本發(fā)明涉及天然氣液化，具體而言，涉及一種雙循環(huán)預(yù)冷混合冷劑制取液化天然氣的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、液化天然氣(liquefied?natural?gas,lng)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化與減排方面作用顯著。傳統(tǒng)的天然氣液化工藝主要有：級(jí)聯(lián)式液化工藝、膨脹機(jī)液化工藝和混合冷劑液化工藝。特別是混合冷劑液化工藝(mixed-refrigerant?cycle,mrc)，以其流程的簡(jiǎn)潔性、適中的能耗以及較低的設(shè)備和投資成本，加之便于操作管理的特點(diǎn)，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)天然氣液化的主流工藝。

2、mrc液化工藝是基于c1～c5及n2等部分或所有組分混合作為制冷劑的制冷液化工藝，混合冷劑依次通過增壓、冷凝、冷卻、節(jié)流降溫，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣的制冷液化。mrc主要工藝流程有以下幾種：?jiǎn)渭?jí)混合冷劑液化工藝(smr)、帶丙烷預(yù)冷的混合冷劑液化工藝(c3/mrc)、雙混合冷劑液化工藝(dmr)和混合冷劑級(jí)聯(lián)式液化工藝(mfc)等。

3、目前，全球約80％的基本負(fù)荷型天然氣液化工廠采用c3/mrc液化工藝。該工藝在單級(jí)混合冷劑液化的基礎(chǔ)上增加了丙烷預(yù)冷環(huán)節(jié)，有效降低了lng液化過程中的冷量損失，從而提高了整體能效。但是，c3/mrc液化工藝還存在以下弊端：

4、(1)c3/mrc工藝通常依賴丙烷作為預(yù)冷階段的單一制冷劑，且這種丙烷通常是從天然氣中分離得到，會(huì)含有少量重?zé)N雜質(zhì)。當(dāng)這類含雜質(zhì)的丙烷經(jīng)節(jié)流后會(huì)產(chǎn)生氣液分離，而氣態(tài)丙烷在換熱器中無相變，導(dǎo)致?lián)Q熱效果較差。

5、(2)丙烷的預(yù)冷溫度最低約為-40℃，且為固定值，無法根據(jù)外界環(huán)境溫度的變化而變化，因此當(dāng)原料天然氣的組成改變、外界環(huán)境溫度發(fā)生季節(jié)性更替時(shí)，便會(huì)影響lng裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)和增加操作能耗。為了彌補(bǔ)這一不足，保證提供足夠的冷量，還會(huì)在主循環(huán)中的混合冷劑中加入重?zé)N成分(c4、c5)去匹配預(yù)冷循環(huán)模塊。由于重?zé)N組分的沸點(diǎn)和凝固點(diǎn)較高，當(dāng)天然氣液化的溫度達(dá)到-162℃時(shí)，重?zé)N組分會(huì)形成固體并造成管道和設(shè)備的嚴(yán)重堵塞，影響主冷循環(huán)的正常運(yùn)行。

6、(3)現(xiàn)有帶預(yù)冷的天然氣液化工藝的預(yù)冷系統(tǒng)多采用低溫壓縮機(jī)制冷方式，而低溫壓縮機(jī)的成本占總預(yù)冷系統(tǒng)的80％左右，設(shè)備價(jià)格昂貴，相關(guān)工藝設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

7、綜上，現(xiàn)有的預(yù)冷式混合制冷劑液化工藝在預(yù)冷效果、能耗和成本投資利用率方面仍存在不足，需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。亟需開發(fā)預(yù)冷效果好、能耗低、成本低的液化工藝。

8、鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種雙循環(huán)預(yù)冷混合冷劑制取液化天然氣的系統(tǒng)及方法，旨在提供預(yù)冷效果好、能耗低、成本低的液化工藝。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種雙循環(huán)預(yù)冷混合冷劑制取液化天然氣的系統(tǒng)，包括第一預(yù)冷循環(huán)模塊、第二預(yù)冷循環(huán)模塊和混合冷劑制冷循環(huán)模塊；

4、第一預(yù)冷循環(huán)模塊包括預(yù)冷冷箱、第一預(yù)冷壓縮單元、第一預(yù)冷冷卻器、至少一個(gè)第一預(yù)冷冷劑節(jié)流閥和至少一個(gè)第一蒸發(fā)換熱單元，預(yù)冷冷箱上設(shè)置有第二預(yù)冷冷劑進(jìn)口、第二預(yù)冷冷劑出口、混合冷劑進(jìn)口、混合冷劑出口、至少一個(gè)第一預(yù)冷冷劑進(jìn)口和至少一個(gè)第一預(yù)冷冷劑出口；預(yù)冷冷箱用于對(duì)第一預(yù)冷冷劑進(jìn)行冷量回收同時(shí)對(duì)第二預(yù)冷冷劑、混合冷劑和天然氣進(jìn)行預(yù)冷降溫，第一預(yù)冷冷劑出口均與第一預(yù)冷壓縮單元連通，第一預(yù)冷壓縮單元的出口與第一預(yù)冷冷卻器連通，第一預(yù)冷冷劑經(jīng)第一預(yù)冷冷劑節(jié)流閥降溫降壓之后經(jīng)過第一蒸發(fā)換熱單元進(jìn)行氣液分離并利用部分液相第一預(yù)冷冷劑與第二預(yù)冷冷劑和/或混合冷劑和/或天然氣進(jìn)行換熱最終全部汽化回收潛冷，汽化后的第一預(yù)冷冷劑與氣液分離的氣相第一預(yù)冷冷劑均進(jìn)入預(yù)冷冷箱提供冷源進(jìn)一步回收顯冷，之后經(jīng)第一預(yù)冷壓縮單元增壓，之后進(jìn)入第一預(yù)冷冷卻器冷卻，再之后進(jìn)入預(yù)冷冷箱預(yù)冷降溫；

5、第二預(yù)冷循環(huán)模塊包括預(yù)冷冷箱、第二預(yù)冷壓縮單元、第二預(yù)冷冷卻器、至少一個(gè)第二預(yù)冷冷劑節(jié)流閥和至少一個(gè)第二蒸發(fā)換熱單元，預(yù)冷冷箱上設(shè)置有天然氣進(jìn)口、天然氣出口、混合冷劑進(jìn)口、混合冷劑出口、至少一個(gè)第二預(yù)冷冷劑入口、至少一個(gè)第二預(yù)冷冷劑出口，預(yù)冷冷箱用于對(duì)第二預(yù)冷冷劑進(jìn)行冷量回收同時(shí)對(duì)混合冷劑和天然氣進(jìn)行預(yù)冷降溫；依次經(jīng)過預(yù)冷冷箱、第一蒸發(fā)換熱單元預(yù)冷的第二預(yù)冷冷劑通過第二預(yù)冷冷劑節(jié)流閥降溫降壓，之后進(jìn)入第二蒸發(fā)換熱單元進(jìn)行氣液分離并利用部分液相第二預(yù)冷冷劑與混合冷劑和/或預(yù)冷冷箱輸出的天然氣換熱最終全部汽化回收潛冷，汽化后的第二預(yù)冷冷劑與氣液分離的氣相第二預(yù)冷冷劑均進(jìn)入預(yù)冷冷箱作為冷源進(jìn)一步回收顯冷，之后經(jīng)第二預(yù)冷壓縮單元增壓，之后進(jìn)入第二預(yù)冷冷卻器冷卻，再之后進(jìn)入預(yù)冷冷箱預(yù)冷降溫；

6、混合冷劑制冷循環(huán)模塊包括混合冷劑壓縮單元、混合冷劑冷卻器、深冷冷箱和混合冷劑節(jié)流閥，混合冷劑經(jīng)混合冷劑壓縮單元增壓后再經(jīng)混合冷劑冷卻器降溫，增壓后的混合冷劑依次經(jīng)預(yù)冷冷箱、第一預(yù)冷冷劑換熱器和第二預(yù)冷冷劑換熱器預(yù)冷，預(yù)冷后的混合冷劑進(jìn)入深冷冷箱；采用多級(jí)節(jié)流工藝，混合冷劑在深冷冷箱中降溫后再經(jīng)混合冷劑節(jié)流閥節(jié)流降溫，返回深冷冷箱與天然氣在深冷冷箱換熱，逐漸汽化為深冷冷箱提供深冷區(qū)的冷量；混合冷劑在深冷冷箱中汽化吸熱后進(jìn)入預(yù)冷冷箱與第二預(yù)冷冷劑、混合冷劑和天然氣進(jìn)行換熱進(jìn)一步回收潛冷，復(fù)熱到常溫后再返回到混合冷劑壓縮單元循環(huán)使用。

7、在可選的實(shí)施方式中，每個(gè)第一蒸發(fā)換熱單元均包括一個(gè)第一預(yù)冷氣液分離器和一個(gè)第一預(yù)冷冷劑換熱器，每個(gè)第二蒸發(fā)換熱單元均包括一個(gè)第二預(yù)冷氣液分離器和一個(gè)第二預(yù)冷冷劑換熱器；

8、第一預(yù)冷冷劑經(jīng)第一預(yù)冷冷劑節(jié)流閥降溫降壓之后經(jīng)過第一預(yù)冷氣液分離器進(jìn)行氣液分離得到液相第一預(yù)冷劑和氣相第一預(yù)冷劑，部分液相第一預(yù)冷劑用于與第二預(yù)冷冷劑和/或混合冷劑和/或天然氣在第一預(yù)冷冷劑換熱器中進(jìn)行換熱回收液相第一預(yù)冷冷劑潛冷，汽化后第一預(yù)冷冷劑與氣液分離得到的氣相第一預(yù)冷劑均進(jìn)入預(yù)冷冷箱提供冷源進(jìn)一步回收顯冷；另一部分液相第一預(yù)冷劑進(jìn)入下一級(jí)第一預(yù)冷冷劑節(jié)流閥；

9、依次經(jīng)過預(yù)冷冷箱、第一預(yù)冷冷劑換熱器預(yù)冷的第二預(yù)冷冷劑通過第二預(yù)冷冷劑節(jié)流閥降溫降壓，之后進(jìn)入第二預(yù)冷氣液分離器進(jìn)行氣液分離，得到液相第二預(yù)冷劑和氣相第二預(yù)冷劑，部分液相第二預(yù)冷劑用于與混合冷劑和/或預(yù)冷冷箱輸出的天然氣在第二預(yù)冷冷劑換熱器中進(jìn)行換熱最終全部汽化回收潛冷，汽化第二預(yù)冷冷劑之后與氣相第二預(yù)冷劑均進(jìn)入預(yù)冷冷箱作為冷源進(jìn)一步回收顯冷，之后經(jīng)第二預(yù)冷壓縮單元增壓之后進(jìn)入第二預(yù)冷冷卻器冷卻，再之后進(jìn)入預(yù)冷冷箱降溫；另一部分液相第二預(yù)冷劑進(jìn)入下一級(jí)第二預(yù)冷冷劑節(jié)流閥。

10、在可選的實(shí)施方式中，第一預(yù)冷循環(huán)模塊包括至少一個(gè)閃蒸罐，每個(gè)第一預(yù)冷冷劑節(jié)流閥之后均連接一個(gè)閃蒸罐或一個(gè)第一預(yù)冷氣液分離器；

11、每個(gè)閃蒸罐的底部液相出口均與下一級(jí)第一預(yù)冷冷劑節(jié)流閥連接。

12、在可選的實(shí)施方式中，閃蒸罐為至少兩級(jí)，第一預(yù)冷氣液分離器為至少兩級(jí)，第一預(yù)冷冷劑換熱器為至少兩級(jí)，每一級(jí)第一預(yù)冷氣液分離器均對(duì)應(yīng)一級(jí)第一預(yù)冷冷劑換熱器；

13、每一級(jí)閃蒸罐和每一級(jí)第一預(yù)冷氣液分離器之前均設(shè)置第一預(yù)冷冷劑節(jié)流閥；

14、優(yōu)選地，一級(jí)閃蒸罐產(chǎn)生的氣相返回第一預(yù)冷壓縮單元，二級(jí)閃蒸罐產(chǎn)生的氣相第一預(yù)冷冷劑返回預(yù)冷冷箱作為冷源回收顯冷后返回第一預(yù)冷壓縮單元；

15、優(yōu)選地，一級(jí)第一預(yù)冷冷劑換熱器用于第二預(yù)冷冷劑和一級(jí)第一預(yù)冷氣液分離器產(chǎn)生的液相第一預(yù)冷劑進(jìn)行換熱，二級(jí)第一預(yù)冷冷劑換熱器用于第二預(yù)冷冷劑和混合冷劑與二級(jí)第一預(yù)冷氣液分離器產(chǎn)生的液相第一預(yù)冷劑進(jìn)行換熱。

16、在可選的實(shí)施方式中，第一預(yù)冷循環(huán)模塊還包括第一預(yù)冷冷劑儲(chǔ)液器，第一預(yù)冷冷劑儲(chǔ)液器位于第一預(yù)冷冷卻器和一級(jí)第一預(yù)冷冷劑節(jié)流閥之間。

17、在可選的實(shí)施方式中，第二預(yù)冷氣液分離器為至少三級(jí)，第二預(yù)冷冷劑換熱器為至少三級(jí)，每一級(jí)第二預(yù)冷氣液分離器均對(duì)應(yīng)一級(jí)第二預(yù)冷冷劑換熱器；

18、每一級(jí)第二預(yù)冷氣液分離器之前均設(shè)置一級(jí)第二預(yù)冷冷劑節(jié)流閥；

19、優(yōu)選地，每一級(jí)第二預(yù)冷氣液分離器產(chǎn)生的氣相第二預(yù)冷劑均進(jìn)入預(yù)冷冷箱作為冷源進(jìn)一步回收其顯冷；

20、優(yōu)選地，一級(jí)第二預(yù)冷氣液分離器產(chǎn)生的液相第二預(yù)冷劑分為兩部分，一部分進(jìn)入一級(jí)第二預(yù)冷冷劑換熱器與混合冷劑和/或天然氣換熱，汽化之后返回預(yù)冷冷箱作為冷源進(jìn)一步回收其顯冷，另一部分進(jìn)入二級(jí)第二預(yù)冷冷劑節(jié)流閥降溫降壓，之后進(jìn)入二級(jí)第二預(yù)冷氣液分離器；

21、二級(jí)第二預(yù)冷氣液分離器產(chǎn)生的液相第二預(yù)冷劑分為兩部分，一部分進(jìn)入二級(jí)第二預(yù)冷冷劑換熱器與混合冷劑和/或天然氣換熱汽化回收其潛冷，汽化之后返回預(yù)冷冷箱作為冷源進(jìn)一步回收其顯冷，另一部分液相第二預(yù)冷劑進(jìn)入三級(jí)第二預(yù)冷冷劑節(jié)流閥降溫降壓，之后進(jìn)入三級(jí)第二預(yù)冷氣液分離器；

22、以此類推，最后一級(jí)第二預(yù)冷氣液分離器產(chǎn)生的液相第二預(yù)冷劑全部進(jìn)入最后一級(jí)第二預(yù)冷冷劑換熱器與混合冷劑和/或天然氣換熱汽化回收其潛冷，汽化之后返回深冷冷箱作為冷源進(jìn)一步回收其顯冷。

23、在可選的實(shí)施方式中，在最后一級(jí)第一預(yù)冷冷劑換熱器和一級(jí)第二預(yù)冷冷劑節(jié)流閥之間設(shè)置第二預(yù)冷冷劑儲(chǔ)液器，最后一級(jí)第一預(yù)冷冷劑換熱器輸出的第二預(yù)冷冷劑先進(jìn)入第二預(yù)冷冷劑儲(chǔ)液器，之后通過一級(jí)第二預(yù)冷冷劑節(jié)流閥進(jìn)行降溫降壓。

24、在可選的實(shí)施方式中，在最后一級(jí)第二預(yù)冷冷劑換熱器與深冷冷箱之間設(shè)置氣液分離裝置，最后一級(jí)第二預(yù)冷冷劑換熱器輸出的混合冷劑進(jìn)入氣液分離裝置產(chǎn)生液相混合冷劑和氣相混合冷劑，液相混合冷劑和氣相混合冷劑均進(jìn)入深冷冷箱，降溫后均通過混合冷劑節(jié)流閥降溫降壓，之后作為冷源返回深冷冷箱。

25、在可選的實(shí)施方式中，還包括lng節(jié)流閥和lng儲(chǔ)罐，天然氣經(jīng)深冷冷箱降溫后經(jīng)過lng節(jié)流閥減壓，之后進(jìn)入lng儲(chǔ)罐；

26、優(yōu)選地，lng儲(chǔ)罐產(chǎn)生的氣體進(jìn)入深冷冷箱和預(yù)冷冷箱作為冷源回收冷量，之后輸出bog產(chǎn)品。

27、第二方面，本發(fā)明提供一種循環(huán)預(yù)冷混合冷劑制取液化天然氣的方法，利用前述實(shí)施方式中任一項(xiàng)的系統(tǒng)制取液化天然氣。

28、優(yōu)選地，方法包括：

29、天然氣液化流程：凈化后的天然氣經(jīng)過預(yù)冷冷箱冷卻至-70℃～-80℃，之后經(jīng)各級(jí)第二預(yù)冷冷劑換熱器冷卻至-95℃～-100℃，之后進(jìn)入深冷冷箱冷卻至-150℃～-170℃輸出；

30、第一預(yù)冷冷劑循環(huán)流程：第一預(yù)冷冷劑經(jīng)第一預(yù)冷壓縮單元和第一預(yù)冷冷卻器冷卻至35℃～45℃，之后經(jīng)過第一預(yù)冷冷劑節(jié)流閥節(jié)流之后進(jìn)入第一預(yù)冷氣液分離器進(jìn)行氣液分離得到液相第一預(yù)冷劑和氣相第一預(yù)冷劑，一部分液相第一預(yù)冷劑進(jìn)入下一級(jí)第一預(yù)冷冷劑節(jié)流閥；另一部分液相第一預(yù)冷劑用于與第二預(yù)冷冷劑和/或混合冷劑在第一預(yù)冷冷劑換熱器中進(jìn)行換熱，汽化后與氣相第一預(yù)冷劑均進(jìn)入預(yù)冷冷箱復(fù)熱至30℃～40℃，之后經(jīng)第一預(yù)冷壓縮單元和第一預(yù)冷冷卻器冷卻至35℃～45℃，形成閉式第一預(yù)冷冷劑循環(huán)流程；

31、第二預(yù)冷冷劑循環(huán)流程：第二預(yù)冷冷劑經(jīng)預(yù)冷冷箱冷卻至-6℃～-7℃，經(jīng)各級(jí)第一預(yù)冷冷劑換熱器之后冷卻至-35℃～-45℃，之后經(jīng)第二預(yù)冷冷劑節(jié)流閥節(jié)流之后進(jìn)入第二預(yù)冷氣液分離器進(jìn)行氣液分離得到液相第二預(yù)冷劑和氣相第二預(yù)冷劑，一部分液相第二預(yù)冷劑進(jìn)入下一級(jí)第二預(yù)冷冷劑節(jié)流閥；另一部分液相第二預(yù)冷劑用于與混合冷劑和/或天然氣在第二預(yù)冷冷劑換熱器中進(jìn)行換熱，汽化后與氣相第二預(yù)冷劑均進(jìn)入預(yù)冷冷箱復(fù)熱至35℃～40℃，之后經(jīng)第二預(yù)冷壓縮單元和第二預(yù)冷冷卻器冷卻至38℃～42℃，之后進(jìn)入預(yù)冷冷箱冷卻至-6℃～-7℃，形成閉式第二預(yù)冷冷劑循環(huán)流程；

32、混合冷劑循環(huán)流程：混合冷劑經(jīng)預(yù)冷冷箱冷卻至-32℃～-36℃，經(jīng)各級(jí)第一預(yù)冷冷劑換熱器之后冷卻至-38℃～-42℃，經(jīng)各級(jí)第二預(yù)冷冷劑換熱器之后冷卻至-95℃～-100℃，經(jīng)深冷冷箱冷卻至-160℃～-165℃，經(jīng)混合冷劑節(jié)流閥節(jié)流后作為返流冷劑返回深冷冷箱提供冷量，復(fù)熱至-95℃～-100℃之后返回預(yù)冷冷箱進(jìn)行冷量回收，復(fù)熱至35℃～40℃后進(jìn)入混合冷劑壓縮單元和混合冷劑冷卻器壓縮冷卻后返回預(yù)冷冷箱冷卻至-32℃～-36℃，形成閉式混合冷劑循環(huán)流程；

33、優(yōu)選地，第一預(yù)冷冷劑和第二預(yù)冷冷劑均獨(dú)立地選自氟利昂、乙烷、乙烯、丙烯和丙烷中的至少一種；混合冷劑選自氮?dú)?、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁烷和戊烷中的至少兩種。

34、本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明利用第一預(yù)冷冷劑和第二預(yù)冷冷劑雙循環(huán)預(yù)冷模塊，通過多級(jí)減壓提供的多個(gè)預(yù)冷溫度梯度，能進(jìn)一步減小傳熱溫差，提高傳熱效率，并且第二預(yù)冷冷劑的循環(huán)模塊可進(jìn)一步降低預(yù)冷溫度值，解決了傳統(tǒng)單一冷劑參與循環(huán)預(yù)冷時(shí)冷量提供不足的問題，同時(shí)也避免了重?zé)N的引入，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明所采用的循環(huán)冷劑壓縮設(shè)備均為常溫壓縮機(jī)，大大降低了設(shè)備投資成本，即在相同的運(yùn)行功率下，產(chǎn)能增加巨大，能耗利用率更高。