超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统

1.本发明涉及液化系统技术领域，尤其涉及一种超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统。


背景技术：

2.天然气作为一种清洁环保的能源，近年来在世界范围广泛应用。世界天然气资源丰富,但一些大的天然气井大都处在荒漠地区,距人口密集和工业发达地区较远,并常常有大面积的海洋和复杂的地形地貌阻隔，长距离铺设管道,甚至越洋气态输送天然气,常常受到成本与技术问题的制约，因此天然气远距离运输大都通过液化天然气(lng)方式进行，探讨天然气液化工艺具有重要意义。
3.目前，天然气液化工艺较多，其中常见的有阶式制冷循环液化工艺、混合制冷剂制冷循环液化工艺和膨胀机制冷循环液化工艺等，但均存在相应的问题。阶式制冷循环天然气液化工艺流程复杂、机组多、系统庞大、维护管理投入多难度大；混合制冷剂制冷循环天然气液化工艺存在多个气液分离器和节流阀，设备较复杂、控制管理难度大且节流阀损失较大、系统效率较低；膨胀机制冷循环天然气液化工艺中膨胀机具有机械运动部件存在运行不安全和不稳定的隐患且膨胀机功耗大、系统效率较低。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统，用以解决现有技术中天然气液化系统流程复杂且系统效率低的技术问题。
5.本发明实施例提供一种超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统，包括：多个逆流换热器，天然气依次流经多个所述逆流换热器并形成第一流通管路；
6.多个超音速两相膨胀机，每一所述超音速两相膨胀机设于相邻的所述逆流换热器之间，并形成多个制冷单元；其中，
7.制冷工质依次经过多个所述制冷单元以使得通入所述第一流通管路内的气态天然气液化。
8.根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统，每一所述制冷单元包括一个所述逆流换热器以及一个所述超音速两相膨胀机；
9.所述逆流换热器内设置至少一组气态换热管和低温换热管，所述气态换热管用于朝向所述超音速两相膨胀机传输气体工质，所述低温换热管用于接收经过所述超音速两相膨胀机形成的液态工质。
10.根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统，所述气态工质流经多个所述制冷单元形成气体流通管路，所述液态工质流出所述制冷单元形成低温回流管路；
11.所述气体流通管路和所述低温回流管路首尾连接。
12.根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统，所述超音
速两相膨胀机包括进气口、出气口以及出液口；
13.所述进气口和所述出气口与所述气体流通管路相连通，所述出液口与所述低温回流管路相连通。
14.根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统，所述超音速两相膨胀机包括依次连接的旋流机构、喷管、旋流分离管、排液机构以及扩压器；
15.所述进气口与所述旋流机构相连通，所述旋流机构产生离心力将经所述进气口进入的气态工质在所述喷管形成低温效应，并在所述旋流分离管内经所述排液机构将产生的液态工质流向所述低温回流管路以及经所述扩压器将气态工质流向所述气体流通管路。
16.根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统，所述低温回流管路流向所述气体流通管路上设有压缩机和冷却器；
17.所述压缩机的进口侧连通所述低温回流管路，所述压缩机的出口侧与所述冷却器的进口侧相连通，所述冷却器的出口侧与所述气体流通管路相连通。
18.根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统，沿所述第一流通管路的方向上，多个逆流换热器内的所述低温回流管路中的所述制冷工质温度递减，以降低所述第一流通管路内的天然气的温度。
19.根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统，所述气体流通管路经多个所述制冷单元后与所述低温回流管路的连接处还设有节流阀；
20.所述节流阀的进口侧与所述超音速两相膨胀机的出气口相连通，所述节流阀的出口侧与所述低温回流管路相连通。
21.根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统，所述制冷单元的数量为三个。
22.根据本发明一个实施例的超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统，所述制冷工质包括氮气和与所述氮气结合的丁烷、丙烷、乙烯、甲烷中的一者或者多者。
23.本发明实施例提供的超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统，包括多个逆流换热器和多个超音速两相膨胀机，且逆流换热器与超音速两相膨胀机配合形成多个制冷单元，由此在第一流通管路流通的气态天然气，会与制冷单元之间进行换热以制冷，进而产生液化效应，以实现天然气的液化。本技术采用超音速两相膨胀机作为膨胀降温装置，具有膨胀制冷效率高、压降小、能耗低、结构简单紧凑、无运动部件安全可靠、加工难度低的优点，大大减少设备数量，简化系统流程，提高系统效率。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明实施例的超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统组成结构示意图；
26.图2为图1中的超音速两相膨胀机的结构示意图；
27.图3为图1所示的超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统另一实施例的组成
结构示意图；
28.附图标记：
29.10、逆流换热器；
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110、第一流通管路；
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120、气态换热管；
30.130、低温换热管；
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20、超音速两相膨胀机；
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210、制冷单元；
31.220、进气口；
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230、出气口；
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240、出液口；
32.250、旋流机构；
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260、喷管；
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270、旋流分离管；
33.280、排液机构；
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290、扩压器；
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310、气体流通管路；
34.320、低温回流管路；
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40、压缩机；
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50、冷却器；
35.60、节流阀。
具体实施方式
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
38.下面结合图1，本发明提供一种超音速两相膨胀制冷循环的天然气液化系统，包括多个逆流换热器10和多个超音速两相膨胀机20，天然气依次流经多个逆流换热器10并形成第一流通管路110。每一超音速两相膨胀机20设于相邻的逆流换热器10之间，并形成多个制冷单元210。其中，制冷工质依次经过多个制冷单元210以使得通入第一流通管路110内的气态天然气液化。
39.在本发明一实施例中，每一制冷单元210包括一个逆流换热器10以及一个超音速两相膨胀机20，逆流换热器10内设置至少一组气态换热管120和低温换热管130，气态换热管120用于朝向超音速两相膨胀机20传输气体工质，低温换热管130用于接收经过超音速两相膨胀机20形成的液态工质。气态换热管120用于对制冷工质进行输送，也即将气态制冷工质传输至超音速两相膨胀机20，而液态工质经超音速两相膨胀机20产生并在低温换热管130流通，低温换热管130内的低温液体与第一流通管路110内的天然气换热以实现对气态天然气的降温和液化，因将冷量传递给气态天然气，所以低温液体相态发生改变，变为气态流出。
40.进一步地，气态工质流经多个制冷单元210形成气体流通管路310，液态工质流出制冷单元210形成低温回流管路320，气体流通管路310和低温回流管路320首尾连接。制冷工质完成循环，以实现制冷工质的循环使用。
41.超音速两相膨胀机20包括进气口220、出气口230以及出液口240。进气口220和出气口230与气体流通管路310相连通，出液口240与低温回流管路320相连通。也即制冷工质在经过超音速两相膨胀机20时会分流两条流通方向，其中的气态工质流向下游的逆流换热器10，且与气体流通管路310相连通，以参与循环。而形成的液态工质流向低温回流管路320，流至逆流换热器10内的低温换热管130时与流经该逆流换热器10的第一流通管路110
的天然气换热，以对天然气进行降温。
42.请参照图2，具体地，超音速两相膨胀机20包括依次连接的旋流机构250、喷管260、旋流分离管270、排液机构280以及扩压器290；进气口220与旋流机构250相连通，旋流机构250产生离心力将经进气口220进入的气态工质在喷管260形成低温效应，并在旋流分离管270内经排液机构280将产生的液态工质流向低温回流管路320以及经扩压器290将气态工质流向气体流通管路310。排液机构280可以为扩压器290外周与旋流分离管270形成的管路，或者单独设置的排液管，在此不做限定。
43.低温回流管路320流向气体流通管路310上设有压缩机40和冷却器50。压缩机40的进口侧连通低温回流管路320，压缩机40的出口侧与冷却器50的进口侧相连通，冷却器50的出口侧与气体流通管路310相连通。压缩机40用于对气态工质增压升温，而冷却器50用于将压缩机40传输的气态工质降温，以参与循环。
44.气体流通管路310经多个制冷单元210后与低温回流管路320的连接处还设有节流阀60；节流阀60的进口侧与超音速两相膨胀机20的出气口230相连通，节流阀60的出口侧与低温回流管路320相连通。节流阀60的设置用于节流降温。
45.沿第一流通管路110的方向上，多个逆流换热器10内的低温回流管路320中的制冷工质温度递减，以降低第一流通管路110内的天然气的温度。在本发明一实施例中，制冷单元210的数量为三个，进而对应设置三个逆流换热器10、三个超音速两相膨胀机20，以对第一流通管路110内的天然气进行降温。
46.需要说明的是，每一制冷单元210均形成一级制冷循环，而三个制冷单元210形成三级制冷循环，且节流阀60的设置为第四级制冷循环。
47.具体如下，制冷工质包括氮气与丁烷、丙烷、乙烯、甲烷中的一者结合或者多者，由此系统可达到氮气的液化温区。其中，丁烷、丙烷、乙烯、甲烷和氮气的液化温度递减。在本发明一实施例中，以丁烷、丙烷、乙烯、甲烷和氮气均参与制冷循环为例进行说明，最终达到的最低温对应氮气的液化温区，也即低于天然气液化的温区。可以理解的是，制冷工质的数量与制冷单元210的数量相对应。也即，在选用氮气的基础上，每加入丁烷、丙烷、乙烯、甲烷中的一者并对应一制冷单元210。
48.丁烷、丙烷、乙烯、甲烷和氮气为多元混合工质，多元混合工质在参与一级制冷循环时，对应参与的为第一个制冷单元210。多元混合工质进入一级超音速两相膨胀机20内，通过旋流机构250产生离心力，并在喷管260中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后高沸点气体，例如丁烷，会发生凝结成核、生成液滴并进一步生长，液相丁烷由于旋转产生的切向速度和离心作用在旋流分离管270中继续凝结液化经排液机构280排出，实现气液分离，剩余气相也即丙烷、乙烯、甲烷和氮气，经扩压器290减速升温升压后排出，因此压力能大部分得以恢复，大大减小了进出口压力损失。液态丁烷流至低温回流管路320，经过一级逆流换热器10进行换热后，通过压缩机40绝热压缩提升压力值至和进入一级超音速两相膨胀机20时的气体压力至相同，进而经过冷却器50后进入一级逆流换热器10进行换热，重新进入一级超音速两相膨胀机20，完成一级循环。
49.多元混合工质在参与二级制冷循环时，对应参与的为设于第一个制冷单元210下游的第二个制冷单元210，经一级制冷循环后剩余的气相包括丙烷、乙烯、甲烷和氮气，剩余的混合气相流至二级超音速两相膨胀机20，通过旋流机构250产生离心力，并在喷管260中
等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后高沸点气体丙烷会发生凝结成核、生成液滴并进一步生长，液相丙烷由于旋转产生的切向速度和离心作用在旋流分离管270中继续凝结液化经排液机构280排出，实现气液分离，剩余气相也即乙烯、甲烷和氮气，经扩压器290减速升温升压后排出，因此压力能大部分得以恢复，大大减小了进出口压力损失。液态丙烷流至低温回流管路320，进入二级逆流换热器10进行换热，然后与一级超音速两相膨胀机20排出的低温液相丙烷汇合，参与到一级循环中，完成二级循环。
50.多元混合工质在参与三级制冷循环时，对应参与的为设于第二个制冷单元210下游的第三个制冷单元210，经二级制冷循环后剩余的气相包括乙烯、甲烷和氮气，剩余的混合气相流至三级超音速两相膨胀机20，通过旋流机构250产生离心力，并在喷管260中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低后高沸点乙烯会发生凝结成核、生成液滴并进一步生长，液相乙烯由于旋转产生的切向速度和离心作用在旋流分离管270中继续凝结液化经排液机构280排出，实现气液分离，剩余气相也即甲烷和氮气，经扩压器290减速升温升压后排出，因此压力能大部分得以恢复，大大减小了进出口压力损失。液态乙烯流至低温回流管路320，进入二级逆流换热器10进行换热，然后与二级超音速两相膨胀机20排出的低温液相丁烷汇合，参与到二级循环和一级循环中，完成三级循环。
51.经三级制冷循环后剩余的气相包括甲烷和氮气，通过三级超音速两相膨胀机20扩压器290排出的剩余气相通过节流阀60进行节流降温，气相甲烷被液化，部分氮气液化，并共同流至低温回流管路320，与三级制冷循环产生的液相乙烯汇合，参与到三级制冷循环、二级制冷循环以及一级制冷循环中，完成四级制冷循环。
52.第一流通管路110依次经过一级制冷循环、二级制冷循环以及三级制冷循环中的逆流换热器10换热并持续降温，使得第一流通管路110内的气态天然气液化。
53.请参照图3，需要说明的是，也可以设置多个压缩机40和冷却器50，例如二级循环制冷中的超音速两相膨胀机20在低温回流管路320流过二级逆流换热器10和一级换热器后先通过一个压缩机40和一个冷却器50将液态丁烷压缩升温、降温然后与一级循环制冷中的逆流换热器10流出的气态丁烷汇合，进而进一步地气化降温。同理，三级循环和四级循环中均设置一个压缩机40和冷却器50，由此，便于将液态丙烷、液态乙烯以及液态甲烷快速气化参与制冷循环，进而以提高多元混合工质的循环制冷效率。
54.进一步地，超音速两相膨胀机20内的能量守恒分析如下：由稳定流动能量方程得：
[0055][0056]
其中不考虑位能变化且不对外做功，即全过程只有焓与动能之间的转化，能量方程可化简为：
[0057][0058]
气态工质经超音速两相膨胀机20出气口230至出液口240的过程由能量守恒得：
[0059][0060]
其中m1为进入超音速两相膨胀机20的气体的质量流量，m
2g
为流向扩压器290的气
体的质量流量，m
2l
为流经排液机构280的液体的质量流量。u
2g
为流向扩压器290的气体的流速，u
2l
为流经排液机构280的液体的流速。u1为气态工质进入超音速两相膨胀机20前的流速。h
2g
为流向扩压器290的气体的比焓，h
2l
为流经排液机构280的液体的比焓。
[0061]
气态工质在扩压器290至出气口230的变化过程由能量守恒得：
[0062][0063]
由等熵方程得s
2g
＝s3。其中，h
2g
为流向扩压器290的气体的比焓，h3为流出出气口230的气体的比焓。u
2g
为流向扩压器290的气体的流速，u3为流出出气口230的气体的流速。s
2g
为经过两相分离后气体的比熵，s3为流出出气口230的气体的比熵。
[0064]
综上，超音速两相膨胀机20具有膨胀制冷效率高、压降小、能耗低、结构简单紧凑、无运动部件安全可靠、加工难度低、可实现在两相区膨胀的特点，简化了制冷流程，配合逆流换热器10可以对气态天然气进行高效地液化，解决现有天然气液化系统存在液化系统效率低的技术问题。
[0065]
需要说明的是，本技术实施例中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它组件或单元。
[0066]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。