缩降温组件连接，位于首端的换热器的第四端与所述膨胀机的第二端连接；位于末端的换热器的第一端与前一换热器的第二端连接，位于末端的换热器的第二端与所述膨胀机的第
一端连接。
8.于本实用新型的一实施例中，所述气体制冷剂至少包括以下任意一种气体：氮气、甲烷、天然气。
9.本实用新型提供一种天然气液化系统，包括液化装置和上述的冷剂循环装置；所述冷剂循环装置中的换热组件用于对天然气进行降温；所述液化装置与所述换热组件连接。
10.于本实用新型的一实施例中，所述天然气液化系统还包括分离装置；所述分离装置与所述液化装置连接，用于分离所述液化装置对降温后的天然气进行液化后产生的液化产物；所述液化产物包括：液化天然气和未液化的天然气。
11.于本实用新型的一实施例中，所述天然气液化系统还包括燃气发电机；所述燃气发电机与所述换热组件连接，用于根据进气压力自动调节转速，以调节所述冷剂循环装置中的压缩降温组件的转速；所述分离装置与所述换热组件连接，所述分离装置还用于将所述未液化的天然气通过所述换热组件送至所述燃气发电机。
12.于本实用新型的一实施例中，所述燃气发电机与所述冷剂循环装置中的压缩降温组件连接，用于为所述压缩降温组件供电。
13.于本实用新型的一实施例中，所述液化装置包括节流阀；所述节流阀与所述换热组件连接。
14.如上所述，本实用新型所述的冷剂循环装置及天然气液化系统，具有以下有益效果：
15.(1)与现有技术相比，本实用新型的冷剂循环装置利用气体制冷剂实现换热，能够实现气体制冷剂的循环利用，省去了现有技术中，需源源不断补充混合制冷剂的麻烦，提高了换热效率；同时，利用氮气或天然气等作为该气体制冷剂，易获取或补充。
16.(2)本实用新型在对压缩机级间冷却和后冷却采用风冷形式，解决了现有水冷方式存在的水资源浪费的问题，使得该冷剂循环装置的适用性大大增强，特别是，能够应用在一些水资源供给困难的边远/边缘地区，使该冷剂循环装置实施起来更为容易，所需的成本也有所降低。
17.(3)本实用新型利用膨胀机实现回收机械能，并将回收的机械能用于驱动压缩机，充分利用了系统能量，降低了驱动所需损耗。
18.(4)本实用新型提供的天然气液化系统，将未液化的天然气作为燃气发电机的燃料，并利用燃气发电机电力驱动压缩机，采用发电自用，实现了电能的自给自足，无需外界供电，实现了发电量和用电负荷之间的自平衡，能够将天然气液化过程中，所需的周边配套和控制需求降到最低，从而提高了该天然气液化系统的经济性和实用性，使该天然气液化系统运行高效、平稳；另外，还有效解决了未液化天然气排放的问题。
附图说明
19.图1显示为本实用新型的冷剂循环装置于一实施例中的结构示意图。
20.图2显示为本实用新型的天然气液化系统于一实施例中的原理框图。
21.图3显示为本实用新型的天然气液化系统于一实施例中的结构示意图。
22.元件标号说明
23.11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
冷剂存储罐
24.12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
压缩降温组件
25.121
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
压缩降温单元
26.1211
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
压缩机
27.1212
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
空冷器
28.13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
膨胀机
29.14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
换热组件
30.141
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
换热器
31.21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
液化装置
32.211
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
节流阀
33.22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
冷剂循环装置
34.23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
分离装置
35.231
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
分离器
36.24
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃气发电机
具体实施方式
37.以下通过特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
38.须知，本说明书所附图示所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
39.本实用新型的冷剂循环装置及天然气液化系统用于解决现有换热装置使用的混合冷剂，对组分配比要求严格，当该混合冷剂的组分变化时，需对其进行补充，操作麻烦的问题。以下将详细阐述本实用新型的一种冷剂循环装置及天然气液化系统的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实用新型的一种冷剂循环装置及天然气液化系统。
40.参阅图1至图3。本实施例提供的冷剂循环装置及天然气液化系统，与现有技术相比，本实用新型的冷剂循环装置利用气体制冷剂实现换热，能够实现气体制冷剂的循环利用，省去了现有技术中，需源源不断补充混合制冷剂的麻烦，提高了换热效率；同时，利用氮气或天然气等作为该气体制冷剂，易获取或补充；本实用新型在对压缩机级间冷却和后冷却采用风冷形式，解决了现有水冷方式存在的水资源浪费的问题，使得该冷剂循环装置的适用性大大增强，特别是，能够应用在一些水资源供给困难的边远/边缘地区，使该冷剂循环装置实施起来更为容易，所需的成本也有所降低；本实用新型利用膨胀机实现回收机械能，并将回收的机械能用于驱动压缩机，充分利用了系统能量，降低了驱动所需损耗；本实用新型提供的天然气液化系统，将未液化的天然气作为燃气发电机的燃料，并利用燃气发
电机电力驱动压缩机，采用发电自用，实现了电能的自给自足，无需外界供电，实现了发电量和用电负荷之间的自平衡，能够将天然气液化过程中，所需的周边配套和控制需求降到最低，从而提高了该天然气液化系统的经济性和实用性，使该天然气液化系统运行高效、平稳；另外，还有效解决了未液化天然气排放的问题。
41.如图1所示，于一实施例中，本实用新型的冷剂循环装置包括冷剂存储罐11、压缩降温组件12、膨胀机13及换热组件14。
42.具体地，所述换热组件14的第一端
①
与所述冷剂存储罐11连接，所述换热组件14的第二端
②
与所述膨胀机13的第一端
①
连接，所述换热组件14的第三端
③
与所述压缩降温组件12连接，所述换热组件14的第四端
④
与所述膨胀机13的第二端
②
连接；所述压缩降温组件12与所述冷剂存储罐11连接；所述冷剂存储罐11用于存储气体制冷剂。
43.于一实施例中，所述气体制冷剂至少包括但并不限于以下任意一种气体：氮气(n2)、甲烷(ch4)、天然气(ng)。
44.需要说明的是，该气体制冷剂为在应用该冷剂循环装置的现场容易获得或补充的介质；当其包含多种气体时，每种气体组分的少量变化对装置效率和稳定性影响不大。
45.需要说明的是，该冷剂循环装置的工作原理如下：
46.首先，由压缩降温组件12对冷剂存储罐11中的气体制冷剂进行压缩、降温，使得该气体制冷剂成为高压和常温状态；然后，该压缩降温组件12将高压和常温状态的气体制冷剂送至换热组件14，以实现为该换热组件14提供气体制冷剂(与流入该换热组件14中的热流体进行热量传递，实现降低该热流体的温度)；紧接着，从换热组件14流出的气体制冷剂到达膨胀机13，由该膨胀机13对该气体制冷剂进行膨胀制冷，使该气体制冷剂的压力下降且温度降低；最后，再将该压力下降、温度降低的气体制冷剂再经过换热组件14流回冷剂存储罐11中，实现了气体制冷剂的循环利用。
47.于一实施例中，所述压缩降温组件12包括至少一个压缩降温单元121。
48.如图1和图2所示，于一实施例中，所述压缩降温单元121包括压缩机1211和空冷器1212；其中，压缩机1211用于对上述的气体制冷剂进行压缩；空冷器1212用于对该气体制冷剂进行降温(风冷方式)。
49.具体地，当所述压缩降温单元121的数量为一时，所述压缩机1211的一端与所述冷剂存储罐11连接，所述压缩机1211的另一端与所述空冷器1212的一端连接；所述空冷器1212的另一端与所述换热组件14的第三端
③
连接。
50.如图2所示，当所述压缩降温单元121的数量为多个(图2中是以压缩降温组件12包括两个压缩降温单元121为例进行的说明)时，多个所述压缩降温单元121依次连接；位于首端的压缩降温单元121的压缩机1211(对应图2中左边的压缩机1211)一端与所述冷剂存储罐11连接，位于首端的压缩降温单元121的压缩机1211另一端与位于首端的压缩降温单元121的空冷器1212的一端连接；位于末端的压缩降温单元121的压缩机1211(对应图2中右边的压缩机1211)一端与前一压缩降温单元121的空冷器1212的另一端连接，位于末端的压缩降温单元121的压缩机1211另一端与位于末端的压缩降温单元121的空冷器1212的一端连接；位于末端的压缩降温单元121的空冷器1212的另一端与所述换热组件14的第三端
③
连接。
51.于一实施例中，所述膨胀机13与所述压缩降温组件12连接。
52.具体地，该膨胀机13的主轴与上述压缩机1211的驱动轴连接，用于实现驱动压缩机1211。
53.需要说明的是，该膨胀机13回收的机械能(通过其主轴输出)只能用来驱动一台压缩机，所以当上述的压缩降温单元121的数量为多个，即压缩降温组件12包括多个压缩机时，该膨胀机13可与其中任意一个压缩机1211的驱动轴连接。
54.如图2所示，于一实施例中，所述换热组件14包括至少一组换热器141。
55.具体地，当所述换热器141的数量为一时，所述换热器141的第一端
①
与所述冷剂存储罐11连接，所述换热器141的第二端
②
与所述膨胀机13的第一端
①
连接，所述换热器141的第三端
③
与所述压缩降温组件中位于末端的压缩降温单元121的空冷器1212的另一端连接，所述换热器141的第四端
④
与所述膨胀机的第二端
②
连接。
56.如图2所示，当所述换热器141的数量为多个(图2中是以换热组件14包括两个换热器141为例进行的说明)时，多个所述换热器141依次连接；位于首端的换热器141(对应图2中左边的换热器141)的第一端
①
与所述冷剂存储罐11连接，位于首端的换热器141的第三端
③
与所述压缩降温组件12中位于末端的压缩降温单元121的空冷器1212的另一端连接，位于首端的换热器141的第四端
④
与所述膨胀机13的第二端
②
连接；位于末端的换热器141(对应图2中右边的换热器141)的第一端
①
与前一换热器141的第二端
②
连接，位于末端的换热器141的第二端
②
与所述膨胀机的第一端
①
连接。
57.如图3所示，于一实施例中，本实用新型的天然气液化系统包括液化装置21和上述的冷剂循环装置22。
58.需要说明的是，该冷剂循环装置22采用上述的冷剂循环装置，故在此不再详细赘述其工作原理。
59.具体地，所述冷剂循环装置22中的换热组件14用于对天然气进行降温；所述液化装置21与所述换热组件14连接。
60.需要说明的是，该天然气液化系统的工作原理如下：
61.首先，将天然气输入至冷剂循环装置22的换热14中，使该换热组件14对该天然气进行换热降温；然后，该换热组件14再将降温后的天然气送至液化装置21，以使该液化装置21实现对该降温后的天然气的液化。
62.需要说明的是，天然气作为相对清洁的能源载体，在当前碳达峰、碳中和的背景下十分有意义，但由于天然气输送不便，将天然气液化后再进行储运是常见的做法，对于边远/边缘的煤层气、页岩气或放空气(即对应本技术中的天然气)，因为气量小、生产时间短、周边配套缺乏，往往不具备液化生产的经济性(缺水使得压缩机级间及后冷却采用的水冷降温方式难以实现)；于本实施例中，通过将上述的冷剂循环装置应用到天然气液化技术领域，在整个液化过程中，换热组件14所需的冷剂采用气体制冷剂，该种气体制冷剂在天然气现场易获取或补充，同时，在压缩机级间及后冷却利用风冷无连续用水消耗，有效解决了水冷降温存在的消耗水资源的问题。
63.如图2和图3所示，于一实施例中，所述液化装置21包括节流阀211。
64.具体地，所述节流阀211与所述换热组件14中位于末端的换热器141连接。
65.需要说明的是，该节流阀211是用来实现膨胀制冷而使从换热组件14流出的天然气液化，该节流阀211也可使用膨胀机替代，但因为考虑到成本，在此使用节流阀。
66.如图3所示，于一实施例中，所述天然气液化系统还包括分离装置23。
67.具体地，所述分离装置23与所述液化装置21连接，用于分离所述液化装置21对降温后的天然气进行液化后产生的液化产物。
68.需要说明的是，所述液化产物包括液化天然气和未液化的天然气。
69.如图2所示，于一实施例中，该分离装置23包括分离器231；具体地，分离器231与节流阀211连接，用于对经节流阀211液化后流出的液化产物进行分离。
70.进一步地，经该分离器231对该液化产物分离后，产生的液化天然气进入液化天然气存储罐(未在图中示出)中待运。
71.如图2和图3所示，于一实施例中，所述天然气液化系统还包括燃气发电机24。
72.具体地，所述燃气发电机24与所述换热组件14中位于首端的换热器141连接，用于根据进气压力自动调节转速，以调节所述冷剂循环装置22中的压缩降温组件12的转速，实现压缩机负荷与燃料气(未液化的天然气)供应量的动态平衡；所述分离装置23与所述换热组件14中位于末端的换热器141连接，所述分离装置23还用于将所述未液化的天然气通过所述换热组件14送至所述燃气发电机24。
73.需要说明的是，该分离装置23通过将未液化的天然气(该未液化的天然气是低温天然气)经过换热组件14复温后成为常温天然气，将该常温天然气作为燃料气送至燃气发电机24去发电(常温天然气满足发电机的燃料需求，燃气发电机24的转速和发电频率与未液化的天然气的压力成比例关系)，无需外界供电，从而将该天然气液化装置的配套条件降至最低。
74.需要说明的是，该燃气发电机24是由天然气内燃机驱动，内燃机转速根据进气压力调节，带动该燃气发电机24发电，其发电频率在工频(一般是50hz)附近上下10％范围内调节。
75.进一步地，未液化的天然气的量增加时，压缩机转速提高，系统制冷量提高，使得天然气液化系统获得冷量增加，节流温度降低，使未液化的天然气的量减少；反之，未液化的天然气的量减少，压缩机转速降低，系统制冷量减少，节流温度升高，使未液化的天然气的量增加；该天然气液化系统具有液化率-未液化的天然气-制冷负荷自平衡特性。
76.于一实施例中，所述燃气发电机24与所述冷剂循环装置22中的压缩降温组件12连接，用于为所述压缩降温组件12供电。
77.具体地，该燃气发电机24与压缩降温组件12中的压缩机1211连接。
78.需要说明的是，上述介绍了膨胀机13只能用来驱动一台压缩机，所以，当压缩降温组件12中包括多个压缩降温单元121(对应有多个压缩机1211)时，可通过膨胀机13驱动多个多个压缩机1211中的任意一个，其它的压缩机1211均通过该燃气发电机24提供的电力进行驱动，充分利用了系统能量。
79.下面将结合图2对本实用新型的天然气液化系统进行详细解释说明。
80.如图2所示，天然气经过预处理合格后(不含在本天然气液化系统范围内)进入该天然气液化系统，首先，经两级换热器141换热降温后，通过节流阀211膨胀制冷而液化，液化产物进入分离器231，少量未液化的天然气经过两级换热器141复温后作为燃料气送至燃气发电机24(对应图2中的gtg)去发电，而液化天然气进入液化天然气存储罐(不含在本天然气液化系统范围内)中待运。
81.对应的，天然气的流动路径如图2中的粗实线所示；具体地，天然气的流动路径为：左边的换热器141
→
右边的换热器141
→
节流阀211
→
分离器231
→
右边的换热器141
→
左边的换热器141
→
gtg。
82.对应的，液化天然气的流动路径为：节流阀211
→
分离器231
→
液化天然气存储罐。
83.对应的，气体制冷剂的流动路径如图2中的细实线所示；具体地，气体制冷剂的流动路径为：冷剂存储罐11
→
左边的压缩机1211
→
左边的空冷器1212
→
右边的压缩机1211
→
右边的空冷器1212
→
左边的换热器141
→
膨胀机13
→
右边的换热器141
→
左边的换热器141
→
冷剂存储罐11。
84.对应的，发电量和用电负荷的路径如图2中的细虚线所示；具体地，由gtg提供的电力驱动右边的压缩机1211，右边的压缩机1211转速与电源频率、燃气发电机24转速为固定比例，右边的压缩机1211和燃气发电机24转速可以在工频附近(
±
10％)自动调节；由膨胀机13回收的机械能驱动左边的压缩机1211，左边的压缩机1211的负荷/转速由膨胀机13工作状态自动平衡调节。
85.如图2所示，在冷剂循环装置中，气体制冷剂经两级压缩和冷却后，成为高压和常温状态，进入左边的换热器141进行预冷并加热未液化的天然气；经过预冷的气体制冷剂进入膨胀机13进行膨胀制冷，压力下降并且温度降低；低温的气体制冷剂依此进入右边的换热器141和左边的换热器141对天然气进行逐级冷却，提高换热效率并充分利用冷量；换热后的低压常温的气体制冷剂再依次进入左边的压缩机1211和右边的压缩机1211进行循环。
86.需要说明的是，当未液化的天然气增加，分离器231压力升高，会导致燃气发电机24内燃机进气压力升高，转速增加，带动燃气发电机24转速增加，发电频率升高；燃气发电机24提供给图2中的右边的压缩机1212的电源频率变化等同于变频工作，图2中的右边的压缩机1212的排量和增压相应变化，电源频率升高时，冷剂循环量和排出压力也相应增加，一方面带动膨胀机13做功增加，变相带动图2中的左边的压缩机1212做功增加；另一方面，更大循环量和更低温度也带给原料天然气更多冷量，使得节流阀211前后的天然气温度降低，从而降低分离器231温度和压力，减少未液化的天然气的量，直至达到平衡；同样，当未液化的天然气的量减少，会降低燃气发电机24内燃机和燃气发电机24转速，发电频率降低，使得压缩机做功减少，从而提高液化天然气温度和压力，增加未液化的天然气的量直至平衡；计算表明，
±
10％的转速调节可以进行40％的负荷调整，满足大部分工况需求，若有需要更大范围的转速调节也是可行的。
87.综上所述，本实用新型的冷剂循环装置及天然气液化系统，与现有技术相比，本实用新型的冷剂循环装置利用气体制冷剂实现换热，能够实现气体制冷剂的循环利用，省去了现有技术中，需源源不断补充混合制冷剂的麻烦，提高了换热效率；同时，利用氮气或天然气等作为该气体制冷剂，易获取或补充；本实用新型在对压缩机级间冷却和后冷却采用风冷形式，解决了现有水冷方式存在的水资源浪费的问题，使得该冷剂循环装置的适用性大大增强，特别是，能够应用在一些水资源供给困难的边远/边缘地区，使该冷剂循环装置实施起来更为容易，所需的成本也有所降低；本实用新型利用膨胀机实现回收机械能，并将回收的机械能用于驱动压缩机，充分利用了系统能量，降低了驱动所需损耗；本实用新型提供的天然气液化系统，将未液化的天然气作为燃气发电机的燃料，并利用燃气发电机电力驱动压缩机，采用发电自用，实现了电能的自给自足，无需外界供电，实现了发电量和用电
负荷之间的自平衡，能够将天然气液化过程中，所需的周边配套和控制需求降到最低，从而提高了该天然气液化系统的经济性和实用性，使该天然气液化系统运行高效、平稳；另外，还有效解决了未液化天然气排放的问题；所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
88.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。