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摘要：LNG是天然气资源应用的一种重要形式，天然气作为清洁能源，重要化工原料，得到了更为广泛的利用，天然气在一次能源消费中的比重，作为优化能源结构，实现经济、社会和环境协调发展的重要途径，目前天然气消费在世界能源消费结构中的比重已达35%，成为仅次十石油的第二大能源。本文就液化天然气的三种液化工艺流程优缺点及适用范围进行探讨。
关键词：LNG；液化工艺
中图分类号：TQ547.9+6文献标识码： A 文章编号：
前言
我国有丰富的天然气资源，是世界天然气大国之一。目前，我国的“西气东输”工程正在建设中，南北方向跨国天然气干线也正在进行可行性研究。到“西气东输”管线建成时，上海将成为我国天然气的集中聚集地，这必然引起天然气的储存空间问题。而液化天然气正可解决这个问题。但目前我国在液化天然气生產、储存技术方面所作的研究工作还很少，与发达国家还存在很大的差距。本文笔者结合液化天然气的液化流程有不同的形式，按制冷方式分为：级联式液化流程；混合制冷剂液化流程；带膨胀机等液化流程进行分析。
一、级联式液化流程
级联式液化流程也被称为阶式(Cascade)液化流程、复叠式液化流程或串联蒸发冷凝液化流程，主要应用于基本负荷型液化装置。
图1级联式液化流程的示意图
图l为级联式液化流程的示意图。丙烷经过压缩达到1206kPa，经节流后压力降至4lkPa、温度为一35℃，然后丙烷流过三个换热器，依次冷却乙烯、甲烷和天然气。乙烷经压缩达到2MPa，经丙烷预冷和节流后压力降至41kPa、温度为一100℃，然后乙烯流过两个换热器，依次冷却甲烷和天然气。甲烷经压缩达到3．24KPa，经丙烷、乙烯预冷和节流后压力降至41KPa、温度为一155℃，然后进换热器冷却天然气。在该流程中需液化的天然气增压至3．8MPa后，经水、丙烷、乙烯和甲烷冷却后，压力为3．65MPa、温度为一150℃；最后节流后进一步降压降温为0．1034MPa、一162℃。
二、混合制冷剂液化流程
混合制冷剂液化流程(MRc)是20世纪60年代末期由阶式制冷工艺演变而来的。它以c，至C，的碳氢化合物及N：等5种以上的多组分混合制冷剂为介质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度时的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。
丙烷预冷混合制冷剂液化流程由三个组成：混合制冷循环；丙烷预冷循环；天然气液化回路。在此液化流程中，丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷剂循环用于深冷和液化天然气。
在混合制冷剂液化流程中，天然气首先经过丙烷预冷循环预冷，然后流经各个换热器逐步被冷却，最后经节流阀进行降压，从而使液化天然气在常压下储存。
图2混合制冷剂循环流程示意图
混合制冷剂循环如图2所示，混合制冷剂经两级压缩机压缩至高压，首先用水冷却，带走一部分热量，然后通过丙烷预冷循环预冷。预冷后进入气液分离器分离成液相和气相。液相经第一换热器冷却后，节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为第一个换热器提供冷量，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。气相制冷剂经第一换热器冷却后，进入气液分离器分离成气相和液相，液相经第二个换热器冷却后节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为第二个换热器提供冷量，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。从第二个换热器出来的气相制冷剂，经第三换热器冷却后，节流、降温、降压后进入第三换热器，冷却天然气和气相混合制冷剂。
丙烷预冷循环如图3所示，丙烷预冷循环中，丙烷通过三个温度级的换热器，为天然气和混合制冷剂提供冷量。丙烷经压缩机压缩至高温高压，经冷却水冷却后流经节流阀降温降压，再经分离器产生气液两相，气相返回压缩机，液相分成两部分，一部分用于冷却天然气和制冷剂，另一部分作为后续流程的制冷剂。又据混合制冷剂是否与原料天然气相混合，分为闭式和开式两种混合制冷工艺。
图3 丙烷循环流程示意图
闭式循环：制冷剂循环系统自成一个独立系统。混合制冷剂被制冷压缩机压缩后，经水(空气)冷却后在不同温度下逐级冷凝分离，节流后进入冷箱(换热器)的不同温度段，给原料天然气提供冷量。原料天然气经“三脱”处理后，进入冷箱(换热器)逐级冷却冷凝、节流、降压后获得液态天然气产品。
开式循环：原料天然气经“三脱”处理后与混合制冷剂混合，依次流经各级换热器及气液分离器，在逐渐冷凝的同时，也把所需的制冷剂组分逐一冷凝分离出来，按制冷剂沸点的高低将分离出的制冷剂组分逐级蒸发，并汇集构成一股低温物流，与原料天然气逆流换热的制冷循环。开式循环系统启动时间较长，且操作较困难，技术尚不完善。
三、带膨胀机的液化流程
带膨胀机液化流程(Expander—Cycle)，是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气液化的流程。气体在膨胀机中膨胀降温的同时，能输出功，可用于驱动流程中的压缩机。当管路输来的进入装置的原料气与离开液化装置的商品气有“自由”压差时，液化过程就可能不要“从外界”加入能量，而是靠“自由”压差通过膨胀机制冷，使进入装置的天然气液化。流程的关键设备就是透平膨胀机。
带膨胀机液化流程如图4所示。用两级丙烷制冷循环对天然气进行预冷后，进入膨胀机进行膨胀。膨胀后的天然气进入气液分离器，产生气相天然气返流，为换热器提供冷量；产生的液相经节流后，与原料天然气混合进入气液分离器，产生的气相流体为换热器提供冷量，产生的液体经节流降压后进人气液分离器，产生的LNG进入储槽。
图4带膨胀机液化流程示意图
四、三种流程的特点及其应用
级联式液化流程的优点在于：能耗低；制冷剂为纯物质，无匹配问题；技术成熟，操作稳定。但是，由于其机组多，流程复杂；附属设备多，要有专门生产和储存多种制冷剂的设备；管道与控制系统复杂，维护不便；对制冷剂纯度要求严格，且不适用于含氮量较多的天然气，因此这种液化工艺在天然气液化装置上已较少应用。
与级联式液化流程相比，MRC既达到了类似级联式液化流程的目的，有克服了其系统复杂的特点。其优点主要有：机组设备少、流程简单、投资省，投资费用比经典级联式液化流程约低15％一20％；管理方便；混合制冷组分可以部分或全部从天然气本身提取和补充。其缺点主要在于：能耗较高，比级联式液化流程高10％一20％左右；混合制冷剂的合理配比比较困难；流程计算需提供各组分可靠的平衡数据与物性参数，计算困难。
由于带膨胀机液化流程操作比较简单，投资适中，特别适用于液化能力较小的调峰型天然气液化装置。但是，在该流程中，由于换热器的传热温差太大，从而使流程的火用损很大。为了降低流程的火用损，可采用以下措施：
（1）采用预冷方法，对制冷剂进行预冷；
（2）提高进入透平膨胀机气流的压力，并降低其温度；
（3）将带膨胀机液化流程与其他液化流程结合起来使用。
该工艺特别适用于天然气输送压力较高、而实际使用压力较低，中间需要降压的气源场合。优点是能耗低、流程短、投资省、操作灵活；缺点是液化率低。
五、结束语
我国的LNG工业尚处于起步阶段，从LNG的生产、运输、储存、接收到应用，都还没有比较成熟的技术。但是随着我国天然气工业的发展，我国LNG工业也将得到很大程度上的发展。我国大部分地区已经在广泛使用CNG作为汽车等的代替能源。所以，LNG汽化后除了用于城市供气，直接加压为CNG将成为它广泛应用的重要途径。相对于LNG，我国CNG的加工及应用都有较为成熟的理论和技术。所以，大力发展我国CNG工业及应用将成为发展LNG工业的巨大推动力量。
关键词：LNG；液化工艺
中图分类号：TQ547.9+6文献标识码： A 文章编号：
前言
我国有丰富的天然气资源，是世界天然气大国之一。目前，我国的“西气东输”工程正在建设中，南北方向跨国天然气干线也正在进行可行性研究。到“西气东输”管线建成时，上海将成为我国天然气的集中聚集地，这必然引起天然气的储存空间问题。而液化天然气正可解决这个问题。但目前我国在液化天然气生產、储存技术方面所作的研究工作还很少，与发达国家还存在很大的差距。本文笔者结合液化天然气的液化流程有不同的形式，按制冷方式分为：级联式液化流程；混合制冷剂液化流程；带膨胀机等液化流程进行分析。
一、级联式液化流程
级联式液化流程也被称为阶式(Cascade)液化流程、复叠式液化流程或串联蒸发冷凝液化流程，主要应用于基本负荷型液化装置。
图1级联式液化流程的示意图
图l为级联式液化流程的示意图。丙烷经过压缩达到1206kPa，经节流后压力降至4lkPa、温度为一35℃，然后丙烷流过三个换热器，依次冷却乙烯、甲烷和天然气。乙烷经压缩达到2MPa，经丙烷预冷和节流后压力降至41kPa、温度为一100℃，然后乙烯流过两个换热器，依次冷却甲烷和天然气。甲烷经压缩达到3．24KPa，经丙烷、乙烯预冷和节流后压力降至41KPa、温度为一155℃，然后进换热器冷却天然气。在该流程中需液化的天然气增压至3．8MPa后，经水、丙烷、乙烯和甲烷冷却后，压力为3．65MPa、温度为一150℃；最后节流后进一步降压降温为0．1034MPa、一162℃。
二、混合制冷剂液化流程
混合制冷剂液化流程(MRc)是20世纪60年代末期由阶式制冷工艺演变而来的。它以c，至C，的碳氢化合物及N：等5种以上的多组分混合制冷剂为介质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度时的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。
丙烷预冷混合制冷剂液化流程由三个组成：混合制冷循环；丙烷预冷循环；天然气液化回路。在此液化流程中，丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷剂循环用于深冷和液化天然气。
在混合制冷剂液化流程中，天然气首先经过丙烷预冷循环预冷，然后流经各个换热器逐步被冷却，最后经节流阀进行降压，从而使液化天然气在常压下储存。
图2混合制冷剂循环流程示意图
混合制冷剂循环如图2所示，混合制冷剂经两级压缩机压缩至高压，首先用水冷却，带走一部分热量，然后通过丙烷预冷循环预冷。预冷后进入气液分离器分离成液相和气相。液相经第一换热器冷却后，节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为第一个换热器提供冷量，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。气相制冷剂经第一换热器冷却后，进入气液分离器分离成气相和液相，液相经第二个换热器冷却后节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为第二个换热器提供冷量，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。从第二个换热器出来的气相制冷剂，经第三换热器冷却后，节流、降温、降压后进入第三换热器，冷却天然气和气相混合制冷剂。
丙烷预冷循环如图3所示，丙烷预冷循环中，丙烷通过三个温度级的换热器，为天然气和混合制冷剂提供冷量。丙烷经压缩机压缩至高温高压，经冷却水冷却后流经节流阀降温降压，再经分离器产生气液两相，气相返回压缩机，液相分成两部分，一部分用于冷却天然气和制冷剂，另一部分作为后续流程的制冷剂。又据混合制冷剂是否与原料天然气相混合，分为闭式和开式两种混合制冷工艺。
图3 丙烷循环流程示意图
闭式循环：制冷剂循环系统自成一个独立系统。混合制冷剂被制冷压缩机压缩后，经水(空气)冷却后在不同温度下逐级冷凝分离，节流后进入冷箱(换热器)的不同温度段，给原料天然气提供冷量。原料天然气经“三脱”处理后，进入冷箱(换热器)逐级冷却冷凝、节流、降压后获得液态天然气产品。
开式循环：原料天然气经“三脱”处理后与混合制冷剂混合，依次流经各级换热器及气液分离器，在逐渐冷凝的同时，也把所需的制冷剂组分逐一冷凝分离出来，按制冷剂沸点的高低将分离出的制冷剂组分逐级蒸发，并汇集构成一股低温物流，与原料天然气逆流换热的制冷循环。开式循环系统启动时间较长，且操作较困难，技术尚不完善。
三、带膨胀机的液化流程
带膨胀机液化流程(Expander—Cycle)，是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气液化的流程。气体在膨胀机中膨胀降温的同时，能输出功，可用于驱动流程中的压缩机。当管路输来的进入装置的原料气与离开液化装置的商品气有“自由”压差时，液化过程就可能不要“从外界”加入能量，而是靠“自由”压差通过膨胀机制冷，使进入装置的天然气液化。流程的关键设备就是透平膨胀机。
带膨胀机液化流程如图4所示。用两级丙烷制冷循环对天然气进行预冷后，进入膨胀机进行膨胀。膨胀后的天然气进入气液分离器，产生气相天然气返流，为换热器提供冷量；产生的液相经节流后，与原料天然气混合进入气液分离器，产生的气相流体为换热器提供冷量，产生的液体经节流降压后进人气液分离器，产生的LNG进入储槽。
图4带膨胀机液化流程示意图
四、三种流程的特点及其应用
级联式液化流程的优点在于：能耗低；制冷剂为纯物质，无匹配问题；技术成熟，操作稳定。但是，由于其机组多，流程复杂；附属设备多，要有专门生产和储存多种制冷剂的设备；管道与控制系统复杂，维护不便；对制冷剂纯度要求严格，且不适用于含氮量较多的天然气，因此这种液化工艺在天然气液化装置上已较少应用。
与级联式液化流程相比，MRC既达到了类似级联式液化流程的目的，有克服了其系统复杂的特点。其优点主要有：机组设备少、流程简单、投资省，投资费用比经典级联式液化流程约低15％一20％；管理方便；混合制冷组分可以部分或全部从天然气本身提取和补充。其缺点主要在于：能耗较高，比级联式液化流程高10％一20％左右；混合制冷剂的合理配比比较困难；流程计算需提供各组分可靠的平衡数据与物性参数，计算困难。
由于带膨胀机液化流程操作比较简单，投资适中，特别适用于液化能力较小的调峰型天然气液化装置。但是，在该流程中，由于换热器的传热温差太大，从而使流程的火用损很大。为了降低流程的火用损，可采用以下措施：
（1）采用预冷方法，对制冷剂进行预冷；
（2）提高进入透平膨胀机气流的压力，并降低其温度；
（3）将带膨胀机液化流程与其他液化流程结合起来使用。
该工艺特别适用于天然气输送压力较高、而实际使用压力较低，中间需要降压的气源场合。优点是能耗低、流程短、投资省、操作灵活；缺点是液化率低。
五、结束语
我国的LNG工业尚处于起步阶段，从LNG的生产、运输、储存、接收到应用，都还没有比较成熟的技术。但是随着我国天然气工业的发展，我国LNG工业也将得到很大程度上的发展。我国大部分地区已经在广泛使用CNG作为汽车等的代替能源。所以，LNG汽化后除了用于城市供气，直接加压为CNG将成为它广泛应用的重要途径。相对于LNG，我国CNG的加工及应用都有较为成熟的理论和技术。所以，大力发展我国CNG工业及应用将成为发展LNG工业的巨大推动力量。