一种小型撬装式煤层气液化系统和方法与流程

本发明涉及机械设备技术领域，具体涉及一种小型撬装式煤层气液化系统和方法。

背景技术

煤层气作为一种富含甲烷的气体，广泛应用于化工和燃料领域，而其应用要求将煤层气产品中甲烷含量液化至90％以上。在我国新疆和内蒙古等地，煤层气储量丰富，并存在大量低储量的小型煤层气气田，而由于该种小型气田区别于传统大型煤层气田，其分布范围广、原料气流量小、原料气压力波动大并且浓度较低，其甲烷含量某些情况下低于30％，使得该种气田难以使用传统大型煤层气田液化流程进行液化，因此小型撬装式煤层气液化系统成为解决该问题的一种有效的方法。

大型煤层气田由于其煤层气储量大，流量和压力波动较小，因此大型煤层气液化通常采用的流程方式包括：级联式液化流程、混合制冷剂液化流程和带透平膨胀机的液化流程。其中采用透平膨胀机的流程分为丙烷预冷、透平制冷和原料气液化三个循环，原料气首先使用丙烷预冷而后与氮气膨胀循环的低温氮气换热降温，节流后进入气液分离器完成液化主流程，该种流程液化率可高达90％，单位能耗较低。而对于小型煤层气液化系统，由于其撬装式的需求，流程设备安置空间有限，要求设备尽可能精简，由于预冷循环和制冷循环的存在，使得大型气田的煤层气液化流程将不能适用于小型撬装式液化系统上。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明实施例要解决的技术问题是提出一种小型撬装式煤层气液化系统和方法，至少部分的解决现有技术中存在的问题。

为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种小型撬装式煤层气液化系统，包括：原料气纯化机构1、一级压缩机2、一级压缩机冷却器3、二级压缩机4、二级压缩机冷却器5、一级换热器6、一级透平膨胀机7、二级换热器8、气液分离器9、三级换热器10、二级透平膨胀机11、节流阀12、产品储罐13；

其中所述原料气纯化机构1、一级压缩机2、一级压缩机冷却器3、二级压缩机4、二级压缩机冷却器5依次串联，以将原料气经过原料气纯化机构1进行纯化以滤除杂质；然后经过一级压缩机2、一级压缩机冷却器3、二级压缩机4、二级压缩机冷却器5以进行压缩和冷却；

其中所述二级压缩机冷却器5依次连接一级换热器6、一级透平膨胀机7、二级换热器8、气液分离器9；以将二级压缩机冷却器5输送来的纯化、压缩、冷却后的原料气经过一级换热器6进行换热降温后，经过一级透平膨胀机7进行绝热膨胀；然后输送到二级换热器8降低膨胀后流体温度以使得原料气进入两相状态，再输送到气液分离器9将其中的液相和气相进行分离；

其中所述气液分离器9分别连接所述三级换热器10、二级透平膨胀机11，以将分离后的气相进入二级透平膨胀机11进行两相膨胀，液相在三级换热器10中进一步降温后进入节流阀12进行节流；

其中三级换热器10和节流阀12都连接产品储罐13以将节流后的两相流体和膨胀后的两相流体进行混合后输送到产品储罐13。

其中，产品储罐13的气体放空通道连接三级换热器10、二级换热器8、一级换热器6，以将产品储罐放空气体时依次经过各换热器释放冷量。

其中，所述二级透平膨胀机11的压比和流量是根据气液分离器9中分离出的气液相的流体比以及一级透平膨胀机7的工况确定的。

其中，该节流阀12前端的液体过冷度和流量是根据系统工况确定。

同时，本发明实施例还提出了一种利用如前任一项所述小型撬装式煤层气液化系统的煤层气液化方法，包括：

将原料气经过原料气纯化机构进行纯化以滤除杂质；然后经过一级压缩机、一级压缩机冷却器、二级压缩机、二级压缩机冷却器以进行压缩和冷却；然后将纯化、压缩、冷却后的原料气经过一级换热器进行换热降温后，经过一级透平膨胀机进行绝热膨胀；

输送到二级换热器降低膨胀后流体温度以使得原料气进入两相状态，再输送到气液分离器将其中的液相和气相进行分离；然后将分离出的气相进入二级透平膨胀机进行两相膨胀，液相在三级换热器中进一步降温后进入节流阀进行节流；

将节流后的两相流体和膨胀后的两相流体进行混合后输送到产品储罐。

发明的上述技术方案的有益效果如下：上述技术方案提出了一种小型撬装式煤层气液化系统和方法，该小型撬装式煤层气液化系统可撬装移动，适应气田流量和压力范围广；使用纯化系统去除甲烷和氮气之外的原料气杂质；分流部分原料气经透平膨胀机降温回热；液化流程使用两相透平膨胀机部分取代节流阀，有效提高流程液化率并降低系统能耗。该种新型小型撬装式低浓度煤层气液化流程具有流程结构简单、可撬装移动、原料气压力适应范围广、液化率高、单位能耗低和液化速度快的特点。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

附图标记说明：

1、原料气纯化机构；

2、一级压缩机；

3、一级压缩机冷却器；

4、二级压缩机；

5、二级压缩机冷却器；

6、一级换热器；

7、一级透平膨胀机；

8、二级换热器；

9、气液分离器；

10、三级换热器；

11、二级透平膨胀机；

12、节流阀；

13、产品储罐。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

具体的，如附图1所示的，本发明实施例提出了一种小型撬装式煤层气液化系统，包括：

其中原料气经过原料气纯化机构1进行纯化以滤除杂质；然后经过一级压缩机2、一级压缩机冷却器3、二级压缩机4、二级压缩机冷却器5以进行压缩和冷却。然后经过纯化、压缩、冷却后的原料气，输送到一级换热器6进行换热降温后，经过一级透平膨胀机7进行绝热膨胀；然后输送到二级换热器8降低膨胀后流体温度以使得原料气进入两相状态，输送到气液分离器9将其中的液相和气相进行分离；分离后的气相进入二级透平膨胀机11进行两相膨胀，液相在三级换热器10中进一步降温后进入节流阀12进行节流；然后将节流后的两相流体和膨胀后的两相流体进行混合后输送到产品储罐13。在输出产品时，产品储罐13内的产品依次经过三级换热器10、二级换热器8、一级换热器6依次释放冷量后输出，将产品储罐13放空。

其中，经过原料气纯化机构1、一级压缩机2、一级压缩机冷却器3、二级压缩机4、二级压缩机冷却器5纯化、压缩和冷却后的原料气，压力与透平输出功所能达到的压力匹配，且将原料气能够冷却到接近常温。然后经过依次经过一级换热器6、一级透平膨胀机7、二级换热器8、气液分离器9后，根据系统原料气流量与压力的差别膨胀比可在2～7之间变化。

本发明实施例中采用了两级透平膨胀机，即：一级透平膨胀机7、二级透平膨胀机11。两级透平膨胀机及节流阀12的制冷量可以满足在液化煤层气支取的各个环节所需的冷量和温度要求。其中，该二级透平膨胀机11的压比和流量可以根据气液分离器9中分离出的气液相的流体比以及一级透平膨胀机7的工况来确定。同时，该节流阀12前端的液体过冷度和流量可以根据系统工况确定。

由上述描述可知，本发明实施例提出了一种新型的使用低温两相透平膨胀机的小型撬装式煤层气液化流程，包括：

1)纯化工序：原料气经过甲烷浓度检测达到标准进入纯化系统，系统原料气为甲烷和氮气的混合物，在纯化系统中乙烷、丙烷和重烃等杂质将被除去；

2)压缩机冷却工序；流程利用煤层气本身压力，压缩系统耗功均由透平膨胀机输出功提供。纯化后的原料气经过两级压缩机压缩，后经冷却系统降温至环境温度；

3)两相膨胀液化工序：压缩并冷却后的原料气首先经过换热器降温至一定的温度，进入第一台透平膨胀机进行膨胀降温，在该透平膨胀机中，可根据工况需要对压缩降温后的原料气进行过热的单相膨胀或两相膨胀；膨胀后的流体进入第二个换热器继续进行降温，降温后的流体中有部分气体液化进入两相状态，经过气液分离器后，流体分为液体和气体两股支流；气体部分进入第二个透平膨胀机进行两相膨胀，液体部分经换热器降温后进行节流，膨胀后和节流后的流体混合后进入储罐；进入储罐中气体部分进入三级换热器中进行反流冷却并放空，液体部分为液化产品；

进一步：经过纯化系统净化后的原料气温度接近当地气温，纯化后的煤层原料气只含有甲烷和氮气；

进一步：纯化后经原料气两级压缩机压缩后进入系统的原料气压力根据抽取原料气自身压力和系统中透平输出功所能提供的压缩能确定，出压缩机后冷却至接近当地气温；

进一步：所述两相膨胀液化工序包括如下步骤：

a1、压缩并冷却后的原料气首先经过换热器降温至一定的温度，进入第一台透平膨胀机进行膨胀降温，在该透平膨胀机中，可根据工况需要对压缩降温后的原料气进行过热的单相膨胀或两相膨胀；

a2、膨胀后的流体进入第二个换热器继续进行降温，降温后的流体中有部分气体液化进入两相状态，经过气液分离器后，流体分为液体和气体两股支流；

a3、气体部分进入第二个透平膨胀机进行两相膨胀，液体部分经换热器降温后进行节流，膨胀后和节流后的流体混合后进入储罐；

a4、进入储罐中气体部分进入三级换热器中进行反流冷却并放空，液体部分为液化产品；

进一步：经过纯化、压缩和冷却后的原料气，压力与透平输出功所能达到的压力匹配，接近常温的原料气进入液化流程，依次经过一级换热器、一级透平膨胀机、二级换热器、气液分离器和二级透平膨胀机，根据系统原料气流量与压力的差别膨胀比可在2～7之间变化；

进一步：一级透平膨胀机工况可根据系统工况需求在单相过热膨胀和两相膨胀间切换；

进一步：本实施例中两级透平膨胀机：一级透平膨胀机、二级透平膨胀机和节流阀的制冷量能够满足在液化煤层气支取的各个环节中的冷量和温度要求，二级透平压比和流量根据气液分离器中气液相流体比以及一级透平工况确定；

进一步：本实施例中两级透平膨胀机：一级透平膨胀机、二级透平膨胀机和节流阀的制冷量能够满足在液化煤层气支取的各个环节中的冷量和温度要求，节流阀前的液体过冷度和流量根据系统工况确定。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。