制冷技術(shù)革命與冷凝法油氣回收技術(shù)的發(fā)展

鄒松林，顏曉瓊

(江蘇中川通大環(huán)保設備制造有限公司，江蘇 盱眙 211700)

制冷技術(shù)革命與冷凝法油氣回收技術(shù)的發(fā)展

鄒松林，顏曉瓊

(江蘇中川通大環(huán)保設備制造有限公司，江蘇 盱眙 211700)

介紹了20世紀后期制冷技術(shù)革命性的進步，及其對冷凝法油氣回收技術(shù)發(fā)展的推進作用，分析了冷凝法油氣回收技術(shù)的優(yōu)勢和對生產(chǎn)廠家的要求。

制冷技術(shù);油氣回收;冷凝法

《儲油庫大氣污染物排放標準》（GB20950-2007）對“油氣回收處理裝置”的定義是：“通過吸附、吸收、冷凝、膜分離等方法將發(fā)油過程產(chǎn)生的油氣進行回收處理的裝置”。冷凝方法是諸多油氣回收處理技術(shù)中的一種。

20世紀中后期，我國曾引進了日本CHITOSE&CO,MARUZEN Eineering Incorporation公司的溶液吸收油氣回收處理裝置、美國McGILL公司的活性炭吸附油氣回收處理裝置、美國EDWARDS公司冷凝法油氣回收處理裝置。三種不同工藝的裝置，運用結(jié)果大相庭徑。80年代，原商業(yè)部中國石油公司（現(xiàn)在的中石化銷售公司）從國外引進了冷凝法、吸收法、吸附法的油氣回收處理裝置各一套，分別在天津、上海、太原的油庫使用。但由于多種原因，未能推廣普及。只有冷凝法的裝置在1998年9月由天津調(diào)撥到鎮(zhèn)海煉油廠，至今運行使用情況很好。

1 制冷技術(shù)在20世紀后期取得革命性進步

2007年在北京舉行的第22屆國際制冷大會上的《制冷學科研究與發(fā)展報告》指出，“制冷技術(shù)是20世紀對人類社會影響最大的科學技術(shù)成就之一”。2000年，美國工程院歷時半年，組織30多家美國職業(yè)工程協(xié)會，以“改變?nèi)祟惿罘绞健⑼苿由鐣a(chǎn)發(fā)展、提高人類生活質(zhì)量”為標準，評選了20世紀影響最大的20項工程技術(shù)成就。結(jié)果，制冷技術(shù)排名第10位，排在了高速公路、航天技術(shù)、因特網(wǎng)、核技術(shù)等前面。制冷技術(shù)不但使“空調(diào)制冷技術(shù)成為人們的健康、運輸、食品保鮮的不可缺少的設施。人們可以在地球上最冷和最熱的地方工作和生活”，而且推動了許多尖端科學技術(shù)的研究和發(fā)明。

制冷技術(shù)在20世紀后期的革命性發(fā)展，可從以下方面來認知。

1.1 制冷壓縮機的革新提高了能效比，性能系數(shù)上升到1.5左右

制冷壓縮機可稱為制冷系統(tǒng)的心臟，對制冷技術(shù)的發(fā)展有決定性的作用。制冷壓縮機由電動機和壓縮機兩部分組成。其革新的主要措施有改進工藝設計、選用優(yōu)質(zhì)材料、提高加工精度。

（1）電動機的改進

選用特低鐵損和高磁通新型硅鋼片做電機鐵芯，加大沖片橫截面，退火處理定子沖片，自扣工藝組合轉(zhuǎn)子，定子線圈采用手工下線并提高滿槽率，嚴格控制轉(zhuǎn)子定子之間的氣隙。

（2）壓縮機的改進

引入有限元法計算機模擬輔助設計，采取零件優(yōu)化、加工優(yōu)化、結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化等多項工藝措施，加強硬度、減小摩擦系數(shù)，滑動部件間隙精確到幾微米。采用高轉(zhuǎn)速電動機和變頻技術(shù)使壓縮機運轉(zhuǎn)速度從1440r/min提高到3000r/min，或變頻調(diào)速到10,000r/min。提高壓縮機排量、縮小壓縮機體積、降低壓縮機運行工況電耗，從而提高壓縮制冷效率。50匹比澤爾活塞式半封閉壓縮機只有長795mm、寬452mm、高445mm，體積減小一半多。能耗的減少如比澤爾S6F-30.2Y壓縮機,在制冷溫度為-50℃時（用R404A,制冷量17.42kW)，電機名義功率22kW，實際運行功率13.42kW，實際運行功率比名義功率小8.58kW。壓縮機性能系數(shù)COP普遍得到提升，有的從不足1.0上升到1.5～1.7。

1.2 新型制冷劑提高了制冷劑單位質(zhì)量制冷量，滿足環(huán)保節(jié)能要求

制冷劑按組成成分可分為單一制冷劑和混合制冷劑。新型環(huán)保制冷劑屬于混合制冷劑。單一制冷劑只含一種化合物，其熱物理性能參數(shù)恒定不變；混合制冷劑是由兩種或兩種以上的制冷劑組成的混合物，混合比例可改變其熱物理性能參數(shù)。混合制冷劑又分為共沸混合制冷劑和非共沸混合制冷劑。共沸混合制冷劑如R500、R502、R503、R507等；非共沸混合制冷劑如R404A、R407A、R407B、R407C、R410A、R410C等。使用非共沸混合制冷劑，能顯著降低制冷系統(tǒng)的能耗，如：R22/R114（50/50）非共沸混合制冷劑取代R22，制冷系數(shù)提高25%。再如：使用比澤爾4G-30.2壓縮機的制冷溫度為-5℃時，使用R22的制冷量為60kW，使用R404A的制冷量為66.5kW。同樣的設備、同樣的能耗，制冷量增加6.5kW，提高約11%。新型環(huán)保制冷劑以其環(huán)保性、可靠性、節(jié)能性和替代現(xiàn)有制冷劑方便的特點，已得到廣泛認可。

1.3 智能、穩(wěn)定、安全、可靠的自控技術(shù)實現(xiàn)了操作的升級換代

制冷工藝屬于熱工技術(shù)，系統(tǒng)內(nèi)冷凝和蒸發(fā)的配置在不同壓力和溫度等條件下運行，與地理、氣候、壓縮機和制冷劑的選型、裝置系統(tǒng)的制造質(zhì)量等因素都有密切關(guān)系，其動態(tài)變量和受控點較多，需要在嚴密監(jiān)控和頻繁調(diào)節(jié)的狀態(tài)下運行。過去由于受機械工業(yè)技術(shù)水平的局限，壓縮機溫度、壓力等的調(diào)節(jié)器件自動化程度不高，在較長的歷史階段，裝置的狀態(tài)調(diào)試和運行調(diào)節(jié)比較繁瑣，要求操作人員具有較高的技能和豐富經(jīng)驗。因此給人留下“冷凝法油氣回收處理裝置操作太麻煩”的印象。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，廣泛應用計算機技術(shù)和智能化控制器件，冷凝法油氣回收處理裝置的自動化程度已達到相當高的水平。具體表現(xiàn)為：

（1）高性能自控器件的應用，完善了穩(wěn)定工作狀態(tài)的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如：溫度控制器、壓力控制器、電子噴液器、安全保護監(jiān)控，數(shù)據(jù)檢測及變送、數(shù)據(jù)傳輸及調(diào)節(jié)，從檢測到判斷直至發(fā)出控制指令，完全實現(xiàn)智能化自控。

（2）PLC技術(shù)能夠自動做好程序控制，實現(xiàn)無人值守、運行參數(shù)傳輸、遠程控制。

（3）變頻器控制技術(shù)可有效提高壓縮機能效系數(shù)，變頻調(diào)速高達1萬r/min。改變壓縮機運轉(zhuǎn)速度提高壓縮機排量進而提高制冷效率，屬于技術(shù)含量較高的產(chǎn)品。智能、穩(wěn)定、安全、可靠的自動化控制技術(shù)，將復雜技術(shù)簡單化，解除了人的繁重勞動，實現(xiàn)了冷凝法油氣回收處理裝置的操作和運行管理的升級換代。

2 冷凝法在油氣回收技術(shù)工藝中的優(yōu)勢

冷凝法油氣回收處理的技術(shù)優(yōu)勢，得益于近三十年來制冷技術(shù)的進步。

2.1 冷凝技術(shù)工藝最適合石油產(chǎn)品的性質(zhì)

原油是由分子大小和化學結(jié)構(gòu)不同的烴類和非烴類組成的復雜混合物，從原油中提煉成品油的基本工藝是蒸餾。蒸餾時將原油的液體混合物加熱，讓輕組分氣化并將其導出進行冷凝，使其輕重組分得到分離。無論是兩段氣化流程（常壓蒸餾和減壓蒸餾）還是三段氣化流程（包括原油初餾、常壓蒸餾和減壓蒸餾），都是依據(jù)石油的熱性質(zhì)，按照不同氣化溫度進行分段切割。從原油加工最基本的方法“加熱蒸餾”到油氣處理的冷凝法“去熱凝結(jié)”，都經(jīng)過“受熱氣化—降溫液化”的工序，冷凝法油氣回收技術(shù)原理則是在成品油儲運環(huán)節(jié)，重復著“氣化—液化”的過程，使油蒸氣發(fā)生相變，從氣態(tài)回到液態(tài)，完成對油氣的回收處理。所以，冷凝法處理油氣的技術(shù)原理與原油加工的技術(shù)原理是一致的，對于油氣的熱性質(zhì)、遷移特性來說，最適合采用冷凝法處理。

2.2 冷凝法回收汽油的餾分優(yōu)于汽油原指標

冷凝法工藝的特點是簡明直接、不需二次工藝處理，回收的汽油不會混入其他雜質(zhì)成分，餾分優(yōu)于原汽油指標。吸附法、膜法等工藝的油氣回收處理技術(shù)，采用噴淋吸收的二次工藝處理富集和提濃的油氣，難免會影響回收汽油的餾分指標。表1為原汽油餾分與回收汽油餾分的比較（當?shù)卮髿鈮海?02.33kPa）。

表1 原汽油餾分與回收汽油餾分比較

2.3 冷凝法油氣回收處理的單位能耗最低

隨著制冷技術(shù)革命性的進步，壓縮機新型產(chǎn)品體積縮小、排量提高、能耗減少，新型制冷劑增加了單位質(zhì)量制冷量，提高了制冷系統(tǒng)能效比，降低了冷凝法處理每立方米油氣的配置功率指標（見表2）。

表2 冷凝法處理油氣配置功率

從表2可見，冷凝法處理油氣的單位能耗為0.225～0.27kW·h/m3。特別要說明的是：因為制冷壓縮機的實際運行功率只是配置功率的85%～90%，實際的工況能耗比表2中的數(shù)據(jù)還要低。冷凝法與其他方法的單位能耗（kW·h/m3）比較見表3。

表3 冷凝法與其他處理工藝能耗比較

3 發(fā)揮制冷技術(shù)優(yōu)勢推進冷凝法油氣回收技術(shù)的發(fā)展

在四種油氣回收技術(shù)方法中，冷凝法的安全防爆技術(shù)措施要求提高、凝結(jié)器結(jié)構(gòu)設計及制作的技術(shù)難度增大。冷凝法處于油氣回收技術(shù)的高端。

3.1 冷凝法裝置的安全防爆技術(shù)措施要求提高

油氣回收處理裝置的應用場合是煉油廠、石油成品油庫、加油站等，屬于具有可燃可爆氣體的危險環(huán)境。因此，產(chǎn)品設計必須執(zhí)行國家防火防爆規(guī)范，裝置制造必須符合防火防爆的技術(shù)標準、設備出廠必須通過國家防爆電氣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測合格并頒發(fā)《防爆合格證》。

冷凝法油氣回收處理裝置在低溫狀態(tài)下處理油氣，油氣通過的凝結(jié)器是非電構(gòu)件，工藝本身具有較高安全系數(shù)。但冷凝法油氣回收工藝與其他的油氣回收技術(shù)工藝的明顯差別是采用的電氣原件非常多。一臺三級降溫的冷凝法油氣回收處理裝置，采用數(shù)千只零部件，大的如制冷壓縮機，小的如溫度探頭。如果對每一個元件都要求防爆，不但成本劇增，而且有的元件從技術(shù)上就很難做到防爆（如大屏幕觸摸屏）。采用正壓房間防爆方式，對上千個電氣元件集中防爆，是成熟的防爆技術(shù)。但正壓房間內(nèi)機組多，控制柜多層結(jié)構(gòu)，強電弱電線纜重疊，儀表種類繁雜，因此要保證強電弱電線纜及各類儀表分箱分道、保證機房內(nèi)正壓均衡、防止監(jiān)測可燃氣體濃度和正壓壓力出現(xiàn)“死角”等，都比其他技術(shù)工藝的裝置要求更高。要以防爆電氣標準為準繩，以煉油廠及儲油庫系統(tǒng)曾經(jīng)發(fā)生過的教訓為經(jīng)驗，完善設計、嚴格制作，確保防爆安全的可靠性。

3.2 凝結(jié)器結(jié)構(gòu)設計及制作的技術(shù)難度增大

冷凝法的基本原理是對油氣進行降溫，使油氣從氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?。油庫向火車油罐、汽車油罐、油輪油艙灌裝油品時，置換出來的油氣源源不斷地輸送入油氣回收處理裝置內(nèi)。這些油氣不可能囤積存留在在油氣回收處理裝置內(nèi)，像空調(diào)房間那樣關(guān)窗閉門慢慢降溫。要保證發(fā)油的流轉(zhuǎn)速度，油氣處理的過程與發(fā)油灌裝油品的過程必須做到兩個同時，即：發(fā)油鶴管開始發(fā)油的同時啟動對油氣的冷凝處理，發(fā)油灌裝結(jié)束的同時完成對油氣的降溫處理。要精確計算和設計冷凝油氣的換熱器（冷箱）結(jié)構(gòu)，以及符合氣液相平衡特性和油氣遷移特性的油氣流轉(zhuǎn)路徑，保證油氣相變有足夠的換熱負荷，流轉(zhuǎn)過程不會對發(fā)油系統(tǒng)管道產(chǎn)生阻力。

3.3 發(fā)揮制冷技術(shù)優(yōu)勢，加快冷凝法油氣回收技術(shù)的進展

冷凝法油氣回收處理裝置的制造，涉及電氣自動化、結(jié)構(gòu)、儀表、焊接、制冷、精加工等多個工種技術(shù)。在生產(chǎn)流程中，不乏細節(jié)決定成敗的案例。油氣回收設備廠家應加大研發(fā)投入，努力提高企業(yè)素質(zhì)，在油氣回收處理裝置生產(chǎn)過程各個環(huán)節(jié)中做到質(zhì)量控制、型式檢測、整機技術(shù)指標考核等手段齊全，設計制造出更完美的冷凝法油氣回收處理裝置，以向用戶提供質(zhì)量優(yōu)異的油氣回收產(chǎn)品。

Revolution of Refrigeration Technology and Development of Recycling Technology of Oil and Gas by Condensation Method

ZOU Song-lin, YAN Xiao-qiong
(Jiangsu Zhongchuan Tongda Environmental Protection Equipment Manufacture Co, Ltd, Jiangsu Xuyi 211700, China)

The article introduces the progress on revolution of refrigeration technology and the promotion action of recycling technology development of oil and gas by condensation method at the late period of time in the 20th century, and analyzes the advantage of recycling technology of oil and gas by condensation method and puts requests to producers.

refrigeration technology; oil and gas recycling; condensation method

X74

A

1006-5377（2010）03-0037-04