为了优化能源消费结构,同时减轻环境污染,我国在能源中长期计划中大力推广天然气的利用。我国有较多边际气田和油田伴生气,由于没有合理且经济的开发技术,这些能源被浪费或者闲置。小型撬装式天然气液化工艺流程及装置被认为是最适合开发利用边际气田的技术。然而,目前还缺乏完全针对该种装置开发的液化流程。本文根据小型撬装式天然气液化装置的特点,对其中涉及的几个关键性问题进行研究,旨在开发出适用于该种装置的液化流程和冷箱,从而推动小型撬装式天然气液化装置的实际应用。主要内容如下:首先,为了克服传统氮膨胀液化流程能耗较高,换热温差较大的缺点,构建了小型并联式氮膨胀液化流程。以流程单位能耗为目标函数,采用遗传算法对流程进行了优化,获得了最佳设计参数,并对优化后的流程进行了(火用)分析。经遗传算法优化后,单位能耗为0.5113 k Wh/Nm3,相比于优化前的单位能耗降低了6.88%,(火用)效率为0.323,相比与优化前的(火用)效率提高了7.56%。小型并联式氮膨胀液化流程的单位能耗相比与传统氮膨胀液化流程可以降低17.4%,同时可以克服传统氮膨胀液化流程换热温差较大的缺点。本文选用三种不同条件的气源,以换热面积和最小换热温差为判断标准,验证流程的适应性,结果表明小型并联式氮膨胀液化流程对于流量和压力变化有较好的适应性,对于组分变化的气源适应性较差。然后以现有混合制冷剂液化流程为基础,构建了小型单阶混合制冷剂液化流程。以流程单位能耗为目标,采用遗传算法对流程进行优化,随后对流程的适应性进行了研究,最后比较了小型单阶混合制冷剂液化流程(SMRC)和小型并联式氮膨胀液化流程(PNEC)的优缺点。结果表明:经过遗传算法优化后,单位能耗为0.3724 k Wh/Nm~3,相比于优化前的单位能耗降低了9.17%,(火用)效率为0.4417,相比与优化前的(火用)效率提高了10%。在流程适应性方面,小型单阶混合制冷剂液化流程对于不同气源有一定的适应性,特别是对于流量变化、压力变化和组分变化的气源均有较好的适应性。最后对小型单阶混合制冷剂液化流程(SMRC)和小型并联式氮膨胀液化流程(PNEC)进行了单位能耗、(火用)效率和流程适应性比较,结果显示小型单阶混合制冷剂液化流程在单位能耗、(火用)效率和流程适应性方面均优于小型并联式氮膨胀液化流程,因此选择了小型单阶混合制冷剂液化流程作为小型撬装式天然气液化装置的流程。为了提高流程的能量利用效率和经济性,提出了新型混合制冷剂-NGL回收一体化流程(MRC-NGL),通过天然气液化流程和NGL回收流程的冷热量合理匹配和利用,使系统能效提高。脱甲烷塔和脱乙烷塔冷凝器所需的冷量由混合制冷剂制冷循环在合适的温度提供;脱甲烷塔和脱乙烷塔再沸器所需的热量由混合制冷剂压缩机出口的高温气体提供。脱甲烷塔入口温度对于流程性能影响较大,随着脱甲烷塔入口温度升高,单位能耗先降低然后升高。新型混合制冷剂-NGL回收一体化流程可以降低能耗、提高小型撬装式天然气液化装置的经济性和适用性。以小型单阶混合制冷剂液化流程优化结果为基础,建立了小型单阶混合制冷剂液化流程的动态模型并进行了动态模拟。首先研究了三种控制方案的优劣,结果表明:第三种控制方案,同时控制LNG温度和NG-3温度,当外界扰动发生时,可以使流程获得较好的稳定性,波动较小,需要较短的时间就可以恢复至扰动发生前的状态。然后引入五种外界扰动,研究小型单阶混合制冷剂流程的动态特性。结果显示,天然气压力降低、甲烷含量降低和天然气流量增大对流程稳定运行造成的影响最大。天然气温度的变化对于流程的影响较小,即使扰动发生,控制系统可以在较短时间内消除参数的波动。环境温度的变化对于压缩机能耗有着显著的影响,但是对于流程其他参数的动态特性没有特别大的影响。最后,以小型单阶混合制冷剂液化流程的优化结果为基础,设计了采用板式换热器的天然气液化冷箱系统,该冷箱系统尺寸小,方便撬块化。随后设计并搭建了冷箱实验装置,对板式换热器的二氧化碳最大容忍度进行了实验测试,定量研究甲烷中不同二氧化碳含量在板式换热器中的冻堵情况。实验结果表明:当甲烷压力为3MPa时,本文选用的板式换热器对于二氧化碳的最大容忍度大于5000ppm。本文设计的固液分离器可以有效分离固态二氧化碳和液态甲烷,但是针对不同二氧化碳含量的气体需要选择不同的分离温度才能在低温状态下有效分离二氧化碳。实验测试结果对于新型净化—液化一体式冷箱的工程设计具有重要参考价值和指导意义。