天然氣液化裝置制冷方法研究

李欣欣?李程北

摘要：混合制冷劑循環(huán)、復(fù)疊式制冷循環(huán)、膨脹制冷循環(huán)等方法在國內(nèi)外的天然氣液化裝置中是比較成熟的幾種制冷方法。近些年來，有關(guān)于天然氣液化裝置制冷方法的研究也不斷取得新的進(jìn)步與革新。文章在深入調(diào)查研究該領(lǐng)域的相關(guān)成果并結(jié)合以上成熟的幾種方法的基礎(chǔ)之上，探討了這三種天然氣液化裝置制冷方法的特點(diǎn)，以期為天然氣液化裝置的改進(jìn)提供參考。

關(guān)鍵詞：天然氣液化；制冷方法；復(fù)疊式制冷；混合制冷劑；膨脹制冷

中圖分類號：TE646 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）15-0037-02

1 復(fù)疊式制冷循環(huán)

若干個(gè)制冷循環(huán)在不同溫度下被操控并且進(jìn)行重疊就構(gòu)成了復(fù)疊式制冷循環(huán)。不同溫度的制冷劑（高、中、低溫）應(yīng)用于復(fù)疊式制冷循環(huán)的不同溫度的部分。低溫部分的制冷劑的冷凝要通過高溫部分制冷劑的蒸發(fā)來達(dá)到，最后冷量由低溫部分的制冷劑進(jìn)行蒸發(fā)來輸出。多個(gè)蒸發(fā)冷凝器聯(lián)系復(fù)疊式制冷循環(huán)的不同溫度的部分，即它們既作為低溫部分的冷凝級，同時(shí)又是高溫部分的蒸發(fā)器，同時(shí)滿足了蒸發(fā)溫度的需求和冷凝壓力的要求，保證較低溫度下的蒸發(fā)和環(huán)境溫度下的冷凝。

對于天然氣液化，現(xiàn)多采用由丙烷、乙烯和甲烷為制冷劑的三級復(fù)疊式制冷循環(huán)，提供天然氣液化所需的冷量，它們的制冷溫度分別為該循環(huán)遠(yuǎn)離流程圖如圖1所示。

現(xiàn)今三級復(fù)疊式制冷循環(huán)多被應(yīng)用于天然氣的液化，即制冷劑采用甲烷、丙烷和乙烯。因這三者的制冷溫度分別為-160e、-45e和-100e，所以根據(jù)這一特點(diǎn)來為天然氣液化的冷量進(jìn)行給予。圖1為三級復(fù)疊式制冷循環(huán)遠(yuǎn)離流程圖。

三個(gè)制冷循環(huán)冷卻器依次對經(jīng)過凈化處理的原料天然氣進(jìn)行冷卻、冷凝液化和冷處理，之后通過低溫泵送進(jìn)儲槽。復(fù)疊式制冷液化循環(huán)有其獨(dú)有的優(yōu)勢，例如其換熱面積小，冷熱介質(zhì)的平均溫差大，又因?yàn)槠渲评溲h(huán)系統(tǒng)各自獨(dú)立，所以互相之間的干擾少，便于操作，耐受性和適應(yīng)性更加強(qiáng)大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)不繁雜但是技術(shù)成熟。同時(shí)，復(fù)疊式制冷液化循環(huán)也有一定的局限性，具體表現(xiàn)在其機(jī)組多導(dǎo)致流程相對復(fù)雜，各種制冷設(shè)備的需求，各個(gè)制冷循環(huán)系統(tǒng)要求不得彼此滲漏，系統(tǒng)復(fù)雜導(dǎo)致維修困難，以及苛刻的制冷劑純度的限定。

2 混合制冷劑循環(huán)

采用單一工質(zhì)時(shí)，節(jié)流制冷機(jī)由于液體只形成于節(jié)流過程中而阻礙了其潛力的發(fā)揮。相反，運(yùn)用混合工質(zhì)時(shí)，液相不僅在節(jié)流時(shí)形成，在熱交換器中就有其存在。這是由于部分混合物在節(jié)流后的傳遞熱能量的過程中進(jìn)行了蒸發(fā)，進(jìn)而在熱交換器中出現(xiàn)冷凝蒸發(fā)。這樣，采用混合工質(zhì)能夠達(dá)到高節(jié)流效果以及高沸點(diǎn)組分對于熱交換器熱當(dāng)量比值的需求的提供。

混合工質(zhì)制冷的采用具有眾多優(yōu)點(diǎn)，諸如，熱交換器溫度分布的改善對系統(tǒng)效率的提升，系統(tǒng)制冷能力的增大，換熱器溫度分布曲線的調(diào)整，以及混合工質(zhì)制冷溫度較大的制冷范圍：70～150K。混合制冷劑液化循環(huán)因?yàn)闄C(jī)組少、流程簡單、對制冷劑純度要求不高、投資費(fèi)用少而得到一定的肯定。此外，多級混合制冷劑循環(huán)可在單級混合制冷劑循環(huán)的基礎(chǔ)上降低更多的能耗而彌補(bǔ)高于20%重疊式循環(huán)能耗的缺點(diǎn)。這是因?yàn)槎嗉壱夯^程中加入了鋁板翅式換熱器，整個(gè)系統(tǒng)的加熱效率便得到了大大提高，進(jìn)而使得能耗基本接近于復(fù)疊式制冷循環(huán)的水平。通過實(shí)踐和特性評價(jià)證實(shí)采用多級循環(huán)時(shí)，能耗隨著級數(shù)的增加而降低。三級混合制冷劑循環(huán)的采用在經(jīng)過優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)的技術(shù)處理之后更為合理和受歡迎。圖2為典型的混合工質(zhì)天然氣液化循環(huán)流程

示例：

混合工質(zhì)組分配比對混合物換熱器性能行為是非常重要的，并且應(yīng)根據(jù)小溫差換熱段對混合物進(jìn)行分類。混合工質(zhì)節(jié)流制冷循環(huán)對各個(gè)組元的采用取決于制冷溫度的要求和組元的正常蒸發(fā)溫度以及凝固點(diǎn)。同時(shí)，混合工質(zhì)組分配比的決定作用也不容忽略，因?yàn)樗艽蟪潭壬蠜Q定了混合物的小溫差換熱段分類原則和混合物換熱器性能。

3 膨脹制冷循環(huán)

逆布雷頓循環(huán)被廣泛應(yīng)用在膨脹制冷循環(huán)中。在膨脹制冷循環(huán)中，冷量的獲取是通過工質(zhì)的熵壓縮（采用壓縮機(jī)）、冷卻（采用后冷卻器）、熵絕熱膨脹并對外做功（采用透平膨脹機(jī)）以及低溫氣流的形成。近年來，逆布雷頓制冷循環(huán)經(jīng)過更多的改革更新獲得了更好的利用效果因而得到廣泛應(yīng)用。這主要?dú)w功于透平逆布雷頓循環(huán)的效率通過高效緊湊換熱器和高速氣體軸承透平膨脹機(jī)的逐步完善而得到了顯著提高，使得其自身的制冷溫度達(dá)到很低的值數(shù)以及制冷量范圍的更加寬泛，大大提高可靠性和可依賴性。

在天然氣液化過程中，以下兩種方式得到了廣泛的應(yīng)用：（1）氮膨脹制冷是直接膨脹制冷的變型，具有流程更簡單、液化能力強(qiáng)、操作方便和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢，但消耗的能量大；（2）天然氣直接膨脹制冷通過膨脹機(jī)對高壓天然氣進(jìn)行絕熱膨脹，最終實(shí)現(xiàn)液化氣的液化操作，靈活方便、設(shè)備緊湊、成本投入少、可靠性高，膨脹效率和膨脹決定著設(shè)備的液化能力。

隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，目前已經(jīng)形成了多級膨脹的液化系統(tǒng)，膨脹制冷機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)也日臻完善，逐漸趨向于低振動、可靠性能強(qiáng)、重量輕、使用時(shí)間長的方向發(fā)展，該循環(huán)系統(tǒng)在業(yè)戶需求不斷增大的現(xiàn)代化社會中具有非常大的優(yōu)勢，其發(fā)展前景非常廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘永芳，等.用于深度冷凍的自行復(fù)疊吸收制冷循

環(huán)理論研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2012，23（6）.

[2] 蔣洪，等.天然氣液化裝置工藝方案設(shè)計(jì)[J].油

氣田地面工程，2011，20（4）.

[3] 蔣彥龍，等.高性能G-M型單級脈管制冷機(jī)直流抑

制和制冷特性實(shí)驗(yàn)研究[J].低溫物理學(xué)報(bào)，

2010，26（2）.

[4] 楊克劍，等.中小型天然氣液化裝置及其應(yīng)用

[J].低溫與超導(dǎo)，2009， 24（2）.

[5] 顧安忠，等.中國液化天然氣的發(fā)展[J].石油化

工技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2011，（1）.

[6] 黑麗民，等.液化天然氣船研究進(jìn)展及其相關(guān)問題

探討[J].天然氣工業(yè)， 2010，22（3）.

作者簡介：李欣欣（1983—），男，河南林州人，鄭州亨利制冷設(shè)備有限公司助理工程師，研究方向：熱能與動力工程-制冷與低溫工程、空調(diào)工程。