兩次節(jié)流循環(huán)在丙烯再液化系統(tǒng)中的熱力分析

童正明，祝佳棟，周 勃，賀軍成，包佳勇

● （上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

兩次節(jié)流循環(huán)在丙烯再液化系統(tǒng)中的熱力分析

童正明，祝佳棟，周 勃，賀軍成，包佳勇

● （上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

在傳統(tǒng)LPG船再液化系統(tǒng)中采用兩級(jí)壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)的基礎(chǔ)上提出了兩級(jí)壓縮兩次節(jié)流中間不完全冷卻的再液化循環(huán)。結(jié)合兩種節(jié)流方式的壓力—熱焓(p-h)圖進(jìn)行了理論分析，并且基于丙烯液化石油氣船的實(shí)例，進(jìn)行了兩種節(jié)流方式的熱力分析，計(jì)算出了再液化系統(tǒng)在一次節(jié)流和兩次節(jié)流時(shí)的單位制冷量、制冷系數(shù)、壓縮機(jī)功耗等一系列數(shù)據(jù)并進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，在相同條件下，兩次節(jié)流循環(huán)與一次節(jié)流循環(huán)相比，單位制冷量提高了1.66%，理論制冷系數(shù)提高了2.24%，壓縮機(jī)消耗的理論功率降低了2.19%。使用兩次節(jié)流的再液化系統(tǒng)可以減少設(shè)備的體積與重量，節(jié)約成本與船上有限的空間。

兩次節(jié)流循環(huán)；再液化系統(tǒng)；制冷系數(shù)；系統(tǒng)優(yōu)化

0 引言

近年來(lái)，隨著LPG液化石油氣體船的大型化，船上液貨罐的蒸發(fā)氣體（boil of gas，BOG）再液化問(wèn)題就越顯突出。再液化問(wèn)題就是制冷技術(shù)在LPG液化氣船上的特殊應(yīng)用，其系統(tǒng)流程基本采用兩級(jí)壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)[1]。目前在國(guó)內(nèi)相關(guān)制冷技術(shù)方面的文獻(xiàn)中提出了采用兩次節(jié)流的方案，指出采用兩次節(jié)流不僅增加制冷效率、降低壓縮機(jī)功耗[2]，而且還減少了裝置的體積和重量[3]。雖然有相關(guān)文獻(xiàn)的支持，但兩次節(jié)流在 LPG液化石油氣體船再液化裝置方面涉及較少。本文將兩級(jí)壓縮兩次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)運(yùn)用到LPG液化石油氣體船再液化裝置中，通過(guò)熱力計(jì)算，以期得出在再液化裝置中兩次節(jié)流循環(huán)和一次節(jié)流循環(huán)相比的效果，以及制冷系數(shù)、壓縮機(jī)功耗等方面的變化規(guī)律。

1 兩種節(jié)流方式的理論分析

本文按容量 10000m3的丙烯運(yùn)輸船的再液化系統(tǒng)的要求進(jìn)行再液化工藝的熱力計(jì)算。已知每個(gè)罐的最大裝載率98%，丙烯運(yùn)輸船再液化系統(tǒng)中的蒸發(fā)壓力p0=0.5MPa，設(shè)定整個(gè)循環(huán)的制冷量Q0=120kW，環(huán)境溫度為45℃，丙烯在環(huán)境溫度下所對(duì)應(yīng)的壓力pk=1.843MPa[4]。

圖1為兩級(jí)壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻制冷循環(huán)。圖2為兩級(jí)壓縮兩次節(jié)流中間不完全冷卻制冷循環(huán)。

圖1 兩級(jí)壓縮中間不完全冷卻一級(jí)節(jié)流制冷循環(huán)的p-h圖

圖2 兩級(jí)壓縮兩次節(jié)流中間不完全冷卻制冷循環(huán)的p-h圖

設(shè)兩個(gè)循環(huán)中，有相同的冷凝壓力pk，相同的中間壓力pm，相同的蒸發(fā)壓力p0。低壓級(jí)壓縮機(jī)和高壓級(jí)壓縮機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量分別表示為qmD和qmG。參照?qǐng)D1、2，以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，可以得出兩級(jí)壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)制冷系數(shù)ε[5]為：

式中，y是高壓壓縮機(jī)同低壓壓縮機(jī)的制冷劑流量之比：

進(jìn)而一次節(jié)流冷卻循環(huán)制冷系數(shù)ε為：

同樣，由圖2可以得出，兩級(jí)壓縮兩次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)制冷系數(shù)ε0[5]為：

從圖1、2中可看出，一次節(jié)流時(shí)由于中間冷凝器中傳熱溫差的存在，造成h4(一次節(jié)流)＞h4′(兩次節(jié)流)。即兩次節(jié)流的單位制冷量大于一次節(jié)流的單位制冷量。從圖1、2也可發(fā)現(xiàn)，兩次節(jié)流時(shí)，高壓級(jí)壓縮機(jī)的流量大于一次節(jié)流的高壓級(jí)流量。因此，根據(jù)制冷系數(shù)的表達(dá)式，無(wú)法直接判斷兩次節(jié)流和一次節(jié)流中哪個(gè)制冷系數(shù)大[5]。

2 兩種節(jié)流方式的熱力計(jì)算與分析

設(shè)定兩種節(jié)流方式的低壓級(jí)壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱度均為10℃。一次節(jié)流循環(huán)中，中間冷卻器出口的丙烯液態(tài)溫度比中間溫度高5℃。

2.1 兩級(jí)壓縮兩次節(jié)流中間不完全冷卻

pk=1.843MPa，p0=0.5MPa。當(dāng)p0=0.5MPa時(shí)，查丙烯的物性參數(shù)表得h0=572.8564kJ/kg，h1=580.9292kJ/kg，h8=610.5181 kJ/kg，h9=h10=319.1407kJ/kg。

2.1.1 確定中間溫度和壓力[5]

查丙烯的物性參數(shù)表得tm′=17.7788℃。在17.7788℃上下取若干個(gè)數(shù)值：16、17、18、19、20、21、22、23℃。

式中，qmD為低壓級(jí)壓縮機(jī)流量，kg/s；qmG為高壓級(jí)壓縮機(jī)流量，kg/s；POD為低壓級(jí)壓縮機(jī)理論功率，kW；POG為高壓級(jí)壓縮機(jī)理論功率，kW。按制冷系數(shù)最大確定最佳中間溫度。具體計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可見，制冷系數(shù)在21～22℃最大。取tm=21.5℃，pm=1.0569MPa。各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)見表2。

表1 不同溫度下各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)值及相應(yīng)的制冷系數(shù)

表2 一次節(jié)流時(shí)最佳中間溫度下各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)值

2.1.2 熱力計(jì)算[5]

1）單位制冷量：

2）低壓級(jí)制冷劑循環(huán)量：

3）低壓級(jí)壓縮機(jī)體積流量：

4）低壓級(jí)壓縮機(jī)理論排量：

(λD為低壓級(jí)壓縮機(jī)輸氣系數(shù)，λD=0.753)

5）低壓級(jí)壓縮機(jī)理論比功：

6）低壓級(jí)壓縮機(jī)理論功率：

7）高壓級(jí)制冷劑循環(huán)量：

8）高壓級(jí)壓縮機(jī)理論排量：

式中，λG為高壓級(jí)壓縮機(jī)輸氣系數(shù)，λG=0.792。

9）高壓級(jí)壓縮機(jī)理論比功：

10）高壓級(jí)壓縮機(jī)理論功率：

11）制冷系數(shù)：

12）循環(huán)的高低壓級(jí)理論排量比：

2.2 兩級(jí)壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻

2.2.1 確定中間溫度和壓力[5]

同樣在17.7788℃上下取若干個(gè)數(shù)值15、16、17、18℃、19、20、21、22℃。按制冷系數(shù)最大的確定最佳中間溫度tm=18.5℃，即所對(duì)應(yīng)的最佳中間壓力Pm=0.9783MPa。此時(shí)各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)見表3。

表3 兩次節(jié)流時(shí)最佳中間溫度下各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)值

2.2.2 熱力計(jì)算[5]

1）單位制冷量：

2）低壓級(jí)制冷劑循環(huán)量：

3）低壓級(jí)壓縮機(jī)體積流量：

4）低壓級(jí)壓縮機(jī)理論排量：

式中，λD為低壓級(jí)壓縮機(jī)輸氣系數(shù)，λD=0.753。

5）低壓級(jí)壓縮機(jī)理論比功：

6）低壓級(jí)壓縮機(jī)理論功率：

7）高壓級(jí)制冷劑循環(huán)量：

8）高壓級(jí)壓縮機(jī)理論排量：

式中，λG為高壓級(jí)壓縮機(jī)輸氣系數(shù)，λG=0.792。

9）高壓級(jí)壓縮機(jī)理論比功：

10）高壓級(jí)壓縮機(jī)理論功率：

11）制冷系數(shù)：

12）循環(huán)的高低壓級(jí)理論排量比：

2.3 熱力計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)兩種節(jié)流方式的熱力計(jì)算可知，兩次節(jié)流與一次節(jié)流相比，其單位制冷量提高了1.66%，理論制冷系數(shù)提高了2.24%，壓縮機(jī)的功率降低了2.19%，低壓級(jí)的理論排量與高壓級(jí)的理論排量分別降低了1.62%、7.59%，證明采用兩級(jí)壓縮兩次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)比兩級(jí)壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)更加節(jié)能。結(jié)果見表4。

表4 兩種節(jié)流方式的熱力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

采用兩級(jí)壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)時(shí)需要增加丙烯的過(guò)冷度，一般增加工質(zhì)的過(guò)冷度是通過(guò)加大冷凝器換熱面積來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不僅增加成本，而且也增加了設(shè)備的體積和重量[6-7]。而采用兩級(jí)壓縮兩次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)時(shí)無(wú)需增加丙烯的過(guò)冷度，而且從表4的對(duì)比中可以看出采用兩次節(jié)流時(shí)高、低壓級(jí)壓縮機(jī)的排量都有所減少。因此，采用兩次節(jié)流可以降低該再液化設(shè)備的體積與重量，節(jié)約船上有限的空間。

采用兩級(jí)壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)時(shí)需要增加丙烯的過(guò)冷度，一般增加工質(zhì)的過(guò)冷度是通過(guò)加大冷凝器換熱面積來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不僅增加成本，而且也增加了設(shè)備的體積和重量[6-7]。而采用兩級(jí)壓縮兩次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)時(shí)無(wú)需增加丙烯的過(guò)冷度，而且從表4的對(duì)比中可以看出，采用兩次節(jié)流時(shí)高、低壓級(jí)壓縮機(jī)的排量都有所減少。因此，采用兩次節(jié)流可以降低該再液化設(shè)備的體積與重量，節(jié)約船上有限的空間。

應(yīng)該指出的是，采用兩級(jí)節(jié)流時(shí)，中間冷卻器應(yīng)靠近蒸發(fā)器。因?yàn)閺闹虚g冷卻器中出來(lái)的液體是飽和液體，流動(dòng)中有阻力損失，會(huì)產(chǎn)生閃發(fā)氣體，減小進(jìn)入膨脹閥的液體量，會(huì)存在供液不足的現(xiàn)象[8-9]。

3 結(jié)論

1）相同條件下，丙烯液化石油氣船再液化系統(tǒng)中兩次節(jié)流循環(huán)與一次節(jié)流循環(huán)相比，單位制冷量提高了1.66%，理論制冷系數(shù)提高了2.24%。

2）相同條件下，采用兩次節(jié)流循環(huán)與一次節(jié)流循環(huán)相比，壓縮機(jī)消耗的功率降低了2.19%，高低壓級(jí)壓縮機(jī)的理論排量都有所降低。

3）丙烯液化石油氣船再液化系統(tǒng)中采用兩級(jí)壓縮兩次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)時(shí)可以減少設(shè)備的體積與重量，節(jié)約成本與船上有限的空間。

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Thermodynamic Analysis on Two Throttle Cycles in Propylene Re-liquefaction System

TONG Zheng-ming, ZHU Jia-dong, ZHOU Bo, HE Jun-cheng, BAO Jia-yong

(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

On the basis of two stages compression with one throttle incomplete intermediate cooling system in the traditional LPG ship reliquefaction system, the two stages compression with two throttles incomplete intermediate cooling reliquefaction system are proposed. Combining the pressure-enthalpy (p-h) map of the two kinds of throttles, the theoretical analysis is carried out. And based on a case of liquefied petroleum gas ship of propylene, the thermal analysis of two kinds of throttles is carried out. The refrigeration capacity, refrigeration coefficient, compressor power consumption and so on are calculated. The results show that under the same conditions, the two throttles cycle compared with a throttle cycle, the refrigerating capacity of unit is increased by 1.66%, theoretical refrigeration coefficient increases by 2.24%, and the theoretical power of compressor consumption decreases 2.19%.The reliquefaction system of two throttles can reduce the volume and weight of the equipment, and save the cost and the limited space of ships.

two throttles cycles; re-liquefaction system; refrigeration coefficient; system optimization

TK123

A

童正明（1955-），男，教授，主要研究方向?yàn)橹评渑c低溫技術(shù)、換熱器性能測(cè)試、過(guò)程裝備系統(tǒng)集成。