石油高校建環(huán)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)氣體液化實(shí)驗(yàn)的探討

陳樹(shù)軍, 付 越, 劉 楊, 唐建峰, 王武昌

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

0 引 言

中國(guó)石油大學(xué)(華東)是教育部和四大石油石化企業(yè)集團(tuán)、教育部和山東省人民政府共建的高校，是石油、石化高層次人才培養(yǎng)的重要基地，被譽(yù)為“石油科技人才的搖籃”，現(xiàn)已成為一所以工科為主、石油石化特色鮮明、多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的大學(xué)。我校建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)2002年成立，專(zhuān)業(yè)設(shè)置的特色在于——以“大燃?xì)狻睘辇堫^，發(fā)揮油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)重點(diǎn)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，建設(shè)具有鮮明石油特色的建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)[1]。2013年，為了使辦學(xué)更好的突出石化特色，我系更名為“建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)”，并入單獨(dú)成立的燃?xì)夤こ滔?，這更有利于建環(huán)專(zhuān)業(yè)朝著我校既定的方向發(fā)展。培養(yǎng)出專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)的石油石化行業(yè)高級(jí)專(zhuān)業(yè)人才是我系培養(yǎng)方案的目標(biāo)。

天然氣作為清潔、高效、方便的能源，在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面的價(jià)值已得到廣泛證實(shí)[2]。未來(lái)用天然氣代替燃煤和燃油是必然趨勢(shì)。在這種形式下，我系作為具有石油特色的建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)，教學(xué)計(jì)劃的制定，在嚴(yán)格遵循全國(guó)高校本專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)制定的專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、課程體系及培養(yǎng)計(jì)劃的總體框架基礎(chǔ)上，定位為包括天然氣的礦場(chǎng)集輸、長(zhǎng)距離輸送及下游城市燃?xì)廨斉浼皯?yīng)用的大燃?xì)獍l(fā)展方向。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)共16大項(xiàng)，22小項(xiàng)，目前基本能滿(mǎn)足基礎(chǔ)本科教學(xué)的要求。但隨著天然氣應(yīng)用技術(shù)等方面的不斷發(fā)展，我系教學(xué)計(jì)劃也在不斷修訂和充實(shí)。關(guān)于天然氣預(yù)處理、液化工藝、液化天然氣(LNG)安全儲(chǔ)存及運(yùn)輸、LNG的利用等方面的課程也越來(lái)越重要。但我系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，還主要為燃?xì)廨斉浜腿紵矫鎸?shí)驗(yàn)，缺少氣體液化系統(tǒng)及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這已不能滿(mǎn)足未來(lái)的本科教學(xué)要求。本文就開(kāi)設(shè)氣體液化實(shí)驗(yàn)的必要性、氣體液化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)方案、實(shí)驗(yàn)可行性和氣體液化實(shí)驗(yàn)擬開(kāi)設(shè)項(xiàng)目等方面進(jìn)行探討。

1 開(kāi)設(shè)氣體液化實(shí)驗(yàn)的必要性

我校在培養(yǎng)方案的制定上，“城市燃?xì)廨斉洹笔墙ㄖh(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)的主干專(zhuān)業(yè)必修課，“LNG利用技術(shù)”也列為專(zhuān)業(yè)限選課，兩門(mén)課程均涉及LNG的內(nèi)容。為了使學(xué)生更好地理解和掌握書(shū)本知識(shí)，從理論走向?qū)嵺`，需要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增加氣體液化相關(guān)的教學(xué)環(huán)節(jié)[3,4]。氣體液化實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，完善了我系專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有助于學(xué)生直觀地了解壓縮機(jī)和換熱器等設(shè)備的構(gòu)造和工作原理，在此基礎(chǔ)上真切地掌握天然氣液化工藝過(guò)程和制冷工藝過(guò)程。重要的是可以運(yùn)用我系現(xiàn)有的一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣體液化過(guò)程的不同規(guī)律和現(xiàn)象，既符合我系設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)的建設(shè)目標(biāo)，又解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率不高，缺乏系統(tǒng)性等缺點(diǎn)。另外，開(kāi)設(shè)氣體液化實(shí)驗(yàn)，還能更好的滿(mǎn)足學(xué)?！皽p少理論教學(xué)學(xué)時(shí)，增加實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐學(xué)時(shí)”等培養(yǎng)計(jì)劃的改革方向。

2 氣體液化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)方案

2.1 氣體液化實(shí)驗(yàn)液化流程方案的確定

選擇何種類(lèi)型的液化流程，需根據(jù)具體的用途、目的和實(shí)驗(yàn)條件綜合考慮[5]。因?yàn)楸玖鞒逃糜诒究茖?shí)驗(yàn)教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，設(shè)備要占地小、投資成本少、能耗低、效率高、靈活性好，特別要保證安全[6]。綜合考慮以上方面，設(shè)計(jì)出一種適合本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的小型、高效、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置的液化流程是非常必要的。按制冷方式分，氣體液化主要有3種形式：級(jí)聯(lián)式液化流程、混合制冷劑液化流程(包括單級(jí)、多級(jí)和丙烷預(yù)冷等)、帶膨脹機(jī)的液化流程(包括單膨脹機(jī)循環(huán)和雙膨脹機(jī)循環(huán)等)[7-9]。通過(guò)查閱文獻(xiàn)[10-16]，得到不同液化裝置循環(huán)效率和各種液化循環(huán)特性的對(duì)比如表1和表2所示。

表1 液化裝置常用液化循環(huán)效率比較

表2 各種液化循環(huán)特性比較

綜合以上各種液化流程循環(huán)效率和循環(huán)特性的比較可知，級(jí)聯(lián)式制冷循環(huán)和混合制冷循環(huán)(MRC)能耗較低，效率最高。但從復(fù)雜程度和適應(yīng)性等方面，MRC優(yōu)于級(jí)聯(lián)式制冷循環(huán)。鑒于實(shí)驗(yàn)室對(duì)制冷要求不大，以工藝流程簡(jiǎn)化、實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量少、利用的制冷循環(huán)技術(shù)成熟、總投資和運(yùn)行費(fèi)用最低為原則，采用單級(jí)MRC是最佳的選擇。原因如下：① 單級(jí)MRC設(shè)備簡(jiǎn)單，投資較低，工藝流程不復(fù)雜。② 該流程可最大限度地減少與環(huán)境之間的不可逆熱損失。③ 液化率高，可以通過(guò)混合工質(zhì)組分的合理配比，在不同溫區(qū)多股流換熱器內(nèi)，混合工質(zhì)溫度曲線與被液化氣體的溫度曲線相匹配。④ 減少了傳熱溫差，從而減少能耗，提高了液化效率。

2.2 制冷劑與液化介質(zhì)的選擇

由于該液化流程用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，特別要考慮安全問(wèn)題[6]。因主要側(cè)重于學(xué)生理解氣體溫度、流量、相變的過(guò)程，所以只要采用安全的氣體組分演示出氣體的相變過(guò)程就可以滿(mǎn)足教學(xué)要求。制冷劑選用烴類(lèi)存在易燃易爆危險(xiǎn)，若采用氮?dú)?、氬氣等惰性氣體，因液化溫度低，實(shí)驗(yàn)耗能多，費(fèi)用高，耗時(shí)長(zhǎng)，也容易發(fā)生冷凍傷人事故，不利于教學(xué)試驗(yàn)?；谝陨峡紤]，選擇多種氟利昂的混合工質(zhì)作為制冷劑，就可達(dá)到教學(xué)目的。在液化對(duì)象的選擇上，由于二氧化碳具有無(wú)毒、無(wú)害、不燃燒的特性，所以在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中適合作為液化試驗(yàn)介質(zhì)。

2.3 氣體液化實(shí)驗(yàn)工藝流程的設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，流程采用較高溫區(qū)的氟利昂相變制冷工藝，包括壓縮、換熱、液化、節(jié)流等封閉循環(huán)。具體實(shí)驗(yàn)流程為：混合制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至1 MPa左右，經(jīng)過(guò)冷卻器降溫至30℃左右，進(jìn)入包括多通道換熱器組的冷箱中降溫，氣體到達(dá)換熱器底部時(shí)已基本全部液化。液相混合工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降溫后進(jìn)入換熱器冷箱，經(jīng)過(guò)換熱器復(fù)溫后出冷箱的流體返回MRC壓縮機(jī)入口，形成密閉連續(xù)的制冷循環(huán)過(guò)程。純凈的二氧化碳經(jīng)過(guò)鋼瓶上減壓閥減壓至1.3 MPa左右后進(jìn)入冷箱，與返流的混合制冷劑換熱，達(dá)到液化溫度后流入氣液分離器中，液體進(jìn)入二氧化碳儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存，未液化的二氧化碳閃蒸汽通過(guò)氣液分離器氣相出口排出室外。另外，對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的液體二氧化碳節(jié)流能夠?qū)崿F(xiàn)凝華，凝華的二氧化碳(干冰)遇熱發(fā)生升華，這個(gè)過(guò)程在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中都能實(shí)現(xiàn)。具體的液化工藝模擬流程如圖1所示。

如果不需要液化二氧化碳，可用其他高沸點(diǎn)組分的氣體替代。也可以不液化氣體，只觀察混合制冷劑的液化、分離、氣化的全過(guò)程，同樣達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

圖1 氣體液化工藝模擬流程圖

3 氣體液化實(shí)驗(yàn)可行性分析

在安全方面，制冷劑選用R134a、R23和R14混合組分，無(wú)毒、安全可靠、非易燃易爆；二氧化碳的選擇則排除了使用天然氣易燃易爆的危險(xiǎn)，而且減少了投資。在費(fèi)用方面，一次實(shí)驗(yàn)耗電量為30 kW/h，所需二氧化碳半瓶左右，每次實(shí)驗(yàn)費(fèi)用約為34元人民幣左右，如果液化后的二氧化碳循環(huán)使用的話(huà)，費(fèi)用還可降低。在占地方面，采用撬裝單元結(jié)構(gòu)，設(shè)備小、結(jié)構(gòu)緊湊，整套裝置占地面積約40 m2，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地完全滿(mǎn)足平臺(tái)需求。在實(shí)驗(yàn)耗時(shí)方面，液化氣體為CO2，由于沸點(diǎn)低，設(shè)備啟動(dòng)后30 min內(nèi)可達(dá)到液化溫度，所以在1到2 h時(shí)間內(nèi)可完成一次實(shí)驗(yàn)。

4 氣體液化實(shí)驗(yàn)臺(tái)擬開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

通過(guò)購(gòu)置整體撬裝式混合工質(zhì)制冷機(jī)組、制冷劑、液化冷箱(撬裝保溫冷箱、多層換熱器組、低溫閥門(mén)等)、氣液分離器和PLC儀控系統(tǒng)，建造氣體液化實(shí)驗(yàn)裝置。利用我系實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，了解氣體液化的各種規(guī)律和現(xiàn)象。具體可以實(shí)現(xiàn)如下實(shí)驗(yàn)：

(1) 在一定的混合制冷劑配比和液化氣體壓力下，改變系統(tǒng)運(yùn)行壓力(吸氣壓力和排氣壓力)，了解其對(duì)系統(tǒng)單位液化功的影響。

(2) 在一定的混合制冷劑配比、液化氣體壓力和系統(tǒng)運(yùn)行壓力下，改變換熱器混合位置，了解其對(duì)系統(tǒng)單位液化功的影響。

(3) 在一定的液化氣體壓力下，在該套實(shí)驗(yàn)裝置的液化冷箱前設(shè)置取樣口，與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的氣相色譜儀相連接，研究混合制冷劑配比與氣體液化效率之間的關(guān)系。

(4) 在一定的混合制冷劑配比和系統(tǒng)運(yùn)行壓力下，改變液化介質(zhì)，將其由CO2改為制冷劑混合氣體，與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)自動(dòng)配氣系統(tǒng)相連接，研究不同配比的液化介質(zhì)與混合制冷劑之間的液化關(guān)系，同時(shí)還掌握了如何配氣。

(5) 通過(guò)對(duì)二氧化碳液體儲(chǔ)罐的液相管節(jié)流，可實(shí)現(xiàn)液體二氧化碳的凝華，凝華的二氧化碳(干冰)遇熱發(fā)生升華，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中了解更多的相變知識(shí)。

5 結(jié) 語(yǔ)

高校專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)、培養(yǎng)高層次人才、進(jìn)行科學(xué)研究和社會(huì)服務(wù)的重要基地。氣體液化實(shí)驗(yàn)臺(tái)的引進(jìn)，使石油院校建環(huán)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目更加完善。從以前驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)，變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)液化實(shí)驗(yàn)，加深了學(xué)生對(duì)氣體液化知識(shí)的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力，同時(shí)也使學(xué)生對(duì)該專(zhuān)業(yè)的主干專(zhuān)業(yè)課“城市燃?xì)廨斉洹焙蛯?zhuān)業(yè)限選課“LNG利用技術(shù)”中的氣體液化相關(guān)知識(shí)理解的更加透徹。通過(guò)利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備氣相色譜儀和計(jì)算機(jī)自動(dòng)配氣系統(tǒng)，為液化裝置的運(yùn)行與優(yōu)化提供了良好的技術(shù)支持，也使本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)向綜合性和設(shè)計(jì)性更邁進(jìn)了一步。

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