天然气液化后,可以解决气体运输问题,实现天然气的跨国贸易和分散的小气田开发。本文在现有天然气液化流程分析比较的基础上,针对小型天然气液化装置设计了单级混合制冷剂循环,针对大型天然气液化装置设计了双混合制冷剂循环,系统地对混合制冷剂循环进行热力学分析、稳态模拟和优化、动态模拟和优化操作,探索混合制冷剂循环的天然气液化流程的设计和操作方法,为国内开发和应用混合制冷剂循环的天然气液化装置提供理论支持,具有很大的实际应用价值。本文对不同规模的天然气液化装置的流程选择原则,设计出了适合小型液化装置的单级混合制冷剂循环,适合大型液化装置的新型双混合制冷剂循环。对天然气和混合制冷剂的物性计算方法进行评价和选择,建立混合制冷剂循环中压缩机、冷却器、换热器、节流阀、混合器和气液分离器等设备的热力学模型,并给出混合制冷循环的评价标准:能耗、制冷系数和火用效率。在此基础上针对单级混合制冷剂循环、丙烷预冷的混合制冷剂循环和双混合制冷剂循环进行热力学分析,得到这三种液化流程的火用损、压缩机功率、制冷系数和火用效率,并针对不同设备的火用损失分布,给出混合制冷循环提高效率的措施,最后比较了双混合制冷剂循环和丙烷预冷的混合制冷剂循环的热力学性能,推荐在大型天然气液化系统中优先采用双混合制冷剂循环。采用数值法对单级混合制冷剂循环和双混合制冷剂循环进行稳态模拟和优化,进行纯制冷剂的选取,在合理的约束条件下,进行制冷循环的结构优化,并在此基础上以最小能耗为目标函数,采用模式搜索法的优化算法对设计变量进行优化计算,得到两种制冷循环的最优设计参数。建立混合制冷循环中压缩机、换热器和节流阀等主要设备的动态模型,设计了双混合制冷剂循环中主要流程参数的控制回路,分析天然气液化流程中实际可能的扰动,分别以天然气压力、天然气温度、天然气流量、天然气的成分、制冷剂冷却温度、深冷制冷剂的组成和预冷制冷剂的组成等为扰动,对制冷循环进行动态模拟,得到流程参数的变化趋势和响应时间。动态模拟的结果显示,双混合制冷剂循环在扰动发生时,系统能够自动调节和适应,在较短的时间内重新达到稳定状态。动态模拟也验证了控制方案的合理。双混合制冷剂循环的动态模拟,有利于促进流程的优化设计,同时对其实际应用有重要意义。在双混合制冷剂循环的稳态模拟和动态模拟的基础上,根据实际设备参数,对其进行优化操作的研究。讨论了混合制冷剂循环的操作自由度,针对操作变量进行分析,选择合适的控制变量和控制结构,建立实际操作中可能的两种优化操作模式:单位产品能耗最低和在设备约束下的最大产量,分别进行无扰动下的优化操作和扰动下的优化操作。天然气压力、天然气流量和冷却温度变化后,通过调整制冷剂的组成和压缩机的转速,制冷循环仍然能够维持高效运行;深冷制冷剂和预冷制冷剂的组成偏离最优的配比后,调整压缩机转速,维持液化天然气的产量不变。优化操作研究表明双混合制冷剂循环具有良好的适应性和操作性,优化操作研究为采用该制冷循环的天然气液化装置的实际调试和操作提供理论指导。根据本文的理论研究,设计完成了一些实际的天然气液化装置,其中,每天液化5000Nm~3的煤层气液化装置(LNG5)和每天液化2000Nm~3的微型天然气液化装置(MR3)已经调试完毕。对LNG5和MR3测试了不同制冷剂组成时的制冷循环性能,并与模拟参数比较,运行结果与理论模拟结果接近,这说明了理论的模拟计算是可靠的。本文的研究结果有助于在国内小型天然气液化装置中推广的混合制冷剂循环的流程,同时为国内发展大型天然气液化系统提供技术支持。